Geomateriali + litologia Sardegna

Anno 2021-2022 | Sara Piras - Geomateriali

Introduzione

Differenza tra roccia e pietra: il termine roccia fa riferimento agli affioramenti mentre la pietra raffigura l’intervento umano. La cava è il luogo dove inizia il percorso che porterà la roccia a diventare pietra.

I materiali lapidei possono essere utilizzati per diversi scopi:

• Uso strutturale: viene usato con funzione di componente strutturale, quali colonne, trabeazioni.
• Uso funzionale: viene usato in maniera funzionale, quale pietrame nei muri, soglie, cornici, lastrici, piani, pavimentazioni, a volte anche con funzione “estetica”.
• Uso industriale: viene usato per scopi industriali ed entra a fare parte di un processo lavorativo finalizzato a realizzare un prodotto di vario genere, quali mattoni, CLS, cemento, vetro, filler, slurry, etc.
• Uso ornamentale: viene usato con funzione primaria prettamente ornamentale, quali balaustre, facciavista, pannellature, rivestimenti, tombe, lapidi, etc.

Le più antiche architetture di pietra sono i monumenti megalitici, realizzati con giganteschi blocchi di pietra, sono diffusi in tutto il mondo e hanno diverse forme. La caratteristica comune è la spiccata funzione di segnalazione: come se gli uomini che li costruirono avessero voluto sottolineare la loro presenza sul territorio, legittimando così i loro diritti su di esso. Le costruzioni megalitiche sono generalmente rappresentate da sepolture collettive con una camera a pianta poligonale o rettangolare, a volte dotata di corridoio, note come dolmens.

Materiali primari per eccellenza, sono state quindi investite di funzioni e significati determinanti, assumendo il ruolo d'abitazione (la caverna), d'arma (il sasso), di spiritualità (il megalite). L’uso della pietra assunse col passare del tempo dimensioni diverse che la collocarono nelle specie decorative pregiate, come materiale di rifinitura. I greci e i romani, pur disponendo di materiale lapideo estratto in loco che utilizzarono largamente, importarono marmi bianchi e colorati da tutto il Mediterraneo che usarono per colonne, pavimentazioni, mosaici ecc.

Geomateriale: indica sistemi prevalentemente allo stato solido rinvenibili nella crosta terrestre e in parte sintetici, ma con specificità tali da assimilarli, quanto a comportamento chimico fisico, a quelli naturali.

Pillole di mineralogia

Roccia: aggregato di minerali.

Minerali: sono delle sostanze solide della materia con composizione chimica definita. Sono quindi caratterizzati da elementi chimici che realizzano tra di loro i vari tipi di legame (ionico, covalente, metallico, di Van der Waals) e una volta che hanno stabilito i legami chimici, iniziano a costruire un’impalcatura, una distribuzione ordinata che è responsabile delle proprietà fisiche dei minerali, che dipendono sempre dal tipo di legame. Esempio: il salgemma, un sale che è costituito da un legame ionico, tra il sodio e il cloro (un cloruro di sodio), ed è quindi un minerale solubile, cioè quando lo metto nell’acqua si scioglie.

I minerali per essere definiti tali devono possedere almeno una proprietà fisica vettoriale, cioè una proprietà che varia con il variare della direzione con cui viene osservata (per questo sono detti anisotropi). I minerali sono caratterizzati da facce, spigoli, e versi, e a seconda dell’orientamento delle facce, quindi della giacitura dei piani del minerale, alcune proprietà fisiche possono variare. Per esempio, la dilatazione termica, nello stato amorfo è isotropa, mentre in alcuni minerali varia col variare della direzione. O ancora alcune proprietà magnetiche e fisiche. La proprietà che maggiormente notiamo è però il colore: il mondo dei minerali è l’unico mondo in cui le sostanze cristalline presentano colori diversi a seconda della direzione da cui si osservano.

Riconoscere le rocce

Lo scopo di questo corso è quello di imparare a riconoscere i minerali quali costituenti di tali rocce, per poter definire la natura della roccia con cui mi sto confrontando. Ciò che colpisce di quest’immagine sono tre colori: un colore trasparente quasi vitreo, ma non è vetro, un colore bianco, e un colore nero. Per tentare di riconoscere tale roccia io devo riconoscere almeno alcuni di questi minerali, i minerali infatti non si mettono assieme in modo caotico ma secondo delle leggi ben precise. Guardando tale roccia, possiamo dire che la parte centrale trasparente è un quarzo, e possiamo quindi chiamare in modo generico le particelle bianche intorno feldspati, perché io so che i feldspati e i plagioclasi sono minerali bianchi, lattiginosi. Poi c’è un minerale scuro, che è un minerale colorato, che dal vero è facilmente riconoscibile in quanto è traslucido, e tende a sfogliarsi, si tratta di biotite. Poi ci saranno altri minerali che io non vedo, però il riconoscimento di questi tre minerali mi permette di dire che probabilmente questa è una roccia magmatica, acida, ha una struttura caratterizzata da minerali che io posso riconoscere, e posso tentare di dire che questa roccia è un granito.

Classificazione

Esistono sostanzialmente due gruppi di minerali:

• Il gruppo dei silicati, molto diffusi, hanno una struttura tetraedrica con un atomo di silicio al centro e quattro atomi di ossigeno sui vertici. Il silicio assume lo stato neutro e ci sono così 4 cariche negative da saturare, che vengono saturate. Possiamo trovare un tetraedro isolato o che condivide un numero di vertici da uno a tutti, questo è l’assetto strutturale. La famiglia dei silicati è una delle più importanti, e una delle più diffuse, composta da minerali che si formano principalmente dalla solidificazione del magma. In questi minerali convivono dei legami covalenti, dati dalla presenza dell’ossigeno che si lega con altro ossigeno, e legami di tipo ionico, con il catione che satura le cariche negative. Il silicio può essere anche sostituito dall'alluminio AlO₄ per cui spesso si parla di allumosilicati.
• Nel gruppo dei silicati abbiamo i minerali colorati, ovvero ricchi di Fe, Mg, e Ca, e i minerali chiari, ricchi di Ca, N (azoto), K (potassio). Le differenze tra i due sono presenti nel colore, nel comportamento, nella durezza.
• È importante poi sapere che ad ogni minerale corrisponde una famiglia di minerali, cioè ad esempio quando si parla di olivina c’è da sapere che vi sono delle olivine in cui è presente solo il Mg, altre in cui solo il Fe, e poi tutta una serie di termini intermedi in cui Fe e Mg si uniscono in varie percentuali. Questo fa sì che l’olivina si presenti con caratteristiche e proprietà differenti in base alla sua composizione. Anche tra minerali colorati di questo tipo si hanno caratteristiche differenti strutturali (sono pirosseni, olivina, biotite, granati e anfiboli).
• I minerali chiari invece sono il quarzo (i suoi tetraedri condividono tutti e quattro i vertici, quindi non vi sono cariche da saturare), la muscovite (come la biotite è un filo silicato, la differenza tra le due è che la biotite contiene Fe, la muscovite no), i plagioclasi (sono anch’essi come il quarzo formati dalla condivisione dei quattro vertici, però c’è la sostituzione del Si con l’Al, vale poi lo stesso discorso delle olivine) e i K-feldspati (dei minerali che si cristallizzano, sono realizzati con tre sistemi cristallini diversi quindi hanno tre termini, l’ortoclasio, il sanidino, e microclino, che si distribuiscono in modo diverso nelle diverse tipologie di rocce).
• Poi abbiamo il gruppo dei carbonati, caratterizzati da un gruppo anionico (CO₃) con una struttura che consiste in tre ioni O^2- ai vertici di un triangolo che circondano e sono coordinati da uno ione C⁴⁺ posizionato al centro. Formati prevalentemente da calcite, elemento fondamentale dei calcari, aragonite e dolomite.

Riconoscere i minerali

I minerali non sono sempre semplici da riconoscere soprattutto quando si trovano in rocce che non permettono di riconoscerli singolarmente, però ci si può aiutare con i colori:

• La biotite è la più semplice da riconoscere perché estremamente lucida.
• Il pirosseno è nero e opaco.
• I minerali scuri sono i minerali più pesanti e sono i cosiddetti “minerali colorati”, i colori di questi minerali che sono i silicati di Fe e Mg, variano dal verde al nero, e sono più pesanti perché il Fe e il Mg hanno un numero atomico diverso.
• I minerali chiari invece sono i feldspati, i plagioclasi, e il quarzo e possono essere trasparenti, rosa e lucidi ma non sempre.

Non bisogna affidarsi sempre e solo al colore però, infatti il quarzo può presentarsi anche scuro. Una caratteristica importante dei minerali è la durezza, ci sono minerali più teneri e altri più duri, ad esempio i calcari (al numero 3 nella scala di Mohs) sono formati prevalentemente da calcite e sono più teneri rispetto ad una roccia che contiene grandi quantità di quarzo (al numero 7).

In questa colonna troviamo tre immagini di graniti, che sono diversi tra di loro, e per questo sembrano rocce diverse, invece sono della stessa tipologia.

• Nella prima immagine vi è un granito con la grana più fine con un’abbondanza maggiore di minerali scuri, con un plagioclasio o un feldspato in genere bianco.
• Nella seconda vi è uno dei minerali più scuri che non ha femico, cioè non ha biotite. Il minerale rosso è feldspato potassico ed è fatto solo di due minerali: il feldspato rosso e il minerale che appare nero in realtà è quarzo.
• Nella terza il K-feldspato assume dei colori più rossi e poi è presente del bianco lattiginoso dei plagioclasi, e del quarzo.

Esame autoptico

Con esame autoptico si intende il riconoscimento di una roccia tramite l’analisi visiva, in maniera macroscopica.

1. Riconoscere le tipologie di materiali che sono stati utilizzati in questo contesto, quindi attribuire un nome, capire se la mia roccia è una roccia magmatica, una roccia sedimentaria, una roccia metamorfica etc.
2. Cerco di riconoscere il materiale, dargli un nome, e riconoscere la finitura (perché una pietra può essere levigata, lucidata, bocciardata, rifinita con il laser), che spesso maschera l’aspetto estetico di una pietra, e poi devo riconoscere il tipo di degrado della roccia, sia esso di tipo antropico o naturale.
3. Guardo i colori.
4. Cerco di riconoscerla al tatto.

Questo però spesso non è sufficiente per fare una caratterizzazione completa dei materiali con cui mi sto confrontando e per questo devo ricorrere a definire le composizioni chimiche e mineralogiche tramite tecniche strumentali. Oggi più che mai è importante avere una conoscenza chimico mineralogica dei materiali, perché mentre nel passato si usavano dei blocchi oppure lastre di dimensioni generalmente superiori ai 20-30 cm, nelle architetture moderne si utilizzano materiali sempre più sottili, talvolta centimetrici, quindi è importante conoscere perfettamente quella che è la natura mineralogica e petrografica del materiale con cui mi sto confrontando.

Composizione chimica: tutte le specie atomiche che sono presenti, a vari livelli di concentrazione, in un dato campione;

Composizione mineralogica: è l'elenco delle proporzioni dei diversi minerali che la costituiscono.

Quindi quali sono i metodi che mi permettono di definire la composizione del mio campione in modo esaustivo? È necessario studiare i miei campioni tramite strumenti e analisi di laboratorio. Per poter studiare i miei materiali, devo avere una sorgente che crea un disturbo nel materiale, il disturbo di questa sorgente induce una risposta del materiale stesso che, se interpretata nel modo adeguato, mi permette di avere informazioni sulla sua composizione. Queste sorgenti che vanno a disturbare la “quiete” dei nostri campioni sono tutte radiazioni elettromagnetiche che viaggiano nello spazio, caratterizzate da un campo magnetico e da uno elettrico, ortogonali tra loro. Alcune di queste radiazioni arrivano direttamente sulla Terra, mentre altre sono bloccate dalla nostra atmosfera. Tramite l’utilizzo di queste onde l’uomo è in grado di creare vari dispositivi, utilizzando le differenti frequenze che tali onde possiedono. Le onde dette “ionizzanti” sono quelle che vanno a conoscere il materiale più dettagliatamente e sono i raggi ultravioletti e le onde y e x.

I microscopi di mineralogia, che ci permettono di riconoscere i materiali non riconoscibili macroscopicamente, sono microscopi profondamente diversi da quelli utilizzati in biologia, perché lavorano con la luce polarizzata. Hanno quindi una lampada che manda al mio campione un fascio di luce bianca che viene intercettata subito da un polaroid. Il polaroid ha una sostanza realizzata artificialmente che riesce a polarizzare la luce, cioè a far sì che il fascio di luce bianca che raggiunge questo polaroid non vibri più con una frequenza qualsiasi, quindi con una direzione qualsiasi, ma invece vibra in un’unica direzione che è perpendicolare alla direzione di trasmissione. Questa luce polarizzata va inviata poi dove è presente il campione.

Cosa osservo?

Supponiamo che il mio campione sia di un materiale che cambia colore in base alla direzione, vedrai a questo punto sdoppiato. Questo perché la luce crea una doppia immagine. Al microscopio ottico quindi il fascio di luce polarizzata viene sdoppiato, e io posso osservare in questo modo ciò che ad occhio nudo non riesco ad evidenziare, cioè i colori, alcuni minerali che ad occhio nudo risultano non trasparenti, sono in realtà trasparenti. E soprattutto posso osservare il fenomeno della isotropia ottica, cioè se io ruoto la mia piattaforma e il mio minerale è un minerale isotropo, si vede che i colori cambiano. Quindi io riesco a riconoscere il mio colore, altre caratteristiche, ma soprattutto un pleocroismo.

Pleocroismo: è un fenomeno osservabile in alcuni cristalli, che si manifesta con una variazione di colore osservando il cristallo da direzioni diverse.

Per cosa si utilizza il microscopio ottico: Classificare le rocce, identificare le tipologie di aggregato e definire il rapporto tra aggregato e legante, in malte intonaci e stucchi, e infine individuare le forme di degrado.

A cosa è dovuto il colore della roccia: È dovuto a fenomeni di assorbimento selettivo di alcune radiazioni della luce bianca che attraversa il campione.

Sfaldatura: Attitudine di alcuni minerali o rocce a dividersi secondo determinate superfici piane.

Differenza tra microscopio ottico ed elettrico

La differenza tra un microscopio ottico ed uno elettrico è a prima vista un maggiore potere di ingrandimento, in quello elettronico, non abbiamo un ingrandimento tramite l’ottica e quindi le lenti, ma tramite un fascio di elettroni, accelerato con delle bobine, che va ad interagire con la superficie del mio campione, fornendomene le caratteristiche.

Litogeomateriali rocce ignee

Processi di formazione delle rocce

Sono 3 i processi sostanziali:

• Il processo igneo: è il processo primario, quello che forma le rocce madri. Si tratta di un processo di raffreddamento delle rocce magmatiche.
• I processi metamorfici e i processi sedimentari: Entrambi i processi portano alla formazione di nuove rocce, ma non primarie, ma come prodotto di trasformazione delle rocce già formate. Sono processi profondamente diversi tra di loro. Perché il processo metamorfico interessa processi di trasformazione di rocce preesistenti in condizioni di temperature e pressione molto alti, la temperatura è superiore ai 300 gradi e le pressioni elevate. Il processo sedimentario è un processo di trasformazione, quindi sempre di rocce già formate che però possono essere rocce magmatiche, rocce metamorfiche e rocce sedimentarie stesse che derivano dall’interazione tra le rocce e gli agenti atmosferici.

Approfondimento processo igneo

Suddivisione interna della Terra

La Terra è formata da quattro strati concentrici: il nucleo interno, il nucleo esterno, il mantello e la crosta o litosfera.

• Il nucleo interno si trova al centro ed è la porzione più calda del nostro pianeta, fondamentalmente solido. Il nucleo esterno è uno strato liquido che circonda il nucleo interno.
• Il mantello è lo strato più largo della Terra, è costituito dal magma. Più duro via via che si sale, presenta in talune zone dei movimenti e dei flussi di rocce fuse che creano delle correnti interne.
• La crosta è l'ultimo strato del pianeta. Molto sottile, può arrivare fino a 60 km di profondità. È formata da rocce solide. Si divide in crosta oceanica (che ospita il fondo dei mari) e in crosta continentale, più spessa della precedente, che costituisce le terre emerse.

Nella superficie terrestre affiorano prevalentemente rocce sedimentarie e tra le rocce sedimentarie ci sono le rocce argillose, in quella della crosta invece vi sono più rocce magmatiche. Le rocce magmatiche sono le rocce che derivano da un processo di consolidazione dei magmi, un magma è una miscela fluida calda all’interno della quale noi troviamo tutti gli elementi chimici che ritroviamo nelle rocce che affiorano nella litosfera, tra questi quello più importante che regola le condizioni di densità e viscosità del magma è il vapore acqueo.

Le tre classi di magmi da un punto di vista della composizione sono: il magma basaltico, che è il più abbondante, il magma andesitico neutro e un magma riolitico acido. Perché varia la composizione? In tutti e tre i magmi è presente la silice. Il magma basaltico è quello più povero in silice e più ricco di Mg, Ca e Fe. Questo perché i magmi provengono dal mantello, quindi spostandoci verso un magma acido...