Il processo di cristallizzazione frazionata può essere investigato anche attraverso lo studio degli elementi in traccia.

Presentazione sul tema: "Il processo di cristallizzazione frazionata può essere investigato anche attraverso lo studio degli elementi in traccia."— Transcript della presentazione:

1 Il processo di cristallizzazione frazionata può essere investigato anche attraverso lo studio degli elementi in traccia.

2 I componenti chimici di una roccia vengono comunemente espressi in:
Elementi maggiori (presenti in percentuali superiori all’1% in peso). Tali elementi vengono misurati con l’ossido di riferimento (es. Si = SiO2); Elementi minori (presenti in percentuali comprese tra l’1% in peso e lo 0,1% in peso). Tali elementi vengono misurati con l’ossido di riferimento (es. Mn = MnO) oppure in parti per milione (ppm); ppm = 1 wt.%. Elementi in traccia (presenti in percentuali inferiori allo 0,1%). Tali elementi vengono misurati in parti per milione (ppm).

3 Gli elementi in traccia sono un importante strumento petrologico che serve a descrivere i principali processi petrogenetici. Durante il raffreddamento di un magma, gli elementi in traccia con controllano il processo di cristallizzazione dei diversi minerali a causa della loro scarsa abbondanza. Quindi, gli elementi in traccia sono ospitati nelle strutture cristalline. Nelle rocce le concentrazioni assolute degli elementi in traccia sono 3-4 ordini di grandezza inferiori a quelle degli elementi maggiori, ma le loro variazioni relative durante il processo di cristallizzazione frazionata sono di almeno 1 ordine di grandezza superiori.

4

5 Il rapporto carica/raggio si definisce potenziale ionico.
Il comportamento geochimico degli elementi in traccia è controllato dal valore del loro raggio e della loro carica. Il rapporto carica/raggio si definisce potenziale ionico. pm

6 Il comportamento geochimico degli elementi in traccia è controllato dalle regole di Goldschmidt (che si applicano a tutti gli elementi chimici, inclusi gli elementi maggiori): 1- Se 2 ioni hanno stesso raggio e carica, allora potranno essere incorporati entrambi nel reticolo cristallino di un minerale con la stessa facilità. 2- Se 2 ioni hanno simile raggio ma identica carica, lo ione con il raggio più piccolo sarà più facilmente incorporato nel reticolo cristallino di un minerale. 3- Se 2 ioni hanno simile raggio, lo ione con la carica più grande sarà più facilmente incorporato nel reticolo cristallino di un minerale.

7 Mg2+ ha un raggio ionico di 0.89 Angstrom.
Fe2+ ha un raggio ionico di 0.92 Angstrom.

8 Gli elementi che, in un processo di cristallizzazione, si concentrano nel solido che si forma sono definiti Elementi Compatibili. Gli elementi che, in un processo di cristallizzazione, preferiscono restare nel fuso residuo sono definiti Elementi Incompatibili. La compatibilità/incompatibilità di un elemento si esprime SEMPRE rispetto ad un certo minerale IN EQUILIBRIO con un certo fuso.

9 Gli elementi in traccia vengono raggruppati secondo il rapporto carica/raggio e il grado di compatibilità/incompatibilità

10 Large Ion Lithophile Elements (LILE): elementi con un grande raggio ionico. Tendono a concentrarsi nel fuso e sono quindi incompatibili (rispetto ai minerali che cristallizzano o fondono). Ma sono trasportati facilmente dai fluidi.

11 Rare Earth Elements (REE): elementi lantanidi da La a Lu, a cui si aggiunge Y che è un elemento actinide (anche U e Th sono actinidi). A causa della loro alta carica (+3) e grande raggio, questi elementi sono incompatibili.

12 La concentrazione delle REE con numero atomico pari nel Cosmo è maggiore di quella delle REE con numero atomico dispari (stabilità nucleare, legge di Oddo-Harkins). Condrite “CI” rappresenta la composizione indifferenziata del Sistema Solare.

13 Elemento più incompatibile
L’abbondanza degli elementi chimici nel Cosmo diminuisce all’aumentare del numero atomico. Ovvero, all’aumentare del tempo che passa dal momento della loro creazione (nucleosintesi). Elemento più incompatibile Contrazione lantanoidea. Il raggio ionico diminuisce molto velocemente all’aumentare del numero atomico per una scarsa schermatura elettronica negli orbitali esterni.

14 In petrologia, le REE si studiano sempre normalizzate al valore delle REE della condrite. Si chiama SPIDER DIAGRAM

15 High Fields Strenght Elements (HFSE): elementi ad alta forza di campo dovuta ad un alta carica (+4 o +5, +6 per U). Sono elementi incompatibili e sono immobili, ovvero non sono trasportati dai fluidi o da processi metamorfici

16 Transition Elements (TE): sono i metalli di transizione
Transition Elements (TE): sono i metalli di transizione. Sono elementi incompatibili (Cu, Zn) e compatibili (Cr, Ni, Co). Il loro comportamento geochimico dipende molto dallo stato di ossidazione del magma.

17 Platinum Group Elements (PGE): sono i metalli (TE) chiamati “nobili” perchè rari e nativi (Rh, Ru, Pd, Os, Ir, Pt, Au). Sono elementi incompatibili (Au, Pd, Pt) e compatibili (Ru, Os, Ir, Rh). Il loro comportamento dipende dallo stato di ossidazione.

18 Quando si comparano elementi in traccia con diverso comportamento geochimico (ad esempio LILE, HFSE e REE), spesso si usano queste tre tipi di rocce come elementi di normalizzazione. La condrite si usa quasi esclusivamente per la normalizzazione delle REE.

19 SPIDER DIAGRAM normalizzato al MORB.

20 SPIDER DIAGRAM normalizzato al Primitive Mantle.

21 Lo studio di uno SPIDER DIAGRAM offre informazioni sul tipo di sorgente mantellica che fondendo ha dato origine al fuso primitivo di una certa serie magmatica. Le rocce che costituiscono il mantello superiore sono chiamate: PERIDOTITI Si tratta di rocce composte da Olivina, Ortopirosseno, Clinopirosseno ed un minerale di Al. A seconda delle profondità questo minerale di Al è: - Plagioclasio (<25-30 km) CaAl2Si2O8 - Spinello (~30-80 km) MgAl2O4 - Granato (>80-90 km) Mg3Al2Si3O12

22 Il granato che è stabile ad alta pressione “cattura” nel suo reticolo cristallino le HFSE ma non l’Eu. Invece, il plagioclasio che è stabile a pressioni che corrispondono a meno di 40 km, “cattura” solo l’Eu.

23 67% Ol 17% Opx 17% Cpx La Ce Nd Sm Eu Tb Er Yb Lu
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 56 58 60 62 64 66 68 70 72 sample/chondrite La Ce Nd Sm Eu Tb Er Yb Lu 67% Ol 17% Opx 17% Cpx 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 sample/chondrite 60% Ol 15% Opx 15% Cpx 10%Plag La Ce Nd Sm Eu Tb Er Yb Lu 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 56 58 60 62 64 66 68 70 72 sample/chondrite La Ce Nd Sm Eu Tb Er Yb Lu 57% Ol 14% Opx 14% Cpx 14% Grt

24 Coefficiente di Distribuzione (o di Partizione)
La compatibilità o meno di un elemento in un minerale si esprime tramite un numero che va da ~0 a >10. CS CL KD = i S Coefficiente di Distribuzione (o di Partizione) CS i = Concentrazione di un elemento i nel minerale S. = Concentrazione dell’elemento i nel fuso (liquido) L in equilibrio con quel certo minerale. CL i

25 KD = CS CL S i Coefficiente di Distribuzione (o di Partizione)
Poichè gli elementi in traccia hanno basse concentrazioni rispetto a quelle degli elementi maggiori, il valore del KD è costante (per P-T-X-H2O costanti) e indipendente dalla concentrazione degli elementi in traccia nel magma e nel minerale (Legge di Henry). CS CL KD = i S Coefficiente di Distribuzione (o di Partizione) Un certo elemento può avere differenti Kd in vari minerali. (es. KdLaCpx ≠ KdLaOl ≠ KdLaPl) Un certo minerale può avere differenti Kd per vari elementi. (es. KdLaCpx ≠ KdNiCpx ≠ KdScCpx)

26 Se il solido che fraziona è mono-minerale, allora il Coefficiente di Distribuzione Totale del solido (D) = KD. Più comunemente i minerali che cristallizzano (e frazionano) sono più di uno. In quel caso come si calcola il D? D = S%KD D rappresenta la media pesata dei coefficienti di distribuzione individuali delle singole fasi

27 D= Esercizio: KDOl KDPl KDCpx KDMt 3 0,001 0,8 0,5
Ni 3 KDPl Ni 0,001 KDCpx Ni 0,8 KDMt Ni 0,5 Immaginiamo che da un fuso basaltico cristallizzano Ol, Pl e Cpx in rapporto 50:20:30 D= 0,50*3 + 0,20*0, ,30*0,8 = 1,74

28 D= Esercizio: KDOl KDPl KDCpx KDMt 3 0,001 0,8 0,5
Ni 3 KDPl Ni 0,001 KDCpx Ni 0,8 KDMt Ni 0,5 Immaginiamo che da un fuso basaltico cristallizzano Ol, Pl e Cpx in rapporto 10:50:40 D= 0,10*3 + 0,50*0, ,40*0,8 = 0,62

29 I valori dei KD si ottengono sperimentalmente.

30 KD per sistemi basaltici

31

32 Il KD di un minerale varia in funzione del raggio ionico dell’elemento
Il KD di un minerale varia in funzione del raggio ionico dell’elemento. La variazione ha sempre un andamento parabolico. Gli elementi vicini al vertice della parabola sono quelli che sono incorporati più facilmente nel minerale.

33 CL = C0*F(D-1) CL = Concentrazione nel fuso residuo
Equazione di Shaw (1970) o più in generale Rayleigh equation in cui diversi minerali si separano da un fuso di partenza per cristallizzazione frazionata: CL = C0*F(D-1) CL = Concentrazione nel fuso residuo C0 = Concentrazione nel liquido iniziale F = Frazione di fuso residuo D = Coefficiente di distribuzione totale

34 Esercizio: 500*0,7(1,74-1) = 384 ppm KDOl KDPl KDCpx
Ni 3 KDPl Ni 0,001 KDCpx Ni 0,8 Concentrazione di Ni nel fuso primitivo: 500 ppm Percentuale di solido frazionato: 30% Composizione del solido frazionato: 50% Ol, 20% Pl, 30% Cpx. D = 3* * *0.3 = Calcolare la concentrazione di Ni nel fuso residuo 500*0,7(1,74-1) = 384 ppm

35 Esercizio: 500*0,7(0,62-1) = 573 ppm KDOl KDPl KDCpx
Ni 3 KDPl Ni 0,001 KDCpx Ni 0,8 Concentrazione di Ni nel fuso primitivo: 500 ppm Percentuale di solido frazionato: 30% Composizione del solido frazionato: 10% Ol, 50% Pl, 40% Cpx. D = 3* * *0.4 = Calcolare la concentrazione di Ni nel fuso residuo 500*0,7(0,62-1) = 573 ppm

36 CL / C0 = F(D-1) Solido frazionato=S F=Fuso residuo
Solido frazionato(S) + Fuso residuo(F) = 1 Solido frazionato=S F=Fuso residuo

37 CL / C0 = F(D-1) Solido frazionato(S) + Fuso residuo(F) = 1

38 CL = C0/[D*(1-F)+F] CL = Concentrazione nel fuso prodotto
E’ possibile modellizzare il comportamento degli elementi in traccia anche durante i processi di fusione parziale di una roccia (BATCH MELTING): CL = C0/[D*(1-F)+F] CL = Concentrazione nel fuso prodotto C0 = Concentrazione nel solido di partenza F = Frazione di fuso prodotto = [wt.% di fuso/ (wt.% di fuso + wt.% di roccia)] D = Coefficiente di distribuzione totale

39 Una basalto contiene 18% Ol, 37% Cpx, 45% Pl
Esercizio: Una basalto contiene 18% Ol, 37% Cpx, 45% Pl KDOl Rb 0.01 KDPl Rb 0,071 KDCpx Rb 0,031 KDOl Sr 0.014 KDPl Sr 1.83 KDCpx Sr 0,06 D Rb = 0.01* * *0.45 = 0.045 D Sr = 0.01* * *0.45 = 0.848

40 Grado di fusione parziale
di una roccia basaltica C L /C O = 1/(D(1-F)+F) D Rb Sr F 0.045 0.848 Rb/Sr 0.05 9.35 1.14 8.19 0.1 6.49 1.13 5.73 0.15 4.98 1.12 4.43 0.2 4.03 3.61 0.3 2.92 1.10 2.66 0.4 2.29 1.08 2.11 0.5 1.89 1.07 1.76 0.6 1.60 1.05 1.52 0.7 1.39 1.04 1.34 0.8 1.23 1.03 1.20 0.9 1.01 1.09

41 CL = C0/[D*(1-F)+F]