Vibrational spectroscopic analysis of the mineral crandallite CaAl3(PO4)2(OH)5•(H2O) from the Jenolan Caves, Australia

The mineral crandallite CaAl3(PO4)2(OH)5•(H2O) has been identified in deposits found in the Jenolan Caves, New South Wales, Australia by using a combination of X-ray diffraction and Raman spectroscopic techniques. A comparison is made between the vibrational spectra of crandallite found in the Jenolan Caves and a standard crandallite. Raman and infrared bands are assigned to PO43- and HPO42- stretching and bending modes. The predominant features are the internal vibrations of the PO43 and HPO42- groups. A mechanism for the formation of crandallite is presented and the conditions for the formation are elucidated.

Thermal stability of crandallite CaAl3(PO4)2(OH)5•(H2O) – a ‘cave’ mineral from the Jenolan Caves

Thermogravimetry combined with evolved gas mass spectrometry has been used to characterise the mineral crandallite CaAl3(PO4)2(OH)5•(H2O) and to ascertain the thermal stability of this ‘cave’ mineral. X-ray diffraction proves the presence of the mineral and identifies the products after thermal decomposition. The mineral crandallite is formed through the reaction of calcite with bat guano. Thermal analysis shows that the mineral starts to decompose through dehydration at low temperatures at around 139°C while dehydroxylation occurs over the temperature range 200 to 700°C with loss of OH units. The critical temperature for OH loss is around 416°C and above this temperature the mineral structure is altered. Some minor loss of carbonate impurity occurs at 788°C. This study shows the mineral is unstable above 139°C. This temperature is well above the temperature in caves, which have a maximum temperature of 15°C. A chemical reaction for the synthesis of crandallite is offered and the mechanism for the thermal decomposition is given.

A vibrational spectroscopic study of philipsbornite PbAl3(AsO4)2(OH)5⋅H2O-molecular structural implications and relationship to the crandallite subgroup arsenates

The presence of arsenic in the environment is a hazard. The accumulation of arsenate by a range of cations in the formation of minerals provides a mechanism for the remediation of arsenate contamination. The formation of the crandallite group of minerals provides a mechanism for arsenate accumulation. Among the crandallite minerals are philipsbornite, arsenocrandallite and arsenogoyazite. Raman spectroscopy complimented with infrared spectroscopy has enabled aspects of the structure of philipsbornite to be studied. The Raman spectrum of philipsbornite displays an intense band at around 840 cm−1 attributed to the overlap of the symmetric and antisymmetric stretching modes. Raman bands observed at 325, 336, 347, 357, 376 and 399 cm−1 are assigned to the ν2 (AsO4)3− symmetric bending vibration (E) and to the ν4 bending vibration (F2). The observation of multiple bending modes supports the concept of a reduction in symmetry of the arsenate anion in philipsbornite. Evidence for phosphate in the mineral is provided. By using an empirical formula, hydrogen bond distances for the OH units in philipsbornite of 2.8648 Å, 2.7864 Å, 2.6896 Å cm−1 and 2.6220 were calculated.

Dussertite BaFe3+3(AsO4)2(OH)5 : a Raman spectroscopic study of a hydroxy-arsenate mineral

The mineral dussertite, a hydroxy-arsenate mineral of formula BaFe3+3(AsO4)2(OH)5, has been studied by Raman complimented with infrared spectroscopy. The spectra of three minerals from different origins were investigated and proved quite similar, although some minor differences were observed. In the Raman spectra of Czech dussertite, four bands are observed in the 800 to 950 cm-1 region. The bands are assigned as follows: the band at 902 cm-1 is assigned to the (AsO4)3- ν3 antisymmetric stretching mode, at 870 cm-1 to the (AsO4)3- ν1 symmetric stretching mode, and both at 859 cm-1 and 825 cm-1 to the As-OM2+/3+ stretching modes/and or hydroxyls bending modes. Raman bands at 372 and 409 cm-1 are attributed to the ν2 (AsO4)3- bending mode and the two bands at 429 and 474 cm-1 are assigned to the ν4 (AsO4)3- bending mode. An intense band at 3446 cm-1 in the infrared spectrum and a complex set of bands centred upon 3453 cm-1 in the Raman spectrum are attributed to the stretching vibrations of the hydrogen bonded (OH)- units and/or water units in the mineral structure. The broad infrared band at 3223 cm-1 is assigned to the vibrations of hydrogen bonded water molecules. Raman spectroscopy identified Raman bands attributable to (AsO4)3- and (AsO3OH)2- units.

Raman spectroscopic study of the mineral arsenogorceixite BaAl3AsO3(OH)(AsO4,PO4)(OH,F)6

Arsenogorceixite BaAl3AsO3(OH)(AsO4,PO4)(OH,F)6 belongs to the crandallite mineral subgroup of the alunite supergroup. Arsenogorceixite forms a continuous series of solid solutions with related minerals including gorceixite, goyazite, arsenogoyazite, plumbogummite and philipsbornite. Two minerals from (a) Germany and (b) from Ashburton Downs, Australia were analysed by Raman spectroscopy. The spectra show some commonality but the intensities of the peaks vary. Sharp intense Raman bands for the German sample, are observed at 972 and 814 cm−1 attributed to the ν1 PO43− and AsO43− symmetric stretching modes. Raman bands at 1014, 1057, 1148 and 1160 cm−1 are attributed to the ν1 PO2 symmetric stretching mode and ν3 PO43− antisymmetric stretching vibrations. Raman bands at 764 and 776 cm−1 and 758 and 756 cm−1 are assigned to the ν3 AsO43− antisymmetric stretching vibrations. For the Australian mineral, the ν1 PO43− band is found at 973 cm−1. The intensity of the arsenate bands observed at 814, 838 and 870 cm−1 is greatly enhanced. Two low intensity Raman bands at 1307 and 1332 cm−1 are assigned to hydroxyl deformation modes. The intense Raman band at 441 cm−1 with a shoulder at 462 cm−1 is assigned to the ν2 PO43− bending mode. Raman bands at 318 and 340 cm−1 are attributed to the (AsO4)3−ν2 bending. The broad band centred at 3301 cm−1 is assigned to water stretching vibrations and the sharper peak at 3473 cm−1 is assigned to the OH stretching vibrations. The observation of strong water stretching vibrations brings into question the actual formula of arsenogorceixite. It is proposed the formula is better written as BaAl3AsO3(OH)(AsO4,PO4)(OH,F)6·xH2O. The observation of both phosphate and arsenate bands provides a clear example of solid solution formation.

Raman and infrared spectroscopic study of the mineral goyazite SrAl3(PO4)2(OH)5·H2O

We have studied the mineral goyazite using Raman and infrared spectroscopy. Goyazite is a member of the crandallite subgroup of the alunite supergroup. The crystal structure is of the alunite-type and consists of sheets of corner-sharing AlO6 octahedra parallel to (0001). The octahedrally coordinated Sr2+ cations occupy cavities between pairs of octahedral sheets and are surrounded by six oxygen atoms from the (Al3+)O6 octahedra. The very intense sharp band at 983 cm-1 is assigned to the ν1 PO43- symmetric stretching mode. The observation of a single band supports the concept that all the phosphate units are equivalent in the structure of goyazite. Raman bands observed at 1029 cm-1 and 1037 cm-1 are assigned to the to the ν3 PO43- antisymmetric stretching vibrations. Two Raman bands at 895 and 927 cm-1 are attributed to the stretching vibrations of H2PO4; thus indicating some hydrogen phosphate units in the structure of goyazite. Raman bands at 556, 581, 596 and 612 cm-1 are assigned to the ν4 PO43- bending modes, suggesting a reduction of symmetry of phosphate units. Two sharp Raman bands at 3609 and 3631 cm-1 are attributed to OH stretching vibrations from the goyazite hydroxyl units. Broad Raman bands at 2924, 3043, 3210, 3429 and 3511 cm-1 are assigned to water stretching vibrations. Vibrational spectroscopy enables subtle details of the molecular structure of goyazite to be determined.

Os fragmentos de cerâmica arqueológica como fonte potencial de fertilidade dos solos TPA

Os solos tipo Terra Preta Arqueológica (TPA) são reconhecidos por sua elevada fertilidade, em forte contraste com os solos pobres da Amazônia. Esta fertilidade parece persistir mesmo após o seu uso intensivo na agricultura. As TPA são geralmente ricas em fragmentos cerâmicos, importantes registros de que estão interligados com ocupação humana na Préhistória. Muitos estudos se concentraram sobre os aspectos estilísticos das vasilhas cerâmicas representativas desses fragmentos, e mais restritamente são motivos de estudos de caracterização químico-mineral, para identificação de matéria prima, procedência, tecnologia, e principalmente a origem do seu conteúdo em P, variado e relativamente elevado. Esses teores de P estão representados por fosfatos de alumínio, em geral, amorfos a variscitaestrengita, e sua origem é creditada ao uso das vasilhas para o preparo de alimentos. Embora já aventado a possibilidade de que estes fragmentos possam responder pela a fertilidade continuada destes solos, estudos experimentais não foram realizados para demonstrar a potencial contribuição destes fragmentos para reconhecida fertilidade das TPA. O presente trabalho demonstra esta possibilidade, e para atingir este fim foram selecionados fragmentos de três sítios arqueológicos com características distintas situados em diferentes porções da Amazônia: Monte Dourado 1 (Almeirim-PA), Jabuti (Bragança-PA) e Da Mata (São José de Ribamar-MA). Inicialmente 325 fragmentos cerâmicos foram descritos mesoscopicamente e submetidos à caracterização mineralógica e química por DRX; microscopia óptica; TG-ATD; IV-FT; MEV-SED; ICP-MS e ICP-OES; adsorção gasosa; medidas dos parâmetros de fertilidade; e ensaios de dessorção de P. Com estes dados objetivou-se identificar matérias primas, processos produtivos, modificações ocorridas durante o uso e após o descarte, e desta forma avaliar as possíveis contribuições destes fragmentos a fertilidade das TPA. A hipótese de contaminação por nutrientes provindos dos alimentos durante o uso das vasilhas para preparação de alimentos foi comprovada através de experimento em laboratório simulando condições de cozimento, onde foi avaliada a incorporação de cálcio e fósforo em panelas cerâmicas similares as arqueológicas. Os resultados mostram que os antigos povos ceramistas utilizaram matérias primas dos arredores de seus sítios. A composição em termos de uma matriz com metacaulinitica e quartzo, por vezes muscovita é comum a todos os fragmentos, indicando matéria prima rica em caulinita e quartzo, fundamental para produção das vasilhas. A metacaulinita sugere que a queima ocorreu em torno de 550°C. Por outro lado, adições de antiplásticos distintos promoveram diferenças químicas e mineralógicas fazendo com que os fragmentos no seu todo divirjam entre si: os do sítio Da Mata se caracterizam pelo emprego exclusivo de cariapé, em Monte Dourado 1 o cariapé com rochas trituradas de mineralogia complexa, e no Jabuti conchas por vezes cariapé. Fosfatos amorfos são comuns a todos os sítios, embora em teores distintos, sendo que fosfatos de alumínio cristalinos tipo crandallitagoyazita foram encontrados apenas no Jabuti e fosfatos de Fe-Mg-Ca, a segelerita, em Monte Dourado 1. Os fosfatos amorfos e a crandallita-goyazita foram interpretados como indicadores de uso das vasilhas representativas dos fragmentos para preparação de alimentos, enquanto a segelerita uma neoformação ocorrida após o sítio ter sido submetido às condições hidromórficas, que persistem até atualidade. Em termos das concentrações de P, nos fragmentos do sítio Da Mata estão as menores, em média, 1,04% de P₂O₅ que assemelham-se a maioria dos fragmentos já investigados, enquanto os do Jabuti são os mais elevados (em média, 7,75%) já conhecidos, e nos do Monte Dourado 1 são, em média, 2,23% . É provável que os altos teores de P, Ca e Sr sejam provenientes da dieta alimentar a base de mariscos, como demonstra a riqueza em conchas nos fragmentos. Os teores elevados de Ca em Monte Dourado 1 refletem a presença de labradorita no antiplástico. A fertilidade potencial dos fragmentos cerâmicos é nitidamente superior a dos solos TPA quando analisados sem os fragmentos. Portanto é plausível se supor que os fragmentos podem ser fonte dos macronutrientes e micronutrientes. Isto foi comprovado através dos ensaios que comprovara a dessorção de P, a qual ocorre de forma lenta, um aspecto muito importante para reforçar a persistência da fertilidade. Essa dessorção é mais bem descrita pelo modelo de Freundlich que sugere interações entre os íons adsorvidos. O experimento que simulou condições de cozimento mostrou que o Ca e o P podem ser adsorvidos tanto nas paredes quanto nas tampas das panelas cerâmicas, porém concentrações mais elevadas são evidenciadas nas paredes. Embora o Ca tenha sido adsorvido não foi identificada uma fase seja ela amorfa ou cristalina contendo este elemento, provavelmente porque o tempo não foi suficiente. Porém quanto ao P, a adsorção ocorreu, e já a partir de 600 h formou-se variscita, um fosfato de alumínio, nas paredes das panelas. Portanto os fosfatos de alumínio podem se formar ainda nas vasilhas cerâmicas durante o preparo de alimento por cozimento, assim, sua presença nas das vasilhas cerâmicas se constitui, em um importante indicador de uso das mesmas para o cozimento de alimentos e seus fragmentos nos solos são fonte potencial importante de fertilidade.

Geologia, mineralogia e geoquímica dos fosfatos de Sapucaia (Bonito - PA)

O depósito mineral de Sapucaia, situado no município de Bonito, região nordeste do Estado do Pará, é parte de um conjunto de ocorrências de fosfatos de alumínio lateríticos localizados predominantemente ao longo da zona costeira dos estados do Pará e Maranhão. Estes depósitos foram alvos de estudo desde o início do século passado, quando as primeiras descrições de “bauxitas fosforosas” foram mencionadas na região NW do Maranhão. Nas últimas décadas, com o crescimento acentuado da demanda por produtos fertilizantes pelo mercado agrícola mundial, diversos projetos de exploração mineral foram iniciados ou tiveram seus recursos ampliados no território brasileiro, dentre estes destaca-se a viabilização econômica de depósitos de fosfatos aluminosos, como o de Sapucaia, que vem a ser o primeiro projeto econômico mineral de produção e comercialização de termofosfatos do Brasil. Este trabalho teve como principal objetivo caracterizar a geologia, a constituição mineralógica e a geoquímica do perfil laterítico alumino-fosfático do morro Sapucaia. A macrorregião abrange terrenos dominados em sua maioria por rochas pré-cambrianas a paleozóicas, localmente definidas pela Formação Pirabas, Formação Barreiras, Latossolos e sedimentos recentes. A morfologia do depósito é caracterizada por um discreto morrote alongado que apresenta suaves e contínuos declives em suas bordas, e que tornam raras as exposições naturais dos horizontes do perfil laterítico. Desta forma, a metodologia aplicada para a caracterização do depósito tomou como base o programa de pesquisa geológica executada pela Fosfatar Mineração, até então detentora dos respectivos direitos minerais, onde foram disponibilizadas duas trincheiras e amostras de 8 testemunhos de sondagem. A amostragem limitou-se à extensão litológica do perfil laterítico, com a seleção de 44 amostras em intervalos médios de 1m, e que foram submetidas a uma rota de preparação e análise em laboratório. Em consonância com as demais ocorrências da região do Gurupi, os fosfatos de Sapucaia constituem um horizonte individualizado, de geometria predominantemente tabular, denominado simplesmente de horizonte de fosfatos de alumínio ou crosta aluminofosfática, que varia texturalmente de maciça a cavernosa, porosa a microporosa, que para o topo grada para uma crosta ferroalumino fosfática, tipo pele-de-onça, compacta a cavernosa, composta por nódulos de hematita e/ou goethita cimentados por fosfatos de alumínio, com características similares aos do horizonte de fosfatos subjacente. A crosta aluminofosfática, para a base do perfil, grada para um espesso horizonte argiloso caulinítico com níveis arenosos, que repousa sobre sedimentos heterolíticos intemperizados de granulação fina, aspecto argiloso, por vezes sericítico, intercalados por horizontes arenosos, e que não possuem correlação aparente com as demais rochas aflorantes da geologia na região. Aproximadamente 40% da superfície do morro é encoberta por colúvio composto por fragmentos mineralizados da crosta e por sedimentos arenosos da Formação Barreiras. Na crosta, os fosfatos de alumínio estão representados predominantemente pelo subgrupo da crandallita: i) série crandallita-goyazita (média de 57,3%); ii) woodhouseíta-svanbergita (média de 15,8%); e pela iii) wardita-millisita (média de 5,1%). Associados aos fosfatos encontram-se hematita, goethita, quartzo, caulinita, muscovita e anatásio, com volumes que variam segundo o horizonte laterítico correspondente. Como os minerais pesados em nível acessório a raro estão zircão, estaurolita, turmalina, anatásio, andalusita e silimanita. O horizonte de fosfatos, bem como a crosta ferroalumínio-fosfática, mostra-se claramente rica em P₂O₅, além de Fe₂O₃, CaO, Na₂O, SrO, SO₃, Th, Ta e em terras-raras leves como La e Ce em relação ao horizonte saprolítico. Os teores de SiO₂ são consideravelmente elevados, porém muito inferiores aqueles identificados no horizonte argiloso sotoposto. No perfil como um todo, observa-se uma correlação inversa entre SiO₂ e Al₂O₃; entre Al₂O₃ e Fe₂O₃, e positiva entre SiO₂ e Fe₂O₃, que ratificam a natureza laterítica do perfil. Diferente do que é esperado para lateritos bauxíticos, os teores de P₂O₅, CaO, Na₂O, SrO e SO₃ são fortemente elevados, concentrações consideradas típicas de depósitos de fosfatos de alumínio ricos em crandallita-goyazita e woodhouseítasvanbergita. A sucessão dos horizontes, sua composição mineralógica, e os padrões geoquímicos permitem correlacionar o presente depósito com os demais fosfatos de alumínio da região, mais especificamente Jandiá (Pará) e Trauíra (Maranhão), bem como outros situados além do território brasileiro, indicando portanto, que os fosfatos de alumínio de Sapucaia são produtos da gênese de um perfil laterítico maturo e completo, cuja rocha fonte pode estar relacionada a rochas mineralizadas em fósforo, tais como as observadas na Formação Pimenteiras, parcialmente aflorante na borda da Bacia do Parnaíba. Possivelmente, o atual corpo de minério integrou a paleocosta do mar de Pirabas, uma vez que furos de sondagem às proximidades do corpo deixaram claro a relação de contato lateral entre estas unidades.