Geologia marina

I minerali

Vi sono molte ragioni per studiare i minerali oltre al fatto che sono presenti tutto intorno a noi. I minerali si formano sia per la cristallizzazione da fusi magmatici, che per precipitazione da soluzioni. Ciascun minerale si forma in un determinato intervallo di temperatura e pressione. Così i minerali e le rocce contengono indizi della loro origine e storia.

I minerali per definizione sono corpi naturali inorganici, con composizione chimica ben definita, che costituiscono la crosta terrestre ed altri corpi celesti. Sono solidi a temperatura ambiente (con l’eccezione del mercurio nativo e del ghiaccio) e per lo più inorganici. Inorganico sta a significare non prodotto unicamente da organismi viventi o da processi biologici.

Chimicamente i minerali si sono formati da un solo elemento come i diamanti, ad esempio, che sono costituiti solo da carbonio o al contrario da composti di due o più elementi. In alcuni casi sono formati da composti comprendenti oltre dieci elementi. La presenza di certi elementi in determinate proporzioni è uno degli elementi che definiscono le caratteristiche di un minerale.

Ciascun minerale ha una composizione chimica ben definita o almeno un intervallo composizionale all’interno del quale cade. Il numero dei protoni del nucleo è unico per ciascun elemento e determina a quale elemento chimico questo atomo appartiene. Il caratteristico numero di protoni rappresenta il numero atomico degli elementi. Tutti i nuclei (ad eccezione dell’idrogeno) contengono neutroni così come anche protoni e il numero di neutroni in differenti atomi dello stesso elemento non è corrispondente. La somma del numero dei protoni ed il numero dei neutroni in un nucleo rappresenta il numero di massa atomica.

A differenza degli elettroni che risultano leggeri, i protoni e neutroni hanno simili masse. Gli atomi di un dato elemento con differenti numeri di massa atomica, ovvero atomi con lo stesso numero di protoni ma differente numero di neutroni, rappresentano distinti isotopi di quell’elemento. Alcuni elementi hanno un solo isotopo a differenza di altri che ne possono avere anche più di dieci.

Isotopi

Un isotopo è un atomo di uno stesso elemento chimico, e quindi con lo stesso numero atomico, ma con differente numero di massa, e quindi differente massa atomica. La differenza dei numeri di massa è dovuta ad un diverso numero di neutroni presenti nel nucleo dell'atomo a parità di numero atomico.

Composizione e struttura cristallina

Le due caratteristiche fondamentali di un minerale che insieme contribuiscono a distinguerlo dagli altri sono la sua composizione chimica e la sua struttura cristallina. Non vi sono due minerali identici, per esempio un diamante e la grafite sono chimicamente equivalenti, entrambe sono costituite da carbonio. Le loro proprietà fisiche tuttavia sono profondamente differenti a causa delle differenze nella loro struttura cristallina. In un diamante ciascun atomo di carbonio è saldamente vincolato agli adiacenti atomi di carbonio nelle tre dimensioni. Nella grafite gli atomi di carbonio sono vincolati saldamente solo in due dimensioni, cioè in piani, ma i piani sono solo debolmente tenuti insieme nelle tre dimensioni.

Il diamante è chiaro, trasparente, privo di colore e molto duro. La grafite è nera, opaca, morbida e i fogli di atomi di carbonio tendono a scivolare lontano. Diamanti e grafite sono esempi di un fenomeno denominato polimorfismo nei minerali. I polimorfi sono quindi minerali aventi la stessa composizione ma differenti strutture cristalline. Possono esserci più di due polimorfi da una unica composizione.

Colore

Il colore è sicuramente la caratteristica più evidente dei minerali, ma non è una proprietà univocamente utile al riconoscimento di un minerale. Alcuni minerali si mostrano sempre dello stesso colore, altri variano da specie a specie. La variazione di colore è usualmente dovuta alla presenza di piccole quantità di impurità chimiche che non fanno parte della composizione caratteristica del minerale. Queste sono maggiormente evidenti quando il minerale è chiaro o incolore nella forma pura. Il quarzo ad esempio è privo di colore nella sua forma pura. Tuttavia può accadere che il quarzo si ritrovi in altri colori tra i quali il giallo, il rosa, il viola e il bianco latte. Risulta evidente che il colore non è una proprietà utile al riconoscimento per il quarzo.

Durezza

Un'ulteriore caratteristica diagnostica è la durezza, intesa come resistenza a lasciarsi scalfire. Ovvero la capacità a resistere alla rigatura ed è un'altra proprietà fisica che può essere di aiuto al riconoscimento dei minerali. È legata alla forza dei legami che tengono il minerale insieme. La scala di Mohs assume come riferimento la durezza di dieci minerali numerati progressivamente da 1 a 10, tali che ciascuno è in grado di scalfire quello che lo precede ed è scalfito da quello che lo segue.

Un cristallo è un solido costituito da atomi, molecole o ioni aventi una disposizione geometricamente regolare. Una struttura cristallina può essere immaginata come una singola unità strutturale e composizionale ripetuta infinitamente in tutte e tre le dimensioni. Gli atomi di ossigeno, in un silicato, sono disposti ai vertici di un tetraedro, al centro del quale vi è l'atomo di silicio.

Rocce ignee

Le rocce ignee sono quelle rocce derivanti dal raffreddamento di una massa silicatica fluida (il magma). Vengono distinte in:

• Plutoniche, che si consolidano in profondità e sono ben cristallizzate a grana grossa.
• Vulcaniche, sviluppate sulla superficie terrestre, a causa del rapido raffreddamento e presentano una massa di fondo a grana fine.

Generalmente, dunque, le rocce ignee comprendono sia le rocce eruttate sulla superficie terrestre (effusive), che quelle intrusive a bassa profondità.

Serie di Bowen

La serie di Bowen descrive i principi di cristallizzazione di un magma basaltico a temperatura via via decrescente, con la comparsa di due serie di minerali:

• Serie discontinua, a cui appartengono i minerali Femici (ricchi di ferro e magnesio). Con la serie discontinua si passa da un minerale all’altro, nel senso che una specie di minerale, dopo essersi formato, può reagire con il fluido magmatico restante per formare un’altra specie di minerale. → Olivina → Pirosseno ecc.
• Serie continua, a cui appartengono i Feldspati (costituiti da sodio, potassio, calcio). Con la serie continua si ha semplicemente un adattamento alle nuove temperature. …→ Plagioclasio → Calcio

Quindi da un magma basaltico genitore possono originarsi sia rocce plutoniche che vulcaniche. Ciò potrebbe essere causato dalla separazione dei diversi minerali che, con l’abbassamento della temperatura, man mano si disgregano dal fluido magmatico. Vi sono più meccanismi di separazione dal liquido, uno di questi è causato dalla forza di gravità. Tale processo è detto differenziazione magmatica.

Altri processi di formazione sono:

• Trasporto gassoso (detto differenziazione pneumatolitica), cioè formazione di una fase gassosa rispetto al magma con rilascio di sostanze disciolte.
• Assimilazione di rocce incassanti, cioè formazione di magmi ibridi.

Quindi la serie di Bowen tiene conto di magmi che solidificano in condizioni intrusive, quindi i tempi di consolidazione sono molto lenti. Quanto più è lento tale tempo di solidificazione, tanto più è maggiore la grana di tali cristalli. Infatti, quando il magma è ancora all’interno della terra, si ha una solidificazione lenta con formazione di cristalli a grana doppia. Tali cristalli sono relativamente più grossi (fenocristalli). Se il magma raggiunge la superficie terrestre si ha una solidificazione più rapida che origina il resto della roccia.

Classificazione rocce ignee

Per poter classificare le rocce ignee in modo corretto bisognerebbe fare un’analisi modale, cioè un‘analisi della composizione mineralogica di tali rocce, valutandone la % in volume dei minerali presenti. Un elemento su cui possiamo basarci, seppure ingannevole, è il colore. Le rocce ben cristallizzate a grana grossa presentano una correlazione tra colore e composizione chimica.

• Tonalità chiare (o leucocrate) sono generalmente persiliciche, quindi acide, contenenti più del 65% di SiO₂.
• Tonalità scure (o melanocrate) sono generalmente iposiliciche, quindi basiche, e comprendono anche le rocce mafiche (ricche di magnesio e ferro) e ultramafiche (molto ricche di magnesio e ferro).

Le più frequenti rocce ignee sono:

• Granitoidi (graniti), che prevalgono tra le rocce plutoniche, quindi intrusive.
• Basalti, che prevalgono tra le rocce vulcaniche, quindi effusive.

Giacitura roccia intrusive

La disposizione e forma di una massa rocciosa sviluppata all’interno della terra si distingue in:

• Batoliti, derivati dalla sovrapposizione di corpi distinti, l’area di affioramento può raggiungere i 100 Km².
• Dicchi, sono i filoni discordanti rispetto al piano di stratificazione.
• Filoni-strato, sono filoni concordanti (se orizzontali sono detti sill o sheet).
• Laccoliti, sono corpi concordanti di maggiori dimensioni di forma convessa che provocano l’inarcamento delle rocce soprastanti.

Sedimenti e rocce sedimentarie

Una roccia sedimentaria si forma attraverso processi continui che si suddividono in quattro fasi fondamentali:

• Provenienza (degradazione ed erosione)
• Trasporto
• Deposizione (sedimentazione)
• Litificazione (seppellimento e diagenesi)

Per provenienza si intende localizzazione, clima, composizione litologica, rilievo ed ambiente tettonico dell’area cui il sedimento proviene. Per degradazione si intende l’insieme di tutti i processi chimico-fisici che causano dei cambiamenti sia mineralogici che la frammentazione delle rocce e dei suoli esposti sulla superficie o a diretto contatto con l’atmosfera. Per erosione si intende l’asportazione di materiale dalla superficie di terreno ad opera dell’acqua, corrente, ghiaccio, di movimenti gravitazionali.

Per trasporto si intende l’opera di dispersione che i vari agenti geologici (per lo più acqua, aria e ghiaccio) esercitano sui residui prodotti dopo la disgregazione di rocce preesistenti o su materiali sciolti comunque formatisi. Per deposizione si intende una serie di processi che caratterizzano quella fase in cui il sedimento, dopo un trasporto più o meno lungo, si deposita in un certo ambiente. La sedimentazione può essere definita come il processo per cui particelle sospese (granuli o sedimenti) in un fluido si accumulano a causa della forza di gravità (sedimentazione per gravità o decantazione).

La velocità di sedimentazione viene calcolata determinando l’età della base e della sommità di una serie di sedimenti e di rocce sedimentarie. Da qui si ottengono valori medi generalmente inferiori alla velocità di ogni singolo strato. Tuttavia alcune incertezze della determinazione di tale parametro sono causate dai fenomeni di compattazione subita dopo la deposizione (ciò comporterebbe una diminuzione dello spessore originario). La litificazione consiste nell’espulsione di acqua e conseguente riduzione di volume che per certe a grana fine quali le argille, può essere anche del 50%, provocando fenomeni di abbassamento del suolo soprastante detto subsidenza. Quindi la litificazione è il processo che trasforma i sedimenti in rocce vere e proprie e può essere parziale o incompleta. Avviene per lo più dopo la cementazione e la compattazione.

• La compattazione consiste nell’addensamento di tutti i granuli e poi schiacciarsi durante il seppellimento.
• La cementazione consiste nella precipitazione, all’interno dei pori dei sedimenti, di granuli di strato compattato e schiacciato, che tendono ad occludere tutti gli spazi intergranulari ed a legarne saldamente tutti i componenti.

Per alcuni tipi di sedimenti la litificazione avviene mediante ricristallizzazione che si manifesta solitamente con aumento della dimensione dei cristalli. La litificazione fa parte di quell’insieme di processi detti diagenesi che interessano un sedimento a partire dal momento in cui è avvenuta la sua deposizione. La diagenesi è il complesso di processi fisici e chimici principalmente che convertono un sedimento sciolto in una roccia solida. Riguarda le trasformazioni che avvengono a temperature relativamente basse, inferiori a 150–200°C, altrimenti si entra nel campo del metamorfismo con il quale è comunque difficile tracciare un confine netto.

Classificazione rocce sedimentarie

Le rocce sedimentarie si suddividono in:

• Terrigne
• Organogene
• Chimiche

Le rocce terrigne (clastiche) sono costituite da frammenti (clasti) che derivano dall’erosione di rocce preesistenti esposte in superficie. Si formano a seguito del deposito (e successiva litificazione) di sedimenti silicatici all’interno di un bacino deposizionale; gli agenti che operano lo smantellamento e il trasporto possono essere molteplici e produrre effetti differenti sulla forma e la dimensione dei granuli, così come la loro composizione può essere estremamente variabile e legata strettamente alla composizione delle rocce dell’area sorgente.

Le rocce organogene possono derivare dalla sedimentazione di resti di organismi viventi che, soprattutto in ambiente marino, estraggono sostanze disciolte nell'acqua e se ne servono per costruire gusci o scheletri, oppure da biocostruzioni, cioè impalcature rigide costruite da alcuni organismi. Gli organismi che contribuiscono alla formazione di rocce organogene sono soprattutto molluschi, spugne, coralli, alghe unicellulari ecc., i cui gusci e scheletri, dopo la loro morte, si accumulano sui fondali marini dando origine alle rocce organogene, tra cui ricordiamo i calcari, le dolomie e le selci.

Anche i carboni fanno parte delle rocce organogene, poiché formati da resti di origine organica. Le rocce chimiche derivano dalla sedimentazione di sostanze presenti in soluzione nelle acque marine o lacustri, che poi precipitano a causa del mutare delle condizioni chimico-fisiche della soluzione: ciò accade quando, per evaporazione del solvente, la soluzione diventa satura. Esse comprendono i calcari, le dolomie, le evaporiti e le selci. Calcari e dolomie derivano, rispettivamente, dalla precipitazione del carbonato di calcio e del carbonato doppio di calcio e magnesio nelle acque di mari poco profondi e caldi, in seguito a evaporazione molto intensa.

Anche le evaporiti derivano dalla precipitazione di sali contenuti in acque marine rese sature per l'intensa evaporazione. L'ordine di precipitazione dei sali dipende dalla loro solubilità: precipitano per primi i sali meno solubili la calcite e poi via via gli altri, terminando con quelli più solubili. Le selci si formano per precipitazione della silice che risulta in un deposito di cristalli microscopici di quarzo. Sono rocce durissime utilizzate in frammenti dall'uomo nell'età della pietra per costruirsi utensili.

Le rocce sedimentarie, dal punto di vista sedimentologico, possono essere suddivise in quattro gruppi principali:

• Rocce particellari: sono costituite da elementi singoli e separati che subiscono trasporto e vengono accumulati. La roccia che ne deriva è un sistema poroso, controllato dalla gravità e dalle leggi della meccanica dei fluidi. Infine è stratificata (rocce terrigene o epiclastiche).
• Rocce cristalline: derivano essenzialmente da processi chimici sotto il controllo della “regola della fase”. Temperatura e concentrazione della soluzione sono i fattori critici e non esiste un sistema di pori.
• Rocce biocostruite: sono fabbricate interamente da organismi (alghe, coralli, briozoi). Non hanno subito trasporto, non sono stratificate e sono estremamente porose. Possono essere costituite dagli scheletri degli organismi o accumularsi per l’azione di organismi molli.
• Rocce residuali: si formano per degradazione o decomposizione di materiali preesistenti (suoli, carbone, ecc...). Hanno subito trasporto scarso o nullo, infatti sono stratificate male e possono essere porose.

Arenarie: sono composte di granuli dalle dimensioni medie di una sabbia. I granuli possono avere varia composizione mineralogica, in funzione dell'area di provenienza. I tre componenti più comuni sono il quarzo, feldspati e frammenti di roccia. Risultano 3 famiglie principali di arenarie:

• Quarz-areniti: se il quarzo è superiore al 95%
• Arcosi: se i feldspati sono preminenti
• Litareniti: se prevalgono i frammenti di roccia

Studio delle rocce sedimentarie

Lo studio delle rocce sedimentarie viene realizzato attraverso la raccolta di informazioni sulla composizione, tessitura e struttura delle rocce.

• La composizione si riferisce alla natura chimica o mineralogica dei granuli.
• La tessitura è espressa dalle dimensioni dei granuli, dal loro assortimento nella roccia, dal grado di arrotondamento e dalla forma. È definita come l'insieme delle caratteristiche geometriche di una roccia.

Ci sono 3 tipi di tessitura:

• Struttura grano-sostenuta: in cui i granuli si toccano reciprocamente quasi in tutte le direzioni e gli spazi sono occupati da cemento. Il granulo, in questo caso, è l’elemento autoportante della struttura del sedimento che diventerà poi roccia.
• Struttura fango-sostenuta: è rappresentata, invece, da un numero minore di granuli nella struttura, i cui spazi intergranulari sono molto più grandi e riempiti da una matrice. In tal caso i granuli, non essendo più a contatto, non costituiscono l’elemento principale della struttura, che è costituita appunto dalla matrice.