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 Na+ è prevalentemente disciolto nel mare K+ prevalentemente crosta continentale Elementi di valenza e proprietà chimiche diverse si possono comportano allo stesso modo precipitando insieme Al3+ Be2+ Ti4+ Th4+ Zr4+ Fe2+ Mn2+ Precipitano come idrossidi 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

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 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 pH 8.5: Fe” in soluzione 7.2 x10 -16 pH 6: Fe” in soluzione 7.2 x10 -11 Fattore 105

Comportamenti differenti di ioni affini in ambienti naturali Fe Co Ni hanno analogo comportamento cristallochimico si trovano associati nei minerali femici primari 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 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

Alla base del processo di alterazione ci sono Le modalità con cui i vari minerali reagiscono con l’aria e con l’acqua

1 idrolisi 1

1 Minerali 1 ARGILLOS 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 Alta costante dielettrica Agisce sui legami ionici diminuendone l’intensità Struttura di dipolo

I processi di alterazione chimica delle rocce possono essere cosi schematizzati: Idratazione, Dissoluzione, Idrolisi Ossidazione

K[AlSi3 O8 ] + 8H2O ↔ K+ + 3[SiO4]4- + [AlX6]5- Idratazione CaSO4 + 2H2 O → CaSO4 2H2 O (Anidrite ) (Gesso) Dissoluzione CaCO3 + H2O + CO2 ↔ Ca(HCO3)2 K[AlSi3 O8 ] + 8H2O ↔ K+ + 3[SiO4]4- + [AlX6]5- 1

In climi caldo-umidi (poca anidride carbonica) 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+ + OH- (gibbsite) Gibbsite insolubile fra pH 5 e 9 e forma suoli ricchi di alluminio, silice lisciviata 1

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