Minerali e rocce nel dettaglio

Le rocce

Le rocce si sono formate per raffreddamento e solidificazione di materiale in origine fuso. Circa il 90% dell’intera Terra è costituito da 4 elementi ( Si, O2, Fe, Mg), e silicio e ossigeno formano il 70% della crosta. Se nel mondo dei viventi la molecola è la struttura principale, nel mondo geologico lo ione è la particella più significativa. I materiali che costituiscono la Terra solida sono:

Minerali: sono corpi naturali inorganici, in genere solidi, con una composizione chimica definita o variabile entro limiti ben precisi; si presentano quasi sempre sotto forma cristallina

Rocce: aggregati naturali di minerali, cristallini e/o amorfi, particelle e solidi di vario tipo, le rocce sono sostanze non esprimibili con una formula chimica e generalmente formano masse ben individuabili.

Minerali

Si conoscono ad oggi circa 4500 minerali diversi, molti conosciuti attraverso la diffrazione ai raggi X. hanno una disposizione ordinata e regolare degli atomi che la costituiscono, fissa e costante. Quasi tutti i minerali hanno una struttura cristallina, cioè una impalcatura cristallina di atomi regolare e ordinata, di forme regolari, prismatiche. Da questa struttura invisibile si origina la forma esterna del minerale, che viene chiamata abito cristallino o cristallo. La cella elementare è l’unità più piccola che, ripetuta nelle 3 dimensioni dello spazio, genera l’intero cristallo. Ogni minerale è identificato da una formula chimica. La gran parte delle strutture cristalline può essere descritta come il risultato dell’impacchettamento di grandi anioni con cationi che, essendo di dimensioni più ridotte, occupano gli spazi liberi tra gli anioni. I minerali sono neutri dal momento che il numero di anioni e cationi si bilanciano. Proprietà fisiche dei minerali:

Abito cristallino: è l’aspetto complessivo di un cristallo. Esso dipende sia dalle caratteristiche intrinseche del minerale (la simmetria del reticolo), che dalle condizioni presenti durante il suo accrescimento;

Colore: dipende dalla composizione chimica, cioè dalla presenza d determinati ioni. I minerali idiocromatici hanno sempre lo stesso colore (melchite). I minerali allocromatici hanno colore diverso a seconda delle impurità chimiche rimaste nel reticolo durante la formazione (pietre preziose).

Lucentezza: dipende dal comportamento della superficie del minerale rispetto alla luce. Può essere metallica nei minerali opachi, non metallica, nei minerali più o meno trasparenti.

Peso specifico: è il rapporto tra il peso del minerale e quello di un ugual volume di acqua distillata a 4 C. i minerali più densi sono anche i più pesanti.

Sfaldatura: proprietà dei minerali di rompersi lungo piani preferenziali. Questi piani corrispondono a superfici in cui i legami chimici sono meno forti;

Durezza: è la misura della sua resistenza ad essere scalfito o abraso. Si usa la scala di Mohs;

Temperatura di fusione: temperatura alla quale l’architettura della struttura cristallina viene demolita, e si verifica il passaggio allo stato liquido;

Birifrangenza;

Polimorfismo: quando due minerali con la stessa composizione chimica hanno struttura cristallina diversa (grafite/diamante, calcite/aragonite)

Isomorfismo: quando all’interno dello stesso reticolo, ioni di elementi diversi possono sostituirsi a vicenda avendo raggio atomico e cariche simili. Questi ioni si dicono vicarianti. Un esempio è l’olivina o il plagioclasio.

Cristallizzazione: raffreddamento lento di un materiale fuso (lava)

Precipitazione: raffreddamento lento di soluzioni acquose calde sature;

Evaporazione: di soluzione acquose concentrate

Sublimazione: di vapori caldi che poi si raffreddano

Attività biologica: gusci, scheletri, materiale organico

Trasformazioni allo stato solido: minerali già formati che si trasformano in altri.

Esistono 7 sistemi cristallografici che si basano sulla geometria della cella elementare:

Cubico (diamante, oro, salgemma);

Tetragonale (zircone);

Trigonale (rubini, zaffiri, calcite);

Esagonale (grafite, smeraldo);

Rombico (topazio);

Monoclino (marcasite);

Triclino (ortoclasio).

In base alla loro composizione, i minerali si possono classificare in:

Elementi nativi: presenza di un singolo elemento chimico, allo stato puro. Spesso non si presentano in cristalli, ma sotto forma di ammassi granulari o filamentosi, sempre però con un reticolo cristallino. Il diamante e la grafite sono due modi diversi di cristallizzare del carbonio: il primo ha origine sotto fortissime pressioni e alte temperature, la seconda si forma per trasformazione finale ad alta temperatura di sostanza organica (che a pressioni minori forma i combustibili fossili).

Solfuri: contengono zolfo direttamente legato con elementi metallici. Pirite è un solfuro di ferro FeS2, argentite, galena (solfuro di piombo). Tutti sono sfruttati per estrarne il metallo associato;

Alogeni: sono costituiti dalla combinazione di uno o più elementi con il cloro, il fluoro, lo iodio o il bromo (alogeni). La fluorite quando è pura è trasparente, ma può assumere varie colorazioni. Anche il salgemma è un alogeno, che si forma per evaporazione di acque del mare o di laghi salati.

Ossidi: comprende i minerali da cui si ricava gran parte dei metalli usati nell’industria. Ematite, magnetite, usati per l’estrazione del Fe. Il corindone è un ossido di alluminio, meno duro solo del diamante, a volte si presenta in varietà blu (zaffiro) o rosso (rubino).

Carbonati: sono composti da uno più ioni positivi combinati con uno ione carbonato. Calcite, dolomite, che sono i componenti principali delle rocce sedimentarie carbonatiche. Calcite si forma per evaporazione di soluzioni ricche di carbonato di calcio.

Solfati: sono i minerali più abbondanti sulla crosta terrestre. Sono costituiti dall’anione silicato combinato con cationi metallici. Forma tetraedrica con il Si al centro e gli O ai vertici. L'alluminio è l’unico elemento che può prendere il posto del silicio al centro del tetraedro (alluminosilicati), tra cui i feldspati. L'ossigeno può essere legato a cationi positivi o legarsi ad altri tetraedri. I silicati sono classificati in base alla disposizione dei tetraedri:

Nesosilicati

Sorosilicati

Ciclosilicati

Inosilicati: pirosseni

Inosilicati: anfiboli

Fillosilicati

Tectosilicati

I silicati possono essere:

Sialici: ricchi di silicio e alluminio, chiari, leggeri, acidi (ricchi di acido silicico), alto rapporto Si/O, fondono a bassa T (quarzo, feldspati).

Femici: ricchi di Fe e Mg, scuri, pesanti, basici, basso rapporto Si/O, fondono ad alta T (olivina, pirosseno).

ROCCE

Una roccia è un aggregato naturale di minerali, talvolta anche di sostanze non cristalline, di solito compatto, che forma una massa ben individuabile. Sono in prevalenza eterogenee. Le rocce si classificano in base al processo che ne ha determinato la formazione (processo litogenetico). I processi di formazione delle rocce sono:

Il processo magmatico;

Il processo sedimentario;

Il processo metamorfico.

Questi insieme costituiscono il ciclo litogenetico. Dal processo magmatico hanno origine le rocce magmatiche o ignee. Questo processo consiste nella formazione di rocce a seguito della solidificazione di un magma. Il magma è un sistema complesso di roccia fusa, composto da una fase liquida detto fuso, una fase solida non sempre presente, e dei componenti volatili (h2O, CO2, SO2). Nel mantello il magma raggiunge la T di 4000 C, il magma che raggiunge la superficie terrestre proviene da profondità fino a 100 km e di solito ha una T tra i 650 e 1200. Quando il magma raggiunge la superficie subisce una brusca diminuzione di pressione che provoca un degassamento del magma: i gas disciolti inizialmente in soluzione, subiscono una repentina evaporazione separandosi dal fuso magmatico. Da uno stesso magma possono formarsi diversi tipi di roccia semplicemente in base alle diverse condizioni di raffreddamento

Rocce effusive o vulcaniche: si originano quando la massa magmatica spinta dai suoi gas trova una via di risalita, fino a traboccare in superficie, dove si solidifica all’aria. La pressione, quindi, scende rapidamente e anche la temperatura. Allora i gas si disperdono nell’aria e la massa fluida viene chiamata lava. Si formano solo pochi cristalli, perché c’è poco tempo per formarsi. Le rocce effusive

Rocce ipoabissali: come il porfido, presentano una struttura porfirica, con a volte dei fenocristalli (piccolissimi), che si presentano in una pasta di fondo. In casi particolari, tutta la massa è vetrosa, come nelle ossidiane

Le rocce intrusive, si originano da magmi che solidificano in profondità, circondati da altre rocce e si formano quando la massa fusa non riesce ad andare in superfice. 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. In tali condizioni il fuso arriva a cristallizzare e la roccia che ne deriva è interamente formata da cristalli di grandi dimensioni. Le rocce intrusive assumono una struttura olocristallina, o granulare, in quanto è formata da grani di dimensioni visibili a occhio nudo, come il granito. I componenti del granito sono di solito quarzo, feldspato e mica. Le batoliti sono rocce profonde intrusive gigantesche che possono arrivare in superficie grazie ai movimenti della crosta o alla distruzione delle rocce sovrastanti.

La distinzione tra i vari tipi di magmi si basa su loro contenuto di silice:

Magmi acidi o sialici

Magmi neutri o intermedi

Magmi basici o femici

Magmi ultrabasici

Dal processo sedimentario hanno origine le rocce sedimentarie. Questo processo consiste nella successione di numerosi processi:

Erosione: lento processo di disgregazione che subiscono le rocce superficiali emerse. Può essere di tipo fisico o chimico;

Trasporto: il materiale eroso può essere trasportato attraverso diversi agenti, tipo acqua vento o ghiaccio;

Deposito: il materiale trasportato si accumula solo in determinate condizioni come mari, laghi o depressioni.

Diagenesi: processo che subisce il materiale accumulato che ne provoca la compattazione e la cementazione e quindi la trasformazione del sedimento incoerente in roccia sedimentaria. Ha sia trasformazioni fisiche che chimiche. Nelle zone di accumuli, i sedimenti più antichi sono sepolti da quelli successivi e sottoposti a un carico sempre maggiore. L'acqua che circola tra i sedimenti è espulsa con conseguente compattazione del materiale. Le sostanze disciolte nell’acqua espulsa si depositano e cementificano i sedimenti sciolti.

Con l’erosione, le rocce a contatto con l’atmosfera si disgregano e formano detriti di varie dimensioni, detti clasti, o rilasciano ioni che passano in soluzione. Si parla di erosione se causata da agenti fisici. Se è causata da processi chimici si parla di alterazione. Il materiale eroso viene trasportato in sospensione o in soluzione nelle zone di sedimentazione e accumulo. Le rocce sedimentarie sono classificate in base al processo con cui i frammenti di cui sono costituite si sono originati:

Rocce clastiche: sono formate da frammenti di rocce preesistenti, trasportati, depositati e infine trasformati in roccia col processo di diagenesi (argilliti, arenarie, piroclastiche, siltiti, conglomerati). I piroclasti sono rocce che si formano dalla deposizione di materiale di varie dimensioni proveniente da esplosioni vulcaniche, è quindi sia una roccia sedimentaria che vulcanica. Le siliciche hanno prevalenza si silice come le argille. Le carbonatiche sono formate da carbonato di calcio o magnesio, come i calcari o le dolomie, le miste formate da frammenti calcarei e da argilla, come le marne.

Rocce organogene: derivano dall’accumulo di parti del corpo di organismi, oppure dall’attività degli organismi stessi. Dall'accumulo di resti di organismi marini come molluschi, foraminiferi, radiolari sottoposti a diagenesi hanno origine le rocce carbonatiche come le dolomie, le rocce silicee come il diaspro rosso o selce. Dall’attività di organismi costruttori come coralli traggono origine grandi strutture come le barriere coralline. Dall'accumulo di resti vegetali sottoposti a diagenesi hanno origine i carboni fossili. In generale il petrolio si è formato da residui animali marini in sedimenti di mari poco profondi che si decompongono in assenza di ossigeno.

Rocce chimiche: si formano in seguito a processi chimico-fisici, che provocano la precipitazione e la deposizione di sostanze disciolte in acqua. Rocce chimiche sono le evaporiti, composte da salgemma e gesso, e il travertino, costituito da carbonato di calcio.

Il processo metamorfico consiste nella trasformazione della struttura cristallina dei minerali di rocce preesistenti a causa dell’aumento della temperatura, della pressione o di entrambe. Il fenomeno è detto anche metamorfismo ed avviene nella fase solida. Da questo processo hanno origine le rocce metamorfiche. I minerali e le rocce sono stabili solo nelle condizioni in cui si formano; ai cambiamenti di T e p, corrispondono cambiamenti mineralogici e di struttura nelle rocce, che si adattano alle nuove condizioni. Tutto ciò avviene in tempi molto lunghi mentre la roccia resta allo stato solido. Le nuove condizioni di T e p determinano il fenomeno della ricristallizzazione. L'entità delle trasformazioni subite dalle rocce è detta grado metamorfico. Esso diventa sempre più accentuato con la profondità. Si passa da un grado metamorfico basso a uno intermedio e infine a uno elevato al cambiare delle condizioni fisiche. Nel processo di metamorfismo i cristalli di una roccia, sottoposti ad elevate pressioni e temperature si re-orientano.

La scistosità è la facile divisibilità secondo piani paralleli, presentata da alcune rocce metamorfiche e dovuta alla lunga azione sulle rocce di pressioni unidirezionali. Ci sono tre tipi di metamorfismo:

Metamorfismo regionale, causato da elevate pressioni e temperature; la collisione tra masse continentale provoca lo sprofondamento di grandi volumi di rocce, che sono sottoposte a cambiamenti di t e p e quindi subiscono processi metamorfici di grado crescente. Una stessa roccia originaria può formare rocce metamorfiche diverse a seconda del grado di metamorfismo cui è sottoposta, portando alla nascita di una serie metamorfica. Allo stesso tempo rocce diverse sottoposte allo stesso grado di metamorfismo costituiscono una facies metamorfica.

Metamorfismo cataclastico, causato dal solo effetto della pressione; causato da forti pressioni che agiscono in corrispondenza delle zone di dislocazione di masse rocciose

Metamorfismo di contatto, causato dal solo effetto della temperatura, si manifesta in zone prossime alla superficie. Si tratta di un fenomeno localizzato, causato dal forte riscaldamento operato dal magma sulle rocce circostanti.

Il metamorfismo conferisce nuove strutture alle rocce che modifica. I cristalli possono essere di dimensioni assai variabili, ma in genere sono distinguibili a occhio nudo. La struttura di una roccia metamorfica è determinata dalla dimensione, forma e disposizione dei cristalli. La struttura può essere:

Scistosa, caratterizzata dalla disposizione dei cristalli per bande parallele, più o meno ondulate.

Occhiadina, come gli gneiss, caratterizzata da noduli cristallini chiari circondati da sottili bande scure. Lo gneiss è il risultato del metamorfismo regionale dinamo-termico di rocce sialiche

Foliata, con strati sottili. Per esempio, la fillade, che è a grana fine formata per metamorfismo regionale a bassa Temperatura. Un altro esempio è l’ardesia, che è una roccia metamorfica di origine sedimentaria.

Granulare, se formate da cristalli compatti, privi di orientamento preferenziale. Come il marmo, che è composto principalmente da carbonato di calcio

Il ciclo litogenetico è l’insieme delle relazioni esistenti tra i vari processi. I diversi gruppi di rocce possono trasformarsi gli uni negli altri attraverso i tre processi. Il primo stadio del ciclo litogenetico può essere identificato con il processo magmatico, poi il sedimentario e poi il metamorfico. La rifusione rinnova completamente il ciclo.