Geochimica lunedì 11 dicembre 2017 Registrazione Login

Geochimica Riduci

 

Introduzione

La geochimica si occupa, da più di un secolo, dello studio degli elementi che compongono le rocce e del loro comportamento durante i processi geologici terrestri. Lo stesso principio si applica alla Luna, proprio per capire se quegli stessi processi avvengono nello stesso modo oppure no. Le analisi dei campioni lunari raccolti dalle missioni Apollo e Luna ha permesso di ampliare notevolmente le conoscenze nell’ambito della chimica del regolite e della crosta superficiale e, di conseguenza, di capire alcuni aspetti legati all’attività’ geologica. Lo studio dei campioni e’ un’attività’ sorta agli inizi degli anni ’70 e che continua ancora adesso, in quanto le nuove tecnologie e l’evoluzione delle strumentazioni consentono di “ritornare” sui campioni più volte per scoprire dettagli sempre nuovi. Inoltre, negli anni 90 e 2000, alcune sonde (come Clementine e SMART-1) hanno  raccolto immagini multi-spettrali (infrarossi e ultravioletti) della superficie che hanno contribuito a creare un quadro più completo della distribuzione e natura degli elementi chimici nelle rocce. Lo raccolta dei dati chimici ha permesso ai ricercatori di iniziare a dare risposte concrete a domande tipo: qual’e’ l’origine della Luna? Come si sono formati i mari lunari? Quali composti sono stati introdotti dai meteoriti? Qual’e’ il potenziale economico della Luna in termini di risorse minerarie?

Tutti gli elementi chimici che formano la terra sono stati trovati sulla Luna, anche se la loro distribuzione differisce nei due corpi. Una delle cause e’ dovuta al fatto che sulla Luna non c’e’ atmosfera e quindi non si hanno tutti quei processi di weathering ed erosione tipici della superficie terrestre; inoltre, la mancanza di gas e acqua elimina i meccanismi che producono le tipiche concentrazioni di elementi che danno luogo a risorse minerarie sfruttabili economicamente. Nonostante cio’, le analisi dei campioni lunari hanno mostrato che una certa differenziazione geochimica lunare sia comunque avvenuta, anche se i meccanismi sono stati diversi da quelli terrestri.

Gli studiosi hanno classificato gli elementi chimici in accordo con la loro associazione  a certi gruppi di minerali; questi raggruppamenti, tre in tutto, sono molto utili perche’ rispecchiano i  risultati di processi geochimici importanti. Gli stessi criteri sono stati utilizzati per la distribuzione degli elementi sulla Luna.

Elementi litofili – concentrati in silicati nella crosta terrestre; i maggiori sono Si, O, Al, Mg, Ca e Mn, i minori sono Na, K, Rb, Cs, U, Th e le terre rare lantanidi. Elementi siderofili – associati al ferro, alle meteoriti e al nucleo; si tratta di Ni e Co. Elementi calcofili – associati al rame e a minerali contenenti zolfo; si tratta di Cu, Zn, As, Sb e S.

Rispetto alla terra, sulla Luna vi e’ una rilevante concentrazione di elementi che provengono dall’esterno; la mancanza di atmosfera consente infatti la ‘contaminazione’ del suolo da parte di componenti che si trovano nei meteoriti, mentre la mancanza della magnetosfera permette agli ioni trasportati dal vento solare di accumularsi sul regolite. E’ importante sapere identificare quali elementi siano autoctoni e quali quelli esterni ma la distinzione non e’ sempre facile. A questo proposito, vengono utilizzate alcune meteoriti chiamate condriti carbonacee, del tipo CI; si ritiene che questo tipo di meteoriti antiche siano rappresentative della composizione originale del sole (a parte H, He e Li) e sono dunque usate come termine base di paragone con altre rocce.

C’e’anche un altro modo per classificare gli elementi che tiene conto anche della loro vicinanza relativa nella tavola periodica oltre che delle loro caratteristiche geochimiche: elementi principali, oligoelementi incompatibili, elementi minori, elementi siderofili, elementi volatili (mobilizzati dai gas) ed elementi dal vento solare. Le analisi effettuate si basano su quattro tipi di rocce: basalti di mare, rocce monomittiche degli altipiani, brecce di suolo-regolite e brecce polimittiche. I dati ottenuti si riferiscono a campioni presenti in dieci siti diversi della Luna: le sei aree delle missioni Apollo, le tre delle missioni Luna più i meteoriti lunari dell’Antartide.

 

Diagrammi delle Tavole Periodiche che mostrano gli elementi dei sei gruppi geochimici.

 

Elementi principali – Per quanto possa sembrare strano per un pianeta senza atmosfera, l’elemento piu’ abbondante sulla superficie lunare e’ proprio l’ossigeno; piu’ del 60% degli atomi e’ fatto da ossigeno, anche se legato ad altri elementi. Il secondo elemento piu’ abbondante e’ il silicio (17%) mentre al terzo posto abbiamo l’alluminio (10% negli altipiani e 4.5% nei mari basaltici). A seguire, calcio e magnesio (5%), ferro (6% nei mari e 2.5% negli altipiani), titanio e sodio occupano le rimanenti percentuali. Se si considerano le percentuali in peso, le proporzioni restano le stesse ma con alcune differenze per quanto riguarda il ferro (15% nei mari e 6% negli altipiani) e il titanio (1% negli altipiani e 5% nei mari), mentre l’ossigeno e’ presente al 45%. Comunque, tradizionalmente gli elementi vengono rappresentati nel loro stato di combinazione con l’ossigeno (es. Na2O, CaO) anche se in realta’ i legami sono piu’ complessi e coinvolgono anche altri elementi.

Come si e’ compreso, esiste una certa differenza in termini di composizione chimica nei minerali presenti nei mari e negli altipiani. Una delle piu’ evidenti e’ la presenza di un’alta concentrazione di Ti2O nei basalti di mare, in opposizione ad una basa concentrazione nelle rocce degli altipiani. Questi dati sono basati su campioni raccolti rispettivamente dalle missioni Apollo 11 e 17. Anche FeO e’ piu’ abbondante nei mari che negli altipiani, mentre per MgO e’ vero l’opposto. Per quanto riguarda Al2O3, questo e’ piu’ concentrato nelle anortositi degli altopiani ma scarsamente presente nelle duniti; si riscontrano percentuali intermedie nei mari basaltici. La presenza di CaO e Na2O e’ relativamente bassa piu’ o meno ovunque.

Il contrasto fra le composizioni mineralogiche dei mari e degli altipiani viene meglio espresso attraverso alcune correlazioni e anticorrelazioni fra gli elementi  principali. Ad esempio, esiste una forte anticorrelazione fra FeO e Al2O3. I componenti minerali principali delle rocce lunari sono plagioclasi, pirosseni e olivine; maggiore e’ la presenza in percentuale di plagioclasi e maggiore e’ la concentrazione di Al2O3. – queste rocce conterranno anche un basso contenuto di FeO. Altre correlazioni importanti sono CaO-FeO e A2O3- CaO per rocce degli altipiani, Na2O-FeO, Na2O-CaO, e Al2O3-Na2O in basalti di mare.

 

Elementi principali nei minerali da estrazione. I minerali lunari che contengono metalli da estrazione sono diversi da quelli che verrebbero sfruttati economicamente sulla terra . Ad esempio, sulla terra l’alluminio viene estratto dalla bauxite, mentre sulla Luna il minerale da cui estrarre lo stesso metallo sarebbe, e con molta piu’ difficolta’, un plagioclasio. In ogni caso, qualsiasi sia l’elemento che si voglia estrarre, bisognera’ fare ricorso a tecniche di separazione meccanica dei vari minerali interessati e alla loro aggregazione; successivamente serviranno tecniche chimiche come la dissoluzione, la fusione parziale, l’evaporazione etc.  Purtroppo, diversamente dalla terra dove certi elementi possono venire concentrati da fluidi idrotermali circolanti, sulla Luna la maggior parte dei materiali contenenti gli elementi da estrarre sono un mix di natura polimittica di rocce, minerali e vetri, come confermato dai campioni prelevati dalle missioni Apollo e Luna. Alcune analisi hanno pero’ verificato una grande presenza di anortositi e duniti in alcuni altipiani, con concentrazioni particolarmente rilevanti di torio e ferro. Quest’ultimo e’ praticamente ubiquitario nella forma metallica Fe0; inoltre, misto al suolo lunare vi sono frammenti di meteoriti costituiti da lega Fe-Ni che si possono raccogliere con semplici metodi magnetici.

Oligoelementi incompatibili – Si tratta di elementi che, per varie ragioni, non riescono solitamente a inserirsi nel reticolo cristallino dei minerali; restano dunque per lo piu’ concentrati nella fase liquida residua fino a che anche questa non cristallizzi. Se questi elementi riescono a concentrarsi fra loro possono anche formare dei cristalli (ad esempio, lo zircone (Zr), l’apatite, la monazite e la whitlockite (PO4) sono fra questi); questi minerali sono anche un ricettacolo per altri elementi come le terre rare. Tutti questi elementi, a parte l’europio, preferiscono rimanere nel magma residuo mentre altri minerali come plagioclasi, pirosseni etc. si vanno formando. Questi minerali e vetri contenenti gli oligoelementi  si formano nell’ultima fase di cristallizazione negli interstizi fra minerali piu’ comuni e piu’ grandi; nel loro insieme prendono il nome di mesostasi. Infine, non sono state registrate concentrazioni abbastanza alte da considerare la presenza di accumuli tali da formare risorse minerarie di questi elementi, anche se i geochimici presumono che i minerali del gruppo del fosforo possano avere avuto piu’ possibilita’ di altri nel formare depositi con un certo interesse estrattivo.

Elementi minori (miscellanea) – In questa categoria, appartengono elementi che non rientrano nelle altre categorie. Alcuni di essi (ad esempio, Mn, Cr, Ga etc.) si distribuiscono equamente fra i minerali (come sostituti di atomi con raggio atomico simile) e la parte fusa, tanto che il rapporto fra queste due grandezze e’ circa uguale a 1; altri elementi (come P) invece non entrano in nessun reticolo dei principali minerali lunari. In particolare, fosforo, potassio e bario si comportano come elementi essenzialmente incompatibili, pero’, in presenza di un magma altamente differenziato, possono formare fasi mineralogiche importanti come K-feldspati e fosfati. Una delle correlazioni piu’ interessanti e’ data da quella fra P e La, il cui rapporto costante in moltissimi campioni e’ di circa 31; questa relazione significa che P si comporta come un elemento in tracce e consente di fare previsioni accurate sulla presenza di un elemento quando l’altro e’ stato calcolato. Quando si e’ tentato di trovare una relazione fra P e Al (un elemento principale), il risultato e’ stato infruttuoso (vedi grafici). Un’altra singolare correlazione (inversa) e’ stata riscontrata fra questi elementi e la granulometria del regolite; in questo caso, man mano che il “sedimento” lunare viene setacciato e separato in classi granulometriche diverse, si nota una maggiore concentrazione di P, K e Ba nei frammenti a grana fine (ad esempio, nei campioni raccolti da Luna 24, la frazione <10 μm e’ arricchita, rispetto alla roccia in posto, di un fattore 2.5).

Correlazioni fa fosforo e lantanio (a) e fra alluminio e fosforo (b) - wt.% = percentuale in peso

 

Scandio, Vanadio, Cromo and Manganese sono elementi considerati “ferrofili”, nel senso che, durante la fase di differenziazione, tendono a seguire il ferro quando questo si trova nello stato Fe2+ nei minerali lunari piu’ comuni.  In ogni caso, bisogna tenere conto che questi elementi sono incompatibili con i plagioclasi e solo vagamente compatibili con pirosseni e olivine. Vi sono dunque delle correlazioni positive fra il ferro e questi elementi; comunque, come si puo’ osservare dai grafici, queste correlazioni sono forti per alte concentrazioni in peso del ferro e diventano deboli man mano che queste diminuiscono. Questi elementi presentano anche correlazioni (seppur deboli) con Mg, Al e Ti.

Correlazioni fa ferro e scandio (a), vanadio (b), cromo (c) e manganese (d) - wt.% = percentuale in peso

 

Elementi siderofili – Gli elementi di questo gruppo tendono a “ridursi” in stato di ossidazione zero (come Co0, Ni0 etc.) formando leghe metalliche con il ferro. La piu’ diffusa e’ comunque la lega FeNi, cui ci si riferisce semplicemente col termine “metallo”, anche se esistono diverse fasi, a seconda della percentuale in peso di nichel (kamacite 0-6% Ni, taenite 6-50% Ni). Il comportamento chimico di questi elementi viene misurato dal grado con cui si concentrano nella fase metallica, opposta a quella dei minerali silicati. E’ stato quindi stabilito un coefficiente di distribuzione metalli/silicati (Dm/s) per molti di questi elementi siderofili; questi coefficienti tengono conto della concentrazione in peso dei singoli elementi nel metallo e nei silicati e danno un’idea del modo in cui questi si segregano durante il processo di frazionamento. Per fare alcuni esempi, il Dm/s del ferro e’ 10, quello del cobalto arriva a 200, il molibdeno e’ di 2000, mentre l’oro ha il coefficiente piu’ alto: 20.000; cio’ significa che durante il processo di raffreddamento del magma, questi metalli tendono a concentrarsi di piu’ nella fase metallica che in quella dei silicati, man mano che il coefficiente aumenta. Questi rapporti hanno delle implicazioni importanti per quanto riguarda l’origine della crosta lunare e riuscire a capirne appieno il meccanismo significherebbe fare luce sulle origini della Luna stessa. Un problema e’ dato anche dall’inattendibilita’ di alcune analisi, dato che spesso le concentrazioni di questi elementi sono dell’ordine del nanogrammo e quindi di difficile ottenimento. Inoltre, essendo la maggior parte dei meteoriti costituito da elementi siderofili, vi sono in giro troppe contaminazioni ed e’ difficile capire quando i metalli sono autoctoni oppure immessi dallo spazio. Per quanto riguarda lo sfruttamento minerario, i siderofili sono abbastanza diffusi ma comunque in percentuali troppo ridotte per essere economicamente significativi; il ferro e il nichel, pero’ , possono essere facilmente raccolti e aggregati con mezzi magnetici e costituire quindi una potenziale risorsa di rilievo.

Elementi volatili (mobilizzati allo stato gassoso) Contrariamente a quanto ci si aspetterebbe, a questo gruppo appartengono metalli pesanti quali Cu, Zn, As, Se, Ag, Cd, In, Te, Hg, Tl, Pb, Bi, e gli alogeni F, Cl, Br, e I, invece dei consueti volatili come H, He, N e gas nobili. Questo perche’ questi elementi volatili tendono a venire mobilizzati (trasferiti) da materiali solidi verso una fase vapore a temperature relativamente moderate. Questo gruppo contiene elementi che hanno proprieta’ chimiche disparate fra loro; infatti, l’unica cosa in comune fra loro e’ il fatto che sono relativamente volatili rispetto ad altri elementi e che la loro concentrazione nelle rocce lunari e’ particolarmente bassa. Ad esempio, in alcuni basalti raccolti dalla missione Apollo 11, e’ stato rilevato che la concentrazione di Cs, Cd, Ag, Bi, Tl, e Br era inferiore a 1 μg/g. Questa concentrazione e’ molto minore rispetto ai corrispettivi basalti terrestri. E’ stata pero’ riscontrata una concentrazione piu’ alta in materiali polimittici quali brecce di suolo e regolite. Gli scienziati ritenevano inizialmente  che la Luna avesse una deficienza di questi elementi ab origine, ma piu’ recentemente hanno raggiunto la conclusione che essi siano andati perduti nel corso di milioni di anni a causa di escursioni termiche dovute a vulcanismo e impatti meteorici durante le prime fasi di formazione lunare. La presenza di una maggiore concentrazione di questi elementi nelle brecce e’ spiegato col fatto che essi possano essere stati aggiunti successivamente dall’esterno da meteoriti e vento solare.

 

Elementi trapiantati dal vento solare – Di questo gruppo fanno parte elementi biogenetici leggeri come H, C e N e i gas nobili. Questi elementi si trovano concentrati sul suolo lunare e non sono autoctoni, ma trasportati dal vento solare e impiantati sulla superficie. Il vento solare e’ un plasma di atomi  ionizzati presenti nell’atmosfera del sole ed espulsi verso l’esterno a infestare l’intero sistema planetario. I pianeti dotati di campo magnetico, come la terra, riescono a deflettere la maggior parte di questi elementi e ad evitare eventuali contaminazioni (quella minima parte che riesce a penetrare, lo fa attraverso i poli e forma le aurore boreali); la Luna, non essendo dotata di un campo magnetico rilevante, non ha protezione e gli elementi possono dunque accumularsi nella polvere lunare. Gli elementi piu’ abbondati sono l’idrogeno e l’elio; e’ interessante notare come i rapporti isotopici 1H/2H e 3He/4He siano significativamente piu’ abbondanti di quelli sulla terra. Per quanto riguarda la possibilita’ di sfruttamento di questi elementi come risorse minerarie,  le concentrazioni di H, C e N nel suolo sono inferiori a 100 μg/g e quindi scarsamente sfruttabili. Comunque, si e’ scoperto che, con una temperatura relativamente moderata (700⁰C) applicata al suolo, e’ possibile estrarre H2 grazie ad una pressione indotta pari a 10 atm. Considerando che la quantita’ di suolo necessaria all’estrazione di gas in quantita’ economicamente sostenibili e’ comunque rilevante, si ritiene che in futuro si possa estrarre abbastanza idrogeno da essere usato come combustibile per missioni spaziali. Anche l’ossigeno puo’ essere estratto da quasi tutte le rocce di superficie; questo contribuirebbe alla formazione di acqua, indispensabile per la vita in una futuribile base lunare. Ma la proposta piu’ intrigante degli ultimi anni e’ la possibilita’ di estrarre 3He dal regolite per essere usato come combustibile in reattori a fusione nucleare sulla terra al posto del tritio 3H. Quest’ultimo, infatti, presenta l’inconveniente di produrre neutroni che risultano nocivi al reattore stesso, mentre l’elio-3 produce solo protoni, i cui effetti collaterali sono trascurabili. Sfortunatamente, l’elio-3 e’ molto scarso sulla terra ma abbondante sulla luna; e’ stato stimato che l’elio-3 presente nel primo metro di spessore di suolo lunare sarebbe sufficiente a soddisfare tutti i bisogni energetici sulla terra per centinaia di anni!

 

Continua...

 

 


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