ROCCIA Aggregato naturale di uno o pi minerali

ROCCIA Aggregato naturale di uno o più minerali Minerali di tipo diverso (es. granito, basalto) roccia polimineralica Un solo tipo di minerale (es. travertino, dunite) roccia monomineralica Granito = roccia ignea intrusiva composta essenzialmente da: Feldspati Quarzo Biotite

Ma quali caratteristiche ha un minerale? • • • Materiale naturale Composto inorganico Specifica composizione chimica Struttura cristallina definita Proprietà fisiche ben definite

Struttura cristallina n Un cristallo è una formazione minerale solida che ha una disposizione periodica e ordinata di atomi ai vertici di una che si chiama reticolo cristallino; la presenza del reticolo conferisce al cristallo una forma geometrica definita.

Quando e perchè si formano i minerali? • Cristallizzazione per raffreddamento • Precipitazione a basse temperature • Ricristallizzazione (allo stato solido) • Una caratteristica essenziale dei minerali è la loro struttura cristallina. • Il termine Cristallo non indica qualcosa di grande o necessariamente bello esteticamente. • Il vetro non è un minerale perchè: non ha nè strutture cristalline nè specifiche composizioni chimiche.

Definizione di roccia. Problemi 1) Nella definizione di roccia si prescinde dalle caratteristiche meccaniche della sostanza (ossia se il materiale che stiamo considerando è coerente o incoerente meccanicamente): Sabbia: aggregato di più minerali (quindi roccia) Arenaria: aggregato di più minerali (quindi roccia) 2) Ci sono rocce composte interamente da vetro (ossidiane). Ma allora non sono rocce! (aggregato di più minerali). Per questo paradosso si parla anche di mineraloidi. 3) Ci sono rocce composte anche da materiale organico (carboni opp. rocce sedimentarie con fossili). Ma allora non sono rocce! (minerale = sostanza non organica). Per questo paradosso si parla anche di mineraloidi.

Silicati che costituiscono le rocce I minerali che costituiscono più del 95% della crosta sono silicati. Per questo motivo, i silicati sono i minerali più importanti. I più diffusi di questi sono: • quarzo Tra i non-silicati, i minerali più abbondanti sulla superficie terrestre sono i carbonati • feldspati • mica (e argille) • anfiboli • pirosseni • olivine • granati

Silicati sono una classe di minerali composti prevalentemente da ossigeno e silicio; in particolare, la formula chimica di base comune a tutti è Si. O 4. A livello geometrico, questi atomi sono disposti in modo da formare un tetraedro (al centro vi è l'atomo di silicio, ai quattro vertici gli atomi di ossigeno)

Silicati Il numero di ossidazione del silicio pari a +4, e quello dell'ossigeno a -2, ne risulta che complessivamente ogni tetraedro presenterà un eccesso di carica negativa (precisamente una carica di -4) che tende a distribuirsi sui quattro atomi di ossigeno: da ciò la presenza (più o meno elevata a seconda del tipo di silicato) di cationi metallici, attratti dall'anione tetraedrico. Questi metalli sono solitamente ferro, magnesio, potassio, sodio e calcio, ed hanno una funzione fondamentale nel legare tra loro le diverse strutture silicatiche complesse formate dai tetraedri.

Nesosilicati n n n I gruppi Si. O 4 sono isolati; gli ossigeni ai vertici dei tetraedri sono legati esclusivamente a metalli diversi dal silicio. Ogni tetraedro è collegato agli altri non direttamente, ma da atomi (prevalentemente Fe ed Al) che fanno da ponte fra i vertici dei tetraedri stessi. Sono minerali nel cui reticolo cristallino vi è molto spazio per i metalli (il più basso rapporto Si. O 4/metalli) per i quali, non essendovi atomi di ossigeno in comune fra i tetraedri, vale il rapporto numerico Si: O = 1: 4.

Nesosilicati n n I tetraedri isolati sono collegati da cationi come Mg 2+, Fe 2+ o Al 3+) Un esempio è l’olivina (Mg, Fe)2 Si. O 4

Inososilicati n n Gli inosilicati (dal greco INOS, fibra) sono silicati in cui i tetraedri si uniscono per formare catene singole o doppie, (rarissime sono le catene triple) la cui rispettiva formula chimica è Si 2 O 6 e Si 4 O 11. Agli inosilicati appartengono due importanti costituenti delle rocce i pirosseni (a catena singola) e gli anfiboli (a catena doppia).

Pirosseni n n n formula chimica schematizzabile in XYZ 2 O 6 , dove: X e Y rappresentano cationi metallici come Na+, Ca 2+, Fe 2+, Mg 2+ e Li+ Z rappresenta Si 4+ e Al 3+ nei siti tetraedrici delle catene.

Anfiboli n n n n si presentano sotto forma di fibre più o meno lineari, relativamente flessibili, avvolte in masserelle La composizione può essere espressa dalla formula generale W 0 -1 X 2 Y 5 Z 8 O 22(OH, F)2, dove W indica Na e K, X indica Ca, Na, Mn, Fe, Mg, Li, Y indica Mn, Fe, Mg, Al, Ti, Z indica Si e Al. n La struttura degli anfiboli si basa su di una catena doppia Si 4 O 12

Fillosilicati n n I fillosilicati (dal greco phyllon, foglia) sono silicati caratterizzati da una struttura a strati a simmetria tetraedrica e ogni tetraedro tende a legarsi con altri tre tramite degli ossigeni ponte. La formula chimica è Si 2 O 5. Generalmente sono teneri, con basso peso specifico e le lamelle di sfaldatura possono essere flessibili o elastiche. La maggior parte dei fillosilicati contengono ossidrili (OH), posizionati all'interno degli anelli esagonali di tetraedri. Esempi di fillosilicati sono muscovite e biotite che appartengono ai minerali denominati miche

Fillosilicati le argille sono principalmente composte da fillosilicati, : la loro formula chimica generale è: Al 2. 2 Si. O 2. 2 H 2 O

Tectosilicati n n I tectosilicati (o tettosilicati, dal greco tecton, costruttore) sono silicati caratterizzati da una struttura di tetraedri uniti in gruppi di quattro ove due tetraedri sono orientati verso il basso e due verso l'alto, formando la caratteristica struttura definita a doppio collo d'oca, ogni tetraedro condivide 3 dei 4 ossigeni presenti nel monomero base dei silicati. La formula chimica è Si. O 2. I tectosilicati costituiscono circa il 64% della crosta terrestre.

Tectosilicati n I tectosilicati più diffusi sono il quarzo, i feldspati e le zeoliti

I processi petrogenetici Le rocce si formano attraverso processi definiti petrogenetici. I parametri che controllano tali processi sono : - Temperatura (T) - Pressione (P) - Composizione chimica (X)

Nonostante il fatto che i parametri T, P e X possano variare con una certa continuità, i processi petrogenetici sono stati distinti in tre grandi gruppi: - Magmatico o igneo - Sedimentario - Metamorfico Ovviamente queste sono semplificazioni classificative ed esistono casi in natura di rocce che possono essere classificate a cavallo di due gruppi (es. rocce piroclastiche, migmatiti, etc. )

Il processo magmatico comprende la formazione di tutte le rocce la cui genesi è correlata alla consolidazione di masse fuse definite magmi. Questi possono provenire dal sottostante Mantello o formarsi direttamente nella Crosta terrestre per fenomeni di anatessi (= fusione parziale).

Il processo sedimentario implica la formazione di rocce in ambienti in cui la temperatura e la pressione sono quelle che si realizzano nella superficie del pianeta o nelle sue immediate vicinanze, fondali marini compresi. I sedimenti si formano per degradazione, eventuale trasporto e successiva sedimentazione di rocce sia magmatiche metamorfiche o già sedimentarie. In alcuni casi si possono formare per accumulo di materiale organogeno o materiale di precipitazione chimica.

Il processo metamorfico trasforma rocce preesistenti in altre che posseggono connotati pressoché totalmente diversi da quelli originari. Ciò si verifica sotto l’effetto di variazioni termiche e bariche [= di pressione] di una certa importanza; durante questo processo, le trasformazioni si realizzano nella crosta continentale in assenza di materiali litoidi fusi. Questo vuol dire che è un processo che avviene sostanzialmente allo stato solido.

Alterazione ed erosione Deposizione negli oceani e sui continenti Sedimenti Risalita Rocce Ignee R Seppellimento e litificazione Rocce Sedimentarie a lit isa Aumento di temperatura e pressione Il ciclo delle rocce Calore e Pressione Raffreddamento Rocce Metamorfiche Fusione MAGMA

Ambienti P-T

ABBONDANZE RELATIVE DELLE ROCCE SULLA SUPERFICIE TERRESTRE - La superficie terrestre è composta per circa il 66% da rocce sedimentarie. La restante parte (34%) è costituita da rocce magmatiche (la grande maggioranza) e rocce metamorfiche - La crosta è lo strato più esterno della Terra - La crosta rappresenta solo lo 0, 74% del volume della Terra. Tuttavia questa è l’unica parte della terra che è direttamente esposta per lo studio delle rocce

Caratteristiche generali delle rocce ignee, sedimentarie e metamorfiche R. MAGMATICHE R. SEDIMENTARIE R. METAMORFICHE Minerali caratteristici feldspati, pirosseni, quarzo, olivine, miche, anfiboli, etc. quarzo, carbonati (specialmente calcite e dolomite), argille, anidrite, selce (quarzo microcristallino), gesso, etc. quarzo, miche, anfiboli, feldspati, granati, grafite, etc.

I MAGMI - DEFINIZIONE - CARATTERI CHIMICI e FISICI

I MAGMI I magmi sono materiali naturali allo stato fuso che possono contenere anche una certa quantità di cristalli. Nella quasi totalità, i fusi sono silicatici e raggiungono temperature massime di circa 1200 ºC; solo alcuni, volumetricamente insignificanti, sono composti in prevalenza da carbonati e raggiungono temperature massime molto inferiori (intorno a 700 °C).

Colata di lava basaltica (Kilauea, Hawaii)

Natura dei magmi Nei magmi sono presenti pressoché tutti gli elementi esistenti nella Terra; alcuni di questi rappresentano la cosiddetta componente volatile vale a dire i gas disciolti nella fase fusa. Si distinguono magmi: Basici ( es. basalto) Si. O 2 < 52% Intermedi ( es. andesite) 52% < Si. O 2 < 66% Acidi ( es. riolite) Si. O 2 > 66%

Composizione del magma Il magma ha composizione variabile n O è l'anione più abbondante n Si. O 2 è il componente più abbondante n Dal punto di vista composizionale, tre tipi di magma sono i più abbondanti n • • • n Basaltico (80%) Andesitico (10%) Riolitico (10%) Gas disciolti Magma basaltico Al 2 O 3 Fe. O+Fe 2 O 3 Mg. O+Ca. O Na 2 O+K 2 O Magma andesitico Na 2 O+K 2 O altri Magma riolitico Fe. O+Fe 2 O 3 Mg. O+Ca. O Al 2 O 3 Na 2 O+K 2 O altri

La COMPONENTE VOLATILE La componente volatile o, più semplicemente, i volatili, come mostrano le emanazioni vulcaniche, sono costituiti, per la massima parte, da H 2 O, CO 2 , CO, SO 2, H 2 S, H 2, Anak Krakatua cui si aggiungono altri costituenti presenti in quantità minori quali N 2, Ar, HCl, HF e B Le abbondanze relative di questi gas sono correlate al tipo di magma; la quantità dei restanti componenti è sempre di gran lunga inferiore a quella dell’H 2 O e della CO 2 presenti in tenori variabili, rispettivamente, dal 30 all’ 80% e dal 10 al 40% delle moli della fase vapore.

Come si sciolgono i volatili Per sciogliere i volatili nei magmi sono necessarie elevate pressioni; se queste diminuiscono, come avviene quando il magma si avvicina alla superficie, i volatili essolvono dal fuso [= si liberano formando una fase separata] generando i boli di vapore tipici di quasi tutti i vulcani attivi. Qualcosa di simile avviene anche quando si stappano le bottiglie di birra.

0, 1 GPa (Giga. Pascal) = 1 kbar = 10000 m di H 2 O = 3 km di roccia La solubilità dell’H 2 O nei fusi silicatici aumenta proporzionalmente alla pressione. Fuso basaltico (B), andesitico (A), albitico (Ab), e di una pegmatite granitica (P)

I silicati sono minerali costruiti dall’unione di unità tetraedriche [Si. O 4]4 - che rappresentano Silicio Ossigeno i mattoni delle strutture. Tali tetraedri formano catene nello spazio nel piano I magmi si formano dalla fusione dei silicati

Modelli di struttura atomica di fusi silicatici confrontati con quello della silice cristallina.

SIGNIFICATO FISICO dei TETRAEDRI che formano CATENE In un fuso che possiede unità tetraedriche tra loro collegate dagli ossigeni ponte [= fuso polimerizzato] le singole unità non si muovono liberamente perché soggette ad un notevole attrito interno. In altre parole, il magma è molto viscoso L’elevata viscosità riduce anche lo spostamento degli ioni al suo interno

I VOLATILI riducono la viscosità dei magmi H 2 O (vapore) + O (fuso) = 2 OH- (fuso) questa è una reazione di idrolisi che spiega la dissoluzione dell’acqua nei fusi. Poiché OH- ha una sola valenza negativa e non due come l’ossigeno ponte, quando lo sostituisce depolimerizza l’insieme perché permette il distacco di due tetraedri adiacenti Ossigeno ponte

Pressione anidra e idrata La presenza dei volatili favorisce la diminuzione della viscosità se esiste una pressione che permetta la loro solubilizzazione nel fuso magmatico. Poiché i volatili sono rappresentati essenzialmente dall’H 2 O, la pressione che agisce sul sistema è definita pressione idrata o, più brevemente, PH 2 O. Se la pressione è esercitata in mancanza di volatili, si chiama pressione anidra e gli effetti sono diametralmente opposti; la viscosità, almeno inizialmente, tende ad aumentare sino a quando, per pressioni molto elevate (decine di GPa), gli atomi di Si cambiano tipo di coordinazione che da tetraedrica diventa ottaedrica. Si O

Parametri Viscosità (h) Temperatura Inversamente proporzionale L’energia termica facilita la depolimerizzazione e, quindi, abbassa la viscosità. Pressione secca Direttamente proporzionale h aumenta sino a quando il silicio non cambia tipo di coordinazione tetraedrica ottaedrica. Pressione idrata Inversamente proporzionale h diminuisce sino a quando i volatili (ammesso che ce ne siano a sufficienza) rimpiazzano tutti gli ossigeni ponte. Ulteriori aumenti di P, provocano effetti analoghi a quelli della pressione secca. Si. O 2 in % elevata (magmi acidi) Si. O 2 in % bassa (magmi basici) Alta Bassa Note La differenza di viscosità tra magmi basici ed acidi può essere compensata dal fatto che questi ultimi tendono ad avere quantità maggiori di volatili rispetto a quelli basici. Le differenze più vistose si notano quando i magmi perdono pressoché completamente i loro volatili. Questo avviene nel momento in cui debordano dai condotti di alimentazione dei vulcani.