MINERALI Definizione e struttura generale Un minerale è un composto chimico solido di natura ionica, caratterizzato da una composizione chimica ben

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1 MINERALI Definizione e struttura generale Un minerale è un composto chimico solido di natura ionica, caratterizzato da una composizione chimica ben definita e da una disposizione ordinata degli atomi costituenti, detta struttura cristallina: essa si crea per bilanciare le cariche degli anioni e dei cationi. La struttura regolare visibile dei minerali, costituita dalla ripetizione della struttura cristallina, è detta invece abito cristallino o cristallo: gli abiti cristallini sono divisi in 32 differenti classi, caratterizzate da una o più forme cristalline semplici: esse possono combinarsi fra loro creando numerosi tipi di forme cristalline composte. Uno stesso minerale può presentarsi con abiti cristallini caratterizzati da forme diverse. Proprietà fisiche Durezza: resistenza ad abrasione e scalfittura, dipende dalla forza dei legami reticolari, si misura in base alla scala di Mohs (costituita da una successione di dieci minerali, ognuno dei quali viene scalfito dal successivo e scalfisce il precedente). Sfaldatura: tendenza di un minerale a rompersi per urto secondo superfici piane parallele ad una o più facce dell'abito cristallino. Lucentezza: grado in cui la luce viene riflessa dalle facce di un cristallo, può essere metallica (corpi opachi) o non metallica (corpi trasparenti). Colore: esistono minerali idiocromatici (che presentano cioè sempre lo stesso colore) e allocromatici (il cui colore dipende dalle impurità chimiche incluse nel reticolo o da suoi difetti ). Densità: rapporto fra massa e volume. Classificazione 1. Elementi nativi 2. Solfuri (caratterizzati da ioni S 2- ) 3. Ossidi e idrossidi (caratterizzati da ioni O 2-,OH - ) 4. Alogeni (caratterizzati da ioni Cl -,F -, Br -, I - ) 5. Carbonati (caratterizzati da ioni CO 2-3) 6. Solfati (caratterizzati da ioni SO 2-4) 7. Fosfati (caratterizzati da ioni PO 3-4) 8. Silicati (caratterizzati da ioni SiO 4-4) Il gruppo più diffuso è quello dei silicati: essi sono composti essenzialmente da ossigeno e silicio, ne esistono circa 500 tipi e costituiscono l'80% dei materiali della crosta terrestre. Ogni ione silicio attrae a sé 4 ioni ossigeno: ne risulta il gruppo silicato, la cui forma tridimensionale è un tetraedro. Tali tetraedri si legano fra loro attraverso un processo detto polimerizzazione. I silicati, in base alla loro struttura, si dividono a loro volta in sottoclassi: 1. Nesosilicati: costituiti da tetraedri indipendenti (es. olivina) 2. Sorosilicati: costituiti da due tetraedri, legati tramite un ossigeno-ponte 3. Ciclosilicati: costituiti da anelli formati da tre, quattro o sei tetraedri (l'ultima configurazione è la più comune ed è quella del berillo). 4. Inosilicati: sono pirosseni (costituiti da una catena singola di tetraedri) o anfiboli (catena doppia) 5. Fillosilicati: i tetraedri costituiscono dei piani esagonali sovrapposti, come delle sottili lamine (es. talco, lepidite, muscovite, granato) 6. Tettosilicati: i tetraedri costituiscono un'intelaiatura tridimensionale molto resistente (es. amazzonite). Processi di formazione Cristallizzazione per raffreddamento di materiale fuso; precipitazione da soluzione acquose calde in via di raffreddamento; sublimazione di vapori caldi; evaporazione di soluzione acquose (specialmente acque marine), attività biologiche (costruzioni di gusci e apparati scheletrici), trasformazione di minerali già esistenti allo stato solido per variazioni di temperature e/o pressione.

2 ROCCE Una roccia è un aggregato naturale di minerali diversi, compatto e con una massa individuabile e distinguibile da altre masse analoghe. Le rocce si originano da tre tipi di processi litogenetici. Il processo magmatico, costituito dalla solidificazione di materiale fuso denominato magma. Tale magma risale dagli strati più inferiori dell'interno della Terra a strati via via superiori, caratterizzati da temperature minori: tale diminuzione della temperatura comporta la progressiva solidificazione del magma. Esistono vari tipi di magma, suddivisibili in base alla loro composizione chimica e, in particolare, sulla percentuale di silice (SiO 2 ) contenuta: Magmi basici (o primari): quantità bassa di silice contenuta (inferiore al 52%), relativamente ricchi di ferro e magnesio. Si formano a livello del mantello superiore e sono composti principalmente di inosilicati e sorosilicati. Hanno una maggiore fluidità (quindi sono più effusivi) e danno origine a rocce di densità di circa 3g/cm 3 (chiamate rocce femiche). Fonde tra i 1000 e i 1200 circa. Magmi acidi (o secondari): il silice supera il 65%, tali magmi sono ricchi di silicio e alluminio. Si formano nella crosta terrestre e sono composti principalmente da tettosilicati, fillosilicati e allumino-silicati. Hanno una minore fluidità (sono perlopiù intrusivi) e danno origine a rocce di densità di circa 2,7g/cm 3 (chiamate rocche sialiche). Fonde tra i 600 e i 700 circa. Esistono poi magmi neutri (con caratteristiche intermedie fra quelli acidi e quelli basici) e magmi ultrabasici (ancora più poveri di silice, costituiscono rocce molto dense e formate essenzialmente da silicati combinati a ferro e magnesio). A seconda della diversa modalità di solidificazione, le rocce magmatiche (o ignee) si dividono in: Rocce effusive (o vulcaniche): il magma risale fino in superficie (e una volta lì, prende il nome di lava) e si raffredda velocemente, passando da temperature di 1000 e pressioni di diverse migliaia di atmosfere a quelle ordinarie della superficie terrestre. Vi sono perciò pochissimi fenocristalli (cristalli costitutivi della struttura delle rocce) visibili ad occhio nudo, o sono tutti minuscoli e visibili solo al microscopio, o la roccia è addirittura costituita in parte da una massa omogenea vetrosa (e quindi amorfa, ossia priva di struttura cristallina). Rocce intrusive (o plutoniche): il raffreddamento avviene all'interno della crosta terrestre e quindi in tempi molto lunghi. La roccia è quindi formata da fenocristalli di grandi dimensioni, visibili generalmente a occhio nudo. Tali rocce vengono alla luce mediante i corrugamenti della crosta terrestre e l'erosione superficiale. I corpi plutonici più grandi sono detti batoliti (es. il Monte Rosa). A seconda della loro composizione chimica (e quindi, essenzialmente, dal tipo di magma da cui si originano) le rocce si dividono in: famiglia dei graniti, che derivano dai magmi acidi e sono perciò ricche di quarzo (il minerale che si forma dalla cristallizzazione della silice libera) famiglia delle doriti, che derivano dai magmi neutri, costituite da una miscela equilibrata di composti sialici e femici famiglia dei gabbri, che derivano dai magmi basici, quali i basalti (costituenti essenziali della crosta oceanica) famiglia dei peridotiti, che derìivano dai magmi ultrabasici, che costituiscono essenzialmente la parte superiore del mantello famiglia delle rocce alcaline, costituiti da particolari magmi ricchi di sodio e potassio. Il processo sedimentario, costituito da degenerazione fisico-chimica, trasporto, deposizione, compattazione e cementazione (che insieme costituiscono la fase di diagenesi)

3 di altre rocce. Tale processo, che ha luogo sulla superficie terrestre o a modeste profondità, avviene a basse temperature (tra i 0 e i 150 ) e a bassa pressione. Le rocce sedimentarie sono solitamente stratificate e possono contenere fossili. Il processo metamorfico è costituito da trasformazione di rocce preesistenti che sono state trasportate (spesso per trasformazioni geologiche ed urti fra le placche litosferiche: metamorfismo regionale) in condizioni ambientali diverse da quelle d'origine. Tale processo avviene all'interno della crosta terrestre, a temperature comprese fra i 300 e i 700 circa. I diversi processi litogenetici sono legati fra loro e costituiscono il ciclo litogenetico: i materiali della litosfera vengono continuamente riciclati e le rocce derivano quindi le une dalle altre (le uniche che possono considerarsi primarie sono quelle magmatiche). L'età delle rocce è molto variabile e va dai 3 miliardi di anni in alcune zone continentali ai 180 milioni di anni nei fondali oceanici.

4 VULCANISMO Il processo magmatico si divide in attività intrusiva ed in attività effusiva: quest'ultima è rappresentata dal vulcanismo. Elemento in comune di tutte le manifestazioni del vulcanesimo è la risalita di materiali rocciosi allo stato fuso, denominati magmi, dall'interno della Terra (tra la crosta terrestre e la parte superiore del mantello, detto mantello litosferico, ossia all'interno della litosfera). Tali magmi si originano quando, in determinate regioni della litosfera, vi è un locale aumento della temperatura (spesso dovuto alle attività di materiali giacenti ancor più in profondità) o vi arrivano delle sostanze fluide che abbassano il punto di fusione delle rocce. I materiali fusi, meno densi del materiale solido circostante, tendono a salire verso l'alto, attraverso ogni fessura fra le rocce solide, che la spinta del magma tende ad allargare. Tipologie di edifici vulcanici Si parla di magma riferendosi al materiale fuso che si trova all'interno della crosta terrestre, mentre quando questo materiale fuoriesce, perdendo gran parte dei gas e dei vapori che conteneva, si parla di lava. Mentre la parte aeriforme va ad arricchire l'atmosfera, i prodotti solidi si accumulano costruendo l'edificio vulcanico. L'edificio vulcanico è collegato alla camera magmatica (un luogo posto a profondità variabile fra i 2 e i 10 km dove il magma tende a ristagnare per periodi più o meno lunghi durante la sua risalita) dal condotto vulcanico. A seconda della forma dell'apparato vulcanico distinguiamo: vulcani fissurali (o lineari): il materiale fuso fuoriesce lungo spaccature che penetrano in profondità all'interno della Terra; vulcani centrali, che si dividono a loro volta in vulcani a scudo: alimentati da un magma prevalentemente basico (e quindi più fluido) e caratterizzati da attività di tipo prevalentemente effusivo, hanno una forma appiattita; stratovulcani: alimentati da magmi medio-basici o acidi, hanno un'attività esplosiva significativa; il loro apparato, di forma conica, è costituito da messe in posa alternativamente di lave o di piroclastiti che formano i vari strati. Tipologie di eruzioni I fattori che influenzano più direttamente il tipo di eruzione sono la viscosità del magma in risalita ed il contenuto di aeriformi (soprattutto di vapore acqueo). Attività effusiva dominante (magma fluido e contenuto in acqua variabile) Eruzioni di tipo hawaiiano Caratterizzate da abbondanti effusioni di lave molto fluide, che danno origine alla formazione di edifici vulcanici a scudo, la cui sommità è occupata da un'ampia depressione denominata caldera, delimitata da ripide pareti e formatasi dal crollo del tetto della camera magmatica. Non sono riconducibili a movimenti delle placche, bensì a delle risalite di magmi dai pennacchi caldi fino ai punti caldi (detti hot spot). Sebbene dalle lave fluide i gas si liberino molto tranquillamente, talvolta possono comunque trascinarsi getti di lava: ciò provoca la formazione delle fontane di lava, che possono innalzarsi anche per più di 100m. Il volume del materiale fuso emesso da questo genere di eruzione è enorme: fino a 2 milioni di m 3 all'ora di lava. Eruzioni di tipo islandese Simili alle eruzioni di tipo hawaiiano, ma tipiche però dei vulcani fissurali (presenti perlopiù in Islanda e lungo le dorsali medio-oceaniche). Le colate sono alimentate da magmi basici o ultrabasici (quindi molto fluidi) e portano alla formazione di altopiani (o plateaux) basaltici, estesi anche centinaia di migliaia di km 2. Al termine di un'eruzione fissurale (o lineare), la fessura eruttiva può sparire perché ricoperta dalla lava fuoriuscita e solidificata, fino a che non riappare alla successiva eruzione. Attività effusiva prevalente (magma abbastanza fluido) Eruzioni di tipo stromboliano Alimentate da magmi intermedi: la lava, abbastanza fluida, ristagna periodicamente nel cratere,

5 dove inizia a solidificare formando una crosta solida. Al di sotto di questa crosta si accumulano i gas che continuano a liberarsi dal magma: in breve tempo la pressione di questi gas aumenta tanto da far saltare la crosta solida. Inizia quindi un'attività duratura caratterizzata dalla emissione a intervalli regolari di fontane di lava e brandelli di lava che raggiungono centinaia di metri di altezza e dal lancio di lapilli e bombe vulcaniche. La ricaduta di questi prodotti crea coni di scorie dai fianchi abbastanza ripidi. Tale attività si esaurisce con l'esaurirsi della spinta dei gas: a questo punto la lava torna a ristagnare sul fondo del cratere e si forma una nuova crosta solida, fino al ripetersi del fenomeno. Attività mista (effusiva esplosiva) (magma viscoso e presenza importante di gas) Eruzioni di tipo vulcanico Il meccanismo è simile alle eruzioni di tipo stromboliano, ma poiché la lava è più viscosa i gas si liberano con più difficoltà e in tempi più lunghi (l'attività perciò non è continuata come nel caso del tipo stromboliano), generando esplosioni molto più violente nel corso delle quali vengono emesse bombe di lava e nuvole di gas cariche di ceneri. Le esplosioni possono produrre fratture, la rottura del cratere e l'apertura di bocche laterali. Eruzioni di tipo vesuviano (o sub-pliniana) È simile al tipo vulcaniano ma con la differenza che l'esplosione iniziale è tremendamente violenta tanto da svuotare gran parte della camera magmatica. Il magma allora risale dalle zone profonde ad alte velocità fino ad uscire dal cratere e dissolversi in una nuvola di minuscole goccioline. Eruzioni di tipo pliniano Prodotte da magma molto viscoso, tali eruzioni sono caratterizzate dalla formazione frequente di nubi (gas e lava polverizzata) che all'inizio dell'eruzione fuoriescono dal condotto formando una colonna alta vari km e poi si disperdono assumendo la caratteristica forma che ricorda il pino marittimo. Dalla nube ricadono grandi quantità di frammenti solidi. Sono eruzioni molto pericolose che si concludono generalmente con il collasso parziale o totale dell'edificio vulcanico o con la fuoriuscita di un tappo di lava. Eruzioni di tipo peléeano Variante del tipo pliniano: il corpo principale della nube ardente, invece di andare verso l'alto, si muove lateralmente, smembrando parte dell'edificio vulcanico. Tale nube, molto densa e rovente, scende come una valanga lungo le pendici del vulcano espandendosi su aree piuttosto vaste a grande velocità. Attività solo esplosiva (interazione tra magma e acqua) Vulcanismo idromagmatico Fenomeni provocati dall'interazione, che avviene a modeste profondità, fra il magma e l'acqua che permea le rocce (ossia l'acqua contenuta nelle cosiddette falde acquifere). L'acqua passa bruscamente allo stato di vapore, generando enormi pressioni che fanno saltare le rocce circostanti: si forma un condotto dal quale fuoriesce una colonna di vapore che porta con sé frammenti di rocce e di lava. I prodotti dell'attività vulcanica Materiali aeriformi I materiali aeriformi più abbondanti nelle varie eruzioni sono il vapore acqueo, l'anidride carbonica, i composti dello zolfo, dell'azoto, del cloro e del fluoro. I materiali aeriformi liberati dall'attività vulcanica hanno contribuito a formare gran parte dell'atmosfera e fungono da innesco delle eruzioni magmatiche. Materiali solidi I materiali solidi vanno a costruire gli edifici vulcanici sono le rocce effusive originatesi dal raffreddamento delle colate laviche e le piroclastiti, formatesi dall'accumulo di frammenti solidi di varia natura espulsi durante le fasi esplosive di un'eruzione. Fenomeni legati all'attività vulcanica Lahar: sono colate di fango costituite dai detriti piroclastici incoerenti (formati cioé da granuli non attaccati fra loro) che assorbono acqua fino a diventare saturi e instabili e

6 incanalarsi lungo le valli, scendendo violentemente per parecchi chilometri. Quando la colata si arresta, il fango indurisce velocemente trasformandosi in roccia e imprigionando ciò che aveva travolto. Manifestazioni tardive: sono fenomeni legati alla risalita, che dura fino a molto tempo dopo il cessare dell'emissione di lava, di gas e acque termo-minerali. Queste manifestazioni sono i gayser, ossia colonne d'acqua molto calda emessa a intervalli quasi regolari da una cavità aperta in superficie (abbondanti in Islanda e Nord America), le fumarole, emissioni di gas e vapori caldi, e le moféte, emissioni di acqua e anidride carbonica. Vulcanismo effusivo ed esplosivo: caratteristiche e distribuzione geografica Vulcanismo effusivo delle dorsali oceaniche La più importante manifestazione del vulcanismo effusivo sulla Terra è legato alle dorsali oceaniche, profonde fessure sottomarine che tagliano l'intera crosta oceanica: esse sono profonde dai 2000 ai 3000 metri e formano una fascia larga un migliaio di chilometri e lunga oltre chilometri. Si tratta di eruzioni di tipo lineare che avvengono sul fondo del mare. Vulcanismo effusivo dei punti caldi Altro importante esempio di vulcanismo effusivo è quello legato all'attività dei punti caldi (ad esempio l'attività dei vulcani a scudo hawaiiani): essi sono zone ristrette della superficie terrestre, dal diametro variabile fra i 100 e i 200 km, caratterizzate da attività vulcanica persistente da milioni di anni. Difatti sotto i punti caldi si ha una continua fusione di materiale, in quanto la lava che trabocca in superficie viene subito rimpiazzata dalla risalita di pennacchi di magmi provenienti da zone piuttosto profonde del mantello. Vulcanismo esplosivo Ogni tipo di attività vulcanica esplosiva è caratterizzata dalla formazione di una nube ardente di gas, vapori e frammenti solidi (frammenti di rocce e lava polverizzata) ad alta temperatura (oltre i 300 ). Essa prima sale in verticale ad alta velocità (dai 100 ai 400 km/h), poi ricade scorrendo velocemente lungo le pendici dell'edificio vulcanico, formando estese colate piroclastiche che poi si arrestano originando cumuli di piroclastiti. La differenza fondamentale fra i due tipi di attività vulcanica risulta essere questa: il vulcanismo esplosivo porta principalmente all'accumulo di piroclastiti, mentre quello effusivo porta fondamentalmente all'accumulo di lave. Distribuzione geografica dei vulcani I vulcani, in base alla loro posizione geografica, possono essere divisi in tre categorie: Edifici lineari lungo le dorsali oceaniche Materiali solidi ma molto caldi risalgono da settori anche molto profondi del mantello, fondendo in prossimità delle croste oceaniche e generando l'effusione di gigantesche quantità di lave basaltiche attraverso fessure che si aprono lungo le sommità delle dorsali oceaniche. Edifici centrali lungo i margini dei continenti (o lungo catene di isole) I grandi vulcani ad edificio centrali si sono sviluppati perlopiù lungo i margini continentali o lungo catene di isole a ridosso di strette e lunghe depressioni dei fondali oceanici note come fosse abissali. La maggior parte di essi si trova lungo il margine dell'oceano Pacifico (costituendo la cosiddetta cintura di fuoco ). In questo tipo di vulcanismo, i magmi risalgono da profondità minori, ma interagiscono con i materiali della crosta, arricchendosi di aeriformi e eruttando in superficie mediante violenti esplosioni. Vulcanismo in centri isolati (punti caldi) I punti caldi sono distribuiti in modo apparentemente casuale in piena area oceanica o all'interno di un continente: in essi materiale molto caldo risale da grandissime profondità (si pensa perfino dalla base del mantello, a 2900 km di profondità) alimentando effusioni per milioni di anni.