Geochimica

Geochimica 0 | Pag. Sommario

• Cosmochimica .................................................................................................................................. 3
• Origine dell’universo ........................................................................................................... 3
• Origine degli elementi ......................................................................................................... 4
• Origine degli elementi in funzione del ciclo delle stelle ................................................. 6
• Meteoriti ............................................................................................................................................ 7
• Classificazione dei meteoriti .......................................................................................... 7
• Sideriti ......................................................................................................................................... 7
• Sideroliti ................................................................................................................................... 8
• Aeroliti .................................................................................................................................... 8
• Struttura e composizione della Terra ...................................................................... 12
• Geochimica dei fusi silicatici Lezione 11/03/2021 ................................................. 17
• I rapporti per i liquidi reali .............................................................................. 18
• Immiscibilità Lezione 15/03/2021 ................................................................................. 23
• Elementi in traccia ................................................................................................................... 27
• Classificazione degli elementi in traccia ........................................................... 27
• Composizione chimica ......................................................................................................... 30
• Dipendenza dalla temperatura ................................................................................... 32
• Pressione ....................................................................................................................................... 33
• Fugacità dell’ossigeno ..................................................................................................... 33
• Diagramma di Onuma ............................................................................................................ 34
• Processi di fusione parziale 29/03/2021 ......................................................... 35
• Batch melting (equilibrio) ............................................................................................................... 36
• Fractional melting ........................................................................................................................... 38
• Processi di cristallizzazione ........................................................................................ 39
• Cristallizzazione all’equilibrio ........................................................................................................ 40
• Cristallizzazione frazionata (Modello di Rayleigh) ........................................................................ 41
• Modellizzazione dei processi geologici 15/04 ........................................ 44
• Modellistica di dati di fractional melting .................................................. 46
• Acque e rocce sedimentarie ....................................................................................... 46
• Geochimica dei gas ..................................................................................................................... 50
• H O e CO Lezione 22/04 .................................................................................................. 54 2 2
• Degassamento Lezione 26/04/2021 ............................................................................. 58
• Campionamento .................................................................................................................. 60
• Geochimica isotopica Lezione 29/04/2021 ................................................................. 63
• Schemi di decadimento ...................................................................................................... 65

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• Decadimento beta .......................................................................................................................... 65
• Decadimento alfa ............................................................................................................................ 66
• Frazionamento isotopico .................................................................................................................... 67

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Cosmochimica

La cosmochimica si occupa di aspetti riguardanti il nostro universo, con particolare attenzione alla composizione chimica e ai meccanismi che hanno determinato la genesi e la distribuzione degli elementi nell’universo. Tutta una serie di fattori ha condizionato la nascita del sistema Terra, e il percorso che successivamente quest’ultima ha intrapreso è funzione della sua nascita.

Origine dell’universo

L’universo ha un volume immenso, alcuni sostengono sia qualcosa di infinito, per altri tende all’infinito finito, e per altri ancora è qualcosa di. L’universo ha una bassissima densità, questo è dovuto al fatto che è presente una massa molto molto piccola se confrontata con il suo enorme volume, e di conseguenza la densità del sistema universo visibile può essere stimata su valori molto bassi quali 10^-31 g/cm³.

Anche se si considerasse una quantità di “materia invisibile” la densità dell’universo rimarrebbe molto bassa, aumenterebbe di soli due ordini rimanendo comunque una grandezza prossima al vuoto. Per materia invisibile si intende una massa che è presente, ma non percepibile in questo spettro di luce; un esempio sono i neutrini (hanno una massa ma non sono visibili), e come questi potrebbero esserci tante altre particelle di cui non siamo a conoscenza.

Gran parte di questa massa infinitesima visibile (piccola) dispersa all’interno di questo enorme volume è concentrata in nebulose (nubi di gas e polvere cosmica), stelle, pianeti, stelle a neutroni e buchi neri. L’insieme di tutti questi componenti costituisce le galassie. Più della metà delle galassie visibili ha forma ellittica, un terzo ha forma di spirale ed altre hanno forme irregolari. Ogni galassia contiene una quantità di stelle variabile tra 10⁶ e 10¹².

L’aspetto importante legato alla dimensione dell’universo è a sua volta correlato all’idea che oggi abbiamo dell’espansione dell’universo. Per espansione dell’universo s’intende l’espansione degli spazi intergalattici, e non l’espansione dei diversi sistemi galattici che sono legati al loro interno dall’attrazione gravitazionale.

In base alle conoscenze attuali ad aver originato l’universo è il famoso big bang, il quale ha dato luogo alla formazione di tutte queste masse. Dal momento zero in cui è avvenuto questo big bang è iniziato, e prosegue, un processo di espansione.

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Riguardo il modo in cui avviene l’espansione dell’universo esistono due correnti di pensiero, le quali fanno riferimento ad un parametro: la costante di Hubble. La costante rappresenta la velocità con la quale si espande l’universo, questa velocità corrisponde inoltre alle forze d’attrazione presenti tra i diversi pianeti, quindi quando si parla di espansione ci si riferisce ad un processo che mira ad allontanare tra di loro questi centri di attrazione gravitazionale.

Nel piccolo vi è attrazione, ma fra di loro queste galassie tendono ad allontanarsi, quindi avviene un processo di espansione. Questo processo prosegue dal tempo zero, quindi da 15-20 miliardi di anni. Se consideriamo che, nel tempo, la massa dell’universo rimane costante allora la densità decresce progressivamente.

= 18 prima corrente di pensiero

Secondo la prima corrente di pensiero la costante di Hubble è un valore appunto costante che nel tempo e nello spazio rimane inalterato. Questa costante ci dà la velocità con cui si espandono gli spazi intergalattici.

La seconda corrente di pensiero, invece, sostiene che la costante è stata o sarà costante per un certo periodo di tempo, ma sarà un parametro che nel tempo cambierà la sua dimensione, e che progressivamente tenderà a diminuire, potrà addirittura nel tempo assumere valori negativi. Questa è praticamente la visione elastica dell’espansione dell’universo, in cui la costante rallenta e poi si restringe (big crunch).

Dal punto di vista temporale possiamo distinguere due momenti principali:

Nel Planckiano avviene la comparsa di spazio, tempo ed energia, creando diciamo gli ingredienti; nel Gamowiano accadano diversi eventi, ciò che interessa sono i primi momenti però, in cui avviene l’organizzazione degli “ingredienti”. Innanzitutto, nel Gamowiano si ha un importante crollo delle temperature, gli eventi caratterizzanti avvengono dopo 10^-43 sec dal big bang in cui si ha la comparsa della forza di gravità, dopo 10^-8 sec si formano le prime particelle subatomiche (ingredienti che faranno sì che le varie parti dell’atomo si comincino a formare), i primi protoni ed elettroni impiegano 10^-4 sec fino a 10 sec (si sono formate le particelle subatomiche).

Le particelle subatomiche si sono organizzate fra di loro a formare un atomo, ovvero H e He, dopo 80.000 anni dal big bang. Dunque, prima c’è il caos generale, dopodiché per avere una organizzazione molto embrionale di tutto questo caos passa un intervallo di tempo significativo, circa 100.000 anni.

Origine degli elementi

Gli elementi chimici, nel corso della loro storia si sono formati attraverso processi di nucleosintesi, cioè dalla fusione di due nuclei. L’elio (He), ad esempio, non nasce così bensì si è formato dalla fusione di due nuclei d’idrogeno (H). Il susseguirsi di queste fusioni nucleari che

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via via interessavano nuclei con numero atomico sempre più elevato ha dato origine alla grande varietà di elementi.

La nucleosintesi viene distinta in: nucleosintesi cosmologica e nucleosintesi stellare.

La nucleosintesi cosmologica tiene conto di un processo di aggregazione di nuclei spontanea in funzione di masse (elementi) ed energie (energia necessaria per la fusione) che sono a disposizione. Attraverso questi processi spontanei si riesce a raggiungere masse più o meno della grandezza del bismuto. Tuttavia, per un problema legato alla mancanza di masse, o alla mancanza di energia, la nucleosintesi cosmologica ad un certo punto cessa. Si riesce quindi a formare un quantitativo importante di elementi della tavola periodica, però poi il processo si ferma. Altri elementi oltre la tavola periodica si formano con la nucleosintesi stellare.

La nucleosintesi stellare è definita tale perché racchiude al suo interno in un certo senso qualcosa a che fare con il concetto di stella. Terminata la nucleosintesi cosmologica (spontanea) tutti i nuclidi di qualsiasi tipo cominciano tra di loro ad interagire e a concentrarsi nelle masse, quindi nel tempo tutti questi ingredienti, più o meno complessi, cominciano ad avere una organizzazione in termini di massa all’interno delle stelle. La stella ci interessa perché di per sé è un’evidenza di una massa ed un’energia che è concentrata. Quindi, la nucleosintesi stellare è un processo che tiene conto della vita delle stelle; queste nascono, si evolvono e ad un certo punto collassano, cioè quelle masse e quelle energie concentrate nella stella vengono rimesse in circolo negli spazi intergalattici, dando a tutti i nuclidi presenti la possibilità di avere a disposizione nuova massa e nuova energia, quindi di poter effettuare nuove sintesi e quindi formare nuovi elementi. Oltre il bismuto tutti gli elementi conosciuti si sono formati dall’aggregazione di nuova massa che si va a fondere sui nuclidi formati precedentemente. Questa nuova massa e questa nuova energia derivano perciò dalla morte di una stella.

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Origine degli elementi in funzione del ciclo delle stelle

Diagramma H-R (significato astronomico importante) mostra una curva (sequenza principale) che rappresenta il percorso che viene seguito da gran parte delle stelle esistenti. Da temperature e dimensioni molto piccole si va via via verso dimensioni e temperatura più elevate, c’è però un momento nella curva in cui la stella può prendere strade differenti, una è quella classica, quindi accrescimento sia dimensionale che di temperatura in cui si tende alle giganti blu. Un’altra strada, invece, tende all’angolo in alto a destra dove si va verso le giganti rosse che crescono molto anche loro dimensionalmente ma sono fredde. Qui in ogni caso il tempo è elevatissimo, si va dal tempo 0 a 10 miliardi di anni. Questo diagramma è fondamentale perché ci dà importanti informazioni riguardanti la composizione chimica della prima parte della storia dell’universo; tutto uno spettro di elementi, prodotti dalla nucleosintesi cosmologica, hanno caratterizzato la composizione dell’universo per un primo periodo durato miliardi di anni, solo in seguito al collasso delle stelle è stata possibile la formazione di nuovi elementi prodotti per nucleosintesi stellare.

Un altro diagramma ci dà l’idea dell’abbondanza degli elementi che si formano, che chiaramente non sono tutti uguali. Mostra la distribuzione degli elementi in funzione del numero atomico e della loro abbondanza; gli elementi con il numero atomico più piccolo hanno le abbondanze maggiori ma via via che il numero atomico aumenta diminuisce

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l’abbondanza. Questo decremento di abbondanza non è dato da una curva, ma da una linea spezzata (a zig zag), questo può essere spiegato dalla regola di Oddo-Harkins che afferma che gli elementi con numero atomico pari sono più abbondanti degli elementi con numero atomico dispari. Questa differenza tra parità e disparità è dovuta al fatto che gli elementi aventi numero atomico dispari hanno un elettrone spaiato, quindi tendono più facilmente ad attirarne altri e ad aumentare il loro numero atomico, quindi da instabili a stabili; mentre in linea generale quelli con numero pari hanno una maggior affinità quindi una maggior tendenza a essere stabili, quindi l’elemento con numero atomico pari sarà sempre più abbondante rispetto al dispari.

Meteoriti

I meteoriti sono corpi estranei derivanti dalla disgregazione di altri corpi quali stelle o pianeti, rappresentando dei frammenti di corpi celesti che circolano, ad esempio, nel nostro sistema solare. Sono importanti perché danno informazioni riguardanti, in linea generale, le composizioni del nostro sistema solare. Un meteorite è un materiale che nella gran parte dei casi non arriva ad avere grandi dimensioni, si calcola che ogni anno l’apporto meteoritico sulla Terra sia dell’ordine di 10⁶ tonnellate di materiale costituito da polvere cosmica e corpi che possono raggiungere anche le 50-60 tonnellate ciascuno. Tuttavia, molto di questo materiale è perso e se ne conserva una minima parte, ciò è dovuto all’impatto con l’atmosfera. Una delle zone sulla Terra in cui si rinvengono gran parte dei meteoriti è in Antartide.

La velocità di impatto cresce logaritmicamente al crescere del diametro del meteorite. Ciò implica che le grandi dimensioni comportano una notevole acquisizione di energia cinetica. In generale, più grande è l’oggetto e più elevata sarà la velocità d’impatto, e quindi la cinetica del corpo, la risposta del meteorite è l’aumento di temperatura, che si innalza fino a diventare incandescente, e quindi a disgregarsi maggiormente.

Classificazione dei meteoriti

Ai fini classificativi si considera la composizione chimica e gli aspetti tessiturali, quindi mineralogici e petrografici. Le meteoriti vengono distinte in tre grandi gruppi:

• Sideriti: corpi ferrosi, costituiscono poco meno del 6% delle meteoriti ritrovate sulla Terra.
• Sideroliti: meteoriti che possiedono una componente ferrosa importante, ma hanno anche qualcosa di affine all’ultimo gruppo, ovvero una porzione rocciosa costituita da minerali silicatici. Rappresentano il termine intermedio tra i due estremi.
• Aeroliti: corpi rocciosi.

Sideriti

Nelle sideriti gran parte della composizione chimica è costituita da una lega di ferro e nichel, in percentuali molto variabili, dalla più elevate alle più basse (generalmente sta intorno al 20-30%). Essendo costituite da leghe aventi alta densità a loro volta possiedono una densità molto elevata, variabile dai 7.6 a 7.9 g/cm³, le sideriti quindi hanno una massa davvero importante.

Vengono distinte in: ataxiti, esaedriti e ottaedriti. La loro distinzione non è fatta tanto per la loro composizione, bensì per le loro caratteristiche petrografiche, che possono essere molto diversificate.

Il gruppo delle ataxiti non presenta alcun tipo di struttura o tessitura specifica (non hanno nulla di particolare) si presenta come una faccia lucida, metallica.

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Gli altri due termini presentano strutture ben evidenti, in particolare le esaedriti presentano delle tracce di sfaldatura corrispondenti alle facce di un cubo, e lungo la lucidatura (piani di sezione) presentano delle sottili linee subparallele (linee di Neumann) che possono essere con-