Riassunto esame mineralogia, prof. Langella, libro consigliato Mineralogia,. Klein

Distribuzione degli elementi sulla crosta terrestre

Struttura geochimica della Terra

Il campo di azione della mineralogia è la parte solida della Terra che comprende la crosta continentale fin dove è accessibile (13 km con le perforazioni e altri 80 – 100 km portati ad affiorare dal profondo a causa di dislocazioni tettoniche e per erosione), la crosta oceanica (perforata per un massimo di 1,5 km) e il mantello arrivato a giorno sotto forma di intrusioni solidi oppure di noduli trasportati da basalti e kimberliti.

La struttura e la composizione della Terra nel suo insieme sono note solo in modo indiretto grazie alla combinazione delle indicazioni geochimiche ricavate dalle meteoriti con carattere geofisico e delle induzioni teoriche dedotte dagli studi sperimentali. La composizione della litosfera, sia come struttura unica che come unione della crosta continentale (spessore medio 35 km) e di quella oceanica (spessore medio 5 km), è meglio nota rispetto a quella del mantello.

Le conoscenze sulla composizione della litosfera sono valutazioni a partire dai dati superficiali e basati sulla combinazione di:

• Medie di analisi di rocce.
• Stime sulla frequenza volumetrica di tali rocce.
• Modelli teorici sulla struttura della crosta.
• Composizione di rocce sedimentarie considerate come una miscela ponderata rappresentata dal disfacimento di una vasta regione.

I risultati ottenuti da vari autori e con vari metodi concordano sui seguenti punti:

• Dodici elementi costituiscono il 99.5% dell’intera crosta (elementi maggiori).
• Altri dodici elementi permettono il raggiungimento del 99.9% di crosta (elementi minori).
• I restanti elementi sono presenti solo come tracce disperse (≤ 100 ppm).
• Alcuni elementi compaiono quasi esclusivamente allo stato nativo (stato elementare a cui appartengono i metalli nobili come oro (Au) e platino (Pt)) altri non possono mai combinarsi e non formare mai minerali (gas nobili come elio (He), radio (Rd), argon (Ar)) ma possono comunque restare intrappolati nei reticoli cristallini. Altri elementi non hanno alcuna tendenza a formare dei minerali propri tendendo a restare dispersi entro minerali già costituiti da altri elementi. Questi elementi dispersi danno minerali propri solo in particolari condizioni geologiche particolari.

Data l’assoluta predominanza dell’ossigeno su tutti gli altri elementi, in special modo considerando i volumi, i minerali possono essere visti come impacchettamenti ordinati di ioni O^2- nei cui interstizi si accumulano tutti gli altri elementi. Dai rapporti quantitativi tra gli elementi maggiori risulta che i minerali più abbondanti sono i silicati, in particolare gli alluminosilicati dei metalli alcalino-terrosi e dei minerali di transizione.

• Feldspati 58.0%
• Pirosseni
• Anfiboli 16.5%
• Olivina Silicati 91.5%
• Quarzo 12.5%
• Miche (3.5%) e minerali delle argille
• Ossidi di ferro 3.5%
• Calcite 1.5% Non silicati 8.5%
• Tutti gli altri minerali 3.5%

La composizione diversa della crosta continentale rispetto a quella oceanica mette in evidenza come i contenuti siano il risultato di ripetuti e complessi cicli di trasformazione che hanno segregato una porzione residuale da un’altra porzione più facilmente removibile che arricchisce l’idrosfera e l’atmosfera. La crosta continentale è seconda, per genesi e composizione, alla crosta oceanica che rappresenta il prodotto iniziale della rimobilizzazione del mantello che è la sorgente primaria da cui trae origine la quasi totalità di ogni elemento chimico reperibile attualmente sulla superficie terrestre. Conoscendo i processi di mobilizzazione e di condensazione degli elementi chimici nel passaggio mantello crosta oceanica crosta terrestre si conosce l’intera storia evolutiva chimico-mineralogica della Terra.

Il mantello terrestre

Il mantello terrestre si estende dalla discontinuità di Gutenberg (-2898 km) che lo separa dal nucleo a quella di Mohorovicic (Moho) localizzata in media a – 5 – 8 km sotto gli oceani e a – 33 – 35 km sotto i continenti. Il mantello è costituito da tre gusci rilevati con metodi geofisici:

1. Mantello inferiore (da – 2898 a – 984 km); probabilmente omogeneo dal punto di vista composizionale.
2. Zona di transizione (da – 984 a – 413 km).
3. Mantello superiore (da – 413 a – 35 km); di composizione eterogenea.

Di tutto il mantello superficiale solo il guscio superficiale è accessibile grazie ai frammenti trascinati dai basalti e alla risalita delle kimberliti. Il mantello superiore non è omogeneo sia sotto il punto di vista geofisico che sotto quello di vista chimico che da quello mineralogico. Sono state riconosciute regioni di tre tipi: residuale, fertile e metastomizzato. Gli xenoliti trascinati nei basalti sono quasi tutti residuali, privi della componente basso-fondente passata a costituire il fuso basaltico. Gli xenoliti nelle kimberliti sono in parte residuali ed in parte metastomizzati, arricchiti in vari elementi chimici di provenienza superficiale (crostale) anche se spesso provengono da profondità maggiori (oltre 150 km). Il mantello fertile è quasi un’estrapolazione geochimica ed è da considerarsi solo come modello teorico.

Intera crosta base anidra (1) Crosta continentale (2) Crosta oceanica (3) Mantello impoverito (4) Mantello metastomizzato (5) Mantello fertile (6) Mantello primitivo (7) Mantello sudalpino (8)

(*) Fe₂O₃ calcolato come FeO

Il mantello superiore è di composizione ultrabasica con MgO e SiO₂ presenti in quantità quasi uguali e con minori quantità di FeO, Al₂O₃ e CaO. Questi cinque ossidi costituiscono il 99.5% del sistema chimico caratteristico del mantello superiore. I minerali predominanti negli xenoliti sono l’olivina, l’ortopirosseno, il granato e il clinopirosseno nelle proporzioni corrispondenti a quelle di alcune rocce peridotiche affioranti anche se nei campioni metastomizzati sono presenti tracce di cromite, flogopite e anfibolo. Insieme alle minime ma importanti tracce di diamante, grafite, moissanite, rutilo, ilmenite, zircone e solfuri queste evidenze mineralogiche indicano:

• Che gran parte del mantello a noi accessibile è a cavallo della trasformazione allotropica tra grafite e diamante e della relazione ilmenite rutilo + magnetite.
• Che le temperature a queste profondità sono elevate per permettere la separazione di una fase liquida solfurea da una silicatica più refrattaria come non avviene nel mantello inferiore dove, sulla base di considerazioni geofisiche, le due fasi dovrebbero essere ancora associate tra loro.
• Che a queste temperature elevate (> 1400°C) un minimo calo di pressione localizzato provoca nel mantello fertile l’ulteriore separazione in forma liquida dei componenti silicatici basso-fondenti da quelli refrattari e la loro concentrazione in piccole masse di composizione basica. Questi processi di rifusione con la separazione delle bolle liquide sono più forti dove il mantello è metastomizzato (punto in cui allo 0.55 di elementi chimici basso-fondenti intrinseci a tutto il mantello si aggiungono a piccole quantità di altri elementi quali Fe, K, TI, S e Nb e di H₂O CO₂ di origine crostale portati in profondità tramite un processo di subduzione. Però è anche stato ipotizzato che questo metasomatismo abbia origine diversa e cioè che sia connesso alla migrazione continua dal basso, dal mantello inferiore, degli elementi leggeri la cui risalita centrifuga sarebbe facilitata dal moto di rotazione della Terra.
• Che la massima concentrazione di elementi leggeri si ha dove il mantello si inarca verso la superficie (mantle plume) o, viceversa, dove la crosta è più sottile; qui vi è anche il massimo apporto di calore dall’interno verso la superficie terrestre (hot spot), queste inarcature del mantello costituiscono punti di debolezza della litosfera soprastante e quindi sono punti di concentrazione del materiale fuso arricchito negli elementi basso-fondenti. In questi punti il mantello, fosse esso originariamente fertile o metastomizzato, si scompone in due parti: una parte “residuale” e un’altra costituita da materiale fuso molto mobile che approfitta di ogni discontinuità della crosta per risalire in superficie (magma basaltico primario).

La crosta oceanica

Il basalto prodottosi per fusione parziale nel mantello arriva in superficie più facilmente nel punto in cui la crosta è più sottile quindi sul fondo degli oceani. I punti di emissione privilegiati sono le fratture profonde a partire dalle quali divergono le zolle o le placche che costituiscono la superficie terrestre; in subordine, dell’altro magma basaltico, proveniente dal mantello, può essere emesso da singoli apparati vulcanici situati internamente alle placche.