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

AEREOLITI .................................................................................................................................... 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

FUGACITA’ 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 infinito tende

L’universo ha un volume immenso, alcuni sostengono sia qualcosa di , per altri

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

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molto bassi quali 10 g/cm .

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 neu-

troni 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 irre-

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golari. Ogni galassia contiene una quantità di stelle variabile tra 10 e 10 .

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. 3 | Pag.

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’attra-

zione 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 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 espan-

dono gli spazi intergalattici.

seconda corrente di pensiero

La , 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 ingre-

dienti; 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 im-

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portante crollo delle temperature, gli eventi caratterizzanti avvengono dopo 10 sec dal big bang

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in cui si ha la comparsa della forza di gravità, dopo 10 sec si formano le prime particelle suba-

tomiche (ingredienti che faranno sì che le varie parti dell’atomo si comincino a formare), i primi

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protoni ed elettroni impiegano 10 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 nucleo-

sintesi, 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.

spontanea

La nucleosintesi cosmologica tiene conto di un processo di aggregazione di nuclei in

funzione di masse(elementi) ed energie (energia necessaria per la fusione) che sono a disposi-

zione. Attraverso questi processi spontanei si riesce a raggiungere masse più o meno della gran-

dezza 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 qual-

cosa 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 or-

ganizzazione 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 dispo-

sizione 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. 5 | Pag.

ORIGINE DEGLI ELEMENTI IN FUNZIONE DEL CICLO DELLE STELLE

Diagramma H-R (si-

gnificato astronomico

importante) mostra

una curva (sequenza

principale) che rap-

presenta il percorso

che viene seguito da

gran parte delle stelle

esistenti. Da tempera-

ture e dimensioni

molto piccole si va via

via verso dimensioni e

temperatura più ele-

vate, c’è però un mo-

mento nella curva in

cui la stella può pren-

dere 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’an-

golo in alto a destra

dove si va verso le gi-

ganti rosse che cre-

scono molto anche loro dimensionalmente ma sono fredde. Qui in ogni caso il tempo è eleva-

tissimo, 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 possi-

bile la formazione di nuovi elementi prodotti

per nucleosintesi stellare.

Un altro diagramma ci dà l’idea dell’abbon-

danza degli elementi che si formano, che chia-

ramente non sono tutti uguali. Mostra la distri-

buzione degli elementi in funzione del nu-

mero atomico e della loro abbondanza; gli ele-

menti con il numero atomico più piccolo

hanno le abbondanze maggiori ma via via che

il numero atomico aumenta diminuisce 6 | Pag.

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 composi-

zioni 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 im-

plica 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 minera-

logici 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. 7 | Pag.

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-