Geochimica

La geochimica è una branca della chimica e una disciplina delle scienze della Terra che studia le unità geologiche e le loro componenti, osservando la loro evoluzione nello spazio e nel tempo, attraverso indagini sulla distribuzione e sul comportamento degli elementi chimici, dei loro diversi isotopi e delle loro combinazioni in molecole.

Il termine "geochimica" venne per la prima volta utilizzato nel 1838 da Schönbein,^[1] scopritore dell'ozono. Agli inizi del secolo scorso si svilupparono, tra le altre, le opere di Goldschmidt e Vernadskij, i due ricercatori che maggiormente contribuirono al consolidamento di questa disciplina.

Branche

La geochimica dell'idrosfera, o idrogeochimica, è un'area specifica della geochimica che tratta i processi di alterazione chimica delle rocce, come idratazione, idrolisi, ossidazione, e la loro interazione con l'ambiente ed i sistemi idrico e atmosferico;inoltre tratta gli aspetti chimici delle acque superficiali e sotterranee, come la loro salinità, clorinità, tempo di residenza degli elementi ecc. Mentre l'idrogeochimica pone particolare attenzione alle acque di falda o lacustri, l'oceanografia chimica si occupa invece di studiare gli aspetti e processi chimici che riguardano le acque oceaniche.

Un particolare settore della geochimica è la geochimica isotopica, dedicato allo studio dei diversi rapporti che gli isotopi possono avere nella composizione delle rocce, dei sali disciolti e nell'acqua.

La geochimica ambientale si occupa dei risvolti ecologici dei cicli geochimici e dell'impatto antropico su tali cicli, dell'inquinamento delle acque naturali, del suolo e delle relative strategie di contrasto, ponendo particolare attenzione sul rischio geochimico.

La geochimica organica è una branca che si occupa particolarmente dello studio dei processi e dei composti organici derivanti dagli organismi viventi o precedentemente morti e del loro impatto geologico; la geochimica del petrolio si occupa in particolare dello studio approfondito sulle fonti naturali degli idrocarburi liquidi e gassosi. La biogeochimica invece, nel suo approccio interdisciplinare, tende a soffermarsi maggiormente sugli aspetti legati ai processi biologici di scambio di materia ed energia e sulle loro conseguenze.

La geochimica non guarda solo alla risoluzioni di problemi di natura isotopica ma offre un quadro completo della situazione del cosmo, della Terra, delle acque terrestre e dei processi magmatici di tutti gli elementi da noi conosciuti. È compito della cosmochimica lo studio della distribuzione degli elementi e dei loro isotopi nel cosmo. Il concetto di volatilità geochimica è uno dei principali fattori che rende conto della diversa distribuzione degli elementi chimici sulla Terra rispetto all'universo.

Metodi e applicazioni

Lo sviluppo temporale della Terra può essere studiato applicando i metodi della geochimica. In base all'analisi degli isotopi degli elementi in tracce, che sono utilizzati come indicatori isotopici, è possibile ricostruire i processi di trasporto susseguitisi nell'arco degli anni. Lo studio degli isotopi instabili e dei loro prodotti del decadimento radioattivo permette anche di effettuare la datazione delle rocce tramite la geocronologia.

La genesi di minerali e rocce è strettamente legata alle loro caratteristiche termodinamiche, che se non comprese rendono impossibile la conoscenza dei processi magmatici e metamorfici. Accanto ai processi geochimici, un ruolo di grande rilevanza ha anche la genesi di materiale quale i sedimenti e i fossili, che possono anche essere datati. Ulteriori fattori sono rappresentati dalla stabilità dei minerali e delle rocce nei confronti della meteorizzazione, e non di meno anche dalla distribuzione e frequenza dei materiali sia nell'ambiente terrestre che nel sistema solare.

Metodi di analisi

Il riconoscimento delle rocce si basa su tre principali metodi di analisi:

micrografia: osservazione tramite microscopio ottico di un sottile strato di roccia, in particolare utilizzando luce polarizzata;
analisi chimica elementare: per determinare la composizione elementare di una roccia (concentrazione in massa dei vari elementi, in genere espressa in termini di ossidi). Inizialmente implicava l'utilizzo di reazioni chimiche specifiche necessarie a dosare ogni singolo elemento, mentre ai giorni nostri vengono sfruttate tecniche strumentali molto sensibili e accurate quali la spettrometria di massa al plasma o la spettrofotometria XRF;
analisi delle fasi tramite diffrazione dei raggi X: è possibile determinare la struttura cristallina dei componenti, e quindi le relative fasi, distinguendo ad esempio le varie forme di cristallizzazione della silice o le forme polimorfe dei minerali di calcio.

Distribuzione degli elementi sulla Terra

La distribuzione degli elementi sulla crosta terrestre vede prevalere l'ossigeno legato presente in ragione del 61,1%, seguito dal silicio col 20,4%, dall'alluminio con il 6,3%, dall'idrogeno con il 2,9%, dal calcio e dal sodio con il 2,1%, dal magnesio col 2%, dal ferro con l'1,5%, dal potassio con l'1,1% e dal titanio con lo 0,2%. La restante composizione percentuale in peso è determinata da altri elementi caratterizzati da abbondanza minore dello 0,2%.

Considerando invece l'intera distribuzione sulla Terra includendo anche il nucleo terrestre, la situazione è alquanto differente. Gli elementi più abbondanti sono il ferro col 35,4%, l'ossigeno col 27,8%, il magnesio col 17%, il silicio col 12,6%, lo zolfo e il nichel col 2,7%, il calcio con lo 0,6% e l'alluminio con lo 0,4%.

La differenza di composizione riscontrata e la maggiore o minore abbondanza di un dato elemento all'interno di un ben definito strato terrestre sono spiegati in base alla classificazione Goldschmidt degli elementi chimici.^[2]

Note

Bibliografia

G. Ottonello, Principi di geochimica, Zanichelli, 1991.
(EN) A.A. Levinson, Introduction to Exploration Geochemistry, Calgary, Applied Publishing Ltd., 1974.
(EN) W.M. White, Geochemistry.