CICLO GEOLOGICO E CIBO LA CROSTA TERRESTRE E LE ROCCE. Vincenzino Siani

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1 CICLO GEOLOGICO E CIBO LA CROSTA TERRESTRE E LE ROCCE Vincenzino Siani ricevuto il 15 giugno 2007

2 CICLO GEOLOGICO E CIBO LA CROSTA TERRESTRE E LE ROCCE Vincenzino Siani La crosta terrestre è la parte più esterna del nostro pianeta: il suo spessore varia fra 5 e 70 Km ed è formata da minerali e rocce di differenti origini e composizione. Le rocce sono per lo più aggregati naturali di diversi minerali o, a volte, di sostanze non cristalline e si classificano come omogenee (se formate da un solo minerale) o eterogenee (costituite da più minerali). Le masse rocciose di cui è costituita la crosta originano ed evolvono in condizioni ambientali molto varie; i tre fondamentali processi litogenetici sono detti magmatico o igneo, sedimentario e metamorfico. Il processo magmatico genera le rocce ignee: un magma ad alta temperatura e in condizioni di elevata pressione, raffreddandosi con modalità diverse, cristallizza in minerali che si aggregano a formare rocce. La cristallizzazione di un magma si completa a temperature non inferiori a 650 C: i fluidi residui, originariamente sciolti nel magma, caldissimi e ricchi di numerose specie ioniche, raffreddandosi danno luogo ad un corteo di ammassi minerali. Il processo sedimentario comprende l alterazione e l erosione dei materiali rocciosi affioranti in superficie dovuta ad agenti fisici e chimici: il trasporto delle sostanze erose e l accumulo in ambiente marino, portano, in tempi lunghissimi, alla formazione di rocce sedimentarie. Il processo sedimentario si svolge sulla superficie terrestre o nelle immediate vicinanze: è caratterizzato da basse temperature (fra 0 e 150 C) e da bassa pressione. Il processo metamorfico consiste nella trasformazione, allo stato solido, di rocce preesistenti sia magmatiche che sedimentarie, in condizioni ambientali assai diverse da quelle di origine: i minerali preesistenti sono distrutti e se ne formano altri con caratteristiche strutturali in equilibrio con le nuove condizioni ambientali. Le reazioni che portano alle rocce metamorfiche si verificano a temperature comprese fra 300 e 800 C e le pressioni sono quasi sempre elevate. Il processo si svolge entro la crosta e coinvolge nelle trasformazioni ampi spessori di roccia. Quando le temperature raggiungono valori elevati (fra 650 e 800 C), le condizioni ambientali vengono a coincidere con quelle di alcuni fusi magmatici, per cui si può avere il passaggio da metamorfismo a magmatismo (fusi anatettici). Sedimenti e rocce sedimentarie coprono gran parte della superficie delle terre emerse e dei fondali marini mentre gran parte del volume della crosta terrestre è costituito da rocce ignee e da rocce metamorfiche. Teoricamente, la superficie delle terre emerse, asportati vegetazione e suolo, risulterebbe formata per il 55-60% da rocce metamorfiche, per il 35-40% da rocce ignee e per circa il 5% da rocce sedimentarie ROCCE IGNEE La cristallizzazione delle prime rocce ignee, nelle fasi precoci della storia della Terra, diede origine alla formazione della crosta terrestre, e fu l inizio del ciclo geologico tuttora in atto. Le rocce ignee si formano per cristallizzazione in profondità o sulla superficie terrestre di magmi presenti allo stato fluido nel mantello superiore o nella crosta terrestre profonda.

3 Le rocce ignee si distinguono in intrusive (o plutoniche) e in effusive. Le prime (ad esempio il granito) originano nelle profondità della crosta terrestre e presentano cristalli di grandi dimensioni la cui formazione è legata ai lunghi tempi del processo di raffreddamento; le seconde si formano sulla superficie del pianeta per raffreddamento rapido dopo eruzioni vulcaniche: sono composte da cristalli piccoli e vetri vulcanici (ad esempio, ossidiane). Quarzo, feldspati, miche, pirosseni, anfiboli, olivina sono i minerali più comuni presenti nelle rocce ignee. La composizione chimica di tali rocce e la struttura dei silicati che in percentuali diverse le compongono è riportata nella Tabella 1.1. TABELLA Minerali comunemente presenti nelle rocce ignee. Minerale Composizione chimica Struttura dei silicati Minerali femici Olivina (Mg, Fe) 2 SiO 4 Tetraedri isolati Pirosseni (Mg, Fe, Ca,Al)SiO 3 Catene semplici Anfiboli (Mg, Fe, Ca, Al)Si 8 O 22 (OH) 2 Catene doppie Biotite (mica) (K, Mg, Ca, Al)Si 3 O 10 (OH) 2 Strati Minerali sialici Muscovite (mica) KAl 3 Si 3 O 10 (OH) Strati Plagioclasio (feldspato) NaAlSi 3 O 8, CaAl 2 Si 2 O 8 Impalcature tridimensionali Feldspato potassico KAlSi 3 O 8 Impalcature tridimensionali Quarzo SiO 2 Impalcature tridimensionali (da F. Press, R. Siever, 1997) Le rocce più ricche in silice sono dette sialiche o felsiche, quelle più povere sono dette femiche o mafiche. La composizione mineralogica delle rocce ignee è rappresentata come percentuale in volume di un dato minerale (anfibolo, biotite, plagioclasio, ecc.) per una roccia avente un dato contenuto in silice. La grande varietà di rocce ignee riscontrabile in natura dipende dalla composizione iniziale dei magmi: questa varia in funzione dell origine e delle varietà dei tipi di rocce che sono andate incontro a fusione, generando il magma. La parziale fusione delle rocce presenti nella parte superiore del mantello produce magma basaltico; un miscuglio di rocce sedimentarie e di rocce oceaniche basaltiche possono fondere insieme per formare magma andesitico; la fusione di rocce sedimentarie, ignee e metamorfiche continentali possono produrre un magma granitico Rocce acide e basiche I magmi ricchi in silice e alluminio danno origine a rocce di colore generalmente chiaro, formate da pochi silicati, molti alluminosilicati e una certa quantità di silice libera che solidifica in granuli di quarzo. Tali magmi sono detti acidi (silice presente in misura superiore al 65% in peso): ne derivano rocce acide o sialiche. Altri magmi hanno una quantità di silice inferiore al 52% e sono relativamente più ricchi in Fe, Mg e Ca: questi magmi sono detti basici e danno origine a rocce di colore scuro (dal verde, al grigio scuro, al nero), dette basiche o femiche, composte da molti silicati, pochi alluminosilicati e privi di silice libera. Un terzo gruppo di magmi ha composizione intermedia; contengono dal 52 al 65% in peso di silice, hanno un rapporto equilibrato fra silicati e alluminosilicati e sono detti neutri. Da magmi ultrabasici, con percentuale di silice inferiore al 45%, derivano rocce ultrabasiche o ultrafemiche, di colore molto scuro e formate essenzialmente da silicati di Fe e Mg.

4 La serie delle rocce intrusive Usando come base per la classificazione le percentuali di silice e la presenza di silicati caratteristici, la serie delle rocce intrusive inizia con il granito. Granito Il granito contiene circa il 70% di silice, una quantità abbondante di quarzo e di feldspato potassico, una minore quantità di plagioclasi, feldspati ricchi di sodio: questi minerali sialici di colore chiaro conferiscono al granito il suo colore rosa o grigio. Granodiorite La granodiorite è roccia sialica, di colore chiaro simile al granito e contiene un abbondante quantità di quarzo; il feldspato predominante è il plagioclasio. Diorite La diorite è costituita in prevalenza da plagioclasio e contiene una quantità scarsa o nulla di quarzo. Le dioriti contengono una quantità moderata di minerali femici (biotite, anfiboli e pirosseni) e tendono ad essere più scure dei graniti e delle granodioriti. Gabbro Il gabbro è roccia di colore grigio-scuro ricca di minerali femici, specialmente di pirosseni, ma priva di quarzo e con modeste quantità di plagioclasi. A percentuali molto basse di silice (solo il 45%) si trova la peridotite, una roccia di colore grigio verdastro scuro, costituita principalmente da pirosseni e olivina. FIGURA 1.1 Rocce ignee intrusive ed effusive e loro composizione. (da F. Press, R. Siever, 1997)

5 I plagioclasi sono più ricchi di sodio vicino all estremo del granito e più ricchi di calcio vicino all estremo del gabbro. Le rocce magmatiche effusive o vulcaniche sono classificate nello stesso modo delle rocce intrusive: Riolite Equivalente vulcanico del granito, ha la stessa composizione sialica e, spesso, la stessa colorazione chiara del granito, ma ha grana molto più fine. Andesite Equivalente vulcanico della diorite. Dacite Equivalente vulcanico della granodiorite. Basalto Il basalto, all estremo femico della serie, di colore da grigio scuro a nero, è l equivalente a grana fine del gabbro Rocce effusive con tessitura speciale Le tessiture speciali di alcune rocce sono in relazione con i molti modi in cui vengono effuse. Molte di esse solidificano da colate di lava; rocce piroclastiche, costituite da frammenti di lava e vetro lanciati nell aria fino a una quota elevata, sono prodotte da attività vulcanica esplosiva; frammenti più fini costituiscono le ceneri vulcaniche. Le rocce che ne derivano assumono il nome di piroclastiti Tettonica delle placche, magmi e rocce Per la teoria della tettonica delle placche esiste una connessione fra plutonismo e processo orogenetico e tra questi due e la dinamica dei movimenti delle placche. La subduzione dà origine alla formazione di vari tipi di magmi. La parte superiore di una placca oceanica in subduzione comprende crosta oceanica, costituita in gran parte da basalto derivato dalla dorsale, acqua e sedimenti deposti durante il tragitto della placca dalla dorsale oceanica alla zona di subduzione e non ancora compattati. Mentre la placca oceanica sprofonda, l aumento di temperatura e di pressione trasforma i sedimenti prima in rocce sedimentarie poi, a maggiori profondità, in rocce metamorfiche. Man mano che la litosfera scende a profondità maggiori, raggiunge le temperature di fusione delle rocce sedimentarie o delle rocce metamorfiche, con formazione di magmi. Questi, risalendo nella crosta, possono far fondere parti della placca sovrastante e, miscelandosi con tali fusi, subire cambiamenti di composizione. Da tali processi origina tutta una gamma di rocce ignee, sia intrusive sia effusive, con varia rappresentazione di minerali ed elementi chimici. I vulcani localizzati sulle parti più profonde della zona di subduzione, dove il processo di fusione è attivo, eruttano lave da basaltiche ad andesitiche o anche più siliciche. Questi vulcani e le loro rocce effusive formano gli archi vulcanici insulari. Quando la subduzione avviene al di sotto di un continente, vulcani e rocce effusive formano archi montuosi sulle terre emerse. Man mano che le catene montuose si formano, rocce intrusive cristallizzano in profondità in corpi di rocce ignee da femiche a sialiche, a seconda della composizione del magma di origine e del grado della sua differenziazione. Ogni evento della tettonica delle placche produce la propria distribuzione di rocce ignee: le colate laviche e le pirocla-

6 stiti eruttate dai vulcani; i batoliti, i dicchi e i filoni-strato intrusi in profondità; tutta un ampia varietà di rocce che derivano da magmi di composizioni varie, differenziati per vie diverse. Ciascuna di tali entità, affiorata in superficie, diviene oggetto di disgregazione e dissoluzione: i minerali e gli elementi che costituiscono le rocce ignee giocano ruoli differenti ed essenziali nell origine e nel perpetuarsi dei cicli vitali ROCCE SEDIMENTARIE Le rocce sedimentarie derivano dai processi che si svolgono nella parte del ciclo litologico relativa alla superficie: degradazione meteorica, erosione, trasporto, deposizione, sedimentazione, seppellimento e diagenesi. Le rocce sedimentarie rappresentino il 5% della composizione complessiva della crosta superiore e, tuttavia, coprono gran parte della superficie del pianeta. Ogni roccia che arrivi ad affiorare in superficie è attaccata dagli agenti atmosferici che ne provocano la disgregazione in frammenti e l alterazione dei minerali originari, con intensità e modi diversi secondo i climi. Gran parte dei sedimenti è formata da frammenti di rocce disgregate e trasportate da ghiacciai e da fiumi; seguono gusci o scheletri di macro e microrganismi animali e vegetali, sabbie trasportate dal vento, ceneri vulcaniche, polveri cosmiche e prodotti di disgregazione delle meteoriti che entrano nell atmosfera. La litificazione avviene essenzialmente attraverso processi di compattazione (dovuta al peso dei materiali che progressivamente vanno sovrapponendosi) e di cementazione (per precipitazione di sali trasportati da acque circolanti). La maggior parte delle rocce sedimentarie è prodotta dall accumulo meccanico di frammenti derivati da rocce preesistenti, spesso alterate chimicamente dal contatto con fluidi e gas contenuti nell atmosfera e disgregate ad opera di agenti quali il gelo, le acque dilavanti, i fiumi, il vento, la caduta per gravità ecc. (agenti esogeni). Si è soliti distinguere rocce sedimentarie detritiche o clastiche, rocce organogene o biogene e rocce di origine chimica Le rocce clastiche o detritiche Sono rocce formate da frammenti di altre rocce di ogni tipo, che si accumulano in trappole di sedimentazione, quando il mezzo che li trasporta (acqua, vento, ghiaccio) perde la sua energia. Nella loro classificazione si tiene conto delle dimensioni dei clasti: si distinguono psefiti o ruditi se i clasti sono grossolani (diametro massimo superiore a 2 mm); psammiti o areniti, con clasti medio-fini (tra 2 e 1/16 di mm) e peliti o lutiti, con clasti finissimi (sotto 1/16 di mm). Le psefiti sono i conglomerati che derivano dalla lenta cementazione delle ghiaie. Si dividono in brecce, con ciottoli spigolosi, e puddinghe, con ciottoli arrotondati. Psammiti Comprendono le arenarie, sabbie cementate che possono essere ricche di granuli di quarzo (arenarie quarzose), o di frammenti di feldspati (arenarie feldspatiche), o di detriti di calcare (arenarie calcaree). Peliti Tipiche peliti sono le argille: assumono il nome di argilliti quando si compattano per diagenesi, perdendo acqua. Flysch I flysch sono masse rocciose miste, formate spesso da alternanze di strati di arenarie e di argilliti (da risedimentazione su una piana abissale, in seguito a correnti di torbida) a debole spessore ma ripetute migliaia di volte. Marne Le marne derivano da una mescolanza di calcare di origine detritica o chimica e di argilla di origine detritica, secondo varie proporzioni; si distinguono calcari, marne argillose e calcari marnosi.

7 Piroclastiti Depositi di materiali di varie dimensioni (ceneri e lapilli) emesse dalle esplosioni vulcaniche Rocce organogene Sono formate quasi esclusivamente da accumulo di sostanze legate ad un attività biologica. Si possono distinguere semplici accumuli di gusci e apparati scheletrici, ammassi di organismi costruttori quali coralli e spugne, ecc.. Tipiche rocce organogene sono le rocce carbonatiche, formate quasi esclusivamente da carbonato di calcio (CaCO3, calcite); tra queste sono comunissimi i calcari organogeni, sia bioclastici (per accumulo di gusci) sia biocostruiti. L accumulo di gusci di organismi che utilizzano la silice invece della calcite, porta alle rocce organogene silicee. Tra queste la più diffusa è la selce, formata da SiO 2. Altre rocce a base di silice sono le diatomiti, lacustri o marine, formate da miliardi di gusci di diatomee e resti più scarsi di altri microorganismi. Rocce organogene sono anche i carboni fossili e gli idrocarburi Rocce sedimentarie di origine chimica Si depongono per semplice precipitazione sul fondo di bacini acquei, di composti sciolti nell acqua del mare o dei laghi. Appartengono a questo gruppo i carbonati, calcari e dolomie: a volte questi materiali derivano da precipitazione di CaCO 3 o di CaMg(CO 3 ) 2 nell acqua del mare, senza l intervento di organismi viventi. sovrapposti e/o concentrici, non di rado a colore diverso. Anche alcune rocce silicee possono derivare direttamente da precipitazione chimica, sul fondo del mare o in corrispondenza di sorgenti termali. Fenomeni di precipitazioni per evaporazione del solvente sono invece all origine delle evaporiti. Quando un bacino marino rimasto isolato evapora completamente o quasi, sul suo fondo si depositano i sali contenuti nell acqua di mare, in ordine inverso di solubilità: prima la calcite e la dolomite, poi il gesso e l anidrite, infine il salgemma, la silvite e la carnallite (cloruri di Na, K, Mg). Sono di origine chimica anche le rocce residuali dovute ad alterazione della roccia affiorante e successivo dilavamento delle sostanze solubili. L alterazione meteorica dei silicati contenuti nelle rocce ignee o metamorfiche provoca, in aree tropicali, a clima caldo e molto umido, l allontanamento in soluzione di silice insieme a Mg, Ca, Na, K, con formazione di lateriti, costituite da idrossidi ricchi di Al e Fe, e di bauxiti, se anche il Fe viene allontanato ROCCE METAMORFICHE Il termine metamorfismo indica la trasformazione, in termini di specie di minerali e di struttura interna, di una qualsiasi delle rocce ignee e sedimentarie quando cambiano le condizioni ambientali (temperatura, pressione) in cui si trovano. Il metamorfismo si verifica all interno della crosta terrestre, spesso in seguito a processi di sprofondamento di rocce poste in superficie; durante tale processo le rocce mantengono lo stato solido, senza passare allo stato fuso. Al termine della cristallizzazione metamorfica compaiono nuove associazioni mineralogiche, espressione del nuovo equilibrio fra roccia e ambiente. Si distingue un metamorfismo da contatto in cui le rocce, a diretto contatto di un magma in risalita, modificano la loro composizione in minerali, e un metamorfismo regionale in cui movimenti della crosta terrestre fanno sprofondare masse di rocce sedimentarie o magmatiche, che sono così sottoposte a temperature crescenti e a forti pressioni. Quando prevale l azione delle forti pressioni, a profondità relativamente basse, risulta accentuato il carattere della scistosità delle rocce; al crescere della temperatura e della profondità tale carattere viene perduto.

8 L associazione minerale di una roccia metamorfica dipende principalmente dalla composizione della roccia originaria Famiglie di rocce metamorfiche Le rocce metamorfiche costituiscono il 55-60% delle rocce esposte sulla crosta terrestre. Tra i tipi principali vi sono: Filladi Derivate da metamorfismo di basso grado di rocce argillose o argillo-sabbiose; sono formate da minutissimi cristalli di quarzo, mica e clorite e la scistosità è molto accentuata. Micascisti Sottili strati alternati di piccoli cristalli di quarzo e miche che conferiscono alla roccia la tipica scistosità. Derivano da metamorfismo regionale di grado da medio ad elevato di rocce argillose e si distinguono in numerosi tipi secondo i minerali prevalenti: micascisti a granati, ad anfiboli, a tormalina o anche a grafite. I micascisti sono tipici delle facies degli scisti verdi e delle anfiboliti. Gneiss Derivano da metamorfismo regionale da medio ad alto su originarie rocce argillose contenenti quarzo in granuli minuti e alluminosilicati; sono costituiti da feldspato potassico, plagioclasio e miche. Hanno composizione simile ai graniti, ma con minerali isorientati, tanto da originare una sia pur modesta scistosità. La sequenza filladi-micascisti-gneiss riunisce tappe a metamorfismo crescente di rocce sedimentarie argilloso-arenacee. Quarziti Dal metamorfismo di rocce arenacee quarzose, Calcescisti Da calcari marnosi o marne, per metamorfismo regionale di grado basso o medio Serpentiniti Da metamorfismo regionale di basso grado di rocce ignee ultrabasiche (peridotiti). Le serpentiniti sono rocce scistose di colore verde in cui abbonda il serpentino, minerale costituito da silicato di magnesio che deriva dalla trasformazione di minerali femici, come olivina, pirosseno e anfiboli. Calcescisti e serpentiniti rientrano nella facies degli scisti verdi. In zone della crosta caratterizzate da alte pressioni e temperature relativamente basse si formano scisti a glaucofane (un anfibolo azzurro), derivati dal metamorfismo a basso grado di lave basaltiche (caratterizzano la facies degli scisti blu). Per metamorfismo di rocce basiche, in condizioni di pressione molto elevate e di elevate temperature, originano le eclogiti, rocce a pirosseno e granato, ad alta densità. A metamorfismo di alte temperature e pressioni variabili, in condizioni di assenza o scarsezza di acqua, sono attribuite le granuliti a granati, rocce silicatiche ricche di feldspati e pirosseni. Il carattere della scistosità del quale sono provviste gran parte delle rocce metamorfiche, le rende più attaccabili dagli agenti atmosferici e da fattori biotici, essendo la superficie di contatto estesa dalla facilità dello smembramento in fogli sottili dell intera roccia. Ecologia della Nutrizione 2007