Prof. S. Lo Mnaco/ (Geoqumica, 2.008)

1 TEMA 11: EL CICLO GEOQUMICO 1. Ser capaz de criticar los siguientes conceptos aplicados a la tierra como sistema fsico-qumico:

a) Sistema Aislado b) Sistema Cerrado c) Sistema abierto

2. Criticar los conceptos de Energa Libre y Entropa aplicados al Universo, Sistema Solar y la Tierra. 3. Entender la distribucin de elementos qumicos en la tierra y los factores que lo regulan desde su

origen hasta el presente. 4. Entender la importancia del ciclo geoqumico hacia el entendimiento de cada elemento en particular.

El ciclo geoqumico puede considerarse como la aplicacin del concepto de geoqumica, en el entendimiento de las interacciones existentes entre las diferentes esferas geoqumicas. Tambin puede entenderse como el movimiento migratorio de especies qumicas debido a procesos geolgicos, tomando como punto de partida el interior de la tierra, puntos intermedios, la corteza y las geosferas externas, y regreso al punto de partida, o al interior de la tierra.

Las rocas funden en el manto superior para generar fluidos, magmas y slidos desgasifcalos (minerales) que forman rocas gneas en la corteza profunda (intrusivas) y que pueden ser expuestas durante la orognesis, adicionalmente estas rocas pueden formarse cerca de la superficie en las cordilleras centro ocenicas, en las zonas de subduccin y en los puntos calientes. Estos slidos desgasificados son estables a altas T y P, las fases fluidas que llegan al exterior se condensan o reaccionan con las rocas gneas expuestas, dando hidrolizados, oxidados y fases carbonticas que son estables a P y T bajas. Estas fases, por metamorfismo y anatexis o resorcin en fases profundas, vuelven al interior del sistema y regeneran el ciclo.

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2 La concepcin del ciclo geoqumico comienza con la interpretacin del sistema Tierra como un conjunto o agregado de elementos qumicos. Estos elementos tuvieron su origen a un tiempo especfico de la historia del universo. La abundancia relativa de los elementos fue determinada por la estabilidad de los istopos, es decir, n de protones y neutrones y la energa de enlace internuclear.

La formacin en si del planeta es producto de una diferenciacin cosmoqumica de los elementos, atendiendo a su volatilidad o capacidad de formar compuestos voltiles (la tierra est empobrecida en voltiles).

La separacin de la tierra en capas (ncleo manto silicatado), condujo a una diferenciacin marcada de los elementos qumicos, atendiendo a su afinidad por el Fe metlico, fase sulfuro o silicatos. Dicho fraccionamiento fue controlado por el nmero y arreglo de los electrones de valencia o por el potencial qumico.

La solidificacin del planeta y creacin de una corteza slida por el proceso de cristalizacin magmtica, produjo una diferenciacin elemental controlada principalmente por el potencial inico (Z/ri) y la electronegatividad.

Esta serie de diferenciaciones est controlada por un proceso que uniformiza y que tiende a cerrar el ciclo METAMORFISMO. El efecto del metamorfismo es producir una litosfera de composicin homognea. En comparacin con la composicin de rocas jvenes, las rocas del Arqueano son principalmente gneises de composicin grantica muy uniforme, como resultado de sucesivas reacciones de metamorfismo y metasomatismo. El cuadro global de la migracin de elementos qumicos en la parte exterior de la tierra, puede visualizarse a travs del siguiente ciclo geoqumico generalizado.

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3 ENERGA ASOCIADA AL CICLO GEOQUMICO

El intercambio de materiales en el ciclo est bien entendido, muy estudiado El intercambio de energa en el ciclo no est bien entendido, poco estudiado

El Planeta Tierra como Sistema

Universo: Sistema que espontneamente disminuye su energa libre y aumenta su entropa.

G (G < 0); S (S > 0) 2 ley de la termodinmica

Existen fluctuaciones menores como:

Depsitos Biognicos: (G> 0); (S < 0) a expensas de la energa solar (fotosntesis)

Principales Fuentes de Energa: El ciclo geoqumico evoluciona debido a las transformaciones entre formas de energa.

1.- Radiacin Solar: Combustin nuclear, solo 5*10-8 de la energa que sale del sol irradia a la tierra y de esta el 50% es reflejada.

Radiacin promedio recibida en la superficie

4,2*10-3 Cal/cm2.seg 66750*1020 Cal/ao

0.1% fotosntesis (energa qumica) 15% es absorbida. Resto: evaporacin del agua de mar

La energa solar es importante en la parte exgena del ciclo geoqumico (interfase Litosfera, atmsfera, hidrosfera y biosfera).

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4 2.- Energa mecnica:

Energa Solar (Evaporacin de H2O) Energa mecnica

H2O Atmosfrica (E. Potencial)

Lluvia (E. Cintica) Meteorizacin, erosin, transporte, sedimentacin Ros Lagos Mares

Rotacin de la Tierra Vientos olas (E. Cintica)

Interaccin Tierra Luna Sol Mareas (E. Cintica E. Potencial)

3.- Energa de Reaccin: Cambios de Estado

T (cristalizacin magmtica) Exotrmica (H < 0) T (Metamorfismo) Endotrmica (H > 0)

4.- Energa Nuclear: Desintegracin Radiactiva (Masa Energa + Calor). Principales fuentes: U235, U238, Th232 y K40. La produccin de calor por radiactividad actual es menor que en el pasado.

5.-Contenido calrico de la tierra: Modo vibracional de los tomos constituyentes, principalmente producto de la radiactividad y calor remanente (agregacin condrtica). Se balancea por conveccin. El calor se transfiere principalmente por conduccin y actividad gnea.

En trminos del ciclo geoqumico:

El movimiento ascendente del magma provee cierta cantidad de energa. La fusin localizada en los puntos calientes parece ser la fuerza iniciadora de la actividad gnea. El magmatismo se concentra en los bordes de placas activos (convergentes y divergentes). La

fuerza tectnica involucrada promueve la formacin de grandes sistemas de fracturas que actan como centro de desbalance de P y T (gases portadores de calor provenientes de zonas profundas) mas reacciones qumicas de deshidratacin, suministran energa para la produccin de magmas.

La energa trmica del magma se disipa en los alrededores por solidificacin. La energa cintica del magma disminuye al bajar su temperatura. La energa potencial del magma disminuye con el arreglo cristalino. La meteorizacin y la erosin, por una parte liberan la energa correspondiente a los arreglos

cristalinos de alta P y T, y por otra parte la energa asociada a sistemas de cordilleras, reduciendo de esta forma, el material trabajado a un estado de menor energa.

Las reacciones de meteorizacin qumica son espontneas e irreversibles en las condiciones de P y T ambientales y conducen a un descenso de G.

El nico proceso superficial que conduce a un aumento de G es la conversin de CO2 y H2O a molculas orgnicas, usando para ello la energa solar.

La tendencia anterior se invierte con el metamorfismo. La energa gravitacional y trmica se convierten en energa qumica por reacciones endotrmicas al formar compuestos de alta densidad.

Un aumento considerable de T puede vencer las fuerzas cristalinas y producir fusin y la regeneracin de magmas.

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5 Una buena parte de la energa que mueve el ciclo geoqumico es suministrada por la

desintegracin radiactiva de elementos dentro de la corteza, suplida en parte por el calor interno del planeta.

El concepto de ciclo geoqumico representa una base sobre la cual se puede discutir acerca del destino de una especie qumica a medida que migra a travs de las geosferas como consecuencia de procesos geoqumicos.

El ciclo geoqumico no es ideal. Un elemento puede tender a concentrarse en un reservorio o puede permanecer disperso a travs

del ciclo geoqumico. El desarrollo de un ciclo geoqumico para un elemento debe tomar en cuenta:

a. Concentracin del elemento en un compuesto dado. b. Tiempo de residencia (velocidad de intercambio) c. Interaccin dentro del reservorio. d. Interaccin entre reservorios.