TERRA suddivisa in SOLIDA. determinano il movimento delle. responsabili di PLACCHE

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1 1 PIEGHE FAGLIE ACQUA O 2 CO 2 ORGANISMI TEMPERATURA PRESSIONE VENTO dovute a TRASFORMAZIONI si deformano con CHIMICHE subiscono ROCCE classificate in base alla genesi in dovuta a DEGRADAZIONE FISICA MINERALI MAGMATICHE SEDIMENTARIE METAMORFICHE si trasformano dando origine al costituita da CICLO LITOGENICO caratterizzata da TERRA suddivisa in SOLIDA CALORE INTERNO CROSTA LITOSFERA che provoca CICLI CONVETTIVI provocano determinano il movimento delle MANTELLO NUCLEO ASTENOSFERA MESOSFERA FENOMENI VULCANICI FENOMENI SISMICI responsabili di PLACCHE

2 2 COMPOSIZIONE DELLA TERRA SOLIDA: MINERALI E ROCCE Delle tre sfere che costituiscono la parte abiotica dell ambiente Terra quella che ci è più familiare è la LITOSFERA, solida e posta sotto alle due sfere fluide: l atmosfera e l idrosfera. Essa è costituita pa una parte interna rigida, il mantello e da una parte esterna leggera e più sottile detta crosta terrestre su cui noi ci muoviamo, edifichiamo città, ponti, strade e di cui utilizziamo le materie prime. La crosta terrestre è formata per il 98,6% da 8 elementi chimici ovvero su grammi di crosta 986 g sono formati da solo 8 elementi mentre i restanti 14 g sono formati dagli altri 80 elementi esistenti in natura Fig. 1 Abbondanza percentuale degli elementi sulla crosta terrestre O Si Al Fe Ca Mg Na K altri La litosfera è costituita dalle rocce che a loro volta sono costituite da minerali. La differenza fondamentale tra rocce e minerali è che le rocce sono miscugli eterogenei in fase solida mentre i minerali sono dei composti ovvero delle sostanze pure. Una roccia è un miscuglio eterogeneo di due o più minerali (solo le rocce calcaree sono costituite da un solo tipo di minerale il carbonato di calcio CaCO 3 ). Non si possono rappresentare, come i minerali, con una formula chimica. Una roccia potrà essere definita solo dai valori percentuali dei minerali che la compongono. Se si osserva invece una roccia, con l aiuto di una lente d ingrandimento, si osserva che essa è costituita generalmente da particelle di forma, dimensione, colore diversi, tutte aggregate insieme: tali particelle sono minerali, per cui si dice che le rocce sono aggregati naturali di minerali diversi. Identificare minerali e rocce è importante perché ogni roccia è in grado di raccontare un po della storia della Terra. I MINERALI 1. DEFINIZIONE E CARATTERISTICHE Un MINERALE è un solido cristallino di composizione chimica ben definita e di origine naturale Cerchiamo di capire meglio la definizione. Un minerale è un solido cristallino in quanto le particelle che lo costituiscono occupano posizioni fisse ed ordinate tanto da definire un cristallo avente una forma esterna ben definita detta abito cristallino e con una caratteristica temperatura di fusione al contrario dei solidi amorfi nei quali le particelle sono disposte in modo più disordinato e non hanno una ben definita temperatura di fusione. La forma esterna del cristallo rispecchia il preciso ordine geometrico con cui sono disposte le particelle che costituiscono il minerale. L unità fondamentale del cristallo prende il nome di cella elementare, che si ripete all infinito nello spazio creando una complessa struttura tridimensionale che prende il nome di reticolo cristallino. a b Fig. 2 a) rappresentazione schematica della cella elementare del salgemma ( cloruro di sodio NaCl): gli atomi di sodio sono colorati in rosso e quelli di cloro in verde; b) rappresentazione schematica della struttura ideale di un cristallo di salgemma con il suo classico reticolo a forma cubica

3 3 Un solido può essere così classificato: SOLIDO CRISTALLINO Le particelle che lo costituiscono occupano posizioni fisse ed ordinate del reticolo tanto da definire cristallo un corpo solido che si presenta in natura in forma poliedrica ben definita e variabile da specie a specie, modellatasi spontaneamente in conseguenza alla struttura chimica della sostanza che lo costituisce. Hanno una ben definita temperatura di fusione T f. AMORFO Le particelle che lo costituiscono sono disposte in modo casuale e non ordinato. Non hanno temperatura di fusione ben definita ma fondono entro un intervallo di temperature T f. E per questo importante specificare che i minerali sono solidi cristallini per distinguerli dai solidi amorfi. Un minerale ha una composizione chimica ben definita ovvero è rappresentabile con una formula chimica che indica esattamente il numero e il tipo di atomi che lo compongono. Questo è il primo criterio per distinguere un minerale da una roccia: es carbonato di calcio CaCO 3, ortosilicato di calcio Ca 2 SiO 4, solfato di calcio CaSO 4, ecc. La determinazione della composizione chimica dei minerali assume particolare importanza soprattutto per quei minerali, detti isomorfi ovvero che presentano il fenomeno dell ISOMORFISMO in conseguenza del quale due minerali diversi ovvero con differente composizione chimica possono avere una uguale struttura cristallina ( ad esempio il carbonato di bario BaCO 3 e il carbonato di piombo PbCO 3 ). Accanto al fenomeno dell isomorfismo, i minerali presentano il fenomeno del POLIMORFISMO ovvero la capacità di un solido cristallino di assumere strutture cristalline diverse al variare della temperatura e della pressione: variando questi due parametri si può passare da una forma cristallina all altra. Un esempio è lo zolfo che può assumere le forme di zolfo rombico o zolfo monoclino. Un altro esempio è rappresentato dal diamante (enormemente pregiato!) e dalla grafite (di scarso valore commerciale): la cella elementare è sempre costituta da 6 atomi di C ma i reticoli cristallini sono diversi. Un minerale è un solido di origine naturale: ad esempio un minerale come il salgemma è ottenuto per evaporazione spontanea, ovvero naturale, delle acque salate. 2. LE PROPRIETA DEI MINERALI Ogni minerale è identificabile in base alla composizione chimica e alla struttura cristallina: ci sono però anche delle proprietà fisiche che permettono facilmente di distinguere un minerale dall altro: Peso specifico espresso in g/cm 3. E il metodo più rapido per riconoscere i minerali. Si ottiene facendo il rapporto tra il peso del minerale e quello di un ugual volume di acqua distillata a 4 C. Durezza di un minerale che consiste nella resistenza che esso oppone all incisione da parte di un altro corpo. Viene stabilita attraverso l uso della scala di Mohs in cui ogni minerale successivo nella scala è in grado di incidere quello precedente. 1. TALCO 2. GESSO 3. CALCITE 4. FLUORITE 5. APATITE 6. ORTOCLASIO 7. QUARZO 8. TOPAZIO 9. CORINDONE 10. DIAMANTE Teneri si rigano con l unghia Semiduri si rigano con una punta d acciaio Duri non vengono rigati da una punta d acciaio e rigano il vetro

4 4 1. talco 2. gesso 3. calcite 4. fluorite 5. apatite 6. ortoclasio 7. quarzo 8. topazio 9. corindone 10 diamante Fig. 3 I minerali della scala di Mohs Sfaldatura è la proprietà che hanno certi minerali di fratturarsi secondo piani ben definiti, paralleli alla superficie del cristallo: dipende dalla natura dei legami chimici che uniscono gli atomi all interno del reticolo cristallino. Tenacità è l insieme delle proprietà che consentono ad un minerale di deformarsi sotto l azione di una forza. Proprietà ottiche, come ad esempio la lucentezza e il colore, riguardanti il comportamento dei minerali nei confronti della luce. Il colore dei minerali dipende anche dal tipo di elementi da cui esso è formato. Proprietà magnetiche ed elettriche Punto di fusione è la temperatura a cui un minerale passa dallo stato solido a quello liquido 3. LA CLASSIFICAZIONE DEI MINERALI Dal punto di vista della loro origine sono classificati in: MINERALI PRIMARI: sono quelli che si sono formati a temperature elevate e sono ereditati dal suolo da rocce eruttive e metamorfiche MINERALI SECONDARI sono invece quelli che si sono formati a temperature più basse ed ereditati dal suolo da rocce sedimentarie oppure formatisi per alterazione di minerali primari. Dal punto di vista chimico i minerali posso essere ELEMENTI (NATIVI) che a loro volta posso essere metallici (,Au,Ag,Cu,) o non- metallici (zolfo, diamante, grafite), oppure COMPOSTI ovvero formati dall unione con legami chimici di due o più elementi diversi ( carbonati, silicati, solfati, ecc.) I minerali vengono classificati in tal caso rispetto al tipo di anione presente. ELEMENTI NATIVI sono formati da un solo elemento METALLICI (oro, argento, rame) NON METALLICI (zolfo e carbonio nelle due forme di diamante e garfite) MINERALI COMPOSTI sono formati da due o più elementi SILICATI contengono lo ione SiO 4 2 NON SILICATI SIALICI che contengono solo Si, O e Al FEMICI - che sono ricchi anche di Fe e Mg OSSIDI e IDROSSIDI (ioni O 2 e OH ) SOLFATI ( ione SO 4 2 ) SOLFURI (ione S 2 ) CARBONATI (ione CO 3 2 ) FOSFATI (ione PO 4 2 ) ALOGENURI (ioni Cl, F, I, Br

5 5 Degli 8 elementi di cui abbiamo parlato precedentemente solo l ossigeno forma ioni negativi o anioni (O 2 ) mentre tutti gli altri formano ioni positivi o cationi. Dalla tabella seguente, possiamo vedere quali sono i cationi metallici a cui si legano più frequentemente gli anioni in base ai quali abbiamo classificato i minerali: cationi a anioni Na + Mg 2+ Al 3+ K + Ca 2+ Fe 2+ MINERALI 4 SiO 4 silicati O 2 ossidi OH idrossidi SO 2 4 solfati S 2 solfuri CO 3 2 carbonati PO 4 3 fosfati CI aloidi Tab. 1 Abbinamento ioni e cationi nei minerali I SILICATI Sono certamente il più diffuso gruppo di minerali perché si trovano presenti in quasi tutti i tipi di rocce. Come si può osservare dalla precedente tabella lo ione silicato è combinato principalmente con gli ioni sodio (Na + ), potassio (K + ), calcio(ca 2+ ), magnesio (Mg 2+ ), alluminio (Al 3+ ) e gli ioni ferro (Fe 2+ e Fe 3+ ). L unità strutturale fondamentale è lo ione silicato SiO 4 4. In base alle caratteristiche chimiche e fisiche possiamo distinguere i silicati in due gruppi: FEMICI, ricchi di ferro e magnesio; essi hanno densità elevata e una colorazione scura, verde, bruna o nerastra; a questo gruppo appartengono i minerali come l olivina, i pirosseni, gli anfiboli e la biotite; SIALICI, cosiddetti perché contengono prevalentemente silicio, ossigeno e alluminio : essi hanno una densità minore di quelli femici e una colorazione chiara; a questo gruppo appartengono il quarzo, un minerale molto duro e resistente agli agenti atmosferici, e i feldspati, silicati molto diffusi in tutte le rocce, in cui qualche atomo di Si presente al centro del tetraedro può essere sostituito da un atomo di alluminio. SILICATI MINERALI rapporto densità Si/O olivina 1/4 3,3 4,3 FEMICI pirosseni 1/3 3 4 anfiboli 4/11 2,8 3,6 mica 2/5 2,6 3,3 feldspati 1/2 2,6 2,8 SIALICI (ortoclasio, plagioclasio) quarzo 1/2 2,6 Quarzo rosa Olivina Orneblenda Fig. 4 Minerali silicati Tab. 2 Classificazione dei silicati

6 6 NON SILICATI OSSIDI E IDROSSIDI Fig. 5 Ematite Corindone Il caso più semplice è quello in cui l'anione è quello dell'ossigeno O 2 che si combina direttamente con ioni postivi. I minerali che lo contengono vengono chiamati OSSIDI. Quando l ossigeno è legato all idrogeno si hanno gli IDROSSIDI che contengono lo ione OH. Minerali che appartengono a questa classe sono la magnetite e l ematite (ossidi di ferro Fe 3 O 4 e Fe 2 O 3 ), il corindone ( Al 2 O 3 ossido di alluminio), la bauxite (idrossido di alluminio Al(OH) 3 ). SOLFATI Contengono lo ione solfato SO 4 2 ( in cui un atomo di zolfo è legato a 4 atomi di ossigeno) l minerali più noti sono il gesso (solfato di calcio) e la barite Fig. 6 Barite Gesso, varietà selenite SOLFURI Sono costituiti da atomi metallici legati chimicamente ad un atomo di zolfo:pirite (solfuro di ferro FeS)) galena (solfuro di piombo PbS) cinabro (solfuro di mercurio HgS)) Fig. 7 Cristalli cubici di pirite Galena Cinabro CARBONATI Fig. 8 Calcite Dolomite Sono caratterizzati dalla presenza dello ione carbonato CO 3 2 in cui un atomo di carbonio è legato a 3 atomi di ossigeno). Sono minerali che abbondano particolarmente entro le rocce sedimentarie. Si riconoscono facilmente perché quando vengono a contatto con una sostanza acida liberano bollicine di anidride carbonica CO 2, corrodendosi. Tipici esempi sono la calcite (carbonato di calcio CaCO 3 ) e la dolomite CaMg(CO 3 ) 2.

7 7 FOSFATI Sono caratterizzati dalla presenza dello ione fosfato PO 4 3 (in cui l atomo di fosforo P è legato a 4 atomi di ossigeno). I più diffusi sono i fosfati di calcio noti con il nome di apatite. Fig. 9 Apatite ALOGENURI Comprendono i minerali che contengono ioni cloro, fluoro, bromo e iodio uniti a ioni metallici. Il più noto è il salgemma; è questo il nome assunto dal comune sale da cucina (cloruro di sodio NaCl) quando si trova dentro le rocce. Fig. 10 Salgemma 3. LA FORMAZIONE DEI MINERALI Le strutture ordinate che costituiscono i minerali hanno origine durante i processi di cristallizzazione, una serie di trasformazioni che permette agli atomi di legarsi tra loro in una struttura cristallina. E possibile distinguere due processi fondamentali di cristallizzazione: la cristallizzazione per raffreddamento che avviene quando gli atomi o le molecole che compongono la sostanza allo stato fluido si dispongono in una struttura cristallina ordinata a causa di una diminuzione di temperatura. Se il raffreddamento avviene lentamente si formano minerali con facce ben formate e caratteristiche di ognuno; se invece il raffreddamento è veloce, per esempio avviene in acqua o a contato con l aria, si formano solidi amorfi o vetrosi cioè con una disposizione degli atomi disordinata. Inoltre, a seconda della pressione, da fluidi con una stessa composizione chimica si possono formare strutture cristalline diverse, come nel caso del diamante e della grafite che sono formati entrambi unicamente da atomi di C ma disposti in modo diverso; il diamante si forma a pressioni molto elevate, mentre la grafite a pressioni molto più basse; la cristallizzazione per precipitazione avviene quando gli ioni positivi e negativi disciolti in acqua si legano formando una sostanza solida insolubile in acqua che precipita formando solidi cristallini. Questo processo avviene per evaporazione dell acqua, come accade per il salgemma in una salina. LE ROCCE Una ROCCIA è aggregato naturale solido di due o più minerali (solo le rocce calcaree sono costituite da un solo tipo di minerale il carbonato di calcio o calcite CaCO 3 ). Non si possono rappresentare con una formula chimica ma da valori percentuali dei minerali che la compongono. Ogni roccia è contraddistinta da una determinata composizione mineralogica, cioè dal tipo e dalla quantità percentuale dei minerali che la costituiscono. Nonostante si conoscano 3000 specie diverse di minerali, ogni roccia è costituita da pochissimi minerali, detti fondamentali; gli eventuali altri minerali, presenti in percentuale minore, sono detti accessori. Le rocce vengono classificate in base all'origine dei minerali di cui sono costituite ovvero in base al processo che ne ha determinato la genesi e si distinguono in:

8 8 PRIMARIE rocce IGNEE che derivano direttamente dal raffreddamento del magma sia superficiale (eruzioni vulcaniche) che profondo (camera magmatica). SECONDARIE rocce SEDIMENTARIE che si originano dalla deposizione e successiva compattazione dei prodotti di disgregazione e alterazione di rocce preesistenti trasportati dai fiumi, dai ghiacciai e dal vento; rocce METAMORFICHE che derivano da rocce preesistenti (PROTOLITI) che subiscono modificazioni cristalline dovute in genere ad aumenti di temperatura e/o di pressione, spesso legati a fenomeni tettonici. ROCCE IGNEE = 17 % ROCCE SEDIMENTARIE = 66% ROCCE METAMORFICHE = 17 % 8% EFFUSIVE 9% INTRUSIVE 1. LE ROCCE IGNEE classificazione, caratteristiche strutturali e composizione mineralogica Le rocce magmatiche derivano dalla fusione e successivo raffreddamento del magma una massa fusa e incandescente di minerali presenti all interno della crosta terrestre o nella parte superiore del sottostante mantello. I magmi vengono suddivisi in quattro tipi principali a seconda della percentuale di silice (SiO 2 ) in essi contenuta: MAGMI ACIDI % SiO 2 > 65% ( o MAGMI SILICATICI che sono i più diffusi) MAGMI NEUTRI 52% < SiO 2 < 65 % MAGMI BASICI % SiO 2 <55% MAGMI ULTRABASICI % SiO 2 <45% I magmi acidi differiscono da quelli basici, oltre che per il contenuto di SiO 2 anche per composizione chimica, temperatura e viscosità. I magmi basici presentano infatti temperature di formazione iniziali attorno ai 1200 C, maggiori rispetto a quelle dei magmi acidi che sono invece tra 800 e 1000 C: i magmi acidi sono però più viscosi di quelli basici, perché la viscosità aumenta all aumentare del contenuto di ossidi di silicio e di alluminio. Poiché il magma ha una densità minore delle rocce solide, appena trova delle fenditure tende a salire verso l alto. Lungo il suo percorso trova però delle rocce più fredde a cui cede calore per conduzione, raffreddandosi. La diversa natura chimica dei minerali che costituiscono il magma fa sì che durante il raffreddamento non solidifichino tutti contemporaneamente e allo stesso modo non fondono tutti contemporaneamente: la solidificazione del magma avviene quindi gradualmente, per frazioni, secondo un processo chiamato cristallizzazione frazionata ( il processo opposto è la fusione frazionata). Dal raffreddamento di questi diversi tipi di magma derivano rispettivamente le rocce acide, intermedie e basiche. Poiché le rocce ignee si formano direttamente dal magma, i minerali che entrano in maggior quantità nella loro composizione sono i silicati che vengono detti minerali essenziali mentre gli altri minerali, presenti in quantità più modeste, sono detti accessori. A parità di composizione mineralogica le rocce ignee vengono classificate in base al modo in cui il magma si raffredda per cui si hanno:

9 9 ROCCE INTRUSIVE o PLUTONICHE Quando il processo di raffreddamento della massa fusa è avvenuto lentamente in profondità. Queste rocce hanno una struttura costituita da cristalli ben formati con una disposizione ordinata delle particelle ( detta olocristallina granulare) e visibili ad occhio nudo perché la lentezza di raffreddamento del magma ha permesso di raggiungere un ordine cristallino. Tale struttura viene chiamata anche granitoide dal nome della roccia più rappresentativa : il granito. Le rocce intrusive possono venire alla superficie a causa dei movimenti della crosta terrestre e degli effetti demolitivi degli agenti meteorici sulle rocce soprastanti. ROCCE EFFUSIVE o VULCANICHE Quando il processo di raffreddamento della massa fusa è avvenuto rapidamente sulla superficie in seguito ad un brusco abbassamento della temperatura e della pressione ( dia alcune migliaia di atmosfere): la massa fusa si consolida rapidamente e i gas magmatici si disperdono rapidamente nell atmosfera. Il passaggio allo stato solido si verifica bruscamente impedendo ai cristalli di crescere e di raggiungere un ordine cristallino e la roccia assume una struttura amorfa o vetrosa: si formano così cristalli molto piccoli da poter essere visti solo al microscopio che danno origine ad una struttura cristallina non ordinata detta anche microcristallina. Solo se il magma ha cominciato a raffreddarsi in profondità e poi è salito velocemente in superficie hanno potuto formarsi pochi cristalli di dimensioni discrete, che in certi campioni di roccia sono visibili ad occhio nudo, chiamati fenocristalli che poi vengono avvolti da un composto microcristallino o vetroso. Tale struttura viene chiamata porfirica dal nome della roccia più rappresentativa : il porfido. Le rocce effusive che si sono formate in questo modo sono anche dette ipoabissali. cristallizzano lentamente cristallizzano velocemente Fig.11 Schema delle rocce ignee cristallizzano prima lentamente e poi velocemente E'possibile classificare le rocce eruttive in base al tipo di magma che le ha originate. In tabella, nella pagina successiva, riportiamo la classificazione delle rocce ignee in acide, neutre, basiche e ultrabasiche mettendo in evidenza il tipo di roccia più abbondante fra quelle intrusive e quelle effusive e le corrispondenti caratteristiche:

10 10 INTRUSIVE o PLUTONICHE ROCCE MAGMATICHE EFFUSIVE o VULCANICHE SIALICHE o ACIDE Acide SiO 2 > 65% GRANITI GRANODIORITI (nelle Alpi-Monte Bianco, in Calabria,nell isola d Elba e in sardegna) RIOLITI o PORFIDI OSSIDIANE POMICE (Trentino Alto Adige, isola di Pantelleria, isole Eolie e in Sardegna) colore chiaro NEUTRE 50% < SiO 2 < 65 % DIORITI SIENITI (le dioriti sono rare in Italia) ANDESITI TRACHITI ( Colli Euganei, Sardegna, Veneto, Toscana, Campania, Sicilia, isole di Ischia e vulcano) a puntini MAFICHE o BASICHE SiO 2 < 55% ULTRABASICHE SiO 2 < 45% GABBRI (Piemonte, Liguria e Toscana) PERIDOTITI (poche in Trentino Alto Adige) BASALTI (Veneto, laghi di Bolsena, vico e Bracciano, Sicilia intorno all Etna, a ustica e in sardegna) PICRITI (rare in superficie, abbondano sul fondo degli oceani) colore scuro colore molto scuro Tab. 3 Classificazione delle rocce magmatiche Cerchiamo di capire perché sono state colorate le celle dei graniti e dei basalti. Se esaminiamo le rocce magmatiche che costituiscono la crosta terrestre, si rimane colpiti dalla larghissima prevalenza di due rocce in particolare: il GRANITO, roccia felsica intrusiva e il BASALTO, roccia mafica effusiva. Come dire che tra le rocce felsiche sono dominanti quelle intrusive mentre tra le rocce mafiche sono dominanti quelle effusive. Fig. 12 Diagramma di Adams per la classificazione delle rocce magmatiche - Si può notare ad esempio che il granito è una roccia ignea intrusiva con percentuale di silice > del 65% e quindi è una roccia acida: il corrispondente effusivo del granito è la riolite. con uguale composizione mineralogica ma differente struttura.

11 11 LE ROCCE SEDIMENTARIE La crosta terrestre è formata per la maggior parte da rocce metamorfiche e magmatiche, ma la sua superficie è composta da uno strato quasi continuo di rocce sedimentarie. Esse si formano attraverso processi che avvengono sulla superficie terrestre al contrario delle rocce magmatiche e metamorfiche, che hanno origine in profondità. Le rocce sedimentarie sono rocce che si formano ad una certa profondità della crosta terrestre per sedimentazione, compattazione e cementazione di sedimenti originati da detriti, da precipitazione chimica o da materiali organici mineralizzati. La disposizione tipica è a strati; le rocce sedimentarie spesso racchiudono fossili animali o vegetali. La sedimentazione è la deposizione, in strati sovrapposti, appunto di vari tipi di materiali che, come abbiano detto nella definizione, possono essere frammenti di rocce, trasportate dai corsi d acqua, gusci e scheletri di animali, resti vegetali, sabbie trasportate dal vento, ceneri dei vulcani. Fig. 13 Ciclo di erosione Infatti una qualsiasi roccia di superficie, ignea o sedimentaria o metamorfica, si trova esposta alle azioni di natura fisica e chimica dell atmosfera, dell idrosfera e della biosfera, che gradualmente la riducono in frammenti detti clasti, che vengono rimossi dal luogo in cui si erano formati e trasportati anche molto lontano. Durante il trasporto i detriti clastici si urtano reciprocamente e si usurano; di conseguenza le loro dimensioni diventano sempre più piccole e assumono forme arrotondate. Ad un certo punto, i detriti e le varie sostanze vengono depositati nelle depressioni della superficie terrestre prendendo il nome di sedimenti sciolti o incoerenti, in quanto le particelle sono ancora libere di muoversi l una rispetto all altra. Esistono diversi tipi di sedimentazione da cui si originano rocce diverse: la sedimentazione clastica in cui sono importanti le dimensioni dei clasti, poiché i frammenti più pesanti si depositano per primi, attratti dalla forza di gravità, mentre quelli più leggeri si depositano sopra. L arrivo di altri sedimenti farà depositare nuovamente i più pesanti, formando così degli strati che si accumulano gli uni sugli altri: i più antichi sepolti dai più recenti. la sedimentazione chimica e biochimica in cui le sostanze disciolte in soluzione, provenienti dalla disgregazione di altre rocce, possono precipitare in seguito ad una intensa evaporazione dell acqua o in seguito allo scarso apporto di acqua dolce che provoca la concentrazione dei sali disciolti. Se le

12 12 sostanze in soluzione sono utilizzate dagli organismi viventi per costruire le loro parti scheletriche queste, alla morte dell organismo, daranno origine a sedimenti di origine organica. Un caso particolare di sedimentazione sono i depositi piroclastici, originati da accumuli di materiali provenienti da eruzioni vulcaniche, come ad esempio ceneri e lapilli; strutturalmente sono simili ai sedimenti terrigeni. rocce sedimentarie Fig. 14 Formazione di una roccia sedimentarie in un lago o in mare Il processo chimico-fisico che porta dai sedimenti sciolti alle rocce sedimentarie è detto DIAGENESI. Con questo processo, ovviamente molto lento, ad esempio, una sabbai può diventare arenaria, un fango carbonatico può diventare calcare. La diagenesi comprende due fasi: la compattazione e la cementazione. La compattazione è dovuta alla pressione che i sedimenti di recente deposizione esercitano sugli strati sottostanti. La pressione esercitata dai sedimenti sovrastanti provoca un avvicinamento delle particelle dalle quali vengono espulse l acqua rimasta intrappolata negli spazi vuoti (pori) e l aria. La cementazione è invece il processo in cui le singole particelle del sedimento vengono legate assieme da sostanze chimiche indurenti precedentemente disciolte nell acqua e poi precipitate dopo l espulsione dell acqua. Esse rimangono negli interstizi tra granulo e granulo, provocando la coesione. Durante la diagenesi si possono verificare vere e proprie reazioni chimiche che modificano i minerali originari. LA CLASSIFICAZIONE DELLE ROCCE SEDIMENTARIE Le rocce sedimentarie vengono divise in tre gruppi, a seconda del processo di formazione: ROCCE CLASTICHE o DETRITICHE Hanno origine da sedimentazione meccanica dei frammenti prodotti dalla disgregazione e dall erosione di altre rocce ad opera degli agenti atmosferici. I sedimenti si accumulano in strati sovrapposti, subiscono una compattazione dovuta al peso degli strati sovrastanti e poi una cementazione dovuta alla precipitazione di sostanze disciolte in acqua che vanno a riempire i pori tra i granuli.possono essere incoerenti, ovvero formate da particelle sciolte oppure coerenti quelle formate da particelle cementate. Fig. 15 In a) è mostrato un sedimento sciolto e incoerente (ghiaia), in b) il tipo di roccia (conglomerato) coerente o lapidea che si forma in conseguenza dei processi di diagenesi.

13 13 Esse si classificano in base alla dimensione delle particelle (clasti) che le compongono: I conglomerati sono costituiti da ciottoli il cui diametro supera i 2mm.Si dividono in brecce, con ciottoli angolosi, e puddinghe con ciottoli arrotondati. Le arenarie sono formate da particelle il cui diametro è compreso tra 0,06 mm a 2 mm e derivano dalla cementazione di una sabbia. Le argilliti sono costituite da minerali argillosi (silicati idrati di alluminio) e da uno scheletro detritico molto fine con diametro inferiore ai 0,06 mm.. Per poter parlare di argilliti occorre che i minerali argillosi siano il 25 % almeno della roccia Quando, oltre alla frazione argillosa, vi è una parte (50%) di calcare di origine chimica (CaCO 3 ), la roccia viene detta marna. Fig. 16 Arenaria, puddinga, breccia ROCCE CHIMICHE Le rocce chimiche derivano da fenomeni chimici, prevalentemente dalla precipitazione dei sali disciolti nell acqua. I sali presenti nell acqua provengono a loro volta da processi di dissoluzione dei minerali delle rocce. La precipitazione dei sali può essere dovuta ad una intensa evaporazione dell acqua o ad uno scarso apporto di acqua dolce, che provoca la concentrazione dei sali disciolti. Quando la concentrazione salina supera un cero limite, i sali in eccesso nell acqua precipitano e originano rocce chiamate evaporiti Le rocce carbonatiche sono rappresentate nella maggior parte dei casi da calcari, che sono formati dalla precipitazione di carbonato di calcio (CaCO 3 ), senza l intervento degli organismi viventi secondo la reazione: Ca(HCO 3 ) CaCO 3 + H 2 O + CO 2 solubile insolubile I calcari sono depositi costituiti interamente o per la maggio parte da calcite (CaCO 3 ). In ambiente continentale si possono trovare particolari tipi di rocce carbonatiche dette travertino, stalattiti e stalagmiti: si tratta di rocce dovute alla deposizione di CaCO 3 da acque sorgive o nelle rocce carsiche. Un altro tipo di rocce carbonatiche, meno frequente, sono le dolomie, composte per almeno il 50% da dolomite, cioè carbonato doppio di calcio e magnesio CaMg(CO 3 ) 2. Le tre cime di Lavaredo, nel gruppo delle Dolomiti, sono costituite da rocce sedimentarie di origine chimico-organogena che poi hanno subito il processo di dolomitizzazione ( cioè la trasformazione della calcite originaria in dolomite), come del resto tutte le Dolomiti. Le evaporiti si formano quando si ha precipitazione diretta dei sali disciolti nell acqua, causata dall evaporazione di un bacino chiuso, marino o lacustre, situato in climi aridi: alcuni tra i minerali più comuni di tali depositi sono il gesso (Ca 2 SO 4 2H 2 O) e il salgemma (NaCl). Le selci sono rocce molto dure derivate dalla precipitazione di silice e formate da quarzo microcristallino. Queste riocce sono generalmente presenti in forma di liste, noduli o straterelli di colore molto variabile: rosso, grigio, verde, nero, talvolta a zone. Per la loro durezza sono usate per le pavimentazioni stradali ( dette appunto selciato ) e come materiale da costruzione. Fig. 17 Liste di selce on una roccia calcarea

14 14 ROCCE ORGANOGENE Hanno origine dall accumulo di resti organici: gusci e scheletri di animali di varie dimensioni; ammassi di organismi costruttori ( come i coralli); resti di vegetali (come quelli che formano il carbon fossile). Nella maggior parte dei casi le rocce organogene si formano in ambiente marino e, in minor quantità, sul fondo dei laghi. I calcari organogeni sono formati da resti di organismi quali coralli, alghe, lamellibranchi, gasteropodi che utilizzano il bicarbonato di calcio sciolto nell acqua per costruire gusci o scheletri di carbonato di calcio (calcite); al momento della loro morte, tali gusci e scheletri si depositano sul fondo, accumulandosi via via fino a formare spessi sedimenti dopo la diagenesi. Le rocce silicee si originano per deposizione sul fondo marino o lacustre di resti organici di composizione silicea, come per esempio piccole spugne, diatomee ( alghe a guscio siliceo) e radiolari (protozoi a guscio siliceo); i sedimenti freschi vengono chiamati fanghi, mentre le rocce coerenti sono rispettivamente le diatomiti e le radiolariti. Le rocce combustibili, come i carboni fossili, derivano dall aacumulo di vegetali in bacini lacustri, palustri o stagni e dalla loro successiva macerazione e decomposizione (fermentazione) a opera di batteri anaerobi (cioè batteri che vivono senza ossigeno). Questo processo è detto carbonizzazione e consiste in un progressivo arricchimento in carbonio della materia organica a seguito dell eliminazione di altri componenti. Quando si parla di combustibili fossili, si devono considerare anche le miscele di idrocarburi: questi composti sono costituti solo da atomi di C e H e costituiscono una preziosa risorsa energetica che richiede, per la sua formazione, tempi geologici di qualche decina di milioni di anni. Le miscele do idrocarburi hanno origine da sostanze organiche che si sono depositate, sul fondo di antichi bacini sedimentari, prevalentemente marini. Tali sostanze organiche, sottoposte a particolari processi di trasformazione batterica in assenza di ossigeno, danno luogo a quella miscela di idrocarburi che prende il none di petrolio. Fig. 18 Una sezione sottile di un campione di calcare organogeno CLASTICHE (o detritiche) ghiaia sabbia limo, argilla SCIOLTE (incoerenti) ROCCE SEDIMENTARIE D LAPIDEE (coerenti) I conglomerati arenaria A argillite, marna CHIMICHE (o evaporitiche) ORGANOGENE PIROCLASTICHE cloruro di sodio (NaCl) solfato di calcio (CaSO 4 ) carbonato di calcio (CaCO 3 ) silice (SiO 2 ) gusci calcarei gusci dolomitici gusci silicei resti organici ceneri e lapilli G E N E S I salgemma gesso calcare selce calcare dolomia selce carbone, petrolio tufo Tab. 4 Classificazione rocce sedimentarie

15 15 LE ROCCE METAMORFICHE Quando sono sottoposte a temperature elevate o a forti pressioni, le rocce magmatiche e sedimentarie possono subire forti cambiamenti : nella composizione mineralogica (il tipo di minerali di cui sono costituite) nella struttura (la disposizione dei minerali al loro interno) Pertanto: Sono chiamate metamorfiche quelle rocce che hanno subito una trasformazione rispetto alla struttura originaria. La trasformazione può aver interessato sia il tipo di minerali di cui la roccia è formata sia la loro forma e disposizione all interno della roccia. Il processo metamorfico avviene a temperature comprese fra i C e i C: a temperature inferiori ai 200 C si passa dalle condizioni metamorfiche a quelle di diagenesi ( ovvero a un processo sedimentario che come tale avviene in prossimità della crosta terrestre); a temperature superiori agli 800 C si avrebbe la fusione totale della roccia passando alle condizioni magmatiche plutoniche. Non è possibile fissare temperature più precise, perché i fenomeni metamorfici dipendono, oltre che dalla temperatura, anche da altri fattori quali il tipo di composizione chimica della roccia di partenza, la presenza o meno di acqua e soprattutto l intensità e la modalità di azione della pressione a cui la roccia è sottoposta. Il processo metamorfico CAUSE DEL METAMORFISMO: l aumento di temperatura che rende più mobili i componenti delle strutture cristalline che possono separarsi e successivamente riaggregarsi in nuove combinazioni; l aumento di pressione che tende a far assumere ai componenti delle rocce forme più compatte e più dense; I due effetti possono agire contemporaneamente. TIPI DI METAMORFISMO: AUMENTO DI T e p METAMORFISMO REGIONALE AUMENTO DI T METAMORFISMO DI CONTATTO AUMENTO DI p METAMORFISMO DI DISLOCAZIONE Fig. 19 Il granito in seguito al metamorfismo si trasforma in un altro tipo di roccia: il gneiss METAMORFISMO REGIONALE E il processo metamorfico sicuramente più importante. Interessa aree molto vaste all interno della crosta terrestre e a diversa profondità. Rocce che derivano dal metamorfismo regionale sono frequenti nelle catene montuose, come le Alpi. E provocato sia da un aumento di T che di p. E legato alle grandi trasformazioni della crosta terrestre e si manifesta nelle zone e nei periodi orogenici, cioè di sollevamento delle catene montuose. Tali deformazioni portano in profondità nella crosta terrestre le masse rocciose, che vengono così a trovarsi in condizioni molto diverse dalle condizioni precedenti. In seguito al forte aumento della temperatura e della pressione, i minerali di queste rocce si trasformano in minerali diversi dando quindi origine ad una roccia con struttura e composizione Fig. 20 Roccia scistosa

16 16 diversa da quella originaria. Negli strati più superficiali prevale l'aumento della pressione per cui si formano rocce tipicamente scistose, sfaldabili in lastre secondo piani paralleli ( es. ardesia ). Per scistosita si intende una struttura in cui sono ben evidenti piani e bande: i cristalli tendono a disporsi paralleli tra di loro e perpendicolari alla direzione della pressione. Nelle zone più profonde prevale l'aumento della temperatura e si formano in prevalenza rocce a struttura granulare prive, o quasi, di scistosità. Tipi di rocce: gneiss,filladi micasciti. METAMORFISMO DI CONTATTO o TERMICO E provocato dal forte riscaldamento operato dall intrusione di una massa magmatica entro le rocce circostanti; il raffreddamento del magma libera calore che scalda le rocce circostanti. E caratterizzato da una più o meno evidente ricristallizzazione. E'tipico dei calcari che vengono trasformati nei marmi saccaroidi, ovvero costituiti da grossi cristalli. La tessitura delle rocce è granulare. METAMORFISMO DINAMICO o CATACLASTICO Avviene in corrispondenza di linee di faglia, ovvero di fratture della litosfera lungo le quali le rocce si spostano, ed è originato da spinte e pressioni orientate che si generano nel contatto tra le rocce. Le rocce che si trovano in prossimità del piano di rottura subiscono una fratturazione dei cristalli e una successiva ricristallizzazione, anche solo parziale. Le rocce che ne derivano si chiamano cataclasti e assomigliano aun conglomerato formato da clasti spigolosi e ben cementati tra loro. In alcuni casi, però, il calore prodotto dall attrito lungo il piano di faglia è particolarmente intenso e trasforma profondamente le porzioni di roccia a contatto: si può addirittura produrre una zona ristretta in cui le rocce fondono e ricristallizzano. Queste rocce vengono chiamate miloniti. IL CICLO LITOGENETICO Fig. 21c Il ciclo litogenetico E necessario mettere in evidenza che tutti tre i tutti tre tipi di rocce possono trasformarsi le une nelle altre ed inoltre possono andare incontro ad un processo di fusione ed essere di nuovo trasformate in magma dando origine in tal modo a quel processo che prende il nome di CICLO LITOGENETICO o PETROGENETICO. Si può descrivere schematicamente il ciclo partendo dal processo magmatico: il magma origina rocce intrusive o effusive e provoca sui materiali solidi circostanti un processo di metamorfismo di contatto.

17 17 Le rocce intrusive possono essere sollevate fino a raggiungere la superficie terrestre dove, insieme alle rocce effusive sono aggredite dagli agenti esogeni (acqua, vento, )ed entrano nel ciclo sedimentario. I sedimenti che si accumulano vengono sepolti e per diagenesi formano le rocce sedimentarie. Queste ultime, come le stesse rocce magmatiche originarie, possono essere seppellite sotto altri strati di sedimenti e spinte in profondità all'interno della terra o essere coinvolte in processi di formazione di una catena montuosa; si trovano così coinvolte in un processo metamorfico. Se poi le rocce, spinte in profondità, sono sottoposte a un aumento di temperatura e pressione si forma nuovo magma e il ciclo si chiude. LA DEGRADAZIONE DELLE ROCCE DEGRADAZIONE DELLE ROCCE EROSIONE Formazione del suolo e pedogenesi Ossidazione: è una reazione chimica tra l ossigeno dell aria e dell acqua e i metalli che compongono i minerali: essa è molto spesso accompagnata da un mutamento del colore della roccia. Per esempio la pirite, un solfuro di ferro chiamata anche oro degli sciocchi viene trasformata in limonite di colore giallo o in ematite di colore rosso. Idratazione: causata dalle acque piovane che fanno sì che l acqua venga inglobata nel reticolo cristallino. Le rocce che subiscono l idratazione aumentano di volume e successivamente si sgretolano. CHIMICA Dissoluzione: provocata dall acqua. Un caso particolare si ha quando l anidride carbonica CO 2 si combina con l acqua H 2 O e reagendo con il carbonato di calcio CaCO 3 insolubile lo trasforma in bicarbonato di calcio Ca(HCO 3 ) 2 solubile: CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Ca(HCO 3 ) 2 insolubile solubile Idrolisi: ad esempio dei silicati con formazione di minerali argillosi, quarzo e ossidi FISICA DA ORGANISMI Causata da variazioni di temperatura e che determina la formazione di frammenti a forma di scaglie o lamine detti clasti di dimensioni variabili ( fenomeni termoplastici). gelivazione (gelo e disgelo) corrosione La decomposizione degli organismi libera ammoniaca NH 3 e CO 2 e acidi umici che reagiscono con i minerali che compongono le rocce. Bibliografia e sitografia D.G. Mackean, Laura Masini Natura Terra e Vita T1 e T2 ed. scolastiche Bruno Mondatori R. Torchio,S. Monelli, E.Bruno La Natura e gli Ecosistemi ed. Bulgarini F. Calvino, M. Resta Scienze Visual Lezioni di Scienze della Terra ed. Scolastiche Bruno Mondatori M.N. Forgiarini Corso di Scienze della Terra ed Il Capitello E. Lupia Calmieri, M. Parotto,S.saraceni, G.Strumia Immagini ed itinerari di Scienze della Natura ABC ed. Zanichelli