Appunti Geochimica ambientale

GEOCHIMICA 0

L’atomo è costituito da un nucleo che contiene le informazioni sulle caratteristiche chimico-fisiche

dello stesso, e da elettroni tramite la cui configurazione si traggono informazioni su come gli atomi

si legano tra di loro e sulle caratteristiche chimiche.

Per ogni elemento il numero di protoni definisce il numero atomico (Z).

Gli atomi sono ordinati lungo la tavola periodica in ordine di numero atomico crescente lungo i

periodi e lungo i gruppi, in base alle loro caratteristiche chimico fisiche.

I primi tre periodi contengono solo elementi i cui elettroni sono posti negli orbitali s e p, dal quarto

al settimo periodo gli elettroni degli atomi si dispongono negli orbitali s,p,d,f.

Gli elementi nell’ottavo gruppo sono i gas nobili, non reattivi a causa della loro configurazione

elettronica.

Il peso atomico di un elemento è dato dai pesi dei diversi isotopi naturali in funzione della loro

abbondanza (media), gli isotopi inoltre danno informazioni sui processi che sono avvenuti.

Esempio: isotopi Abbondanza % Massa (amu)

28 92.23 27.976927

14

29 4.67 28.976495

14

30 3.10 29.973770

14

28 : 0.9223 27.976927 = 25.80312

14

29 : 0.0467 28.976495 = 1.35320

14

30 : 0.0310 29.973770 = 0.92918

14

25.80312 + 1.35320 + 0.92918 = 28.08550 =peso atomico scritto sulla tavola periodica 1

Dunque il peso atomico insieme al raggio atomico, sono fattori discriminanti per quanto riguarda le

caratteristiche degli elementi infatti ne differenziano il comportamento.

Gli elementi più abbondanti sulla terra sono il Silicio (Si), il Carbonio (C), l’Ossigeno (O) e il

Magnesio (Mg). Tuttavia non tutti hanno la stessa abbondanza poiché hanno pesi e caratteristiche

diverse.

NUCLEOSINTESI: l’origine degli elementi

14 miliardi di anni fa, dopo il Big Bang, i nuclei di ed hanno iniziato a fondersi e a generare

nuovi elementi attraverso 2 processi: la catena protone-protone e il ciclo CNO.

- Catena protone-protone: è un processo di fusione nucleare che trasforma i nuclei di

idrogeno in nuclei di elio. Rappresenta la sorgente di energia principale per la maggior

parte delle stelle dell’universo.

- Ciclo CNO (carbonio, azoto, ossigeno): si tratta della fusione di 4 protoni per generare una

( (4))

particella pesante , due positroni più leggeri, due neutrini ancora più leggeri, ed

.

un ulteriore rilascio di energia di tipo puramente luminoso sottoforma di I nuclei

di carbonio, azoto e ossigeno svolgono il ruolo di catalizzatori: prendono parte ala reazione

solo alla fine e vengono restituiti inalterati per prendere parte ad un nuovo ciclo. Il risultato

.

del processo sono 4 nuclei di trasformati in

Esiste in realtà un terzo processo: il triplo alpha.

Questo processo è attivo durante le fasi finali di evoluzione di una gigante rossa; consiste 12

,

nell’unione di 2 atomi di per formare che a sua volta si ricombina con per formare il

ed energia. Ha dunque come reazione collaterale la conversione dell’elio in elementi più pesanti. 2

L’energia nucleare si basa sulla

riproduzione di questi processi,

tuttavia la fusione di atomi è un

processo molto dispendioso dal

punto di vista energetico.

La nucleosintesi avviene all’interno della parte più profonda nelle stelle dove c’è maggiore densità

e temperature maggiori.

Il nucleo solare è la parte più interna del Sole e al suo interno avvengono le reazioni di fusione

nucleare, responsabili della produzione di energia solare. Gli atomi di del nucleo si separano

2

+ −

( , ): l’energia termica è così alta che più protoni quando collidono casualmente, vincono la

.

repulsione elettronica e si uniscono a formare un unico nucleo di

Con l’esaurimento del processo di fusione dell’idrogeno in elio, inizia la conversione di

quest’ultimo in carbonio. Da queste reazioni si producono principalmente altri elementi.

Sulla terra, l’abbondanza dei vari elementi cambia:

,

- sono gli elementi più abbondanti

- L’abbondanza dei primi 50 elementi diminuisce esponenzialmente

- L’abbondanza degli elementi con numero atomico >50 è molto bassa

- Gli elementi con numero atomico pari sono più abbondanti dei loro vicini con numero

atomico dispari (Z pari = elemento + stabile)

, ,

- L’abbondanza di è in maniera anomala più bassa rispetto ad elementi con pari

numero atomico

- L’abbondanza del è maggiore rispetto agli elementi con simile Z

()e ()

- Tecnezio Promezio non ci sono nel sistema solare perché sono instabili e

decadono molto rapidamente

- Gli elementi con Z > 83 non hanno isotopi stabili ma si trovano in natura in quanto prodotti

() (ℎ)

di Uranio e Torio con tempi di decadimento molto lunghi. 3

La Terra ha avuto un’evoluzione significativa rispetto agli altri pianeti.

A seguito del Big Bang, causato dalla condensazione, provoca un’aggregazione di particelle solide

che formano stelle e pianeti.

I pianeti del nostro sistema solare, possono essere suddivisi in due categorie:

- Terrestri: Mercurio, Venere la Terra e Marte. Sono pianeti relativamente piccoli, molto vicini

−3

al Sole e che hanno una densità elevata (3,9-5,5 )

- Gioviani: Giove, Saturno, Urano, Nettuno. Sono pianeti grandi, che hanno una bassa

−3

densità (0,7 – 1,7 ), sono composti principalmente da gas come ed e sono molto

distanti dal Sole.

A noi interessano principalmente i pianeti rocciosi.

Definiamo:

- Elementi endogeni quegli elementi che possono disgregare le rocce come il movimento

delle placche (terremoti)

- Elementi esogeni quegli elementi esterni (pioggia) che può alterare la superficie delle

rocce.

L’origine della Terra

4,5 miliardi di anni fa, la Terra si forma all’interno di una nebulosa solare, ovvero un disco di gas e

polveri, che attraversa un processo di accrezione gravitativa.

Gli impatti liberano energia, provocando l’aumento della temperatura interna, che provoca la

fusione parziale o totale.

Quando la terra è parzialmente fusa i metalli più densi (Fe, Ni) migrano verso il centro (formazione

nucleo) mentre quelli meno densi restano sopra (mantello e crosta).

Con il tempo la Terra si raffredda e si formano: nucleo interno solido, nucleo esterno liquido,

mantello e crosta. Questi non sono compartimenti isolati ma sono collegati da scambi energetici e

dinamici. 1

Nel mantello il calore viene trasferito mediante convezione : il materiale caldo (meno denso) sale

mentre il materiale freddo (più denso) scende. Questi moti convettivi sono il motore della tettonica

delle placche.

La Terra, a differenza degli altri pianeti, ha un mantello ancora attivo, un gradiente termico

sufficiente a mantenere la convezione e possiede acqua che facilita la subduzione.

Molti altri pianeti (es. Marte) hanno perso più rapidamente il calore interno e oggi non mostrano

tettonica a placche attiva.

La terra si divide in:

- Crosta oceanica. Si forma alle dorsali medio-oceaniche da magmi basaltici prodotti per

fusione parziale del mantello. Ha uno spessore di circa 6-7 Km e densità più elevata. È

relativamente giovane poiché viene continuamente riciclata tramite subduzione.

- Crosta continentale. È più spessa (30-70 Km) ed è composta principalmente da graniti e

rocce ricche di Si e Al. Ha una densità minore ed è molto più antica. La minore densità fa si

che non subduca facilmente, per questo i continenti sono stabili nel tempo.

1 Convezione: tipo di trasporto causato da un gradiente di pressione e dalla forza di gravità e caratterizzato da moti di

circolazione interni in un fluido. 4

Per studiare la struttura interna della Terra possiamo utilizzare le perforazioni dirette, anche se

raggiungono solo le porzioni più superficiali della crosta. In alternativa si studia tramite onde

sismiche e campioni indiretti come diamanti e meteoriti. Questi ultimi mostrano che i pianeti

rocciosi derivano da materiale primitivo con simili rapporti tra elementi refrattari. La pressione

interna aumenta con dimensioni e massa del pianeta. Lo stato redox dipende dalla composizione e

dalla fugacità dell’ossigeno, non solo dalle dimensioni.

Lo stato di ossidazione di un pianeta è un parametro fondamentale perché controlla:

- La distribuzione degli elementi tra nucleo, mantello e atmosfera

- La speciazione chimica

- La composizione dell’atmosfera.

Le dimensioni di un pianeta influenzano la sua gravità e la sua capacità di trattenere gas e volatili,

dunque influenzano indirettamente lo stato di ossidazione globale. Corpi celesti piccoli, come la

luna, non riescono a mantenere un’atmosfera significativa. L’ossigeno molecolare atmosferico

terrestre è invece legato a processi biologici; sulla terra l’accumulo di atmosferico è avvenuto

2

molto dopo la formazione del pianeta.

La presenza di un’atmosfera ricca di ossigeno permette lo sviluppo di reazioni redox, ossidi, e

comporta la modificazione dello stato redox superficiale.

Sebbene l’origine dell’acqua terrestre non sia ancora chiarita, essa rappresenta un elemento

chiave dell’evoluzione planetaria ed è presente sia in superficie sia in profondità, dove è

immagazzinata dai minerali del mantello.

Il nostro pianeta è stratificato, il che significa che ha subito un processo si differenziazione chimica

durante le prime fasi della sua evoluzione.

In seguito alla fusione primordiale, i materiali si sono separati in base ala densità, portando alla

formazione di involucri concentrici con composizione e proprietà diverse.

Il nucleo rappresenta circa il 30 – 32% della massa terrestre ed è costituito prevalentemente da

ferro e nichel.

La parte più esterna, la crosta terrestre, rappresenta meno del’1% della massa totale ed è

l’involucro direttamente accessibile allo studio.

La crosta è composta da otto elementi principali:

- Ossigeno (O)

- Silicio (Si)

- Alluminio (Al)

- Ferro (Fe)

- Sodio (Na)

- Potassio (K)

- Magnesio (Mg)

Questi costituiscono oltre il 98% della composizione della crosta.

Sono presenti anche elementi in concentrazione minore:

- Titanio (Ti)

- Fosforo (P)

- Manganese (Mn)

- Nichel (Ni) 5

Dal punto di vista strutturale, la Terra si divide il:

- Crosta

- Mantello superiore

- Mantello inferiore

- Nucleo esterno (liquido)

- Nucleo interno (solido).

Uno xenolita è un frammento di roccia “estranea” inglobato all’interno di un magma e trasportato

verso la superficie durante un’eruzione. Sono frammenti di mantello trappati durante la risalita del

magma e intrappolati dentro rocce vulcaniche. Spesso vengono trasportate da basalti alcalinici o

da magmi molto profondi e a risalita rapida.

I basalti alcalinici sono particolarmente importanti perché si formano a grandi profondità e

risalgono velocemente, quindi riesono a “strappare” pezzi di mantello senza fonderli

completamente.

Le xenoliti sono fondamentali perché rappresentano campioni diretti del mantello, infatti

permettono di studiarne la composizione e lo stato redox. Inoltre ci danno informazioni sulla

temperatura e la pressione in profondità.

Affinchè le xenoliti possano essere preservate, è necessario che vadano incontro ad un processo di

risalita rapido, per limitare le possibili reazioni di assimilazione e fusione. Inoltre se il magma è

molto più caldo rispetto alla xenolite, si innescano delle reazioni di disequilibrio che modificano la

composizione originale.

Lo studio della composizione del mantello è fondamentale perché dobbiamo verificare se i

campioni che analizziamo (xenoliti, basalti…) sono compatibili con le condizioni chimico-fisiche

reali del mantello. Questo ci permette di capire la natura del materiale sotto la crosta, ricostruire i

processi di fusione parziale e interpretare l’origine delle diverse tipologie di crosta.

La crosta continentale è più ricca in Silicio (Si) e Alluminio (Al), e più povera in Ferro (Fe) e

Magnesio (Mg). La maggiore abbondanza di elementi leggeri e incompatibili la rende meno densa,

più spessa e difficilmente subducibile.

La crosta oceanica è invece più ricca di Ferro (Fe) e Magnesio (Mg), meno ricca in Silicio (Si)

rispetto alla crosta continentale, e più densa.

La differenza composizionale tra crosta continentale ed oceanica riflette diversi processi genetici: la

prima è il risultato di processi di differenziazione e arricchimento in elementi incompatibili, mentre

la seconda deriva direttamente dalla fusione parziale del mantello superiore: il magma prodotto

(basalto) solidifica alle dorsali e costituisce la nuova crosta oceanica. Per questo motivo la crosta

oceanica è chimicamente più simile al mantello rispetto a quella continentale. 6

Differenziazione dell’idrosfera:

sulla superficie terrestre è presente una quantità molto significativa di acqua: oltre il 97% di acqua

totale superficiale è contenuta negli oceani (acqua salata), mentre meno del 3% è acqua dolce. Di

questa piccola frazione di acqua dolce, la maggior parte è intrappolata in ghiacciai e falde

sotterranee; solo una parte minima è presente in laghi e fiumi.

Il mantello è costituito principalmente da silicati di Ferro (Fe) e Magnesio (Mg), e gli ossidi

associati. I minerali tipici sono invece l’olivina, i pirosseni e granato (a profondità maggiori).

Quando si ricostruisce la composizione globale della Terra, si considera che: la somma delle

frazioni di massa di crosta, mantello e nucleo, deve essere pari alla massa totale del pianeta.

Quindi in termini di frazioni normalizzate:

+ + = 1

La geochimica della Terra si basa dunque su un bilancio di massa tra crosta, mantello e nucleo, l cui

somma rappresenta la composizione globale del pianeta. Confrontando questa distribuzione con

quella delle meteoriti primitive, possiamo verificare se l’abbondanza degli elementi e il loro

comportamento geochimico siano compatibili con un’origine simile a quella delle meteoriti

primitive.

Il granito è una buona approssimazione della composizione media della crosta continentale

superiore perché è ricco in Silicio e Alluminio, contiene elementi incompatibili, è rappresentativo

dei processi di differenziazione crostale. Tuttavia non rappresenta l’intera crosta continentale.

Formazione ed evoluzione delle rocce:

Per comprendere come è fatta una roccia, se ne analizzano gli elementi maggiori, che ne

determinano la mineralogia e la struttura. Per ricostruirne invece l’evoluzione nel tempo, sono

particolarmente importanti gli elementi in tracce perché:

- sono sensibili ai processi di fusione, cristallizzazione e metasomatismo

- si distribuiscono in modo selettivo tra minerali e fusi

- registrano condizioni di pressione, temperatura e ambiente chimico

Gli elementi in traccia sono presenti in concentrazioni molto basse.

Caratteristiche principali degli elementi in traccia:

- non formano fasi mineralogiche proprie (di solito)

- sostituiscono elementi maggiori con carica e raggio ionico simili

- seguono spesso la legge di Henry nelle soluzioni diluite.

La legge di Henry in questo contesto significa che: la loro attività è proporzionale alla

concentrazione, perché le interazioni tra atomi in traccia sono trascurabili rispetto a quelle con il

reticolo del minerale ospite.

Gli elementi si ridistribuiscono fino a raggiungere uno stato di equilibrio chimico, cioè la condizione

in cui il sistema minimizza la sua energia libera.

()

Il potenziale chimico è: la variazione dell’energia libera del sistema al variare del numero di

moli di un componente, a temperatura e pressione costanti. Indica la tendenza di un elemento a

muoversi da una fase all’altra. 7

Gli elementi vengono classificati in base a:

- raggio ionico

- carica

- configurazione elettronica

- affinità chimica

Gli elementi in traccia, pur essendo presenti in basse concentrazioni, sono fondamentali per

ricostruire i processi evolutivi delle rocce. Essi si distribuiscono tra le fasi in base al loro potenziale

chimico e alle loro proprietà ioniche, e vengono classificati in gruppi come LILE e HFSE in funzione

del raggio ionico e della carica.

LILE (Large Ion Lithophile Elements): sono tutti quegli elementi che hanno un grande raggio ionico,

una bassa carica (+1, +2) e sono facilmente immobilizzabili nei fluidi.

Esempi: Rubidio (Rb), Cesio (Cs), Bario (Ba), Stronzio (Sr), Potassio (K).

Sono incompatibili durante la fusione del metallo.

HFSE (High Field Strength Elements): sono elementi caratterizzati da alta carica, un piccolo raggio

ionico ed elevata forza di campo elettrico.

Esempi: Nobio (Nb), Tantalio (Ta), Zirconio (Zr), Afnio (Hf), Titanio (Ti).

In geochimica noi vogliamo capire dove vanno i nostri elementi, in quale fase si concentrano, come

si ridistribuiscono durante fusione e cristallizzazione. Per questo si studiano principalmente gli

elementi in traccia, perché sono quelli che registrano meglio i processi.

Gli elementi in traccia non sono costituenti stechiometrici principali dei minerali, sono presenti in

concentrazioni molto basse e possono essere trattati come componenti ideali diluiti.

Per questo seguono la legge di Henry: = ° + ln(ℎ )

Significa che la loro attività è proporzionale alla concentrazione (perché sono molto d