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Fondamentidi

Geologia

georisorse

Sergio RocchiDipartimento di Scienze della Terra

Via S. Maria, 53Mail: rocchi@dst.unipi.it

Lezioni: http://www.dst.unipi.it/dst/rocchi/SR

georisorse

•acqua•energia• carbone• petrolio• uranio

•materiali• rocce•minerali•metalli

2

georisorse3

Press et al. (2006)

4

Press et al. (2006)

5

quad: unit of energy equal to 1015 (quadrillion) BTU = 1.055 × 1018 joules (EJ, exajoule)quad is used by the U.S. DoE (Department of Energy) in discussing world and national energy budgetsThe global primary energy production in 2004 was 446 quad = 471 EJ

Press et al. (2006)

energy use by source6

Press et al. (2006)

energy vs. electricity7

energy from organic carbon8

Press et al. (2006)

coal• readily combustible

organoclastic sedimentary rock• composed mainly of

lithified plant remains• contains > 50 wt%

carbonaceous material

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• in alcuni sedimenti di ambiente palustre/lagunare/deltizio i materiali organici (piante) raggiungono abbondanze molto elevate• le parti solide di queste piante subiscono un tipo di diagenesi detto

carbonizzazione: processo biochimico (prima ossidante, poi riducente) e successivamente fisico (costipazione, perdita di acqua e arricchimento in C)

• CARBONI FOSSILI• torba, C ≈ 60%• lignite, C ≈ 70-75%• litantrace, C ≈ 90%• antracite, C ≈ 100%

coal10

Press et al. (2006)

coal classification11

Evans et al. (1997)

Barnes (1988)

coal reserves12

world reserves 109 tons(coal equivalent)

coal 10,125

tar sandsand oil sands 1,080

oil 647

nuclear fuels > 200

• reserve estimates depend on production cost vs prices

Barnes (1988)

Press et al. (2006)

petroleum

•naturally occurring hydrocarbons• natural gas• crude oil• alkanes and cycloalkanes hydrocarbons (80%)• aromatic hydrocarbons• impurities• ash• helium• hydrogen• nitrogen• carbon dioxide• hydrogen sulphide

• some solids

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Barnes (1988)

origin of oil and gas• in alcuni sedimenti marini grandi

quantità di materia organica (fitoplancton, batteri, alghe) possono rimanere intrappolate (invece di ossidarsi) in sedimenti fini (argillosi)

• T≈50°C P=0.03 GPa: durante la diagenesi della argillite (roccia madre) si genera metano e la materia organica si trasforma in kerogene

• T=50-175°C, P=0.03-0.15 GPa: espulsione acqua, formazione idrocarburi a catena lunga (heavy oil). che all’aumento di T si decompongono (thermal cracking) a formare idrocarburi a catena più corta (light oil)

• T>200°C, P>0.15 GPa: l’olio si trasforma in gas secco

• metagenesi: tutto l’idrogeno è perso e rimane solo carbonio (grafite)

14

Barnes (1988)

origin of oil and gas15

gradientigeotermici

naturali

gradiente termico (°C/100m)

prof

ondi

tà (k

m)

1 2 3 4 5

1

2

3

4

5

6

7

8

intervallo di T per

generaz. di olio

gasbiogenico

oilwindow

oil & gas fields

• i giacimenti di petrolio si trovano in zone di prolungato accumulo di sedimenti

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Evans et al. (1997)

oil migration

•primary migration• il petrolio si sposta dalla roccia madre

•secondary migration•migrazione attraverso rocce porose (arenarie) o fratturate (carbonati)• accumulo in una trappola stratigrafica/tettonica (serbatoio)• serbatoio = rocce permeabili (porose o fratturate) sigillate da rocce impermeabili

17

Barnes (1988)

traps & reservoirs18

Barnes (1988)

traps & reservoirs19

Press et al. (2006)

reserves20

oil gas

oil exploration/exploitation

• migliorare recupero• esplorazione più sofisticata• riserve più profonde• olio pesante• sabbie bituminose (tar sands)

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clatrati (gas idrati)22

carboneoliogas

gas idrati

suolo

oceanooceanooceanooceanovita terr.vita terr.vita terr.vita terr.vita terr.vita terr.vita terr.

torba

total organic carbon• gas + acqua = solido (ghiaccio)• sedimenti marini, 300-2000 m, ~ 0°C• permafrost

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Ruppel (Elements, 2007)

geothermal energy• prima energia elettrica da geotermia:

Larderello (1904)• geotermia in Italia = Toscana• 32 centrali = 2 mil. famiglie• 95% energia geotermica dell’Europa• 10% energia geotermica del mondo• 1.6% energia elettrica Italia

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• 1.6% energia elettrica Italia

• risparmio di petrolio = 4 Mton CO2

• teleriscaldamento (Larderello e Amiata)

materiali

• rocce• materiali lapidei• inerti (e inerti leggeri)• ballast

•minerali• minerali argillosi• gesso• asbesto• apatite• gemme

•metalli

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rocce - materiali lapidei

•pietre da costruzione•oggi pietre da rivestimento•caratteristiche meccaniche• compressione• flessione

•alterazione all’esterno

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rocce - inerti

• frammenti di roccia selezionati per dimensioni• calcestruzzo•mischiati con cemento nel calcestruzzo• sabbie e ghiaie di alvei fluviali maturi• alternativa: rocce granulate• no scisti: la foliazione indebolisce il calcestruzzo• no pirite: l’ossidazione genera acido solforico che attacca il tondino

• strade• aggregati con bitume• durezza (troppo duro=strada scivolosa; poco duro=strada si consuma)

• ballast• roccia frantumata e vagliata• letto per ferrovie, a tenere le traversine• dighe in terra

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rocce - argille

•mattoni• argille ferrose• ferro agisce come fondente durante la cottura•materiale carbonioso aiuta la cottura•alto contenuto in silt per prevenire riduzione di volume e fessurazione durante la cottura

•mattoni refrattari•argille ricche in caolino•mattonelle

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rocce - calcare e argillite

•cemento portland•misto di calcare macinato e argillite (18-25%)• calcinazione e macinazione•magnesio rallenta la presa (utile per dighe, per evitare cracks dovuti al raffreddamento che segue l’espansione della reazione esotermica della presa)• gesso velocizza la presa

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fillosilicati

• talco• Mg3 [Si4O10] (OH)2

30

• foglio Tetraedrico + foglio Ottaedrico + foglio Tetraedrico = strato T-O-T• strati T-O-T uniti da deboli legami di van der Waals

•pirofillite•Al2 [Si4O10] (OH)2

giallo = (OH)

•caolino•Al2 [Si2O5] (OH)4

fillosilicati

• serpentino• Mg3 [Si2O5] (OH)4

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giallo = (OH)

clay minerals32

• fillosilicati 1:1 = T-O• 1 foglio tetraedrico• 1 foglio ottaedrico• NO sostituzioni isomorfe ➾ NO cationi interstrato• caolinite

• fillosilicati 2:1 = T-O-T• 2 fogli tetraedrici• 1 foglio ottaedrico• sostituz. Al3+–> Si4+ ➾ K+ interstrato• illite• smectiti• vermiculite

• fillosilicati 2:2 = T-O-T-O• 2 fogli tetraedrici • 2 fogli ottaedrici• clorite

clay minerals - properties33

• caolinite• NO sostituzioni isomorfe ➾ NO cationi interstrato• prodotto della alterazione (pH acido) dei feldspati, suoli acidi, fortemente lisciviati

• illite• minerali micacei di dimensioni argillose (< 2µm)• soltanto K+ interstrato ➾ area superficiale = area esterna• prodotto della alterazione (pH basico) dei feldspati

• smectiti• minerali micacei di dimensioni argillose (< 1µm)• grandi cationi interstrato ➾ area superficiale include superficie esterna e superfici interne• grande capacità di espansione (distanza interstrato = 10-28 Å) instabilità dei suoli• alta capacità di scambio cationico• si formano in zone di basso morfologico dove si accumulano cationi e acido silicico

• vermiculite• grandi cationi interstrato ➾ area superficiale include superficie esterna e superfici interne• grande capacità di espansione (distanza interstrato = 10-14 Å)• moderata fino ad alta capacità di scambio cationico• prodotto iniziale dell'alterazione delle miche

• clorite• livello ottaedrico interstrato ➾ distanza interstrato fissa ➾ NO scambi cationici

clay minerals34

Evans (1997)

clay minerals - bentonite• argill composta principalmente di montmorillonite• montmorillonite: (Na,Ca)0,3(Al,Mg)2Si4O10(OH)2·n(H2O)• proprietà diverse per la Na-bentonite e la Ca-Bentonite•

35

bentonite

•metal casting• stampi di fonderia• bentonite, sabbia, carbone,

acqua (± amido e farina di legno)• la % di bentonite varia col metallo• dopo l’uso, il materiale dello

stampo viene riciclato per un nuovo stampo

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bentonite

•pet waste absorbant• fine anni 1980•Na-bentonite “fa la palla!”• proprietà adsorbenti

37

bentonite

• drilling fluids (fanghi di perforazione)• Na-bentonite usata fin dal 1920• lubrificante• tiene in sospensione i drill cuttings• sostiene le pareti del pozzo• bilancia la pressione dei fluidi delle

formazioni perforate e ne impedisce l’ingresso nel pozzo• sigilla le piccole fratture nelle

pareti (rigonfia e gelifica)• usata anche nella nuova

applicazione delle perforazioni orizzontali direzionali (per cavi e tubi) in città e ambienti sensibili

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bentonite

• iron ore pelletizing• low-grade iron ore macinati finemente per liberare gli ossidi di ferro• problemi di trasporto e nella fornace• fine anni 1950•Na-bentonite usata come legante per pellets (diametro 1 cm) o briquettes

39

bentonite

•bleaching & clarifying• chiarificazione e decolorazione di oli animali, vegetali e minerali•eliminazione di tracce di impurezze (resine, fosfolipidi, metalli, acidi grassi) e coloranti (clorofilla, xantofilla, carotene)

• chiarificazione di vini e succhi•eliminazione di proteine e colloidi organici (troppo fini per essere filtrati con metodi convenzionali) che intorbidirebbero il liquido in caso di raffreddamento• le cariche negative della bentonite si legano con le proteine, cariche positivamente

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bentonite

•dessiccant• deumidificazione

•environmental sealants• sigillatura pozzi• sigillatura suoli per fondazioni

41

•paper making•flocculazione fibre cellulosa•carbonless copy paper•caolino e talco (minerali argillosi) sono usati come riempitivi, per rendere meno poroso il foglio

minerali argillosi e discariche• la discarica deve essere compatibile con l'ambiente• le discariche di rifiuti sono costituite da tre componenti• ogni componente deve agire come una barriera contro il rilascio e la

propagazione di sostanze pericolose• i tre componenti di una discarica sono

• il sito = barriera geologica• le proprietà geologiche e idrogeologiche del sito determinano il comportamento a lungo termine della discarica

• posizione relativa di acquiferi e discarica, permeabilità delle formazioni geologiche

• la barriera tecnica• sigillatura, drenaggio, elimazione dei gas, principi di raccolta e controllo• argille, muri, substrato, geomembrane

• i rifiuti• devono essere trattati per ridurre il possibile rilascio di sostanze inquinanti

42

minerali argillosi e discariche

• i minerali sono materiali naturali• possono essere presenti nel sito • possono essere impiegati nella costruzione della barriera tecnica

• i minerali-barriera più importanti sono le argille• bassa conducibilità idraulica• alta ritentività per le sostanze tossiche (adsorbimento, scambio

ionico)

43

tipo difogli

distanzabasale

(Å)

caricaper

strato

scambioionico

(meq/100g)

dimens.cristalli

(µm)

areasuperf.(m2/g)

conduc.idraulica

(m/s)

qualità

caolinite T-O 7.2 ≈ 0 5-15 4 15 > 10-8 scarsa

smectite T-O-T 10-28 0.5 - 1 65 - 140 < 2 800 < 10-11 ottima

vermiculite T-O-T 10-14 1 - 1.5 150 < 2

illite T-O-T 10 2 25 < 2 bassa buona

minerali argillosi e fertilità44

lisciviati

smectite (2:1) + H4SiO4 + K+ + Na+ + Mg2+ + Ca2+ …

caolinite (1:1) + K+ + Na+ + Mg2+ + Ca2+ …

gibbsite + H4SiO4

nutrienti

+ H2O

+ H2O

lisciviati adsorbiti (smectiti)

piante e micro-organismi

fertilità suolo

+ H2O crescente

massima

decrescente

minima

STADIO

INTE

RM

EDIO

TAR

DIV

O

accessibilità nutrienti

INIZ

IALE roccia

scarsanei minerali primari inaccessibili

altamenteaccessibili

scarsissimi (solo Fe±Al)

__

evaporiti45

Wenk & Bulakh, Minerals (2006)

solfati46

gesso CaSO4 . 2H2O in evaporiti; produzione di cemento

e intonaco

anidrite CaSO4 in evaporiti; produzione di cemento

barite BaSO4 depositi idrotermali, aggregati, densità: 4.5 g/cm3: additivo nei fanghi di perforazione; industria vernici, carta, plastica, chimica

apatite• fluoroapatite, cloroapatite, idrossiapatite• Ca5(PO4)3 (F,Cl,OH)

• depositi di valore economico• depositi ignei (16%)•minerale accessorio r. ignee

• sedimentari (84%)• carbonato-fluoro-apatite criptocristallina (collofane)•evaporiti•upwelling di acque oceaniche profonde verso le piattaforme continentali

47

ATP

Evans et al. (1997)

amianto-anfiboli48

Antofillite

SERPENTINO A N F I B O L I

Crisotilo Amosite Tremolite Actinolite

asbestosicarcinoma polmonare mesotelioma

Crocidolite

amianto-crisotilo49

gemme

•diamante

50

Wenk & Bulakh (2006)

gemme51

Wilson & Head (Nature, 2007)

metals52

Press et al. (2006)

metals53

Press et al. (2006)

54

Press et al. (2006)

metals today55

pirolusite32 kg

galena13 kg

ematite1100 kg

cromite300 kg

bauxite150 kg

pentlandite300 kg

pirolusite

ferro758 kg

manganese20 kg

cromo140 kg

nichel102 kg

platino1 g

alluminio65 kgrame

12 kg

piombo11 kg

zinco9 kg

etc.

galena

sfalerite14 kg

sperrylite2 g

calcopirite35 kg

metals in the past

•mining older than agriculture• flint and obsidian tools• pigments (iron oxides)

•metals• copper (native) and bronze• the seven metals of the antiquity• copper• tin• gold (Jason ad the Golden Fleece)• silver• lead• iron•mercury

56

Craig et al. (20010)

ore mineralization through time

•Archean (3800-2500 Ma)

•Proterozoic (2500-540 Ma)

•Phanerozoic (540 Ma-today)

57

ore mineralization through time

Archean•greenstone belts• zones of variably metamorphosed mafic to ultramafic volcanic sequences with associated sedimentary rocks; dozens

to thousands km long; Greenstone belts have been interpreted as having formed at ancient oceanic spreading centers and island arc terranes

•high grade terrains - granites

•Cr: chromitite in serpentinites (Zimbabwe)•Ni-Cu: komatiite-tholeiite lava flows Australia, Canada, Zimbabwe, Russia)•Au (+Ag): veins cutting basic/intermediate intrusions and lava flows (Australia) and granite-greenstone border (Canada)•Cu-Zn: volcanic-associated massive sulphides (Canada)• Fe-Mn: banded iron formation (China)

58

ore mineralization through time

early-mid Proterozoic59

•U (+Au)• pyrite placers (late Archean)• unique metallogenic event pre-

oxygenation

• unconformity-associated U(1800-1200 Ma)• hexavalent U in solution

• Mn: sediments• Pb-Zn: syngenetic• Cr-Ni-Pt-Cu: layered intrusions• Ti-Fe: ilmenite anorthosites• C (diamond): lower geothermal gradient, thick

lithosphere• Fe: banded iron formations (2500-1900 Ma),

deposition on shelves and intraplate basin of stable plates

Evans (1997)

• Fe: banded iron formations (2500-1900 Ma)• shelves and intraplate basin of stable plates• weathering of mafic volcanics in greestone belts• Fe traveling in ionic solution: CO2-rich atmosphere• Fe2O3 precipitation: bacterial Fe oxidation

ore mineralization through time

early-mid Proterozoic60

• Fe: banded iron formations (2500-1900 Ma)• shelves and intraplate basin of stable plates

ore mineralization through time

mid-late Proterozoic•Cu: sedimentary

•Mn: sedimentation along the margins of cratonic blocks

•Sn: deposits associated with high-level granites and pegmatites

61

ore mineralization through time

Phanerozoic•new tectonic pattern• Phanerozoic fold belts• recycling of oceanic crust

62

• Cu: Cyprus-type Cu-pyrite in ophiolites + porphyry copper (and Mo) of continental margins and island arcs• U: sandstone• Pb: volcanic-associated massive sulphides• Au: Mesozoic and Quaternary in convergent margins

• P: phosphorite deposition at low-latitudes due to multiple continent fragmentation (Kazakhstan-central Asia-southern China-Vietnam-Australia belt)

Evans (1997)

ore genesis and plate tectonics

• interior basins, intracontinental rifts•oceanic basins and rises•passive continental margins•subduction-related settings•strike-slip settings•collision settings

63

Press et al. (2006)

interior basins, intracontinental rifts

• large basins• evaporites: sulphate, Na and K salts•Au - U

• rift valleys: erosion of alkaline lavas and carbonatites• soda• Fe, Nb, Zr, REE• fluorite, baryte

64

oceanic basins and rises65

• volcanic-associated massive sulfide deposits• mid-ocean ridges• back-arc spreading ridges• median zones of embryonic oceans• Cyprus-type

Barnes (1988)

Evans (1997)

oceanic basins and rises

•volcanic-associated massive sulfide deposits

66

Evans (1997)

oceanic basins and rises

mid-ocean ridges67

Press et al. (2006)

passive continental margins

•Mississippi Valley-type

68

Evans (1997)

Evans (1997)

passive continental margins

•phosphorites• low latitude• east-west seaways• strong upwelling

•banded iron formations

•beach placers• diamonds (Namibia)• rutile-zircon-monazite-ilmenite (Australia)

69

Evans (1997)

subduction-related settings70

Evans (1997)

71

Press et al. (2006)

subduction-related settings

•porphyry-copper deposits

72

strike-slip settings

• transcurrent faults• tear (wrench) faults• fault intersection

•copper•diamond-bearing kimberlites•salt

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collision-related settings

•S-type granites (melting products of the continental crust)

•Sn - W: greisen and vein type•Cornwall, Erzgebirge, Portugal; south-eastern Asia

•U

74

plate tectonics and mineralizations75

Press et al. (2006)

76

Evans (1997)

77

Evans (1997)

geomaterials at home78

USGS

the cost of geomaterials79

bibliografia• Barnes, J.W., 1988. Ores and Minerals. Wiley, 181 pp.• Evans, A.M., 1997. An introduction to economic geology and its

environmental impact. Blackwell, 364 pp.• Press , F., Siever, R., Grotzinger, J., Jordan, T.H., 2006. Capire la Terra, 4

ed. Amer. /2 ed. Ital. Zanichelli, 576 pp.• Tanelli, G., 2009. Georisorse e Ambiente. Aracne, 280 pp.

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