LE SCIENZE n. 275, luglio 1991 57

Q

uando intorno alla metà del XIXsecolo 80 000 persone si river-sarono in California alla ricer-

ca dell'oro, molte di esse sapevano benedove guardare. I cercatori d'oro setac-ciavano la ghiaia dei fiumi e asportavanocon getti d'acqua il materiale di antichidepositi fluviali affioranti riversandoloin canali artificiali. Quando questi enor-mi depositi furono esauriti, i cercatoririsalirono a monte sulle tracce dell'orofino alla Mother Lode (la vena madreper eccellenza), un sistema di vene diquarzo bianco aurifero che si sviluppaper 240 chilometri in lunghezza e in al-cuni punti raggiunge oltre il chilometroe mezzo di profondità.

Quello che i cercatori non sapevanoera come l'oro fosse finito nelle vene,come mai si trovasse associato al quarzoe perché in definitiva esistesse la MotherLode. Solo da poco abbiamo cominciatoa comprendere i processi attraverso iquali l'oro e altri minerali metalliferi -quelli cioè contenenti elementi utili co-me argento, ferro, rame e stagno - for-mano giacimenti. A proposito dell'origi-ne dei depositi metalliferi è stato ormaistabilito che essi sono strettamente legatiai processi di formazione del pianeta, al-la sua evoluzione dinamica e ai processiche ne modellano la superficie.

Così come i corsi d'acqua della Cali-fornia trasportavano nei loro alvei pepi-te e pagliuzze d'oro dalle vene d'origine,fluidi di tipo diverso trascinano con sé icostituenti dei minerali metalliferi sia so-pra sia sotto la superficie terrestre. Que-sti fluidi e i percorsi che essi seguono,insieme ai processi che modellano la cro-sta terrestre, forniscono la chiave percomprendere come si siano formati i gia-cimenti. Ricostruendo i diversi sistemi dicircolazione dei fluidi e l'attività tettoni-ca, i ricercatori sono giunti a compren-dere la genesi di questi preziosi depositi.

L'origine e l'accumulo in prossimità

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della superficie terrestre dei mineralimetalliferi non sono certo il risultato disemplici e fortuite circostanze geologi-che. Solo una serie ben precisa di eventifisici e chimici, che devono avvenire nel-l'ambiente giusto e in una ben precisasequenza e che devono essere seguiti dadeterminate condizioni climatiche, puòdare origine ad alte concentrazioni diquesti metalli, così basilari per lo svilup-po della civiltà e della tecnologia.

Adare a caccia di metalli interpretan-do i cambiamenti della superficie

terrestre non è compito facile. Fortuna-tamente la natura ha semplificato questaindagine: il quantitativo totale di metalliè rimasto costante nel corso della storiageologica della Terra. Fatta eccezioneper pochi elementi come il piombo, chesi forma in parte per decadimento ra-dioattivo dell'uranio e del torio, i metalliche sono contenuti in depositi e rocce sitrovano nella Terra fin dalla sua forma-zione, avvenuta 4,6 miliardi di anni fa.

La «dotazione» invariante di metalli sitrova in due «geosfere» o sistemi fisico--chimici. La geosfera più esterna è costi-tuita da un sottile guscio estremamentereattivo in prossimità della superficiedella Terra. Essa comprende l'atmosfe-ra, la biosfera, l'idrosfera, la litosfera el'astenosfera, su cui si spostano le zolleoceaniche e continentali. Al di sotto diquesta geosfera complessa ve n'è un'al-tra, costituita dal mantello e dal nucleo.

La miniera di rame di La Escondida neldeserto cileno di Atacama rappresenta unafinestra nella crosta terrestre. Il modestotasso di erosione superficiale e l'aridità diquesta regione sono stati decisivi per l'ar-ricchimento e la conservazione dei depositidi rame a partire da 15 milioni di anni fa.

ton e Alfred E. Ringwood della Austra-lian National University di Canberra ri-tengono che la prototerra avesse inizia-to la sua esistenza avendo più o meno lacomposizione di una meteorite primiti-va. All'inizio le meteoriti si aggregavanolentamente, ma con l'aumentare dellamassa e dell'attrazione gravitazionale lavelocità di cattura dovette aumentarevertiginosamente. Pertanto la massa me-teoritica primitiva subì una totale ristrut-turazione e la Terra si differenziò in gu-sci concentrici con una diversa composi-zione in metalli.

Il ferro fuso si separò in goccioline dalmantello per affondare e andare a for-mare il nucleo metallico, insieme ad altrielementi come nichel, cobalto, oro e pla-tino. Gli elementi concentrati nel man-tello, come silicio, magnesio, alluminioe calcio, per la loro proprietà di combi-narsi facilmente con l'ossigeno, l'ele-mento più abbondante nelle rocce, die-dero origine ai silicati della crosta e delmantello. Attualmente gli elementi piùabbondanti nella crosta, oltre ai silicatiche ne costituiscono la parte preponde-rante, sono quelli che danno origine aiminerali metalliferi; si tratta di elementi,come rame e zinco, che tendono a for-mare solfuri e sono associati ad altri, co-me cloro e, appunto, zolfo.

Questi diversi elementi, intrappolatiper miliardi di anni nelle profondità del-la Terra, occasionalmente riescono a ri-salire verso la superficie. Essi vengonotrasportati dal magma, che è leggero efluido rispetto al mantello, e, a secondadelle condizioni ambientali e delle so-stanze incontrate durante la risalita, pos-

sono andare a formare minerali estraibilio disperdersi nelle rocce in concentrazio-ni inutilizzabili.

Per esempio, in presenza di grandiquantità di zolfo gli elementi metalliciprecipitano formando minerali costituitiin gran parte da solfuri; per il loro altocontenuto in metalli, questi mineralihanno proprietà fisiche distintive, comeun'alta densità, così da poter essere fa-cilmente separati con processi industrialidalla roccia improduttiva che li accom-pagna. In assenza di zolfo, i metalli sidistribuiscono nei minerali che costitui-scono le rocce in concentrazioni infinite-sime, valutabili in parti per milione omeno. Sono quantitativi troppo bassiper consentire un'estrazione economica-mente conveniente. Nelle rocce comunii metalli si trovano appunto in questaforma dispersa e inutilizzabile.

T a gran parte delle conoscenze sui pro-cessi fondamentali (fisici, chimici e

mineralogici) che portano alla concen-trazione di minerali metalliferi viene dal-l'industria estrattiva. Le miniere, a cieloaperto e sotterranee, sono laboratori na-turali di inestimabile valore scientificonei quali è possibile ricostruire la storiageochimica. Altre finestre sull'internodella Terra sono costituite dalle migliaiadi fori di trivellazione che penetrano nel-la crosta fino a profondità di oltre 3500metri. Con le informazioni raccolte stu-diando le miniere di tutto il mondo, iricercatori, compreso il sottoscritto, so-no arrivati a comprendere i vari proces-si geologici e geochimici che devono agi-re di concerto per dare origine alle alte

concentrazioni di metalli nella crosta.L'immissione e la ridistribuzione dei

metalli nella crosta richiede forze enor-mi. L'entità di questi processi può esserericonosciuta, per esempio, in un grandedeposito di rame come quello di LaEscondida, in Cile, formatosi per risalitadi magma in superficie. Stando alle stimedi James A. Bratt della BHP-Utah In-ternational, questo deposito contiene1,8 miliardi di tonnellate di minerale cheracchiude oltre 27 milioni di tonnellatedi rame estraibile. Una tale concentra-zione supera di 300 volte la normale ab-bondanza crostale di 55 parti per milio-ne; il valore del giacimento può esserevalutato in oltre 60 miliardi di dollari.

Le mie ricerche hanno dimostrato cheil processo di arricchimento ebbe iniziomolto precocemente nella storia dellaTerra, con l'evoluzione della crosta, eculminò in una serie di eventi che portòalla formazione di solfuri e ossidi metal-lici. Per conservarsi, queste rocce arric-chitesi in metalli nei pressi della superfi-cie terrestre devono essere sfuggite ai fe-nomeni erosivi. Per questa ragione hostudiato l'importanza dei fattori ambien-tali ai fini della conservazione del mine-rale metallifero. Le condizioni al contor-no devono essersi mantenute stabili perperiodi significativi di tempo geologico,mentre il sollevamento e l'erosione de-vono avere avuto effetti minimi.

Di fatto una tale conservazione si hasolo se i minerali metalliferi sono incor-porati in una crosta «longeva». Quasitutti i depositi metalliferi conosciuti, an-che i più vecchi, si trovano nella crostacontinentale, sia in sequenze di rocce

La genesidei giacimenti metalliferi

Perché i metalli possano accumularsi in concentrazioni sfruttabili ènecessario che si verifichi tutta una serie di eventi geologici in cui svolgonoun ruolo determinante i magmi, le acque superficiali e persino il vento

di George Brimhall

Sebbene quasi tutti i metalli siano pri-mordiali - non si siano cioè né creati nédistrutti dopo la formazione della Terra- essi si sono spostati di luogo in luogo.Le complesse interazioni chimiche e ter-miche tra le due geosfere hanno provo-cato una ridistribuzione degli elementi.Si suppone che la migrazione di certi me-talli sia cominciata molto presto, mentreil pianeta si andava formando nel siste-ma solare primordiale attraverso l'ag-gregarsi di meteoriti.

Brian H. Mason dello US NationalMuseum of Natural History di Washing-

-

Fe

Pb, Zn, Ag

C_

Ag

Ti

ELEMENTI

Cu RAME Ni NICHEL

Fe FERRO Mn MANGANESE

Au, Ag ORO E ARGENTO Al ALLUMINIO

Pb, Zn, Ag PIOMBO, ZINCO E ARGENTO Ti TITANIO

Mo, W MOLIBDENO E TUNGSTENO Sn STAGNO

Cr CROMO U URANIO

ABITIBIGREENSTONE

BELT -411419,

Pb, Zn, Ag

Pb,Zn, Ag

Cu

RAMMELSBERG

ETÀ DELLA DEFORMAZIONE (MILIARDI DI ANNI FA)

COMPLESSO BUSHVELD

WITWATERSRAND

COPPER BELT DELLO ZAMBIAAu, Ag

CAMPIAURIFERIDI KOLAR

OFIOLITIDELL'OMAN

Pb, Zn, Ag

HAMERSLEY RANGEAl

DA 3,8 A 2,5

Cu

che riflettono la prossimità di crosta con-tinentale al tempo della mineralizzazio-ne, sia in frammenti di crosta oceanicache siano stati incorporati entro la crostacontinentale (si veda l'articolo La crostacontinentale di B. Clark Burchfiel in «LeScienze» n. 183, novembre 1983).

È comunque raro che la crosta ocea-nica si conservi, dato che il mantello è incondizioni di convezione costante: lacrosta formata dalla risalita di magma incorrispondenza delle dorsali oceanicheviene trasportata lateralmente fino adaffondare al di sotto dei continenti nellezone di subduzione. La più recenteespansione dei fondi oceanici ebbe iniziocirca 200 milioni di anni fa e a essa si devel'attuale configurazione delle masse con-tinentali e degli oceani. A quanto valutaRobert G. Coleman della Stanford Uni-versity, meno dello 0,001 per cento dellacrosta oceanica formatasi nel corso diquesta espansione si sarebbe conserva-to; questa valutazione implica che il re-sto della crosta oceanica sia stato subdot-to nel mantello.

Oltre a sapere la posizione esatta deidepositi di minerali ricchi in metal-

li, i geologi devono conoscere molto be-ne le rocce che li ospitano. Normalmen-te i metalli si concentrano in rocce sedi-mentarie o in rocce vulcaniche di am-biente subacqueo, subaereo o comun-que prossimo alla superficie. Ci si riferi-sce pertanto a esse come a rocce sopra-crostali. Solo in ambienti sopracrostali sihanno tutte le condizioni necessarie perla deposizione di minerali metalliferi eper la loro conservazione. È una fortunaquindi per il genere umano che i mineraliutili si trovino di solito a profondità chene permettono l'estrazione.

Comunque la localizzazione dei giaci-menti non è casuale, ma avviene pressola superficie per una serie di ragioni. Inprimo luogo l'ambiente è caratterizzatoda forti gradienti dei parametri fisici echimici, dal Momento che la superficieterrestre costituisce l'interfaccia tra Ter-ra solida, atmosfera e idrosfera. In par-ticolare, un brusco gradiente termicopuò far sì che, durante il raffreddamentodi magmi o di soluzioni idrotermali, av-venga la precipitazione di minerali.

Forse l'aspetto più favorevole del-l'ambiente di superficie dal punto di vi-sta della deposizione di minerali risiedenelle particolari proprietà fisiche dellerocce prossime alla superficie rispetto aquelle della crosta profonda e del man-tello. A grandi profondità, dove la pres-sione è elevata, le fratture aperte nellemasse rocciose sono relativamente pococomuni, mentre in superficie le roccefratturate predominano. Le basse tem-perature e le pressioni che si verificanoin prossimità della superficie fanno sì chele rocce, meccanicamente fragili, si frat-turino improvvisamente sotto l'effetto disollecitazioni tettoniche o locali. Vice-versa, le temperature e pressioni più alteche si hanno in profondità fanno sì che

MOTHER LODE

Au, Ag

Mo, W

Pb, Zn, AgCu

Au, Ag

le rocce reagiscano alle sollecitazionimeccaniche in modo più graduale, equesto comportamento di tipo plasticole rende meno permeabili.

Le fratture permettono il passaggio ela rapida circolazione di fluidi magmaticie acquosi. I magmi silicatici sono tra ifluidi in grado di trasportare metalli.Quando gli elementi giungono in prossi-mità della superficie, altri fluidi, tra cuiacqua che si separa dal magma, vapore,acqua marina e acqua di falda, prendonoil sopravvento. Questi fluidi hanno unagrande mobilità in confronto ai magmiviscosi. Sono anche chimicamente moltoreattivi, ottimi solventi per sali, acidi ebasi, e pertanto in grado di solubilizzarei metalli con grande efficienza.

Attraverso i sistemi di fratture, i fluidicome l'acqua di falda o l'acqua marinahanno facile accesso alle rocce subsuper-ficiali. Hanno così luogo energiche rea-zioni chimiche tra questi fluidi e i mine-rali che si trovano esposti sulle superficirocciose il che, per mutua interazione,va a influenzare sia la composizione del-la roccia sia quella del fluido.

Quando varia la composizione di unfluido che reca in soluzione metalli, di-minuisce la capacità di trasporto del flui-do stesso. Per esempio, i liquidi acidiossidanti si neutralizzano e si riduconopassando nelle rocce e alterandone i mi-nerali costituenti. Le reazioni di ossido-riduzione e di idrolisi sono cause comunidella precipitazione di minerali metalli-feri a base di solfuri.

Oltre a reagire chimicamente, i fluidipossono essere frazionati o distillati infasi diverse. I metalli possono entrare

Pb, Zn,Ti

Pb, Zn, AgNi

'''"Imhis Al,ffigh

Cu Al

Cu Au, Ag\--)Sn Fe U

U zzANDE

LA ESCONDIDA

EL TENIENTE

nell'una o nell'altra fase, separandosi co-sì dal fluido originario. Come fasi tardivesi hanno vapore e dense salamoie, solu-zioni ampiamente sovrasature.

Nel corso della storia geologica, le in-terazioni tra fluidi e rocce sono mutate.L'evoluzione di ambienti tettonici diffe-renti, come pure quella della biosferae dell'atmosfera, hanno modificato lacomposizione di rocce, minerali e fluidi.Molti ricercatori, tra cui Richard W.Hutchinson della Colorado School ofMines, William S. Fyfe della Universityof Western Ontario, Heinrich D. Hol-land della Harvard University e il com-pianto Charles Meyer dell'Universitàdella California a Berkeley hanno dimo-strato come questi cambiamenti si riflet-tano nella deposizione dei minerali.

a distribuzione dei più importanti de-positi minerari può chiarire molti

aspetti dell'evoluzione della crosta e deltrasporto effettuato dai fluidi. Essi per-

DA 0,7 A 0,25

Le diverse epoche di modificazione crosta-le corrispondono a grandi depositi metalli-feri. Con la crescita dei continenti per ac-crezione crostale, si sono formati molti tipidi minerali utili. Per esempio, il ferro siconcentrò primariamente nelle rocce delProterozoico antico (in rosa) che circon-davano le ancora più antiche rocce archea-ne (in rosso). I depositi metalliferi hannoanche relazione con i processi orogenetici.

mettono di correlare i meccanismi chestanno alla base del processo di forma-zione dei minerali con le forze che mo-dellano il pianeta e con le deformazioniche consentono ai fluidi di risalire in su-perficie da grandi profondità.

Per comprendere i complessi mecca-nismi geochimici globali che hanno datoorigine ai vari tipi di depositi metalliferiesistenti occorre classificare i giacimentiin base al metallo dominante, alle carat-

teristiche dell'ambiente di deposizione eall'età del deposito stesso. Questa clas-sificazione è necessaria, dato che la for-mazione del minerale, con gli eventi geo-logici a essa correlati, avviene attraversoprocessi spontanei. Questi eventi dissi-pano energia, riflettendo la lenta ma ir-reversibile perdita di energia del piane-ta. Ciò fa pensare che il presente nonsempre possa fornire una chiave per l'in-terpretazione del passato, contraddicen-

do quindi a uno dei principi basilari dellageologia, quello dell'attualismo.

Considerando la distribuzione spazia-le e temporale dei depositi metalliferi,possiamo comprendere anche altri a-spetti dei meccanismi di trasporto. Co-me si può vedere nell'illustrazione inqueste due pagine, la correlazione piùovvia è quella tra le mineralizzazioni e icicli orogenetici, o di sollevamento dellemontagne. Depositi di rame a basso te-

Fe

CERRO COLORADO

DEPOSITI BOLIVIANI

MnFe

Fe2

Pb, Zn, Ag u

Pb, Zn, Ag Cu

Cr-,Au Ag

Pb,Zn,Ag-Cr

MOIEROSSO

Cr AlTi I /

Ue

CCu r

Au, Ag

DA 0,25 A OGGI

Au, AgURALI

Cu U

Al

Fe —

Al Ni

TiAu, Ag

KAMBALDA

DA 1,7 A 0,7 DA 2,5 A 1,7

SkIC=

Cu

DEPOSITI DI KUROKOCu

Cu

Cu

Pb, Zn, AgNi Ni

Au, Ag

—Cu

DA 2,5 A 0,7 DA 3,8 A 1,7

LE SCIENZE n. 275, luglio 1991 5958 LE SCIENZE n. 275, luglio 1991

aARCHEANO ANTICO FAGLIA SOTTOMARINA3,8-3,0 MILIARDI DI ANNI FA FOSSA TETTONICA

NICHEL FERRO

OCEANO ORO

SEDIMENTI

MANTELLO

CROSTAGNEISSICASOTTILE

FLUSSI ULTRAFEMICIE INTRUSIONI

FLUSSI BASALTICI

FAGLIA

ARCHEANO RECENTE3,0-2,5 MILIARDI DI ANNI FA

VULCANO SOTTOMARINO

PIOMBO E ZINCO

FLUSSI RIOLITICI

RAME

BASALTO

FLUSSIINTERMEDI

SUBSIDENZA

DEPOSITIFERRIFERISOTTILI

ATMOSFERARIDUCENTE

PROTEROZOICO ANTICO2,5-1,7 MILIARDI DI ANNI FA

VENAAURIFERAARCHEANA

ORO IN PAGLIUZZEE PEPITE

OCEANO

INTRUSIONI STRATIFICATE- CON DEPOSITI DI CROMO,

NICHEL E PLATINO

PROTEROZOICO MEDIO E RECENTE1,7-0,7 MILIARDI DI ANNI FA

URANIO E RAMEIN DEPOSITI OSSIDATI

CALCARI

DEPOSITIDI PIOMBOE ZINCO

ARGILLOSCISTI NERI

-TORBIDITI

RAME, ARGENTO, COBALTOE PIOMBO IN DEPOSITISEDIMENTARI

LETTI ROSSI

T

T

CONOIDEALLUVIONALE

FORMAZIONEFERRIFERAA BANDE

SEDIMENTIA GRANA FINE

nore , prodotti dalla circolazione di ac-que ricche di rame separatesi da magmi,si hanno quasi esclusivamente in zoneinteressate dai cicli orogenetici più re-centi: le Ande cilene e la Cordiglieranordamericana.

Altri tipi di depositi hanno una distri-buzione spaziale e temporale ben defini-ta, ma non sembrano affatto correlati afenomeni orogenetici. Per dare un signi-ficato ai diversi tipi di deposito, raggrup-però i relativi ambienti di formazionenon solo in base alla distribuzione glo-bale dei giacimenti minerari, ma anchein base alla natura dei fluidi di trasportoe ai regimi di tettonica sopracrostale cosìcome sono stati descritti da Hutchinson.Questo quadro deve molto a diversiscienziati, tra i quali Frederick J. Saw-kins dell'Università del Minnesota, Ri-chard Sillitoe, libero consulente di Lon-dra e Samuel Epstein e Hugh Taylor delCalifornia Institute of Technology.

T a deposizione di minerali metalliferi1-2 può essere ripartita in cinque «ere»tettoniche ognuna caratterizzata da undifferente meccanismo di trasporto deimetalli e da un diverso insieme di depo-

aDurante l'Archeano antico, i processi tetto-nici formarono depositi metalliferi nei riftdi fondo oceanico. Le lave ultrafemiche,particolarmente ricche di ferro e magnesio,reagivano con l'acqua marina, dando ori-gine alle rocce verdi primarie e ai depositia esse associati di nichel, rame, ferro e oro.

I cambiamenti dell'Archeano recente cau-sarono la fusione della crosta antica e for-marono depositi metalliferi in rocce verdisecondarie. La lava effusa sul fondo ocea-nico reagiva con l'acqua marina; si avevacosì lisciviazione di metalli come rame ezinco e precipitazione di depositi di solfuri.

Nel corso del Proterozoico antico, la faglia-zione tettonica mise a nudo i giacimenti e-sponendoli all'erosione. I fiumi trasporta-vano i metalli all'oceano, dove si aveva for-mazione di depositi ferriferi a bande, men-tre intrusioni nella crosta continentale da-vano origine a depositi di cromo e platino.

In seguito all'ossigenazione dell'atmosferaavvenuta nel Proterozoico medio e recente.si formarono depositi stratificati di rame,uranio, zinco e piombo. La dense salamoieespulse nella compattazione dei bacini sedi-mentari reagirono con i calcari producendodepositi di solfuri di piombo e zinco.

siti metalliferi. (Naturalmente maggioreè l'età del deposito, più incerta è l'inter-pretazione.) Queste sono le cinque ere:Archeano antico (da 3,8 a 3,0 miliardi dianni fa); Archeano recente (da 3,0 a 2,5miliardi di anni fa); Proterozoico antico(da 2,5 a 1,7 miliardi di anni fa); Prote-rozoico medio e recente (da 1,7 miliardia 700 milioni di anni fa); Fanerozoico (da700 milioni di anni fa in poi).

Le testimonianze geologiche anterioriall'Archeano antico sono quasi del tuttoscomparse a causa del bombardamentodi meteoriti subito allora dalla Terra edel fatto che la crosta venne totalmentericiclata nel mantello. Ma, a partire dacirca 3,8 miliardi di anni fa, possiamoiniziare a documentare gli enormi cam-biamenti che hanno plasmato la superfi-cie della Terra.

In particolare possiamo studiare comesia cambiata la modalità di trasportodei metalli. Durante l'Archeano antico,gran parte dei minerali metalliferi eradepositata, in corrispondenza o in pros-simità dei fondi marini, da eruzioni lavi-che, da cui precipitavano i solfuri che sidisponevano in strati. L'acqua marina ri-scaldata, lambendo le lave, lisciviava imetalli i quali, precipitando, ricadevanosul fondo nei pressi di bocche idroterma-li. In età più recente le acque dolci me-teoriche hanno contribuito al processodi formazione dei depositi metalliferi.(Non è chiaro, comunque, se le testimo-nianze di questo cambiamento siano rea-li o dovute semplicemente alla distruzio-ne degli esempi più antichi di mineraliz-zazione superficiale.)

Le testimonianze geologiche più anti-

che mostrano che i primi depositi metal-liferi si formarono in avvallamenti sotto-marini di forma allungata. In questi sol-chi, che spesso sono disposti a gruppiparalleli, risalivano in superficie lave pri-mitive ultrafemiche e femiche (ricchecioè di ferro e magnesio) che si espande-vano sul fondo oceanico durante la fram-mentazione dei protocontinenti. Oggi leselci, rocce silicee sedimentarie di coloregrigio e le lave a cuscino (pillow lava)riflettono l'origine sottomarina di questeantiche effusioni vulcaniche.

Grandi estensioni di crosta oceanica sioriginarono in questo modo. La compo-sizione di questa crosta subì modificazio-ni per la circolazione dell'acqua marinaattraverso le lave femiche fratturate, conformazione di minerali secondari di co-lore verdastro. Trattandosi del tipo più

antico di crosta oceanica vulcanica sino-ra identificata, Andrew Glikson del Bu-reau of Minerai Resources di Canberraha denominato questi strati di minerali«rocce verdi primarie». Sono queste lerocce incassanti di tre importanti tipi didepositi metalliferi. I solfuri di nichel edi rame, presenti come goccioline neimagmi, si disposero alla base delle laveultrafemiche, formando alcuni dei ricchidepositi di Kambalda, nell'Australia oc-cidentale, scoperti da Roy Woodall dellaWestern Mining Corporation australia-na. La reazione chimica dell'acqua ma-rina con le lave del fondo oceanico causòanche la precipitazione di sedimenti ric-chi di ferro.

Il terzo tipo di deposito trovato nellesequenze di rocce verdi primarie è costi-tuito da sedimenti auriferi contenuti in

formazioni di selci, carbonati e solfuriferrosi. Questi sedimenti sono simili aglistrati vulcanici e sedimentari sopra de-scritti e si formarono anch'essi a causa dieruzioni sul fondo oceanico poi alteratedalla circolazione di acqua marina. Nelcorso di un successivo episodio di debolemetamorfismo, questi protogiacimentistratificati furono lisciviati del loro con-tenuto in metalli, i quali poi si concen-trarono sotto forma di vene o filoni, co-me nella Abitibi Greenstone Belt inQuébec o nei campi auriferi di Kolar inIndia. Sorprendentemente, queste anti-che rocce sono rimaste relativamenteindenni.

Infine, nell'Archeano recente, l'eru-zione sottomarina ininterrotta di denselave ultrafemiche fece sì che le sequenzedi rocce verdi primarie andassero in sub-sidenza. Trovandosi a profondità sem-pre maggiori, questi strati furono sotto-posti a temperature crescenti e quindi aeffetti metamorfici via via più pronun-ciati, fino alla fusione. Si ebbe così laformazione di nuovi magmi che risaliro-no in superficie, spesso impilandosi l'u-no sull'altro in forma di sequenze di ba-salto e riolite, una roccia ricca in silicesimile al granito. Queste sequenze sonodette rocce verdi secondarie, dato che laloro formazione coinvolse la fusione e ladifferenziazione di lave più primitive.

Sempre nell'Archeano recente si for-marono sul fondo oceanico grandi depo-siti di solfuri di zinco e rame a opera didense salamoie ricche di metalli che li-sciviavano i caldi strati di materiale vul-canico sottostante. Al di sotto di questisolfuri, formatisi nei pressi di boccheidrotermali sottomarine, giacevano zonedi alimentazione percorse da una rete divene di solfuri cupriferi. I solfuri eranoin genere prodotti dopo una fase di eru-zione riolitica e durante il raffreddamen-to del materiale vulcanico sottostanteprima dell'eruzione successiva.

II terzo ambiente tettonico sopracrosta-le predominò nel Proterozoico anti-

co, quando i depositi metalliferi si for-marono in avvallamenti nei pressi o incorrispondenza di sistemi di rift conti-nentali, oppure in superficie. Sembrache i rift si siano formati presso marginicontinentali non interessati da intensaattività vulcanica orogenetica.

Gli antichi blocchi sollevati di crosta,che già contenevano depositi metalliferi,vennero erosi, dando origine alle forma-zioni sedimentarie di quell'epoca. Neiconoidi alluvionali si depositarono sedi-menti auriferi. (I corsi d'acqua agivanoda «concentratori» dell'oro, data l'altadensità di questo elemento rispetto aiminerali comuni.) I minerali pesanti siconcentrarono negli alvei dei corsi d'ac-qua. È così che in giacimenti alluvionali(piacer) come il Witwatersrand in Sud-africa si ritrova una grande percentualedelle riserve aurifere mondiali.

Al tempo stesso anche la pirite (mine-rale composto di ferro e zolfo) veniva

60 LE SCIENZE n. 275, luglio 1991 LE SCIENZE n. 275, luglio 1991 61

MOLIBDENO

LITOSFERAOCEANICA

LITOSFERACONTINENTALE

ktt, IcIzzza

CAMERA MAGMATICA

trasportata dai fiumi. Questa migrazioneindica che allora l'atmosfera era menoossidante di quanto non sia attualmente.Un'altra indicazione sullo stato dell'at-mosfera nel Proterozoico antico ci vienedall'amplissima distribuzione di depositistratificati di ossidi di ferro che ricopro-no enormi regioni, come la HamersleyRange nell'Australia occidentale e la re-gione del Lago Superiore. Secondo Hol-land, queste formazioni ferrifere a ban-de si sarebbero formate per sedimenta-zione chimica: acque marine fredde, po-vere di ossigeno e ricche di ferro in solu-zione si incontrarono con acque superfi-ciali ossigenate e il mescolamento con-dusse alla precipitazione di ossidi fenici.

Ma la creazione di formazioni ferrife-re a bande cessò repentinamente circa1,8 miliardi di anni fa, quando l'atmo-sfera si arricchì in ossigeno. La mobili-tà del ferro bivalente disciolto diminuìquando questo elemento cominciò a os-sidarsi in una forma assai poco solubile.Il metallo, liberato dal processo di alte-razione chimica delle rocce, veniva im-mediatamente fissato all'affioramentosotto forma di ossidi stabili, come ema-tite e magnetite; non poteva dunque fi-nire nei fiumi e da essi all'oceano, comeavveniva in precedenza.

Al tempo stesso:un altro tipo di de-posito metallifero cominciò a formarsinei cratoni continentali, zone stabili erigide nel cuore dei continenti. Per laprima volta nella storia geologica si eb-bero intrusioni femiche in una crostacontinentale ispessita, le quali riempiro-no grandi camere magmatiche. Per inte-razione con le rocce incassanti da questimagmi precipitarono depositi di ossidi dicromo, ferro e titanio, così come i piùgrandi depositi di platino del mondo: ilcomplesso Bushveld in Sudafrica e ilcomplesso Stillwater nel Montana.

Dopo l'ossigenazione dell'atmosfera,la mobilità di molti metalli - fatta ecce-zione per il ferro bivalente - ebbe un in-cremento. Questo cambiamento segnal'inizio del Proterozoico medio, circa 1,7miliardi di anni fa. I rift continentali fu-rono ancora sede di deposizioni di me-talli e in questo periodo si formaronosedimenti continentali rossi, ossidati,che inglobavano ematite. L'oceano inva-se poi questi «letti rossi», portando alla

deposizione di sedimenti organici e ric-chi di solfuri. Questa sequenza stratifi-cata facilitò le reazioni chimiche tra i duetipi di deposito, reazioni che a loro voltafavorirono un'alta mobilità dei metalli.

L'evaporazione in regioni aride aimargini dei continenti cominciò a indur-re un flusso d'acqua verso l'alto dai lettirossi ossidati. Questo flusso portò i me-talli a contatto con i sovrastanti argillo-scisti neri, che contenevano solfuri in ab-bondanza. Di conseguenza, negli argil-loscisti si depositarono solfuri di cobaltoe di rame, come avvenne in Africa nelCopper Beli dello Zambia.

Come il rame, anche l'uranio si mobi-lizzò alla superficie. L'alterazione chimi-ca di graniti contenenti uranio portò auna consistente rideposizione di questoelemento in corrispondenza di discor-danze geologiche e di rift continentalidove si accumulavano detriti grossolani.(Le discordanze sono i contatti fra le roc-ce sedimentarie e il basamento, visibiliin superficie laddove prevale un regimedi erosione.)

Ai margini di spessi bacini sedimenta-ri i calcari subirono una metasomatosia opera di soluzioni sovrasature acideespulse dalla compattazione del bacino.Come è stato descritto da Dimitri A.Sverjensky della Johns Hopkins Univer-sity, i depositi di piombo e zinco dellavalle del Mississippi si formarono in que-sto modo per neutralizzazione, .

Il Fanerozoico è il quinto e ultimo pe-riodo di deposizione sopracrostale di mi-nerali metalliferi. Essendo l'era più re-cente della storia terrestre, è stato pos-sibile chiarirne abbastanza bene tutte levicende. Molti processi di trasporto flui-do sono tuttora operanti e possono esse-re studiati direttamente sul campo anzi-ché attraverso modelli teorici.

La configurazione attuale dei conti-nenti e degli oceani è il risultato dellaframmentazione di un protocontinente,che iniziò circa 200 milioni di anni fa conl'espansione dei fondi oceanici. La con-vezione a grande scala nel mantello hadiviso la litosfera in vaste zolle mobili.Gran parte della deposizione di mineralimetalliferi avviene ai margini delle zolle,laddove esse si formano, vengono defor-mate o vanno in subduzione.

Gli ambienti fanerozoici di formazio-

ne dei giacimenti metalliferi sono diver-sificati e comprendono un'ampia varietàdi fluidi: magmi silicatici intrusivi edeffusivi, acqua marina e acqua meteori-ca. Di conseguenza, molti metalli impor-tanti si sono depositati in tipi diversi digiacimenti.

Si sono potute fare osservazioni parti-colarmente entusiasmanti sui fondi ma-rini. Le ofioliti, che sono interpretate co-me «fette» di antica crosta oceanica,contengono spesso grandi depositi di sol-furi cupriferi. In seguito allo spostamen-to laterale sul «nastro trasportatore»astenosferico, questi depositi si trovanoora collocati ai margini continentali. Fi-no da quando fu proposta la teoria dellatettonica delle zolle, gli scienziati hannopensato che questi giacimenti si fosseroformati in corrispondenza dei centri diespansione oceanica, per lisciviazione dimetalli da parte dell'acqua marina e suc-cessiva loro precipitazione sotto formadi solfuri. Di fatto i batiscafi hanno per-messo di osservare aree di attività idro-termale. Le ipotesi hanno trovato con-ferma quando sono stati individuati sulfondo i fumatori neri, camini di boccheidrotermali formati da solfuri metallici.

La subduzione di crosta oceanica incorrispondenza dei margini continentalisede di orogenesi sembra essere causadella fusione parziale sia della crostaoceanica stessa sia della crosta continen-tale sovrastante. I magmi in risalita ven-gono eruttati dai vulcani di tipo andinodell'America Settentrionale e Meridio-nale. Occasionalmente questi magmi, sesono abbastanza ricchi di acqua, libera-no un fluido acquoso lungo il loro per-corso ascendente e quindi solidificano. Isali contenuti nei magmi e il rame fini-scono nella frazione acquosa, che espan-dendosi violentemente frantuma le roc-ce circostanti. I fluidi acquosi circolanoin questa rete di fratture, spinti dal calo-re liberato dal magma che va raffreddan-dosi. I fluidi e le rocce interagiscono for-temente, facendo precipitare i solfuri cu-priferi; questo meccanismo avrebbe da-to origine ad almeno tre quarti delle ri-serve di rame conosciute.

Un nuovo tipo di deposito auriferocorrelato alla subduzione è stato ricono-sciuto in un ambiente che era stato ini-zialmente sfruttato per l'estrazione del

Durante il Fanerozoico si stabilirono centri di espansione dei fondi La formazione dei depositi metalliferi continua quando il magmaoceanici e zone di subduzione e di orogenesi ai margini continentali, reagisce con l'acqua marina e si intrude nella crosta continentale.

62 LE SCIENZE n. 275, luglio 1991

ZONA LISCIVIATA

ZONA NON SATURA E OSSIDANTEE OSSIDATA

L'alterazione meteorica è di fondamentale importanza per la concentrazione dei metalli.Al di sopra della falda freatica i pori della roccia contengono aria, che ossida il rame ren-dendolo solubile. Quando il rame raggiunge la falda, dove le condizioni sono meno ossidan-ti. riprecipita. Questo arricchimento secondario rende conveniente l'estrazione del rame.

FAGLIE LIVELLO DELLA FALDAPERMEABILI

CORPOMINERALIZZATOARRICCHITO

ALVEOFLUVIALE

DEFLUSSODELLE ACQUESUPERFICIALIPROTO-

GIACIMENTODI SOLFURI ZONA SATURA E RIDUCENTE

*INTRUSIONE

mercurio. (È ben nota l'affinità del mer-curio per l'oro, comunemente utilizzatanei processi di amalgamazione.) Questodifferente tipo di deposito, riconosciutoda Don Gustafson, libero consulente diReno, nel Nevada, si ha al contatto per-meabile, segnato da faglie, tra i sedimen-ti marini «raschiati» dalla zolla pacificain via di subduzione e le arenarie sovra-stanti, dove si è avuta attività idroterma-le in prossimità di centri vulcanici.

Faglie di dimensioni regionali control-lano altri tipi di sistemi di vene aurifere- come nel caso della Mother Lode inCalifornia - guidando la circolazione digrandi quantità di fluidi acquosi attra-verso rocce incassanti metamorfiche.Come sostiene John K. F. P. Bohlke ,che ha lavorato presso l'Argonne Natio-nal Laboratory, la Mother Lode potreb-be in effetti segnare quella che un tempofu una zona di subduzione lungo la qualele acque marine odi origine metamorficacircolavano fino a grandi profondità.

L'oro eroso da giacimenti primari co-me la Mother Lode si deposita sotto for-ma di pepite e pagliuzze nella sabbia tra-sportata dai corsi d'acqua. Questi depo-siti secondari sono per molti aspetti ver-sioni più recenti e ridotte degli antichiconglomerati auriferi e uraniferi del Wit-watersrand. Molti depositi metalliferiprimari formatisi nel Fanerozoico sonostati scoperti risalendo alla fonte dei de-positi secondari superficiali.

Oltre all'oro, anche lo stagno e altriminerali pesanti si accumularono neglialvei dei corsi d'acqua durante il Fane-rozoico per trasporto erosionale dallearee montuose di origine. L'accumulo dialtri metalli, come alluminio, nichel eanche oro avvenne in zone pianeggianti,dove l'erosione era minima. Questi de-positi subsuperficiali si formarono peralterazione chimica delle rocce in condi-zioni ossidanti.

Le bauxiti e le lateriti - accumuli resi-duali di alluminio e ferro - si trovano inregioni dove il clima tropicale, con fre-

quenti piogge e alte temperature, favorìintense reazioni chimiche tra le acquesuperficiali e le rocce. La lisciviazioneasportò la maggior parte degli elementi,.ma lasciò in posto un residuo arricchitoin minerali insolubili contenenti allumi-nio, nichel e oro. Abbiamo dimostratoche, oltre all'alterazione chimica, la de-.posizione di polvere alluminifera tra-sportata dal vento può contribuire all'ar-ricchimento dei depositi di bauxite.

T a combinazione di aria e acqua è par-ticolarmente efficace nel trasporto

locale di metalli nel sottosuolo. L'atmo-sfera attuale ricca di ossigeno ha un ruo-lo fondamentale in questo trasporto re-gionale che provoca l'arricchimento se-condario dei depositi metalliferi, cosìimportante dal punto di vista economi-co. Per quanto molti elementi venganolisciviati dalle acque superficiali, comeabbiamo evidenziato poc'anzi, alcuni,come il rame, vengono poi riprecipitati.

Le rocce al di sopra della falda freaticapresentano pori e fratture pieni d'aria.In presenza di ossigeno, la pirite e lamaggior parte dei solfuri si ossidano dan-do acido solforico e ioni metallici mobili.Migrando verso il basso, le acque acideche portano gli ioni in soluzione incon-trano la falda freatica. Qui le condizionidiventano riducenti e il rame precipitacome solfuro. Questo processo arricchi-sce il minerale al di sotto della falda frea-tica, talvolta di un fattore due o più. Inmancanza di arricchimento secondario,gran parte dei depositi cupriferi non sa-rebbe sfruttabile economicamente.

Gli ambienti di alterazione sono forsei più noti fra i sistemi di formazione didepositi metalliferi, in quanto coinvol-gono la migrazione di fluidi verso il bas-so. L'acqua lascia esposto in superficieun residuo lisciviato e ossidato del mine-rale metallifero originario. I minatoripossono così scavare nella zona sotto-stante di arricchimento secondario, ilche permette di studiare molto facilmen-

te questi depositi, a differenza di quantosi può fare per la parte primaria del si-stema. Questo arricchimento non si sa-rebbe potuto avere prima dell'ossigena-zione dell'atmosfera, come indica la pre-senza di pirite nel Witwatersrand.

Dato che l'arricchimento per ossida-zione si ha in prossimità della superficieed è correlato a fattori idrologici comela posizione della falda freatica, esso è indefinitiva controllato dai cambiamenticlimatici che influenzano le precipitazio-ni. Le condizioni ottimali per l'arricchi-mento secondario del rame sono rag-giunte durante una transizione da climaumido a clima secco, dato che l'abbassa-mento della falda freatica espone mag-giormente i solfuri primari all'alterazio-ne ossidante. Charles Alpers, attual-mente alla McGill University di Mon-treal, e il sottoscritto hanno dimostratocome il forte arricchimento dei depositicupriferi nel deserto di Atacama in Cilesia avvenuto 15 milioni di anni fa, duran-te una grande transizione climatica .

Oltre a fornire i presupposti per l'ar-ricchimento, le transizioni climatiche so-stengono anche un meccanismo di retro-azione necessario per la conservazionedei depositi arricchiti. Al diminuire delleprecipitazioni fino alle attuali condizioniiperaride , il tasso di erosione nel desertodi Atacama è sceso di pari passo, per-mettendo la preservazione dei depositi.

Dalla loro formazione alla loro modi-ficazione in superficie, i depositi

metalliferi sono geologicamente transi-tori e riflettono processi dinamici internialla Terra, oltre alle influenze atmosfe-riche e climatiche sul sistema idrologico.In quanto sistemi sopracrostali altamen-te reattivi, questi depositi fungono dasensori geochimici che forniscono unaquantità di elementi indicatori per de-durre la storia, le vie di trasporto e leforze operanti nella crosta. Via via chesi conoscono meglio le complesse moda-lità di trasporto degli «antichi» metallifino ai siti di deposizione, diviene evi-dente quali delicati equilibri Siano neces-sari per la preservazione dei depositi me-talliferi. I futuri studi permetteranno diarrivare a valutazioni quantitative deiprocessi qui illustrati.

BIBLIOGRAFIA

HUTCHINSON R. W., Mineral Depositsas Guides to Supracrustal Evolution inEvolution of the Earth, a cura di R. J.O'Connell e W. S. Fyfe, AmericanGeophysical Union, 1981.

FREDERICK L SAWKINS, Metal Depo-sits in Relation to Plate Tectonics, Sprin-ger-Verlag, 1984.

BRIMHALL GEORGE H., Preliminar),Fractionation Patterns of Ore Metalsthrough Earth History in «ChemicalGeology», 64, n. 12, 25 agosto 1987.

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