Serpentinite carbonation at Montecastelli Pisano (Tuscany, Italy): Implications for CO2-mineral sequestration in ultramafic rocks

La carbonatazione minerale, descritta da una reazione esotermica tra silicati e/o ossidi e fluidi ricchi di CO2 con la conseguente precipitazione di carbonati stabili nel tempo, è una strategia promettente per mitigare l’aumento della concentrazione di CO2 in atmosfera e i relativi effetti climatici. Le rocce serpentinitiche sono considerate come un “feedstock” idoneo per la carbonatazione minerale, sia per il contenuto in minerali magnesiaci che per l’abbondanza in natura. Inoltre, esse si possono trasformare naturalmente in carbonati di magnesio fornendo una nuova conoscenza nel processo di carbonatazione. Infatti, la comprensione di questi analoghi naturali per la carbonatazione minerale è un passo importante nell’attuazione e ottimizzazione dei processi per lo stoccaggio industriale del carbonio nei minerali. La Toscana fornisce eccezionali esempi di analoghi naturali per il sequestro mineralogico della CO2. In queste aree, la CO2 atmosferica è spontaneamente sequestrata attraverso la dissoluzione e la successiva carbonatazione degli affioramenti serpentinitici di Montecastelli (Toscana, Italia). In particolare, per quanto riguarda questo studio di dottorato, sono state scelte tre aree della zona di Montecastelli: (i) una grande scarpata posta sul lato occidentale del Fiume Pavone; (ii) i tunnel della miniera di rame di Montecastelli e (iii) una piccola discarica posta vicino all’uscita del tunnel superiore della miniera. Il progetto si è focalizzato su un approccio multidisciplinare coinvolgendo diverse tecniche tra cui una caratterizzazione petrografica, geochimica e isotopica di selezionate matrici solide, liquide e gas nelle tre aree di Montecastelli. La presenza di duniti serpentinizzate ricche di brucite ospitate in harzburgiti anch’esse, serpentinizzate ma prive di brucite, è essenziale nell’accelerare la carbonatazione nell’area di Montecastelli. La carbonatazione delle serpentiniti è fortemente catalizzata da questi litotipi ricchi di brucite, mostrando un effetto pervasivo con la precipitazione di Mg-Fe LDH e carbonati idrati di Mg. Al contrario, le harzburgiti serpentinizzate, prive di brucite, non sono significantemente affette da carbonatazione. Patine e croste di carbonati idrati di Mg ± aragonite possono formarsi sulle superfici della roccia, senza mai raggiungere un effetto pervasivo come è stato invece osservato nelle duniti serpentinizzate ricche di brucite. L’infiltrazione delle acque meteoriche subisce molteplici interazioni con il suolo, acquistando una firma isotopica del carbonio negativa, e con l’ospitalità nelle rocce ultramafiche serpentinizzate, cambiando la loro composizione chimica (Mg > 55 mg/L) e il pH (~8.5). Le acque risultanti mostrano simili costanti caratteristiche chimiche (sia nella scarpata sia nella miniera) suggerendo un serbatoio sotterraneo e un’ampia circolazione. Il deflusso e la circolazione delle acque nelle serpentiniti sono evidenziati da una precipitazione diffusa di aragonite, come confermato dalla nostra modellazione. In corrispondenza dei corpi dunitici serpentinizzati ricchi in brucite, la circolazione delle acque dissolve quantità di brucite, aumentando così il loro contenuto in Mg. Le differenti combinazioni della dissoluzione della brucite, insieme con la locale evaporazione, e/o un aumento di temperatura, risultano i meccanismi chiave nella precipitazione dell’idromagnesite. In quantità minore, l’aria umida potrebbe contribuire alla formazione dell’idromagnesite con la sua condensazione ed evaporazione sulla superficie esterna della roccia. Questo sottile velo d’acqua condensato, reagendo con la brucite o mescolandosi con le acque infiltrate, è un altro processo da tener in considerazione nella formazione dell’idromagnesite. Questo meccanismo, che ha un ruolo marginale nelle duniti serpentinizzate e carbonatate, acquista una fondamentale importanza nella miniera. Qui, le acque di percolazione sono sature in aragonite (come confermato dalla presenza del flowstone di aragonite), ma non possono reagire localmente con le duniti presenti per raggiungere la saturazione dell’idromagnesite. Infatti, l’acqua di condensa e la sua reazione con la superficie esterna dell’harzburgite serpentinizzata producono le sottili croste di idromagnesite osservate. I nostri modelli genetici sono stati confermati dal programma geochimico PHREEQC e tramite il modello di distillazione isotopico basato sulle equazioni di Rayleigh. Infine, le evidenze dell’attività microbica sono state osservate nelle croste carbonatate, all’interfaccia con il serpentino e all’interno della tessitura carbonatica. Il ruolo dei microorganismi osservati, fotosintetici e non fotosintetici, non è ancora chiaro. Solo in alcune aree sembrano influenzare il processo di carbonatazione, mentre in altre conducono solo un ruolo passivo.