Geologia - Teoria, riassunti e rocce

L'interno della Terra

La Terra è suddivisa in involucri concentrici ognuno dei quali ha un relativo spessore. Essi furono scoperti attraverso lo studio della propagazione delle onde P ed S all'interno del Pianeta: si notò infatti che queste erano soggette a deviazioni e riflessioni dove cambiavano le caratteristiche del mezzo che incontravano nel loro cammino, ovvero al passaggio nei diversi involucri terrestri con caratteristiche fisiche differenti.

La parte più interna del Pianeta è il nucleo, suddiviso in interno ed esterno. Il nucleo interno, solido, si pensa sia costituito da ferro e nichel; il nucleo esterno, liquido, è costituito oltre che da ferro e nichel anche da elementi più leggeri quali ad esempio lo zolfo.

Il mantello terrestre costituisce la parte maggiore della Terra come volume e come massa. Dalla crosta e dal nucleo lo separano rispettivamente la discontinuità di Moho e la discontinuità di Gutemberg. Nel mantello è presente inoltre una zona di transizione tra mantello superiore e inferiore ovvero una zona in cui avviene un cambiamento di fase (s'intende la riorganizzazione della struttura cristallina dei minerali che, con l'aumento di pressione, viene ad assumere una configurazione più densa).

Nella parte superiore del mantello è stata individuata una zona di rallentamento delle onde sismiche, denominata zona di bassa velocità. Si suppone che la superficie superiore della zona di bassa velocità coincida con il livello sul quale le zolle costituenti l'involucro esterno del pianeta si muovono le une rispetto alle altre come previsto dalla tettonica a placche. L'involucro in questione prende il nome di litosfera, freddo e rigido, che poggia sull'astenosfera, calda e plastica.

La crosta terrestre

La crosta è la parte più esterna del nostro pianeta, del quale costituisce una sorta di involucro solido di modesto spessore (quasi l'1% dell'intero volume) che ricopre in modo continuo la Terra. Esistono due principali tipi di crosta terrestre, l'una continentale, molto spessa, e l'altra oceanica, di spessore più ridotto ma con densità maggiore. Dalla superficie, la crosta si estende fino alla discontinuità di Mohorovicic ove si ha un brusco aumento della velocità delle onde sismiche P che si spiega con un brusco aumento di densità.

La natura dei materiali che costituiscono la crosta sono minerali e rocce. Un minerale è una sostanza solida naturale inorganica formata in seguito a processi geologici, caratterizzata da una composizione chimica ben definita, i cui atomi formano una struttura tridimensionale ordinata detto reticolo cristallino. Una roccia è un'aggregazione naturale di minerali diversi. Un mineraloide è una sostanza che non ha una struttura interna che mantiene lo stesso tipo d'ordine in ogni sua parte (es. vetri vulcanici).

Una formazione comprende un insieme di rocce che hanno avuto origine in un ambiente omogeneo (facies), in un determinato periodo di tempo (coeve). La crosta terrestre è formata per il 90% in volume di ossigeno, in seguito potassio, sodio, calcio, silicio, alluminio, ferro e magnesio.

Minerali

Un minerale è una sostanza naturale inorganica, solida, formata in seguito a processi geologici, che possiede una composizione chimica definita i cui atomi formano un reticolo cristallino. Gli aggregati cristallini possono essere eterogenei, ovvero costituiti da minerali di specie diverse, o omogenei, ovvero costituiti da minerali della stessa specie. Gli abiti cristallini degli aggregati possono essere regolari o irregolari detti meglio, rispettivamente, eusdrali (o idiomorfi, con forma cristallina propria) e anaedrali (o allotriomorfi privi di forma cristallina propria).

Le proprietà fisiche dei minerali sono la durezza (la quale in passato era misurata con la scala Mohs che considerava la scalfitura dei vari materiali: il meno duro era considerato il talco ed il più duro il diamante), la sfaldatura ovvero la tendenza di un minerale a rompersi lungo piani ben definiti, la lucentezza, il colore e la densità.

I minerali più diffusi sulla Terra sono i silicati, composti in prevalenza da ossigeno e silicio (formula chimica SiO₄). Gli atomi di ossigeno, in un silicato, sono disposti ai vertici di un tetraedro, al centro del quale vi è l'atomo di silicio. I silicati si distinguono a seconda della complessità dei legami che intercorrono tra i singoli tetraedri, da cui dipende il reticolo cristallino di ogni silicato e la quantità e tipo di metalli in esso presenti:

• Nesosilicati: Tetraedro isolato. Fa parte di questo gruppo l'olivina.
• Inosilicati: Catene singole (pirosseni) o doppie (anfiboli) di tetraedri.
• Fillosilicati: Catene multiple che formano dei piani sottili (lamine). Il silicato più diffuso di questo gruppo è la mica; sono miche la muscovite e la biotite.
• Tectosilicati: Piani legati in modo da formare un reticolo tridimensionale. Appartengono a questo gruppo i feldspati, che comprendono ortoclasio e plagioclasio, ed il quarzo.

La crosta terrestre è formata da silicati quali feldspati (58%), pirosseni e anfiboli (13%), quarzi (11%), miche minerali argillosi (10%) e olivine, da carbonati, ossidi e solfati (3%).

Le rocce

Le rocce sono aggregazioni naturali di uno o più minerali. Vengono classificate in base alla loro origine e si distinguono in tre gruppi:

• Rocce ignee: Derivate da solidificazione di masse fuse. Se la consolidazione del magma avviene all'interno della crosta si hanno le rocce ignee intrusive; se avviene all'esterno prenderanno il nome di rocce ignee effusive. - Processo magmatico.
• Rocce sedimentarie: Dovute a disgregazione e/o decomposizione di rocce preesistenti e successiva deposizione, genericamente dopo aver subito un trasporto in acqua, vento o ghiacciai. - Processo sedimentario.
• Rocce metamorfiche: Prodotte da trasformazioni di altre rocce all'interno della Terra, a causa delle pressioni e temperature differenti da quelle originali. - Processo metamorfico.

Rocce ignee

Queste rocce derivano da cristallizzazione di una massa silicatica fluida (magma). Le rocce ignee vengono distinte in due gruppi, le plutoniche e le vulcaniche. Le prime hanno un tipico rappresentante nel granito e si sono consolidate in profondità, in presenza di componenti volatili. Sono pertanto ben cristallizzate.

Le rocce vulcaniche sono le ignee formatesi sulla superficie terrestre, sia gettate in modo esplosivo sia eliminate in colate laviche; a causa del proprio raffreddamento esse presentano una massa di fondo a grana fine o addirittura vetrosa.

Le rocce plutoniche hanno quindi una forte capacità di cristallizzazione, elevata capacità di crescita dei cristalli ed alto potere di cristallizzazione; le rocce vulcaniche, al contrario, sono una massa informe di materia con un reticolo cristallino non definito. Inoltre le rocce intrusive (plutoniche) hanno una struttura granulare olocristallina ipidiomorfa. Esse, infatti, sono formate da aggregati di cristalli nei quali è indicato anche l'ordine di segregazione cristallina con la quale sono arrivati i cristalli stessi: i primi ad arrivare hanno preso posizione a proprio piacimento mentre a mano a mano gli altri si sono dovuti deformare per entrare in base ai cristalli posizionati in precedenza.

Le rocce effusive (vulcaniche) si dividono in base alla presenza di cristalli (vitrofirica, ipocristallina, olocristallina) ed in base alla presenza di fenocristalli (afirica, porfirica). Il fenocristallo è un cristallo che si forma nella camera magmatica quando l'impasto roccioso, sotto forma di lava, rimane per molto tempo prima di essere espulso.

A causa del lento raffreddamento dei magmi che solidificano in profondità, le rocce intrusive cristallizzano completamente, assumendo una tessitura olocristallina. Se vi sono grossi cristalli in una massa di fondo a grana più fine, si parla di tessitura porfirica; per lo più risultato di solidificazione in due fasi: la prima lenta e la successiva veloce. La cristallizzazione lenta avverrebbe quando il magma è ancora all'interno della Terra e darebbe luogo alla formazione di cristalli relativamente più grossi detti fenocristalli. La solidificazione veloce si avrebbe quando lo stesso magma raggiunge la superficie terrestre, dando luogo al resto della roccia che costituisce la massa di fondo.

Quando la consolidazione avviene in tempi molto brevi, come capita per le rocce effusive, la tessitura è vetrosa, causando inoltre dei veri e propri fori all'interno della roccia prodotti dalla liberazione di bollicine di gas.

La serie di Bowen indica dall'alto verso il basso la sequenza di formazione dei vari minerali per temperature via via decrescenti. È suddivisa in una serie continua ed una discontinua:

• La serie continua equivale a dire che con il procedere del raffreddamento, la composizione del minerale si modifica in modo continuo: a 1600° abbiamo le olivine (tetraedri di silicio con ferro e magnesio), diminuendo la temperatura troviamo i pirosseni, gli anfiboli, le biotiti (miche), il feldspato potassico e infine il quarzo, il quale cristallizza a 400°.
• La serie discontinua equivale a dire che con il procedere del raffreddamento i minerali precedentemente formati reagiscono con il fuso per produrre nuovi materiali: plagioclasi calcici, plagioclasi sodici, feldspato potassico, quarzo.

La serie di Bowen consente di comprendere come possano avere origine tipi diversificati di rocce sia plutoniche che vulcaniche: la formazione di rocce di differente composizione risulta possibile a causa della diminuzione della temperatura. Un efficace meccanismo di separazione dal liquido dei vari minerali che via via si formano è rappresentato dalla gravità. Considerando la composizione dei minerali che progressivamente si separano, si può osservare che nel residuo ancora liquido di un magma in solidificazione vengono sempre più a mancare Mg, Ca, Fe mentre si ha un arricchimento di Na, K, Si.

La classificazione delle rocce plutoniche entrata in uso è quella elaborata da Streckeisen. In questa, la roccia in esame è rappresentata da un punto all'interno di una delle svariate suddivisioni all'interno di un doppio triangolo ai cui vertici troviamo quarzo, alcalifeldspati e plagioclasi (triangolo superiore) e feldspatoidi, alcalifeldspati e plagioclasi (triangolo inferiore). Le rocce la cui composizione è rappresentata da punti ubicati nel triangolo inferiore sono sottosature di silice: derivano da magmi meno ricchi di SiO₂.

Nella crosta terrestre prevalgono di gran lunga, tra le rocce plutoniche, i granitoidi mentre tra le effusive, i basalti. I magmi contenenti acqua tendono a solidificare in profondità in quanto l'acqua si dissolve nei fusi ad alta pressione, mentre viene espulsa a bassa pressione. L'acqua agisce da fondente, nel senso che abbassa il punto di inizio di fusione. Tra le rocce plutoniche sono le più diffuse quelle di tipo granitico.

Inoltre, in base al quantitativo di silice SiO₂, raggruppata in tetraedri, le rocce ignee si dividono in:

• SiO₂>65% - rocce ignee acide
• SiO₂<52% - rocce basiche o femiche (ricche di ferro, magnesio e calcio)
• 52%< SiO₂ < 64% - rocce ignee neutre
• SiO₂<45% - rocce ignee ultrabasiche (silicati di ferro e di magnesio)

Disfacimento meteorico

Degradazione, erosione e trasporto sono i principali processi geomorfologici che contribuiscono a modellare la superficie terrestre. Le rocce, al contatto con l'atmosfera subiscono alterazioni dovute agli agenti meteorici: è il processo iniziale che porta alla genesi dei depositi sedimentari e dei suoli ed ha come risultato la riduzione in frammenti a partire da rocce.

Degradazione fisica

La crescita di cristalli di ghiaccio o di sali nelle discontinuità (fratture) della terra, sviluppa pressioni in grado di disgregare le rocce. L'acqua, infatti, si infiltra nelle cavità e, congelando, aumenta il suo volume di circa il 9% esercitando in tal modo una pressione più efficace. Una successione prolungata di cicli gelo-disgelo, tipica in molte regioni montuose, risulta attiva nell'allargare le fratture.

Degradazione chimica

Le rocce, quando in seguito all'erosione vengono a contatto con l'atmosfera, sono coinvolte in una serie di reazioni chimiche per adattarsi alle nuove condizioni ambientali. L'intensità dell'alterazione è collegata con le condizioni climatiche, essendo maggiore dove vi è più disponibilità d'acqua, la temperatura è più elevata e la copertura vegetale maggiormente estesa.

In linea generale tra i silicati, i minerali più abbondanti nella crosta terrestre, si alternano con maggiore facilità quelli ricchi di magnesio e ferro, i primi a cristallizzare nella solidificazione dei magmi e aventi strutture più facilmente disgregabili. L'azione che l'acqua svolge sui silicati, in particolare sui feldspati, viene denominata idrolisi: contiene infatti anidride carbonica disciolta sotto forma di acido carbonico che facilita gli attacchi chimici sui feldspati.

Un'altra reazione che interviene nel processo di degradazione chimica è quella di ossidazione. In questo caso si ha l'unione dell'ossigeno disciolto in acqua con elementi come il ferro che può provenire dalla decomposizione dei silicati.

Alterazione biochimica

Un ruolo importantissimo è inoltre svolto dall'attività degli organismi. La respirazione dei batteri e degli animali che vivono nel terreno può far salire la percentuale di anidride carbonica nell'aria presente nel suolo; quest'ultima si scioglie nell'acqua circolante rendendola più aggressiva, quindi in grado di decomporre minerali con maggiore facilità.

Rocce sedimentarie

Il processo che trasforma i sedimenti in rocce vere e proprie è la litificazione. La trasformazione di un deposito in roccia litificata 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 riguarda le trasformazioni che avvengono a temperature relativamente basse (200°).

La litificazione avviene per lo più dopo il seppellimento e la compattazione, che consiste nell'espulsione di acqua e conseguente riduzione di volume. La cementazione consiste nella precipitazione, all'interno dei pori dei sedimenti, per lo più di carbonato di calcio (CaCO₃) e di silicio (SiO₂).

Classificazione delle rocce sedimentarie

Le rocce sedimentarie vengono suddivise in base alla loro natura, origine e principali costituenti. Troviamo le rocce di origine chimica, ovvero rocce residuali (facies continentale) come le argille rosse ricche di alluminio e ferro, le rocce di origine organica, ovvero rocce biochimiche, le quali si formano dalla precipitazione di sostanze inorganiche ad opera di organismi viventi e le rocce bioclastiche formate da gusci e scheletri, ossia da parti inorganiche di organismi morti soggette al trasporto, deposizione e diagenesi.

Le rocce di deposito chimico sono quelle di natura gessosa, calcarea, dolomitica e silicea. Le rocce organogene sono derivate dall'accumulo di frammenti o di intere parti di minerali di organismi. I principali organismi che contribuiscono a formare queste rocce sono sia animali (come i lamellibranchi) che vegetali (alghe). Le parti dure degli organismi che si accumulano sono costituite in prevalenza da calcite oppure da opale (prodotta quest'ultima da radiolari, diatomee e spugne). Le rocce organogene sono formate da un'impalcatura rigida data dalle parti calcaree saldate le une alle altre, in modo da edificare scogliere coralline. Di importanza economica sono i depositi di carbone, dovuti all'accumulo di organismi vegetali che, decomponendosi, formano depositi di torba la quale, ricoperta da sabbie e limi, con l'aumento di pressione e temperatura nel seppellimento, fanno allontanare l'acqua e le sostanze volatili con successivo aumento di carbonio fino alla trasformazione della torba in carbone vero e proprio.

Quindi l'ambiente di formazione delle rocce sedimentarie è principalmente marino o nell'area di transizione tra mare e terra. Nelle acque marine basse vi può essere sedimentazione costituita in prevalenza da frammenti di materiale quarzoso, di rocce silicatiche o di tipo carbonatico come le scogliere coralline.

Le rocce detritiche sono dovute a diagenesi di detriti e/o clasti di origine rocciosa. I clasti più vistosi sono detti elementi, quelli di minore dimensione granuli e, se interposti ad elementi più grandi, formano la matrice. I colloidi, che riempiono i vuoti tra gli elementi e/o tra i granuli, formano infine il cemento. I conglomerati sono rocce detritiche a grossi elementi. Si distinguono tra esse le brecce, costituite da elementi a spigoli vivi, e le puddinghe, con elementi a spigoli arrotondati detti ciottoli.

Le arenarie (o areniti) sono costituite da elementi con dimensioni inferiori ai due millimetri circa e derivano dalla diagenesi delle sabbie. Le lutiti derivano dalla diagenesi di fanghi; tra le lutiti si distinguono le argille, prodotte dall'alterazione dei feldspati. Le rocce detritiche di natura carbonatica sono dette calciruditi. Le marne sono lutiti di natura mista, calcareo e argillosa. Le argille marnose, le marne argillose, le marne calcaree e i calcari marnosi sono termini di passaggio, rispettivamente tra le argille e le marne. Tra di esse ricordiamo le calciruditi. Inoltre tra le rocce calcaree ricordiamo la micrite (con grana finissima, con cristalli di diametro inferiore a 5 micron) e la sparite.