Geologia e litologia

Geologia e litologia

Il sistema terra e la geologia

La geologia come scienza

La geologia è la scienza che studia i processi che operano sulla superficie della Terra (esogeni) e nel suo sottosuolo (endogeni) e dei prodotti derivanti da essi su varie scale. Studia la Terra nel suo insieme di molteplici aspetti e ambienti, i quali possono essere raggruppati nelle 5 sfere: litosfera, atmosfera, criosfera, biosfera e idrosfera. Per comprendere appieno bisogna analizzare sia i processi e le situazioni attuali sia ciò che è avvenuto nel passato e le conseguenze che ha avuto sul presente, ovvero il record geologico, un esempio sono le diverse stratificazioni delle rocce che si sono formate nel susseguirsi della storia della Terra.

La terra come sistema di componenti interagenti

Il Sistema Terra è un sistema aperto con un continuo scambio di materie ed energia tra i suoi componenti e l’esterno. I processi che modificano costantemente la superficie terrestre sono mantenuti attivi da due fonti di energia, una interna e una esterna. All’interno della Terra vi è un’immensa energia termica che deriva da quella intrappolata all’interno del pianeta durante la sua formazione e dall’energia scaturita continuamente dal decadimento degli elementi radioattivi presenti in profondità. Dall’esterno della Terra invece viene fornita continuamente energia solare che viene trasformata in calore e fornisce energia all’atmosfera e agli oceani.

Il sistema Terra può essere inoltre considerato come un insieme di geosistemi, i quali consistono in: Clima, Tettonica delle Placche e Geodinamo (il campo magnetico terrestre).

Geosistema clima

Il geosistema Clima comprende tutte le caratteristiche e le interazioni del sistema Terra che vanno a determinare il clima e le sue variazioni su scala globale. Le condizioni meteorologiche sono governate principalmente dall’energia solare in entrata e in uscita dal nostro pianeta, in quanto una parte del calore viene trattenuto da vari gas presenti. Questo viene chiamato “effetto serra” ed ha reso possibile la vita.

Geosistema tettonica delle placche

Il geosistema Tettonica delle Placche comprende l’insieme dei movimenti convettivi del mantello e l’insieme di placche litosferiche sovrastanti. I diversi involucri in cui è suddivisa la Terra hanno diversa composizione chimica e diversa densità, il che gli conferisce una diversa resistenza meccanica. Quando è sottoposta ad una forza la litosfera, che comprende la crosta e parte superiore del mantello, tende a comportarsi come un solido rigido e fragile, mentre l’astenosfera, che comprende la parte inferiore del mantello, tende a fluire come un solido plasmabile o duttile. Le placche si spostano lungo la superficie terrestre a causa dei moti convettivi che avvengono nel mantello, i quali sono alimentati dal calore interno della Terra. Il materiale caldo del mantello risale dove le placche si separano, formando nuova litosfera che man mano che si allontana da questi margini divergenti diventa più fredda e si irrigidisce. Dove le placche convergono invece, il materiale freddo viene riportato all’interno del mantello e fuso, questo ciclo è detto convezione.

Geosistema geodinamo

Il geosistema Geodinamo coinvolge tutte le interazioni che producono un campo magnetico nei vari involucri. Quando si formano le rocce queste si magnetizzano secondo il campo magnetico terrestre del momento, analizzando le vecchie rocce è quindi possibile capire il campo magnetico passato. Il campo magnetico è generato e mantenuto principalmente dai moti convettivi nel nucleo esterno, qui si hanno dei rapidi movimenti che producono correnti elettriche all’interno della lega liquida di ferro e nichel, generando così un campo magnetico. La direzione del campo magnetico può invertirsi, ovvero che l’ago punti verso il Sud geografico (che in quel momento rappresenta il nord magnetico). Queste inversioni magnetiche sono avvenute varie volte nel corso del tempo, non si conoscono le cause specifiche ma potrebbero essere spontanee e interne.

Metodo scientifico

Il metodo scientifico ha come obiettivo la spiegazione dell’universo fisico tramite un piano generale di ricerca composto da una serie di operazioni definite, quali:

• Osservazioni ed esperimenti
• Sviluppo di ipotesi
• Verifica delle ipotesi
• Formulazione di una teoria scientifica
• Creazione di un modello scientifico che rappresenti la realtà

Lo studio dei processi in atto fornisce una visione simile su quelli passati, sulla base del Principio dell’Uniformismo, ciò si unisce all’analisi del record geologico. I processi geologici possono essere lenti, come erosioni o formazioni rocciose, oppure molto rapidi, come impatti meteorici ed eruzioni vulcaniche. Si effettuano analisi del terreno che permettono di capirne la composizione e si producono carte geologiche e topografiche che consentono di mappare il territorio anche in profondità. La ricerca di natura scientifica del suolo è finalizzata alla ricerca applicata, ad esempio nella considerazione dei rischi associati al terreno e valutazione dello smaltimento dei rifiuti.

Forma e dimensioni della terra: un sistema a involucri

La geodesia è la scienza che studia la forma e le dimensioni della Terra. La superficie terrestre viene rappresentata dalla topografia, essa presenta diverse irregolarità che vengono misurate usando come riferimento il livello del mare, si hanno diverse altitudini e profondità. Grazie all’uso e all’analisi dei sismografi, che recepiscono le onde sismiche prodotte dai terremoti, è stato possibile tracciare un’immagine dell’interno della terra. Le onde sismiche provenienti dal centro della Terra sono riflesse e rifratte dalle superfici e reagiscono alle modificazioni di densità, evidenziando degli strati (involucri) concentrici con densità e composizione chimica differente. Le rocce superficiali hanno una densità solitamente minore di 3.5 g/cm³, mentre il nucleo terrestre si suppone abbia una densità di circa 8 g/cm³, questo enorme aumento di densità del nucleo è dovuto alla migrazione di ferro e nichel che si è avuta verso il centro della Terra agli inizi della sua formazione a causa della forza di gravità, in questo modo si è creato un nucleo estremamente denso e sottoposto a fortissime pressioni che compressero il volume aumentando così la densità.

Involucri della terra

Essi si dividono in:

• Crosta: Strato più esterno, 0.4% della massa e 1.6% del volume. Si divide in crosta oceanica e continentale. La crosta continentale è meno densa di quella oceanica (2.8 g/cm³ vs 3 g/cm³), per questo galleggia maggiormente sopra il mantello elevandosi. Composta prevalentemente da graniti, basalti e rocce varie. La crosta è separata dal mantello nella discontinuità di Moho. Questa discontinuità è globale ma non uniforme, infatti mentre la crosta oceanica ha uno spessore di soli 7 km, quella continentale è spessa 40 km.
• Mantello: Rappresenta l’80% del volume terrestre. Composto prevalentemente da peridotiti e rocce di silicati. Il mantello e la crosta sono composti chimicamente da O, Si, Mg, Al, Fe e Ni. Nonostante sia effettivamente solido e composto da rocce, il mantello si comporta in un certo senso da liquido permettendo alla crosta, di diverse densità, di galleggia su di esso. È separato dal nucleo dalla discontinuità di Gutenberg.
• Nucleo: Si divide in nucleo esterno ed interno. È l’involucro più denso con una densità di 10-12 g/cm³ è composto principalmente da Ferro e Nichel. Quello esterno è liquido, mentre quello interno è solido e più denso. Nonostante le temperature del nucleo interno siano maggior di quelle nel nucleo esterno, esso è solidificato poiché sottoposto ad elevatissime pressioni.

Suddivisione degli involucri su base reologica

Gli involucri della Terra hanno densità diverse a causa della diversa composizione chimica dei materiali, oltre che a causa dell’aumento di compattezza dei minerali.

Tettonica delle placche

Origine e sviluppi della teoria

La tettonica delle placche spiega diversi fenomeni quali: distribuzione di vulcani e terremoti, deriva dei continenti, formazione di catene montuose, associazioni litologiche e strutture del fondo oceanico. Questa teoria unificata si è costruita nel tempo, a seguito dell’analisi dei diversi fenomeni geologici da parte degli scienziati. Prima di tutto si spiegò la deriva dei continenti ipotizzandol’esistenza nel passato di un supercontinente detto Pangea, gli indizi furono la geometria dei continenti che combaciano lungo i bordi e le similitudini presenti in tali bordi di rocce, strutture geologiche e fossili. Le strie glaciali sono i segni lasciati sulle rocce dai ghiacciai sciolti nel passato, sono segno di come un tempo i ghiacciai erano presenti anche in zone che al momento sono desertiche come l’Africa e l’Australia. L’espansione dei fondi oceanici si suppone sia causata dalle correnti convettive del mantello. Si è scoperto che il fondo oceanico è composto da roccia basaltica e non da granito vecchio. La Dorsale Medio-Atlantica è una catena montuosa sottomarina luogo di grande attività sismica, si suppone che lungo di essa il fondale oceanico si espanda. Nel 1977 grazie ai dati sonar degli oceani si è stati in grado di costruire una mappa dei fondali oceanici. Il movimento dei fondali oceanici avviene a causa del flusso di magma che proviene dal nucleo, il quale costituisce nuova roccia oceanica e spinge quella antecedente verso l’esterno. In questo modo si crea nuova roccia di origine lavica (crosta) mentre quella più vecchia viene quindi riciclata venendo riassorbita dal mantello, il riciclo avviene nella regione di intensa attività vulcanica nota come “cintura di fuoco”. La litosfera è quindi composta da un mosaico di placche che si muovono l’una rispetto all’altra, costituendo nuove placche e riciclando quelle vecchie.

Margini tettonici

Le interazioni tra placche sono origine di fenomeni geologici, i quali avvengono i corrispondenza di questi margini tettonici dove placche diverse sono a contatto. Esistono 3 tipi di margini:

• Margini divergenti, dove le placche si allontanano l’una dall’altra e si forma nuova litosfera;
• Margini convergenti, dove le placche si avvicinano e una viene riciclata nel mantello;
• Margini trasformi, dove le placche scorrono orizzontalmente l’una rispetto all’altra.

I margini possono avere anche caratteristiche ibride, inoltre la loro interazione dipende dalla natura delle placche coinvolte, che siano oceaniche oppure continentali.

Margini divergenti

L’interazione tra margini divergenti di due placche causa fenomeni diversi in base alla natura delle due placche, se oceaniche o continentali. Sul fondo oceanico, quando due placche si allontanano da un dorsale oceanica il magma fuoriesce dalla rift valley formando nuova crosta oceanica. Quando due placche continentali si separano si ha un rifting continentale che crea delle spaccature, in alcuni casi se avanza per molto tempo può dare origine all’oceanizzazione di un continente, che si compone di 4 step:

• Primo inarcamento e fratture della placca.
• Continue fratture e movimento laterale.
• Risalita di fusi e prime formazioni d’acqua.
• Formazione di nuova crosta oceanica e nascita di una zona detta “dorsale”.

Margini convergenti

I margini convergenti sono invece punti dove le placche si avvicinano tra di loro.

• 1° caso: Oceano-Oceano; Porta alla formazione di una fossa oceanica, una placca discende sotto l’altra nel processo chiamato subduzione, viene così riciclata nel sistema convettivo del mantello portando alla risalita di magma che crea una catena di vulcani attivi nei pressi della fossa oceanica.
• 2° caso: Oceano-Continente; Porta alla formazione di catene montuose con presenza di vulcani, la maggior densità della crosta oceanica porta ad un affossamento di quest’ultima sotto a quella continentale che invece galleggia ed emerge. I fenomeni vulcani producono diversi tipi di lave.
• 3° caso: Continente-Continente; Si ha la subduzione parziale di entrambe le croste e nessuna viene riciclata, in quanto galleggiano sulla superficie del mantello. Porta ad un ispessimento della crosta e alla formazione di alte catene montuose oltre che violenti terremoti.

Margini conservativi

Nei margini conservativi si ha uno scorrimento delle placche che avviene orizzontalmente, senza provocare nessuno scontro. L’energia prodotto in questo scorrimento causa dei fenomeni geologici quali terremoti. In natura i margini sono spesso composti da diverse percentuali di queste conformazioni. Le faglie sismogenetiche sono in grado di produrre terremoti.

Velocità e storia del movimento delle placche

Per misurare la velocità di spostamento delle placche si fa uso dei magnetometri, trasportati dalle navi e immersi nell’acqua che misurano il campo magnetico dell’oceano. Il campo magnetico ha subito delle variazioni in modo regolare nel corso del tempo, le cosiddette inversioni. Il fondale oceanico contiene un minerale, la magnetite, in grado di immagazzinare l’intensità magnetica del periodo geologico. Le zone di alta intensità magnetica sono indice dei periodi di campo magnetico simile a quello attuale. Mentre le zone a bassa intensità sono indice di periodi di campo magnetico inverso rispetto a quello attuale. L’ultima inversione del campo magnetico terrestre si suppone sia avvenuta 0.7 milioni di anni fa. A seguito delle eruzioni vulcaniche, i minerali presenti all’interno delle lave si orientano in base al campo magnetico raffreddandosi, creando così una magnetizzazione termo-residuale. Le lave di diversi periodi geologici hanno quindi diverse magnetizzazioni. Le inversioni del campo magnetico dividono il tempo in croni e subcroni. La datazione dei sedimenti oceanici fornisce quindi una data che costruisce la scala paleomagnetica. I fondi di origine lavica si dispongono man mano che si formano, sempre più lontani rispetto alla dorsale oceanica, fornendo un dato sulla velocità di spostamento delle placche, che si ottiene facendo il rapporto tra la distanza di una placca dalla dorsale e l’età di formazione della placca, i punti dove le rocce del fondo oceanico hanno la stessa età sono detti isocrone. Grazie alla triangolazione satellitare è possibile determinare in base alla direzione dei segnali radio, la direzione dei margini e la velocità di spostamento delle placche.

Movimenti convettivi nel mantello

Il movimento delle placche trova origine nei moti convettivi lavici del mantello. I fusi si solidificano e grazie alla forza di gravità le nuove placche costituite scivolano di lato, si ha quindi una risalita e una discesa di materiale. Le placche più vecchie vengono quindi spostate in subduzione finché non raggiungono l’isoterma di 1300°C sotto alla quale si liquefano e ritornano ad essere fluido lavico. Il moto di convezione del mantello segue diverse teorie:

• Teoria 1: Si ha un unico sistema di convezione per cui ipoteticamente anche la crosta in subduzione potrebbe sprofondare. (Attualmente valida)
• Teoria 2: Si ha una convezione stratificata, diversa tra la zona superiore e quella inferiore del mantello; i moti convettivi inferiori sono più lenti di quelli superficiali.

Al di sotto delle zone di convergenza, dove vennero subdotte vecchie placche, si ha il “cimitero della litosfera”. La litosfera subdotta ha una temperatura minore del mantello circostante, può quindi essere individuata utilizzando le onde sismiche e spiegare così il moto convettivo unificato. Nelle zone di espansione (es. dorsali oceaniche) si ha una lenta risalita di materiale convettivo che serve a bilanciare il materiale subdotto, queste risalite però avvengono anche in altre zone in modo molto più rapido tramite un getto di materiale caldo, detto pennacchio del mantello.

Minerali

Definizione e struttura dei minerali

Una roccia è un aggregato di uno o più minerali. Un minerale viene definito come una sostanza solida cristallina omogenea, reperibile in natura, generalmente inorganica e con una composizione chimica ben definita. La sostanza deve essere quindi reperibile in natura, i diamanti delle miniere sono minerali mentre quelli prodotti nei laboratori industriali con specifici macchinari non sono considerati tali. Una sostanza cristallina ha una configurazione tridimensionale che si ripete nello spazio secondo un ordine definito, i solidi che invece non presentano questa configurazione ordinata sono detti amorfi o vetrosi e vengono considerati mineraloidi. Generalmente sono sostanze inorganiche. Mentre la sostanza organica è composta di carbonio organico, questo può essere trasformato in carbonio fossile attraverso processi geologici, anche se non è considerato propriamente un minerale. Alcuni essere viventi secernono dei minerali, come la calcite dei gusci.

Formazione dei minerali

I minerali, così come i composti chimici, si formano per condivisione di elettroni o per trasferimento di elettroni tra gli atomi reagenti, ad esempio nel diamante gli atomi del carbonio sono disposti in tetraedri regolari nei quali ogni atomo condivide un elettrone con ognuno dei quattro atomi adiacenti. Il legame ionico è il tipo di legame prevalente nelle strutture dei minerali, è formato dall’attrazione elettrica tra due ioni di carica opposta, quando avviene un trasferimento di elettroni. Il legame covalente si forma tra gli elementi non acquistano o cedono facilmente elettroni, ma condividono gli elettroni per formare composti di solito più resistenti di quelli ionici. Il legame metallico è presente negli elementi metallici che tendono a cedere gli elettroni, formando dei composti dove i cationi sono riuniti e gli elettroni sono dispersi e condivisi.

Elementi principali dei minerali

Gli elementi che costituiscono principalmente i minerali sono:

• Cationi: ⁴⁺, ³⁺, ³⁺, ²⁺, ²⁺, ⁺, ²⁺, ⁺