Appunti di geologia applicata 1

I minerali: proprietà tecniche e classificazione

Un minerale è una sostanza naturale solida con una composizione chimica definita ed una struttura cristallina (impalcatura di ioni e di atomi tipica di ciascun minerale) caratteristica.

Proprietà dei minerali

Fisiche:

• Forma: È l’aspetto geometrico esteriore, è la stessa indipendentemente dalle sue dimensioni. L’abito cristallino descrive la forma di un minerale. Se gli atomi non sono organizzati secondo un reticolo cristallino si parla di sostanza amorfa (es.: opale). Quando un minerale con la stessa formula chimica può assumere più abiti diversi si parla di polimorfismo (es.: carbonio).
• Densità: Massa / unità di volume (g/cm³ o kN/m³). I minerali più diffusi sono della classificazione leggeri con densità 20-30 kN/m³ (10 kN/m³ = 1 g/cm³).
• Peso specifico: Massa del minerale / massa di un uguale volume di acqua distillata a 4°C (adimensionale).
• Sfaldatura: Un corpo sollecitato meccanicamente si rompe secondo piani ben definiti. La sfaldatura dei minerali dipende dalla presenza di piani di debolezza lungo i quali si può avere rottura.
• Frattura: Un corpo sollecitato meccanicamente si rompe secondo superfici irregolari. Quando la superficie di frattura è curva e liscia si chiama concoide.
• Durezza: È la resistenza che un minerale oppone alla scalfittura. In mineralogia usualmente si usa la scala delle durezze di Mohs, basata sul principio che ogni termine della scala scalfisce il precedente ed è scalfito dal seguente.
• Tenacità: Modo con cui un minerale si deforma sotto un’azione meccanica, distinguendo i minerali a seconda del loro modo di deformarsi: fragili, malleabili, duttili, settili, elastici, flessibili.

Ottiche:

• Lucentezza: Grado di riflessione della luce da parte delle superfici di un cristallo: adamantina, vitrea, sericea.
• Colore
• Luminescenza: Alcuni minerali sono fluorescenti se sollecitati con raggi ultravioletti o con il calore.

Chimiche:

• Fusibilità
• Solubilità: Tendenza del minerale a sciogliersi in acqua o in acidi a diversa concentrazione. Alcuni minerali si sciolgono dando effervescenza.

Elettriche:

• Conducibilità elettrica

Magnetiche

Alterabilità dei minerali: Trasformazione operata dagli agenti meteorici e dalla vegetazione sui minerali (il quarzo è un minerale non alterabile).

Classificazione dei minerali

1. Elementi nativi (oro, rame, platino, zolfo, grafite, diamante…)
2. Solfuri: Composti binari dello zolfo (galena, pirite…)
3. Alogenuri: Minerali in cui lo ione negativo è rappresentato da un alogeno (Fl, Cl, Br,…); (salgemma, fluorite,…)
4. Ossidi e idrossidi: Composti binari dell’O con numero di ossidazione -2 (quarzo, corindone, ematite, magnetite, bauxite…)
5. Carbonati e borati: ((CO₃)^2-), (calcite, dolomite, magnesite, borace…)
6. Solfati: Ione (SO₄)^2- (gesso, anidrite, barite…)
7. Fosfati: Ione (PO₄)^3- (apatite, turchese…)
8. Silicati: Classificati su basi strutturali
9. Composti organici (ambra)

Minerali non silicati

Quarzo - SiO₂ (ossido)

• Durissimo
• Leggero
• Privo di sfaldatura (frattura concoide)
• Da trasparente a traslucido con lucentezza vitrea
• Ossido difficilmente alterabile, infusibile e insolubile negli acidi (tranne HF): la silice può andare in soluzione a pH basico e T elevata
• Può presentarsi in forma microcristallina (agata, onice) o amorfa (opale)
• Usi: silice per vetri, componenti elettrici, lenti ottiche, abrasivi, gemme, etc.

Dolomite - CaMg(CO₃)₂ (carbonato)

• Cristalli romboedrici (simile alla calcite)
• Semidura
• Non molto pesante
• Fragile e perfettamente sfaldabile in romboedri
• Trasparente o traslucida con lucentezza vitrea
• Difficilmente attaccabile da HCl a freddo, facilmente a caldo con effervescenza, può comunque dare origine a fenomeni carsici
• Usi: in alcuni cementi, come fonte di magnesio, in metallurgia, in chimica

Calcite - CaCO₃ (carbonato)

• Cristalli romboedrici
• Semidura (3° nella scala delle durezze di Mohs)
• Leggera
• Sfaldatura facile e perfetta lungo le facce del romboedro
• Trasparente con lucentezza da vitrea a madreperlacea iridescente
• Varietà fluorescenti ai raggi ultravioletti (emissione di luce rossa, gialla, rosa o azzurra)
• Solubile in HCl diluito a freddo con vivace effervescenza ed in acque ricche in CO₂ si hanno fenomeni carsici alterabilità
• Usi: nei cementi, industria del vetro, pietre ornamentali, usi ottici e chimici

Salgemma - NaCl (alogenuro)

• Cristalli cubici
• Tenero
• Leggerissimo
• Fragile e perfettamente sfaldabile in cubi
• Umido al tatto
• Da trasparente a lucido con lucentezza vitrea
• Colore variabile, sia per impurezze chimiche e meccaniche che per esposizione a raggi ultravioletti, raggi x e radioattività
• Molto solubile in acqua, pertanto può dare origine a fenomeni carsici
• Usi: alimentare, chimica e per apparecchiature scientifiche

Gesso - Ca₂(SO₄)·2H₂O (solfato)

• Cristalli limpidi tabulari e allungati
• Tenero (2° nella scala delle durezze di Mohs)
• Leggero
• Perfettamente sfaldabile in lamine e scagliette
• Trasparente con lucentezza da sericea a vitrea e madreperlacea
• Solubile in HCl e in acqua calda, pertanto può dare origine a fenomeni carsici

Anidrite - CaSO₄ (solfato)

• In presenza di acqua e a pressione ambiente può trasformarsi lentamente in gesso con grande aumento di volume
• Poco solubile in HCl
• Cristalli prismatici tozzi e tabulari
• Ben sfaldabile in cubetti

Grafite - C (elemento nativo)

Diamante - C (elemento nativo)

Corindone (ossido)

Ematite (ossido)

Magnetite (ossido)

Pirite (solfuro)

Minerali silicati

I silicati sono i più importanti componenti delle rocce. Sono minerali molto diffusi e differenziati e costituiscono l’80% della superficie terrestre. Essi sono costituiti da gruppi di SiO₄ legati in modo da formare un tetraedro con l’atomo di silicio al centro e i quattro atomi di ossigeno ai vertici (Si: tetravalente, O: bivalente).

I silicati vengono classificati non su basi strutturali, ovvero sul modo in cui l’unità fondamentale [SiO₄]^4- che li costituisce è legata con gli ioni vicini.

• Nesosilicati: Gruppi tetraedrici isolati uniti da un catione non silicico.
  • Olivine - (Mg,Fe)₂[SiO₄]. Le olivine magnesiache sono tipiche di rocce magmatiche ultrafemiche e femiche sia intrusive che effusive.
  • Granati (caratteristici delle rocce metamorfiche)
• Sorosilicati: Gruppi di due tetraedri che condividono un ossigeno.
• Ciclosilicati: Tetraedri uniti ad anello di 3, 4, 6 elementi.
  • Tormaline: Hanno una formula chimica complessa. È un minerale accessorio comune nelle rocce eruttive e metamorfiche e in quelle sedimentarie (es.: berillo)
• Inosilicati: Tetraedri uniti a formare catene semplici (aperte) o doppie (chiuse) indefinite.
  • Pirosseni: Inosilicati a catena semplice, presentano cristalli tozzi
  • Anfiboli: Inosilicati a catena doppia, presentano cristalli allungati
• Fillosilicati: Tetraedri uniti per tre vertici in modo da formare una maglia piana. I vertici liberi (quarto vertice) sono isoorientati e assicurano il legame con il piano sottostante.
  • Talco
  • Serpentini (→ amianto)
  • Miche: Questi minerali mostrano una considerevole variazione di proprietà fisiche e chimiche, ma sono tutti caratterizzati da una morfologia appiattita e da sfaldatura basale. Le miche si possono trovare in associazione in rocce ignee, metamorfiche e sedimentarie.
    • Biotite
    • Muscovite
• Minerali delle argille: Sono i costituenti essenziali delle argille e delle argilliti, basano la loro struttura cristallina su strati di tetraedri Si-O e di ottaedri (Mg,Al,Fe)-O.
• Tectosilicati: Tetraedri uniti direttamente per tutti e quattro i vertici, formano maglie complesse.
  • Feldspati: Costituiscono il 60% della crosta terrestre.
    • Alcalini - K[AlSi₃O₈]
    • Plagioclasici
  • Feldspatoidi: Importanti per la depurazione delle acque.

Argille

Le argille sono aggregati di materiali di varia natura, caratterizzati da una granulometria inferiore a 0,002 mm e costituiti da:

• Granuli di quarzo
• Polveri
• Sostanze organiche
• Minerali delle argille (fillosilicati)

La struttura di base dei minerali delle argille è formata da tetraedri e da ottaedri.

• Ossidrile (OH)
• Alluminio o Magnesio
• Ossidrilio (OH)
• Al o Mg
• Tetraedri (T)
• Ottaedri (O)

I diversi tipi di minerali argillosi nascono dalla combinazione delle unità tetraedriche (T) ed ottaedriche (O) in pacchetti elementari e dalla combinazione di più pacchetti elementari.

• T-O (struttura 1:1)
• T-O-T (struttura 2:1)

I minerali delle argille presentano cristalli dell'ordine del micron. Hanno un'elevata superficie per unità di peso. Il fatto di avere una struttura a strati ed una grande superficie, conferisce ai minerali delle argille proprietà particolari:

• Adsorbimento di acqua e ioni e rigonfiamento
• Coesione
• Plasticità
• Impermeabilità
• Colabilità
• Viscosità
• Sensibilità
• Scambio ionico
• Capacità di depurazione

Le rocce

Le rocce sono materiali naturali costituiti da un aggregato di minerali e/o sostanze amorfe, che formano il nostro pianeta.

Petrografia: Si occupa di studiare e classificare le rocce.

Le rocce possiedono una grande varietà di proprietà fisiche, chimiche, strutturali e di età che riflettono i processi geologici responsabili della loro formazione; la petrologia studia queste proprietà e di questi processi dal punto di vista teorico e sperimentale.

Da pochi elementi e quindi pochi minerali si ottengono molte rocce.

Il ciclo delle rocce

Nel corso delle ere geologiche, le rocce non si mantengono inalterate, ma subiscono un continuo ciclo di trasformazioni che viene definito ciclo delle rocce e che può essere così schematizzato:

1. Dal magma, per effetto del raffreddamento, si ha la formazione delle rocce ignee o magmatiche (intrusive ed effusive). Le rocce che il magma incontra nella sua risalita possono andare incontro a metamorfismo, perché sottoposte a nuove condizioni di temperatura.
2. Le rocce superficiali vengono sottoposte a erosione e alterazione, e si avvia poi il processo di sedimentazione che porta alla formazione delle rocce sedimentarie.
3. Sia le rocce ignee che quelle sedimentarie possono venirsi a trovare in condizioni di aumentata temperatura e pressione che determinano il metamorfismo, ossia la formazione delle rocce metamorfiche.
4. Se la temperatura aumenta oltre il punto di fusione delle rocce (igneee, sedimentarie o metamorfiche che siano), esse fondono e ritornano magma.

Le rocce sedimentarie sono un tipo di rocce formate dall'accumulo di sedimenti di varia origine, derivanti in gran parte dalla degradazione ed all'erosione di rocce preesistenti, che si sono depositati sulla superficie terrestre.

Le rocce metamorfiche sono rocce che hanno subito processi di metamorfosi legati all'esposizione ad alte temperature e pressioni. Questo processo prende il nome di metamorfismo.

Le rocce magmatiche (dette anche eruttive o ignee) si formano in seguito alla solidificazione di magmi, cioè di masse silicatiche fuse contenenti vari componenti (FeO, MgO, CaO, ecc.) e sostanze volatili (acqua, anidride carbonica, idrogeno, metano, ecc.).

Abbondanza dei diversi tipi di rocce

• Rocce magmatiche: Costituiscono approssimativamente il 65%.
• Rocce sedimentarie: Costituiscono approssimativamente il 8%.
• Rocce metamorfiche: Costituiscono approssimativamente il 27%.

Riconoscimento macroscopico delle rocce

Il processo di riconoscimento, generalmente operato per induzione, si diversifica in funzione della tipologia di roccia. In generale, si basa sui seguenti aspetti:

• Individuazione dei componenti (minerali, fossili, ...)
• Dimensioni e disposizione spaziale dei componenti (struttura cristallina, stratificazione, scistosità)
• Individuazione dei caratteri fisici e chimici (resistenza, alterabilità, …)

In una roccia si guarda la struttura e la tessitura.

Struttura: Descrive i rapporti spaziali alla scala macroscopica tra i vari minerali che costituiscono la roccia.

Tessitura: Descrive i rapporti spaziali alla scala microscopica tra i vari minerali che costituiscono la roccia.

Rocce magmatiche

Costituiscono il prodotto finale della cristallizzazione di un magma. Si distinguono in:

• Intrusive: Derivano da un magma cristallizzato a grande profondità.
• Filoniane: Derivano dalla cristallizzazione di un magma messosi in posto a modesta profondità formando corpi di diverse dimensioni (es.: filoni).
• Effusive: Derivano dalla cristallizzazione di un magma in superficie.

Descrizione e riconoscimento di una roccia magmatica

Si basano sui seguenti aspetti:

• Struttura (olocristallina, fenocristallina o afirica)
• Granulometria (fine o grossolana)
• Colore (da chiaro a scuro)
• Composizione mineralogica (acida – basica)

Struttura

Rocce magmatiche intrusive: Raffreddamento lento (10⁴ - 10⁶ anni). Tutto il magma cristallizza e gli atomi presenti nel magma hanno tempo e modo di legarsi ordinatamente nei reticoli cristallini. Si formano pochi cristalli normalmente visibili ad occhio nudo. → Struttura olocristallina

Rocce magmatiche effusive: Raffreddamento veloce (ore, giorni). Tutto il magma cristallizza, ma gli atomi presenti non hanno tempo e modo di legarsi con ordine nei reticoli cristallini: solo alcuni minerali riescono a crescere (fenocristalli) il resto o cr