28 genesi sed 2014

Ambiente sedimentario
Rosa del deserto
CaSO4*2H2O
Genesi sedimentaria
• Nella genesi sedimentaria i minerali
cristallizzano essenzialmente da soluzioni
in ambiente superficiale o a relativamente
bassa profondità (ambiente diagenetico),
compresi i fondali marini.
Processo sedimentario
Intensa interazione fra:
• Idrosfera
• Atmosfera
• Biosfera processi biochimici
• Litosfera
Importante ruolo dell’energia radiante del Sole
Importante ruolo dell’acqua: molecola con struttura dipolare
alto potere solvente, alta costante
dielettrica
-75 < Temperature < +80°C
1 atm < Pressione < 1000 atm ( componenti volatili O2, CO2, H2O)
Gli ioni presenti nelle soluzioni spesso provengono dalla distruzione di
rocce preesistenti e alterazione dei minerali preesistenti
FATTORI PRINCIPALI
DELL’ALTERAZIONE
Potenziale ionico
Concentrazione idrogenionica
delle soluzioni naturali
pH
Potenziale di ossido-riduzione
nelle reazioni chimiche naturali
Fenomeni colloidali
FATTORI ALTERAZIONE
È importante conoscere
come i principali fattori agiscono
sui diversi elementi chimici
in soluzione acquosa
per riuscere a prevedere
il loro comportamento in ambiente
sedimentario
Potenziale ionico 
 = Z/r Z: carica, r: raggio ionico Å
Dal punto di vista elettrostatico il  è la
misura dell’intensità delle cariche positive
alla superficie di uno ione
Il valore numerico del  dei vari elementi
ha un ampio campo di variabilità
Cs+
0.60
 < 1 Cs+, Rb+, K+
 >10 B
3+
P
5+
S
6+
C
4+
N
5+
N 5+ 38.4
Potenziale ionico 
Possiamo suddividere gli elementi più comunemente
coinvolti nel trasporto chimico in ambiente sedimentario in
tre gruppi
(a) <2.5
(b) 2.5<  >10
(c)  >10
che formano
(a) sali solubili e idrossidi solubili in ampio intervallo di pH K, Na, Li, Rb, Cs
(b) idrossidi insolubili - Fe, Zr, Mn, Al, Ti, U, Th
(c) anioni di ossiacidi generalmente solubili - B, C, P, N, S
Esempi di comportamento di ioni
in soluzione
Elementi
di valenza e proprietà chimiche
diverse si possono
comportano allo stesso modo
precipitando insieme
Na+ è prevalentemente disciolto nel mare
K+ prevalentemente crosta continentale
Al3+ Be2+ Ti4+
Th4+ Zr4+
Precipitano come idrossidi
Fe2+ Mn2+
Rimangono in soluzione
Fe3+ Mn4+
Precipitano come idrossidi
ESEMPIO
Nelle bauxiti
possiamo trovare
concentrati
Be, Al, Ti
Ga, Zr, Nb
Attività degli ioni idrogeno
ovvero il pH
• L’acqua è dissociata a tutte le temperature
• A temperatura ambiente 20°C la
dissociazione è pari a 10-7 moli/litro di ioni
idrogeno
• La dissociazione aumenta per T crescenti
• Un aumento di P favorisce la dissociazione
NB
• Per pH neutro si intende la condizione nella
quale i contenuti in H+ e OH- sono identici
• Condizioni di neutralità: 20°C pH 7; 60°C pH
6.5; 200 °C pH 5.6
Attività degli ioni idrogeno
Il pH
delle acque naturali
varia
nell’intervallo 1-10
pH
molto bassi sono
presenti in acque
legate a manifestazioni
vulcaniche
6.5<pH>7
nelle acque
di laghi, fiumi
in regioni
non calcaree
pH
molto alti sono
presenti in acque
stagnanti e
i suoli alcalini
Azione del pH sulla solubilità dei minerali
• I valori del pH condizionano la solubilità degli idrossidi,
solfuri e carbonati
Esempio
• Fe(OH)3 comincia a precipitare a pH ~ 2
• Fe(OH)2 comincia a precipitare a pH > 7
pH 8.5: Fe” in soluzione 7.2 x10 -16
pH 6: Fe” in soluzione 7.2 x10 -11
Fattore 105
Acque continentali (pH 6-7)
quando sboccano a mare
(pH 8-8.5) precipita il ferro
Acque dei fiumi 1 ppm di Fe
Acqua di mare 0.008 ppm di Fe
Comportamenti differenti di ioni affini in ambienti naturali
Fe Co Ni
1. hanno analogo comportamento cristallochimico
2. si trovano associati nei minerali femici primari
In soluzioni mediamente
acide o alcaline il Fe2+ è
facilmente ossidato a Fe3+
Il Co3+ e il Ni4+ richiedono
decisamente più alti
potenziali di ossidazione
anche in soluzioni alcaline
• Fe(OH)3 si trova comunemente
nei sedimenti
• CoO(OH) stainierite è molto
rara
• NiO2 non è conosciuto fra i
minerali
Co e Ni sono pertanto molto più
mobili del Fe
ALTERAZIONE
Adeguamento
di materiali
alle nuove
condizioni
chimico-fisiche
Distruzione
dei minerali
di alte T e P
Formazione
di minerali
stabili alle
nuove T e P
Alla base del processo di alterazione
ci sono
Le modalità con cui i vari minerali reagiscono
con
l’aria e con l’acqua
idrolisi
•
1
1
•
1
1
Minerali
A
R
G
I
L
L
O
S
I
Stabilità dei minerali rispetto ai processi di alterazione
• I minerali più facilmente aggredibili dagli
agenti chimici sono quelli che risultano
termodinamicamente instabili sulla
superficie terrestre
• I minerali delle rocce magmatiche e
metamorfiche che si formano in condizioni
di P e T che differiscono decisamente da
quelle che controllano gli ambienti
esogeni presentano un’elevata instabilità
termodinamica
Goldich 1938
Principali minerali in ordine di alterabilità
decrescente
Minerali mafici: olivina, iperstene, augite,
orneblenda, biotite
Minerali sialici: plagioclasio calcico,
plagioclasio sodico, K-feldspato, muscovite,
quarzo
Interazione H2O - minerali
L’acqua rappresenta il più
importante agente chimico capace
di agire da solvente, reagente o
catalizzante
Le acque che bagnano gli ammassi rocciosi
sono in grado di svolgere non solo
azioni solventi , idratanti e di idrolisi ma soprattutto
di interagire con i minerali preesistenti
creando altre specie cristalline
PROPRIETÁ DELLA MOLECOLA D’H2O
Alto potere solvente
Struttura di dipolo
Alta costante dielettrica
Agisce sui
legami ionici
diminuendone
l’intensità
I processi di alterazione chimica delle
rocce possono essere cosi
schematizzati:
• Idratazione,
• Dissoluzione,
• Idrolisi
• Ossidazione
• Idratazione
• CaSO4 + 2H2 O → CaSO4 2H2 O
(Anidrite )
(Gesso)
1
• Dissoluzione
• CaCO3 + H2O + CO2 ↔ Ca(HCO3)2
• K[AlSi3 O8 ] + 8H2O ↔ K+ + 3[SiO4]4- +
[AlX6]5-
• Idrolisi
• 4K[AlSi3 O8 ] + 20H2O + 2CO2 →
Al4Si4O10(OH)8 + 8Si(OH)4 + 2K2CO3
(caolinite)
In climi caldo-umidi (poca anidride carbonica)
• Idrolisi 6K[AlSi3 O8 ] + 28H2O →
K2Al4[Al2Si6O20](OH)4+ 12SiOH4 +4K(OH)
(illite)
maggior lisciviazione
• K[AlSi3 O8 ] + 8H2O → Al (OH) 3 + 3H4SiO4 + K+ +
(gibbsite)
OH1
•
Gibbsite insolubile fra pH 5 e 9 e forma suoli ricchi di alluminio,
silice lisciviata
Minerali presenti nelle rocce
sedimentarie
• Minerali residuali: minerali formatisi in
ambiente diverso da quello sedimentario e
che hanno resistito all’alterazione
• Minerali autigeni: minerali formatisi in
ambiente sedimentario ( minerli argillosi,
cloriti, miche, idrossidi di Al e Fe,
carbonati, solfati, cloruri)
•
•
•
•
Minerali sedimentari più diffusi
Calcite e dolomite
Minerali argillosi e cloriti
Idrossidi di Al, di Fe, di Mn (bauxiti,
limoniti, wad)
• Glauconite, apatite, collofane, calcedonio,
opale, salgemma, silvite etc
Rocce sedimentarie
• Le rocce sedimentarie hanno una composizione chimica
variabilissima:
• Rocce sedimentarie clastiche: costituite da materiali
derivati da azioni di degradazione e di alterazione
• Conglomerato, Puddinga, Arenaria
• Rocce sedimentarie dovute a forti concentrazioni di
alcuni elementi
• Quarziti 99% SiO2, Bauxiti 70% Al2 O3, Limoniti 75%
Fe2O3, Calcari 55% CaO
• Rocce sedimentarie chimiche
• Travertino, evaporiti
• Rocce sedimentarie organogene
• Calcare fossilifero, torba
• Sono di origine biochimica i giacimenti di
carboni fossili e di petrolio, gran parte
delle rocce calcaree e dolomitiche, le
fosforiti, molti depositi di idrossidi di Fe e
Mn, molte rocce silicee