Minerali, rocce e ciclo litogenetico

La litosfera

La litosfera è costituita da rocce di natura diversa, le quali a loro volta sono formate da minerali. Il 98% della massa della crosta terrestre è costituita da soltanto da otto elementi, e tra questi l'ossigeno è il più diffuso e in gran lunga il più significativo.
I minerali sono corpi naturali, inorganici e caratterizzati da proprietà chimiche e fisiche precise. Alcuni minerali sono costituiti solo da un elemento, altri da composti che contengono due o più elementi combinati in proporzioni costanti e caratteristiche.

I minerali formati da elementi e composti hanno una composizione definita, cioè sempre uguale.
Altri minerali sono miscele isomorfe di sostanze che contengono ioni di carica uguale e dimensioni simili, che possono mescolarsi in modo da formare un materiale con struttura e proprietà omogenee in ogni sua parte. In questo caso i minerali hanno composizione variabile, anche se di poco. In tutti i casi, a ogni minerale viene assegnata una formula mineralogica che esprime la sua composizione.
Dal punto di vista fisico, i minerali possono avere, a seconda delle condizioni ambientali in cui si formano, una struttura cristallina o una struttura vetrosa. Il tipo di struttura rispecchia la disposizione delle particelle che formano il minerale: i solidi cristallini (con una struttura cristallina), sono solidi in cui atomi, ioni o molecole sono disposti ordinatamente; i solidi vetrosi (con una struttura vetrosa), sono caratterizzati da una disposizione casuale delle particelle che li compongono. Il polimorfismo è la capacità di una sostanza che può formare diverse forme mineralogiche caratterizzate da strutture e proprietà diverse.
I minerali che hanno struttura cristallina si presentano in natura sotto forma di cristalli. Un cristallo è un solido delimitato da superfici piane, dette facce. Le facce di un cristallo si intersecano lungo gli spigoli andando a formare angoli caratteristici.

Le proprietà fisiche più utilizzate per l'identificazione dei minerali sono:
• Durezza: la durezza di un minerale è misurata dalla capacità di un minerale di scalfire o essere scalfito da altri minerali e si misura solitamente secondo la scala di Mohs di durezza dei minerali, con valori crescenti da 1 (talco) a 10 (diamante).
• Lucentezza: indica il modo in cui la superficie del minerale interagisce con la luce e può variare da opaca a vetrosa. Si divide in lucentezza metallica (tipica delle sostanze che assorbono totalmente la luce e risultano opache) e lucentezza non metallica (tipica dei corpi più o meno trasparenti).
• Colore: Il colore di un minerale può dipendere esclusivamente dalla sua composizione chimica (come nel caso dei minerali monocromatici), oppure dalla presenza di impurità (come nel caso dei minerali allocromatici). Il colore, facile da individuare, in molti casi non è diagnostico per il riconoscimento poiché la stessa specie mineralogica può presentare differenti colorazioni.
• Sfaldatura: descrive il modo in cui alcuni minerali si sfaldano.
• Densità: è la massa del minerale, relativa ad 1 cm³ di volume. Viene misurata con l'ausilio di una bilancia di precisione e di un picnometro.
• L’abito cristallino è la forma caratteristica di un minerale, ed è molto difficile da raggiungere completamente in natura.

In base alla diversa composizione chimica, i minerali vengono suddivisi in otto famiglie, ognuna delle quali comprende diverse specie mineralogiche. Ogni specie mineralogica si distingue dall'altra per la struttura cristallina e per la formula mineralogica. La famiglia più importante è quella dei silicati che costituiscono il 90% dei minerali della crosta terrestre. La struttura fondamentale dei silicati è formata dal gruppo (SiO4)4-, nel quale 1 atomo di silicio è legato a 4 atomi di ossigeno, disposti ai vertici formando un tetraedro. Poiché i tetraedri isolati non sono stabili, tendono a legarsi tra loro in diversi modi, unendosi mediante i vertici oppure legandosi a ioni metallici positivi.
I silicati si classificano in base alla modalità con cui i tetraedri si dispongono nello spazio, e possono essere divisi in due gruppi:

• Silicati femici, contengono una bassa percentuale di tetraedri, una elevata percentuale di ioni metallici e hanno un rapporto Si:O basso. Essi sono minerali scuri e densi;

• Silicati sialici, contengono un elevata percentuale di tetraedri e hanno un rapporto Si:O elevato. Essi sono minerali chiari e poco densi.

Le rocce sono aggregati naturali di minerali, non descrivibili con un formula precisa, ma con proprietà chimiche e fisiche caratteristiche. Di solito sono eterogenee, cioè formate da più minerali, ma esistono anche rocce omogenee che sono formate da un solo minerale. Ciascun tipo di roccia è caratterizzato da una composizione mineralogica e da una particolare struttura, che dipende dalle dimensioni e dalla disposizione dei minerali che la compongono. Di norma le rocce si presentano con una forma solida e compatta (rocce coerenti), ma ci sono rocce formate da frammenti sciolti, come la ghiaia e la sabbia, (rocce incoerenti).
Per riconoscere un campione di roccia, è necessario analizzarne struttura e composizione mineralogica.

La struttura di una roccia è l'insieme delle caratteristiche con cui si presentano i minerali che la compongono. Quando in una roccia si presentano strutture in cui si riconoscono particolari rapporti spaziali tra i componenti, come un orientamento nella medesima direzione di tutti i minerali allungati, si parla di tessitura.
La composizione mineralogica di una roccia viene espressa valutando le percentuali dei minerali presenti nel campione.
Le rocce si possono poi studiare osservandone una porzione sottile (0,03mm) con un particolare microscopio.

Ciclo litogenitico e i diversi tipi di rocce

In base al processo di formazione (ciclo litogenetico), le rocce vengono classificate in: rocce magmatiche, rocce sedimentarie e rocce metamorfiche.
Il processo magmatico forma le rocce magmatiche grazie al raffreddamento e alla solidificazione diretta di un porzione di magma. Il magma è una miscela fusa di silicati, mista a vapore acqueo e gas. Esso si genera in seguito alla fusione parziale della litosfera, e ha una temperatura iniziale elevata. Il magma tende a risalire in superficie, sia perché è meno denso dei materiali che lo circondano, sia perché contiene i gas che lo rendono mobile. Risalendo in superficie il magma si raffredda fino a solidificarsi. La solidificazione del magma può avvenire in tre diverse condizioni, perciò esistono altrettante categorie di rocce magmatiche: intrusive, effusive e ipoabissali.
Le rocce intrusive si formano quando il magma solidifica all'interno della litosfera. Questo processo è molto lento e può richiedere anche milioni di anni. Esse sono caratterizzate inoltre da una struttura granulare.
Le rocce effusive, si formano per il raffreddamento e solidificazione della lava, che al contrario del magma non presenta gas, all'esterno della superficie terrestre. Questo processo è molto più veloce di quello delle rocce intrusive. Esse inoltre possono avere o una struttura vetrosa (senza cristalli) o una struttura porfirica (presenza di fenocristalli).
Le rocce ipobissali si formano quando piccole quantità di magma si solidificano all'interno della crosta terrestre, ma in prossimità della superficie. Esse possono avere tre strutture diverse: una struttura porfirica; una struttura aplitica (con piccoli cristalli tutti della stessa dimensione); una struttura pegmatica (con grandi cristalli).
Per quanto riguarda la composizione delle rocce magmatiche bisogna tenere conto della quantità di silicio presente nel magma, e la profondità in cui il magma si è solidificato.
Le rocce magmatiche si possono quindi formare sia all'interno che all'esterno della crosta, ma in ogni caso sono di origine endogena, poiché i processi che realizzano il magma si realizzano all'interno della terra.

Il processo sedimentario forma le rocce sedimentari attraverso 4 fasi:

1. La degradazione meteorica, cioè la distruzione parziale o totale di una roccia preesistente attraverso i fenomeni esogeni, andando così a creare i detriti;
2. Il trasporto, i detriti vengono trasportati per opera di altri agenti esogeni;
3. La sedimentazione,cioè quando l'azione degli agenti esogeni termina e si ha la deposizione dei detriti trasportati;
4. La diagenesi, con il passare del tempo i sedimenti incoerenti vengono cementati andando così a formare delle rocce sedimentarie compatte.

In base alla diversa origine dei materiali di cui sono formate, le rocce sedimentarie si suddividono in: rocce clastiche, rocce di deposito chimico e rocce organogene.
Le rocce clastiche sono formate dall'accumulo di clasti, e hanno una composizione varia.
Le rocce di deposito chimico derivano dalla precipitazione di sostanze presenti in soluzioni nelle acque, e comprendono principalmente rocce formate da sali.
Le rocce organogene sono formate invece, da sedimenti prodotti in vario modo da esseri viventi per rielaborazione di sostanze minerali prelevate dalle rocce o dall'acqua. Quasi sempre contengono scheletri o gusci depositati e inglobati nei sedimenti alla morte dell'organismo.
Le rocce sedimentarie possono avere composizione molto varia. Molte sono costituiti da silicati, ma esistono anche rocce sedimentarie che contengono altri tipi di minerali. Tra queste le più importanti sono le calcari.

Il processo metamorfico, o metamorfismo, consiste in un insieme di profonde trasformazioni cui vanno incontro rocce di qualsiasi tipo quando vengono sottoposte a variazioni di temperatura e/o di pressione. Una roccia si definisce metamorfica se ha subito un cambiamento della struttura o della composizione mineralogica senza che si verifichi un passaggio allo stato fuso dei suoi minerali.
Esistono tre tipi di metamorfismo: di contatto, dinamico e regionale.
Il metamorfismo di contatto è causato da variazioni di temperatura (quando una roccia viene a contatto con del magma).
Il metamorfismo dinamico è causato da variazioni di pressione in zone di forte tensione della litosfera terrestre.
Il metamorfismo regionale è causato da variazione di temperatura e pressione, esso coinvolge ampie regioni della litosfera.
Quando i processi metamorfici causano la parziale fusione delle rocce, si parla di ultrametamorfismo, che in casi estremi sconfina nel processo magmatico, perché porta alla fusione delle rocce e alla formazione del magma di anatessi.

I processi magmatico, sedimentario e metamorfico, per quanto caratterizzati da fenomeni specifici, non sono indipendenti, ma fanno parte di un unico ciclo, il ciclo litogenetico, che coinvolge tutte le rocce della litosfera. Il termine ciclo identifica un processo chiuso e può indurre a considerare la litosfera un sistema nel quale sono possibili solo scambi interni. Ciò non corrisponde alla realtà, poiché la litosfera riceve materiale dall'interno della Terra e interagisce con gli involucri esterni.

Tale ciclo può essere descritto schematicamente partendo dal processo magmatico: il magma da origine a rocce intrusive o effusive e provoca sui materiali solidi circostanti un processo di metamorfosi di contatto. Le rocce intrusive possono essere sollevate, fino a raggiungere la superficie terrestre, dove insieme a quelle effusive vengono aggredite dai processi esogeni entrando nel processo sedimentario. I sedimenti che si accumulano vengono sepolti e per diagenesi formano le rocce sedimentarie. Queste ultime, come le rocce magmatiche originarie, possono essere seppellite sotto altri strati di sedimenti e spinte in profondità all'interno della Terra, subendo così un processo metamorfico. Se poi le rocce, spinte in profondità, sono sottoposte ad un aumento di temperatura e di pressione tale da provocare il fenomeno dell'anatessi, si forma nuovo magma, detto magma secondario, e il ciclo si chiude.