Indice generale. Prefazione Ringraziamenti X XII

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1 Indice generale Prefazione Ringraziamenti X XII 1 Introduzione alla mineralogia e alla petrografia Formazione degli elementi chimici nelle supernovae Nascita del Sistema solare e della Terra Accrezione della Terra Struttura interna della Terra Raffreddamento del pianeta e tettonica delle placche Tettonica delle placche e formazione delle rocce Margini di placca divergenti Margini di placca convergenti Margini trasformi Risalita di mantello profondo e punti caldi Presentazione dei capitoli successivi 10 Sommario 10 Domande di ripasso 11 Per approfondire 11 2 I materiali della terra solida Definizione di minerale Alcuni minerali familiari Come si classificano i minerali? Il nome dei minerali Cos è un cristallo? E lo stato cristallino? Che cos è una roccia? Come si formano le rocce? Classificazione in rocce ignee, sedimentarie e metamorfiche Alcune rocce familiari Tettonica delle placche e origine delle rocce La fabbrica di rocce della dorsale medio-oceanica La fabbrica di rocce nei margini di placche convergenti La fabbrica di rocce dei margini continentali divergenti (rift valley) La fabbrica di rocce dei pennacchi di mantello (hot-spot) La fabbrica di rocce nei margini passivi La fabbrica di rocce nei mari epicontinentali La fabbrica di rocce metamorfiche 31 Sommario 32 Domande di ripasso 33 Per approfondire 33 3 Come si identificano i minerali? Abito Stato di aggregazione Colore e lucentezza L origine dei colori nei minerali Sfaldatura Durezza Peso specifico (densità relativa) Peso specifico e struttura atomica Magnetismo, solubilità in acido, radioattività Metodi strumentali per la caratterizzazione quantitativa dei minerali Diffrazione dei raggi X su polveri Tecniche a sonda elettronica 51 Sommario 55 Domande di ripasso 56 Per approfondire 56 4 Gli aspetti fondamentali delle strutture cristalline Gli elementi chimici presenti in natura Raggi atomici e ionici Quali fattori controllano l impaccamento di ioni (e atomi) nelle strutture dei minerali? Regole di Pauling 64

2 IV Indice generale Quali forze tengono assieme le strutture cristalline? Configurazione elettronica degli atomi e degli ioni Legame chimico Sostituzioni atomiche Fattori responsabili del grado di sostituzione atomica (soluzione solida) Classificazione delle soluzioni solide 77 Sommario 78 Domande di ripasso 79 Per approfondire 80 5 Introduzione alla cristallografia Elementi e operazioni di simmetria Combinazioni di elementi di simmetria I sei (sette) sistemi cristallini Gli assi cristallografici La notazione di Hermann-Mauguin per la simmetria La notazione cristallografica per i piani nei cristalli La definizione di forma cristallina La notazione per le direzioni nei cristalli Proiezioni dei cristalli Sette dei trentadue gruppi puntuali Geminati Alcune considerazioni sui gruppi spaziali Gruppi spaziali Polimorfismo 116 Sommario 125 Domande di ripasso 125 Per approfondire I minerali e le rocce osservati al microscopio ottico a luce polarizzata La luce e il microscopio polarizzatore Il passaggio della luce attraverso un cristallo: indice e angolo di rifrazione Il passaggio della luce polarizzata attraverso i minerali Lamine accessorie e determinazione delle direzioni di vibrazione fast e slow Posizioni di estinzione e segno dell allungamento Colori d interferenza anomali, pleocroismo, assorbimento La tavola di identificazione dei minerali Indicatrice ottica uniassica Indicatrice ottica biassica Figure d interferenza uniassiche Determinazione del segno ottico Figura d interferenza biassica, segno ottico, angolo fra gli assi ottici Analisi modale 145 Sommario 146 Domande di ripasso 148 Per approfondire I minerali delle rocce ignee Gli elementi chimici più comuni della crosta terrestre, nei minerali e nelle rocce Calcolo delle formule dei minerali I diagrammi ternari (triangolari) Descrizione sistematica dei minerali più abbondanti nelle rocce ignee I plagioclasi: albite (NaAlSi 3 O 8 ) e anortite (CaAl 2 Si 2 O 8 ) K-feldspato: KAlSi 3 O 8 con i tre polimorfi (microclino, ortoclasio e sanidino) Quarzo: SiO 2 e i polimorfi tridimite, cristobalite, coesite e stishovite Nefelina: (Na,K)AlSiO Leucite: KAlSi 2 O Sodalite: Na 4 Al 3 Si 3 O 12 Cl Enstatite: MgSiO 3 -(Mg,Fe)SiO Pigeonite: ~Ca 0,25 (Mg,Fe) 1,75 Si 2 O Augite: (Ca,Na)(Mg,Fe,Al) (Si,Al) 2 O Egirina: NaFe 3+ Si 2 O Orneblenda: (Na,K) 0-1 Ca 2 (Mg,Fe,Al) 5 (Si,Al) 8 O 22 (OH) Muscovite: KAl 2 (AlSi 3 O 10 )(OH) Flogopite: KMg 3 (AlSi 3 O 10 )(OH) Biotite: K(Mg,Fe) 3 (AlSi 3 O 10 )(OH) Olivina: (Mg,Fe) 2 SiO Zircone: ZrSiO Tormalina: (Na,Ca,K)(Fe 2+,Mg,Al,Mn,Li) 3 (Al,Fe 3+ ) 6 (BO 3 ) 3 (Si 6 O 18 )(OH) 3 (O,OH,F) 4 172

3 Indice generale V 7.22 Allanite: (Ca,Ce) 2 (Al,Fe 2+,Fe 3+ ) 3 (SiO 4 ) (Si 2 O 7 )(OH) Melilite: (Ca,Na) 2 (Mg,Al)(Si,Al) 2 O Magnetite: Fe 3 O Cromite: FeCr 2 O Ematite: Fe 2 O Ilmenite: FeTiO Rutilo: TiO Uraninite: UO Pirite: FeS Pirrotina: Fe 1-x S Calcopirite: CuFeS Apatite: Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH,F,Cl) 182 Sommario 183 Domande di ripasso 183 Per approfondire La direzione e la velocità dei processi naturali: introduzione alla termodinamica e alla cinetica Termini termodinamici fondamentali Calore, lavoro e prima legge della termodinamica Entropia e seconda e terza legge della termodinamica Energia libera di Gibbs Variazioni dell energia libera di Gibbs in funzione di T e P Variazioni dell energia libera di Gibbs in funzione della composizione Equilibrio termodinamico Diagramma di fase termodinamico Diagrammi di fase multicomponenti Un semplice sistema a due componenti H 2 O-NaCl Fusione di una coppia di minerali: l eutettico Fusione congruente ed eutettici del granito e della sienite a nefelina Fusione incongruente e peritettico Relazioni di fusione di minerali soluzione solida Un semplice diagramma di fase ternario Sistema ternario granitico quarzo-albite-ortoclasio Un sistema basaltico ternario semplice: diopside-albite-anortite Diagrammi di fase più complessi Velocità dei processi geologici Leggi del trasporto Le velocità dei processi attivati e l equazione di Arrhenius Decadimento radioattivo Velocità del decadimento radioattivo Calcolo dell età assoluta sulla base del decadimento radioattivo Datazioni assolute con il decadimento di 87 Rb in 87 Sr Datazioni assolute con il metodo 40 K- 40 Ar Datazioni assolute con uranio e piombo Datazioni assolute con il decadimento di 147 Sm in 143 Nd Temperatura di chiusura Datazioni assolute con il metodo delle tracce di fissione 222 Sommario 223 Domande di ripasso 224 Per approfondire Come si formano le rocce ignee? Come e perché una roccia fonde? La composizione del mantello superiore Temperature di fusione della peridotite di mantello superiore Calore latente di fusione Il gradiente geotermico e la geoterma Le tre principali cause di fusione del mantello e il loro contesto tettonico Aumentare la temperatura della peridotite di mantello sopra i punti caldi Fusione per decompressione lungo i margini di placca divergenti Aggiungere acqua nei margini di placca convergenti (zone di subduzione) Effetto della pressione sulla fusione La pressione nella Terra 235

4 VI Indice generale L effetto della pressione sulla fusione anidra delle rocce Fusione idrata delle rocce e solubilità dell acqua nel magma Effetto della sottosaturazione dell acqua sulla fusione delle rocce Solubilità di altri gas nel magma Essoluzione di gas magmatici e vulcanismo esplosivo Proprietà fisiche del magma Densità Viscosità Diffusione nel magma, crescita dei cristalli e granulometria delle rocce ignee Risalita del magma Spinta di galleggiamento Risalita del magma per galleggiamento Solidificazione del magma nella crosta Raffreddamento di corpi magmatici per conduzione di calore Raffreddamento di corpi magmatici per convezione e radiazione Differenziazione magmatica per separazione di cristalli Compattazione del crystal mush Assimilazione e cristallizzazione frazionata Immiscibilità dei liquidi Evoluzione dei reservoir isotopici della Terra e origine dei magmi Evoluzione di Nd/ 144 Nd nella Terra, nel mantello e nella crosta Evoluzione di Sr/ 86 Sr nella Terra, nel mantello e nella crosta 260 Sommario 261 Domande di ripasso 262 Per approfondire Le rocce ignee: giacitura, classificazione e significato tettonico Perché è necessaria una classificazione delle rocce ignee? Giacitura delle rocce ignee I corpi intrusivi poco profondi: dicchi, sill, laccoliti, filoni a cono ad anello e diatremi I corpi ignei plutonici: lopoliti, batoliti e stock Corpi ignei estrusivi Classificazione delle rocce ignee dell International Union of Geological Sciences Moda e norma Classificazione IUGS per le rocce ignee Composizione delle più comuni rocce ignee plutoniche Classificazione IUGS delle rocce ignee vulcaniche Classificazione delle rocce vulcaniche di Irvine-Baragar Rocce ignee e loro contesto tettonico Rocce ignee formate ai margini di placche divergenti nelle dorsali medio-oceaniche Rocce ignee delle isole oceaniche formate al di sopra di punti caldi Plateau basaltici continentali e grandi province magmatiche Rocce ignee alcaline associate a rift continentali Rocce ignee prodotte vicino ai margini di placche convergenti Associazioni speciali di rocce precambriane Komatiiti Anortositi Rocce associate a impatti con grandi meteoriti 312 Sommario 315 Domande di ripasso 316 Per approfondire I minerali delle rocce sedimentarie e altri materiali Interazioni tra atmosfera terrestre e minerali Ghiaccio: H 2 O Goethite: FeO(OH) Caolinite: Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 323

5 Indice generale VII 11.5 Calcite: CaCO Aragonite: CaCO Dolomite: CaMg(CO 3 ) Magnesite: MgCO Siderite: FeCO Rodocrosite: MnCO Salgemma: NaCl Silvite: KCl Gesso: CaSO 4 2H 2 O Anidrite: CaSO Selce e agata: varietà microcristalline di SiO Fosforiti Il suolo 336 Sommario 337 Domande di ripasso 337 Per approfondire Formazione, trasporto e litificazione del sedimento Importanza dei sedimenti per capire la storia della Terra Weathering e formazione del sedimento Il ruolo della CO 2 nel weathering Prodotti del weathering Granulometria del materiale detritico Grado di arrotondamento e resistenza all abrasione Sedimenti di origine organica Formazione di sedimenti carbonatici e silicei Formazione degli idrocarburi nei sedimenti Sedimenti di origine chimica Sedimenti prodotti da erosione glaciale Trasporto del sedimento Flusso laminare e turbolento Trasporto delle particelle nei fluidi Movimento delle particelle nelle correnti di torbida Trasporto delle particelle nei debris flow Stratificazione nei sedimenti e nelle rocce sedimentarie Principio di sovrapposizione Cicli di Milankovitch Sedimenti e processi tettonici Ambienti di deposizione e loro significato tettonico Margini di placca convergenti Margini continentali passivi Bacini di rift e pull-apart Da sedimento a roccia sedimentaria: litificazione Porosità e compattazione Cementazione del sedimento Pressione-soluzione Ricristallizzazione, sostituzione e dolomitizzazione 366 Sommario 366 Domande di ripasso 367 Per approfondire Le rocce sedimentarie: classificazione, giacitura e significato tettonico Rocce sedimentarie silicoclastiche Peliti Arenarie Conglomerati e brecce Rocce sedimentarie carbonatiche Calcari Dolomie Rocce carbonatiche e tettonica delle placche Carbone Petrolio e gas naturale Evaporiti Fosforiti Rocce sedimentarie ferrifere 394 Sommario 394 Domande di ripasso 395 Per approfondire I minerali delle rocce metamorfiche Descrizione sistematica di alcuni minerali comuni nelle rocce metamorfiche Granato: (Mg 2+,Fe 2+,Mn 2+ ) 3 Al 2 Si 3 O 12 e Ca 3 (Fe 3+,Al 3+,Cr 3+ ) 2 Si 3 O Andalusite: Al 2 SiO 5 400

6 VIII Indice generale Sillimanite: Al 2 SiO Cianite: Al 2 SiO Staurolite: Fe 3-4 Al 18 Si 8 O 48 H Diopside: CaMgSi 2 O Antofillite: Mg 7 Si 8 O 22 (OH) Cummingtonite-Grunerite: Fe 2 Mg 5 Si 8 O 22 (OH) 2 -Fe 7 Si 8 O 22 (OH) Tremolite-Ferroactinolite: Ca 2 Mg 5 Si 8 O 22 (OH) 2 - Ca 2 Fe 5 Si 8 O 22 (OH) Glaucofane: Na 2 Mg 3 Al 2 Si 8 O 22 (OH) Wollastonite: CaSiO Rodonite: MnSiO Talco: Mg 3 Si 4 O 10 (OH) Clorite: (Mg,Al,Fe) 6 (Si,Al) 4 O 10 (OH) Antigorite: Mg 3 Si 2 O 5 (OH) Crisotilo: Mg 3 Si 2 O 5 (OH) Grafite: C Epidoto: Ca 2 Fe 3+ Al 2 O(SiO 4 ) (Si 2 O 7 )(OH). Clinozoisite: Ca 2 Al 3 O(SiO 4 )(Si 2 O 7 )(OH) Cordierite: (Mg,Fe) 2 Al 4 Si 5 O 18 nh 2 O Vesuvianite: Ca 19 (Al,Mg,Fe) 13 (Si 2 O 7 ) 4 (SiO 4 ) 10 (O,OH,F) Titanite: CaTiSiO Scapolite: 3NaAlSi 3 O 8 NaCl- 3CaAl 2 Si 2 O 8 CaSO 4 (o CaCO 3 ) Lawsonite: CaAl 2 (Si 2 O 7 )(OH) 2 H 2 O Pumpellyite: Ca 2 MgAl 2 (SiO 4 )(Si 2 O 7 )(OH) 2 H 2 O Topazio: Al 2 SiO 4 (F,OH) Corindone: Al 2 O Cabasite: Ca 2 Al 2 Si 4 O 12 6H 2 O 417 Sommario 418 Domande di ripasso 419 Per approfondire Le rocce metamorfiche Quali trasformazioni avvengono durante il metamorfismo? Un esempio di trasformazione metamorfica Perché le rocce si trasformano? Energia libera di Gibbs, motore delle trasformazioni metamorfiche Velocità delle reazioni metamorfiche Regola delle fasi di Gibbs e numero di minerali che una roccia metamorfica può contenere Grado e facies metamorfica Tessitura delle rocce metamorfiche Tessiture delle rocce metamorfiche di contatto Deformazione e tessiture delle rocce metamorfiche regionali Classificazione delle rocce metamorfiche Metamorfismo delle peliti Rappresentazione grafica di una semplice reazione metamorfica Una semplice griglia petrogenetica Gradiente metamorfico Rappresentazione grafica delle associazioni di minerali nelle metapeliti Associazioni mineralogiche delle zone metamorfiche di Barrow e parte della griglia petrogenetica per le metapeliti Metamorfismo di calcare dolomitico impuro Metamorfismo e fusione parziale: le migmatiti Geotermometri e geobarometri Significato tettonico del metamorfismo Percorsi pressione-temperaturatempo (P-T-t) Facies metamorfiche e tettonica delle placche 452 Sommario 454 Domande di ripasso 456 Per approfondire Minerali di interesse economico in vene e pegmatiti Oro: Au Argento: Ag Rame: Cu Diamante: C Zolfo: S Galena: PbS Blenda: ZnS 465

7 Indice generale IX 16.8 Bornite: CuFeS Calcocite: Cu 2 S Marcasite: FeS Molibdenite: MoS Arsenopirite: FeAsS Bauxite: una miscela di diasporo, gibbsite e boehmite Fluorite: CaF Baritina: BaSO Spodumene: LiAlSi 2 O Lepidolite: K(Li,Al) 2-3 (AlSi 3 O 10 )(OH,F) Alcuni minerali delle gemme 473 Sommario 476 Domande di ripasso 477 Per approfondire Alcuni materiali e risorse della Terra selezionati Materiali da costruzione Pietre da costruzione Mattoni, cemento e calcestruzzo Sabbia, ghiaia e pietrisco Giacimenti di ferro Minerali argillosi Giacimenti di rame Giacimenti di litio Elementi delle terre rare Zeoliti Risorse energetiche Riserve di petrolio, gas e carbone Gas da scisto e fratturazione idraulica Energia nucleare Energia geotermica 496 Sommario 497 Domande di ripasso 498 Per approfondire I materiali della Terra e la salute umana Il corpo umano e il suo fabbisogno di materiali della Terra Suoli e salute umana Fertilità del suolo Aumento delle produzioni agricole dei terreni coltivabili e impoverimento del suolo Fabbisogno di fertilizzanti Rischi cancerogeni e chimici derivanti da materiali della Terra Erionite Minerali che costituiscono l amianto Minerali della silice L arsenico, un esempio di materiale naturale pericoloso dal punto di vista chimico Pericoli sanitari legati alla radioattività Intrappolamento del carbonio per mitigare il cambiamento climatico Rischi legati a eruzioni vulcaniche Monitoraggio dell attività vulcanica Lahar Tsunami Effetti dell impatto di meteoriti 516 Sommario 517 Domande di ripasso 518 Per approfondire 519 Unità di misura comuni 520 Indice di minerali e rocce 521 Indice analitico 523 Glossario Risorse multimediali All indirizzo online.universita.zanichelli.it/klein sono disponibili le risorse multimediali di completamento al libro, indicate nel testo con l icona. Per accedere alle risorse protette è necessario registrarsi su my.zanichelli.it inserendo la chiave di attivazione personale contenuta nel libro.