Appunti di elementi di scienze della terra per l'insegnamento

Elementi di scienze della Terra per l'insegnamento

Le scienze della Terra si occupano di studiare il nostro pianeta (con la geologia planetaria anche altri pianeti); comprendono i vari aspetti della geologia (tettonica, geomorfologia, geochimica, geofisica, paleontologia, stratigrafia, idrogeologia, vulcanologia, ...) ma anche la climatologia, l'oceanografia, le scienze ambientali, la pedologia. Si ricollegano a elementi di geografia, biologia, chimica, fisica.

Importanza delle scienze della Terra

Tengono sempre presente il tempo:

• Raccolgono evidenze del passato per fare previsioni del futuro (che tipo di eruzione farà questo vulcano?).
• Raccolgono osservazioni del presente per comprendere il passato (dove arrivava una volta la linea di costa in questa regione?).

L'interpretazione di processi avvenuti nel passato si basa sul principio dell'attualismo, riassumibile nella frase di Charles Lyell: «Il presente è la chiave del passato, il passato è la chiave per il futuro».

In Italia e in altri paesi, le geoscienze sono percepite dalla società come una scienza che si occupa essenzialmente di catastrofi naturali e di classificazioni (di minerali, rocce...).

Questo porta a due riflessioni:

• Da un lato, è ignoto il ruolo delle geoscienze nella nostra vita, ad esempio nell'approvvigionamento di materie prime per le attività produttive.
• Dall'altro è sbagliato l'atteggiamento verso i disastri naturali: le geoscienze vengono alla ribalta al momento in cui un disastro si presenta, ma non è compreso il fatto che la prevenzione e mitigazione dei rischi naturali deve essere fatta costantemente!

Perché studiare scienze della Terra?

Sono irrinunciabili per fornire una parte importante delle conoscenze riguardo ai temi della tutela e valorizzazione dell'ambiente e dei beni culturali, della prevenzione dei rischi naturali e del reperimento sostenibile delle risorse (acqua, materie prime, energia) necessarie per le sfide che oggi ci troviamo ad affrontare e che sono state messe in primo piano nell'Agenda 2030 in tema di Sviluppo Sostenibile adottata dall'Assemblea Generale delle Nazioni Unite.

Le scienze della Terra hanno la caratteristica di studiare sistemi complessi (il pianeta Terra e i sottosistemi che lo compongono, le relazioni tra questi), di considerare il fattore tempo e di utilizzare una prospettiva alla scala del pianeta.

Libro di testo valido da tenere presente in futuro: “Capire la Terra” di Palmieri e Parotto (Zanichelli).

Cosa insegnare?

Si deve far riferimento alle indicazioni nazionali: esempio di liceo scientifico scienze applicate:

• Nel primo biennio: moti della Terra, studio geomorfologico di strutture che costituiscono la superficie della Terra (fiumi, laghi, ghiacciai, mari, eccetera).
• Nel secondo biennio si introducono, soprattutto in connessione con le realtà locali e in modo coordinato con la chimica e la fisica, cenni di mineralogia, di petrologia (le rocce) e fenomeni come il vulcanesimo, la sismicità e l'orogenesi, esaminando le trasformazioni ad essi collegate e ponendo attenzione agli aspetti di modellizzazione dei fenomeni stessi (con le difficoltà ad essi legate e con la ricaduta che hanno nelle attività umane) e alla evoluzione delle teorie interpretative formulate nel tempo.
• Al quinto anno si studiano i complessi fenomeni meteorologici e i modelli della tettonica globale, con particolare attenzione a identificare le interrelazioni tra i fenomeni che avvengono a livello delle diverse organizzazioni del pianeta (litosfera, atmosfera, idrosfera). Si potranno svolgere approfondimenti sui contenuti precedenti e/o su temi, anche di carattere tecnico-applicativo, scelti ad esempio tra quelli legati all'ecologia, alle risorse, alle fonti energetiche tradizionali e rinnovabili, alle condizioni di equilibrio dei sistemi ambientali (cicli biogeochimici), alle nanotecnologie o su altri temi, anche legati ai contenuti disciplinari svolti negli anni precedenti.

Sottosistemi del pianeta Terra

Il nostro pianeta è un sistema formato da diversi sottosistemi:

• La Terra "solida",
• L'idrosfera,
• L'atmosfera,
• La biosfera

Questi sono collegati da una miriade di relazioni e interazioni. La parte più esterna della Terra solida, immediatamente sotto i nostri piedi e intorno a noi, è costituita da rocce e queste sono costituite da minerali (o da frammenti di altre rocce, che a loro volta però sono costituiti da minerali).

Più precisamente, spesso sotto i nostri piedi c'è il suolo, che è interessantissimo perché si forma per l'interazione tra le rocce più esterne della Terra solida, l'idrosfera, l'atmosfera e la biosfera; ci torneremo, ma prima di conoscere il suolo andiamo a scoprire le rocce e i loro costituenti.

Minerali

Un minerale è una sostanza:

• Solida (fa eccezione il mercurio, considerato storicamente un minerale, ma che si ritrova liquido in natura),
• Naturale: cioè reperibile in natura (molte sostanze sono state prodotte sinteticamente imitando la struttura e/o la composizione chimica di un minerale; es. una ceramica che è il minerale cordierite),
• Cristallina: gli atomi che lo costituiscono sono organizzati in una configurazione tridimensionale che si ripete nello spazio in maniera ordinata. Vi sono delle eccezioni:
• Vetro vulcanico: è un materiale amorfo, cioè gli atomi non sono ordinati in una struttura cristallina; la rapida diminuzione di temperatura al momento dell'eruzione ha impedito la migrazione e organizzazione degli atomi in strutture cristalline prima della solidificazione.
• Opale: è costituita da piccole sfere di silice amorfa, quindi può essere in parte o del tutto amorfa (anche il quarzo è costituito da silice, ma nella sua forma cristallina).
• Inorganica (ma può formarsi in maniera biomediata, per esempio essere secreto da organismi),
• Con una composizione chimica specifica (semplice o complessa). Alcuni minerali sono costituiti da un solo elemento (diamante, grafite, oro, zolfo…) mentre la maggior parte sono composti, costituiti da più di un elemento (il salgemma, o sale da cucina, NaCl, è un minerale che può essere separato in sodio e cloro).

Sono stati finora descritti oltre 5000 minerali; ognuno è reso unico dalla combinazione della disposizione dei suoi atomi nello spazio e della sua composizione chimica, che insieme ne definiscono le proprietà. I minerali crescono ad una velocità molto variabile, da un solo strato di atomi in un anno fino a tempi molto brevi (i cristalli di sale per evaporazione crescono per diversi millimetri in pochi mesi).

Composizione chimica dei minerali

Sulla base della composizione chimica, in particolare dell'elemento o gruppo che ha la funzione di anione, si possono distinguere:

• Minerali che si ritrovano in natura come elementi nativi: oro Au, rame Cu. (elementi nativi: sono i minerali che sono costituiti da solo un elemento che deve essere un metallo. Es:-un diamante non è un elemento nativo perché anche se è composto da un solo elemento (cioè C), il carbonio non è un metallo, e quindi non si può considerare un elemento nativo.-l'oro puro è un elemento nativo) Nei minerali gli atomi che li costituiscono sono organizzati in una configurazione tridimensionale che si ripete nello spazio in maniera ordinata → struttura cristallina. Dalla struttura dipende l'abito cristallino ed altre proprietà dei minerali.

Proprietà fisiche dei minerali

Tra le proprietà fisiche dei minerali, alcune sono utilizzabili per una descrizione macroscopica che, nel caso di minerali comuni, può portare al riconoscimento del minerale:

Forma cristallina

• I minerali formano cristalli con una forma ben precisa, poliedrica, delimitata da facce piane; non sono sferici perché la loro velocità di accrescimento non è la stessa nelle diverse direzioni. La velocità di accrescimento dipende da molti fattori:
  • Sia del minerale
  • Che della fase da cui sta crescendo,
  • Che dal mezzo in cui sta crescendo:
    • Se il minerale è magmatico, esso cresce dal magma, quindi al diminuire della temperatura il magma tende a passare dalla fase liquida alla fase solida e gli elementi che costituiscono il magma tendono ad organizzarsi; quindi in questo caso il cristallo cresce andando a prendere elementi dal magma.
    • In altri casi il minerale può crescere da una soluzione acquosa: l'acqua, evaporando, porta alla precipitazione di sale, gesso, minerali evaporitici.
    • Sublimazione: I minerali possono formarsi anche in ambiente vulcanico, per esempio, dove c'è il degassamento derivante da una camera magmatica attiva, nella zona craterica si possono formare dei sublimati (= minerali che derivano dai vapori magmatici).
• L'angolo tra facce adiacenti rimane costante per ciascuna forma cristallina.
• Un cristallo è quindi un solido che si accresce delimitato da superfici (facce) piane disposte in maniera "simmetrica".
• Uno stesso minerale, crescendo in condizioni diverse, può avere un abito diverso (non è vero che un minerale si presenta sempre con lo stesso abito, però ne ha uno più caratteristico). L'abito di un minerale può essere:
  • Prismatico: il pirosseno, che è un silicato, normalmente ha abito prismatico; tuttavia, se crescesse in condizioni di disequilibrio (come un gradiente di temperatura molto elevato) potrebbe dare forme scheletriche (= sono forme che sono il risultato di una crescita molto rapida).
  • Fibroso
  • Aciculare
  • Tabulare
  • Foliato: miche
  • Dendritico: manganese

Il polimorfismo si ha quando alcuni elementi e composti formano due o più minerali diversi con diversa forma cristallina (minerali diversi possono avere la stessa composizione chimica e forme diverse). Es:

• C: grafite (sistema esagonale) e diamante (sistema cubico)
• CaCO₃: calcite e aragonite
• FeS₂: pirite e marcasite
• SiO₂: quarzo e cristobalite

I cristalli hanno bisogno di spazio per crescere: spesso, ma non sempre, i minerali si presentano in cristalli molto piccoli, non distinguibili ad occhio nudo, oppure in grani irregolari senza una forma poliedrica perché non hanno avuto sufficiente spazio nella crescita.

I cristalli si accrescono perché:

• Per cristallizzazione del magma, in conseguenza della diminuzione di temperatura.
• Per precipitazione da una soluzione che arriva alla saturazione per evaporazione, nei processi sedimentari.
• Per diffusione di elementi, allo stato solido, nei processi metamorfici.

Sfaldatura

• La sfaldatura è la tendenza di un minerale a rompersi lungo direzioni preferenziali (tali direzioni sono i piani in cui i legami sono più deboli) formando superfici piane e riflettenti.
• Una superficie di sfaldatura è una superficie di rottura, mentre una faccia cristallina è una superficie di crescita.
• Le direzioni dei piani di sfaldatura sono controllate dalla struttura cristallina: sono i piani lungo i quali i legami tra gli atomi sono relativamente deboli; quindi un minerale avrà sempre le stesse direzioni dei piani di sfaldatura, anche se si presenta con forme di accrescimento diverse; è la prova della presenza di una struttura ordinata di atomi.
• La sfaldatura perfetta delle miche (che sono fillosilicati) sono sfaldature molto accentuate.
• Alcuni minerali non hanno sfaldature, perché non hanno direzioni preferenziali di rottura e si rompono con frattura irregolare concoide: quarzo (che è cristallino) e vetro (che è amorfo).
• La galena (= solfuro di piombo), se colpita con un martello, darà dei cubi, perché ha 3 direzioni preferenziali di sfaldatura che si incontrano perpendicolarmente l'una all'altra.

Lucentezza

• La lucentezza esprime come la luce viene riflessa dalla superficie del minerale; dipende dalla percentuale di luce riflessa rispetto a quella incidente (riflettanza) e dall'indice di rifrazione (velocità della luce nel vuoto/velocità della luce nel cristallo).
• Tipi di lucentezza:
  • Metallica: forte riflettanza (elevata % di luce riflessa rispetto a quella incidente); pirite, magnetite, galena (tipica dei minerali opachi).
  • Vitrea: quarzo
  • Resinosa: blenda
  • Perlacea: talco, aragonite (madreperla)
  • Grassa: alcuni tipi di quarzo (vene di quarzo)
  • Sericea/setosa: alcuni fillosilicati, crisotilo (amianto)
  • Adamantina: è la lucentezza delle gemme; dipende dall'indice di rifrazione, che deve essere molto elevato per essere adamantina. (diamante)

Colore del minerale e della sua polvere (striscio)

• Il colore del minerale e della sua polvere non sono sempre uguali, ed il colore "vero" è quello della polvere:
• Il colore di un minerale è dato dalla sua composizione chimica, comprendendo anche elementi che sono presenti in tracce; ad esempio, piccolissime quantità di Fe o di Cr, che assorbono fortemente alcuni colori dello spettro della luce, sono in grado di colorare intensamente un minerale.
• Il colore della polvere lasciata da un minerale strisciato su una superficie abrasiva (striscio) corrisponde fedelmente al colore del minerale; il colore del frammento di minerale macroscopico può invece variare secondo la luce trasmessa o riflessa da esso: è il caso dell'ematite (Fe₂O₃). La polvere dello striscio è rossa, ma i cristalli lo sono solamente se sottilissimi.
• Uno stesso minerale, per la presenza di elementi in tracce diversi, può acquistare colori molto diversi; l'esempio più noto è il quarzo.
• Il colore dipende sia dalla presenza di questi elementi, sia dalla posizione che occupano nella struttura cristallina; questo è il motivo della varietà di bellissime gemme che uno stesso minerale può dare.
• Gli elementi che agiscono da coloranti sono: Fe, Cr, Mn, Cu, Ni, U.

Durezza

• La durezza è la misura della facilità con cui la superficie di un minerale può essere scalfita.
• La durezza viene confusa facilmente con la tenacità o la resistenza agli urti o altre sollecitazioni meccaniche (per esempio il diamante è il minerale con maggiore durezza, ma è anche molto fragile, infatti è meglio non colpirlo).
• La durezza di un minerale dipende dalla forza dei suoi legami chimici: i legami covalenti sono in generale più forti di quelli ionici.

Scala di Mohs:

• Non è una scala lineare, infatti la durezza del diamante è 15 volte quella del quarzo.
• Se uso un chiodo di ferro per provare a scalfire un minerale e questo si scalfisce, so che esso avrà una durezza inferiore a 4,5.

Densità

• La densità è il rapporto tra massa e volume (g/cm³).
• I minerali hanno una densità molto variabile: da circa 1 a circa 20 g/cm³.
• I minerali a densità minore, di circa 1.5 g/cm³, sono quelli che contengono molecole di acqua nella struttura; per la precisione, il ghiaccio è il minerale a densità minore (<1 g/cm³).
• Gran parte dei minerali silicatici che formano la crosta ha densità tra 2.5 e poco più di 3 g/cm³.
• Alcuni ossidi e solfuri hanno densità tra 4 e 7 g/cm³.
• Tra i minerali a densità maggiore c'è l'oro, con ben 19 g/cm³ (le densità più alte si hanno negli elementi nativi).
• La densità media della crosta terrestre è di 2.7 g/cm³. Questo vuol dire che minerali molto densi, o poco densi, sono meno abbondanti dei silicati.

Proprietà magnetiche

• La magnetite è attratta da un magnete.

Altre proprietà

• Temperatura di fusione
• Velocità di propagazione della luce
• Dilatazione termica

Minerali più comuni della crosta

La crosta terrestre è la parte più esterna della Terra solida, ed è costituita per circa il 99% da pochi elementi: O, Si, Al, Fe, Mg, Ca, K, Na. Perciò anche il numero dei minerali più comuni che formano la crosta è limitato: sono circa 30 degli oltre 4500 descritti finora. Tra questi 30, i più comuni sono:

Silicati

• I silicati sono i minerali più abbondanti della crosta terrestre (sono infatti formati da Si e O, i due elementi più abbondanti); alcuni silicati più comuni sono quelli che si possono trovare come cristalli all'interno del granito, e sono:
  • Feldspati: sono i minerali più abbondanti della crosta; sono costituiti da Si, O, Al, i tre più abbondanti elementi nella crosta, e minori quantità di K, Na, Ca. Alcuni feldspati importanti sono:
    • Ortoclasio: spesso è rosa, perché presenta tracce di ferro.
    • Plagioclasio: è bianco latte o trasparente grigio.
  • Quarzo: è trasparente e non ha sfaldature.
  • Olivina: è scura.
  • Pirosseni: è scura.
  • Miche: è un fillosilicato di ferro e magnesio. Tra le miche troviamo la biotite e la muscovite.
• Nelle rocce sedimentarie sono comuni i minerali delle argille, anch'essi costituiti essenzialmente da Si, O, Al (sono silicati di alluminio); si formano per alterazione chimica dei feldspati.

Carbonati

• Tra i non-silicati, sono abbondanti nella crosta i carbonati, in particolare la calcite (= carbonato di calcio) costituente fondamentale:
  • Del gruppo di rocce sedimentarie dei calcari (per precipitazione chimica o organogeni).
  • Del loro equivalente metamorfico, i marmi.

La calcite e l'aragonite, il suo polimorfo, presentano effervescenza (CO₂ che sfugge come gas) con gli acidi.