Minerali delle rocce sedimentarie: carbonati, calcite e aragonite

Minerali delle Rocce Sedimentarie

• I minerali sedimentari sono minerali di neoformazione che si originano dalla interazione di minerali preesistenti con l'atmosfera e l'idrosfera.
• Minerali detritici come quarzo, feldspato e miche, nell'ordine, sono i maggiori costituenti di arenarie, arcose e grovacche.
• Alcuni carbonati e fosfati sono fissati dagli organismi marini per costruire i loro scheletri e gusci (biominerali), che post mortem vanno a costituire molte rocce sedimentarie.
• Alcuni solfati ed alogenuri precipitano dalle acque marine quando raggiungono livelli di sovrasaturazione.

& Livelli finemente stratificati essenzialmente di selce-magnetite- ematite, adesso resi rossi dall'ossidazione, ma risultanti dalla sedimentazione di minerali ferrosi (Fe2+) durante il Precambriano, quando il sistema oceano-atmosfera era essenzialmente anossico (Hamersley Range, Australia occidentale).Minerali delle Rocce Sedimentarie

• I minerali ignei risultano dalla cristallizzazione di un magma tra ~1400 e 600 ℃ in cui O2 gassoso è assente e H2O è un costituente minore.
• Quando le rocce che contengono questi minerali vengono esposte alla superficie terrestre, nuovi minerali vengono prodotti attraverso reazioni chimiche di alterazione, portando alla formazione di ossidi, idrossidi e minerali delle argille.
• Molti minerali magmatici, tuttavia, resistono a questi processi di alterazione chimica e li ritroviamo tali e quali nelle rocce sedimentarie di origine detritica.

& Livelli finemente stratificati essenzialmente di selce-magnetite- ematite, adesso resi rossi dall'ossidazione, ma risultanti dalla sedimentazione di minerali ferrosi (Fe2+) durante il Precambriano, quando il sistema oceano-atmosfera era essenzialmente anossico (Hamersley Range, Australia occidentale).Minerali delle Rocce Sedimentarie

• L'atmosfera è composta da ~78% di N2, ~21% di O2, ~0.93% di Ar, ~0.04% di CO2, e quantità variabili di vapore d'acqua (1-5%).
• Questa miscela di gas, abbinata ai processi di disintegrazione fisica delle rocce, porta alla formazione di nuovi minerali (minerali secondari).
• Questi vanno a sostituire i minerali primari di rocce ignee, metamorfiche e sedimentarie.
• L'ordine con cui i minerali si alterano in condizioni ambiente riflette l'ordine con cui cristallizzano da un magma (serie di Bowen): i primi a formarsi sono i più veloci ad alterarsi.
• I minerali più resistenti all'alterazione meteorica sono anche quelli che abbondano di più nelle rocce detritiche, come quarzo, muscovite e feldspato potassico.

Stabilità dei minerali

Stabilità relativa dei minerali comuni sotto l'alterazione

Stability of minerals Rate of weathering MOST STABLE Slowest Iron oxide (hematite) Aluminum hydroxides (gibbsite) Quartz Clay minerals Muscovite mica Potassium feldspar Biotite Albite (Na-rich feldspar) Amphiboles Pyroxene Anorthite (Ca-rich feldspar) Olivine Calcite Halite LEAST STABLE FastestMinerali delle Rocce Sedimentarie

15(Mg0.gFe0.2)2SiO4+1302 > 24MgSiO3 + 2Fe3O4 + 3SiO2 olivina ossigeno enstatite magnetite silice amorfa

2Mg2SiO4 + 3H2O > Mg3Si2O5(OH)4 + Mg(OH)2 forsterite acqua serpentino brucite

20 nm Olivine Mt En Mt Mt En Mt En Mesh texture in basalto, SomaliaMinerali delle Rocce Sedimentarie

• Anche il K-feldspato si altera e si trasforma per idratazione; la reazione è particolarmente veloce in climi tropicali: 2KAISi3Og + 11H2O -> Al2Si205(OH)4 + 4H4SIO4 + 2(OH)- + 2K+ K-feldspato acqua caolinite acido silicico ioni in soluzione
• Reazioni simili coinvolgono anche plagioclasio e anortoclasio.
• Acido silicico, idrossili, K+, Na+, e Ca2+ vanno in soluzione e possono talmente concentrarsi negli oceani da originare per precipitazione nuovi minerali, come alogenuri (NaCl, KCl), e carbonati (CaCO3 , CaMg(CO3 )2 ).

Sericite su plagioclasio Idrolisi ed alterazione del granitoMinerali delle Rocce Sedimentarie

• La pirite, un comune accessorio di rocce ignee ed uno dei maggiori costituente dei depositi a solfuri sfruttati economicamente, in condizioni atmosferiche è instabile e si ossida secondo la reazione: 4FeS2 + 1502 + 2H2O -> 4Fe3+ + 4H+ + 8(SO4)2- pirite ioni in soluzione
• Il Fe3+ in soluzione precipita subitaneamente sotto forma di geothite FeO(OH) o forma una miscela di idrossidi di ferro amorfi, di colore da giallo a bruno, nota come limonite.
• Questi prodotti di alterazione, talvolta indicati come «cappellaccio di ferro», sono stati molto importanti per i minatori del passato, perché la loro presenza, facilmente individuabile in campagna, poteva indicare un sottostante deposito di solfuri.

Gossan, FijiMinerali delle Rocce Sedimentarie

• La pirite, un comune accessorio di rocce ignee ed uno dei maggiori costituente dei depositi a solfuri sfruttati economicamente, in condizioni atmosferiche è instabile e si ossida secondo la reazione: 4FeS2 + 1502 + 2H2O -> 4Fe3+ + 4H+ + 8(SO4)2- pirite ioni in soluzione
• L'ossidazione della pirite comporta anche il rilascio in soluzione di ioni H+ e (SO4)2-, che acidificano le acque.
• Questo è un fenomeno particolarmente attivo nelle discariche di miniere di solfuri e carbone (che generalmente contiene solfuri).
• Il drenaggio di acque acide (acid mine drainage, AMD, in inglese), è un fenomeno che può causare molti problemi ambientali in aree minerarie dismesse.

Drenaggio di acque acideMinerali delle Rocce Sedimentarie

• L'ossidazione del ferro, contenuto anche solamente in tracce nei minerali delle rocce, porta alla formazione di sottili patine rossastre di ematite (iddingsite), che ricoprono molti affioramenti di arenarie, graniti, basalti, peridotiti e suoli.

Basalto, Hawaii Iddingsite su olivina Dunite «pelle di daino», Norvegia

Ghiaccio

• La forma cristallina dell'acqua rispecchia la definizione di minerale.
• La massima parte del ghiaccio è presente nelle calotte polari artiche ed antartiche, nel permafrost delle aree subpolari, e nei ghiacciai delle catene più elevate.
• La neve che si forma dai fiocchi che condensano dal vapore acqueo e si accumulano al suolo può essere considerata un sedimento precursore di una roccia sedimentaria.
• Quando la neve ricristallizza in ghiaccio (I), e poi in ghiaccio di più alta pressione (II-> VII) sotto il proprio peso, dà origine a rocce metamorfiche.
• Il ghiaccio che solidifica dall'acqua può essere invece considerato una roccia ignea.
• Il ghiaccio forma un elevato numero di polimorfi.

(A) Temperature (℃) -80 -40 0 40 120 240 Water vapor (steam) 360 0 Ice l Ice Il Lice V *Ice III Shaded region enlarged below Pressure (kilobars) 10 Ice VI Liquid water 20 Ice VII 30 (B) Temperature (C) 0.0099 374.3 Triple point 0.006 Water vapor (steam) Pressure (bars) Ice l Freezing point curve Liquid water 221 C Critical point Vapor pressure curve

Ghiaccio Polimorfo

• Il polimorfo più comune, il ghiaccio I, quello che si forma in condizioni normali di congelamento, ha una struttura esagonale 6/m 2/m 2/m.
• La struttura consiste di molecole H2O unite da legami d'idrogeno, orientate in modo tale che gli idrogeni di una molecola siano rivolti verso gli ossigeni di molecole adiacenti.
• Ciascuna molecola d'acqua si trova così coordinata con altre quattro molecole a formare una trama esagonale.
• Il ghiaccio VII è il più denso (G = 1.6 g/cm3), ed ha una struttura cubica (4/m -3 2/m) in cui ciascun ossigeno è in coordinazione tetraedrica con 4 idrogeni.

87 104.5° 8x ₭ 8 Hydrogen bond 0.177 nm 8+ * Covalent bond 0.0965 nm 8 8+ N = + y oxygen hydrogen NB: gli H in queste strutture risultano in n. doppio rispetto a quello effettivo a causa di disordine posizionale. y X

Ghiaccio e Risorse Idriche

• H = 1.5 a 0 °℃,(6 a -70 ℃; )G =0.915 g/cm3)a 0 ℃, 0.920 a -30 ℃.
• Il ghiaccio può essere bluastro nei ghiacciai e bianco per la presenza di bolle d'aria.
• Il ghiaccio delle calotte polari rappresenta una risorsa di acqua preziosa per l'umanità (compromessa dal riscaldamento globale!).
• Le lingue glaciali della calotta Antartica sono delle formidabili trappole per meteoriti, che vengono convogliate e concentrate nelle zone di ablazione ... verso la costa plateau polare verso la costa meteoriti concentrazione di meteoriti vento catabatico zona di ablazione firn ghiaccio . blu barriera substrato roccoso mare

Goethite

• La goethite è un comune prodotto di alterazione meteorica di minerali contenenti ferro.
• Può essere presente in paludi e sorgenti come precipitato inorganico e biogenico del ferro presente nell'acqua di falda.
• La goethite [Fe3+O(OH)] può contenere fino al 5% in peso di Mn.
• La struttura consiste di gruppi (OH) che formano un impacchettamento esagonale compatto con il Fe3+ in coordinazione ottaedrica.
• La goethite e ortorombica 2/m 2/m 2/m e forma comunemente ammassi o concrezioni stalattitiche con cristalli fibrosi a disposizione raggiata.
• H = 5-51/2, G = 4.37 g/cm3; colore bruno giallastro con lucentezza sericea; polvere bruno giallastra.
• La goethite insieme all'ematite rappresenta il minerale principale per l'estrazione del ferro.
• E' uno dei minerali principali dei BIF (banded iron formation) del Precambriano.

. Z == X Fe3+ · H+

Minerali delle argille

• Da un punto di vista sedimentologico per argille s'intendono tutti quei grani che hanno dimensioni inferiori ad 1/256 mm (~4 um).
• Da un punto di vista mineralogico per argille s'intendono quei fillosilicati che sono i costituenti principali dei suoli:
  • caolinite [Al2Si2O5(OH)4]
  • illite [~K0,8Al2(Al0,8Si3,2)O10(OH)2]
  • smectite [~Ca0,17(Al, Mg,Fe)2(Si,Al)4O10(OH)2·nH2O]
  • vermiculite [~(Mg,Ca)0,3(Mg,Fe2+,Fe3+,Al)3(Si,Al)4010(OH)2]
  • clorite [(Mg,Fe,Al)3(AI,Si)2010(OH)2.(Mg,Fe,Al)3(OH)6]
• I minerali argillosi si formano per esposizione all'acqua di rocce silicatiche in condizioni di bassa temperatura e pressione (weathering).
• La natura dei minerali argillosi dipende dalla natura delle rocce genitrici e dal clima:
  • Climi caldo-umidi tendono a favorire la formazione di caolinite + gibbsite.
  • Climi temperati-secchi tendono a favorire la formazione di smectite nelle prime fasi dell'alterazione, e di illite poi.

(a) 0 7A T 0 T (b) T ~ 10 À 0 (-) T ·Na ,Ca2, H,O T 0 (-) T T ~ 10 À 0 (-) T ·K+ T 0 (-) T (c) T Chlorite group ~14 Å 0 (-) T 0 (+) T (-) T 0 (+) (d) - 10 D 0 (-) Ca Smectite Y 0 (-) T Na+ 0 (-) T K K Illite T 0 (-) T K K Kaolinite group Smectite group (low charge) Illite group (high charge) 0