Geochimica - Parte 2

La fase pegmatitica

Lo stadio pegmatitico consiste essenzialmente nell'ultimo stadio della cristallizzazione magmatica, nel quale avviene la formazione delle pegmatiti. Queste sono rocce intrusive a grana grossa con cristalli di proporzioni gigantesche che, insieme alle apliti, di tessitura saccaroide, si accompagnano di regola alle rocce granitiche. Le pegmatiti granitiche sono costituite essenzialmente dall’associazione quarzo-feldspato. Pegmatiti e apliti sono considerate i prodotti della cristallizzazione di magmi residuali, ricchi in acqua e volatili; per le pegmatiti in particolare ci riferiamo a residui molto fluidi nei quali i cristalli si accrescono con facilità.

Solubilità dell'acqua nei fusi silicatici

Per quanto riguarda la solubilità dell’acqua nei fusi silicatici, i dati non sono sempre concordanti:

• Gli esperimenti di Goranson indicano che la solubilità cresce al crescere della pressione, ma tende ad un valore limite dell’8%.
• Successive indagini di Burnham ci dicono che la solubilità cresce continuamente al crescere della pressione.

Ad ogni modo, considerando le pressioni che si possono aspettare nelle parti più profonde della terra e le temperature di inizio della cristallizzazione, la percentuale d’acqua disciolta non dovrebbe superare il 15%. L’effetto della presenza dell’acqua in un fuso granitico è quello di abbassare la T di inizio della cristallizzazione, per cui anche a T relativamente basse (660 gradi) è possibile avere dei fusi granitici; in presenza di volatili è possibile ottenerli anche a 595 gradi.

Il primo e il secondo punto di ebollizione

Vi sono due soluzioni sature la cui tensione di vapore eguaglia la pressione esterna di 1 atm:

• La prima è una soluzione di AgNO₃ satura a 131°C (92 g di AgNO₃ in 100 g di soluzione).
• La seconda è una soluzione satura a 191°C (99 g di AgNO₃ in 100 g di soluzione).

Queste due temperature sono anche i due punti di ebollizione delle due soluzioni, rispettivamente il primo e il secondo punto di ebollizione. Si può immaginare di raggiungere il primo punto di ebollizione riscaldando la soluzione di nitrato d’argento (prima soluzione) in presenza di un eccesso di corpo di fondo: raggiunti i 131°C la soluzione comincerà a bollire. Il secondo punto di ebollizione si raggiunge invece raffreddando una massa di nitrato d’argento contenente pochissima acqua (circa l’1% = seconda soluzione). Con il raffreddamento si ha la separazione di Ag solido e la pressione di vapore aumenta fino a raggiungere il valore di 1 atm a 191°C, temperatura alla quale inizia l’ebollizione. Vi è un aumento retrogrado della tensione di vapore, ovvero un aumento della tensione al diminuire della T (durante il raffreddamento: secondo punto di ebollizione, che paradossalmente si raggiunge in fase di raffreddamento quando la tensione di vapore della soluzione satura eguaglia la P atmosferica, corrisponde a quella che viene comunemente indicata come ebollizione retrograda.

Le pegmatiti

Gli esperimenti condotti da Burnham ci hanno dato qualche indicazione sul processo di formazione delle pegmatiti; Burnham ha fatto fondere una miscela di quarzo e feldspato, in presenza di acqua in quantità leggermente inferiore alla saturazione; raffreddando la massa si osserva:

• La segregazione abbondante di cristalli di quarzo e feldspato, come aggregato finemente granulare simile alla tessitura delle apliti.
• Procedendo nel raffreddamento, la massa diviene satura in acqua e viene raggiunto il secondo punto di ebollizione; si separa una fase gassosa sotto forma di bolle nelle quali si sviluppano grandi cristalli di quarzo e feldspato con una tessitura simile a quella delle pegmatiti, i quali si alimentano dalla massa viscosa, ma trovano nelle bolle lo spazio per crescere.

Da queste osservazioni si può pensare che le pegmatiti rappresentano il prodotto della cristallizzazione in un sistema in cui è presente una fase gassosa in cui i cristalli si possono accrescere, mentre le apliti sono il prodotto di una cristallizzazione dove non c’è stata una separazione di una fase acquosa.

Pegmatiti semplici e complesse

Le pegmatiti si possono dividere in semplici e complesse:

• Pegmatiti semplici: possono effettivamente considerarsi come gli ultimi prodotti di consolidazione e si formano durante lo stadio pegmatitico della cristallizzazione.
• Pegmatiti complesse: non rappresentano l’effettivo prodotto finale di una cristallizzazione frazionata, si formano in processi palingenetici di rifusione delle rocce.

Quelle complesse sono molto importanti dal punto di vista mineralogico-geochimico in quanto qui sono concentrati tutti quegli elementi che per le loro caratteristiche cristallochimiche non sono entrati nelle strutture dei componenti principali e che nel primo stadio non hanno raggiunto condizioni di saturazione tali da poter dar luogo a minerali indipendenti. Gli elementi presenti nelle pegmatiti infatti sono:

• Quelli con raggio ionico troppo piccolo (Be, B), o troppo grande (Rb, Cs, terre rare).
• Quelli con raggio ionico compatibile con le strutture dei minerali comuni ma che per ragioni energetiche o di carica sono limitatamente in grado di sostituire altri elementi comuni.
• Quelli che si trovano in concentrazioni troppo basse per potersi separare in maniera apprezzabile, pur avendo raggio ionico adatto e condizioni energetiche favorevoli.

Gli elementi che si concentrano solitamente nelle pegmatiti sono: Li, Be, B, F, Rb, terre rare, Zr, Hf, Nb, Ta, U, Th, oltre a minerali metallici. Le pegmatiti semplici sono simili alle complesse per struttura e giacitura, ma chimicamente e mineralogicamente differenti in quanto non contengono elevate concentrazioni di elementi rari.

Le fasi pneumatolitica ed idrotermale

Graduali passaggi portano dallo stadio pegmatitico ai successivi pneumatolitico ed idrotermale. I depositi pneumatolitici hanno origine comunemente da fluidi in condizioni supercritiche, mentre quelli idrotermali si formano da soluzioni termali a T inferiore a quella critica. Le cosiddette fasi ipercritiche sono difficili da decifrare, in quanto non è ben noto se nel processo di consolidazione magmatica se ne abbia o meno la formazione, perché non si conosce bene l’influenza dei vari soluti sul punto critico dell’acqua. Molte ipotesi sono state fatte per spiegare la formazione di solfuri idrotermali; si è ipotizzato che i solfuri si possano formare da soluzioni separate contenenti HS e S e i cationi metallici; inoltre si può pensare che molti solfuri possono essere trasportati in soluzioni colloidali.

Alterazione meccanica e chimica della roccia

Ora che abbiamo i minerali della Terra primordiali, cosa è successo dopo? La Terra è diversa dalla luna. Per la seconda legge della termodinamica tutto tende al disordine. Tutto ciò che si costruisce a condizioni termodinamiche elevate, quando viene a giorno, si trova in condizioni termodinamiche squilibrate e perciò la forma NON È STABILE e tende a DISTRUGGERSI:

1. Alterazione meccanica o fisica della roccia: Azione dei ghiacciai, delle acque correnti, del vento, del gelo e disgelo ecc. Impatti meteoritici. La luna non ha acqua né atmosfera, quindi l’alterazione delle rocce è dovuta al vento solare e all’impatto dei meteoriti. Rompendo le rocce aumenta la superficie specifica e le rocce sono più attaccabili dall’alterazione chimica.
2. Alterazione chimica della roccia: Dovuta alla presenza di acqua allo stato liquido. Da dove arriva nella Terra primordiale? Dalla degassazione dei magmi = vapore. L’acqua sulla Terra si è poi liquefatta. L’acqua liquida pura ha una grande azione di alterazione chimica sulle rocce.

Proprietà dell'acqua

• Costante dielettrica = 80. La costante dielettrica dell’acqua è la capacità del liquido di tenere separate le cariche disciolte al suo interno. 80 è un valore molto alto e ciò vuol dire che le cariche si attirano nell’acqua 1/80 di quanto si attirano nell’aria.
• Sotto i 100°C è liquida. Abbassando la T a 0°C diventa solida.
• La massima densità è intorno a 4°C (quando è liquida). Quando l’acqua diventa ghiaccio esso è meno denso dell’acqua perché nella struttura cristallina del ghiaccio ci sono i VUOTI = ghiaccio galleggia sull’acqua perché è meno pesante. Se il solido fosse più pesante del liquido (come succede di solito) un lago comincerebbe a gelare dal basso verso l’alto e il bacino MORIREBBE!
• Azione dipolare per struttura tetraedrica come la cella dei silicati, e costante dielettrica elevata. L’acqua può separare i sali (legame ionico). Nell’olio vi sono legami covalenti e l’acqua non può separare le cariche.

Azioni di alterazione dell’acqua

1. Azione di solubilizzazione: Legata al dipolo e alla costante dielettrica, l’H₂O ha un profondo potere solvente. Es: NaCl si scioglie nell’acqua = i minerali a legame ionico si solubilizzano in acqua.
2. Azione idratante: L’acqua è capace di entrare nelle strutture cristalline senza distruggere la struttura. CaSO₄ = solfato di calcio anidro sistema rombico: anidrite > CaSO₄.2H₂O = solfato di calcio biidrato sistema monoclino: gesso volume gesso è di quello dell’anidrite.
3. Come si sono distrutti i silicati? È di questi che è formata la Terra primordiale. Azione H₂O sui silicati: IDROLISI.

Un sale in acqua si distrugge perché è formato da una base forte + un acido debole o da una base debole + un acido forte. I silicati sono formati da un acido debole (acido silicico) e da una base forte. Messa nell’acqua la forma debole tende ad ASSOCIARSI mentre la forma forte tende a restare DISSOCIATA. NaCl non subisce idrolisi perché HCl è un acido forte e NaOH è una base forte! IDROLISI avviene solo su sali formati da A debole e B forte (come nei silicati) o viceversa. L’IDROLISI costituisce il principale processo di alterazione delle rocce silicatiche e consiste in un attacco da parte degli ioni H⁺ alle strutture cristalline dei silicati primari, con conseguente radicale modifica.