Sistematica dei minerali

Tectosilicati

I tectosilicati costituiscono oltre i 2/3 dei minerali presenti nella crosta terrestre, con i più abbondanti come il quarzo, i plagioclasi e i feldspati alcalini.

Struttura e caratteristiche

La struttura base è TO, dove T rappresenta Al o Si. Ciascuno dei vertici del tetraedro è messo in comunione con un altro tetraedro. Per minimizzare le forze repulsive presenti all’interno della struttura, essa risulta essere molto aperta e favorisce le sostituzioni di Al con Si. Questo comporta una minore densità delle strutture ad impacchettamento compatto, ad esempio il SiO con densità pari a 2,65.

• Permettono ai cationi di dimensioni maggiori di entrare nella struttura.
• Bassa stabilità alle alte temperature e pressioni; questi minerali sono confinati alla parte alta della crosta terrestre.

Gruppo della silice

Comprende 12 polimorfi:

• Quarzo, tridimite, cristobalite (forme di polimorfismo ricostruttivo, con forme α (LT) e β (HT - polimorfismo distorsivo). Le forme β non esistono a temperatura ambiente ma sono le prime forme a cristallizzare e possono trasmettere forma ad α).
• Stisciovite, coesite (presenti solamente in impattiti e UHP rocks).

Quarzo

Il quarzo è composto da spirali interconnesse che si sviluppano lungo c in forme sx e dx elicogire. Il polimorfismo distorsivo porta da forme α a forme β. La trasformazione avviene da A in A con una composizione quasi pura, con tracce di Fe o Al a sostituire Si. L'elettroneutralità è mantenuta inserendo Fe³⁺, Na⁺, Li⁺, K⁺ o formazione OH.

Le rocce ignee presentano cristalli anedrali, mentre le rocce detritiche presentano cristalli equigranulari. I cristalli ben formati presentano un abito prismatico che termina con romboedri positivi e negativi. Se presente forma dipiramidale, allora si sono generati da quarzo β. Le geminazioni includono:

• Geminati del Delfinato (rotazione su c)
• Geminati del Brasile (riflessione su {110})
• Geminati del Giappone (meno comuni, riflessione su {111})

Altre proprietà includono frattura concoide, durezza 7, lucentezza vitrea, polvere bianca e colore grigio su campione a mano, ma è possibile ogni colore. Presenta estinzione ondulata ed è molto stabile in condizioni ambientali.

Ritrovamenti e impieghi

Le rocce granitoidi acide e le rocce detritiche (dove l'abbondanza di quarzo indica il grado di maturità della roccia) sono luoghi di ritrovamento comune. Si trova anche in rocce idrotermali e come materiale di ganga. Tra gli impieghi troviamo la fabbricazione del vetro, sorgente di Si elementare, presente nei semiconduttori, silicone sigillante, miscele cementizie, calcestruzzi, asfalti, oscillatori armonici, sensori di pressione, gemme semipreziose e cristalloterapia. Se respirata la polvere per lunghi periodi può causare silicosi.

Varietà di quarzo

• Cristallo di rocca (o ialino) = cristalli trasparenti
• Ametista = viola, tracce di Fe
• Rosa = inclusioni di dumortierite
• Citrino = giallo, tracce di Fe o irraggiamento
• Latteo = inclusioni fluide
• Affumicato = marrone o nero, centri di colore irraggiamento Al

Moganite è considerato da alcuni un vero e proprio polimorfo della Si. La selce è caratterizzata da microaggregati cristallini, può contenere moganite, mentre il calcedonio presenta intercrescite fibrose di quarzo microcristallino. Altre varietà includono il diaspro, la selce marrone-rossastra, e l'agata, un calcedonio con bande irregolari colorate.

Tridimite

La struttura della tridimite consiste in un impaccamento di fogli di anelli a sei tetraedri. In un foglio, i tetraedri adiacenti hanno polarità opposte e sono legati attraverso la condivisione di O con i fogli soprastanti e sottostanti. La tridimite β è esagonale mentre a LT passa alla forma α che è ortorombica. La struttura è simile ad impacchettamento HCP. Le forme dei cristalli sono tabulari con forme prismatiche e pinacoidi, oltre a aggregati sferoidali o raggiati e grani anedrali. Le geminazioni includono tri-geminati di trasformazione (passaggio dalla forma β alla α).

I ritrovamenti principali includono rocce sialiche estrusive e subcrustali, metamorfiti di contatto e meteoriti.

Cristobalite

La struttura della cristobalite è simile a quella della tridimite, ma gli anelli di tetraedri sono sfalsati gli uni con gli altri. La struttura è simile ad impacchettamento CCP. Le forme sono ottaedriche, più raramente cubiche. Le geminazioni comprendono la geminazione multipla su {111} (passaggio da cristobalite β→α). Si possono trovare sferuliti di devetrificazione di lave vulcaniche (concresciuta a K-feldspato) in rocce acide estrusive e subvulcaniche, sabbie fuse e meteoriti. Una varietà nota è la lussatite (cristobalite + calcedonio).

Gruppo dei feldspati

I feldspati sono i minerali più abbondanti e si trovano in quasi tutte le rocce ignee, un gran parte di quelle metamorfiche e rocce terrigene.

PLAGIOCLASI: albite — anortite
FELDSPATI ALCALINI: albite — K-feldspato

I plagioclasi formano soluzioni solide (SS) a tutte le temperature perché Na e Ca hanno dimensioni simili che permettono vicarianza. I feldspati alcalini formano SS solo ad alte temperature perché K e Na non hanno le stesse dimensioni.

Struttura e soluzioni solide

La struttura consiste in anelli di 4 tetraedri, due rivolti verso l’alto e due verso il basso, uniti per i vertici anche alle catene adiacenti formando strutture tridimensionali estese. Ciò crea ampie cavità che permettono l’inserimento di cationi a largo raggio ionico (Ca²⁺, Na⁺, K⁺). Il diverso modo di ripartire Al e Si nei siti T1 e T2 genera polimorfi ordine/disordine.

• Fasi HT con massimo grado disordine: nei K-feldspati il rapporto Si:Al = 3:1 simmetria monoclina (Sanidino, stabile > 1000°C)
• Fasi LT: nei K-feld Al tende a distribuirsi nei siti T1 simmetria triclina (Microclino, stabile < 450°C)
• Ortoclasio: fase intermedia tra Sanidino e Microclino, macroscopicamente struttura monoclina ma atomicamente struttura triclina (come microclino).

Nei Na-feldspati, la fase di HT ha struttura e ordinamento tipo Sanidino. Si chiama Monalbite, stabile > 980°C. Con il raffreddamento si ha un innalzamento di simmetria: Monalbite → Analbite → Albite di HT → Albite di LT.

Nei plagioclasi calcici il rapporto Al:Si=1:1 quindi lo schema di ordinamento è differente. La struttura è triclina a tutte le T perché dimensioni Ca < Na < K e ciò fa sì che vi sia un collasso della struttura con distorsione leggera. Plagioclasi di composizione intermedia presentano domini subatomici concordi all’ordinamento tipo Albite (predominio di Na) e tipo Anortite (Ca) plagioclasi “e”.

Smescolamenti e tessiture

Il motore degli smescolamenti è la differenza di raggio cationico tra Na e K. La quantità di moli di Na che si possono disciogliere in una matrice prevalentemente a K diminuisce al diminuire della temperatura. Col superamento del limite di solubilità si possono formare:

• Smescolamenti pertitici (isole di Albite in K-feld)
• Smescolamenti antipertitici (isole di K-feld in Albite)

La dimensione delle isole dipende dal grado di raffreddamento del sistema: lento raffreddamento — smescolamenti visibili ad occhio nudo; veloce raffreddamento (rocce vulcaniche o crostali) — pertiti subatomiche (criptopertiti). La labradorescenza è data da lamelle essoluzione che fungono da fenditure per la diffrazione della luce (labradorite).

Geminazioni

Ci sono 20 diverse leggi di geminazione conosciute nei feldspati. Le più comuni sono:

• Albite e periclino (geminazioni polisintetiche)
• Carlsbad (compenetrazione di individui che presentano piano di geminazione irregolare)
• Baveno (possibile sia nei cristalli triclini che monoclini)
• Monebach ('')

Altre informazioni sui feldspati

Plagioclasi

• Grani euedrali e anedrali in natura, l’abito cristallino caratteristico è quello di tavolette parallele a {010} e allungate lungo a e c (clevelandite varietà albite particolarmente allungata).
• Zonatura caratteristica molto comune, soprattutto nelle rocce vulcaniche e subcrustali.
• Geminazioni polisintetiche sono molto comuni.
• Sfaldatura {001} perfetta.
• Comportamento meccanico fragile, frattura concoide o irregolare.
• Colore tendenzialmente bianco o grigio ma sono presenti esemplari di differenti colori.
• Polvere bianca, lucentezza vitrea.
• Si alterano facilmente in sericite e saussurrite.
• Varietà ricche in Na vengono impiegate nell’industria del vetro.
• Vengono utilizzati come riempimento per le vernici, plastiche e gomme.

K-feldspati

• Grani anedrali e euedrali, tendono ad essere appiattiti su {010} e allungati lungo a e c.
• Sfaldatura {001} è perfetta.
• Frattura concoide o irregolare.
• Colore bianco, rosa o giallastro. Amazzonite (varietà blu che contiene Pb).
• Polvere bianca, lucentezza vitrea.
• Si alterano in sericite.
• Molto comuni smescolamenti partitici e geminazioni polisintetiche (queste formano graticcio caratteristico in sezione sottile).
• Adularia = k-feldspato di ambiente idrotermale che nasce triclino sotto i 450°C e tende a formare prismi e ad essere allungato lungo c.
• Per impieghi nell’industria guardare plagioclasi.

Gruppo dei feldspatoidi

I feldspatoidi hanno proprietà simili ai feldspati, ma sono più poveri in silice e presentano una maggiore quantità di Na e K.

Struttura e composizione

La struttura base consiste in catene di anelli di 4-6 tetraedri, più aperta di quella dei feldspati con cavità ancora più ampie (occupate da Na, K, Cl, SO₄).

• Densità inferiori a quelle dei feldspati (si formano in ambienti più poveri in silice e di LP).

Minerali specifici

Nefelina

La nefelina è simile alla tridimite, con anelli a 6 tetraedri regolari e distorti rivolti verso l’alto (occupati da Si) e rivolti verso il basso (occupati da Al). K e Na sono localizzati al centro degli anelli tetraedrici con struttura esagonale.

Composizione: Na₃KAl₄Si₄O₁₆. Si possono trovare piccole quantità di Ca nella struttura. Le forme sono raramente prismi esagonali; spesso masse anedrali. A LT si possono formare lamelle di assoluzione. A campione a mano assomiglia a quarzo ma è più soffice e presenta lucentezza grassa.

Ritrovamenti: rocce alcaline sottosature in Si generalmente associate ai feldspati, altri feldspatoidi, pirosseni ed anfiboli sodio-calcici.

Sodalite

Sodalite è simile alla zeolite con Al e Si alternati.

Composizione: Na₈Al₆Si₆O₂₄Cl₂. Presenta ampie cavità occupate da Cl e Na. La struttura è isometrica e il colore blu è caratteristico, con polvere blu.

Ritrovamenti: rocce ignee alcaline sottosature. Il lapislazzuli è apprezzato come pietra semipreziosa. Le rocce a sodalite vengono usate come ornamenti.

Leucite

La leucite presenta un’impalcatura aperta di anelli di 4 e 6 tetraedri con K che occupa le cavità maggiori della struttura.

Struttura tetragonale: KAlSi₂O₆. Sostituzioni di Na⁺, K⁺ e Fe³⁺, Al³⁺ sono possibili. Le forme dei cristalli sono equigranulari trapezoedrali con geminati multipli originati dal sottoraffreddamento del sistema sotto i 650°C (trasformazione cubico tetragonale).

Ritrovamenti: rocce mafiche potassiche subcrustali in associazione con feldspati, altri feldspatoidi, clinopirosseni e anfiboli.

Gruppo delle zeoliti

Ci sono 50 specie naturali e oltre 600 sintetiche di zeoliti. La struttura è un’impalcatura tridimensionale di tetraedri di Si e Al che si legano formando canali e ampie cavità; molecole di H₂O e cationi mono e bi valenti occupano tali cavità, legati debolmente.

• Framework Density (FD), porosità della struttura tectosilicatica: N cationi tetraedrici (Si e Al) x 1000 ų.
• Le impalcature tetraedriche delle zeoliti contengono cavità (circa il 20-25% del volume totale del cristallo) comunicanti tra loro e con l’esterno tramite windows e channels di dimensioni e forme differenti a seconda del tipo strutturale.
• Windows e channels sono delimitati da anelli costituiti da diverso numero di tetraedri.

Chimismo

La parziale sostituzione di Al con Si provoca un difetto di cariche positive che viene controbilanciato dalla presenza nei vuoti di cationi compensatori (monovalenti = Na, K; bivalenti = Mg, Sr, Ba, Pb). Gli ossigeni sono sempre in numero doppio rispetto alla somma dei cationi Si+Al. Negli interstizi extra-impalcatura sono presenti anche molecole di H₂O + ioni compensatori.

Le zeoliti sono formate da una impalcatura anionica controbilanciata da appropriate quantità di cationi + molecole d’acqua. Lo stesso tipo strutturale può subire un abbassamento di simmetria a causa di differenti fattori:

• Distribuzione ordinata o meno di Si e Al.
• Distribuzione ordinata di molecole di H₂O e cationi compensatori all’interno interstizi extra-impalcatura.
• Distorsione dell’impalcatura tetraedrica dovuta ai cationi compensatori.
• Repulsione elettrostatica fra cationi che occupano siti troppo vicini.
• Variazioni chimiche possono interessare:
• Contenuto tetraedrico (Si/Al) diminuzione tale rapporto comporta aumento del contenuto di cationi compensatori bivalenti. Se Si/Al rimane costante ma aumenta il contenuto di cationi monovalenti allora si ha una diminuzione del contenuto di H₂O.
• Tipi e rapporti tra cationi compensatori.
• N mol H₂O

Proprietà chimico-fisiche

Le proprietà chimico-fisiche delle zeoliti variano qualitativamente e quantitativamente a seconda del tipo di zeolite considerato.

• Disidratazione reversibile: al di sotto dei 300-400°C, l’acqua contenuta nelle cavità extra-impalcatura (20-30% in peso) viene totalmente persa senza sensibili modificazioni della struttura (disidratazione ∼ endotermico). Se posto lo zeolite a T e umidità ambiente, riacquista il contenuto originale di acqua (reidratazione ∼ esotermico). È un processo reversibile.
• Adsorbimento molecolare: cavità e canali strutturali possono essere resi disponibili per l’adsorbimento di molecole liquide o gassose in modo selettivo (in base alla dimensione e della polarità). Aumenta all’aumentare della P e al diminuire della T.
• Comportamento catalitico: proprietà dovuta alla selettività molecolare e all’enorme superficie interna utile alla catalisi.
• Scambio cationico: cationi compensatori legati alle cavità dell’impalcatura tetraedrica grazie a legami ionici che permettono la fuoriuscita di tali cationi solamente se sostituiti da altri (se poniamo in una soluzione che presenta un catione compatibile con i cationi compensatori una volta raggiunto l’equilibrio lo zeolite conterrà il catione che prima apparteneva alla soluzione. Se la soluzione è monocationica allora si otterrà una zeolite che contiene solamente il catione della soluzione). Qualitativamente le zeoliti mostrano selettività nei confronti di cationi che fittano meglio con la struttura (se posti in una soluzione policationica tenderanno ad acquisire solamente cationi di un determinato tipo). Quantitativamente CSC (Capacità Scambio Cationico) è espressa in milliequivalenti di cationi scambiati per grammo di zeolite [valori molto variabili compresi tra ∼7 meq/gr (alto rapporto Si/Al) e ∼2 meq/gr (basso rapporto Si/Al)]. Generalmente questi cationi hanno basso grado di solvatazione (si liberano facilmente dalle molecole d’acqua).

Genesi

Bassa densità strutturale e composizione chimica = ambienti di formazione zeoliti [pH > 7, T < 300°C, P < 2kBar]

• Ambienti idrotermali
• Diagenesi
• Metamorfismo di bassissimo grado

Le zeoliti si formano spesso come minerali secondari (modificazione di minerali presenti in depositi di ceneri e rocce vulcaniche) solo Analcime si forma come minerale primario. Le zeoliti idrotermali cristallizzano per abbassamento di T e cambiamento di pH da soluzioni acquose calde e di origine magmatica. Il contenuto cationico dell’acqua deriva dal tipo di magma e dalla dissoluzione di fasi silicatiche amorfe o cristalline della roccia in cui circolano i fluidi. Sono caratterizzate da:

• 52 specie mineralogiche differenti
• Cristalli micro e macro scopici confinati all’interno di fratture di rocce effusive, intrusive e metamorfiche
• Assenza di evidenti correlazione chimiche tra la roccia incassante e lo zeolite

Zeoliti sedimentarie

Nei sedimenti vulcanici porosi la componente silicatica prevalente (vetro, silice amorfa) è lentamente disciolta dalle acque che percolano attraverso la roccia. Si formano così dei fluidi ricchi negli elementi che compongono la roccia che attraversa. Raggiunto il grado di saturazione da queste soluzioni precipita zeolite compatibile con le condizioni chimico-fisiche del fluido.