GENESI DEI MINERALI. Da fase gassosa genesi pneumatolitica. Da fase liquida genesi magmatica, idrotermale, sedimentaria

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1 GENESI DEI MINERALI Un minerale si può formare per cristallizzazione da: Una fase gassosa, liquida o solida Una reazione di più fasi solide Per reazione di un solido con un liquido La formazione di un minerale è generata da variazioni dell ambiente chimico o fisico (variazioni di T e P, dei componenti nel sistema, del ph, del potenziale di ossiriduzione ecc.). Da fase gassosa genesi pneumatolitica Da fase liquida genesi magmatica, idrotermale, sedimentaria Da fase solida genesi metamorfica

2 Genesi Magmatica Il processo magmatico o eruttivo produce minerali, solitamente cristallizzati, in quattro fasi diverse, che prendono il nome di ortomagmatica, pegmatitica, pneumatolitica, idrotermale. Fase Ortomagmatica La fase ortomagmatica si divide in intrusiva ed effusiva Nella fase intrusiva le sostanze volatili come fluoro, cloro, boro e vapore acqueo, partecipano molto scarsamente alla cristallizzazione, perciò si concentrano nel residuo magmatico, aumentando la pressione interna e mantenendo allo stato fuso il residuo stesso a temperature relativamente basse, dell'ordine di C. Quando i magmi si avvicinano alla superficie o escono all'esterno ha origine la fase effusiva: il raffreddamento è rapido e la pressione è molto inferiore a quella esistente a grande profondità. Alcuni minerali utilizzati come gemme hanno origine ortomagmatica sono: olivina, peridoto [Mg,Fe2SiO4] e zircone [ZrSiO4]. Il diamante C è legato a rocce mantelliche (Kimberliti) di camini Kimberlitici di esplosione.

3 I plutoni basici stratificati Le intrusioni basiche stratificate sono corpi intrusivi che mostrano strati (Layers) di differente composizione modale. La "stratificazione" è un processo igneo che dipende essenzialmente dalla natura dei processi di frazionamento e dall'effetto della gravità Nella solidificazione di magmi basici-ultrabasici intrusivi (ofioliti, plutoni basici) si hanno condizioni per arricchimento di : - Pt ed elementi del gruppo del Pt (PGE), Pt nativo e altri -cromite FeCr2O4 - Ni, pirrotina FeS, niccolite NiAs A rocce basiche sono pure legati accumuli di : - magnetite Fe3O4, - titanomagnetite Fe(Fe,Ti)2O4, - ilmenite FeTiO3 - pirrotina nichelifera e cupifera (Fe, Ni, Cu)8S9 - apatite Ca5(OH,Cl,F)(PO4)3

4 Le carbonatiti sono rocce intrusive o effusive formate dal più del 50% di Carbonati. Le carbonatiti formano solitamente piccoli corpi intrusivi associati a magmi ultra-alcalini. Le carbonatiti possono contenere concentrazioni elevate di minerali (apatite, barite, vermiculite) e di elementi chimici (terre rare, niobio, fosforo, tantalio, uranio, torio etc) economicamente importanti.

5 Genesi pneumatolitica Cristallizzazione da un liquido silicatico ricco di H 2 O. T= C. Rocce tipiche sono le pegmatiti Bassa viscosità Formazione di cristalli grandi Concentrazione di elementi rari Minerali rari La maggior parte dell H 2 O passa alla fase idrotermale. Minerali: uraninite, berillo, spodumene (pirosseno di Li), mica muscovite. Genesi idrotermale Cristallizzazione da un liquido acquoso ricco di silicati. T< 500 C. Diminuzione di T e variazione di ph. Raffreddamento perdita di P risalita verso la superficie sorgenti termali. Minerali : quarzo, pirite, fluorite, blenda, galena, calcite.

6 PEGMATITI Le pegmatiti sono accumuli di feldspati, miche e quarzo (pegmatiti granitiche) oppure nefelina (pegmatiti nefelinsienitiche) e sono fonte industriale di questi minerali. Sono fasi finali di cristallizzazione di liquidi residui (granitici o nefelinsienitici) con forte arricchimento in gas sino a sovrasaturazione. I silicati del fuso saturo in gas (alcali feldspati, miche, quarzo o nefelina) cristallizzano in grandi cristalli. Cristallizzano anche molti elementi generalmente sottosaturi nel magma e ora concentrati sino a saturazione. Durante il processo si hanno complesse interazioni tra il gas (iuvenile e/o di contaminazione crostale) e il magma residuo con complessi fenomeni di precipitazioni, ridissoluzioni, sostituzioni in solido ecc.

7 Circa il 90% delle pegmatiti sono sterili. Il 10% sono ricche di minerali di importanza industriale. Le pegmatiti hanno elevate abbondanze in elementi minori quali Be, B, Li, Mo, Sn, W, Ta, Nb, Zn, REE, Y, U, Th, F). Minerali che si rinvengono nelle pegmatiti: Berillo Be3Al2Si6O18 Tormalina Na(Mg,Fe) 3Al6(BO3) 3Si6 O18(OH,F)4 Lepidolite K (Li1-2Al1-2Fe0-2) (F,OH)2(Si3-4Al1-0) O 10 Zinnwaldite K(Li,Fe,Al)(F,OH) 2Si3AlO10 Molibdenite MoS2 Cassiterite SnO2 Wolframite (Fe,Mn)WO4 Scheelite CaWO4 Columbite (Fe,Mn)(Ta,Nb)2O6 tantalite-niobite Pyrocloro (Ca,Na) 2 (Nb,Ta)2O6 (O, OH,F) Zircone ZrSiO4 Baddeleyte ZrO2 Monazite (Ce,La,Th)PO4 [il Ce è il principale elemento delle REE] Xenotimo YPO4 Torianite (Th,U,Ce)O2 Samarskite (Ce,Y,Fe,U,Zr) (Nb,Ta,Ti,Sn) 2 (O,OH)6 Uraninite o Pechblenda UO2 Fluorite CaF2 Criolite Na3AlF6 Spodumene LiAlSi2O6 e molti altri più rari, ma talora economicamente importanti.

8 Vi sono inoltre pegmatiti con oro, ad apatite, a granati, a grafite e a corindone. Molti minerali delle pegmatiti, grazie alla favorevole cristallizzazione e alla loro limpidezza e colorazione sono gemme: tormalina, corindone, spodumene, zircone, berillo, granati, quarzo rosa. Talora nelle pegmatiti si accumulano silicati di Al utilizzabili: sillimanite, cianite, andalusite, Al2SiO5, dumortierite (Al,Fe)7 O3 (SiO4)3 (BO3). Molti minerali delle pegmatiti possono proseguire a formarsi nel processo idrotermale

9 Processo sedimentario 1. Alterazione trasporto sedimentazione meccanica conglomerati, arenarie, argille 2. Alterazione trasporto sedimentazione chimica evaporiti 3. Alterazione trasporto sedimentazione biologica depositi organogeni La funzione geochimica del processo sedimentario è di esasperare la differenziazione geochimica fino a composizioni estreme (calcari, dolomie, quarziti, bauxiti, evaporiti ecc.), anche se questa tendenza è di fatto spesso annullata dalle mescolanze meccaniche. Importanti arricchimenti di minerali industriali si hanno in condizioni estreme del processo sedimentario (condizioni molto ossidanti o molto riducenti, condizioni protette dal rimescolamento, di ph molto alto ecc.) e nell'incontro tra fenomenologie vulcaniche (esalative) e sedimentarie marine.

10 Alterazione: Attraverso il processo di alterazione meccanica, fisica e chimica le rocce subiscono delle trasformazioni che possono interessare le originali fasi mineralogiche. Particolarmente importante è la alterazione chimica che determina la formazione di soluzioni liscivianti e minerali di neo formazione. L alterazione chimica porta modificazioni della composizione chimica originaria con arricchimento in SiO2 e Al2O3 e impoverimenti in CaO, Na2O, K2O.

11 Precipitazione chimica Per evaporazione del sovente Evaporiti gesso, anidrite, salgemma, cloruri, solfati, carbonati) Per variazioni del ph o del potenziale redox fosfati, limonite (ossido e idrossido di Fe), bauxite (ossidi e idrossidi di Al) minerali argillosi, minerali criptocristallini colloidali ricchi in H2O

12 Precipitazione biochimica Legata alla attività biologica (fossili) calcari e selci chimicamente specializzati (SiO2 e CaCO3 puri) Diagenesi Indica l insieme dei processi ai quali è soggetto un sedimento nel bacino di sedimentazione. Durante questo processi si assiste a un cambiamento nella struttura e/o composizione chimica e mineralogica del sedimento dovuto ad un aumento di T e P dovuto al seppellimento; percolazione di soluzioni nei pori

13 Depositi di evaporazione o salini L'evaporazione di bacini continentali in zone desertiche o aride e di bacini marini in condizioni geologiche estreme produce la precipitazione di molti sali. Marini: Calcite Salgemma Glauberite Mirabilite Thenardite Polihalite Gesso Anidrite Silvite Carnallite Kainite Kieserite Epsomite ecc. Continentali: Borati: moltissimi Esempi: Colemanite Ulexite Borace Sassolite Boracite Nitrati e iodati: Sodanitro Salnitro Lantarite CaCO3 NaCl CaNa2(SO4)2 Na2SO4 10H2O[l antico «sale mirabile di Glauber» degli alchimisti) Na2SO4 K2Ca2Mg(SO4)4 2H2O CaSO4 2H2O CaSO4 KCl KMgCl3 6H2O KMgClSO4 3H2O MgSO4 H2O MgSO4 7H2O Ca[B3O4(OH)3] H2O NaCaB5O6 (OH)6 5H2O Na2B4O7 10H2O H3BO3 Mg3B7O13Cl NaNO3 KNO3 Ca(IO3)2

14 PRINCIPALI ARRICCHIMENTI SEDIMENTARI Ossidazione e arricchimento secondario (rigenerazione) I depositi idrotermali a solfuri sono instabili alle condizioni ossidanti di superficie e danno luogo a croste di ossidazione ("cappellaccio di ferro) dominato da limonite con ossidi, idrossidi, carbonati e solfati di metalli pesanti e anche da metalli nativi (Cu, Ag, Au) generati da ossidazione parziale di solfuri. Limonite (goethite a lepidocrocite FeOOH, mescolanza con Fe(OH)3 o FeOOH,H2O amorfi) Manganite MnOOH Pirolusite MnO2 Psilomelano (mescolanza di Mn-ossidi e idrossidi +varie impurità di Ba) Cuprite Cu2O Malachite Cu2 (OH)2CO3 Azzurrite Cu3 (OH)2 (CO3) 2 Crisocolla CuSiO3 ٠ nh2o Anglesite PbSO4 Cerrusite PbCO3 Smithsonite ZnCO3 Emimorfite o colamina Zn4(OH)2Si2O7٠H2O Cu nativo Ag " (Au) sono i principali minerali della zona di ossidazione

15 Le soluzioni messe in moto nella zona di ossidazione portano metalli pesanti verso il basso e nei livelli sottostanti, poveri di ossigeno, rigenerano solfuri secondari e solfosali, talora con notevole arricchimento metallico. Per esempio: calcosina Cu2S covellina CuS bornite Cu5FeS4 argentite Ag2S solfosali di Ag e Cu I giacimenti di ossidazione e rigenerazione fanno tutt'uno, dal punto di vista estrattivo, con i depositi primari, a parte piccole diversificazioni delle strategie di arricchimento.

16 DEPOSITI ALLUVIONALI E DETRITICI : I PLACERS I placers sono depositi costituiti da materiale alluvionale, eluviale e colluviale contenente minerali preziosi, in quantità, economicamente abbondante, come oro, platino, diamanti e stagno (cassiterite). Perché un minerale possa trovarsi in un placer è necessario che sia resistente all acqua e all azione abrasiva e che sia un minerale pesante. I minerali tipici dei placers eluviali prendono il nome di float. Solitamente il minerale utile si concentra e molti placers derivano da depositi primari che sono troppo poveri o piccoli per essere sfruttati direttamente. Durante il trasporto del minerale è possibile trovare il minerale concentrato in determinate zone, per esempio sotto le rapide o le cascate, negli stagni, nei laghi, lungo il corso dei fiumi, nei depositi delle piane alluvionali, nei delta, etc. Si conoscono placers marini ma si possono trovare anche placers fossili.

17 Elementi nativi inalterabili : Au (oro) ossidi: cassiterite SnO2; ilmenite FeTiO3 ; magnetite Fe3O4; zaffiri e rubini Al2O3; cromite Fe2CrO4; rutilo TiO2; silicati: zircone ZrSiO4; granati (Fe,Mg,Mn)3Al2Si3O12; fosfati: monazite CePO4, Sono depositi talora importanti soprattutto diamanti, platino, oro, gemme, anche per i bassissimi costi di estrazione o raccolta

18 Depositi argillosi (alterazione sedimentaria o idrotermale) Sono di particolare importanza i corpi tabulari argillosi (caolino, bentoniti) derivati da alterazione di vulcaniti sialiche (trachiti, rioliti, riodaciti, latiti). Sono di diffuso sfruttamento anche depositi argillosi sedimentati e, per usi meno pregiati, anche rocce argillose poco diagenizzate usate come "tout-venant" Principali minerali argillosi Caolinite (dichite, nacrite) Al4(OH)8Si4O10 il caolino è una roccia terrosa formata prevalentemente da caolinite. Smectiti (minerali argillosi molto espandibili): Montmorillonite M+y [(Al2-yMgy)Si4O10(OH)2]-y nh2o Beidellite M+y[Al2 (Si4-yAly )O10(OH)2]-y nh2o Nontronite M+y [Fe2 (Si4-yAly )O10(OH)2]-y nh2o Saponite M+x-y[(Mg3-yAly)(Si4-xAlx)O10(OH)2] (- x+y).nh2o M+ = ione scambiabile: Na+, K+, Li+, Mg2+, Ca2+ ecc. Bentonite è una roccia argillosa ricca di smectiti montmorillonitiche. Vermiculite Mg0.5-1[Mg,Fe,Al)3(Si,Al)4O10(OH)2] nh2o con Mg>>altri Illite K1-y(Al,Mg,Fe)2Si4-yAlyO10(OH)2 Glauconite o K1-y(Mg,Fe)3Si4-yAlyO10(OH)2 celadonite Cloriti (Mg6-x-yFeIIyAlx)(Si4-xAlx)O10(OH)8

19 Altri minerali argillosi utili Garnierite (Ni,Mg)6(OH)8Si4O10 (Nicrisotilo) Paligorskite o Mg2.5[(H2O)2 OH Si4O10 2H2O Attapulgite (o schiuma di mare, usata per la produzione di pipe da fumo). Sepiolite Mg4[(H2O)2(OH)2Si6O15 4H2O La garnierite forma croste di alterazione su serpentiniti, con arricchimento indiretto di Ni. La sepiolite e l attapulgite sono diagenetico-sedimentarie in livelli entro calcari e gessi.

20 Bauxiti e lateriti Sono masse terrose entro calcari (bauxiti) per arricchimento e lisciviazione di Si e altri ioni da soluzioni alcaline; o crostoni di alterazione in ambiente alcalino e lisciviazione di tutto tranne Al e Fe, di rocce feldspatiche in ambiente tropicale (lateriti). Rappresentano l'estremo limite di arricchimento residuale, per lisciviazione, di Al fino a 70% Al2O3 Minerali di bauxiti e lateriti: Idrargillite Al(OH)3 Diasporo AlOOH Allumogelo Al(OH)3 e Limonite, Opale, Minerali argillosi

21 la solubilità dell Al2O3 e della SiO2 in funzione del ph. L idrossido di alluminio presenta un minimo di solubilità per ph compresi tra 4.5 e 9. La solubilità di SiO2 varia invece con il ph, come illustrato nella figura. A ph<4 l allumina è più solubile della silice. Nelle condizioni di minore acidità, ph 7, (quella più comune alle maggior parte delle acque naturali) la solubilità della silice è maggiore di quella dell allumina. Per dilavamento della prima, si ottiene un arricchimento di allumina. Sono probabilmente queste le condizioni di formazione delle bauxiti e delle lateriti.

22 Depositi ferrosi (e di manganese) Sono sedimenti di ossidazione, precipitati da soluzioni soprattutto colloidali, o crostoni di tipo lateritico su rocce basiche ricche di Fe, limonite e Mn-ossidi. Più importanti i depositi in acque marine (e in minor misura, continentali) dove apporti continui e abbondanti di Fe in soluzione vengono concentrati e ossidati anche per azione di microrganismi e precipitazione oolitica in lagune. I minerali sono Fe-idrossidi con fosforiti e chamosite (cloriti ossidate) (Fe,Mg,Fe,Al)6(OH)8(Si,Al)8O10 in cui Fe è prevalente, entro rocce marnose, calcaree e silicee. Questi possono essere grandissimi giacimenti, i più grandi dei quali sono ora metamorfici (ematite e Fe-clorite in quarzite ) di età precambriana Depositi di riduzione I batteri riducenti favoriscono la precipitazione di pirite e altri solfuri Pt, Zn e Cu disseminati in rocce argillose marnose. Azione batterica di riduzione da gesso può produrre zolfo nativo (diagenetica precoce) Carboni, Petrolio, gas, bitumi, per gran parte marini, sono fondamentali arricchimenti di materiali energetici accumulati da organismi per evoluzione anaerobica. Fosforiti Apatite Ca5(OH,F,Cl)(PO4)3

23 Il processo metamorfico ha possibilità di arricchimento molto minori degli altri processi, perché è un processo molto conservativo chimicamente, malgrado le ricche, complesse reazioni. Molti giacimenti sono metamorfici, ma l'arricchimento è premetamorfico conservato dal metamorfismo. Solo per alcuni minerali (sillimanite e cianite, quarzo, asbesto, smeriglio ecc.) la genesi metamorfica è determinante. Più che concentrazioni di elementi si tratta di minerali utili per le loro proprietà mineralogiche derivati da protoliti già ricchi dei relativi elementi, talora accumulati per segregazione metamorfica. Nel metamorfismo tuttavia si possono avere inizi di fusione anatettica che producono pegmatiti poco diverse da quelle magmatiche. Si possono anche avere mobilizzazioni di materia che possono portare a depositi idrotermali simili a quelli descritti.

24 Depositi metamorfici Molitissimi, ma per lo più derivati da accumuli protolitici, cioè magmatici o sedimentari pre-metamorfici. Alcuni minerali utili, sono però di origine metamorfica come brucite Mg(OH)2 magnesite MgCO3 talco Mg3(OH)2Si4O10 pirofillite Al2(OH)2Si4O10 Ca2Mg5 (OH)2Si8O22 [tremolite]; Amianto vari anfiboli fibrosi Mg7(OH)2Si8O22 [cummingtonite (antofillite)]; Na2(Mg,FeII)3FeIII2(OH)2Si8O22 [crocidolite asbesto blu ] o crisotilo Mg6(OH)8Si4O10 Smerigli: corindone Al2O3 + ematite Fe2O3 e magnetite Fe3O4 sillimanite, cianite, andalusite (Al2SiO5) granato grafite C (Fe, Mg, Mn, Ca)3(Al,Fe)2Si3O12 derivata da depositi carboniosi.