Geologia I - Appunti

Il pianeta Terra

Il pianeta Terra nasce 4570 miliardi di anni fa. Si è formato per accrezione di parti rocciose. La vita nasce circa 3,5 miliardi di anni fa. Negli ultimi 500 milioni di anni si sono verificate 5 estinzioni di massa: la più recente estinzione di massa fu quella dei dinosauri, circa 65 milioni di anni fa, durante l’era mesozoica.

La carta del tempo geologico

La carta del tempo geologico è suddivisa in unità distinte gerarchicamente: si parte dal fanerozoico. La carta è suddivisa in ere, periodi, epoche, età. Il pianeta Terra fa parte del sistema solare, il quale è costituito dal sole e da 9 pianeti: la Terra è il terzo più vicino al sole, e le sue dimensioni sono simili a quelle di Venere.

La forma della Terra si definisce “geoide”: è un solido geometrico teorico, approssimabile a un ellissoide di rotazione, chiamato sferoide oblato; è caratterizzato da una superficie normale in ogni punto alla direzione della forza di gravità. È quindi una superficie equipotenziale.

L’interno della Terra inizia a differenziarsi circa 4,3 miliardi di anni fa dopo l’accrezione di planetesimali che ha portato alla formazione di parti rocciose. Ciò ha favorito il trasferimento dei materiali in funzione del loro peso atomico: quelli a maggior peso si distribuiscono al centro della Terra; quelli a minor peso si distribuiscono verso l’esterno della Terra.

Il pianeta è a livelli concentrici, in cui cambia lo stato fisico e/o composizionale. Il raggio è di 6371 km: più schiacciato ai poli, più largo verso l’equatore. Dal punto di vista composizionale, è costituito al 93% da ferro, silicio, magnesio, ossigeno. Se si considera invece la crosta, l’82% è formato da ossigeno, silicio e alluminio.

Struttura interna della Terra

L’interno si suddivide sia in base alla reologia, che fa riferimento alla sismologia; sia al comportamento meccanico analizzato grazie alla geofisica; sia in base alla struttura composizionale. Il nucleo si suddivide in nucleo interno ed esterno, il quale occupa quasi la metà della Terra; poi si ha mantello e crosta, che si suddivide in oceanica e continentale.

Secondo la classificazione reologica si ha nucleo interno ed esterno; astenosfera, mesosfera, litosfera. La litosfera è formata dalla crosta continentale ed oceanica e da parte del mantello superiore; l’astenosfera è formata da parte del mantello superiore e dalla zona di transizione, che sta tra il mantello superiore ed inferiore. Ha una densità di 3.3 gr/cm³. La litosfera continentale ha spessore che varia dai 100-150 km.

Le discontinuità della Terra

Le discontinuità sono 2: la discontinuità di Mohorovicic o Moho e la discontinuità di Gutenberg. La Moho si trova tra crosta e mantello, e in funzione dello spessore della crosta marca il passaggio dalla crosta al mantello superiore. La discontinuità di Gutenberg sta tra mantello inferiore e nucleo esterno, a 2900 km. Queste discontinuità rappresentano variazioni di velocità delle onde sismiche.

La struttura della Terra si conosce grazie a studi indiretti, cioè lo studio delle onde sismiche e del loro tempo di percorrenza. Esistono le onde P (prime) e le onde S (seconde): la velocità delle onde P è data da V = √(k/ρ), dove ρ è la densità dell'onda; k rappresenta il modulo di incomprimibilità; μ rappresenta il modulo di taglio o rigidità; la velocità delle onde S è data da V = √(μ/ρ), dove μ è il modulo di taglio e ρ è la densità dell’onda. Le onde S non si propagano nei liquidi poiché il modulo di taglio μ è nullo. Grazie allo studio delle onde sismiche si è capito che l’interno della Terra è anche fluido.

Geologia

La velocità delle onde sismiche aumenta man mano che aumenta la profondità, perché aumenta la pressione delle rocce e quindi i parametri μ, ρ e k. Ciò avviene in maniera regolare fino a circa 5 km di profondità. L’aumento della temperatura ha effetto contrario alla pressione: la velocità oltre i 5 km dipenderà dalla composizione chimica di minerali e rocce.

Suddivisione composizionale

La suddivisione composizionale prevede la crosta (crust), il mantello (mantle) e il nucleo (core).

Crosta continentale

La crosta continentale si contrappone a quella oceanica: si estende dalla superficie fino alla discontinuità di Moho: è caratterizzata da rocce leggere con densità media di 2.6-2.7 gr/cm³: rocce sedimentarie, magmatiche e metamorfiche. Dal punto di vista composizionale, le rocce hanno concentrazioni ricche di silice al 65/75%. La composizione media corrisponde a rocce magmatiche: grano diorite e diorite. Lo spessore è di 70-80 km al di sotto delle catene montuose. La crosta continentale superiore è separata da quella inferiore dalla discontinuità di Conrad.

Gradiente geobarico: definizione

Il gradiente geobarico è l’aumento della pressione in funzione dell’aumento della profondità: aumenta di 1 kbar via via che aumenta la profondità (in media 3.7 km o 30 M pascal).

Gradiente geotermico: definizione

Il gradiente geotermico è l’aumento della temperatura in funzione dell’aumento della profondità: aumenta di 10-75°/km, in media 25-30°/km.

Crosta oceanica

La crosta oceanica si estende dalla superficie fino a Moho: ha rocce con elevato peso specifico, di 2.8-3, quindi più densa rispetto alla crosta continentale. È caratterizzata dal 50% di silice; è formata da rocce magmatiche intrusive ed effusive, con un piccolo spessore di rocce sedimentarie. Lo spessore è di 6-7 km sotto 4-5 km di acqua. Presenta 3 livelli: lo strato 1, lo strato 2 e lo strato 3.

• Lo strato 1 è formato da rocce sedimentarie o sedimenti, ed è caratterizzato da depositi pelagici e torbiditici. È situata tra lave a cuscino e il fondale marino.
• Lo strato 2 è uno strato intermedio formato da rocce magmatiche effusive (basalti): tholeiti e dolivine. I basalti si presentano sottoforma di complessi filoniani e, sopra di essi, lave a cuscino.
• Lo strato 3 è formato da rocce magmatiche intrusive, i gabbri.

Colonna stratigrafica: definizione

La colonna stratigrafica è una distribuzione delle rocce a partire dalla superficie. Durante la collisione di placche vi sono “relitti” di rocce di origine oceanica, detti ofioliti, che sono state sovrapposte alla crosta continentale. I “pillow” sono basalti di origine vulcanica: presentano una struttura raggiata con colonnine e forme tondeggianti: questa tipica struttura si forma a contatto con l’acqua. I pillow sono indicatori di polarità mediante il loro peduncolo. Lungo la dorsale oceanica, su un margine divergente, troveremo al centro rocce più giovani, ai lati rocce più antiche.

Il Mantello

Il Mantello è studiato mediante la velocità delle onde sismiche. Si trova tra Moho e Gutenberg; occupa la maggior parte del volume terrestre. È caratterizzato da silicati ricchi in ferro e magnesio. Presenta rocce ultrabasiche, con percentuale di silicio del 40%: quindi sono più povere di silicio della crosta oceanica. In particolare, troviamo peridotiti o eclogiti. Qui le onde sismiche accelerano da 6.7-7.2 a 8 km/s.

Il mantello è studiato mediante la velocità delle onde sismiche e lo studio delle kimberliti e di xenoliti mantellici, componenti “estranei” all’interno di vulcani.

Il Nucleo

Il nucleo si estende da Gutenberg fino al centro della Terra: la natura composizionale è ferro e nichel con elementi leggeri. Esso è analizzato mediante le meteoriti, elementi chimici e campi magnetici. L’origine del campo magnetico è data dalle correnti convettive che producono campi elettrici, la geodinamo.

Classificazione su base reologica

La tettonica delle placche è governata dalla reologia della Terra. Nella divisione reologica scompare la parola “mantello”: si parla di litosfera, astenosfera, mesosfera e nucleo esterno e interno. La litosfera è formata da crosta oceanica e continentale e mantello superiore. La litosfera è il livello più esterno e tenace, formata cioè da rocce a comportamento rigido; è suddivisa in placche. La deformazione della crosta è plastica.

L’astenosfera corrisponde a tutta la zona del mantello superiore: dai 350 fino a 700 km. L’astenosfera è formata da rocce a comportamento plastico ed è posta al di sotto della litosfera e al di sopra della mesosfera. L’astenosfera è importante perché è parzialmente allo stato fuso: l’1% del volume del mantello è allo stato fuso, mentre il resto è allo stato solido. Se l’1% di materiale allo stato fuso non ci fosse non ci sarebbe tettonica delle placche.

La mesosfera corrisponde al mantello inferiore; si deforma in modo plastico; è ad alta resistenza dal punto di vista meccanico e si estende dai 400 ai 700 km, fino a Gutenberg. Il nucleo esterno è allo stato liquido, composto prevalentemente da ferro ed è compreso tra 2890 e 5150 km di profondità. Il nucleo interno è composto da ferro allo stato solido: è compreso tra 5150 e 6371 km.

L’astenosfera è importante poiché in essa avvengono i movimenti delle placche; si deforma per “creep”, cioè per scorrimento dei singoli cristalli delle rocce l’uno rispetto all’altro. La resistenza della litosfera varia con la profondità: la resistenza della litosfera continentale è minore di quella oceanica, e quindi la conseguenza è che la litosfera oceanica subduce rispetto a quella continentale.

Le Rocce: introduzione

Le rocce adatte allo stoccaggio di scorie radioattive sono i sali. La roccia è un insieme naturale, coerente o incoerente, di minerali, di resti fossili, di sostanze amorfe. Ogni roccia è caratterizzata da composizione mineralogica chimica, tessitura e struttura. Esistono 3 tipi di rocce, a seconda del processo litogenetico che le forma: sedimentazione per le rocce sedimentarie; cristallizzazione per le rocce magmatiche e metamorfismo per le rocce metamorfiche.

La differenza tra roccia coerente o incoerente sta nello stato di aggregazione dei granuli: se non sono aggregati è incoerente, in caso contrario è coerente. Gli organismi fossili possono essere presenti solo nelle rocce metamorfiche di basso grado, dette rocce anchimetamorfiche. Nelle rocce sedimentarie alcuni fossili resistono anche a circa 700°: i conodonti.

Le rocce sedimentarie si formano per erosione, deposizione, seppellimento e litificazione. La cristallizzazione si ha quando dal fuso cristallizza la roccia. Il metamorfismo si ha quando la roccia, a causa di alta temperatura e pressione precipita e dà vita ad una nuova roccia allo stato solido.

I feldspati sono minerali presenti in tutti i tipi di rocce. I pirosseni (o piròsseni) sono presenti in rocce magmatiche, metamorfiche e sedimentarie solo sottoforma di clasti. I minerali delle argille si trovano solo nelle rocce sedimentarie. La calcite si trova in rocce magmatiche, dette “magmi carbonatici”, nelle metamorfiche e nelle sedimentarie. Il gesso si trova solo nelle rocce sedimentarie.

Le tre caratteristiche principali delle rocce sono composizione, tessitura e struttura. Tessitura e struttura hanno significato diverso per petrografi e sedimentologi. Nelle rocce cristalline, si parla di caratteristiche tessiturali quando si parla di caratteristiche che riguardano la distribuzione nello spazio dei componenti delle rocce, osservabile alla mesoscala. Si parla di tessitura a livello microscopico per le rocce sedimentarie, a livello mesoscopico per le rocce cristalline. Per la struttura è il contrario.

La composizione di una roccia si analizza sia osservandola dal punto di vista chimico o normativo, sia dal punto di vista mineralogico o modale. Il minerale è una sostanza cristallina allo stato solido con una specifica composizione chimica naturale, generalmente inorganica. Ogni minerale possiede un reticolo cristallino.

I minerali possono essere chiari o felsici e minerali scuri o mafici. I minerali chiari principali sono ricchi in potassio, sodio, calcio e silicio: il quarzo, i feldspati e la muscovite o mica bianca. I minerali scuri principali sono ricchi in magnesio e ferro: la biotite, il pirosseno, olivine e anfiboli. La cristallizzazione inizia quando il magma raggiunge una temperatura minore alla temperatura di fusione. Di cristallizzazione si parla anche quando si formano minerali per precipitazione chimica da una soluzione acquosa. Per cristallizzazione si intende anche la crescita del cristallo allo stato solido.

Nell’osservazione di una roccia, il primo passo consiste nell’osservarla per vedere se vi sono eventuali minerali visibili ad occhio nudo. Una roccia formata da un solo minerale è detta monomineralica; se ne contiene più di uno è detta polimineralica. Gli elementi più presenti sulla Terra sono maggiori dell’1% e sono, in ordine di percentuale: ossigeno, silicio, alluminio, ferro, calcio, sodio, potassio e magnesio. Gli elementi minori sono tra lo 0,1 e l’1%.

Si parla di polimorfi quando si fa riferimento a diversi tipi di solidi che si possono formare da uno stesso composto chimico, ad esempio l’andalusite, la cianite e la sillimanite. I minerali conosciuti oggi sono 3500 e si classificano in base all’anione:

• Silicati → ione silicato
• Carbonati → ione carbonato
• Ossidi → ossigeno e cationi metallici
• Idrossidi → ione OH e cationi metallici
• Solfuri → zolfo combinato con elementi metallici e semimetallici
• Solfati → ione solfato
• Alogenuri → salgemma NaCl fluorite CaF₂

I minerali sia in maniera inorganica che in maniera organica, sottoforma di fossili. Esempi di fossili sono le “numuliti”, importanti perché fossili guida del paleogene, periodo dell’era cenozoica. Studiare il contenuto in fossili serve per datare se sono fossili guida e per verificare se sono fossili facies, che indicano l’ambiente di sedimentazione.

Criteri principali nella classificazione di una roccia

Le caratteristiche da analizzare in una roccia sono:

• La composizione mineralogica chimica o normativa.
• La tessitura e la struttura.
• Grana o granulometria.
• L’eventuale presenza di fossili.
• L’eventuale presenza di piani di anisotropia primaria.
• Il colore.

Tessitura nelle rocce sedimentarie

La tessitura nelle rocce sedimentarie riguarda le caratteristiche microscopiche, e pertanto nelle rocce sedimentarie si riconoscono tre tipi di tessitura: tessitura clastica, bioclastica e micritica. La tessitura clastica è tipica delle rocce clastiche, rocce caratterizzate dalla presenza di clasti I clasti o elementi sono i ciottoli che compongono il conglomerato. Oltre ad esserci dei clasti, possono essere presenti anche matrice e cemento: la matrice è definita in rapporto al ruolo dell’intelaiatura granulare.

La tessitura bioclastica è una tessitura che caratterizza sempre le rocce sedimentarie, in cui i clasti sono formati da resti di organismi. Molluschi e gasteropodi frammentati, quando si aggregano ad un’arenaria o un’arenite includeranno frammenti di clasti. La tessitura micritica caratterizza esclusivamente le rocce carbonatiche sedimentarie dal termine micrite, termine derivante dall’ inglese “micro crystalline calcite” (calcite microcristallina). La micrite è costituita da calcite con grana pari a 4 micron. Un calcare micritico avendo dimensioni talmente piccole di minerali, quando gli si applica un colpo con il martello si frattura in modo concoide. Questo tipo di fratturazione avviene perché essendoci una struttura composta da piccoli cristalli di 4 micron, ha caratteristiche strutturali tali da permettere la frattura concoide, tipica di strutture omogenee.

Le caratteristiche tessiturali da individuare in una roccia sedimentaria sono il colore, la dimensione, la sfericità e gli arrotondamenti dei granuli.

Strutture nelle rocce sedimentarie

Nelle rocce sedimentarie le strutture sono tutte le caratteristiche osservabili alla mesoscala. Una caratteristica strutturale importante nelle rocce sedimentarie è lo strato, mentre la stratificazione (bedding o layering) è il processo che porta alla formazione dello strato. In una roccia si osservano gli strati, superfici di discontinuità primaria. Dai termini strato e stratificazione deriva il termine “successione stratigrafica”. È una sequenza di rocce sedimentarie osservabili in affioramento. Generalmente le rocce sedimentarie sono stratificate: ma in alcuni casi, la successione stratigrafica può essere massiva (non stratificata). Le strutture sedimentarie sono classificabili in strutture interne allo strato; quelle sulla superficie inferiore e superiore dello strato e le strutture che si trovano solo nelle rocce carbonatiche.

Grana e granulometria nelle rocce

In una roccia si osservano anche la grana e la granulometria. La grana è la dimensione dei minerali che costituiscono le rocce sedimentarie e cristalline. La granulometria riguarda la dimensione dei granuli. Se si guarda un granito ad esempio, sarà caratterizzato da minerali abbastanza...