Fare scienze: osservare, ricercare, sperimentare I FOSSILI I FOSSILI. Prof. Califano Maurizio Prof.ssa Russo Lorella

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1 Fare scienze: osservare, ricercare, sperimentare I FOSSILI I FOSSILI Prof. Califano Maurizio Prof.ssa Russo Lorella

2 Che cos è un fossile? La parola fossile deriva dal latino fossilis, scavare, ed indica il resto o l'impronta di organismi vegetali o animali, vissuti anteriormente all'epoca attuale, conservatosi negli strati della crosta terrestre. Il processo di trasformazione di un organismo vivente in un fossile può durare diversi milioni di anni. La fossilizzazione è un processo estremamente complicato. Infatti non appena gli animali o le piante muoiono ne inizia la decomposizione. Sebbene le parti più resistenti, come conchiglie, ossa e denti degli animali o il legno delle piante, resistano più a lungo dei tessuti molli, spesso questi elementi vengono disgregati da agenti naturali esterni (fisici e chimici), come vento e acqua corrente, ma anche dall'azione di animali necrofagi (agenti biologici). Prof. Califano Maurizio 2

3 Generalmente, per subire un processo completo di fossilizzazione, un organismo deve essere sepolto rapidamente, prima che ne subentri la decomposizione o venga aggredito dagli agenti demolitori. Nella maggior parte dei casi questo lavoro viene svolto dai sedimenti come la sabbia o il fango trasportati dall'acqua. Tale fango va a penetrare nel corpo della carcassa che quindi si impregna di fango e calce ovvero si mineralizza. Quindi, la natura e la conservazione dei fossili dipendono principalmente dalla natura dei terreni nei quali sono inclusi, sia che siano stati completamente sostituiti da sostanze inorganiche (pietrificati), sia che siano stati conservati nei ghiacci come i mammut della Siberia. Prof. Califano Maurizio 3

4 E molto difficile che un organismo riesca a conservarsi integralmente! Ciò è accaduto con la pelle di alcuni dinosauri. Infatti tali dinosauri hanno subito inizialmente un processo di mummificazione per disidratazione e poi, in un tempo successivo, la loro pelle è stata mineralizzata. Prof. Califano Maurizio 4

5 ma chi studia i fossili??? La PALEONTOLOGIA si occupa dello studio degli antichi esseri viventi e il suo valore integrativo nel campo delle scienze biologiche risulta evidente dal momento che gli organismi vegetali e animali attuali rappresentano solo parzialmente il mondo dei viventi per cui lo studio delle forme scomparse consente di completare il quadro evolutivo degli organismi. La Paleoecologia è la branca della Paleontologia che studia gli organismi fossilizzati e le tracce fossili del passato per riconoscere il loro ambiente di vita e ricostruire gli ecosistemi presenti sulla Terra durante lo svolgersi delle Ere Geologiche. Il campo di ricerca paleoecologico include la studio del ciclo di vita dei fossili, le relazione reciproche fra le specie fossili identificate durante la loro vita, il loro ambiente naturale, le modalità della loro morte, deposizione e seppellimento. Lo scopo della paleoecologia è quello di ricostruire il modello più dettagliato possibile dell' ecosistema di quegli organismi, che oggi Prof. Califano Maurizio 5 vengono rinvenuti entro le rocce sedimentarie come fossili.

6 Datazione tramite i fossili Il criterio di datazione dei fossili si basa sulla biostratigrafia, la quale afferma che, normalmente, gli strati più bassi del terreno sono più antichi di quelli superiori. Utilizzando tale criterio si può confrontare un certo fossile con altri rinvenuti in strati di altre località per vedere se appartengono allo stesso tempo oppure no. Tale metodo si basa sui fossili guida, che sono caratterizzati dalla diversificazione e da rapida evoluzione. Con i metodi degli isotopi radioattivi e del carbonio 14 si può avere la datazione radiometrica, che misura l'età della roccia in anni, ma che risulta meno preciso del metodo della datazione relativa. Prof. Califano Maurizio 6

7 Vi sono quattro tipi fondamentali di fossili: resti originali, resti sostituiti, calchi, tracce. Resti originali In alcuni casi, i fossili sono rappresentati da resti originali di piante o di animali. Corpi interi di mammut, l'enorme elefante diffuso in Europa nel periodo glaciale (era quaternaria), sono stati rinvenuti quasi perfettamente conservati sotto i ghiacci perenni della Siberia. Si pensa che questi animali siano rimasti prigionieri del permafrost, verso la fine dell'età glaciale, molte migliaia di anni fa. Lungo le coste del mar Baltico, sono stati rinvenuti insetti, ragni e frammenti vegetali di migliaia di anni fa, perfettamente conservati entro la resina indurita dei pini, in cui questi insetti rimasero invischiati e ivi morirono. Questa resina fossile è detta ambra. Altro esempio di fossile originale è dato dalle conchiglie dei molluschi che sono state conservate entro il sedimento e che a volte formano vere e proprie rocce composte esclusivamente da fossili, dette lumachelle. Un altro tipo di resti originali può essere quello dei dintorni di Los Angeles in California, dove vi sono depositi di asfalto contenenti le ossa di migliaia di animali. Prof. Califano Maurizio 7

8 I fossili guida sono dei fossili usati per la datazione relativa delle rocce. Si tratta di resti di organismi che avevano ampia distribuzione geografica e che hanno avuto un'evoluzione rapida: hanno quindi una durata temporale molto limitata e permettono di raggiungere un'elevata precisione nella datazione. Prof. Califano Maurizio 8

9 La grande maggioranza dei fossili si trova nei sedimenti, cioè nei depositi trasportati dall'acqua. Le rocce sedimentarie sono formate a strati. Questi strati di roccia, ed i fossili in essi contenuti, possono essere utilizzati per ricostruire la storia della Terra e degli organismi che si sono succeduti nel corso dei millenni. I geologi sanno che i vari strati rocciosi si sono formati in periodi diversi. Naturalmente, lo strato più antico e sottostante si è formato per primo ed il più recente e sovrastante per ultimo, mentre gli altri si sono formati nei periodi intermedi; ma questa disposizione può essere modificata e perfino rovesciata da successivi movimenti tellurici. Studiando i fossili che si trovano nei vari strati, si possono osservare questi movimenti tellurici. Alcuni fossili sono presenti in più strati, mentre altri sono presenti solo in strati formati in un dato periodo della storia della Terra. Prof. Califano Maurizio 9

10 Quando un geologo trova uno strato di roccia contenente dei fossili, può precisare non solo di che strato si tratta, ma anche quando, pressappoco, si è formato. I fossili sono di aiuto ai geologi nella divisione della storia della Terra in periodi di tempo e lo sono tanto meglio quanto più breve e definito è stato il periodo della loro esistenza. Ecco il perché questi fossili sono detti fossili guida; aiutano a riconoscere l'era, il periodo o l'epoca a cui appartengono le rocce che li contengono e a collegare cronologicamente gli strati di territori e perfino di continenti diversi. I fossili guida sono di aiuto nella ricerca del petrolio, perché il geologo sa che molti depositi di petrolio sono stati ritrovati in rocce di una particolare epoca. Prof. Califano Maurizio 10

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12 I tipi di fossilizzazione Incrostazione Si tratta di un processo limitato a fossili piuttosto recenti e si basa sulle acque ricche di carbonato di calcio che, scorrendo sui resti organici, li coprono di una sottile pellicola di minerale. Una roccia molto famosa che conserva resti di vegetali in grande abbondanza formatisi attraverso questo processo è il travertino, utilizzato fin dai tempi degli antichi romani nell abbellimento delle case di Roma. Prof. Califano Maurizio 12

13 Resti sostituiti La maggior parte dei fossili non sono più costituiti da materiale originale, anche se ne hanno conservato l'aspetto primitivo. L'acqua del sottosuolo contiene in soluzione vari sali minerali e può sostituire le conchiglie (calcaree) e le ossa (fosfatiche) con altri minerali resistenti, come la silice o la pirite. I famosissimi alberi pietrificati dell'arizona sono un esempio di formazioni del genere. Essi si formarono quando le acque del sottosuolo sostituirono lentamente il legno in decomposizione di questi alberi con particelle di silice amorfa (opale). A volte la trasformazione è così importante che, di tutto un organismo vegetale o (più raramente) animale rimane soltanto il carbonio organico. Prof. Califano Maurizio 13

14 Riempimento Processo che porta dei sedimenti o della materia a riempire il resto evitando una decomposizione rapida. Mineralizzazione È il principale processo che porta alla fossilizzazione, durante il quale la composizione chimica dell'organismo viene modificata chimicamente per azione delle soluzioni che circolano tra i sedimenti. Il caso più frequente è quello di organismi che restano sepolti sul fondo di un lago o di un mare: poco alla volta, per le reazioni chimiche tra le parti dure dell'organismo e le soluzioni circolanti, i minerali presenti in soluzione vanno a sostituire quelli presenti nell'organismo. Le modalità sono diverse a seconda dei vari ambienti diagenetici (impregnazione, sostituzione o precipitazione, calcitizzazione). Prof. Califano Maurizio 14

15 Carbonificazione Questo è un processo di fossilizzazione riguardante soprattutto i vegetali, che ha portato alla formazione dei grandi giacimenti di carbone fossile del periodo Carbonifero, risalenti ad almeno 340 milioni di anni fa. Durante questo periodo geologico grandi aree della terra, oggi corrispondenti a Cina, India, Australia, Africa, Nord - America e parte dell Europa, erano coperte di vasti acquitrini, circondati da lussureggianti foreste la cui crescita era favorita da un clima caldo umido di tipo tropicale. I resti di queste antiche foreste costituiscono la base degli accumuli di carbone fossile. Questo è dovuto all azione di particolari batteri, batteri anaerobici, che attaccano i resti vegetali, eliminano l ossigeno e l azoto e li arricchiscono cosi indirettamente di carbonio. Prof. Califano Maurizio 15

16 Inglobamento in ambra fossile Processo molto conosciuto per la singolare conservazione che comporta. I resti dei piccoli animali (insetti e aracnidi) e resti vegetali inglobati nell'ambra fossile (resina che colava lungo i tronchi delle conifere) sono stati rinvenuti in uno stato di conservazione pressoché perfetto, anche essendo assai antichi. Queste resine, una volta indurite, sono trasparenti e consentono spesso di vedere anche a occhi nudo gli organismi conservati al loro interno. Questo famoso processo di fossilizzazione è anche stato utilizzato come trama base del film Jurassic Park di Steven Spielberg. Prof. Califano Maurizio 16

17 La sedimentazione è il risultato dell accumulo di materiale proveniente dalla disgregazione delle rocce; questo processo può avvenire in un ambiente continentale, con la formazione, ad esempio, delle dune o in un ambiente marino. In ogni caso si tratta sempre di accumuli di particelle di dimensioni più o meno grandi e di diversa natura; l insieme di queste particelle viene chiamato sedimento. Si possono distinguere due tipi fondamentali di sedimenti: i sedimenti clastici, originatisi in seguito alla precipitazione dei sali contenuti nelle acque. Un sedimento dopo la sua deposizione deve sottostare a una mutazione, chiamata dai geologi diagenesi, che lo trasforma in una roccia sedimentaria. La sedimentazione è iniziata con la storia della Terra e i sedimenti depositatisi da allora costituiscono la parte più superficiale della crosta terrestre. Questi sedimenti formano successioni di strati più o meno spesse e profonde che hanno uno stretto rapporto con il tempo che contengono i fossili: in questi strati è racchiusa la storia della Terra. Le successioni di rocce vengono chiamate dai paleontologi e dai geologi. Prof. Califano Maurizio 17

18 Ammonite Piritizzata Prof. Califano Maurizio 18

19 Tronco pietrificato Prof. Califano Maurizio 19

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22 Modelli e calchi Oltre alle parti molli di un animale, talvolta anche le parti dure (conchiglie od ossa) si dissolvono completamente, lasciando nella roccia un'impronta che mostra solo quale era la forma del fossile. Sui gusci si possono distinguere i modelli interni, che ripetono la forma della parte interna, ed i modelli esterni, con l'impronta della superficie esterna. Tra modello interno e modello esterno, quando il guscio originale è dissolto, si forma una cavità con la forma tridimensionale del guscio. Se tale cavità si riempie con nuove sostanze minerali, si ottiene il calco naturale o modello, cioè la riproduzione dell'originale. La composizione chimica e mineralogica del calco può essere simile a quella originaria, ma anche completamente diversa. In casi particolari, modelli e calchi possono riguardare parti molli, quindi è possibile trovare anche impronte di felci, di foglie, di pinne di Prof. Califano Maurizio 22 pesci, membrane alari.

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24 Prof. Califano Rana Maurizio fossile indicazione di ambiente palustre 24

25 Tracce fossili Le tracce di animali, che si producono prevalentemente nel fango o nelle sabbie dei terreni alluvionali o nelle regioni dei delta, possono essere state conservate dal processo di consolidamento dei sedimenti (diagenesi). Nelle rocce sedimentarie, soprattutto quelle a grana più fine (come argilliti e calcari fini), sono state trovate orme di dinosauri, altri rettili e anfibi, scie e piste di antichi vermi limivori e molte altre tracce lasciate da esseri esistiti in passato. In taluni giacimenti fossiliferi è anche possibile rinvenire particolari fossili quali uova, raramente contenenti embrioni e le cosiddette bromaliti cioè coproliti, cololiti (resti non evacuati del contenuto intestinale), gastroliti e regurgitaliti (vomiti fossili). Prof. Califano Maurizio 25

26 Impronta Archeosauro Prof. Califano Maurizio 26

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28 Combustibili fossili Si definiscono fossili quei combustibili che derivano dalla trasformazione, sviluppatasi in milioni di anni, della sostanza organica in forme via via più stabili e ricche di carbonio. Rientrano in questo campo dunque: Petrolio e derivati Carbone Gas naturale Prof. Califano Maurizio 28

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30 I Minerali Prof. Califano Maurizio 30

31 I minerali sono sostanze naturali inorganiche, generalmente allo stato solido, formatesi attraverso processi geologici, fisici e chimici. Nell'industria estrattiva si tende ad attribuire il termine minerale anche a sostanze estraibili dal sottosuolo, tipico il caso del metano. Un minerale può essere costituito da un solo elemento chimico, come l'oro (Au), oppure da uno o più elementi legati assieme in un composto chimico, come ad esempio il quarzo. Il termine "minerale" comprende non soltanto la composizione chimica ma anche la struttura cristallina del materiale. La composizione dei minerali varia dai semplici elementi chimici a sali fino ad arrivare a silicati molto complessi (la maggior parte dei composti organici sono solitamente esclusi), con migliaia di forme conosciute. Lo studio dei minerali è detto mineralogia. Prof. Califano Maurizio 31

32 Il minerale è un corpo solido cristallino, avente una formula chimica ben specifica ed è costituente naturale della crosta terrestre. Ricordi che le rocce sono un insieme di minerali senza una formula chimica ben precisa??? La maggior parte dei minerali è caratterizzata dall'avere una ben precisa struttura cristallina. A livello atomico i minerali cristallini infatti possiedono un reticolo cristallino formato dalla ripetizione di una struttura geometrica detta cella unitaria. Un cristallo è un corpo solido a facce piane riconducibile a una determinata figura geometrica. La struttura si riferisce alla disposizione spaziale ordinata a lungo raggio degli atomi nella loro struttura molecolare. Prof. Califano Maurizio 32

33 Alcune specie minerali si presentano allo stato liquido come il mercurio Hg mentre altri, come l'opale, hanno struttura amorfa quindi non possiedono una struttura cristallina. Questi ultimi sono detti minerali metamittici. Alcune specie minerali si presentano allo stato liquido come il mercurio Hg mentre altri, come l'opale, hanno struttura amorfa quindi non possiedono una struttura cristallina. Questi ultimi sono detti minerali metamittici. Alcuni minerali inoltre presentano il fenomeno dell'isomorfismo, cioè può verificarsi che due o più minerali presentino identica struttura atomica e composizione chimica analoga. Sia la composizione chimica che la struttura cristallina concorrono a definire un minerale. Due o più minerali possono avere la stessa composizione ma differente struttura cristallina (sono detti polimorfi). Prof. Califano Maurizio 33 Per esempio, la pirite e la marcasite sono entrambi solfuri di ferro.

34 Gli opali sono soggetti, per riscaldamento, alla perdita dell'acqua che ne determina il deterioramento. E' possibile reintegrare parzialmente l'acqua perduta immergendo in acqua le pietre anche per giorni, ed è questa la ragione per cui alcuni venditori li conservano e li mostrano in acqua. Prof. Califano Maurizio 34

35 Nel mondo della magia si dice che l'opale nero amplifica tutti gli stati emozionali, perciò il buon umore può venire convertito in esaltazione, ma la tristezza si può trasformare in un nero stato rancoroso e malvolente. Usato in meditazione, esso può far giungere alle radici della propria psiche permettendo il rilascio di memorie traumatiche di esperienze passate, anche in vite precedenti, che possono influenzare parte della propria vita presente. Prof. Califano Maurizio 35

36 La struttura cristallina influenza notevolmente le proprietà fisiche di un minerale. Per esempio, diamante e grafite hanno la medesima composizione chimica ma le loro differenti strutture cristalline rendono la grafite molto tenera ed il diamante molto duro (è il materiale più duro conosciuto). I minerali conosciuti ad oggi sono oltre 4.000, della classificazione si occupa l'international Mineralogical Association (IMA), responsabile dell'approvazione e della denominazione di nuove specie rinvenute in natura. Prof. Califano Maurizio 36

37 Mercurio-Stato liquido Opale-Struttura amorfa Prof. Califano Maurizio 37

38 Isomorfismo=stessa struttura atomica Pirite Marcasite Prof. Califano Maurizio 38

39 RELAZIONE tra MINERALI E ROCCE Minerale e roccia sono termini che indicano materiali ben distinti fra loro. Un minerale è un composto chimico che si trova in natura, che ha una ben determinata composizione ed una struttura cristallina ben definita. Un cristallo è un corpo solido a facce piane riconducibile a una determinata figura geometrica. Ad oggi sono noti oltre 2000 tipi di minerali, classificati in 3 gruppi a loro volta suddivisi in 7 sistemi comprendenti ciascuno 32 classi di simmetria Una roccia è un miscuglio di più specie minerali in diverse proporzioni e pertanto, diversamente da un minerale, la composizione chimica di una roccia non è esprimibile con una formula chimica. Prof. Califano Maurizio 39

40 Modalità di cristallizzazione: Per solidificazione in seguito a raffreddamento di materiali puri, come nel caso del magma o lava. Per precipitazione e evaporazione da sostanze disciolte in acqua, per sovrasaturazione (raffreddamento) ad es. stalattiti/stalagmiti o per evaporazione del solvente (riscaldamento) ad es. saline brinamento (da gas a solido) da vapori ad es. vapori di zolfo sublimazione da vapori caldi biologica: per trasformazioni solido - solido determinate dal mutare delle condizioni fisiche di equilibrio (pressione e temperatura principalmente) in cui un minerale si trova (es. pirosseno - granato) Per brinamento Per sublimazione Per attività biologica Prof. Califano Maurizio 40

41 I minerali possono essere classificati in gruppi in base alla composizione chimica. Silicati Il gruppo di gran lunga più numeroso è quello dei silicati, composti per lo più da silicio ed ossigeno con l'aggiunta di ioni come magnesio, ferro e calcio. Alcuni importanti silicati, che entrano anche nella composizione di molte rocce, sono: quarzo, olivine, pirosseni, granati e miche. Quarzo Quarzo aciculare Prof. Califano Maurizio 41

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43 I carbonati sono quei minerali contenenti l'anione (CO 3 ) 2- ed includono calcite ed aragonite (entrambi carbonato di calcio), dolomite (carbonato di magnesio e calcio) e siderite (carbonato di ferro). I carbonati sono formati per lo più dalle conchiglie del plancton depositatesi sul fondo marino. I carbonati si trovano anche negli ambienti sottoposti a forte evaporazione (per esempio il Gran Lago Salato dello Utah) o nelle regioni carsiche dove lo scioglimento ed il rideposito dei carbonati porta alla formazione di grotte, stalattiti e stalagmiti. calcite aragonite Prof. Califano Maurizio 43

44 Dolomite (carbonato di magnesio e calcio) Prof. Califano Maurizio 44

45 Siderite (carbonato di ferro) Prof. Califano Maurizio 45

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47 I solfati contengono l'anione solfato (SO 4 ) 2-. 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). Prof. Califano Maurizio 47

48 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. Prof. Califano Maurizio 48

49 Gli ossidi sono estremamente importanti per l'industria estrattiva poiché in molti casi da questi si estraggono metalli importanti per l'economia. Di solito si formano come precipitati vicino alla superficie terrestre. Gli ossidi più comuni sono: il quarzo (ossido di silicio) -abbondantissimo nelle rocce-, l'ematite (ossido di ferro), lo spinello (ossido di magnesio ed alluminio -un costituente comune del mantello terrestre)- ed il ghiaccio (ossido di idrogeno). Prof. Califano Maurizio 49

50 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). Prof. Califano Maurizio 50

51 Il gruppo dei FOSFATI include minerali con l'unità tetraedrica AO 4 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. Prof. Califano Maurizio 51

52 Il gruppo degli elementi nativi elementi nativi include metalli (oro, argento, rame), alcuni composti intermetallici, semi-metalli e non metalli (antimonio, bismuto, grafite, zolfo). Questo gruppo comprende anche alcune leghe naturali come l'elettro (lega di oro ed argento), fosfuri, siliciuri, nitruri e carburi (i quali si trovano in natura solo in alcune rare meteoriti). Prof. Califano Maurizio 52

53 Durezza I minerali di riferimento della scala di Mohs: 1 - talco 2 - gesso 3 - calcite 4 - fluorite 5 - apatite 6 - ortoclasio 7 - quarzo 8 - topazio 9 - corindone 10 - diamante Prof. Califano Maurizio 53