Geochimica

La distribuzione delle Terre Rare dei MORB normali, ed in particolare l’impoverimento in LREE,

permette di ipotizzare che la genesi avviene tramite un processo di fusione parziale

all’equilibrio a due stadi.

Gli ET compatibili sono abbondanti nelle rocce ignee ultramafiche e mafiche

- gli ET incompatibili sono abbondanti nelle rocce ignee acide (differenziate)

- gli ET immobili in fase acquosa sono insensibili all’alterazione delle rocce e restano nel

- protolito

gli ET mobili in fase acquosa sono allontanati dalle rocce a causa di processi di alterazione o

- processi metamorfici in presenza di fluidi

nei processi di formazione dei sedimenti e suoli, in cui è sempre coinvolta una fase acquosa,

- saranno favoriti gli ET mobili, ossia gli alcalini e gli alcalino – terrosi, come pure gli elementi di

transizione con più stati di valenza.

Geochimica isotopica

La Geochimica Isotopica è il ramo della scienza che utilizza la composizione isotopica degli

elementi chimici naturali per eseguire datazioni assolute di campioni di materiali geologici oppure

come tracciante di processi geologici.

Molti processi geologici sono causa tanto di fenomeni di frazionamento chimico, che sono responsabili

di variazioni della distribuzione degli elementi chimici, quanto di quelli di frazionamento isotopico,

che sono responsabili invece di modificazioni della composizione isotopica degli elementi.

Il frazionamento chimico di un dato elemento provocato da un determinato processo geologico non è

sempre accompagnato da un significativo frazionamento degli isotopi dell’elemento considerato.

Questa possibilità offre l’opportunità di utilizzare gli isotopi di un dato elemento come traccianti dei

processi geologici, ovvero degli ambienti in cui questi processi si svolgono.

Due rami di geochimica isotopica:

Geochimica degli Isotopi Radiogenici utilizza elementi chimici generalmente ad alto numero

- atomico, quali lo stronzio, il neodimio e il piombo. La composizione isotopica di questi

elementi chimici varia in seguito alla loro permanenza più o meno lunga in “serbatoi” della

Terra, ossia porzioni diverse di mantello o di crosta. Durante tale permanenza, l’isotopo

radiogenico di un elemento chimico aumenta per effetto del decadimento radioattivo di un

87

altro elemento chimico genitore. Per esempio, lo aumenta nel tempo a causa del

decadimento radioattivo del Rb

87

Geochimica degli Isotopi Stabili utilizza il frazionamento tra gli isotopi di un elemento

- chimico generalmente a basso numero atomico, quali l’idrogeno, il boro, l’ossigeno, l’azoto e lo

zolfo. Il frazionamento isotopico consiste nell’arricchimento di un isotopo più leggero

rispetto a uno più pesante, o viceversa, di un dato elemento chimico nel corso di processi

naturali, quali: trasformazione di minerali durante un evento metamorfico; precipitazione di

minerali di neoformazione nella diagenesi o nella pedogenesi; evaporazione e condensazione

di acqua; produzione di materia organica tramite fotosintesi o chemosintesi; evoluzione

magmatica a sistema aperto. 47

La Geochimica Isotopica offre strumenti efficaci per indagare molti processi geologici, tra i quali:

l’assimilazione di rocce crostali da parte di un magma che sta cristallizzando; il mescolamento tra

magmi distinti; il mescolamento tra masse d’acqua di diversa provenienza; il mescolamento tra clasti

di diversa natura nei bacini di sedimentazione. In vulcanologia, i valori

di Sr/ Sr, Nd/ Nd, Pb/ Pb e d B permettono di disegnare delle chemostratigrafie

87 86 143 144 206 204 11

isotopiche che consentono, insieme alla variazione di altri parametri geochimici, di ricostruire

l’evoluzione nel tempo del sistema di alimentazione magmatica di un vulcano, anche nel corso di una

singola eruzione. In petrologia, i traccianti isotopici, in combinazione con i contenuti di elementi in

traccia e i loro rapporti, permettono di fare modelli quantitativi per caratterizzare le regioni sorgenti

del magmatismo, e ricostruire i processi di genesi ed evoluzione dei magmi nei diversi ambienti

geodinamici della Terra. Inoltre, gli isotopi radiogenici e stabili permettono di eseguire stime della

temperatura di equilibrio di processi magmatici, metamorfici e metallogenici. Infine, gli isotopi di

diversi metalli permettono di tracciare gli effetti delle attività antropiche sull’ambiente e sull’uomo,

quali: la contaminazione di una falda acquifera o un suolo da parte di acque reflue industriali o

agricole; la contaminazione di un suolo da parte di aerosol contenente piombo tetraetile derivato dalle

benzine; la contaminazione di tessuti umani da parte di metalli tossici come Pb, Cr e Cd.

Radioattività

Gli elementi chimici sono costituiti da atomi, che sono particelle consistenti in un nucleo, formato da

protoni e neutroni, ed elettroni. Gli atomi di un dato elemento hanno tutti lo stesso numero di protoni

(chiamato numero atomico, Z), ma possono differire per il numero di neutroni e, dunque, per il

numero di massa, che è determinato dalla somma del numero di neutroni ed il numero di protoni. Gli

atomi di uno stesso elemento che differiscono per il numero di massa sono chiamati “isotopi

dell’elemento”.

In natura esistono elementi che sono formati da un singolo isotopo (come il fluoro, il sodio ed il

cobalto), ma la stragrande maggioranza degli elementi conosciuti sono costituiti da almeno due

differenti isotopi (fino a più di otto isotopi).

Esistono, in natura, molti isotopi che sono instabili e che tendono ad acquisire lo stato stabile

liberando energia attraverso il decadimento radioattivo. Questi isotopi sono radioattivi e sono

chiamati isotopi radioattivi o radioisotopi o, anche, radionuclidi.

La radioattività è una proprietà del nucleo ed è dovuta ad un eccesso di energia rispetto a quella

richiesta per la stabilità di questi particolari nuclei. Si manifesta con la cessione di parte o tutta

l’energia in eccesso sotto forma di radiazione, per effetto della quale il radionuclide si trasforma in un

nuclide differente della stessa specie chimica, creando così un differente isotopo.

Il nuclide prodotto (il cosiddetto “nuclide figlio”) può essere ancora instabile o stabile.

Un nuclide stabile, prodotto attraverso il decadimento radioattivo di un radionuclide, prende il nome

di nuclide radiogenico. 48

In natura esistono:

isotopi stabili, che non subiscono trasformazioni spontanee 23



- 11

isotopi instabili (o radioattivi), che subiscono trasformazioni spontanee 87 87

 →

- 37 38

Pertanto ciascun isotopo in natura può essere:

stabile

- radioattivo

- radiogenico e stabile

- radiogenico e radioattivo

-

Ciascun nuclide in natura è caratterizzato da particolari abbondanze relative tra i suoi vari isotopi.

La rappresentazione grafica delle abbondanze isotopiche naturali di ogni nuclide viene detta spettro di

massa.

Ogni elemento chimico naturale ha uno spettro di massa unico che lo caratterizza ed identifica in

modo univoco.

Meccanismi di decadimento radioattivo

Esistono diversi meccanismi di decadimento radioattivo, e ciascun nuclide radioattivo può decadere

tramite uno o più di essi:

decadimento

- decadimento

- cattura elettronica

- fissione nucleare

-

Decadimento

Con questo meccanismo il radionuclide si trasforma attraverso l’espulsione di una particella – alfa,

costituita da una coppia di protoni ed una coppia di neutroni. Una particella – alfa è equivalente al

nucleo di un atomo di elio a numero di massa 4 ( ).

4

2

Conseguenza del decadimento radioattivo per emissione di particelle – alfa è la trasformazione del

nuclide padre in un nuclide figlio con numero atomico ed un numero di massa più bassi di due unità e

quattro unità rispettivamente: −4 4

→ + () +

−2 2

49

dove: – padre radioattivo

- – figlio radiogenico

- – particella alfa o elione

4

- 2 – energia del decadimento

-

Quindi un nuclide padre radioattivo ed il nuclide figlio radiogenico hanno Z ed N diversi.

Lo spettro di energia delle particelle – alfa è uno spettro a righe, poiché le particelle – alfa emesse da

un determinato radionuclide sono tutte dotate della stessa energia.

Decadimento

Decadimento (o negatronico)

−

Riguarda l’emissione di particelle – beta, che sono elettroni ed hanno, dunque, una carica negativa. La

particella – beta è del tutto equivalente ad un elettrone. L’elettrone coinvolto in questo tipo di

decadimento radioattivo è un elettrone emesso dal nucleo atomico, dove un neutrone decade in una

coppia protone – elettrone, secondo la reazione: − +

→ +

più un antineutrino elettronico.

Il protone prodotto nella trasformazione resta nel nucleo del nuclide figlio, mentre l’elettrone viene

espulso.

Il radionuclide si trasforma così in un nuclide figlio che ha un protone in più rispetto al radionuclide (il

numero atomico, dunque, cresce di una unità) ma che conserva lo stesso numero di massa.

Nuclidi che hanno un diverso numero atomico (Z) è lo stesso numero di massa (A), sono chiamati

isobari.

L’energia associata alla particella – beta non è costante e può variare da zero ad un valore massimo,

che è quello corrispondente a tutta l’energia disponibile per la trasformazione. Pertanto, le particelle –

beta mostrano uno spettro di energia continuo. −

→ + + ̅ +

dove: – neutrone

- – protone

- - elettrone

−

- – antineutrino

̅

- – energia del decadimento

- 50

Decadimento (o positronico)

+

In questo caso un protone decade in una coppia neutrone – positrone più un neutrino elettronico:

+

→ + + +

dove: – protone

- – neutrone

- - positrone

+

- – neutrino

- – energia del decadimento

-

Un positrone ed un elettrone possono combinarsi col rilascio di due fotoni .

Cattura elettronica

In questo processo, il nucleo dell’atomo radioattivo strappa un elettrone al guscio degli elettroni a lui

più vicino, che si combina con un protone, trasformandosi in un neutrone secondo la reazione:

− +

+ →

Risultato di questo processo è la creazione di un nuclide figlio che conserva la massa del padre ma,

av