Riassunto esame Geochimica ambientale, Prof. Gaeta Mario, libro consigliato Geochimica, Fornasieri

Geochimica ambientale

Minerali che formano le rocce

Serbatoio geochimico: atmosfera, acque, rocce (litosfera), mantello. La geochimica deve capire come si muovono gli elementi e bisogna sapere le casseforti di questi elementi, che troviamo legati nei minerali.

Molecole di base

• Alta temperatura: SiO è perfettamente stabile per la forma che la compone (distanza e angoli tra gli atomi) e per la configurazione elettronica (il segreto del silicio è che ha la stessa energia della configurazione di base, cioè gli elettroni si allontanano il più possibile terminando ai vertici di un tetraedro e ne determinano la stabilità, grazie anche alla presenza dell’ossigeno).
• Bassa temperatura: H₂O

Dieci minerali importanti che compongono le rocce

1. Olivina. Il più importante sul pianeta Terra e nell’universo perché presente ovunque, nesosilicato, tetraedri SiO₄ isolati che formano forsterite e fayalite (rispettivamente magnesio e ferro). Tutti i basalti hanno olivina.

Relazione di fase

Cristallizzazione che si può seguire tramite un diagramma, in funzione della temperatura e del sistema chimico per capire quali sono le fasi di cristallizzazione all’equilibrio:

• Univariante: una sola temperatura
• Bivariante: due temperature

Regola mineralogica delle fasi di Goldschmidt: per un determinato minerale a una data pressione e temperatura il numero delle fasi è minore o uguale al numero di componenti F = C – P + 2

Nelle dorsali la presenza di olivina con fonti idrotermali genera serpentino. Il ciclo dell’acqua è importante perché il serpentino intrappola l’acqua dai sistemi idrotermali e migra verso le zone di convergenza (subduzione), dove l’acqua viene espulsa dall’olivina e va ad idratare il mantello causando la produzione di magma (per questo motivo i vulcani sono maggiormente presenti nelle zone di subduzione).

Microanalisi di un minerale

Si va a studiare la composizione del minerale, quindi gli elementi presenti al suo interno. Le analisi chimiche in geochimica vengono riportate in ossidi quando parliamo di elementi maggiori (formano più del 99,9% della nostra sostanza che stiamo analizzando).

Olivina: → SiO₄ → fayalite → forsterite

Le microanalisi si fanno con un microscopio elettronico, cosiddetto cannone elettronico, dove c’è un filamento (tungsteno) in cui passa corrente che riscalda e rende incandescente il filamento stesso che emette elettroni: elettroni perché viene emessa una differenza di potenziale tra il filamento e il target (che diventa l’attrattore degli elettroni) dove c’è il campione da analizzare.

Microanalisi qualitativa: all’interno del software delle microsonde ci sono standard per ogni singolo elemento che rappresentano lo spettro. Il software confronta gli spettri e fa una sommatoria del nostro spettro con gli spettri standard (con sistema wds, che misura la lunghezza d’onda dei raggi x).

Adesso dobbiamo calcolare la formula cristallochimica, con la tabella in cui troviamo la formula degli ossidi e la composizione della formula sulla base degli ossigeni presenti. Dal peso in ossidi sommo la silice (nel caso di SiO₂) e ottengo un numero, divido l’ossido per il peso molecolare dell’ossido e ottengo le moli dell’ossido.

Nei pirosseni calcio e magnesio hanno una quantità intorno al 55%, quindi per avere la quantità dei singoli basta dividere il 55%.

Anfiboli e miche

Minerali femici idrati che cristallizzano a pressione maggiore di quella atmosferica quando nel sistema è presente acqua.

Orneblenda: Ca (Mg, Al, Fe) (Al,Si)₂O₅(OH)₂

Nelle miche invece vediamo la presenza di potassio che è molto utile per le piante e permette di non comprare il solfato di potassio come nutriente accessorio.

Mica scura: flogopite (magnesio) e biotite (ferro) → (Mg,Fe)₃AlSi₃O₁₀(OH)₂

Mica chiara: muscovite → KAl₃Si₃O₁₀(OH)₂

Le miche hanno un campo di stabilità alto, quindi alte pressioni e alte temperature. Ci sono alcune zone del mantello in cui troviamo flogopite oltre a orto pirosseno, clinopirosseno e peridotite; è il motivo per cui quando andiamo a fondere il magma abbiamo una composizione ricca in potassio, a differenza delle rocce effusive che non ne hanno.

Le rocce serpentinizzate si idratano in zona di dorsale, dalla zona di dorsale vengono trasportate nelle zone di subduzione, qui subiscono un processo di disidratazione e l’acqua va a idratare il mantello intrappolandosi nell’olivina e negli anfiboli. Poi il mantello fonde e quando fonde il magma porta su i gas, fra cui l’acqua, che mantengono la nostra atmosfera. Se non ci fosse quest’ultimo step non esisterebbero animali e piante.

Magma

I minerali che si formano nel magma servono per trasportare elementi dall’ambiente dove inizia il processo di formazione delle sostanze naturali (mantello superiore), attraverso questi minerali gli elementi vengono trasportati ed iniziano il loro ciclo geochimico che coinvolge anche l’ambiente dove viviamo. Se non ci fosse l’attività magmatica non esisterebbe il ciclo degli elementi, come l’acqua che rientra nel mantello tramite idratazione dell’olivina nelle zone di dorsale. Per gli altri elementi chimici il punto di partenza è la zona dove si forma il magma da cui viaggiano i cristalli primari e il fuso (parte liquida del magma). Il componente che c’è sempre nel magma è il fuso silicatico, quasi sempre presenti sono i cristalli, frequentemente la fase gassosa (da non confondere con i gas volatili).

Un fuso silicatico è parente stretto dei cristalli silicatici anzi i cristalli derivano dal fuso silicatico. Il mattone è il tetraedro SiO₄ che è alla base dei silicati complessi (sia fusi che cristalli).

Quando diminuisce NBO/T aumenta la viscosità del fuso dove NBO sono gli ossigeni liberi e T è il parametro che descrive il grado di polimerizzazione del liquido silicatico. Dai vetri naturali si studiano i fusi silicatici con un processo di raffreddamento veloce: il vetro avendo subito un congelamento mantiene i parametri precedenti e quindi mantiene anche la “struttura”. I vetri naturali sono quelli che si trovano nelle rocce vulcaniche per effetto del rapido raffreddamento (ossidiana, vetro naturale degassato monte Arci in Sardegna, Palmarola, Pantelleria, Lipari).

Esperimenti sul vetro

• Primo esperimento: l’acqua si è solubilizzata all’interno del vetro secondo la reazione di “bouring”.
• Secondo esperimento: le bolle indicano che l’acqua in eccesso è rimasta intrappolata e si è congelata. Nello spazio acqua-pressione passa un confine di relazione di fase (una fase solo liquido silicatico sotto forma di vetro e una liquido vapore). In questo esperimento sappiamo quanta acqua c’è perché ce l’abbiamo messa noi ma se volessimo misurarla esiste un metodo chiamato spettroscopia Raman (metodo diretto che misura i legami dell’OH con qualcosa o dell’H₂O con qualcosa, misura la vibrazione della presenza dei legami. Riesce a vedere direttamente il segnale delle due specie dell’acqua molecolare o sotto forma di OH).

Spettroscopia

Spettroscopia Raman. Abbiamo un fascio di luce monocromatico (laser) che incide sull’oggetto producendo una piccolissima quantità di fotoni incidenti 1*10⁷, vengono riemessi con una direzione ed energia differente da quelli illuminati. I fotoni che incidono e che vengono riemessi dipende dal fatto che l’energia viene assorbita da un surplus di vibrazioni dei legami che ci sono in questa sostanza; la vibrazione elettromagnetica va ad eccitare gli elettroni presenti e l’energia captata è tipica di quel legame che andiamo ad analizzare. Il ritardo di frequenza (Raman shift) si misura in cm^-1. A noi interessano quei segnali dovuti all’assorbimento di energia da parte dei legami delle molecole presenti nella materia che stiamo studiando (stokes). Il vantaggio della spettroscopia Raman è che può essere effettuata su oggetti piccoli. C’è un laser, un paio di filtri, fino ad arrivare al detector che darà una risposta, cioè l’intensità che abbiamo messo allo 0 con vari ritardi; ogni picco corrisponde ad un ritardo tipico di qualche tipo di legame.

Spettroscopia infrarosso (IR).

Relazioni di fase ed effetti dei volatili sul magma

L’evidenza di qualcosa che trasporta i gas nel magma ce l’abbiamo nei vulcani: il degassamento è dovuto alla risalita del magma, provocato da una diminuzione della pressione. L’effetto della CO₂ è che diminuisce la solubilità dell’acqua pura lungo le curve della solubilità in un arco composizionale (curva arancione) dei volatili che va da 0% CO₂ fino al 100% di CO₂ (bisogna vedere la frazione molare dell’acqua x=0,2). Si può sciogliere molta più acqua nel magma rispetto alla CO₂; la CO₂ diventa più solubile a profondità elevate (a 8 km di profondità possiamo sciogliere 4% di acqua e 0,6 di CO₂). La solubilità dell’acqua è funzione della:

• Della pressione;
• Del contenuto in silicio. Più silice è presente più l’acqua si lega facilmente, attraverso gruppi OH, legando i tetraedri. In un basalto si scioglie meno acqua, in una riolite si scioglie più acqua;
• Dell’attività degli altri volatili (frazione molare).

Effetti dei volatili sul magma: relazioni di fase, Liquidus, viscosità, densità, diffusività (i sistemi più idrati hanno una diffusività maggiore, cioè gli elementi presenti all’interno hanno una solubilità maggiore), partizione elementi, conducibilità elettrica, degassamento.

Come si formano i magmi e come si evolvono (origine e differenziazione)

Composizione del mantello

Ci interessa la parte di mantello (2885 km) formata da olivina e polimorfi poiché da qui nascono tutti gli elementi geologici; l’olivina si forma nella transizione di fase tra mantello superiore e mantello inferiore (mantello superiore struttura olivina struttura spinello). Un mantello è fatto essenzialmente da 60% olivina, 35% orto pirosseno, 15% clinopirosseno e fare alluminifera che indica la profondità delle peridotiti (plagioclasio per bassa pressione fino a 10kbar, spinello tra 10 e 25kbar, sotto 25kbar diventa granato). Le peridotiti strappate dai basalti forniscono informazioni riguardo la presenza dell’olivina (sequenze ofiolitiche, isola d’Elba).

Fusione di mantello – come si passa dagli elementi ai magmi

Il campo rosso sono le condizioni di pressione e temperatura dove fonde il mantello peridotitico, sopra la curva di Liquidus è tutto fuso, sotto la curva di Solidus il mantello è tutto solido. Il mantello fonde perché la geoterma si sposta sulla curva di fusione; diminuisce la pressione e sale il mantello senza perdere calore (risalita adiabatica); cambia la pendenza della curva di fusione cioè cambiano le relazioni di fase, quindi, migra la curva di fusione (andamento negativo che poi diventa positivo) e va ad intersecare la geoterma.

Il mantello fonde in risposta a cambiamenti delle condizioni al contorno (pressione, temperatura, quantità di peridotite X). Quando parliamo di fusione non è totale ma parziale, primo processo di “distillazione” per separare gli elementi; certi elementi vanno nel fuso e altri restano nella parte solida. Punto eutettico, la fusione avviene nel punto indicato (diagramma diopside anortite), nel sistema abbiamo una zona in cui è tutto liquido, due falde in cui sono rappresentate le curve di Liquidus (curve dove si forma il primo cristallo da un sistema composizione anortite + liquido, diopside + liquido). La fusione, secondo il diagramma delle slide, è parziale perché parte della peridotite fonde e una parte no, a seconda dell’andamento della curva. Basta una piccola percentuale di liquido formata per dare una cristallizzazione parziale. La fusione per essere all’eutettico deve toccare i minerali fondamentali (olivina, clinopirosseno, ortopirosseno). Quando la fusione è frazionata abbiamo dei sottosistemi che si formano a causa della scomparsa di ortopirosseno e clinopirosseno. Dalla somma dei tre minerali arriviamo alla composizione di un minerale che ha composizione diversa: aumenta il silicio, diminuisce il magnesio, aumenta l’alluminio, aumentano potassio e fosforo (perché non riescono a stare nell’olivina e ortopirosseno quindi migrano nel fuso).

Differenziazione magmatica

Il nostro ambiente su cui camminiamo ha una composizione che comprende riolite, trachite (colli albani), fonolite (campi flegrei) e foidite diagramma TAS.

Se non allontaniamo il liquido dal solido, il magma cristallizzerà sempre in peridotite perché la composizione rimane la stessa. Immaginiamo di avere un liquido basaltico con composizione di 50% SiO₂. Dividiamo il recipiente a metà e...