I MATERIALI DELLA LITOSFERA: I MINERALI E LE ROCCE

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1 I MATERIALI DELLA LITOSFERA: I MINERALI E LE ROCCE Dagli atomi alle rocce I materiali di cui è fatta la crosta terrestre si sono formati a partire dai differenti tipi di atomi, circa una novantina, ricevuti in dotazione dalla Terra al momento della sua formazione. Dalle svariate combinazioni di queste unità costitutive di base derivano le sostanze, tipi di materia che ATOMI presentano determinate caratteristiche fisiche e una precisa composizione chimica. Una sostanza formata da atomi dello SOSTANZE stesso tipo è un elemento chimico: per esempio, l ossigeno (O), il ferro (Fe), lo ELEMENTI COMPOSTI zolfo (S). Una sostanza formata da due o più atomi differenti è un composto: per esempio l acqua, H 2 O, è formata da due atomi di idrogeno (H) e uno di ossigeno, il quarzo o MINERALI diossido di silicio, SiO 2, è formato da un atomo di silicio (Si) e due atomi di ossigeno. ROCCE Elementi e composti sono i costituenti della parte superficiale solida della Terra, ove sono presenti come minerali di aspetto generalmente cristallino, che si aggregano formando le rocce. Raramente gli elementi chimici si presentano in forma pura, cioè come elementi nativi: è il caso dell argento, dell oro, del platino, del rame, dello zolfo e del carbonio (in forma di diamante e grafite). Nella maggior parte dei casi gli elementi sono combinati tra loro in composti. Dall analisi chimica delle rocce si è scoperto che l elemento più abbondante nella crosta terrestre è l ossigeno, l elemento più abbondante anche nel corpo umano; seguono nell ordine: silicio, alluminio, ferro, calcio, sodio, potassio e magnesio. Nel loro insieme, questi otto elementi costituiscono circa il 98% della crosta terrestre. Calcio (Ca) 3,50% Sodio (Na) 2,80% Magnesio (Mg) 2,10% Potassio (K) 2,50% Alluminio (Al) 8% Distribuzione elementi della crosta terrestre Ferro (Fe) 5% Silicio (Si) 27,50% Altri 2,10% Ossigeno (O) 46,50% Ossigeno (O) Silicio (Si) Alluminio (Al) Potassio (K) Magnesio (Mg) Sodio (Na) Calcio (Ca) Ferro (Fe) Altri 1

2 I minerali Solidi cristallini e solidi amorfi I minerali,, del cui studio si occupa la mineralogia,, sono sostanze solide caratterizzate da una composizione chimica definita e costante,, e che in genere hanno forma di cristalli (o come si dice hanno un abito cristallino): sono perciò definiti solidi cristallini. I cristalli possiedono un aspetto esterno geometrico ben definito che corrisponde idealmente a quello di un poliedro (cubo, romboedro, ottaedro ecc.). Questo perché i costituenti di un cristallo (atomi, ioni o molecole), all atto della formazione, si dispongono in una struttura ordinata, il reticolo cristallino,, che si può pensare come il risultato della ripetizione periodica nello spazio di una unità chiamata cella elementare. Di seguito è riportata la struttura cristallina del salgemma,, costituito da cloruro di sodio proveniente da depositi minerari; possiamo osservare cristalli simili a quelli della figura 1.a esaminando con una lente del comune sale grosso da cucina. La struttura cristallina è tipica di ogni minerale e può essere utilizzata per la sua identificazione. Figura 1.a Figura 1.b Figura 1.c Figura 1.a: cristalli di salgemma (cloruro di sodio, NaCl) Figura 1.b-1.c: due rappresentazioni della sua struttura cristallina: gli atomi di cloro e di sodio sono in realtà presenti come ioni Na + e Cl -. 2

3 Nella figura seguente sono presentati alcuni minerali in cui è ben evidente la forma geometrica dei rispettivi cristalli. Pirite (solfuro di ferro) Quarzo (diossido di silicio) Berillo (silicato di alluminio e berillio) Wulfenite (molibdato di piombo) Alcuni elementi, a seconda delle condizioni in cui si formano, possono presentare più di una struttura cristallina. Per esempio, la grafite presente nel carbone fossile e il diamante, sono entrambi minerali formati esclusivamente da carbonio, ma la loro struttura cristallina è molto diversa, perché è diversa la disposizione spaziale dei loro atomi: questo spiega anche perché il diamante è durissimo e trasparente, mentre la grafite, usata per esempio nelle mine delle matite, è tenera e assolutamente opaca alla luce. I cristalli dalle forme perfette sono comunque rari: occorre infatti che il loro processo di formazione si svolga in condizioni di temperatura e pressione costanti e per un periodo di tempo sufficientemente lungo; soltanto in questo modo il loro aspetto finale potrà riflettere l ordinata geometria dei loro reticoli cristallini. Nella maggior parte dei casi, però, un cristallo cresce in una situazione disturbata, e il suo aspetto finale sarà imperfetto. Spesso, inoltre, i cristalli rimangono di dimensioni microscopiche. Non tutti i minerali sono cristallini. Talvolta le condizioni ambientali o la scarsità di tempo disponibile impediscono che gli atomi possano disporsi nella corretta posizione in un reticolo cristallino: in questi casi si forma un solido amorfo, nel quale le particelle costituenti sono disposte in modo disordinato e casuale; ne sono esempi il vetro e le sostanze vetrose minerali come l ossidiana. 3

4 Come si formano i minerali I minerali si formano spesso per raffreddamento e solidificazione di masse fuse che costituiscono il magma, il materiale che proviene dall interno della Terra. Talvolta il magma risale nei condotti dei vulcani e viene eruttato come lava; in altri casi rimane intrappolato al di sotto della superficie e si raffredda lentamente: è in queste condizioni che gli atomi degli elementi chimici hanno modo di aggregarsi in strutture cristalline. In altri casi i minerali si formano per precipitazione dei sali disciolti, ad esempio nelle acque marine e lacustri, in seguito all evaporazione dell acqua per opera del riscaldamento solare: in questa circostanza la concentrazione dei sali aumenta fino a superare il limite della quantità di sali che possono rimanere in soluzione. La quantità in eccesso allora si deposita in forma di solidi cristallini, come avviene per il gesso e il salgemma; avrete forse anche voi osservato nelle pozze d acqua sulle scogliere la presenza di cristalli di sale. Certi minerali, infine, hanno un origine idrotermale, in quanti si formano per precipitazione a partire da acque calde sotterranee ricche di sali in soluzione che invadono fessure e cavità delle rocce. Le proprietà fisiche dei minerali I minerali possiedono una serie di proprietà fisiche che possono fornire utili indicazioni per il loro riconoscimento; di seguito accenniamo ad alcune tra le più importanti. Peso specifico. È una delle principali proprietà per il riconoscimento dei minerali, misurata confrontando il peso del minerale con quello di un uguale volume di acqua. Quasi tutti i minerali hanno un peso specifico maggiore dell acqua. Minerali come il quarzo e la calcite hanno peso specifico uguale circa a 3. I minerali ricchi in elementi metallici pesanti hanno peso specifico uguale o superiore a 5; per esempio, la galena, contiene, piombo, ha peso specifico superiore a 7, l oro maggiore di 19. Durezza. Rappresenta la resistenza di un minerale a essere scalfito e dipende dalla forza dei legami chimici tra le sue particelle. Alcuni minerali possono essere scalfiti con la punta di un unghia, altri con la punta di un coltello di acciaio, altri ancora non si riescono a scalfire né con l una né con l altra. Tenendo conto di questo comportamento, è stata approntata una scala empirica della durezza, detta scala di Mohs, che permette di determinare per semplice confronto la durezza dei minerali. La scala di Mohs è composta da 10 minerali scelti come indici, disposti in ordine crescente di durezza: il primo, quello più tenero, è il talco, l ultimo è il diamante, il minerale più duro esistente in natura. La scala della durezza di Mohs DUREZZA MINERALI INDICI CARATTERISTICHE 1 talco si scalfiscono facilmente 2 gesso con l unghia 3 calcite si scalfiscono facilmente 4 fluorite con una punta d acciaio 5 apatite 6 ortoclasio 7 quarzo 8 topazio 9 corindone 10 diamante non si scalfiscono con una punta d acciaio Ogni minerale considerato nella scala scalfisce i precedenti e viene scalfito dai successivi. La durezza di un minerale può essere stabilita verificando per prima cosa se si riesce a scalfirlo con l unghia o con un coltello di acciaio e quindi provando a scalfirlo con i minerali della scala che hanno un comportamento simile: per esempio, se un minerale viene scalfito dal quarzo, ma non dall ortoclasio si può concludere che durezza tra 6 e 7. 4

5 Sfaldatura. È la tendenza di un minerale a rompersi secondo piani paralleli; è dovuta al fatto che nel cristallo esistono superfici o direzioni dove i legami sono più deboli, e offrono minore resistenza. La muscovite, un silicato che è una varietà di mica, si sfalda per esempio in sottili lamine parallele. La sfaldatura è la proprietà che consente ai tagliatori di pietre preziose di ottenere forme perfette dalle pietre grezze. Proprietà magnetiche. Alcuni minerali tra cui quelli di ferro, cromo, platino e manganese sono attratti da una calamita (sono detti minerali paramagnetici), ma non sono in grado di attrarre pezzi di ferro. Questa proprietà è posseduta solo dai minerali detti ferromagnetici, tra cui la magnetite, un ossido di ferro, che sono calamite naturali. La classificazione dei minerali In base alla loro composizione chimica, i minerali sono riuniti in alcuni gruppi. Il gruppo di gran lunga più importante è quello dei silicati, che da soli rappresentano Principali gruppi di minerali in circa il 90% in volume della crosta terrestre: tra questi base alla composizione predominano nettamente i feldspati, ai quali appartiene per chimica esempio l ortoclasio. ELEMENTI NATIVI Degli oltre 4000 minerali che sono stati identificati i più diffusi SOLFURI sono appena una trentina e corrispondono a quelli che compaiono più frequentemente nelle rocce. CLORURI OSSIDI CARBONATI SOLFATI SILICATI I minerali, insieme alle rocce, rappresentano le risorse geominerarie del pianeta, su cui si basa gran parte dell economia mondiale. 5

6 I principali gruppi di minerali ELEMENTI NATIVI Sono formati da atomi di un solo elemento chimico. Comprendono metalli come l oro, l argento, il platino, il rame e non metalli come lo zolfo, il carbonio che, come abbiamo visto, si presenta in forma di diamante e grafite. SOLFURI Sono Sali che contengono zolfo combinato con un metallo. Hanno grande importanza economica perché sono minerali da cui si estraggono molti metalli quali il piombo (dalla galena o solfuro di piomsbo, PbS), lo zinco (dalla blenda o solfuro di zinco, ZnS), il ferro (dalla pirite o disolfuro di ferro, FeS 2 ), il mercurio (dal cinabro o solfuro di mercurio, MgS). CLORURI Sono Sali formati da cloro combinato con un elemento metallico. Il più noto è il salgemma costituito da cloruro di sodio (NaCl); un altro importante cloruro è la silvite o cloruro di potassio (KCl). OSSIDI Contengono ossigeno combinato con elementi metallici. Comprendono il quarzo o biossido di silicio (SiO2), uno dei minerali più diffusi, l ematite, importante per l estrazione del ferro, la cassiterite (SnO2), da cui si ricava lo stagno, la bauxite che è un ossido idrato di alluminio, fondamentale per l estrazione di questo metallo. CARBONATI Sono Sali dell acido carbonico; contengono carbonio e ossigeno che formano un gruppo, carbonato, che si unisce a elementi metallici. I carbonati comprendono numerosi minerali come la calcite, formata da carbonato di calcio (CaCO 3 ), costituente delle rocce calcaree, e la dolomite, carbonato di calcio e magnesio, costituente delle rocce dolomitiche. SOLFATI Sono Sali dell acido solforico contenenti zolfo e ossigeno, che formano un gruppo, solfato, che si unisce a elementi metallici. Il più noto è il gesso, solfato di calcio biidrato, cioè contenente due molecole di acqua (CaSo 4 2H 2 O). SILICATI Sono Sali dell acido silicico, contenenti silicio, ossigeno e uno o più elementi metallici differenti. Comprendono minerali come i pirosseni, gli anfiboli, le miche e i feldspati. Le rocce: aspetti generali Le rocce sono i materiali di base della crosta terrestre e della litosfera nel suo complesso, formate da minerali in genere aggregati tra loro in miscugli. Campioni di rocce li abbiamo quotidianamente sotto gli occhi: dai comuni sassi, che sono frammenti arrotondati dal lavoro dei fiumi e del mare, alle pietre da costruzione, come i marmi usati per fare colonne, pavimenti, rivestimenti di edifici, statue. Anche il cemento e i mattoni che servono a costruire le nostre case vengono ricavati da rocce. Le rocce, che hanno in comune l origine e la collocazione nella litosfera, possono disporsi in formazioni più o meno estese, dai vasti altipiani alle imponenti catene montuose che formano l ossatura del paesaggio delle terre emerse. I materiali solidi della Terra si organizzano perciò in vari livelli, che iniziano dagli atomi degli elementi e proseguono nelle ordinate impalcature cristalline dei minerali, quindi nelle rocce e infine nelle grandi formazioni rocciose della crosta terrestre. Le caratteristiche essenziali delle rocce Le rocce sono in genere miscugli eterogenei di minerali diversi, di norma tre o quattro; solo in certi casi le rocce sono formate da un unico tipo di minerale. In alcune rocce possono essere presenti resti fossili di organismi viventi. Le due principali caratteristiche di una roccia che permettono di dedurne le modalità di formazione sono la composizione mineralogica e la struttura. 6

7 La composizione mineralogica di una roccia è determinata dal tipo e dalle proporzioni relative dei minerali che la compongono. Sono detti minerali fondamentali quelli che costituiscono la parte prevalente della roccia e che sono utili per la sua identificazione, minerali accessori, quelli che sono presenti in quantità relativamente modeste. In una roccia come il granito, per esempio, i minerali fondamentali sono tre: quarzo, feldspato e mica. La struttura di una roccia è data dall insieme della forma, delle dimensioni e della disposizione dei minerali che la costituiscono e viene studiata con appositi microscopi. I tipi di rocce Sulla base del processo che ha portato alla loro formazione, le rocce sono classificate in tre gruppi: Le rocce magmatiche o ignee; derivano dalla solidificazione del magma, una massa fusa ad altissima temperatura e contenente gas, che proviene da regioni profonde della Terra (65%); Le rocce sedimentarie; si originano in seguito al deposito e all accumulo di materiali di composizione e natura diverse, come per esempio i detriti provenienti dalla disgregazione di altre rocce (8%); Le rocce metamorfiche; derivano dalla trasformazione di rocce precedentemente formate per l azione di elevate temperature e pressioni (27%). Le rocce magmatiche sono di gran lunga le più abbondanti nella crosta terrestre, seguite dalle rocce metamorfiche e da quelle sedimentarie. RISPONDI ALLE SEGUENTI DOMANDE SUL TUO QUADERNO 1. Quali sono i cinque elementi più abbondanti della crosta terrestre? 2. Qual è la loro percentuale in peso complessivo nella crosta terrestre? 3. Come si può definire un minerale? 4. Qual è la caratteristica dei cristalli e a che cosa è dovuta? 5. Che cos è un solido amorfo? 6. In che modo si formano principalmente i minerali? 7. In base a quale criterio possono essere classificati i minerali? 8. Che cosa sono gli elementi nativi? 9. A quale gruppo appartiene il salgemma? 10. Come si può definire una roccia? 11. Quali sono le due principali caratteristiche di una roccia? 12. Che cosa si intende per struttura di una roccia? 13. Come si classificano da un punto di vista generale le rocce? 7

8 VERIFICA DELLE CONOSCENZE 1. Scegli il completamento corretto. a. È l elemento che costituisce oltre il 40% della crosta terrestre Alluminio Silicio Ossigeno Azoto b. Non è un elemento nativo Zolfo Diossido di silicio Grafite Diamante c. La bauxite è il principale minerale da cui si estrae Rame Stagno Ferro Alluminio d. Il minerale calcite fa parte del gruppo Dei solfati Degli ossidi Dei carbonati Dei silicati e. Una roccia È un composto chimico È un miscuglio di minerali Ha una composizione chimica definita È un materiale solido omogeneo f. Rispetto a tutte le rocce della crosta terrestre, la percentuale in volume delle rocce magmatiche è di circa il: 50% 65% 55% 40% 2. Scrivi il termine corretto che corrisponde alle seguenti definizioni. a. Solido in genere cristallino con composizione chimica ben definita... b. Solido che non possiede struttura cristallina... c. Struttura spaziale ordinata in cui si dispongono le particelle componenti di un cristallo... d. Resistenza che un materiale oppone quando viene scalfito... e. Capacità di un minerale di rompersi secondo determinati piani... f. Costituiscono nel loro insieme il più importante gruppo di minerali... g. Rocce che si formano per accumulo di detriti provenienti dalla disgregazione di altre rocce... h. Rocce che derivano dalla trasformazione di rocce preesistenti Indica i due completamenti corretti. a. La scala di Mohs Considera il talco come il minerale più tenero Fa riferimento a 8 differenti minerali Considera il topazio come il minerale più duro Fa riferimento a 10 minerali differenti b. Il corindone Scalfisce il diamante Ha durezza 9 nella scala di Mohs È scalfito dal diamante È scalfito dal gesso c. Caratteristiche fondamentali delle rocce sono: La struttura Il numero di minerali costituenti La composizione mineralogica La composizione chimica d. Le rocce sono solitamente costituite da: Due minerali Più di due minerali associati in proporzioni non definite Più di due minerali associati in proporzioni definite Meno di cinque minerali 8

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