Geografia astronomica - Minerali e rocce

Un minerale è una sostanza naturale solida, con due caratteristiche fondamentali: una composizione chimica ben definita e una disposizione ordinata e regolare degli atomi che la costituiscono, costante per ogni tipo di minerale.
I minerali che costituiscono la crosta terrestre sono formati dalla combinazione di elementi che si trovano in tutto l’Universo. Alcuni minerali come l’oro e l’argento, sono formati da un solo tipo di elemento, ma la maggior parte sono il risultato della combinazione di più elementi, legati tra loro in un composto chimico.

Quasi tutti i minerali hanno una struttura cristallina formata da atomi disposti in maniera ordinata e regolare. Da questa struttura invisibile si origina la forma esterna del minerale che viene chiamata abito cristallino o cristallo. Ogni volta che un minerale può crescere senza ostacoli si sviluppano cristalli singoli perfettamente formati. Se invece la crescita è ostacolata per lo sviluppo contemporaneo di altri cristalli, ne risulta una massa di individui fittamente aggregati nel quale non è possibile riconoscere l’abito cristallino senza opportuni strumenti. La struttura interna di un cristallo di un qualsiasi minerale è caratterizzata da una disposizione degli atomi nello spazio ripetuta a intervalli regolari lungo più direzioni. La struttura tridimensionale che si realizza viene chiamata reticolo cristallino e si presenta come allineamenti regolari di atomi orientate nello spazio secondo tre direzioni tra loro ortogonali (tanto da disegnare delle minuscole celle di forma cubica). L’esistenza di atomi diversi da origine a reticoli cristallini diversi, di conseguenza anche le forme degli abiti cristallini sono molteplici ma tutte rispondono a leggi di simmetria che governano l’organizzazione reticolare. I diversi abiti cristallini risultano distribuiti in 32 classe differenti ognuna delle quali è caratterizzata da una o più forme semplici che possono combinarsi in numerose forme cristalline composte.
Ogni minerale è caratterizzato da proprietà fisiche che aiutano nel suo riconoscimento:
- La durezza è la proprietà di resistere all’abrasione o alla scalfittura e dipende dalla forza dei legami reticolari (viene misurata in base alla scala di Mohs, ciascuno dei quali può scalfire il minerale che lo precede nella scala e viene scalfito da quello che lo segue)
- La sfaldatura è la tendenza di un minerale a rompersi per urto e dipende dalla diversa forza dei legami tra gli atomi
- La lucentezza misura il grado in cui la luce viene riflessa dalle facce di un cristallo e si distingue in: metallica tipica di sostanze che assorbono totalmente la luce e risultano opache, non metallica tipica dei corpi trasparenti
- Il colore dipende dalla composizione chimica, e sono idiocromatici i minerali che presentano sempre lo stesso colore, allocromatici i minerali che presentano colori diversi a seconda della composizione chimica
- La densità che dipende dall’addensamento di atomi nel reticolo
Per potersi orientare tra le 2000 specie di minerali è necessario ricorrere ad una classificazione che tenga conto delle caratteristiche fondamentali dei minerali cioè:
- Struttura del reticolo cristallino
- Composizione chimica
Le unità base di questa classificazione sono le specie minerali, ognuna delle quali comprende tutti gli individui minerali che hanno lo stesso tipo di reticolo strutturale e composizione chimica uguale. Il gruppo più diffuso e numeroso di minerali è quello dei silicati costituiti da ossigeno e silicio, che si combinano tra loro per formare diverse strutture di base. Ne risulta la forma tridimensionale di un tetraedro. Ma i tetraedri possono anche legarsi direttamente tra di loro originando catene di tetraedri oppure lamine e reticoli tridimensionali secondo un processo detto polimerizzazione. All’alluminio può sostituire parte del silicio nei tetraedri, originando così gli allumino-silicati. In base al diverso modo di legarsi tra loro dei tetraedri, i silicati si suddividono in quattro gruppi.
I minerali non silicati sono invece meno abbondanti, ma comprendono molti minerali di rilevante importanza economica.
I minerali sono il risultato di una serie di reazioni chimico-fisiche. Ogni specie minerale dipende quindi dalle caratteristiche dell’ambiente naturale in cui si forma. La presenza di un minerale fornisce perciò informazioni sull’ambiente di formazione della porzione di crosta terrestre che lo contiene. I principali processi di formazione di un minerale sono:
- Cristallizzazione: per raffreddamento di un materiale fuso: gli atomi o i gruppi di atomi si aggregano per formare reticoli cristallini
- Precipitazione da soluzioni acquose calde in via di raffreddamento
- Sublimazione di vapori caldi
- Evaporazione do soluzioni acquose soprattutto acque marine
- Attività biologica che porta alla costruzione di gusci o apparati scheletrici
- Trasformazione allo stato solido di minerali già esistenti prodotti da variazioni di temperatura o di pressione

I minerali sono il modo in cui in genere si presentano le sostanze naturali allo stato solido.
Nella maggior parte dei casi una roccia è un aggregato naturale di diversi minerali, talvolta anche di sostanze non cristalline, compatto, che forma una massa ben individuabile. Le rocce sono per la maggior parte eterogenee, costituite da più specie di minerali. Talvolta vi sono rocce omogenee formate da un solo minerale (monominerali), su grande scala anche le rocce omogenee contengono tracce di altri minerali. Lo studio di una roccia comincia con la semplice osservazione di alcune caratteristiche macroscopiche: aspetto omogeneo o eterogeneo, colore, durezza, ecc. per la definizione precisa di una roccia, è però necessario identificare il tipo e il numero di minerali presenti, e per questo è necessario ricorrere a più approfondite prove che includono: il microscopio e i raggi X. I processi che portano alla formazione delle rocce sono detti processi litogenetici e sono tre:
- Processo magmatico: è caratterizzato dalla presenza iniziale di un materiale fuso chiamato magma. Il magma risale dall’interno della terra ad alta temperatura. La progressiva diminuzione della temperatura porta alla cristallizzazione del fuso e quindi alla formazione di aggregati di minerali che costituiscono le rocce magmatiche (anche chiamate ignee).
- Processo sedimentario inizia con l’alterazione e l’erosione di materiali rocciosi che affiorano in superficie ad opera dei cosiddetti agenti esogeni e si completa con il trasporto e l’accumulo di materiali erosi. Si giunge così alla formazione delle rocce sedimentarie.
- Processo metamorfico: la maggioranza ha come caratteristica fondamentale la trasformazione di rocce preesistenti (magmatiche, sedimentarie) che vengono a trovarsi in condizioni ambientali diversi da quelle di origine. Tale formazione avviene senza l’intervento di agenti esogeni come negli altri processi. I minerali preesistenti, vengono distrutti e se ne formano altri, in equilibrio con le nuove condizioni; si originano così le rocce metamorfiche.

1) Le rocce magmatiche sono tutte le rocce che derivano da un magma, cioè da una roccia fusa. Un magma è un materiale fuso che si forma entro la crosta o la parte alta del mantello a profondità variabile. Se dopo la sua formazione, il magma subisce un raffreddamento, inizia un processo di cristallizzazione da cui risulterà una nuova roccia. Le rocce magmatiche si dividono in due gruppi:
- Le rocce intrusive si originano dai magmi che solidificano in profondità, circondate da altre rocce; esse si formano quando vi è l’impossibilità, per la massa, fusa di giungere in superficie e i componenti si cristallizzano;
- Le rocce effusive si originano qualora la massa magmatica, spinta dalla pressione dei gas in essa disciolti, trova una via di risalita, e giunge così a traboccare in superficie, dove solidifica all’aria aperta.
Nel caso delle rocce intrusive, poiché il magma si trova fermo entro la crosta, circondato da altre rocce che fanno da isolante termico, il raffreddamento avviene in tempi molto lunghi e la roccia magmatica che ne deriva presenta una struttura (granulare) olocristallina.
Nel caso delle rocce effusive, il magma risale fino in superficie, dove trabocca come lava. La temperatura passa rapidamente da 1000° a quella dell’ambiente. Perciò arriva in superficie così rapidamente che i cristalli non hanno tempo di accrescersi (cristalli minuscoli). Le rocce effusive presentano una struttura porfirica.
I magmi possono avere composizioni chimiche diverse, per cui la cristallizzazione può portare a rocce che differiscono tra loro. La distinzione tra i vari tipi di magmi si basa sul loro contenuto in silice. I magmi si dividono in:
- Magma acidi
- Magma neutri
- Magma basici
- Magma ultrabasici
I magma acidi, ricchi in silicio e alluminio, danno origini a rocce ricche di allumino-silicati e di silice. Tali rocce sono dette acide. I magma neutri danno origine a rocce neutre, mostrano un rapporto equilibrato fra allumino-silicati e silicati. I magma basici hanno una quantità bassa di silice ma sono ricchi in ferro, magnesio e calcio. Essi danno origine a rocce dette basiche. Nei magma ultrabasici, la percentuale di silicio è inferiore al 50%. Le rocce a cui danno origine sono dette ultrabasiche.
Le principali famiglie di rocce magmatiche sono:
- Famiglia dei graniti, le corrispondenti effusivi sono le rioliti
- Famiglia delle dioriti, le corrispondenti effusivi sono le andesiti
- Famiglia dei gabbri, le corrispondenti effusive sono i basalti
- Famiglia dei peridotiti
- Famiglia delle rocce alcaline, quelle neutre comprendono le sieniti quelle basiche comprendono le leucititi
A 3000 Km di profondità può esserci:
- un locale aumento della temperatura del mantello: si può verificare per risalita di materiale da zone profonde della terra
- l’arrivo di fluidi in grado di inumidire le rocce presenti infiltrandosi nelle fessure più minute: com’è noto, infatti, in presenza di fluidi un materiale fonde a temperatura più bassa di quella necessaria in condizione secche.

2) Le rocce sedimentarie sono il segno delle continue trasformazioni in atto da tempi lunghissimi sulla superficie della terra. Il termine sedimentazione indica la deposizione e l’accumulo di materiale di origine organico o inorganico trasportati dai cosiddetti agenti esogeni. Il processo avviene in diverse aree. Il lento passaggio da sedimenti a rocce sedimentarie vere e proprie, avviene per un insieme di fenomeni che prende il nome di diagenesi. Il più comune e la litificazione che avviene per compattazione e cementazione:
- la compattazione è dovuta al peso dei materiali che si sovrappongono e che, riducono gli spazi vuoti tra i singoli frammenti
- la cementazione è prodotta da acque che circolano nei sedimenti sfruttando la presenza dei pori e portando in soluzione alcune sostanze che riempiono i pori cementando i granuli.
Le rocce sedimentarie vengono suddivise in 3 gruppi:
- rocce clastiche
- rocce organogene
- rocce chimiche
Le rocce clastiche sono formate da frammenti (clasti) di altre rocce. Il grado di arrotondamento dei granuli è dovuto al processo di trasporto in cui è stato coinvolto. I clasti si classificano in base alle dimensioni: maggiori di 2 mm sono detti conglomerati, minori di 2 mm sono dette arenarie. Quelle più piccole di 1 mm sono dette argille.
Le rocce organogene formate quasi solamente dall’accumulo di sostanze legate a un’attività biologica e si distinguono in rocce bioclastiche formate da accumuli di gusci e apparati scheletrici, rocce biocostruite formate da ammassi di organismi costruttori depositi organici formati da accumuli di sostanza organica vera e propria. La presenza di resti fossili consente di risalire all’ambiente in cui la roccia si è formata. In base alla loro natura chimica prevalente, le rocce organogene sono classificate in più gruppi:
- rocce organogene carbonatiche comprendono i calcari organogeni che derivano dall’accumulo di gusci calcarei spesso immersi in una matrice fine. Associate ai calcari si trovano spesso le dolomie, formate da un minerale chiamato dolomite (carbonato doppio di calcio e magnesio)
- rocce organogene silicee: l’accumulo di gusci di organismi che utilizzano la silice porta alla formazione di rocce organogene silice. Tra queste la più diffusa è la selce.
- Depositi organici: carboni fossili e idrocarburi. I carboni fossili sono rocce organogene che derivano dalla fossilizzazione di grandi masse di vegetali. Gli idrocarburi sono invece miscele di composti del carbonio e dell’idrogeno cui si aggiungono piccole quantità di composti.
Le rocce di origine chimica comprende tutte quelle che depongono fenomeni chimici. Il più evidente è la precipitazione sul fondo di bacini acquei di composti chimici. Se la quantità dei Sali disciolti raggiunge la saturazione, essi precipitano formando così le rocce evaporitiche o vaporiti. Altri sedimenti derivano per dissoluzione e evaporazione. Quando un bacino marino rimasto isolato evapora completamente o quasi, sul suo fondo si depositano i Sali contenuti nell’acqua del mare formando giacimenti di sale. Si ritrovano, in questo gruppo, i carbonati, calcari e dolomie. Origine analoga hanno le stalattiti e stalagmiti.
3) le rocce metamorfiche si sono formate e si formano in seguito alla trasformazione di altre rocce, provocata da aumenti di pressione e temperatura. Le rocce metamorfiche sono una traccia vistosa della trasformazioni che coinvolgono l’intera crosta terrestre: rocce oggi affioranti, possono con il tempo, scendere a profondità di decine di kilometri mentre via via si trasformano; rocce profonde possono essere spinte e affiorare in superficie. Esistono due tipi fondamentali di metamorfismo:
- il metamorfismo di contatto, che interessa le aree a contatto con una magma;
avviene su piccola scala quando una magma risale attraverso la crosta o si ferma, provoca un forte cambiamento di temperatura nella roccia con cui viene a contatto. Si parla in tal caso di metamorfismo di contatto dovuto all’alta temperatura e bassa pressione: intorno alla massa di magma si forma un’aureola di contatto nel quale le rocce subiscono modificazioni nella composizione dei minerali. Le trasformazioni, si attenuano con la distanza.
- il metamorfismo regionale, che interessa grandi aree in profondità nella crosta;
avviene su grande scala, il processo più imponente per il volume di rocce coinvolte è proprio questo che avviene quando i movimenti della crosta terrestre fanno sprofondare per kilometri masse di rocce sedimentarie o magmatiche, che vengono sottoposte a cambiamento di pressione e temperatura. Quando prevale l’azione di forti pressioni, si formano minerali appiattiti e le rocce che ne derivano presentano una tipica scistosità (la proprietà di suddividersi facilmente in piani). Man mano che sprofondano, i minerai continuano a modificarsi per adattarsi a nuovi valori di temperatura a pressione. Le trasformazioni metamorfiche risultano più o meno forti a secondo della profondità raggiunta. Se il processo avanza, la parte fusa aumenta sempre di più e si passa ai magmi analettici di ultrametamorfismo.
Le rocce soggette a metamorfismo subiscono una serie di reazioni chimiche e di trasformazioni fisiche ce portano alla comparsa di nuove associazioni mineralogiche, per cui si può parlare di una roccia nuova che sostituisce quella preesistente. Al termine di questa reazione, la roccia avrà raggiunto nuove condizioni di equilibri con l’ambiente e una nuova stabilità. La composizione chimica viene conservata mentre a volte qualcosa della roccia originaria si preserva: perciò è possibile risalire in generale alla roccia sedimentaria o metamorfica che ha subito il cambiamento. Esse vengono raggruppate al di la della loro composizione chimica in una stessa facies metamorfica.
Appartengono alla famiglia della rocce metamorfiche: falladi, micascisti, gneis.
I processi magmatico, sedimentario e metamorfico, fanno parte di un unico ciclo litogenetico di cui rappresentano diversi stadi. Un primo stadio comprende il processo magmatico con l’intrusione e l’effusione di materiali fusi in risalita nella crosta. Uno stadio successivo si individua nel processo sedimentario che porta all’accumulo di sedimenti. Il trasferimento di rocce dalla superficie in profondità e il loro coinvolgimento dei movimenti della crosta porta a un terzo stadio: quello del processo metamorfico che, attraverso i fenomeni di fusione, ci riporta al processo magmatico. Intervengono però numerosi elementi di complicazione: il ciclo non è perfettamente chiuso poiché è soggetto ad apporti di materiale fuso che risale dal mantello inoltre, l’idrosfera e l’atmosfera vengono alimentate grazie ai processi vulcanici.