Appunti Geologia - modulo rocce

Geologia: lezione 17.02.2025

Definizioni fondamentali

Roccia = aggregato naturale coerente di minerali e sostanze solide amorfe.

Sfuggono a questa definizione i sistemi naturali incoerenti e pseudo coerenti, per i quali si usano i termini sedimento e terra.

Non confondere roccia con minerale. Qua di minerali ce ne sono 4: nero, rosa, bianco e trasparente.

Aggregato di vari minerali. Ci sono anche rocce fatte di molti sali di un minerale solo.

Coerente = dotato di coesione, che è un certo tipo di resistenza. Ci sono dei legami tra i minerali che compongono la roccia e questi legami possono essere vinti applicando degli sforzi adeguati, quindi io prendo un campione di marmo, lo metto in una morsa e tiro. A un certo punto si rompe. La resistenza a trazione è direttamente collegata alla coesione della mia roccia. Ci sono rocce più o meno coerenti ma per essere rocce bisogna che almeno un po’ lo siano tutte.

Non ci sono solo rocce nel nostro corso ma ci sono anche i sedimenti sciolti, ad esempio una sabbia, è un sedimento sciolto, i granelli sono staccati e non hanno legami tra di loro però se finisce nel sottosuolo, viene compattata e si aggiunge un cemento chimico diventa poi una roccia che chiamiamo arenite, quindi dalla sabbia si può arrivare alla roccia, ci vuole un po' di tempo ma ci si arriva, nell'ordine di centinaia di migliaia di anni.

Poi esiste un materiale che è un po’ più complesso, dalle screpolature si capisce che è un campione di argilla, l'argilla è una terra. Terra è un termine geotecnico, per i geotecnici che studiano la meccanica delle terre, qualunque sedimento anche sciolto o argilla, prende il nome di terra.

In gergo geologico la terra è un sistema multifase che comprende una fase solida, un sedimento che sarebbe sciolto se non fosse in queste condizioni, a grana estremamente fine, e un fluido nei pori di questo sedimento, normalmente acqua. Dalla quantità di acqua presente nel campione dipendono le proprietà dell'argilla. Nell'immagine vediamo che la superficie di questo campione disseccandosi si è screpolata.

Fenomeno di ritiro, si dice che questa parte è abbastanza solida.

Il campione nel suo insieme ha subito dei processi di compattazione che lo hanno reso abbastanza solido, quindi una coesione c'è, ma se io metto questa argilla in acqua e la lascio per qualche giorno, si spappola, argilla può esistere in vari stati fisici che sono quello semi-solido, plastico e liquido. Quindi il passaggio da uno stato all'altro dipende dal contenuto d'acqua che c'è nell'argilla.

La cosa importante è che l'acqua presente nei pori dell'argilla non si può mai eliminare del tutto. Se cuociamo l'argilla diventa terracotta e non è più argilla, ma se non la cuociamo un po' di acqua c'è sempre.

Quindi questo sistema che contiene sedimento, acqua e eventualmente anche aria in certi stati, ha queste fasi e stanno sempre insieme. Non può essere definito sedimento sciolto perché lo è solo in certi momenti, non può essere definito roccia perché non ha ...? permanente, e lo si chiama terra.

1

Dettaglio delle screpolature molto evidenti, e vediamo anche come è fatta la scheda dei campioni, c'è una parte dove si parla delle caratteristiche che non si vedono in foto e poi c'è una descrizione completa delle foto.

2

Minerali e sostanze amorfe

Minerale = sostanza naturale solida, inorganica, cristallina.

Nelle rocce sono particolarmente comuni i silicati, i carbonati, i solfati e i cloruri. Queste sono le 4 categorie di minerali che vedremo.

Questo è un esempio di un cristallo di un minerale scuro che si chiama anfibolo, o può anche essere pirosseno, ed è un silicato.

Sostanza amorfa = sostanza non cristallina. Tipici esempi: il gel di silice (“opale”) e il vetro vulcanico (“ossidiana” e “pietra pomice”).

Una sostanza che non sia cristallina viene detta amorfa.

Ce ne sono in natura, il primo esempio è il gel di silice. È parente di un minerale che quando è cristallino si chiama quarzo, però in questo caso è un gel, significa che abbiamo una sospensione di particelle in un fluido che è acqua.

In questo caso è una sospensione solida ed estremamente dura. È una sostanza molto comune in natura soprattutto nelle rocce ignee e nelle rocce sedimentarie, e per questo non dovrebbe valere niente, ma questi colorini dovuti a fenomeni di interferenza e difetti all'interno del materiale, danno a questa pietra, che viene chiamata opale in gioielleria, un valore impensato. Dovrebbe valere zero ma per questi colorini costa tanto.

Secondo esempio di sostanza amorfa è l’ossidiana, che è vetro di origine vulcanica, che conserva ancora alcune bolle di gas che si sono sviluppate nel corso dell'eruzione vulcanica, quindi questa roccia di fatto è lava del vulcano che è fatta pressoché interamente di vetro.

Dentro alle bolle e nel terzo esempio vediamo un’altra sostanza spugnosa che è vetro anche lei, ma è un vetro talmente pieno di bolle che è estremamente poroso ed è l’unica roccia che galleggia in acqua, è la pietra pomice. Si trova un po’ in tutte le coste del Tirreno perché galleggiando va a finire dappertutto.

Più difficile è dire quando una sostanza è cristallina perché bisogna andare a vedere molto da vicino. Una sostanza è cristallina quando possiede un reticolo cristallino.

Reticolo cristallino = insieme di particelle elementari (ioni o molecole) legate fra loro secondo le seguenti regole geometriche:

• Omogeneità: le particelle sono uniformemente distribuite nello spazio;
• Discontinuità: le particelle sono separate da spazi più grandi di loro;
• Periodicità: le particelle dei singoli elementi si ripetono a intervalli costanti sugli assi x, y, z.

Allora se io posso prendere una distanza minima tra due particelle che si ripete sull’asse delle x, questa distanza la chiamo a, la stessa cosa per la stessa particella la faccio sull’asse delle y e la chiamo b e sull’asse z la chiamo c. Dopodiché questa terna di distanze si chiama cella elementare del reticolo cristallino, che è il mattoncino base con cui si può costruire tutto il reticolo.

3

Cella elementare = terna di distanze (a, b, c) che definisce sugli assi x, y, z la periodicità di un reticolo cristallino. Le differenti celle elementari permettono di classificare i composti cristallini in tre gruppi fondamentali:

• Gruppo monometrico: a = b = c
• Gruppo dimetrico: a = b ≠ c
• Gruppo trimetrico: a ≠ b ≠ c

Qualunque reticolo cristallino deve appartenere a uno di questi 3 gruppi. Io come faccio a dirlo, come faccio a riconoscere la presenza del reticolo?

Le caratteristiche microscopiche dei reticoli cristallini si riflettono nelle caratteristiche macroscopiche dei cristalli, permettendo di riconoscere i minerali sulla base dell’abito cristallino.

La prima possibilità per riconoscerli è che il minerale abbia un abito cristallino. Cioè se ha il reticolo, il cristallo se si è formato per bene ha una forma regolare.

Abito cristallino = forma esterna regolare che un cristallo assume quando il suo accrescimento non è confinato da altri solidi. Il fluido che circonda un minerale durante la cristallizzazione può essere una miscela fusa (magma) o una soluzione acquosa.

Questo è un cristallo del gruppo monometrico, sistema cubico, classe pentagono dodecaedrica. Dico queste tre cose perché con queste 3 cose che ho detto inquadro il mio cristallo in una tabella cristallografica che mi può informare su che minerale è questo qua, ma non è l’unico ad avere questa forma, ci serviranno altre cose.

La sfortuna per noi è che l’abito cristallino si vede solo quando è riuscito a formarsi per bene, cioè quando il cristallo è cresciuto in una cavità piena di fluido che non ostacolava la crescita del cristallo. Questi sono cristalli precipitati chimicamente da una soluzione acquosa e hanno questa bella forma prismatica.

Nei nostri campioni questa cosa non è facile da vedersi perché non ci sono delle cavità nelle quali i cristalli hanno potuto formarsi per bene. Se si sono formati prima di altri cristalli, magari all’interno di un magma, allora avranno il loro abito però saranno alla fine completamente circondati da altri. Se si sono formati tutti assieme nessuno ha forma regolare perché hanno interferito tra di loro e hanno assunto una forma di compromesso tra l’una e l’altra. Quindi l’abito cristallino sarebbe bello averlo e descriverlo con gli elementi di simmetria che adesso vediamo, ma noi non potremo farlo.

Gli abiti cristallini e i corrispondenti reticoli sono classificati geometricamente in gruppi, sistemi e classi, mediante la determinazione dei loro elementi di simmetria (centro, assi, piani).

4

• Centro di simmetria: esprime la simmetria centrale tra facce opposte di uno stesso cristallo; essa sussiste quando ogni faccia è l'immagine capovolta di quella opposta.

Tutte le facce si corrispondono a coppie da un lato all’altro del cristallo passando per il centro.

• Assi di simmetria: esprimono la simmetria alla rotazione; si dice che esiste un asse di simmetria d’ordine n (abbr. A_n) quando tutte le facce del cristallo si ripetono dopo una rotazione di 360/n gradi.

Sono gli assi ruotando il cristallo intorno ai quali si ottiene la ripetizione di tutte le facce per ogni frazione intera dell’angolo giro. Ad esempio se io considero quella faccia nell’immagine ho la ripetizione di quella faccia ogni 90°, ogni quarto di angolo giro, allora dico che quello è un asse di ordine 4. Se avessi la ripetizione di tutte le facce ogni 180° sarebbe un asse di ordine 2.

• Piani di simmetria: esprimono la simmetria speculare tra opposte metà del cristallo. Sono quei piani che suddividono il cristallo in due metà che si rispecchiano l’una nell’altra.

La determinazione degli elementi di simmetria implica la misura degli angoli diedri tra le facce dei cristalli, ed è quindi possibile solo su individui grandi e perfetti (rari a trovarsi). Per questa ragione, nell’identificazione macroscopica delle rocce gli abiti cristallini vengono assimilati a poche forme semplificate (Fig. 1).

Guardando gli elementi di simmetria che ha un cristallo si arriva a un grado di simmetria che permette di inserire il cristallo in una tabella e di capire esattamente di cosa si tratta, poi si sa quali minerali possono avere quel tipo di cristallo e quali no, però non lo faremo. Ci limiteremo quando possiamo a usare delle forme semplificate per descrivere quello che si può vedere anche nelle fotografie, descrivere gli abiti cristallini nell’identificazione macroscopica delle rocce.

Quindi diremo se il cristallo è una pallina, rotondeggiante in tutte le sezioni; se è un prisma, allungato in una sezione longitudinale e quadrato in una sezione trasversale (certi prismi sono più tozzi, altri sono più allungati e possiamo considerare anche questa caratteristica per distinguerli). Alcuni cristalli molto frequenti in natura hanno una forma lamellare, cioè sono estesi in pianta ma sono sottilissimi in sezione. E poi ci sono i mattoncini, abito tabulare.

5

Se vediamo l’abito diciamo che forma ha tra queste 5 e abbiamo una prima possibile indicazione da affiancare ad altre per riconoscere il minerale.

L’identificazione dell’abito cristallino, soprattutto se effettuata a occhio nudo e in modo semplificato, non basta di solito a riconoscere un minerale. Occorre quindi ricercare le proprietà fisiche e chimiche ben definite che derivano dalla struttura del suo reticolo cristallino.

6

Proprietà dei minerali

Partendo dalle proprietà chimiche, possiamo vedere se abbiamo dei campioni solubili in acqua, il salgemma si scioglie facilmente in acqua. Però ci sono rocce fatte di minerali un po’ meno solubili del salgemma dove la solubilità non si manifesta subito e in breve tempo ma in tempi più lunghi, e se io guardo il gesso o il calcare mi accorgo che si tratta di rocce solubili che nel tempo si sono sciolte.

Dopodiché ad esempio i carbonati si possono testare con l’uso di un acido perché attaccati da un acido producono CO₂ e si mettono a frizzare. È uno dei caratteri che non si vedono dalle foto ma c'è scritto. In realtà sono solo due minerali che possono dare questa reazione che sono la calcite e la dolomite.

Poi abbiamo proprietà colloidali, quando abbiamo una sospensione di un solido e di un liquido, quindi anche nel caso dell’argilla, abbiamo delle proprietà particolari legate alle cariche elettrostatiche sulle singole particelle. Parleremo dell’argilla abbastanza in dettaglio perché queste proprietà sono quelle che poi caratterizzano lo stato fisico e di caratteristiche tecniche dell’argilla. Comunque anche il gel di silice è un colloide, un colloide allo stato solido.

Non parleremo di altre reazioni.

Dal punto di vista fisico abbiamo delle informazioni più importanti che sono in relazione soprattutto alla sfaldabilità.

Se c’è un reticolo cristallino può essere che questo reticolo abbia dei piani lungo i quali i legami sono più deboli, e quindi lungo i quali è più facile rompere il cristallo. La sfaldatura è la capacità di un cristallo di rompersi secondo dei piani di debolezza reticolare. Cioè si rompe in modo estremamente preciso, si ottengono delle superfici liscissime che poi si comportano come degli specchi e quindi nelle foto si vedono subito.

Primo caso, minerale che avrebbe già la sua forma lamellare appiattita e che si può rompere in lastrine sottilissime, questo minerale si chiama muscovite.

Altro esempio è un minerale comune qua nel bolognese che è gesso e anche lui ha una sola famiglia di piani di sfaldatura, lo posso ridurre in lastrine sempre più sottili, sempre più trasparenti e con delle superfici lisce e lucenti.

Se ho un minerale che ha due famiglie di piani di sfaldatura, magari ad angolo retto come questo K-feldspato, allora posso rompere i minerali in prismi.

Il sale da cucina, il salgemma, quello che viene dalle miniere, si rompe in cubi perfetti. Granelli di sale sono stati ottenuti tritando un minerale che si è rotto in questo modo. Queste sono 3 famiglie di piani di sfaldatura.

La calcite, carbonato di calcio, ha anche lei 3 famiglie di piani di sfaldatura però invece di dare dei cubi dà dei romboedri, facce rombiche.

Fluorite, minerale che per noi è accessorio quindi non lo consideriamo, ha addirittura 4 famiglie di piani di sfaldatura che permette di ottenere questi solidi bi-piramidali che si chiamano ottaedri.

Ci sono anche minerali che non si sfaldano come ad esempio il quarzo, si rompe come se fosse vetro, a caso.

La sfaldatura è molto utile per il nostro riconoscimento quindi va ricordata.

Oltre alla sfaldabilità c’è anche un’altra proprietà che è facilmente misurabile però non dà molte informazioni, è la durezza alla scalfittura secondo la scala di Mohs. Mohs è uno studioso che ha deciso di mettere in ordine i minerali che conosceva secondo la loro durezza alla scalfittura, ha provato a scalfirli gli uni con gli altri ed è arrivato alla conclusione che il più duro di tutti era il diamante e il più tenero di tutti era il talco.

7

Noi che termini di paragone possiamo usare per fare questa prova? È una di quelle che dobbiamo leggere tra le cose che non si vedono in foto. Possiamo provare a scalfire il minerale con l’unghia, se ci riusciamo o è gesso o è talco. Se non ci riusciamo ce ne possono essere tanti e facciamo una seconda prova con un ago d’acciaio. Un ago d’acciaio non scalfisce il quarzo e non scalfisce il granato. Gli altri invece si scalfiscono. Per questi estremi più teneri e più duri, questa prova ci serve, se siamo nel mezzo diremo che siamo nel mezzo e assoceremo questa informazione ad altre.

La durezza alla scalfittura e la sfaldabilità sono le proprietà più utili, ma raramente bastano a riconoscere un minerale. Occorre quindi trovare una giusta combinazione tra l’abito cristallino (se visibile) e tutte le proprietà determinabili senza specifiche analisi di laboratorio.

8

Tabella che mette in relazione tutte le caratteristiche fisiche, abito cristallino, colore, trasparenza, lucentezza, di vari minerali, in modo da poterli riconoscere sulla base di varie caratteristiche affiancate. Tabella che si riesce a usare alla fine del corso.

Combinando abito cristallino (se visibile) e proprietà fisico-chimiche facilmente determinabili si possono identificare a livello macroscopico ben 17 minerali: aggiungendone pochi altri, visibili solo al microscopio elettronico, si riesce a descrivere la composizione di quasi tutte le rocce comuni.

Per identificare le rocce più comuni è sufficiente saper riconoscere una ventina di minerali non-metallici, appartenenti a quattro fondamentali categorie di composti chimici: silicati, carbonati, solfati e cloruri.

Elenco dei minerali oggetto del corso. I più importanti sono i silicati: la distinzione più importante tra i silicati è tra quelli femici (= ricchi di ferro e magnesio) formano l’intero mantello terrestre e la maggior parte della crosta oceanica, e quelli sialici (= privi di ferro e magnesio) formano la maggior parte della crosta continentale.

9

Quelli femici sono quasi sempre molto scuri, addirittura neri. Quelli sialici sono invece chiari o trasparenti e incolore. Quindi c’è una bella differenza tra i due e in una roccia capiamo su