La mobilità degli elementi chimici

Gli ioni contenuti nella parte sinistra del diagramma sono quelli che in soluzione si presentano sotto forma di cationi semplici. Gli ioni nella parte centrale del diagramma sono quelli che formano idrossidi insolubili. Gli ioni nella parte destra del diagramma sono quelli invece che diventano solubili grazie alla formazione di gruppi anionici complessi.

La mobilità geochimica di ogni singolo elemento e quindi la sua ripartizione fra fasi fisse (matrici solide) e fasi mobili la sua modalità di circolazione nelle acque naturali la sua biodisponibilità la composizione delle acque naturali dipendono oltre che dalla composizione elementare e mineralogica delle rocce, dai fattori interni intrinseci di ogni elemento (es.: z/r) da condizioni chimico-fisiche (T °C, pH, Eh, attività delle specie disciolte), condizioni ambientali, e condizioni idro-dimamiche. La mobilità dei singoli elementi chimici sarà inoltre da porre in relazione a - formazioni di complessi chimici, - fenomeni di assorbimento e scambio ionico con matrici solide (anche colloidi), - processi di dissoluzione e precipitazione - processi di attività biologica Per esempio condizioni di pH e condizioni Redox (Eh) saranno determinanti per comprendere la mobilità di elementi contraddistinti da numerosi stati di ossidazione (es. composti contenenti ferro, composti contenenti zolfo).

Diagrammi Eh – pH Sono fondamentali per comprendere la speciazione di molti elementi chimici e la loro mobilità.

Questi diagrammi sintetizzano studi sperimentali di laboratorio in condizioni controllate

Questi diagrammi sintetizzano studi sperimentali di laboratorio in condizioni controllate

Nei processi di interazione acqua-roccia, gli elementi più mobili tenderanno a passare in soluzione per primi, e nelle rocce alterate risulteranno impoveriti rispetto alle corrispondenti rocce fresche. Un approccio quantitativo si potrebbe avere guardando simultaneamente analisi chimiche di una roccia e delle acque che in questa circolano...

In tale tabella le analisi sono difficili da comparare anche perchè sono espresse in ossidi per la roccia e in ppm per l’acqua.... Tuttavia anche con tale approccio emerge che per esempio l’alluminio è il meno mobile degli elementi presi in considerazione.

Una migliore comparazione della mobilità relativa dei vari elementi si può ottenere analizzando composizioni chimiche delle rocce e del residuo fisso contenuto nelle acque (entrambe le analisi sono espresse in ppm) che in queste circolano.

Da tale semplice tabella emerge che alcuni elementi vengono ripartiti preferenzialmente nella fase fluida (es.: Ca, Na, F, B), mentre altri rimangono preferenzialmente nella matrice solida (es. Al, Zn, Cu, Pb).

Stime quantitative della mobilità degli elementi si potrebbero ottenere anche confrontando la composizione chimica di rocce fresche (es. colonna I nell’esempio preso in esame) e dei corrispettivi alterati (saprolite o regolite; colonna III dell’esempio). Una reale stima della mobilità elementare (tesa a comprendere ciò che è uscito dal sistema) durante il processo di alterazione della roccia fresca e della sua trasformazione in saprolite (detto anche regolite) non può essere tuttavia desunta con una semplice differenza fra i valori riportati in colonna I con quelli riportati in colonna III.

E’ necessario tenere in considerazione che durante la trasformazione da roccia fresca a saprolite vi è una generale perdita in peso (in quanto il sistema è aperto, e una significativa quantità di materia è allontanata dal sistema).

Per cui, se idealmente immaginiamo che l’analisi I è riferita a un volume di roccia pari a 100 g di materiale (contenenti in questo caso 71.48 g di SiO2, 14.61 g di Al2O3, 0.69g di Fe2O3 ecc ecc) l’analisi III non sarà più riferita a 100 g di roccia bensì ad un volume inferiore. Quindi nel saprolite che si è ottenuto da 100 g di roccia fresca non avremmo 70.51 g di SiO2, bensì 70.51 x un “coefficiente di perdita in peso” (che sarà ovviamente minore di uno).

Roccia fresca

100 g

Analisi I

Saprolite

Analisi II

79.4 g Coeff Perdita in peso = 14.61/18.4=0.794

Roccia fresca

100 g

Analisi I

Saprolite

Analisi II

79.4 g Coeff Perdita in peso = 14.61/18.4=0.794

I grammi di SiO2, Fe2O3, FeO, MgO (ecc.) effettivamente rimasti nel sistema si otterranno moltiplicando le concentrazioni della colonna II per questo coefficiente (0.794) ottenendo i contenuti riportati in colonna A. La differenza fra i numeri di colonna I e quelli in colonna A mi daranno le reali perdite in peso (a partire da 100 g) per ogni sostanza (colonna B). La colonna C mi esprime dette perdite in % rispetto alla quantità originale. Tutti gli ossidi, seppur in modo differente, tendono a diminuire ad eccezion fatta per l’alluminio (di cui si è assunta a priori l’immobilità) del Fe2O3 (che aumenta a causa dell’ossidazione) e della quantità di H2O che aumenta in quanto compaiono nel saprolite molti minerali idrati non presenti nella paragenesi mineralogica iniziale.

Roccia fresca

100 g

Analisi I

Saprolite

Analisi II

79.4 g Coeff Perdita in peso = 14.61/18.4=0.794

Roccia fresca

100 g

Analisi I

Saprolite

Analisi II

79.4 g Coeff Perdita in peso = 14.61/18.4=0.794

Un’idea generale della mobilità elementare e del chimismo delle acque di una determinata regione potrebbe essere fornita da un grafico come questo in cui vengono riportati i risultati di migliaia di analisi con curve di frequenza cumulativa delle concentrazioni dei distinti elementi.

Se oltre alla composizione della acque, in una certa regione sono note anche le composizioni delle rocce madri e dei sedimenti da queste prodottisi si potrebbe fare un grafico simile In tale diagramma si pùo notare che diversi elementi hanno diverso comportamento e quindi diversa mobilità nei processi supergenici. Esistono elementi come Si, Al, Fe fra i maggiori e Ti, Mn, V, Co, Ni fra i minori che sembrano non avere affinità per la fase fluida. Tali elementi nei processi di alterazione tendono evidentemente a concentrarsi in fasi secondarie di neoformazione. Altri elementi (es. Ca, Mg, Na, K, B, C, S) tendono invece ad entrare preferenzialmente in soluzione e sono quindi estremamente più mobili. Esistono anche elementi a comportamento intermedio.

Nel valutare la mobilità degli elementi, è interessante notare come varia la composizione delle acque al variare della loro conducibilità elettrica (collegata alla quantità totale di sali in esse disciolte). Tale grafico è stato preparato dall’elaborazione di migliaia di analisi chimiche di acque della nostra penisola.

Si evincono diversi gradi di mobilità fra le sostanze prese in considerazione. Alcuni di questi componenti molto importanti nelle acque a bassa salinità sembrano non aumentare particolarmente nelle acque più salate. Ciò è probabilmente significa che vengono raggiunte le condizioni di saturazione di alcune fasi solide che contengono tali elementi, che precipitando tamponano un loro ulteriore aumento in soluzione. In generale si osserva che passando da acque a bassa salinità ad acque più salate vi è una graduale trasformazione da acque Carbonato-alcalino terrose a acque clorurate alcaline.

Studi sulla mobilità elementare sono di notevole importanza per studiare contaminazioni in atto.

Studi sulla mobilità elementare durante una contaminazione in atto richiedono che le analisi geochimiche vengano elaborate. Modelli di diffusione delle sostanze inquinanti possono delineare l’entità della problematica, e permettere di sviluppare e prevedere scenari futuri.