Mineralogia

Petrografia e mineralogia

Definizioni generali

Minerale: sostanza generalmente solida, naturale, generata da processi inorganici.

Roccia: materiale naturale, eterogeneo, formato da uno o più minerali e/o vetro.

Mineralogia: studia la composizione chimica e la struttura cristallina dei minerali.

Petrografia: studia la distribuzione e tessitura dei minerali nelle rocce.

Petrologia: studia i processi di formazione delle rocce.

Rocce magmatiche

Tipologie e caratteristiche

Basalti/gabbri (rocce mafiche): hanno una composizione chimica meno evoluta rispetto a graniti/rioliti (rocce acide). L'evoluzione da magmi mafici a acidi avviene attraverso la differenziazione magmatica: costituisce l'insieme dei processi per cui, a partire da un determinato magma capostipite, possono originarsi rocce con composizioni mineralogiche e chimiche diverse. Partendo dal magma iniziale, i minerali che si formano alle T più alte impoveriscono il fuso di certi ioni, modificandone la composizione.

Serie di Bowen: rappresenta la sequenza tipica dei minerali che cristallizzano durante la differenziazione magmatica. I minerali in cima alla serie sono ricchi in ferro e magnesio e costituiscono le rocce mafiche; quelli in fondo sono progressivamente più ricchi in silicio, alluminio e elementi alcalini, e costituiscono le rocce felsiche.

Meccanismi di differenziazione

• Frazionamento per gravità: minerali mafici cristallizzano per primi e sono più ricchi in elementi pesanti come ferro e magnesio, risultando più densi del fuso silicatico. La gravità porta quindi all'affondamento di questi minerali e al loro accumulo sul fondo della camera magmatica.
• Magma mixing: il mescolamento di magmi con differente composizione chimica produce un magma con una composizione ibrida intermedia.
• Filtro-pressa: magma ricco in cristalli che si muove all'interno di un condotto o di una frattura incontra una strozzatura che blocca il passaggio dei cristalli in sospensione, separando la fase liquida da quella solida.

Classificazione delle rocce magmatiche

Rocce intrusive: plutoniche, derivano da magmi solidificati in profondità in tempi molto lunghi.

Rocce effusive: vulcaniche, derivano da magmi eruttati in superficie dai vulcani, solidificati in tempi rapidi.

Componenti e tessitura

Componenti: natura e abbondanza dei componenti di una roccia ignea dipendono dalla composizione del magma. Se il passaggio liquido-solido è molto rapido, il solido conserva una struttura simile a quella del liquido, amorfa (vetro).

Tessitura: insieme dei caratteri derivanti da dimensioni, forma e rapporti spaziali dei suoi componenti.

Componenti delle rocce magmatiche

• Minerali fondamentali: sialici (quarzo, feldspati alcalini, plagioclasi, nefelina, leucite e muscovite) e femici (olivina, pirosseni, anfiboli e biotite).
• Minerali accessori: diffusi (magnetite, ilmenite, apatite, zircone, monazite) e specifici (cromite, spinelli, tormalina, titanite, epidoti, granati, andalusite, sillimanite, cordierite e corindone).
• Minerali secondari: albite, epidoti, microclino, miche bianche, minerali argillosi, zeoliti, analcime, prehnite, scapolite, anfiboli, clorite, serpentino, talco, carbonati, ematite, limonite, rutilo, titanite, cristobalite, tridimite, quarzo.

Tessitura delle rocce magmatiche

• Cristallinità: grado di cristallizzazione.
• Granularità: dimensioni assolute/relative dei cristalli.
• Forma dei cristalli: grado di eudralità.
• Relazioni spaziali tra le fasi: isotropa o anisotropa.

Classificazione delle rocce magmatiche

• Modale: basata sulla composizione magmatica reale di una roccia.
• Normativa: basata sulla composizione mineralogica normativa, ossia l'associazione ipotetica di minerali ottenuta attraverso il ricalcolo dell'analisi chimica della roccia.

Diagramma QAPF

• Q: quarzo
• A: feldspati alcalini
• P: plagioclasi
• F: feldspatoidi

Classificazione su base chimica

• Elementi maggiori: contenuti in quantità maggiori a 0.5-1 wt%
• Acidità: contenuto in SiO₂, ultrabasiche (<43%), basiche (43-52), intermedie (52-65), acide (>65).
• Saturazione in SiO₂: sovrasature (quarzo), sottosature (olivina e/o feldspatoidi), sature (non contengono nessuno dei tre).

Rocce metamorfiche

Processi e tipi

Sono il risultato della trasformazione allo stato solido di altri tipi di rocce, legato a variazioni di P e T.

Protolite: roccia sedimentaria, magmatica o metamorfica che subisce un processo metamorfico.

Blastesi: processo di neoformazione e di lento accrescimento di individui cristallini, in seno a rocce sottoposte a metamorfismo.

Metasomatismo: processo di variazione della composizione chimica della roccia a seguito dell'intervento di fluidi.

Tipi di metamorfismo

• Di seppellimento: tipico delle zone di subduzione (alta P e bassa T).
• Regionale: legato a movimenti orogenetici (alta P e alta T).
• Di contatto: quando una roccia entra in contatto con rocce magmatiche ancora calde (alta T).

Fattori del metamorfismo

• T: fornisce energia necessaria alle transizioni di fase dei minerali.
• P: definisce assieme a T il campo di stabilità delle fasi minerali.
• Tempo: necessario affinché il processo metamorfico avvenga, visti i tassi molto lenti delle reazioni metamorfiche.
• Fluidi: favoriscono le reazioni metamorfiche aumentando i tassi delle reazioni metamorfiche.

Caratteristiche del metamorfismo

Processo isochimico, al progredire del metamorfismo le rocce sedimentarie perdono i volatili, le rocce ignee acquistano volatili e un apporto estremo di fluidi segna il passaggio al metasomatismo.

Effetti del metamorfismo

• Ricristallizzazione di fasi pre-esistenti.
• Transizioni di fasi singole.
• Cristallizzazione di nuove fasi.
• Deformazione rocce.
• Ri-orientamento dei minerali.
• Rimozione fasi in soluzione.

Classificazione tessiturale

• Scisto-: roccia con scistosità pervasiva ben sviluppata.
• Gneiss-: roccia con foliazione spaziata, almeno centimetrica, con struttura a bande.
• Granofels-: roccia priva di anisotropie sia planari che lineari.
• Ardesia: roccia metamorfica a grana finissima a clivaggio ardesiaco, planare, perfettamente sviluppato, indipendente dalla stratificazione, che deriva dalla disposizione parallela dei fillosilicati finissimi.
• Fillade: roccia metamorfica a grana da fine a media con superfici di scistosità a lucentezza sericea, derivata dalla disposizione parallela dei fillosilicati.
• Scisto verde: metabasite verde, foliata.
• Anfibolite: roccia basica-intermedia costituita almeno per 30% da anfibolo e plagioclasio.
• Granulite: roccia di alto grado metamorfico costituita da minerali anidri con granuli spesso poligonali.
• Gneiss: roccia metamorfica con foliazione spaziata formata da cristalli di quarzo, feldspati e miche.
• Migmatite: roccia di alto grado metamorfico costituita da porzioni scuri ricche in biotite e porzioni chiare quarzo-feldspatiche.
• Scisto blu: metabasite ricca di anfibolo sodico.
• Serpentinite: roccia metamorfica derivata dall'idratazione di rocce ultramafiche (olivina e pirosseno).
• Eclogite: metabasite costituita da almeno il 75% da granato.
• Cornubianite: roccia non scistosa (metamorfismo di contatto).
• Marmo: costituita per oltre il 75% da calcite e/o dolomite e/o aragonite.
• Skarn: ricco di minerali calcio-silicatici, prodotto di metasomatismo su calcari al contatto di intrusioni ignee.
• Cataclasite: frammenti angolosi in una matrice fine.
• Milonite: grana fine, con foliazione fine di tipo penetrativo.
• Pseudotachilite: grana ultrafine, colore nero.

Cristallografia

Operazioni di simmetria

Studiare i modi di riempire lo spazio e il piano in modo regolare. Il modo in cui gli atomi si dispongono a formare un minerale sono ripetuti secondo le regole di cristallografia.

Per definire i gruppi di simmetria parliamo di simmetria bidimensionale infinita: con a e b (vettori) definisco un oggetto bidimensionalmente infinito (maglia). Nel caso di 3 dimensioni non ho una maglia ma un reticolo tridimensionale (3 vettori, 3 angoli).

Operazioni di simmetria

• Traslazione: vettore di traslazione (a/b), in una figura regolare non noto la differenza.
• Rotazione: 180° o 360° dopo aver ruotato sull'asse non si nota la differenza.
• Riflessione: superficie speculare che ripete l'oggetto.

I 10 gruppi di simmetria bidimensionale

Questi 10 gruppi di simmetria rappresentano i 10 gruppi del punto cristallografici bidimensionali. Gruppo del punto: insieme di operazioni di simmetria che lasciano immobile almeno un punto (la traslazione è esclusa), caratteristica degli oggetti finiti.

Tipi di maglie

• Maglia primitiva, asse binario
• Asse binario con 2 piani
• Rettangolare centrata e asse bin.
• Simmetria esagonale, due assi ternari
• Asse quaternario

Derivazione sistematica dei 17 gruppi del piano

• Maglia obliqua
• Maglia rettangolare
• Maglia esagonale
• Maglia quadrata

Reticoli di simmetria tridimensionali bravasiani

Abbiamo 3 vettori e 3 angoli. Sono 14 reticoli detti.

• Triclino
• Monoclino: a e c sullo stesso piano, inclinato su un solo asse. Vettore (a/2+b/2), a basi centrate, asse binario.
• Rombico: semplice, 3 assi binari, vettori ortogonali tra loro. A basi centrate, vettore (a/2+b/2) sulle basi. Corpo centrato, vettore (a/2+b/2+c/2) con tutte le facce centrate, ogni faccia ha un vettore diagonale.
• Tetragonale: semplice, c è un asse quaternario corpo centrato, vettore (a/2+b/2+c/2) centrato.
• Cubico: semplice, 3 assi quaternari lungo ogni vettori e 4 ternari passano per diagon. Corpo centrato, vettore (a/2+b/2+c/2) al centro. A facce centrate, tutte le basi hanno il vettore (a/2+b/2).
• Esagonale
• Romboedrico

Operazioni di simmetria in 3 dimensioni

• Riflessione: converte un oggetto destro in oggetto sinistro.
• Inversione: riflessione+rotazione. L'oggetto viene riflesso e poi ruotato lungo l'asse.

Regole di coesistenza di elementi di simmetria

• Un asse di rotazione di ordine pari e un piano di simmetria ad esso normale implicano necessariamente la presenza di un centro d’inversione al loro punto d’incontro.
• Due piani tra loro ortogonali generano un asse binario in corrispondenza della retta secondo la quale essi si intersecano.

Assi di rotoinversione

• Ruoto di 360° e inverto, asse unario
• Ruoto di 180° e inverto, asse binario
• Ruoto di 120° e inverto, asse ternario
• Ruoto di 90° e inverto, asse quaternario
• Ruoto di 60° e inverto, asse ternario + m (piano di simmetria)

I 32 gruppi del punto cristallografici (classi cristalline)

Elicogira

Si tratta di una rotazione e di una traslazione. E' un'operazione di simmetria composita. Rotazione di τ (= 360°/n, dove n= 2, 3, 4, o 6) associata ad una traslazione di m/n-esimi del periodo di traslazione lungo la direzione dell’asse (dove m è un numero intero con 1 ≤ m < n) il numero 1 indica di quanto deve essere traslato e corrisponde a n: 2m ---> m/n.

Cristallochimica

Elementi e legami

Abbondanza relativa degli elementi nella crosta. Nei minerali i legami sono prevalentemente ionici e il solo anione possibile è O^2-. Tra i minerali quelli prevalenti sono i minerali silicati.

Determinazione dei raggi ionici

Raggi nella serie degli alogenuri alcalini. Tra questi Pauling considera le coppie di ioni isoelettrici, ovvero NaF, KCl, RbBr e CsI. In ciascuna coppia catione e anione non hanno le stesse dimensioni, perché la carica nuclear