Petrografia - Prof. Merlini

Petrografia

Beni culturali

Il termine “beni culturali” include il patrimonio archeologico, architettonico e storico, dove c’è una gran quantità di manufatti costituiti da rocce o minerali. L’uso del materiale naturale risale agli albori della civiltà: utensili usati nella preistoria (ossidiana), ma anche come pietra ornamentale (dimension stone). Da sempre la pietra è usata come elemento strutturale (pavimentazioni, rivestimenti, muri portanti, coperture).

La pietra è utilizzata, insieme alle finalità funzionali e strutturali, anche con finalità sacre e simboliche (Egizi). L’industria della pietra è il primo mercato globale 2-3000 anni fa. Le pietre degli obelischi a Roma provengono dallo Uadi Hammamat.

Il Papiro di Torino è la prima “carta geologica” bidimensionale dello Uadi Hammamat, dove vengono utilizzati simboli e colori differenti per le tipologie di roccia e di depositi interessanti economicamente. Da millenni le rocce vengono utilizzate per edifici sacri (Petra, Duomo di Firenze, Siena, Venezia). La pietra viene usata ancora oggi con fini architettonici (Aon Center – Chicago).

Tettonica delle placche

Le rocce sono associate a vari ambienti. Si formano in ambienti tettonici, dove la tettonica è quella branca della geologia che studia i movimenti delle placche. La gran parte delle rocce vengono dalla litosfera: la porzione più esterna della Terra che include sia rocce della crosta terrestre sia pezzi del mantello terrestre; è la porzione un poco più fredda e rigida, per questo motivo è più soggetta a rompersi, a suddividersi in placche. Queste placche sono relativamente rigide e si muovono una rispetto all’altra (scorrono, convergono, divergono). Queste placche si muovono su qualcosa di meno viscoso (perché più calda): l’astenosfera (100-150 km di profondità).

La tettonica delle placche è quella teoria unificante delle scienze della Terra perché permette di descrivere i movimenti di queste grandi strutture litosferiche e le forze che agiscono tra di esse, spiegando la distribuzione su grande scala di molte strutture geologiche. La litosfera è suddivisa in circa 20 placche che si muovono l’una rispetto all’altra. I movimenti tra le placche causano terremoti, orogenesi, eruzioni vulcaniche.

Contribuire a questa teoria sono state evidenze di carattere geologico e paleontologiche (ritrovamento degli stessi fossili in placche diverse) e evidenze di carattere geofisico: oggi si possono misurare le placche che si spostano. Le placche maggiori sono 13, poi ci sono le microplacche.

Blu: zone convergenti. Rosso: zone divergenti. Margini trasformi: dove le placche scivolano una rispetto all’altra. Dove c’è divergenza viene continuamente prodotto magma (eruzioni continue), quindi la crosta si ingrandisce. Dove c’è convergenza la litosfera viene consumata: processo di subduzione, cioè la litosfera viene distrutta. In queste zone si trovano sempre delle montagne, che possono essere costituite anche da vulcani. Processi orogenesi; sono margini orogenici. La più grande è la Placca Pacifica. Nessuna placca coincide con un continente. I continenti non sono solo le zone emerse. L’oceano inizia dopo la scarpata continentale. Le rocce prese nell’oceano sono completamente diverse da quelle continentali.

Tipi di margini

• Trasformi: dove c’è scorrimento, es. faglia di San Andreas.
• Divergenti: le placche si allontanano e si crea nuova litosfera. Tipico margine divergente è la dorsale medio-atlantica. Lungo questa dorsale viene generato nuovo magma, quindi la placca nord americana e quella euroasiatica si allontanano. I margini divergenti non si trovano solo negli oceani, alcuni sono presenti anche all’interno dei continenti: Rift Valley (Africa).
• Convergenti: la litosfera va in subduzione e si infila sotto l’altra placca. È importante tenere in considerazione la densità delle rocce: la roccia più leggera sta sopra. Ci sono tre tipi di margini convergenti:
  • Oceano-oceano: Giappone, Caraibi, Antille. La litosfera fredda discende in profondità e viene “spremuta”. L’acqua intrappolata nelle rocce della crosta oceanica subdotta entra nell’astenosfera causando fusione parziale delle rocce del mantello e il magma che si forma risale a sua volta dando origine ad un arco vulcanico.
  • Oceano-continente: Ande. Anche in questo caso l’acqua intrappolata nelle rocce della crosta oceanica subdotta causa la fusione parziale delle rocce del mantello e la risalita di magma che alimenta una serie di vulcani nella catena montuosa posta sul lato della fossa.
  • Continente-continente: Himalaya. Sono abbondanti le rocce metamorfiche, le rocce vulcaniche sono praticamente assenti.

Margini obliqui: convergenti o divergenti + trasformi (scivolano una sull’altra). Il tipo di litosfera coinvolta determina anche i processi lungo i margini della placca. Le placche si muovono una rispetto all’altra con una velocità dell’ordine di alcuni cm. Il movimento delle placche si esplica con un rilascio di energia, dove le rocce diventano fragili e provocano terremoti. Le zone continentali subiscono un gran numero di eventi geologici di vario tipo; negli oceani avvengono in un modo più semplice perché si incontra il processo di subduzione. Si possono descrivere le età dei fondi oceanici: in rosso sono le zone in cui si genera nuova crosta oceanica; in blu sono le zone oceaniche più vecchie (180 milioni di anni). Negli oceani non sono rinvenibili rocce con età maggiore mentre nei continenti si trovano rocce e minerali datati 4 milioni di anni. La Terra ha un’età di circa 4 miliardi e 550 milioni di anni.

La litosfera è rappresentata in marrone. Il mantello terrestre è interessato da moti convettivi che sono il “motore” del movimento delle placche. Alcune zone che implicano la salita di materiale avvengono processi di fusione particolarmente vigorosi: hot spots o punti caldi, il più famoso ha generato la catena delle Hawaii. È vero che la maggior parte dei fenomeni parossistici avvengono lungo i margini delle placche, ma anche dentro le placche possono esserci punti caldi (non estesi).

Roccia

Una roccia è un aggregato solido di minerali e sostanze solide. La tessitura (fabric) è il modo in cui sono sistemati in modo periodico determinati elementi geometrici. La prima cosa da dire per identificare una roccia è chiarire la tessitura che è esplicativa della genesi di una roccia. Le rocce si suddividono in tre grandi tipologie:

• Ignee (magmatiche): Scioglimento delle rocce nella crosta calda e profonda e nel mantello superiore. Processo di cristallizzazione (solidificazione del magma). Esempio: granito.
• Sedimentarie: Agenti atmosferici ed erosione di rocce esposte in superficie. Processo di deposizione, sepoltura e litificazione. Esempio: arenaria.
• Metamorfiche: Rocce ad alte temperature e pressioni nella crosta profonda e nel mantello superiore. Processo di ricristallizzazione allo stato solido e nuovi minerali. Esempio: gneiss.

Rocce ignee (magmatiche)

Derivano dalla solidificazione di un magma. Il magma si forma nel mantello terrestre o nella crosta terrestre, questo risale e può solidificarsi in:

• Profondità: plutoniche.
• Superficie: apparati vulcanici.

In base a dove cristallizzano hanno un aspetto diverso. Nel granito in foto si vedono granuli scuri, che corrispondono a cristalli, e granuli chiari: ha una tessitura granulare. Si distinguono i limiti tra i grani. Questo vale per le rocce che hanno tempo di cristallizzare.

Se invece il magma si raffredda velocemente si avranno rocce con granuli non facilmente visibili, fino ad arrivare al basalto in foto. Le tessiture risultanti sono quindi molto diverse. Si formano tra i 700 e i 1250°C.

Rocce sedimentarie

Derivano da processi di erosione e alterazione di materiale presente sulle terre emerse che porta poi alla precipitazione, deposizione, seppellimento (burial), litificazione (diventa roccia). L’esempio più comune di roccia sedimentaria è l’arenaria (sandstone). Nelle rocce sedimentarie è fondamentale l’acqua.

La tessitura dipende dal luogo di cristallizzazione: arenaria che si è formata per sedimentazione di sabbie; corallo formato da organismi litificati. Le rocce sedimentarie sono il 5% del volume della crosta, ma in termini areali sono il 75%. Si formano a temperature inferiori ai 150°C.

Rocce metamorfiche

Derivano dalla trasformazione o di rocce ignee o sedimentarie. Metamorfico significa che c’è stata ricristallizzazione. Sono le rocce delle montagne. Si formano ogni volta che la temperatura varia. Si formano fino agli 800°C.

Tipi di metamorfismo:

• Metamorfismo idrotermale di fondo oceanico: sul fondale avviene un’interazione tra acqua e roccia, favorita dal calore.
• Metamorfismo di impatto: es. con un meteorite.
• Metamorfismo regionale: il più comune. In corrispondenza di una catena di montagne (orogenica), c’è quindi un processo di subduzione.

(b) La complessità delle rocce metamorfiche deriva dal fatto che una roccia che originariamente era vicino alla crosta terrestre, quindi fredda (gelato fritto). Questa, a seguito della convergenza tra le placche, viene portata in profondità, dove la temperatura è alta, ma le rocce hanno una bassa conducibilità termica: tendono a tenere la propria temperatura, quindi da fredda resta fredda.

In un diagramma pressione/temperatura, la pressione corrisponde alla profondità. La temperatura controlla la ricristallizzazione. Quando la roccia arriva ad una certa profondità si scalda un poco e può arrivare ad una fusione parziale. Quando la roccia risale, la temperatura non è la stessa di quando è scesa.

(a) Percorso rosso: se la roccia scende, ma risale subito, mantiene la temperatura. Siccome ad ogni specifica pressione e temperatura si formano determinati minerali, a seconda dei minerali presenti nella roccia posso dire qual è stato il percorso. Rapporto PTT. Cambia tessitura e mineralogia.

Minerali nelle rocce

Le rocce sono costituite da minerali:

• Rocce ignee: Quarzo*, Feldspato*, Mica*, Pirosseno*, Anfiboli*, Olivine*.
• Rocce sedimentarie: Quarzo*, Minerali argillosi*, Feldspato*, Calcite, Dolomite, Gesso, Salgemma.
• Rocce metamorfiche: Quarzo*, Feldspato*, Mica*, Granato*, Pirosseno*, Staurolite*, Cianite*.

*minerali silicati. Il quarzo cresce tardivamente, quindi occupa gli spazi lasciati liberi dagli altri minerali.

Rocce ignee (magmatiche)

Derivano dalla solidificazione di un magma. Un magma è l’associazione di un liquido prevalentemente silicatico, cristalli e gas. La proprietà fondamentale che condiziona lo sviluppo delle tessiture è la viscosità. La viscosità si può esprimere in pascal per secondo o in centipoise. La viscosità dipende da: contenuto di silice SiO₂, temperatura, contenuto di componente H₂O. Aumenta all’aumentare del contenuto di silice e al diminuire della temperatura. I liquidi magmatici ad un certo punto iniziano a cristallizzare.

Il contenuto di silice varia dal 50 al 75% del peso. Mettere in soluzione l’acqua dentro un liquido silicatico significa che fa diminuire la viscosità perché depolimerizza (bottiglia di prosecco: CO₂ in liquido acquoso; le bolle si formano per la diminuzione di pressione quando stappo). Un magma, quando risale verso la superficie, tende a schiumare, crea delle bolle cioè tende a vescicolare (pomice). Quando schiuma la viscosità aumenta.

Giacitura

A seconda della viscosità e da quante bolle ha, dà luogo a forme completamente diverse. Quando i magmi risalgono possono dar luogo a degli apparati centrali, cioè a punti di emissione ben definiti: i vulcani.

Vulcano scudo: Hawaii, in Italia non esistono. Ha la forma di uno scudo rovesciato e fianchi con bassissima pendenza. Se i fianchi sono così bassi significa che la viscosità è bassa (scorre bene, povera in silice). All’interno non presenta strutture particolari.

Stratovulcani: hanno stratificazioni interne collegati all’alternanza di eventi esplosivi a momenti di flussi lavici. Hanno pendii marcati, la viscosità è alta. La maggioranza dei vulcani italiani sono stratovulcani (Etna). Hanno strutture interne complesse. Possono essere completamente distrutti dalle eruzioni esplosive.

Spesso associati agli stratovulcani sono dei piccoli centri di emissione che hanno vita breve: centri monogenici. La scoria è una lava vescicolata, ma con una vescicolazione grossolana, la massa solida è largamente costituita da vetro. Indica una tessitura, non identifica una composizione chimica. Il tufo è una roccia che in larga parte è costituita da frammenti di qualcosa con vescicolazione fine come le pomici.

Gli eventi esplosivi (Pompei, Mount St Helen) medi generano una colonna di 25 km di altezza, una grande eruzione esplosiva può raggiungere i 50 km di altezza.

Eruzione pliniana

La colonna eruttiva risale con le correnti ascendenti molto violente (come quelle dei temporali). Ad un certo punto avviene il collasso della colonna eruttiva, sui fianchi precipita un flusso di frammenti di magma: questi possono dare delle colate piroclastiche. Questi flussi possono essere per collasso o per esplosioni laterali. In cima al deposito si trova ciò che precipita dalla nuvola soprastante: cenere. Il deposito di collasso della colonna eruttiva è mal selezionato (cade tutto), i depositi per caduta selezionano in base al peso, quindi sono ben selezionati. Questo è un esempio di eruzione pliniana, da Plinio che ha assistito all’eruzione di Pompei. A seguito di questa eruzione solitamente fa seguito il collasso calderico, c’è quindi una depressione e quasi sempre si formano laghi.

Rocce vulcaniche e plutoniche

Andando in profondità, in condizioni subvulcaniche possono esserci filoni radiali o circolari, strutture in cui avviene un’intrusione superficiale, che hanno tessiture simili a quelle vulcaniche. Per questo è meglio utilizzare i termini rocce vulcaniche e rocce plutoniche.

Rocce plutoniche cristallizzano in profondità, dentro ai plutoni. Possono essere:

• Concordanti con le rocce circostanti;
• Discordanti dalle rocce circostanti.

I contatti tra il magma e la roccia incassante possono avere diversi aspetti a seconda della profondità. Questo dà luogo a rocce diverse. Più vicino alla superficie le rocce sono più fredde, quindi fragili e si fratturano e vengono iniettate nel corpo incassante. Ancora più in profondità le rocce incassanti possono diventare duttili (si deformano), se fluiscono possono formare dei piani: foliazione. I magmi risalgono perché i liquidi silicatici sono meno densi dei solidi silicatici (solo per l’acqua il solido è meno denso del suo liquido). I pennacchi che salgono sono chiamati diapiri.

Sistemi geotermici

Esistono rocce particolari legate ai sistemi geotermici. Un sistema geotermico è un sistema in cui c’è una sorgente di calore, delle rocce permeabili sopra al magma e una falda acquifera (meteoric water flow). L’acqua viene scaldata, quindi si creano circuiti idrotermali e forma delle “piscinette”, i depositi idrotermali. Questi depositi si formano perché l’acqua calda in profondità porta in soluzione del soluto, scioglie o prende incarico dalle rocce circostanti degli ioni (soluto), quando l’acqua arriva in alto e si raffredda, il carico di soluto si deposita. Si formano le rocce chiamate sinter. Gli “ores” sono depositi metallici e quello più interessante che si deposita nei depositi idrotermali è l’oro. Nelle Alpi l’oro si trova in vene quarzose.

Elementi maggiori

Moderne tecniche spettroscopiche. Storicamente le misure venivano fatte con la chimica umida: gravimetrica/volumetrica, oggi si usano una serie di tecniche spettroscopiche. Il campione può avere diverse forme (polvere, solido, soluzione); c’è una sorgente di energia (raggi X, fascio laser,...). Il campione sottoposto a questa energia può emettere o assorbire la radiazione. Ci sono tecniche che sfruttano le radiazioni emesse ed altre che sfruttano le radiazioni assorbite. I detector misurano la radiazione che arriva. Come risultato abbiamo picchi di emissione o di assorbimento in cui. Con queste tecniche si può risalire alla composizione chimica perché ogni elemento ha la sua energia caratteristica.

Abbondanza di elementi nella crosta terrestre

Gli elementi maggiori sono quelli che hanno un’abbondanza maggiore dell’1%. Vengono espressi in ossidi: SiO₂, Al₂O₃, FeO*, MgO, CaO, Na₂O, K₂O, H₂O.

Elementi minori: 0.1 – 1% TiO₂, MnO, P₂O₅, CO₂

Elementi in traccia: < 0.1% espressi in ppm (parti per milione). Vengono espressi in elementi.

Ultrabasica

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