Riassunti Geochimica

IL NUCLEO

Dalle proprietà fisiche, è noto che il nucleo presenta un’alta densità. Considerando l’abbondanza condritica degli elementi si

può ritenere che esso sia costituito da una lega di Fe-Ni nella proporzione di circa 16: 1 parti. Tuttavia il nucleo è meno denso

di una lega Fe- Ni. Quindi deve essere presente un elemento leggero. I possibili candidati: S, O, H, Si.

IL MANTELLO

I minerali tendono ad essere sempre gli stessi, in diverse proporzioni.

Indagini geochimiche ed isotopiche sui basalti oceanici hanno evidenziato che il mantello non è omogeneo, ma è costituito

da diversi serbatoi la cui origine è tuttora oggetto di speculazione scientifica.

La bassa viscosità dell’Astenosfera, è dovuta alle temperature prossime al solidus peridotitico che favoriscono la fusione

parziale del mantello. Tra 410-660 km c’è la Zona di Transizione, sede di due discontinuità associate a transizioni di fase

dell’OLIVINA e della perovskite.

Dati riguardanti la composizione del Mantello in età differenti (1967 – 1980)

SiO = componente principale, non varia tanto (<50%)

2

La variabilità di plagioclasio definisce la variabilità di Al O .

2 3

Fe O = in traccia (poco presente) perché l’ambiente NON è

2 3

Ossidante, ma FeO presente (in media 8.0).

Cr O in traccia.

2 3

Magnesio= il secondo più abbondante.

Calcio= poco e mediamente variabile.

Sodio e potassio (nei feldspati) = presenti ma non abbondanti.

Dividendo, gli elementi più abbondanti del mantello sono: O, Si,

Mg, Fe, Ca, Al. Altri non abbondanti ma importanti: Ti, Cr, Ni.

Il mantello ha chimismo ultrafemico (peridotitico), ricco di olivina

(peridoto = olivina) e costituito da: Ol + OPX + CPX + Al ––fase

(spinello/granato/plagioclasio(plagioclasio).

Stime sulla composizione del mantello devono soddisfare una

serie di condizioni:

1. Corrispondere alla composizione degli xenoliti mantellici

2. Produrre magmi basaltici per fusione parziale

3. Corrispondere a valori di densità e di velocità delle onde sismiche

4. Avvicinarsi ad una composizione condritica

Soddisfano i 4 punti: Lerzolite (in realtà è una peridotite) o Eclogite.

L’Eclogite è una roccia costituita prevalentemente da granato e (Al e Na) pirosseno, ovvero la mineralogia di basalti di alta

pressione (crosta oceanica profonda). La scarsa presenza di xenoliti di composizione eclogitica favorisce la composizione

lerzolitica.

La Lerzolite è favorita.

Poiché solo piccole parti di mantello affiorano in superficie, gran parte delle conoscenze su natura e composizione del

mantello terrestre sono state ottenute attraverso metodi indiretti.

I metodi indiretti utilizzati sono di tipo Geofisico o Geochimico-Petrologico.

LA CROSTA TERRESTRE

La crosta terrestre costituisce circa lo 0.5% della massa della Terra. 3

Oceanica(6km): le sue variazioni di massa sono più evidenti (formazione, evoluzione del bacino oceanico). Densità: 3,0 g/cm

Complessa, mette insieme rocce che si costruiscono dall’attività mantellica, formando questa crosta basica (≈ 50% SiO ).

2

Continentale(40km): è più variabile; chimismo più acido; abbondanza diversa di elementi che compongono i minerali.

3

Densità: 2,7 g/cm . Composizione: andesite, roccia magmatica effusiva. Corrispondente= granodiorite.

Origine della crosta terrestre

Crediamo si sia formata in una fase successiva allo stato stabile del pianeta.

Crosta Oceanica divisa in 3 blocchi:

- Inferiore: più basico -> roccia: Gabbro (magmatica intrusiva, fatto da pirosseni, olivina e plagioclasio) cristallizza

lentamente.

- Strato 2B. Dicchi stratificati: dicchi (magma cristallizzato vicino alla superficie).

- Strato 2A: il basalto vero e proprio (colate laviche). Magma cristallizzato vicino alla superficie.

Chimismo crosta Oceanica

In generale, la PERIDOTITE (roccia rappresentativa del mantello) è quella che, poi fondendo ovunque nella fusione parziale,

mi da basalto.

Contenuto medio dei principali elementi: Si, Al, Ca, Fe -> i più abbondanti.

Il Sodio ha un’abbondanza maggiore rispetto alla peridotite. Il Chimismo è sempre di tipo BASICO.

Chimismo crosta Continentale

Più variabile: da basaltico (femico) a granitico (siliceo).

Chimismo medio della crosta Continentale di tipo ANDESITICO (o grano dioritico – intrusivo) a intermedio mediamente acido.

Stima della composizione chimica della crosta:

 Aumenta l’aspetto feldspatico (ACIDO). Ma, crosta Oceanica e Continentale, hanno quasi lo stesso tenore di Al

(15,0 ->15,6). PERCHE’? Diminuisce il CALCIO. Aumenta il POTASSIO!!

Composizione chimica della crosta Continentale Superiore

GRANODIORITE (igna intrusiva) -> elevato tenore di quarzo plagioclasio, feldspato potassico (ortoclasio) e tra i femici

troviamo Fillosilicati del gruppo delle biotiti.

Scomponendo i minerali avremo che:

 SiO = 66% molto abbondante

2

 Fe, Al e Mg nella biotite

 Ca nel plagioclasio

 Na e K nei feldspati

*Questi, insieme all’Ossigeno sono i più abbondanti!

Composizione Nucleo/Mantello

Hanno in comune il Fe e O, a differenza della crosta e mantello. La concentrazione degli elementi però è cambiata, perché la

parziale fusione separa gli elementi (alcuni rimangono nel mantello, altri risalgono).

*Ricorda= [il Mantello è basico-ultrabasico, la crosta Oceanica è basica, la crosta Continentale è acida)*

Stima composizione chimica Terra nel suo insieme

Ossigeno (32,44%), Silicio (17,12), Mg (15,87) Nichel (1,61% perché concentrato in nucleo), Ca (1,61), Al (1,51), Zolfo (0,70),

Sodio (0,25), Titanio (0.07).

Ferro 28/18 (grazie alla grande presenza nel nucleo, mantello e un po’ sulla crosta) è un elemento che si forma facilmente,

ed è stabile nuclearmente (non lo mette in gioco in altri processi).

Classificazione geochimica degli elementi in base all’abbondanza (metalli, non-metalli, metalloidi = semiconduttori)

Gli Elementi Maggiori (che formano facies minerali) sono pochi. Elementi in traccia, non sono in grado di formare u n

minerale proprio.

Questi aggettivi perdono senso in acqua, in quanto diventano ioni e hanno lo stesso significato.

Nell’atmosfera: N, Ar, He

Nelle acque marine: Cl, Na, I

Nelle rocce basiche (mantello): Ni, Cr, Co

Nelle rocce acide (crosta:) U, Th, Zr

Classificazione geochimica degli elementi in base alla loro affinità geochimica (classificazione di Goldsmidth):

1. Litofili 2. Calcofili 3. Siderofili 4. Atmofili

Nello schema classificativo di Goldschmidt, gli elementi sono divisi sulla base della loro ripartizioni tra la coesistenza tra le

fasi: silicato- liquido, solfuro- liquido, metallo- liquido.

 Litofili:

- elementi chimici che mostrano una spiccata affinità per l’ossigeno

- sono per lo più presenti nel mantello e nella crosta terrestre

- si trovano in fasi mineralogiche quali silicati ed ossidi, ed in minor misura in carbonati e cloruri.

- Si, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe2+, Fe3+, Th, U, gli elementi alcalini ed alcalino terrosi, le Terre Rare.

 Calcofili:

- elementi chimici che hanno una preferenziale affinità per lo zolfo

- Formano essenzialmente solfuri

- Cu, Zn, As, Ag, Cd, Sn, Sb, Hg, Pb

 Siderofili:

- elementi chimici che hanno una più spiccata affinità per la fase metallica

- sono arricchiti nel nucleo della Terra

- Fe, Co, Ni, Mo, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au

 Atmofili:

- elementi chimici volatili che nella formazione della proto-Terra sono rimasti allo stato gassoso

- nel nostro pianeta sono notevolmente impoveriti rispetto alla loro abbondanza nel sistema solare

- gli elementi atmofili sono concentrati nell’atmosfera N ed i gas nobili

ELEMENTI IN TRACCIA

Per i sistemi ignei e metamorfici, sono quegli elementi che non sono costituenti stechiometrici di fase nel sistema

d’interesse. Attenzione: un elemento in traccia in un sistema non lo è in un altro!!

Per molte rocce silicatiche: O, Si, Al, Na, Mg, Ca e Fe sono elementi maggiori.

H, C, S, K, P, Ti, Cr e Mn possono talvolta essere elementi maggiori nel senso che possono componenti stechiometrici di fasi.

Spesso sono detti “elementi minori” tutti gli altri elementi sono sempre elementi in traccia con l’eccezione di rare ma

importanti circostanze come le pegmatiti e i giacimenti minerali. Queste definizioni non sono valide per i fluidi!

Un elemento in traccia in una roccia (o minerale) è un elemento presente in concentrazione < 0.1wt. % (<1000ppm).

Danno informazioni geochimiche e geologiche importanti:

1- Le variazioni degli elementi in traccia sono molto più ampie di quelle degli elementi maggiori;

2- In ogni sistema ci sono molti più elementi in traccia che elementi maggiori.

3- Gli elementi in traccia sono molto variabili e quindi più sensibili ai processi ai quali gli elementi maggiori sono

insensibili.

LE REGOLE DI GOLDSHMIDT

Governano la sostituzione reciproca (diadochia) degli elementi chimici, nella forma di ioni, nei siti reticolari della struttura dei

minerali:

1.I legami sono puramente ionici

2. Regole definite per l’ambiente magmatico

In un sistema magmatico la distribuzione degli elementi tra le fasi è governata da diversi fattori ambientali, tra i principali:

- Temperatura Fattori fisici

- Pressione

- Composizione, Fattori chimici

- Fugacità d'ossigeno

Assunto generale

Dati 2 ioni, una fase tende ad incorporare nel sito reticolare della sua struttura preferenzialmente lo ione che rende più

stabile la struttura medesima. Si basano sulle caratteristiche del Raggio ionico e della carica.

1° regola -> MASCHERAMENTO

Si verifica quando 2 ioni possono occupare il medesimo sito reticolare perché hanno stessa carica e raggio ionico uguale o

differente per non più del 15%.

Ga3+ (r.i.= 0.62) Al3+ (r.i.= 0.57)

Ge4+ (r.i.= 0.44) Si4+ (r.i.= 0.41)

Eu2+ (r.i.= 1.24) Ca2+ (r.i.= 0.99)

2° regola -> CATTURA

Se due elementi hanno stesso raggio ionico (entro il 15% di variabilià) ma diversa carica, l’elemento a carica maggiore

entrerà nel sito cristallino in sostituzione di un elemento maggiore

Pb2+ (r.i.= 1.32) K+ (r.i.= 1.33)

Sc3+ (r.i.= 0.83) Mg2+ (r.i.= 0.78)

Ba2+ (r.i.= 1.34) K+ (r.i.= 1.33)

Attenzione:

Si ha CATTURA anche quando uno ione sostituisce un altro ione a carica uguale ma di raggio maggiore

Mn2+ (r.i.= 0.80) Ca2+ (r.i.= 0.99)

3° regola -> AMMISSIONE

Quando 2 ioni, stessa carica e diverso raggio, l’elemento in traccia sostituirà il maggiore con difficoltà:

Rb+ (r.i.= 1.48) K+ (r.i.= 1.33)

Sr2+ (r.i.= 1.12) Ca2+ (r.i.= 0.99)

Ba2+ (r.i.= 1.34) Ca2+ (r.i.= 0.99)

LE REGOLE DI RINGWOOD