UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BARI

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BARI II Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali Corso di laurea in GESTIONE DELLE RISORSE DEL MARE E DELLE COSTE Modulo di GEOLOGIA Prof. Francesco Loiacono professore ordinario GEO 02 AVVISO I presenti appunti non costituiscono una sostituzione o un alternativa al libro di testo che consiglio caldamente, sono solo appunti creati da me (basandomi sulle lezioni e sui vari testi consigliati) che non sono stati sottoposti ad alcuna verifica da parte di persone competenti in materia e quindi potrebbero contenere degli errori sia nella forma che nel contenuto. Declino ogni responsabilità sull utilizzo di questi appunti. 1

2 INDICE Indice Oggetto di studio e campi della geologia e relazioni con altre scienze L origine del sistema solare Origine e composizione della Terra Formazione dei continenti degli oceani e dell atmosfera Tempo geologico e scala dei tempi geologici 6 Espansione dei fondi oceanici e tettonica delle placche Margini delle placche La deriva dei continenti Il mosaico delle placche La grande ricostruzione: dalla Pangea ad oggi Il motore della tettonica delle placche Campo magnetico terrestre e paleomagnetismo 14 La composizione della crosta terreste: minerali e rocce I minerali I minerali che costituiscono le rocce Proprietà fisiche dei minerali Proprietà chimiche dei minerali Le rocce Rocce ignee Classificazione rocce ignee Serie intrusiva ed effusiva La serie di Bowen Rocce sedimentarie Trasporto dei sedimenti Sedimentazione Diagenesi e litificazione Classificazione delle rocce sedimentarie Rocce sedimentarie clastiche Rocce chimiche biochimiche Rocce metamorfiche 39 Il ciclo delle rocce 40 Ciclo geochimica 41 Principi di stratigrafia: la stratificazione Deformazione delle rocce: elementi di tettonica Pieghe

3 Oggetto di studio della geologia. Campi della geologia e relazioni con altre scienze Per Geologia si intende quella scienza che studia la composizione, la struttura, la storia ed i processi evolutivi del pianeta Terra a partire dal suo consolidamento fino ai giorni nostri, esaminandone i fenomeni fisici, chimici e biologici intercorsi. Data la vastità e complessità delle problematiche legate a questo campo di studio, la Geologia è integrata con altre discipline, che sono apparentate nell'insieme delle Scienze della Terra, quali: la Geofisica per lo studio dell'interno della Terra tramite la misurazione di parametri fisici con strumenti posti prevalentemente sulla superficie terrestre, entro pozzi perforati fino ad una profondità di pochi chilometri dalla superficie e rilevamenti da satelliti, integrati con concetti di fisica e scienza dei materiali; la Mineralogia per l'analisi dei minerali contenuti nelle rocce integrandosi con chimica e fisica; la Paleontologia per lo studio e l' evoluzione degli organismi vissuti sulla superficie del pianeta integrandosi con la Biologia e la Botanica; l' Astronomia, quando alcuni fenomeni sono direttamente generati dall'interazione della Terra con altri corpi planetari o stellari (ad esempio l'impatto con un meteorite). L'origine del sistema Solare Si ritiene che il Sole e i pianeti si siano formati da una nebulosa di gas interstellari in contrazione, in un periodo di tempo compreso tra 5 e 4,6 miliardi di anni fa. L'ipotesi di un'origine comune trova conferma nell'analisi di alcune regolarità di comportamento dei pianeti, che ruotano attorno al Sole muovendosi tutti nello stesso verso e percorrendo orbite sostanzialmente complanari. Secondo le attuali teorie, la nebulosa primordiale aveva una temperatura molto bassa ed era costituita da idrogeno, da elio, da una grande varietà di elementi chimici più pesanti e da polveri. Circa 5 miliardi di anni fa al centro della nebulosa si sarebbe creata una parte più densa e di conseguenza la nube, sotto la spinta della forza gravitazionale, avrebbe cominciato a contrarsi. In pochi milioni di anni, nella zona centrale, la densità e la temperatura sarebbero aumentate e si sarebbe formato il proto-sole. Contemporaneamente, la contrazione avrebbe causato un aumento della velocità di rotazione e della forza centrifuga del sistema. Così la nube si sarebbe appiattita, assumendo un aspetto simile a un disco rotante intorno a Sole. Il collasso gravitazionale della massa del proto-sole avrebbe causato un incremento della temperatura nella zona più centrale. Nelle fasi finali del processo, un forte vento solare avrebbe trascinato verso le regioni più esterne tutti gli elementi leggeri, soprattutto idrogeno ed elio. Mentre il nucleo del proto-sole si riscaldava fino a raggiungere le temperature necessarie per le reazioni termonucleari, nel disco circostante accrescevano alcuni corpi attraverso delle collisioni e attirando frammenti più piccoli presenti nello spazio circostante. Si sarebbero formati così i proto-pianeti, dai quali sarebbero derivati gli attuali pianeti, mentre il proto-sole si trasformava in una stella gialla e stabile. L origine e la composizione della Terra La Terra è un pianeta differenziato, cioè un pianeta il cui interno è suddiviso in strati con differenti caratteristiche fisiche e chimiche. La Terra ha un età di circa 4,6 miliardi di anni, ed ha iniziato ad originarsi quando si sono realizzate le condizioni per l accrescimento del pianeta come conseguenza dei continui impatti di nuovi planetesimi che si saldavano ai precedenti. Tre processi iniziarono a far riscaldare il pianeta in accrescimento: la collisione di planetesimali la compressione del pianeta in accrescimento la radioattività 3

4 ogni collisione planetesimale, nella sua caduta verso il pianeta, lo urtava ad alta velocità. Ad un corpo in moto è associata una forma di energia detta energia cinetica, la quale è direttamente proporzionale alla massa del corpo e al quadrato della sua velocità. Quando i planetesimi urtavano contro la Terra primitiva, la maggior parte di questa energia cinetica si convertiva in calore, altra forma di energia. Man mano che il pianeta si accresceva, si contraeva al suo interno per il suo proprio peso e anche la compressione determinava un aumento di temperatura. Infine va detto che alcuni elementi sono radioattivi. Gli atomi degli elementi radioattivi si disintegrano spontaneamente emettendo particelle atomiche; quando queste vengono assorbite dalla materia circostante, la loro energia cinetica si converte in calore. All inizio della sua storia la Terra era un pianeta omogeneo, che presentava all incirca gli stessi tipi di materiale a tutte le profondità. In seguito il pianeta subì una forte riorganizzazione dopo che il suo riscaldamento aveva raggiunto all incirca la temperatura di fusione del ferro. Poiché il ferro è più pesante (ossia più denso) degli altri elementi comuni, quando esso si fuse, circa 1/3 del materiale primitivo sprofondò verso il centro dove si formò un nucleo di ferro. A differenza del ferro altri materiali fusi erano più leggeri delle sostanze di partenza da cui si erano separati e quindi migrarono verso l alto e si raffreddarono formando una crosta primitiva. Con la formazione del nucleo iniziò la differenziazione della Terra: un denso nucleo centrale di ferro una crosta superficiale di materiali più leggeri e un mantello interposto fra essi costituito da densità intermedia. CROSTA MANTELLO NUCLEO ESTERNO NUCLEO INTERNO km Km km km La differenziazione portò gli elementi più leggeri verso gli strati esterni della Terra e iniziò la fuga, dal suo interno, di gas ancora più leggeri che finirono per formare l atmosfera, gli oceani e i mari. Nel suo insieme, la composizione della Terra ordinata secondo la massa dei costituenti è: 35% ferro 30% ossigeno 15% silicio 13% magnesio 2,4% nichel 1,9% zolfo 1,1% calcio 1,1% alluminio <1% altri 4

5 Profondità media degli oceani Raggio medio terrestre Mari Terre 3808 m 6371 km 71% 29% Formazione dei continenti degli oceani e dell atmosfera La Terra è dominata da due grandi motori, uno interno e l altro esterno. Il motore termico interno della Terra è alimentato dall energia termica interna della Terra. Il motore termico esterno è alimentato dall energia solare che raggiunge la Terra per irraggiamento del Sole e si converte in calore. Il calore interno fonde le rocce, da origine ai vulcani e fornisce l energia per formare e spostare i continenti e per sollevare le catene montuose, il calore esterno è responsabile del clima e delle condizioni meteorologiche e da origine alla pioggia e al vento che erodono le montagne e modellano il paesaggio. Continenti. Si ritiene che all inizio, roccia fusa (magma) cominciò a fluire verso la superficie dall interno della Terra parzialmente fuso, si raffreddò e si solidificò formando una crosta sottile. Questa crosta primitiva tornò a fondersi e solidificarsi ripetutamente, mentre i materiali più leggeri, separatisi gradualmente da quelli più pesanti, andava alle parti più esterno della crosta, formano i nuclei primitivi dei continenti. La degradazione meteorica delle rocce per opera delle precipitazioni e degli altri agenti atmosferici determinò la frammentazione e l alterazione delle rocce; l acqua il evento ed il ghiaccio misero in movimento i frammenti derivati dalla disgregazione delle rocce e li trasportarono verso luoghi a minore altezza come le spiagge, i delta e il fondo di mari adiacenti. Il risultato di tale attività furono i continenti che si andavano accrescendo man mano che il processo descritto si ripeteva attraverso numerosi cicli successivi. Oceani e atmosfera. La maggior parte dei geologi ritiene che l origine degli oceani e dell atmosfera possa essere fatta risalire alla Terra stessa, come conseguenza del riscaldamento e della differenziazione dell interno del pianeta. Altri invece ritengono che l involucro costituito dagli oceani e dell atmosfera si origino all esterno della Terra. Sappiamo che le cometa sono costituite in gran parte da ghiacci di sostante come acqua mista ad anidride carbonica e altri gas; innumerevoli comete possono aver bombardato la Terra all inizio della sua evoluzione trasportandovi acqua e gas che formarono gli oceani e l atmosfera primitivi. Il ritorno dell acqua (soffiata via dalla radiazione del giovane Sole) ad opera delle comete, sarebbe avvenuto nella fase di aggregazione del pianeta., mentre la fase di liberazione di gas e vapori sarebbe avvenuta più tardi nel corso della differenziazione dell interno del pianeta. Inizialmente l acqua era bloccata, cioè i suoi componenti, ossigeno ed idrogeno, erano legati chimicamente in certi minerali. Quando la Terra si riscaldò e i suoi materiali si fusero parzialmente, il vapore acqueo, l azoto, l anidride carbonica e altri gasi si liberarono e furono trasportati verso la superficie dai magmi e rilasciati attraverso le eruzioni vulcaniche. Per questo l atmosfera più antica era completamente diversa da quella in cui viviamo oggi. La produzione di rilevanti e persistenti quantità di ossigeno nell atmosfera è avvenuta dopo che si era evoluta la vita al livello delle alghe fotosintetizzanti. Le alghe utilizzano anidride carbonica e acqua come materie prime e energia dalla luce solare per fabbricare sostanza organica e liberare ossigeno come prodotto di rifiuto. L ossigeno cominciò quindi ad accumularsi nell atmosfera e gradualmente ha raggiunto le concentrazioni attuali. I processi che avvengono per il calore interno della Terra sono detti fattori endogeni. Energia trasmessa dal centro della Terra verso la crosta, crea assottigliamento e rotture (terremoti registrati fino a 600/700 km di profondità) o modificazioni (sollevamento delle catene montuose). I fattori esogeni sono esterni e sono dovuti al Sole, ai processi biologici, chimici (dissoluzione soluzione, evaporazione) e fisici (gravità, vento, acqua, ghiaccio). 5

6 Attualismo. La geologia moderna è ormai concorde sul significato del concetto di uniformsmo (o attualismo), inteso come uniformismo metodologico e cioè: a) uniformità delle leggi delal natura nel tempo e nello spazio b) uniformità dei processi geologici, che non esclude, però, l esistenza nel passato di processi diversi da quelli attuali. Secondo questo principio, i processi geologici che oggi modificano la crosta terrestre hanno operato all incirca nello sesso modo durante il tempo geologico. Tempo geologico In geologia è necessario allargare il proprio concetto di tempo, che i basa sui cicli della vita personale. Ad esempio l universo si è formato 15 miliardi di anni fa, la Terra circa 4,6 miliardi di anni fa, un catena montuosa può venire sollevata o erosa in milioni di anni, le prime cellule viventi si svilupparono circa 3,6 miliardi di anni fa, ma l origine dell uomo risale solo a qualche milione di anni fa, pari a poco più di un millesimo del tempo trascorso dalla comparsa della vita sulla Terra. La scala dei tempi geologici rappresenta un modo per suddividere il tempo trascorso dalla formazione della Terra. Concettualmente ogni suddivisione raggruppa una fase della storia della Terra caratterizzata da determinati organismi spesso estinti al termine dell'era geologica di appartenenza. EONE Adeano Archeano Proterozoico Fanerozoico ERA PERIODO Paleozoico Cambriano Ordoviciano Siluriano Devoniano Carbonifero Permiano Triassico Giurassico Cretaceo Paleogene Neogene Pleistocene Olocene Mesozoico Cenozoico (Terziario) Cenozoico (Quaternario ) 6 M.A ,8 0, ,8 0,13 Attuale

7 Espansione dei fondi oceanici e tettonica delle placche La classificazione e la distribuzione delle rocce, la posizione e le caratteristiche dei vulcani, delle fasce sismiche, dei sistemi montuosi e dei bacini oceanici erano trattati in modo più o meno indipendente, oggi si è in grado di discuterli nel contesto di una teoria unificante, al teoria della tettonica delle placche, ovvero una singola teoria generale che spiega molti dei principali fenomeni geologici della Terra. Questa teoria si applica al più esterno degli involucri concentrici che formano il nostro pianeta. I termini forte e debole sono usati nel senso in cui un elemento forte è rigido, cioè non si deforma facilmente, ma può rompersi, mentre un elemento debole è plastico e si deforma facilmente. La litosfera (crosta e parte sommitale del mantello) è rappresentata come lo strato più esterno solido, forte, spesso 50 / 100 km. I continenti sono inclusioni simili a zattere, incastrate nella litosfera. La litosfera galleggia sull astenosfera, una zona debole, parzialmente fusa. La litosfera è forte perché è relativamente fredda, essendo molto vicina alla superficie, mentre l astenosfera è debole poiché è calda, quasi alla temperatura di fusione e soggetta ad una grande pressione, giacendo a grande profondità sotto la superficie. Il fatto che le differenti zone abbiano differenti resistenze meccaniche determina come la litosfera si rompa in frammenti che si muovono quando sono soggetti alle forze geologiche. La teoria della tettonica delle placche. Secondo la teoria della tettonica delle placche, la litosfera non è uno strato continuo, ma è suddivisa in 12 grandi placche (o zolle) rigide che si spostano sulla superficie della Terra. Ciascuna placca si sposta come un unità distinta che galleggia sull astenosfera. Le placche si muovono perché il mantello al di sotto della litosfera è caldo e deformabile. Questa combinazione di alta temperatura e deformabilità permette ai materiali del mantello di muoversi per convenzione. Il moto convettivo ha luogo in un materiale capace di fluire o scorrere, sia esso un liquido o un solido deformabile (plastico), quando il materiale caldo sale dal fondo verso la superficie (poiché meno denso del materiale sovrastante), mentre il materiale freddo scende dalla superficie verso il fondo (poiché è più denso del materiale sottostante). È il lento movimento del mantello per convenzione che trascina con se le placche ad una velocità di qualche centimetro l anno. Margini delle placche Luogo in cui i margini delle placche interagiscono l una con l altra e si verificano molti fenomeni geologici a grande scala. Esistono tre tipi di margine fra placche adiacenti in movimento: lungo margini divergenti le placche si separano e si allontanano l una dall altra; lungo margini convergenti le placche collidono; e lungo margini costruiti da faglie trasformi le placche scivolano l una rispetto all altra. 7

8 Un margine divergente è semplificato da una fossa tettonica o rift valley, tipicamente localizzate lungo la cresta di un lungo settore sottomarino sollevato, detto dorsale oceanica. La dorsale, per esempio, si estende quasi al centro dell Oceano Atlantico e raggiunge la superficie in più luoghi. I margini divergenti sono caratterizzati da attività sismica e da vulcanismo poiché lo spazio che si forma fra le placche che si stanno allontanando viene via via colmato da magma che risale dalla zona posta sotto la litosfera. Il materiale fuso solidifica come roccia nella fossa, per cui le placche litosferiche si accrescono per accumulazione di questa roccia neoformata a mano a mano che si separano. Con il progressivo separarsi delle placche, può formarsi o accrescersi un bacino oceanico. Poiché si forma un nuovo fondo oceanico, questa parte del processo e denominata espansione dei fondi oceanici. Se le placche si separano in un luogo, esse devono convergere da qualche altra parte e questo è proprio ciò che avviene. Le placche collidono frontalmente l una contro l altra lungo i margini convergenti. La litosfera oceanica discende nel mantello al di sotto della litosfera continentale, con un processo noto come subduzione. Questo incurvamento verso il basso produce una fossa abissale, cioè una struttura lunga e stretta (lunga circa 100 km e larga circa 100 km) in cui l oceano raggiunge circa le sue massime profondità (circa 10 km). Il margine della placca continentale sotto cui avviene la subduzione viene piegato e sollevato a formare una catena montuosa che corre parallelamente alla fossa; le enormi forze che intervengono nella collisione producono violenti terremoti. Mentre la placca oceanica discende sprofondando nel mantello caldo, parti di essa possono iniziare a fondere. La roccia fusa, o magma, che così si forma migra verso l alto e una parte di essa raggiunge la superficie sottoforma di lava eruttata dai vulcani. Questi margini convergenti in cui viene consumata la litosfera, sono detti zone di subduzione. Le zone di divergenza sono dunque sorgenti di nuova litosfera mentre le zone di subduzione sono pozzi in cui vengono consumati materiali in quantità corrispondenti. Alcune placche non collidono, ma scivolano l una rispetto all altra rispetto ad una faglia trasforme. La famosa faglia di San Andreas in California ne è un esempio: la placca del Pacifico scivola rispetto alla placca Nordamericana in direzione nord-occidentale. Lo scivolamento non avviene in modo uniforme e regolare ma a scatti; un episodio di scivolamento improvviso produce un terremoto. Se le placche possono muoversi e i continenti sono incastonati nelle placche, la geografia del pianeta può essere stata diversa nel passato geologico. Circa 200 milioni di anni fa tutti i continenti erano riuniti a formare un supercontinente unico chiamato Pangea. 8

9 La deriva dei continenti Il concetto di deriva dei continenti è quello di movimenti su grande scala dei continenti sul globo. Il meteorologo tedesco Alfred Wegener teorizzò che un tempo tutti i continenti attuali facessero parte di un super continente chiamato Pangea (tutto terra). Citò come ulteriore prova della frammentazione e della deriva dei continenti la notevole somiglianza tra le rocce, le strutture geologiche e i fossili sui due lati opposti dell Atlantico. Nel 1928, Arthur Holmes propose come forza motrice della deriva dei continenti il meccanismo della convenzione termica del mantello. Secondo questa ipotesi, correnti convettive subcrostali hanno trascinato, separandole, le due metà del continente originario, con la conseguente formazione di catene montuose lungo i fronti di avanzamento e lo sviluppo oceanico tra lo spazio aperto fra le due parti, dove le correnti sono in risalita. Successive generazione di geologi ampliarono i concetti sulla mobilità della litosfera, identificando le singole placche litosferiche e discutendo i loro relativi movimenti e i fenomeni che si svolgono ai loro margini. Il mosaico delle placche Secondo la teoria della tettonica delle placche, la litosfera è suddivisa in circa 12 placche rigide. Le placche scivolano su un astenosfera plastica, parzialmente fusa, e i continenti, incastonati nelle placche in movimento, vengono trasportati passivamente. La deriva dei continenti è fondamentalmente una conseguenza dei movimenti delle 12 placche. 9

10 Rocce associate ai margini divergenti Associazioni di rocce che affiorano in aree continentali costituite da sedimenti di mare profondo, lave basaltiche sottomarine e intrusioni ignee femiche, sono note come successioni ofiolitiche. Quando le placche si separano, mantello caldo risale e comincia a fondere, tanto che, quando giunge a piccole profondità, è ormai una sorta di poltiglia e da esso si separa un fuso basaltico che riempie una camera magmatica poco profonda. Il magma proveniente da tale camera si intrude ripetutamente nel rift tra le placche in espansione e si solidifica. Il basalto che arriva a fluire sul fondo dell oceano solidifica con le tipiche strutture a cuscino (pillow lava) caratteristiche del vulcanismo sottomarino. Rocce lungo i margini convergenti Il termine orogenesi designa l insieme dei fenomeni geologici che portano al sollevamento di catene montuose per piegamento e deformazione di strati rocciosi, spesso accompagnati da attività magmatica. Esistono tre tipi di margini convergenti che, in funzione della natura delle due placche coinvolte, vengono brevemente definite: oceano-oceano, oceano-continente, continentecontinente. Oceano oceano. Quando una placca oceanica entra in collisione con un altra placca oceanica e sovrascorre su di essa, si avviano alcuni complessi processi; i sedimenti oceanici della placca che sprofonda vengono in gran parte asportati e si accumulano lungo il margine della placca sotto cui avviene la subduzione. La litosfera subdotta fredda discende nel mantello caldo sottostante. Il materiale del mantello riscaldato e ora soggetto ad una spinta di galleggiamento, risale e con il diminuire della pressione litostatica, fonde ancora più estesamente, dando luogo alla formazione di un magma ultrafemico che si accumula alla base della crosta della placca. Oceano continente. Quando una placca che trasporta un continente sul proprio margine in avvicinamento entra in collisione con una placca oceanica, sovrascorre su di essa e ne determina la subduzione. Sul margine continentale si sviluppa una catena montuosa, edificata da molteplici intrusione di rocce ignee ed eruzioni di lava. 10

11 Contemporaneamente possono verificarsi numerosi fenomeni di sovrascorrimento che, spingendo intere successioni di rocce le une sulle altre, contribuiscono alla costruzione di una catena montuosa. Le Ande, vicino alla costa occidentale dell America meridionale, sono il prodotto di una collisione tra una placca oceanica e una placca continentale: la placca di Nazca è da tempo entrata in collisione con la placca Sudamericana e viede subdotta sotto di essa. Continente continente. Poiché le placche posso trasportare continenti, un continente può entrare in collisione con un altro. Entrambi possono restare a galla e lungo l intero margine di collisione si forma un ampia zona di intensa deformazione, contrassegnata da una catena montuosa. Risultato di una collisione fra continenti è l Himalaya, che cominciò a formarsi circa 50 milioni di anni fa, quando una placca che trasportava l India entro in collisione con la placca Eurasiatica. Oggi i geologi ritengono che gran parte della geologia dei continenti si possa spiegare con episodi di rifting (luogo in cui la crosta terrestre e la litosfera vengono separate per trazione) continentale e separazione delle placche e con collisioni delle placche dei tipi descritti. La grande ricostruzione: dalla Pangea ad oggi Alla fine del paleozoico, circa 250 milioni di anni fa, esisteva un unico super continente, la Pangea che si estendeva da un polo all altro e che si era formato a spese dei continenti più piccoli entrati in collisone in vari momenti del Paleozoico. Sul fondo oceanico le testimoniane di questo periodo sono state distrutte dalla subduzione. 11

12 I tipi di rocce e i fossili, indicano la distribuzione di antichi mari, ghiacciai, bassopiani e montagne e permettono anche di ricostruire antiche condizioni climatiche. Oggi si è arrivati a proporre la ricostruzione di un altro super continente più antico del Pangea, il Rodinia. Questo supercontinente, che comprende la quasi totalità delle masse continentali odierne, si è formato circa 1100 milioni di anni fa. I movimenti continentali prima della sua formazione sono poco sconosciuti. 750 milioni di anni fa Rodinia si divise in otto continenti, la cui deriva formò il supercontinente Pangea. Meglio conosciuto è un processo più recente: la frammentazione della Pangea. La Pangea era una massa di terre emerse di forma irregolare, circondata da un unico grande oceano detto Pantalassa (tutto mare). Il mare Tetide, compreso fra l Africa e l Eurasia era antenato di una parte del Mediterraneo attuale. La frammentazione della Pangea è stata segnata dall apertura di rift dai quali fuoriuscivano lave basaltiche. Le datazioni radiometriche indicano che la prima frammentazione è l inizio della deriva avvennero circa 200 milioni di anni fa, nel periodo Triassico. 12

13 La geografia della Terra all inizio del Giurassico dopo 20 milioni di anni di deriva: l Atlantico si va aprendo, il mare Tetide riprende ad espandersi dopo l apertura e un tentativo di chiusura e le terre settentrionali (Laurasia) si sono separate da quelle meridionali (Gondwana). La formazione di un nuovo fondo oceanico ha anche separato l Antartide Australia dall Africa Sudamerica, l India ha iniziato un lungo viaggio verso nord. Alla fine del Giurassico, 135 milioni di anni fa, la deriva è ormai in atto da 60 milioni di anni. L avvenimento saliente di quel tempo è la separazione dell America meridionale dall Africa, che segna la nascita dell Atlantico meridionale. L oceano Atlantico settentrionale e l oceano Indiano continuano ad ampliarsi, ma la Tetide, prima in espansione comincia a contrarsi e il continente africano va verso l europeo. La fine del Cretaceo, 65 milioni di anni fa, registra un allargamento dell oceano Atlantico meridionale, la separazione del Madagascar dall Africa, e la riduzione della Tetide, che diventa, un mare mediterraneo, i cui resti sono oggi costituiti solo dall Adriatico e dal Mediterraneo Orientale. Dopo 135 milioni di anni di deriva, si comincia a intravedere la configurazione attuale dei continenti. Il mondo attuale si è delineato nel corso degli ultimi 65 milioni di anni. L India ha terminato la sua migrazione verso nord. L Australia si è separata dall Antartide. Quasi la metà dell attuale fondo oceanico si è formata nel corso di questo periodo. 13

14 Il motore della tettonica delle placche Le placche sono trascinate da correnti convettive in atto nella sottostante astenosfera. Occorre considerare il processo non in modo frammentario, ma come uno scorrimento convettivo complesso, che coinvolge la risalita dei materiali caldi e parzialmente fusi, e la discesa di materiali solidi e freddi, in diverse condizioni, che vanno dalla fusione alla solidificazione alla rifusione. Nel fenomeno deve essere coinvolta una parte notevole del mantello, dal momento che lembi di litosfera riescono a spingersi a profondità di circa 700 chilometri prima di venire riassorbiti completamente. Campo magnetico terrestre e paleomagnetismo La Terra ha una campo magnetico. Il campo magnetico della Terra, o campo geomagnetico, si comporta come se un magnete permanente a sbarra, piccolo ma potente, fosse localizzato vicino al centro della Terra e inclinato di circa 11 rispetto all asse geografico. Un campo magnetico si può visualizzare per mezzo di linee di forza, o linee del campo, che indicano la presenza di una forza magnetica in ogni punto dello spazio circostante un corpo magnetico. Dove esiste all interno della Terra una dinamo con la capacità di generare una corrente elettrica di intensità sufficiente per spiegare il diffuso e potente campo magnetico che si osserva in superficie? Secondo alcune ipotesi, il luogo dove cercare questa dinamo potrebbe essere il nucleo di ferro allo stato liquido, perché il ferro liquido può muoversi facilmente e il ferro è un buon conduttore; inoltre è ipotizzato che il ferro liquido venga agitato in moti convettivi dal calore generato dalla radioattività del nucleo. Questo moto genererebbe sai le correnti elettriche sia il campo magnetico necessari per mantenere una dinamo nel nucleo. Il campo magnetico così generato dal nucleo raggiunge la superficie e si manifesta nello spazio circostante. L esistenza del campo magnetico, a sua volta, è un ulteriore prova del fatto che il nucleo della terra è formato da ferro allo stato liquido. Paleomagnetismo Il paleomagnetismo consente lo studio del campo magnetico terrestre del passato. Gli scienziati hanno scoperto come determinare direzione e verso del campo geomagnetico del passato. Le temperature elevate distruggono il magnetismo. Una proprietà importante di molti 14

15 materiali magnetizzabili che vengono a trovarsi a temperature molto elevate è il fatto che, quando si raffreddano al di sotto di circa 500 C, si magnetizzano nella direzione orientata del campo magnetico in cui sono immerse. Il motivo di questa magnetizzazione è il fatto che, quando il materiale è ancora molto caldo, gruppi di atomi del materiale si allineano nella direzione del campo magnetico esterno. Quando il materiale si raffredda, questi atomi rimangono bloccati nelle posizioni che hanno assunto e quindi risultano per sempre magnetizzati nella stessa direzione orientata. Questo fenomeno è detto magnetizzazione termorimanente o termoresiduale. Le rocce sedimentarie marine si formano quando particelle di sedimenti che si sono depositate sul fondo oceanico subiscono la litificazione. I granuli magnetici presenti fra le particelle tendono ad assumere la direzione orientata del campo geomagnetico man mano che si decantano e questa orientazione magnetica diviene quella dell intera roccia quando le particelle subiscono la litificazione. La magnetizzazione detritica rimanente di una rioccia sedimentaria sarebbe quindi dovuta all allineamento parallelo e concorde di tutti questi minuscoli magneti, allineati nella direzione del campo geomagnetico dominante al momento in cui è avvenuta la sedimentazione. 15

16 La composizione della crosta terreste: minerali e rocce I minerali I geologi definisco un minerale come una sostanza solida cristallina naturale inorganica, con composizione chimica specifica. Per essere qualificata come minerale, una sostanza deve essere presente in natura. Quando si dice che un minerale è cristallino, si intende che le minuscole particelle di materia, gli atomi, che lo costituiscono, sono organizzate in una configurazione tridimensionale che si ripete nello spazio secondo un ordine definito. I materiali solidi che non presentano questa configurazione ordinata degli atomi sono detti vetrosi o amorfi (privi di forma). Ciò che rende unico ogni minerale è la combinazione della sua composizione chimica e della disposizione dei suoi atomi in una struttura tridimensionali. La composizione può essere fissa o variare in un campo definito Struttura atomica dei minerali, cristalli e cristallizzazione Come abbiamo visto una sostanza per essere un minerale, deve avere una composizione chimica specifica e una struttura cristallina. Le sostanze sono formate da legami chimici tra atomi e ioni. I minerali sono formati dal processo di cristallizzazione, l accrescimento di un solido a partire da un materiale i cui atomi costituenti possono riunirsi nei rapporti chimici appropriati e secondo una precisa configurazione cristallina. reticolo cristallino del cloruro di sodio La cristallizzazione comincia con la formazione di microscopici cristalli singoli, corpi con cui i confini sono superfici piane naturali. Queste superfici, dette facce, sono la caratteristica esterna che definisce un cristallo. Durante la cristallizzazione i cristalli inizialmente microscopici si ingrandiscono, conservando le loro facce finche esse sono libere di accrescersi. I cristalli con grandi dimensioni, con facce ben formate, si formano quando l accrescimento è lento e costante e dispone di spazio per svolgersi senza interferenza da parte di altri cristalli vicini. Perciò la maggior parte dei cristalli di minerali si formano in spazi aperti nelle rocce, come fessure o cavità. Se gli spazi fra i cristalli in accrescimento vengono colmati o la cristallizzazione procede troppo rapidamente, le facce dei cristalli si accrescono l una sull altra e i precedenti cristalli si uniscono per formare una massa solida di particelle cristalline, dette granuli. Nella massa cristallizzata pochi granuli o nessuno di essi presenta facce. Quando cristallizzano i minerali? Un modo per cui il processo si avvii è un abbassamento della temperatura di un liquido al di sotto della sua temperatura di solidificazione. 16

17 Polimorfi Alcune sostanze chimiche aventi esattamente la stessa composizione chimica, hanno più di un tipo di struttura chimica e quindi formano differenti minerali detti polimorfi. I polimorfi che si rinvengono nelle rocce che affiorano, rispecchiano le condizioni geologiche del momento e del luogo in cui si formarono. I minerali che costituiscono le rocce Anche se si conoscono molte migliaia di minerali, se ne incontrano un numero relativamente piccolo, circa 30. questi sono i minerali che formano la maggior parte delle rocce della crosta terrestre e quindi sono detti minerali costituenti le rocce. Tra i più abbondanti sono i silicati, formati dai due elementi più abbondanti nella crosta terrestre, l ossigeno (O) e il silicio (Si). Altri importanti minerali costituenti le rocce sono gli ossidi, costituiti di solito da ossigeno combinato con un elemento metallico, come l ematite (Fe2O3), i carbonati, costituiti da calcio e magnesio in combinazione con carbonio e ossigeno, come la calcite (CaCO3), i solfuri e i fosfati, basati sull elemento zolfo, come la pirite (FeS2) e alcune altre combinazioni di elementi. Silicati La base di tutte le strutture dei silicati è un tetraedro formato da 4 ioni ossigeno che circondano uno ione silicio, con il quale condividono alcuni elettroni. I silicati vengono classificati e denominati secondo il modo in cui sono legati i loro tetraedri. Tetraedri singoli, uniti tra loro mediante un legame tra ogni ione ossigeno dei tetraedri e un catione diverso da Si Anelli di tetraedri, collegati tra loro dal legame tra due ossigeni di ciascun tetraedro con gli ossigeni dei tetraedri adiacenti, a formare anelli chiusi Catene singole, ogni tetraedro risulta collegato con altre due mediante ossigeni messi in comune Catene doppie, che sono legate fra loro da ossigeni condivisi Strati di tetraedri, ciascun tetraedro condivide tre dei propri ossigeni con tetraedri adiacenti in modo da formare strati Intelaiature tridimensionale di tetraedri, ogni tetraedro mette in comune tutti i propri ossigeni con altri tetraedri. 17

18 Il silicato chimicamente più semplice è il biossido si silicio, detto anche silice (SiO 2), che si trova il più delle volte come minerale quarzo. Il silicio non si trova mai in natura come elemento puro, ma è sempre combinato con l ossigeno, perché ha una forte tendenza a legarsi con esso. Carbonati Il minerale calcite, costituito da carbonato di calcio, è uno dei minerali abbondanti nella crosta della Terra ed è il principale costituente di un gruppo di rocce note come calcari. Struttura tridimensionale dello ione carbonato, che evidenzia anche la risonanza con ciascun atomo di ossigeno (sfere rosse) che condivide un doppio legame e con carica negativa delocalizzata sui tre atomi. 18

19 Solfati I solfati contengono l'anione solfato (SO4). I solfati si formano negli ambienti sottoposti a forte evaporazione dove acque molto saline evaporano lentamente permettendo la formazione di solfati e alogenuri sulla superficie dei sedimenti. I solfati più comuni sono l'anidrite (solfato di calcio), la celestina (solfato di stronzio) e il gesso (solfato di calcio idrato). Alogenuri Gli alogenuri sono il gruppo di minerali che formano i sali naturali e comprendono la fluorite, il sale comune (conosciuto come salgemma) ed il sale di ammonio (cloruro d'ammonio). Gli alogenuri, come i solfati, si trovano frequentemente negli ambienti sottoposti a forte evaporazione come il Mar Rosso. Solfuri I Solfuri sono composti chimici in cui lo zolfo è combinato con elementi metallici e semimetallici. Molti solfuri sono importanti economicamente per l'estrazione dei metalli. I solfuri più comuni sono la calcopirite (solfuro di rame e ferro) e la galena (solfuro di piombo). Molti solfuri hanno lucentezza metallica, sono teneri e con elevato peso specifico. Alcuni hanno lucentezza non metallica o sono più duri. Cristalli ben formati e con elevato grado di simmetria costituiscono la regola. Fosfati Il gruppo dei fosfati include minerali con l'unità tetraedrica AO4 dove A può essere fosforo, antimonio, arsenico o vanadio. Il fosfato di gran lunga più comune è l'apatite che è un minerale importante anche in biologia perché si trova nei denti e nelle ossa di molti animali. Ossidi I minerali del gruppo degli ossidi sono, per definizione, composti in cui l ossigeno è legato ad atomi o a cationi di altri elementi, di solito metalli come il ferro (Fe). Questo gruppo comprende i minerali della maggior parte dei metalli., hanno legami ionici e le loro strutture variano con le dimensioni dei cationi metallici. Proprietà fisiche dei minerali Sfaldatura La sfaldatura è la tendenza dei minerali a rompersi parallelamente a piani di atomi. La sfaldatura riflette la struttura interna poiché entro una struttura la forza del legame chimico è in generale diversa nelle differenti direzioni. Questo fatto è mostrato particolarmente bene nelle strutture a strati (nelle miche e nella grafite) nelle quali il legame entro gli strati è molto forte ma è molto più debole tra gli strati stessi. In queste strutture esiste una sfaldatura perfetta parallela alla stratificazione. La sfaldatura può essere molto ben sviluppata in alcuni cristalli, come appunto nella sfaldatura basale delle miche o essere piuttosto incerta, come nel berillo. È completamente assente in alcuni minerali, come ad esempio nel quarzo. La grafite, ha una sfaldatura lamellare ben sviluppata parallela al piano basale. Alcune specie presentano una sola direzione di sfaldatura ma possono esservene anche due, tre quattro o addirittura sei. Entro queste lamelle di sfaldatura esiste un forte legame covalente fra gli atomi di carbonio, ma tra le lamelle è debole il legame di Van der Waals che finisce per essere la causa della sfaldatura. Un debole legame è accompagnato generalmente da una grande distanza interplanare poiché la forza attrattiva non può tenere molto ravvicinati i piani. Il diamante ha un solo tipo di legame, il legame covalente, e la sua eccellente 19

20 sfaldatura parallela alle facce dell' ottaedro si verifica lungo piani atomici con la maggiore distanza interplanare. Scala di Mohs Talco Gesso Calcite Fluorite Apatite Feldspato Quarzo Topazio Corindone Diamante Si possono scalfire con l'unghia Si possono scalfire con l'acciaio Scalfisce l'acciaio con difficoltà Scalfiscono facilmente l'acciaio Frattura La frattura in cui i minerali si rompono lungo superfici irregolari diverse dai piani di sfaldatura, offre un altro metodo per raggruppare i minerali e identificarli. La frattura può essere concoide, cioè presentare superfici curve lisce, simili a quelle di una spessa lastra di vetro rota. Una comune superficie di aspetto simile a quello di una scheggia di legno è detta fibrosa o scheggiosa. La forma e l aspetto di molti tipi di frattura irregolare dipendono dalla particolare struttura e composizione del minerale. Il tipo è l irregolarità della frattura hanno una relazione complessa con la rottura dei legami in direzioni che attraversano i piani del cristallo. Lucentezza Il modo in cui la superficie di un minerale riflette la luce gli conferisce una lucentezza caratteristica. La qualità della lucentezza dipende dai tipi di atomi presenti e dai loro legami, che influenzano il modo in cui la luce attraversa il minerale o viene riflessa dalla sua superficie. aspetto e lucentezza poco riflettenti, lucentezza grassa-oleosa molto riflettenti, lucentezza vitrea molto riflettenti, con aspetto resinoso fortemente riflettenti, lucentezza adamantina lucenti, con aspetto metallico esempio opale, talco actinolite vesuviana indice di rifrazione 1.3-1,4 1,5-1,8 1,6-1,9 diamante, sfalerite, cassiterite 1,9-2,5 rutilo 2,5 ed oltre Colore Il colore di un minerale può essere caratteristico, ma non è un indizio molto attendibile della sua identità. Il colore può essere una proprietà del minerale puro oppure può essere dovuto ad impurità. Il colore delle sostanze pure dipende dalla presenza di certi ioni che assorbono fortemente certi colori della luce. Il colore delle sostanze impure, che molto spesso sono così piccole da essere visibili solo al microscopio, impartiscono un colore ad un minerale altrimenti incolore. 20

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