Carlo Quaglierini Luca Amorosi. Chimica e tecnologia dei materiali per l arte. Seconda edizione I materiali da formare, i leganti e i metalli SCIENZE

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2 Carlo Quaglierini Luca Amorosi Chimica e tecnologia dei materiali per l arte Seconda edizione I materiali da formare, i leganti e i metalli

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4 Carlo Quaglierini Luca Amorosi Chimica e tecnologia dei materiali per l arte Seconda edizione I materiali da formare, i leganti e i metalli SCIENZE

5 IV Sommario Capitolo 4 Rocce e argille 4.1 Il formalismo di Berzelius Le rocce 54 Una prima classificazione delle rocce Proprietà delle rocce 57 Giacitura 57 Composizione mineralogica 57 Struttura 58 Tessitura 58 Colore 58 Durezza 59 Peso specifico 59 Compattezza e porosità 59 Resistenza meccanica 60 Permeabilità 60 Gelività Rocce magmatiche: formazione e struttura 60 Rocce magmatiche a struttura granitoide 60 Rocce magmatiche a struttura porfirica 60 Rocce magmatiche a struttura vetrosa o ialina Rocce magmatiche effusive 62 Ossidiana o vetro vulcanico o ialite 62 Pomici 62 Porfido 62 Trachite 63 Basalto Rocce magmatiche intrusive 64 Granito 64 Sienite 64 Diorite 65 Gabbro 65 Peridotite Rocce sedimentarie: formazione 65 Degradazione 66 Trasporto 67 Deposizione 67 Diagenesi o litificazione Rocce sedimentarie clastiche o detritiche 68 Ghiaie 69 Sabbie 69 Silts e siltiti 69 Argille e argilliti 69 Conglomerati 69 Arenarie Rocce piroclastiche 71 Brecce piroclastiche 71 Tufi 71 Pozzolane Rocce sedimentarie chimiche 72 Rocce calcaree 72 Rocce silicee 74 Rocce saline o evaporitiche 75 Rocce residuali Rocce sedimentarie organogene 76 Rocce organogene calcaree 76 Rocce organogene silicee Rocce metamorfiche 76 Marmi 77 Serpentini 78 Diabasi 78 Gneiss 78 Filladi Argille 79 Esercizi 82 Capitolo 5 I materiali leganti inorganici 5.1 Generalità La calce aerea La malta aerea Il gesso 87 Prodotti derivati dal gesso Cemento Sorel Calce idraulica Cemento Portland 92 Ciclo produttivo del cemento Portland 93 Costituzione e proprietà del clinker 96 Determinazione delle proprietà del cemento 97 Presa e indurimento del cemento Portland 97 Fattori che influenzano l idratazione 99 Tipi di cemento Portland Cemento pozzolanico Cemento d altoforno Cemento alluminoso o cemento fuso Altri tipi di cemento 102 Cemento a pronta presa 102 Cemento ferrico o a basso calore 102 Cemento bianco 102 Esercizi 103 Capitolo 6 Terracotte e ceramiche 6.1 Le materie prime Il ciclo produttivo Trasformazioni chimico-fisiche dei prodotti ceramici Tipi di ceramiche 112 Le ceramiche a pasta porosa 112

6 Sommario V Le ceramiche a pasta compatta 115 Le ceramiche speciali Gli smalti ceramici I colori ceramici 121 Esercizi 123 Capitolo 7 Vetro 7.1 Generalità 125 Comportamento al calore 126 Deformabilità 126 Isotropia 127 Devetrificazione Proprietà del vetro Materie prime del vetro 128 Vetrificanti 128 Fondenti 129 Stabilizzanti 130 Affinanti 130 Decoloranti 130 Coloranti 131 Opacizzanti Ciclo produttivo del vetro 132 Soffiatura automatica 133 Stampaggio 134 Estrusione 134 Laminazione Tipi di vetro 134 Vetri comuni 134 Cristalli di Boemia 134 Mezzo cristallo 135 Cristallo inglese o cristallo di rocca 135 Vetro da ottica 135 Vetri a trasmissione variabile 135 Vetro resistente al calore 135 Vetri di sicurezza 136 Vetri armati o infrangibili 136 Specchi 136 Esercizi 137 Capitolo 8 Metalli e leghe 8.1 Generalità Il legame metallico e la struttura cristallina Le leghe Estrazione dei metalli Rame 145 Caratteristiche del rame 145 Tecniche di estrazione del rame 146 Utilizzi del rame 148 Leghe di rame: bronzi 149 Leghe di rame: ottoni Argento 151 Caratteristiche dell argento 151 Tecniche di estrazione dell argento 151 Utilizzi dell argento Alluminio 153 Caratteristiche dell alluminio 153 Produzione dell alluminio 154 Utilizzi dell alluminio Ferro: ghisa e acciaio 156 Caratteristiche del ferro 156 Tecniche di estrazione del ferro 157 Ghisa 158 Impieghi delle ghise 159 Acciai 160 Utilizzi degli acciai Oro 163 Caratteristiche dell oro 164 Tecniche di estrazione dell oro 164 Utilizzi dell oro Platino 167 Caratteristiche del platino 167 Tecniche di estrazione del platino 168 Utilizzi del platino Gli smalti per metallo 169 Scheda 2 Il restauro dei manufatti in materiale metallico 171 Esercizi 172 Capitolo 9 Legno 9.1 Generalità Proprietà del legno 176 Umidità del legno 176 Proprietà meccaniche 177 Peso specifico 177 Durabilità Stagionatura del legno Difetti e malattie del legno Tipi più comuni di legname 181 Scheda 3 Il restauro dei manufatti lignei 184 Esercizi 186

7 53 Rocce e argille capitolo Il formalismo di Berzelius 4.2 Le rocce 4.3 Proprietà delle rocce 4.4 Rocce magmatiche: formazione e struttura 4.5 Rocce magmatiche effusive 4.6 Rocce magmatiche intrusive 4.7 Rocce sedimentarie: formazione 4.8 Rocce sedimentarie clastiche o detritiche 4.9 Rocce piroclastiche 4.10 Rocce sedimentarie chimiche 4.11 Rocce sedimentarie organogene 4.12 Rocce metamorfiche 4.13 Argille 4.1 Il formalismo di Berzelius Prima di occuparci di rocce, leganti, ceramiche e vetri, è utile ricordare le formule dualistiche che Berzelius mise a punto intorno al 1820, semplificandone la scrittura. Secondo Berzelius tutti i composti ternari si possono scrivere come il prodotto di due composti semplici: così, l idrossido è dato dal prodotto dell ossido per l acqua: Ca(OH) 2 CaO H 2 O 2Al(OH) 3 A1 2 O 3 3H 2 O Ti(OH) 4 TiO 2 2H 2 O

8 54 capitolo 4 Allo stesso modo, un ossiacido si può scrivere come il prodotto dell anidride per l acqua: H 2 SO 4 SO 3 H 2 O H 2 CO 3 CO 2 H 2 O 2H 3 PO 4 P 2 O 5 3H 2 O Anche i sali ternari si possono esprimere con le formule dualistiche essendo il prodotto dell ossido per l anidride: CaCO 3 CaO CO 2 K 2 SiO 3 K 2 O SiO 2 2NaNO 3 Na 2 O N 2 O 5 Così i sali misti e i sali idrati si possono scrivere come il prodotto di vari ossidi e anidridi: CaAl 2 SiO 6 CaO Al 2 O 3 SiO 2 CuSO 4 5H 2 O CuO SO 3 5H 2 O Agli ossidi e alle anidridi Berzelius assegnava dei simboli abbreviati: CaO C SiO 2 S Al 2 O 3 A Fe 2 O 3 F MgO M K 2 O K Na 2 O N Così, il silicato di calcio si può scrivere: CaO SiO 2 C S. L ortoclasio, che è un minerale del granito, ha formula KAlSi 3 O 8, mentre con Berzelius la sua formula si trasforma in: 2KAlSi 3 O 8 K 2 O A1 2 O 3 6SiO 2 e quindi KAS Le rocce Sin dall età della pietra, l uomo si è servito di rocce di particolare durezza, come selci e ossidiane, per fabbricare armi adatte alla caccia o utensili per i più disparati lavori; al contrario, rocce più tenere, come ocre o grafite, venivano utilizzate per decorare le pareti delle caverne con scene di caccia e vita quotidiana. Successivamente, l uomo ha messo a punto alcune utili tecniche, quali l estrazione dei metalli dai minerali, la fabbricazione dei mattoni, la produzione di ceramiche e vetri partendo da materie prime quali argille e sabbie. Benché utilizzate fin da tempi antichissimi, tuttavia, le rocce e i minerali diventano oggetto di studio approfondito solo a partire dal Rinascimento, quando si opera una prima importante distinzione nel campo della mineralogia, ovvero la differenza tra minerale e roccia. Si definisce minerale una sostanza pura omogenea, normalmente solida o cristallina, formatasi spontaneamente in natura e presente nella litosfera, cioè l involucro più esterno della crosta terrestre, in piccoli giacimenti. Il minerale

9 Rocce e argille 55 Figura 4.1 Una piccola pozza di petrolio nel deserto iracheno. può essere un elemento nativo (oro, rame, zolfo, arsenico ecc.) o un composto chimico (pirite: FeS 2, salgemma: NaCl, antimonite: Sb 2 S 3 ecc.). La maggior parte dei minerali si trova allo stato cristallino, che è il vero stato solido della materia. Nei cristalli gli atomi o le molecole occupano i «nodi» di una struttura geometrica ordinata. Alcuni minerali sono macrocristallini, cioè formati da cristalli di grande dimensione, da qualche cm a oltre 20 m, altri sono microcristallini, cioè formati da cristalli piccolissimi dell ordine dei mm. Tale conformazione dipende spesso dalla condizioni in cui il minerale si è formato. Tra i minerali macrocristallini possiamo ricordare la calcite (CaCO 3 ), il quarzo (SiO 2 ), il gesso (CaSO 4 2H 2 O); tra quelli microcristallini il cinabro (HgS), la cuprite (Cu 2 O) e l opale (SiO 2 nh 2 O). Altri minerali si trovano allo stato liquido, alla temperatura e alla pressione ordinaria; il mercurio nativo (Hg), per esempio, si trova in natura sotto forma di goccioline liquide. Anche il petrolio da molti è considerato un minerale, anche se per la sua composizione è più da considerarsi una «roccia liquida» (figura 4.1). Infatti, si definisce roccia una sostanza non pura, di struttura amorfa o microcristallina, formatasi naturalmente e ottenuta dall aggregazione di vari minerali, presente nella litosfera in grossi giacimenti. Famosi sono i graniti rosa di Baveno, la pietra serena di Firenze, il travertino di Paestum (figura 4.2), lo gneiss argentato di Aberdeen, il marmo di Carrara ecc. In realtà, mentre le prime quattro rocce rispondono ai requisiti della definizione, il marmo di Carrara non è una miscela di più minerali, ma è carbonato di calcio microcristallino puro al 90-95%. In questo caso il marmo è definito roccia solo in base al fatto che si reperisce in grandissimi giacimenti, come le Alpi Apuane, e che non è macrocristallino. La calcite, pur essendo carbonato di calcio con la stessa percentuale di purezza, per il fatto che si reperisce in piccoli filoni o masserelle e allo stato di macrocristalli, è definita minerale. Perciò le definizioni di minerali e rocce hanno certamente una validità generale, ma va tenuto conto di molte eccezioni in cui ci si imbatte di frequente. Figura 4.2 Nel sito archeologico di Paestum, in provincia di Salerno, si trovano diversi edifici costruiti in travertino.

10 56 capitolo 4 Tabella 4.1 Classificazione generale dei minerali Classificazione Formula Nome 1. Elementi nativi 2. Solfuri 3. Alogenuri 4. Ossidi 5. Carbonati 6. Solfati 7. Silicati Cu Ag Au Hg Pt As C S HgS CuFeS PbS Sb 2 S 3 FeS 2 AsS NaCI CaF 2 Cu 2 O FeO Fe 2 O 3 AI 2 O 3 Fe 2 O 3 SiO 2 TiO 2 MnO 2 MgAl 2 O 4 CaCO 3 MgCO 3 CaMg(CO 3 ) 2 FeCO 3 MnCO 3 PbCO 3 Cu 2 (OH) 2 CO 3 CaSO 4 CaSO 4 2H 2 O BaSO 4 SrSO 4 PbSO 4 Nesosilicati o silicati isolati (MgFe)SiO 4 Al 2 (F, OH) 2 SiO 4 Rame Argento Oro Mercurio Platino Arsenico Grafi te o Diamante Zolfo Cinabro Calcopirite Galena Stibina (Antimonite) Pirite Realgar Salgemma Fluorite Cuprite Magnetite Corindone - Rubino - Zaffi ro Ematite Quarzo - Silice - Selce Rutilo Pirolusite Spinello Calcite - Aragonite Magnesite Dolomite Siderite Rodocrosite Cerrusite Malachite Anidrite Gesso Barite Celestina Argentina Olivina Topazio Sorosilicati o silicati a ponte Ca 10 (MgFe) 2 Al(OH) 4 (SiO 4 ) 5 (Si 2 O 7 ) 2 Vesuviana Ciclosilicati o silicati a cicli Be 3 Al 2 (Si 6 O 18 ) Berillo Inosilicati o silicati a fi li Fillosilicati o silicati a piani Pirosseni CaMg(Si 2 O 6 ) (Ca, Na)(MgFe 2 Al)(SiAl) 2 O 6 Ca 2 Mg 5 (OH) 2 (Si 8 O 22 ) Mg 3 (OH) 2 Si 4 O 10 KAI 2 (OH) 2 AISi 3 O 10 K(MgFe) 3 (OH) 2 AISi 3 O 10 Anfi boli Miche Diopside Augite Tremolite e Orneblenda Talco Muscovite Biotite

11 Rocce e argille 57 Tectosilicati o silicati tridimensionali K(AISi 3 O 8 ) Na(AISi 3 O 8 ) Ca(AI 2 Si 2 O 8 ) Feldspati Plagioclasi Soluzioni solide di albite e anortite Ortoclasio Albite Anortite Na 2 (Al 2 Si 3 O 10 2H 2 O) Zeoliti Natrolite Una prima classificazione delle rocce Le rocce, in base alla loro origine, si distinguono in magmatiche, sedimentarie e metamorfiche. Le rocce magmatiche Dette anche ignee o eruttive, si sono formate dalla solidificazione, seguita al raffreddamento, di magmi fusi, in genere di composizione silicatica, provenienti dall interno della Terra. Le rocce sedimentarie Sono le rocce che si sono formate per la deposizione di detriti di altre rocce trasportati dall acqua sul fondo del mare, dei fiumi o dei laghi. In altri casi, i detriti possono essere trasportati dal vento o essere costituiti da resti di organismi viventi quali molluschi, piante ecc. Le rocce metamorfiche Come dice il nome, queste rocce derivano dalla trasformazione o metamorfosi al di sotto della crosta terrestre di rocce preesistenti in seguito all azione di alte temperature e forti pressioni. Prima di passare allo studio di questi tipi di rocce è però necessario accennare ad alcune loro proprietà utili al loro riconoscimento e al loro possibile uso. 4.3 Proprietà delle rocce Di seguito, vediamo nel dettaglio le proprietà delle rocce che più spesso vengono prese in considerazione. Giacitura È il modo in cui la roccia si presenta in natura, la forma del giacimento e il rapporto spaziale con cui si essa trova rispetto alle rocce circostanti. Come già accennato, le rocce si trovano di solito in grossi giacimenti, ma non sempre: alcune si possono trovare in filoni o in piccole masse isolate in mezzo alle altre rocce. Le cosiddette «pietre dure», per esempio, come i diaspri, le onici ecc. si trovano in piccole masserelle nelle rocce selcifere, di cui condividono la composizione ma non la bellezza. Composizione mineralogica È l insieme dei minerali che costituiscono la roccia. A tal proposito bisogna distinguere i componenti essenziali, che sono i minerali sempre presenti in un tipo di roccia, e i componenti accessori, che sono i minerali che possono eventualmente trovarsi nelle rocce stesse, ma in piccola percentuale e in maniera non vincolante.

12 58 capitolo 4 Figura 4.3 Lacrima di Carrara (quarzo su marmo). Esistono infine anche componenti accidentali, costituenti che si trovano molto raramente e non sono distribuiti in modo uniforme nel minerale, ma si accumulano in quantità considerevoli solo in alcune porzioni di rocce. Nella kimberlite del Sudafrica, per esempio, un componente accidentale è il diamante che si trova in piccole cavità della roccia e molto raramente; nel marmo di Carrara in qualche caso si formano delle cavità (geodi, figura 4.3), entro le quali si trovano cristalli di quarzo limpidissimi (lacrime di Carrara) o di zolfo. Nel granito, per esempio, i componenti essenziali sono, come vedremo, quarzo, feldspati e miche; i componenti accessori, presenti in piccole percentuali, sono l apatite, lo zircone, la magnetite; i componenti accidentali possono essere il berillo, la tormalina e il quarzo ametistino presenti talvolta in belle cristallizzazioni. Struttura È data dalla forma con cui i singoli componenti mineralogici della roccia si dispongono. Come già sappiamo, i minerali possono essere presenti in forma microcristallina o amorfa e da tale disposizione deriva la struttura della roccia, che si osserva in modo accurato solo al microscopio. A questo riguardo si parla di rocce a grana grossa quando il diametro dei cristalli supera i 5 mm, a grana media quando il diametro è compreso tra 1 e 5 mm, a grana fine quando il diametro è inferiore a 1 mm. Figura 4.4 Gneiss occhiadino: nella tessitura di questa roccia si distinguono facilmente feldspati lenticolari che danno origine al suo nome. Tessitura È il modo in cui sono disposti i cristalli dei minerali all interno della roccia. I cristalli possono essere raggruppati in modo caotico, posti parallelamente o radialmente. Si ottiene così una tessitura diversa che influisce in maniera determinante sulle proprietà fisiche della roccia. Così l hedembergite (CaO FeO 2SiO 2 ) è un minerale che si reperisce nelle rocce sempre sotto forma di aggregati paralleli di pseudocristalli; lo gneiss è una roccia metamorfica con cristalli di feldspati lenticolari simili a occhi, da cui il nome di «gneiss occhiadino» (figura 4.4); il porfido è costituito da una massa amorfa che include macrocristalli feldspatici disposti in modo caotico e così via. Colore Per quanto riguarda il colore delle rocce, questo può variare non solo in base ai colori dei singoli minerali, ma anche in dipendenza da fattori fisici e chimici: alterazioni, presenza di minerali accessori ecc.; naturalmente, il colore rappresenta un carattere molto importante quando si utilizzano le rocce come materiali da decorazione. Si hanno rocce monocrome quando sono di un unico colore e rocce policrome quando sono formate da molti diversi colori. In particolare, la roccia sarà detta leucocrata (dal gr. leucós, bianco) se avrà prevalenza di minerali chiari, mesocrata se avrà un colore intermedio, melanocrata (dal gr. mélanos, scuro) se prevarranno minerali neri o grigio-scuri.

13 Rocce e argille 59 Durezza La durezza è la resistenza che una roccia oppone alla scalfittura, all incisione o al taglio. In base alla durezza le rocce si dicono: tenere se si possono tagliare con seghe di acciaio a denti; semidure se si possono tagliare con seghe elicoidali; dure se si possono tagliare con seghe lisce a smeriglio; durissime se si possono tagliare con seghe a polvere di diamante (dischi diamantati). Per la durezza dei minerali ci si riferisce a una ben nota scala detta di Mohs, in base alla quale ogni componente che precede può essere scalfito dal componente che segue. La scala di Mohs comprende 10 minerali alla cui durezza vengono attribuiti valori convenzionali da 1 a 10 (tabella 4.2). Tabella 4.2 Scala di Mohs Valore Minerale Simbolo Descrizione della durezza 1 Talco Mg 3 (OH) 2 Si 4 O 10 scalfi to dall unghia 2 Gesso (CaSO 4 2H 2 O) non scalfi to dall unghia 3 Calcite (CaCO 3 ) scalfi to da una lama di acciaio, non dall unghia 4 Fluorite (CaF 2 ) scalfi sce la calcite 5 Apatite [Ca 5 F(PO 4 ) 3 ] scalfi sce la fl uorite 6 Ortoclasio [K(AISi 3 O 8 )] scalfi sce il vetro 7 Quarzo (SiO 2 ) scalfi sce il vetro, ma non è scalfi to da una lama di acciaio 8 Topazio [Al 2 (F, OH) 2 SiO 4 ] scalfi sce il quarzo 9 Corindone (Al 2 O 3 ) scalfi sce il topazio 10 Diamante (C) scalfi sce tutti gli altri minerali Peso specifico Si distingue in peso specifico apparente e peso specifico reale. Il peso specifico apparente si calcola, come usualmente, dal rapporto tra il peso della roccia e il suo volume apparente. Quest ultimo si calcola misurando i lati della roccia se è squadrata oppure immergendola in acqua e misurando la differenza di volume d acqua ottenuto; in questo caso si calcola un volume che comprende non solo il materiale costituente la roccia, ma anche tutte le cavità e porosità piene d aria in essa presenti. Il peso specifico ottenuto è più piccolo del peso specifico reale. Il peso specifico reale si calcola invece dal rapporto tra il peso e il volume reale. Quest ultimo si calcola polverizzando la roccia e immergendola in acqua: in questo caso, il volume di acqua spostato sarà corrispondente al volume della pietra senza le cavità. Compattezza e porosità Questo parametro misura la porosità della roccia e si calcola dalla differenza tra il peso specifico reale e il peso specifico apparente: quanto più la roccia è porosa, tanto più grande sarà questa differenza; quanto più la roccia è compatta, tanto minore sarà questa differenza.

14 60 capitolo 4 Resistenza meccanica Come per i leganti e alcune ceramiche, si possono effettuare prove di resistenza alla compressione, alla trazione, alla flessione ecc. Questo parametro è importante soprattutto per i materiali che vengono impiegati nell industria edile. Permeabilità È la capacità di una roccia di assorbire e lasciare passare l acqua ed è direttamente legata alla gelività. Gelività Una roccia è tanto più geliva quanto più assorbe acqua. Questo comporta che, in caso di abbassamento della temperatura, la roccia tenderà a fessurarsi a causa della formazione di ghiaccio al suo interno. Figura 4.5 La lenta solidificazione del granito ha dato origine allo svilippo di singoli cristalli uniformi e regolari. 4.4 Rocce magmatiche: formazione e struttura Le rocce magmatiche, come abbiamo accennato, sono legate al vulcanesimo esogeno o endogeno. Proprio in base a questa distinzione si dividono in rocce ignee effusive e rocce ignee intrusive. Tra le rocce ignee effusive e intrusive non esistono apprezzabili differenze di composizione chimica: entrambe sono infatti costituite da silice (SiO 2 ), libera o combinata con vari ossidi metallici a formare silicati e alluminio-silicati più o meno complessi. La differenza sostanziale tra i due tipi di roccia è nella loro struttura. Le rocce effusive, essendosi formate in seguito a un eruzione vulcanica, si sono raffreddate velocemente passando in pochi minuti o poche ore dallo stato di magma fuso a quello di roccia solida. I loro costituenti non hanno quindi avuto il tempo di cristallizzare correttamente e si sono solidificati in una massa vetrosa o microcristallina. Inoltre il passaggio repentino dallo stato liquido allo stato solido non ha consentito la liberazione delle sostanze gassose che spesso si trovano imprigionate nel magma, generando una caratteristica porosità che si riscontra in pietre tipo la pomice. Le rocce intrusive, essendosi formate per il raffreddamento lentissimo del magma nella cavità della crosta terrestre, hanno invece avuto il tempo di cristallizzare compiutamente, generando rocce come i graniti e le sieniti. Riguardo alla struttura, le rocce ignee vengono classificate come segue. Rocce magmatiche a struttura granitoide Sono rocce intrusive formate dalla lentissima solidificazione del magma. Sono formate da cristalli di dimensioni medie molto ben distinguibili e uniformi (figura 4.5). Rocce magmatiche a struttura porfirica Sono rocce effusive formatesi in due tempi: dapprima nel camino vulcanico hanno solidificato dei grossi cristalli (fenocristalli) del minerale più alto fondente poi, con l effusione, la restante massa si è solidificata sotto forma criptocristallina o vetrosa. Rocce magmatiche a struttura vetrosa o ialina Sono rocce effusive originatesi dal brusco raffreddamento della lava e sono amorfe ovvero non cristalline.

15 Rocce e argille 61 La diversa struttura e composizione delle rocce ignee dipende sia dal modo in cui si sono formate sia dalla composizione del magma. Si ipotizza che, all interno della Terra, il magma sia indifferenziato (magma capostipite) cioè sia composto da una fase liquida silicatica di tipo basaltico contenente disciolti molti gas (vapor d acqua, anidride carbonica, idrogeno ecc.). Nella salita verso la superficie, il magma si differenzia per effetto di vari fenomeni, che vediamo di seguito. Cristallizzazione frazionata Se la risalita verso la superficie è lenta, si ha dapprima la cristallizzazione dei componenti più alto fondenti con caratteristiche basiche quali l olivina (MgFe)SiO 4, i pirosseni e i plagioclasi, che vanno a costituire rocce intrusive tipo il gabbro). Il magma restante avrà una composizione diversa: sarà cioè più acido avendo perso i componenti basici. Si otterrà un magma trachitico o dacitico. Assimilazione Spesso il magma nel suo cammino verso la superficie incontra rocce facilmente fusibili di varia origine che, disciogliendosi in esso, ne alterano la composizione. Così, se nel magma si fonderanno rocce carbonatiche o dolomitiche, la composizione si sposterà verso i componenti basici; se si fonderanno rocce silicee o silico-alluminatiche, la composizione si sposterà verso i componenti acidi. Anatessi Consiste nella formazione di un magma secondario direttamente da rocce (normalmente a carattere acido). In questo caso, per fenomeni di tipo metamorfico, le rocce vengono sottoposte ad altissime pressioni e temperature fino ad arrivare alla fusione totale o parziale. Si formano in questo caso sacche di magma acido di tipo anatettico. La composizione del magma è molto importante, sia perché si ripercuote sul tipo di roccia formata sia per la forma dell effusione vulcanica. Un magma che contiene silice (SiO 2 ) e allumina (Al 2 O 3 ) in percentuali superiori al 68% è detto acido e genera una lava molto viscosa che effonde lentamente dando origine a camini vulcanici alti e stretti con pareti quasi verticali, come il vulcano dell isola di Stromboli. Le rocce che si formano hanno un colore chiaro (leucocrate) e sono caratterizzate da un peso specifico basso. Viceversa, un magma che contiene silice e allumina in percentuale inferiore al 44% è basico e genera una lava molto fluida che effonde velocemente dando origine a vulcani basaltici o a scudo, cioè bassi e larghi come molti vulcani giapponesi o haitiani (figura 4.6). In questo caso, le rocce che si formano sono melanocrate, cioè di colore scuro, e hanno peso specifico piuttosto alto. Se silice e allumina sono presenti in una percentuale tra il 68 e il 44% le rocce avranno caratteristiche intermedie, neutre e mesocrate. Figura 4.6 Una delle bocche del vulcano haitiano Kelauea: in questo tipo di vulcani, la fluidità della lava dà luogo a una forma bassa e larga, detta «a scudo».

16 62 capitolo Rocce magmatiche effusive Come abbiamo detto più volte, derivano dal magma fuso proveniente dall interno del nostro pianeta che, raggiunta la superficie attraverso fratture della litosfera, fuoriesce sotto forma di lava. Le eruzioni possono essere di tipo esplosivo con lancio di lapilli e proietti vulcanici (le cosiddette bombe), nel qual caso si formano le fontane ardenti, di tipo effusivo con emissione di colate laviche lungo i fianchi del vulcano, oppure di tipo cineritico con emissione di fumi, ceneri e polveri vulcaniche ad altissima temperatura: sono le «nuvole ardenti» che sommersero di cenere Pompei ed Ercolano nel 79 d.c. Inoltre, la lava emessa si può raffreddare più o meno velocemente a seconda che si riversi in acqua o si consolidi all aria originando le rocce vulcaniche. Un bell esempio del primo tipo di raffreddamento si trova all isola d Elba nei pressi di Punta Crocetta (Marciana Marina) dove, sulla riva del mare, si osservano dei blocchi di lava a cuscini (pillow-lava) originatisi da una colata sottomarina. Di seguito sono descritte le più comuni rocce effusive. Ossidiana o vetro vulcanico o ialite Sono rocce di aspetto vetroso, pesanti, di colore nero, macchiato di rosso, bruno scuro o grigio; raramente si reperiscono anche di colore verde chiaro simile al vetro delle bottiglie. Presentano una tipica frattura concoide con bordi taglienti (figura 4.7). Pomici Sono rocce estremamente leggere (tanto da galleggiare sul mare) bianche o grigio chiaro, porose con una caratteristica tessitura a bolle (tessitura pomicea). Si sono formate in seguito al brusco raffreddamento di magmi ricchi di gas. Questi ultimi, rimanendo imprigionati nella roccia, hanno creato la caratteristica porosità. Polverizzate, vengono usate come abrasivi (figura 4.8). Porfido È una roccia che, a causa della solidificazione avvenuta in due tempi, presenta la cosiddetta tessitura porfirica. Figura 4.7 Ossidiana. Figura 4.8 Pomice.

17 Rocce e argille 63 a a Si osserva una massa fondamentale apparentemente omogenea di colore rossobruno, verde-grigio o nero che include grossi cristalli (fenocristalli) visibili a occhio nudo e di colore diverso (giallo, avorio o bianco). Ciò è dovuto al fatto che durante l eruzione all interno del camino vulcanico si è avuta la cristallizzazione del componente più alto fondente, normalmente l ortoclasio K 2 O A1 2 O 3 6SiO 2, che ha avuto a disposizione tutto lo spazio per cristallizzare; il resto della massa fusa al momento dell effusione è divenuta solida in breve tempo, trasformandosi in una sostanza vetrosa o criptocristallina (figura 4.9). Oltre al porfido feldspatico vi sono porfidi granitici e porfidi granodionitici quando contengono, oltre all ortoclasio, anche quarzo e mica. I porfidi associano alla tessitura cristallina la durezza delle masse vetrose così da essere tra le rocce più dure e resistenti all usura che si conoscano: infatti, sfaldati in cubi, vengono usati per la pavimentazione di vie di grande scorrimento (pavimentazione alla romana) (figura 4.10). Trachite È la pietra effusiva corrispondente all intrusiva sienite: contiene infatti il sanidino (una varietà di ortoclasio) e l oligoclasio (una varietà di albite Na 2 O Al 2 O 3 6SiO 2 ). È una roccia a caratteristiche acide e ha anch essa una tessitura porfirica, ma del tutto particolare (tessitura trachitica). In essa i piccoli cristalli della parte di fondo presentano un andamento parallelo lungo linee che inglobano i fenocristalli di sanidino. La trachite è solitamente di colore bianco, giallastra o rossastra. È meno resistente all abrasione del porfido e viene usata solo localmente (in Italia, nel Lazio e in Campania). Figura 4.9 a) Porfido quarzifero. b) Porfido di Bolzano. Figura 4.10 Il porfido, per le sue proprietà di durezza e resistenza all usura, viene spesso usato fin dall antichità per le pavimentazioni stradali. Basalto La straordinaria diffusione e abbondanza delle rocce basaltiche ha fatto ritenere che il magma capostipite presente all interno della crosta terrestre abbia la stessa composizione di queste rocce. Sono rocce debolmente basiche: contengono un plagioclasio (labradorite) e alcuni pirosseni (augite o diopside) nonché la biotite. I basalti sono rocce mesocrate, pesanti, tenaci e resistenti. Sono l equivalente effusivo del gabbro; hanno una struttura porfirica a grana fine, microcristallina o vetrosa, nella quale spesso sono dispersi fenocristalli di augite o diopside. Sono di colore scuro: bruno, verde o nero.

18 64 capitolo 4 Le rocce basaltiche sono caratterizzate da una tipica fessurazione prismatica e colonnare: perciò le colate basaltiche spesso si suddividono in colonne prismatiche a sezione pentagonale o esagonale (figura 4.11). Il basalto viene usato per pavimentazioni stradali e massicciate di strade e ferrovie. 4.6 Rocce magmatiche intrusive Quando il magma cristallizza, in seguito al lento raffreddamento, all interno della litosfera si formano le rocce intrusive o plutoniche (da Plutone, dio del mondo sotterraneo). Le rocce intrusive possono formare batoliti, cioè grossi ammassi che danno origine ai nuclei delle catene montuose, oppure filoni, filoni strato e laccoliti, cioè ammassi lenticolari con la convessità rivolta verso l alto. Di seguito sono descritte le più comuni rocce intrusive. Figura 4.11 Uno splendido esempio di basalto colonnare. Figura 4.12 a) Granito rosa di Baveno. b) Granito bianco di Montorfano. a b Granito Una delle più comuni rocce ignee, il granito, è formato da tre costituenti fondamentali: ortoclasio (K 2 O Al 2 O 3 6SiO 2 ), quarzo (SiO 2 ) e mica, e presenta spiccate caratteristiche acide. L ortoclasio o ortose è un minerale appartenente al gruppo dei feldspati, presente in natura in quattro diverse forme cristalline: l ortoclasio (monoclino prismatico), l adularia, il sanidino e il microclino. L ortoclasio presenta due piani di sfaldatura ad angolo retto, da cui prende il nome. Questo minerale è di colore bianco-avorio se è puro; con piccole impurezze metalliche diventa rosa, rosso, verde o grigio-azzurro impartendo al granito il medesimo colore. Il quarzo presente nei graniti è di aspetto vetroso, grigio o incolore, con frattura concoide e bordi taglienti. Le miche sono dei fillosilicati facilmente sfaldabili. Nei graniti si reperiscono in due principali varietà: mica nera o biotite [K(Mg, Fe) 3 (OH) 2 AlSi 3 O 10 )] e mica bianca o muscovite [KAl 2 (OH) 2 (AlSi 3 O 10 )]. I graniti si presentano in numerose varietà che si differenziano per la struttura (graniti, graniti porfiroidi) o per la costituzione mineralogica (graniti, granodiorite, tonalite ecc.). I graniti hanno caratteristiche tecniche eccellenti: alta compattezza e omogeneità, elevata resistenza meccanica e all usura, bassissima gelività ecc. Perciò vengono usati, oltre che per pietre da decorazione, anche per produrre pilastri, colonne, basamenti e pavimentazioni in luoghi ad alta usura. In Italia sono famosi i graniti rosa di Baveno e quelli bianchi di Montorfano (figura 4.12). Sienite È una roccia meno acida del granito, che contiene insieme all ortoclasio e a un plagioclasio, un anfibolo (generalmente orneblenda). La biotite e il quarzo sono presenti invece in piccole percentuali (inferiori al 20%).

19 Rocce e argille 65 Il nome deriva dalla roccia che si reperiva fin dai tempi di Plinio a Siene in Egitto (l odierna Assuan) anche se in realtà la roccia ancor oggi estratta in questa località è un granito rosa e non sienite. La sienite, di colore rosa, rosso o violaceo, presenta alta resistenza all usura e ottime proprietà meccaniche (anche se inferiori al granito). Essendo una roccia piuttosto rara, è usata più come pietra da decorazione che per altri usi edili (figura 4.13). Diorite È una roccia a carattere meno acido del granito e della sienite. Di colore grigio, grigio scuro e tendente al verde (figura 4.14), è costituita da un plagioclasio (andesina) al posto dell ortoclasio, di solito assente, e da alcuni anfiboli (orneblenda, uralite ecc.). In Italia è piuttosto comune sulle Alpi. Famosa è la diorite quarzifera dell Adamello. Gabbro È una roccia intrusiva mesocrata o melanocrata costituita da plagioclasio (labradonite o bytownite) e da pirosseni (diallagio o augite). I gabbri sono rocce a struttura granulare con grana media e grossa. In essi si reperiscono spesso bei cristalli di diallagio o augite, di interesse mineralogico. Il gabbro (figura 4.15) è il corrispondente intrusivo del basalto. Per quanto riguarda la formazione, è la roccia intrusiva che si è formata più in profondità nella crosta terrestre, in batoliti vicini al magma fuso, e ha solidificato in seguito a un raffreddamento lentissimo, risultando spesso macrocristallina. Si tratta di rocce piuttosto rare, che affiorano sulla superficie terrestre dove grandi movimenti orogenetici ed erosivi riescono a portare alla luce gli strati profondi della crosta terrestre (Alpi occidentali, Appennini settentrionali). Il loro colore è scuro: verdi, grigie o nere, facilmente lucidabili e apprezzate per l alta durezza e resistenza meccanica. Due varietà abbastanza comuni sono il gabbro olivinico e il gabbro anfibolico, che contengono rispettivamente olivina o orneblenda al posto dei pirosseni. Figura 4.13 Sienite di Balma. Figura 4.14 Diorite di Sondrio. Figura 4.15 Gabbro. Peridotite È una roccia a carattere basico che contiene olivina dal 40 al 90% (questa, essendo anche detta «peridoto», dà il nome alla roccia). Oltre all olivina sono presenti altri minerali mafici come il diallagio, la flogopite e i pirosseni. La kimberlite, la roccia nella quale in Sudafrica si rinvengono i diamanti, è una peridotite contenente olivina e flogopite. Le peridotiti sono rocce dure, verde scuro o nere. Da esse, per un processo di alterazione chimica detto serpentizzazione, si ottengono le rocce verdi (serpentini) che costituiscono il complesso ofiolitico dell Appennino Tosco-Emiliano. 4.7 Rocce sedimentarie: formazione Le rocce sedimentarie si sono formate in seguito a processi di alterazione di rocce preesistenti oppure per deposizione di resti animali o vegetali. Per questo motivo, esse sono anche definite di origine secondaria.

20 66 capitolo 4 In relazione alla loro genesi, sono classificate in rocce clastiche, piroclastiche, chimiche e organogene. Ma prima di passarle in rassegna dettagliatamente, vediamo quali sono i processi di genesi di una roccia sedimentaria (figura 4.16). Figura 4.16 La formazione delle rocce sedimentarie. Degradazione Tutte le rocce che affiorano sulla superficie terrestre sono sottoposte a un incessante processo di degradazione meccanica (erosione) e chimica (corrosione). L erosione è dovuta a fattori meccanici, fisici e biologici. L erosione meccanica è esercitata dalle acque dei fiumi e dei mari. In particolare, l erosione fluviale è spesso amplificata dai materiali sospesi nell acqua che, urtando sopra le rocce, si comportano come una sostanza abrasiva. Anche i ghiacciai nel loro lento cammino, grazie all enorme peso e ai frammenti di roccia trasportati, esercitano un azione erosiva sulle rocce, del bacino glaciale. L azione erosiva del vento (eolica) è particolarmente efficace nelle zone desertiche, dove la mancanza di vegetazione e la sabbia trasportata ne accentuano gli effetti. L erosione fisica è dovuta a sbalzi termici che provocano la frantumazione delle rocce, anche di quelle più dure: il gelo, infatti, facendo solidificare l acqua l erosione rimuove le particelle prodotte dalla disgregazione il trasporto operato dall acqua, dai ghiacciai e dal vento sposta le particelle verso quote minori meccanismi fisici e chimici degradano le rocce si ha sedimentazione quando le particelle si depositano o quando i minerali solubili precipitano rocce sedimentarie il seppellimento si verifica quando nuovi strati di sedimenti si dispongono su quelli più antichi, che vengono compattati la compattazione e la cementazione portano alla litificazione dei sedimenti trasformandoli in rocce sedimentarie