Geochimica

Generalità

Il termine geochimica nasce dall'unione delle parole geologia e chimica, e significa: usare gli strumenti della chimica per risolvere problemi geologici. Lo scopo fondamentale della geochimica è lo studio della distribuzione degli elementi in natura e dei processi che la determinano e la modificano.

Applicazioni della geochimica

Attraverso la geochimica è possibile:

• Quantizzare la scala dei tempi geologici
• Determinare la profondità delle camere magmatiche
• Determinare le condizioni di temperatura e pressione in cui si formano le rocce metamorfiche
• Determinare quanto e a quale velocità è risalita una catena montuosa e quanto velocemente viene erosa
• Sapere quando si è formata l'atmosfera e come è cambiata nel tempo
• Affrontare problemi ambientali

Richiami di chimica

Lo strumento principale della geochimica è la tavola periodica degli elementi naturali. Ogni elemento chimico è formato da atomi, formati a loro volta da un nucleo (neutroni+protoni) e uno o più elettroni.

Ogni elemento chimico è caratterizzato da un determinato numero atomico Z (numero di protoni nel nucleo = numero degli elettroni). Ogni elemento chimico è costituito da uno o più isotopi che sono distinti dal numero di massa A (protoni nel nucleo). Isotopi diversi di uno stesso elemento chimico Z differiscono nel numero di massa A.

Un isotopo è rappresentato come (isotopo dell'elemento E con Z protoni e A – Z neutroni nel nucleo). Z è il numero di protoni nel nucleo = numero di elettroni (per un atomo neutro). N è il numero di neutroni nel nucleo. A è il numero di massa (Z+N). Dalla configurazione elettronica dell'atomo dipendono le proprietà chimiche degli elementi. Gli elettroni più esterni di un atomo sono quelli che partecipano ai legami chimici. Elementi che hanno la stessa configurazione elettronica si comportano in modo simile.

Proprietà chimiche degli elementi

• Energia di prima ionizzazione: è l'energia che bisogna fornire ad un atomo affinché perda il suo elettrone più debolmente legato
• Affinità elettronica: è l'energia che si libera con l'assunzione di un elettrone
• Elettronegatività: è la misura relativa della capacità di un atomo di attirare elettroni quando partecipa a un legame chimico
• Valenza: è il numero di elettroni che un atomo può accettare o cedere diventando uno ione positivo o negativo
• Raggio ionico: è la lunghezza del legame quando un atomo è legato ad uno o più atomi in una molecola

Proprietà chimiche dei diversi gruppi di elementi

Gruppo 1 (alcali): sono elettropositivi e molto reattivi, tendono a formare legami ionici e tendono ad essere abbastanza solubili in soluzioni acquose.

Gruppo 2 (alcalino-terrosi): sono simili agli alcali, ma con caratteristiche più moderate.

Gruppi da 3 a 12 (metalli di transizione): sono elementi dal comportamento vario e sono abbastanza solubili.

Gruppi da 13 a 16 (gas, metalloidi e metalli): formano legami covalenti e sono meno reattivi e solubili degli elementi dei gruppi 1, 2 e 17.

Gruppo 17 (alogeni): sono fortemente elettronegativi, molto reattivi, abbastanza solubili e formano legami ionici.

Gruppo 18 (gas nobili): non sono reattivi e non partecipano ai legami chimici.

I legami chimici

Gli atomi si legano tra loro per formare cristalli, molecole, ecc. Ciò avviene tramite legami realizzati attraverso il trasferimento o la condivisione di elettroni o per mezzo di forze elettrostatiche causate dalla diversa distribuzione delle cariche.

• Legame ionico: si realizza col trasferimento totale di elettroni da un atomo all'altro (per esempio NaCl)
• Legame covalente: si realizza quando gli atomi condividono elettroni esterni che si muovono in orbitali ibridi tra gli atomi

Un legame è considerato ionico quando la differenza di elettronegatività tra i due atomi è > 2, in caso contrario il legame avrà solo un certo grado di ionicità. I legami ionici si hanno tra metalli e non-metalli. I legami covalenti si hanno tra non-metalli (per esempio O₂) e tra atomi uguali (per esempio N₂).

I composti legati ionicamente tendono ad essere buoni conduttori di calore ed elettricità, hanno elevata durezza e fragilità, un elevato punto di fusione e sono molto solubili. I composti legati in modo covalente tendono ad essere buoni conduttori di calore e cattivi conduttori di elettricità, sono più duri e meno fragili di quelli ionici e sono meno solubili.

• Legame metallico: è tipico degli elementi metallici e si realizza quando due atomi hanno entrambi una bassa e quasi uguale elettronegatività; gli elettroni sono completamente delocalizzati e si muovono negli strati di valenza formando una nuvola negativa
• Interazioni di Van der Waals e legame ad idrogeno: sono poco diffusi e più deboli dei legami ionici e covalenti

Interazioni di Van der Waals e legame ad idrogeno

• Le interazioni di Van der Waals si formano tra molecole polari asimmetriche (dipoli) nei quali i centri delle cariche positive e negative non coincidono e sono inversamente proporzionali alla distanza tra le cariche del dipolo ed alla temperatura
• Il legame ad idrogeno è un legame elettrostatico tra uno ione idrogeno carico positivamente ed uno ione carico negativamente, dipende dall'asimmetria delle cariche; è più forte delle interazioni di Van der Waals e più debole dei legami covalenti e ionici

Struttura interna della Terra

La densità della crosta terrestre (~2,85 g/cm³) insieme allo studio delle onde sismiche, ha portato al modello della struttura interna della Terra. La Terra è caratterizzata da tre involucri concentrici:

• Crosta: l'involucro più esterno. Ha uno spessore compreso tra i 6 ed i 35 km, costituita da rocce silicatiche e carbonatiche poco dense
• Mantello: spesso ~3000 km, costituito da rocce silicatiche più dense. Rappresenta l'82% del volume della Terra
• Nucleo: distinto in nucleo esterno (liquido) e nucleo interno (solido), rappresenta il 16% del volume della Terra

Esistono due tipi di crosta:

• Crosta continentale: comprende le rocce che costituiscono le terre emerse e la scarpata continentale (composizione granodioritica)
• Crosta oceanica: comprende le rocce che costituiscono il fondo marino ed oceanico (composizione gabbrica)

Litologicamente parlando, la crosta terrestre è eterogenea:

• Rocce magmatiche da basiche ad acide
• Rocce metamorfiche
• Rocce sedimentarie
• Carbonatiche (calcari e dolomie)
• Argilloso-carbonatiche (marne)

La natura del mantello può essere ipotizzata tramite lo studio delle onde sismiche e da misure sperimentali di laboratorio delle velocità delle onde elastiche in diversi materiali. Così facendo sono stati identificati i possibili materiali presenti nel mantello: peridotite, roccia ignea ultrabasica.

Il materiale presente nel nucleo è una lega di ferro e nichel con tracce di silicio e zolfo. Non c'è la possibilità di avere campioni diretti, possibili campioni indiretti sono le meteoriti ferrose (sideriti).

Flusso di calore e correnti convettive

Il flusso di calore attuale della Terra si spiega con due sorgenti di calore interno:

• Calore residuo di quando la Terra era una massa fusa e calda, dovuto al rilascio di energia gravitazionale
• Calore generato dal decadimento radioattivo degli isotopi: ⁴⁰K, ²³⁸U, ²³²Th

Gli isotopi radioattivi sono molto abbondanti nelle rocce della crosta ma non riesce a spiegare l'alto flusso di calore presente nelle dorsali oceaniche. Tale flusso anomalo viene spiegato con la presenza di correnti convettive nel mantello, ossia un lento spostamento di materiale più caldo e meno denso dalle parti profonde del mantello verso le parti superficiali.

Si formano celle convettive che convogliano il calore al di sotto delle dorsali oceaniche aumentando il flusso di calore locale. Ai lati vi sono flussi discendenti di materia più fredda e più densa. Questi moti sono molto lenti, si tratta di rocce che per lunghi periodi di tempo e per le alte temperature del mantello, mostrano un comportamento plastico. Tutto ciò si esplica in superficie con la tettonica delle placche.

Tettonica delle placche

I limiti tra le placche sono detti margini e, a seconda delle caratteristiche geologiche, si distinguono in:

• Margini costruttivi (o divergenti): sono le dorsali oceaniche lungo cui avviene la costruzione di nuova litosfera
• Margini distruttivi (o convergenti): sono le zone di subduzione lungo cui avviene la distruzione della litosfera
• Zone di collisione: zone dove è avvenuta la saldatura tra due placche continentali
• Margini conservativi: sono le grandi faglie trasformi lungo cui avviene lo scorrimento tra due placche contigue in direzioni opposte o a velocità diverse, qui non varia la quantità di litosfera, ma avvengono sismicità e metamorfismo

La maggior parte dei fenomeni endogeni terrestri si verificano ai margini delle placche. Le rare eccezioni sono i punti caldi, manifestazioni del pennacchio di mantello che risale da grandi profondità e buca le placche.

Il ciclo dell'acqua

Una fonte di calore esterno alla Terra è il Sole. Esso è il responsabile dei movimenti dell'atmosfera, delle correnti oceaniche e quindi del ciclo dell'acqua.

Il ciclo dell'acqua rappresenta un elemento fondamentale per la vita della e sulla Terra, attraverso i processi di evaporazione, condensazione e precipitazione dell'acqua, che in questo modo viene scambiata tra il mare, la terra e l'aria. L'evaporazione delle acque superficiali e la traspirazione delle piante immettono acqua nell'atmosfera sotto forma di vapore, qui (nell'atmosfera) per condensazione si trasforma in nebbie e nubi dalle quali l'acqua precipita in forma liquida (pioggia) o solida (neve o grandine) e ritorna sulla terra, chiudendo così il ciclo dell'acqua.

Il ciclo dell'acqua è responsabile di due importanti processi geologici:

• Alterazione delle rocce
• Erosione delle rocce

Questi due processi causano la disgregazione delle rocce in frammenti di piccole dimensioni e particelle disciolte in acqua che, sotto l'effetto della forza di gravità, affondano colmando le zone depresse. Quindi il mix di alterazione chimica ed erosione meccanica causa la riduzione delle asperità della crosta terrestre create dall'orogenesi.

Il sistema solare

Il sistema solare comprende:

• Il Sole
• 8 pianeti:
  • Mercurio
  • Venere
  • Terra
  • Marte
  • Giove
  • Saturno
  • Urano
  • Nettuno
• Pianeti nani (Plutone, Sedna)
• Almeno 63 satelliti (tra cui la Luna) che orbitano intorno ai pianeti
• Migliaia di asteroidi in una fascia compresa tra Marte e Giove
• Numerosi frammenti di varia natura ed origine, alcuni presenti occasionalmente come meteore e meteoriti
• Numerose masse ghiacciate in orbite larghe localizzate alla periferia del sistema solare, che occasionalmente formano le comete

Il Sole

Il Sole è una stella che comprende ~99,85% della massa del sistema solare. La parte interna è costituita da:

• 98% di H (idrogeno) ed He (elio) in pari proporzioni, allo stato di plasma (miscela di nuclei ed elettroni liberi)
• 2% di elementi più pesanti

La parte esterna è costituita da:

• 74% di H
• 25% di He
• 1% di elementi più pesanti

La presenza di elementi più pesanti dell'He fa pensare che il Sole sia costituito da materia riciclata da esplosioni di supernove.

I pianeti

Si distinguono due famiglie di pianeti:

• Pianeti rocciosi (o terrestri): Mercurio, Venere, Terra e Marte
• Pianeti gassosi (o gioviani):
  • Giganti: Giove e Saturno
  • Ghiacciati esterni: Urano e Nettuno

Le differenze tra le due famiglie di pianeti sono:

Le differenze nella struttura interna tra le famiglie di pianeti sono:

Le meteoriti

La disponibilità del materiale meteoritico ha avuto un'enorme importanza per lo studio del sistema solare e per lo sviluppo delle conoscenze riguardanti il comportamento geochimico degli elementi. Le meteoriti potrebbero originarsi da comete o, più probabilmente, dalla fascia di asteroidi che si trovano tra Marte e Giove e poiché gli asteroidi sono considerati resti di corpi planetari disintegrati, esse forniscono uno strumento potenziale per stabilire la natura delle porzioni interne di pianeti del sistema solare, compresa la Terra.

Definizione e classificazione delle meteoriti

Le meteoriti possono essere definite come materiali solidi extraterrestri che sopravvivono all'attraversamento dell'atmosfera e raggiungono la superficie terrestre. Esiste un'ampia varietà di meteoriti, che va da quelle costituite quasi interamente da fase metallica e quelle che sono invece formate quasi completamente da silicati. Le meteoriti si distinguono in:

• Falls: meteoriti raccolte dopo l'osservazione della caduta di un bolide
• Found: meteoriti ritrovate senza l'osservazione diretta della caduta

In base alla composizione, tessitura e mineralogia (in particolar modo per il contenuto in fase metallica) le meteoriti vengono divise in quattro categorie:

1. Condriti: ~10% in metallo
2. Acondriti: ≤ 1% in metallo
3. Sideroliti: ~50% in metallo
4. Sideriti: ≥ 90% in metallo

Le condriti sono distinte in cinque gruppi:

• Gruppo E: condriti a enstatite
• Gruppo H: condriti ricche in Fe e povere in fase metallica
• Gruppo L: condriti povere in Fe ed in fase metallica
• Gruppo LL: condriti povere in Fe e molto povere in fase metallica
• Gruppo C: condriti ricche in Fe ed in fase silicatica

Le condriti del gruppo C (carbonacee) si distinguono da tutti gli altri gruppi per la loro tessitura. Esse sono particolarmente interessanti non solo per la mancanza dei condruli ma anche per la presenza di costituenti volatili che suggerisce una loro natura indifferenziata e primitiva.

Acondriti

Sono quelle con il più basso contenuto in lega metallica Fe-Ni e quelle che mostrano una tessitura a grana più grossa rispetto alla maggior parte delle condriti. La classificazione di queste meteoriti litoidi è basata sulla percentuale di CaO. Sono divise in cinque gruppi:

• Aubriti
• Ureliti
• Diogeniti
• Howarditi
• Eucriti

Sideriti

Sono classificate sulla base dei loro contenuti in nichel, germanio e gallio. Vengono distinte in tre gruppi:

• Esaedriti: costituite esclusivamente da kamacite
• Ottaedriti
• Atassiti: ricche in Ni e costituite da concrescimenti di kamacite e taenite

Sideroliti

Sono meteoriti che esibiscono una tessitura a grana grossa ed una composizione caratterizzata da una quasi uguale proporzione in peso di fase metallica e fase silicatica. Queste meteoriti vengono distinte in due differenti gruppi:

• Pallasiti: olivine
• Mesosideriti: basalti

Le condriti, in genere, sono di natura ultrabasica. Le condriti carbonacee, le più ricche in volatili, sono le meteoriti più "primitive". Le acondriti sono meteoriti "evolute" ed hanno evidenze tessiturali di origine ignea e di aver subito processi differenziativi. Le eucriti (acondriti ricche in CaO) sono dette acondriti basaltiche. La maggior parte dei minerali presenti nelle meteoriti sono costituenti comuni delle rocce ignee terrestri.

Cosmochimica & Geochimica

La distribuzione degli elementi terrestri è legata alla distribuzione degli elementi nell'universo. La composizione della Terra è unica, ma comunque simile a quella degli altri pianeti terrestri ed ha qualcosa in comune con quella del sistema solare che, a sua volta, ha una composizione simile a quella dell'universo.

La composizione della Terra è il risultato di tre processi:

1. Nucleosintesi: processi responsabili della creazione degli elementi dell'universo
2. Formazione del sistema solare
3. Formazione della Terra

Per capire come avviene la nucleosintesi occorre conoscere l'evoluzione delle stelle.

Evoluzione stellare

Le stelle si differenziano per delle caratteristiche che sono:

• Visibili ad occhio nudo: luminosità e colore
• Determinabili tramite strumenti: massa, densità, temperatura e composizione chimica

I diversi colori con cui appaiono le stelle dipendono da:

• Composizione chimica
• Temperatura