Ensaios de saturação catiônica em argilominerais magnesianos da Bacia de Santos, pré-sal brasileiro

Abstract

A caracterização dos argilominerais magnesianos saponita e estevensita da Formação Barra Velha (FBV) da Bacia de Santos pode ser uma importante chave para melhor compreender o ambiente deposicional lacustre alcalino que deu origem a importantes rochas reservatório do pré-Sal brasileiro. Substituições iônicas nos diferentes sítios cristalográficos da estrutura desses minerais são responsáveis pela sua organização cristaloquímica. Consequentemente influenciando suas propriedades físicas específicas, como distâncias interplanares, graus de hidratação, cristalinidade e carga. Essas propriedades associadas a composição e distribuição dos elementos químicos nos diferentes sítios cristalográficos caracterizam as múltiplas espécies desse grupo. O grupo das esmectitas trioctaédricas tem, no entanto, sua identificação dificultada pela distintiva presença de estruturas irregulares, além de vacâncias, defeitos cristalinos e comumente interestratificações. Essas características refletem negativamente na qualidade dos resultados da técnica mais comum na caracterização de argilominerais, a difratometria de raios-X (DRX). Este trabalho apresenta um estudo experimental e analítico para avaliar a efetividade da saturação catiônica como ferramenta na distinção entre as saponitas e estevensitas da FBV através da DRX, bem como sua aplicabilidade em volumes amostrais restritos devido ao elevado custo atrelado à obtenção de amostras do pré-sal. A pesquisa foi baseada na adaptação de metodologias experimentais já postuladas pela bibliografia para a caracterização de esmectitas, mas ainda não aplicadas aos argilominerais do pré-Sal. Os ensaios foram realizados em 2 saponitas e 2 estevensitas da Formação Barra Velha. Para as saponitas, a troca foi realizada com dois cátions, Ca2+ e K+, enquanto para estevensitas foi feita apenas saturação em K+. Todos os resultados foram coerentes com o esperado pelas metodologias já estabelecidas, ainda que utilizando pesos amostrais até 200 vezes menores que os autores referenciados (25 a 128 mg). Quanto aos dados da DRX, foram observadas pequenas mudanças (~0,27 Å) no espaçamento basal das saponitas saturadas com Ca2+, além da permanência do grau de hidratação (2 W). Quanto as estevensitas, as modificações alcançaram valores de ~ 2,4 Å, representando a transição para o grau de hidratação 1 W. Além do espaçamento basal, os dados também apontaram que as duas espécies minerais experimentadas são de baixa carga. Por fim, pequenas variações após a saturação em K+ e em seguida etilenoglicol foram observadas e podem ser importantes aliadas na distinção entre as saponitas e estevensitas da FBV.

The characterization of the magnesian clay minerals saponite and stevensite from the Barra Velha Formation (BVF) in the Santos Basin may serve as a significant key to better understand the alkaline lacustrine depositional environment that gave rise to important pre-salt reservoir rocks in Brazil. Ionic substitutions in different crystallographic sites of the structure of these minerals dictate their crystallochemical organization, consequently influencing their specific physical properties such as interplanar distances, degrees of hydration, crystallinity, and charge. These properties, combined with the composition and distribution of chemical elements in different crystallographic sites, characterize the multiple species within this group. However, the identification of trioctahedral smectites is especially challenging due to the distinctive presence of irregular structures, as well as vacancies, crystal defects, and commonly observed interstratifications. This negatively affects the quality of results obtained through the most common technique for clay mineral characterization, X-ray diffraction (XRD). This study presents an experimental and analytical approach to evaluate the effectiveness of cationic saturation as a tool in distinguishing between saponites and stevensites from the BVF through XRD, as well as its applicability in limited sample volumes due to the high cost associated with obtaining pre-Salt samples. The research was based on the adaptation of experimental methodologies already proposed in the literature for smectite characterization , but not yet applied to pre-Salt clay minerals. Tests were conducted on 2 saponites and 2 stevensites from the Barra Velha Formation. For saponites, cation exchange was performed with two cations, Ca2+ and K+, while for stevensites, saturation was done only with K+. All results were consistent with expectations based on established methodologies, even when using sample weights up to 200 times smaller than those referenced in the literature (25 to 128 mg). Regarding XRD data, small changes (~0.27 Å) were observed in the basal spacing of saponites saturated in Ca2+, along with the consistent hydration degree (2 W). For stevensites, modifications reached values of ~2.4 Å, indicating the transition to hydration degree 1 W. In addition to basal spacing, the data also indicated that both mineral species tested have low charge. Finally, small variations after saturation with K+ and subsequent ethylene glycol treatment were observed and may be important in distinguishing between saponites and stevensites from the BVF.