Laurea in Scienze Ambientali Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia

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1 Università degli Studi di Roma La Sapienza Laurea in Scienze Ambientali Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia Docente : Prof. Lucio Morbidelli (dott. Michele Lustrino) tel.: michele.lustrino@uniroma1.it Collaboreranno al corso: dott. Giovanni B. Andreozzi (per la parte di mineralogia) Lezioni on-line al sito:

2 SCOPI e METODI della PETROGRAFIA La conoscenza della petrografia rappresenta il primo passo per capire la complessità della dinamica terrestre che in definitiva interessa corpi rocciosi siano essi profondi o superficiali. Se si conoscono i caratteri essenziali delle rocce si può iniziare lo studio della loro genesi ed evoluzione che rappresentano gli argomenti fondamentali di un altra disciplina affine denominata PETROLOGIA. Non conoscere la PETROGRAFIA per un Geologo equivale a non conoscere l anatomia per un medico.

3 SCOPI e METODI della PETROGRAFIA I metodi di studio della PETROGRAFIA sono: MICROSCOPIO OTTICO; APPARECCHIATURE di FLUORESCENZA X; MICROSCOPIO ELETTRONICO; MICROSONDA ELETTRONICA, ecc. PRIMA di utilizzare le strumentazioni che spaziano dal martello ad attrezzature molto sofisticate e di alta tecnologia è necessario conoscere in modo adeguato il mondo delle ROCCE ed in particolare il divenire o, meglio, il succedersi degli eventi che possono trasformare rocce di un certo tipo in altre totalmente differenti.

4 INTRODUZIONE Struttura e dinamica della Terra Ipotesi sulla sua origine

5 Caratteri generali della Terra Distanza dal Sole 149,6 x 10 6 km Periodo di rivoluzione 365 giorni Periodo di rotaz. assiale 23 h 56 m Inclinazione dell asse 23º 27 Diametro equatoriale km Eccentricità orbitale 0,017 Massa Densità media Comp. dell atmosfera 6x10 24 kg 5,5 g/cm 3 ~ Azoto + Ossigeno Età ~ 4,6 miliardi di anni

6 Interno della Terra Crosta Quattro strati principali: Mantello Nucleo esterno Nucleo interno Crosta Mantello Nucleo esterno Nucleo interno

7 Interno della Terra Crosta: Crosta Oceanica Sottile: : km (in media 7 km) Stratigrafia relativamente uniforme serie ofiolitica Sedimenti lave a cuscino (pillow basalts) dicchi basaltici gabbri massivi rocce ultrafemiche (mantello) Lave a cuscino Dicchi basaltici Gabbri massivi Crosta Continentale Rift centrale Crosta Oceanica Sedimenti Peridotite (Mantello) Camera magmatica

8 Interno della Terra Crosta: Crosta Continentale Più spessa: : km; in media ~ 35 km Composizione molto variabile (~ granodiorite) Crosta Continentale Crosta Oceanica Divisa in: - Crosta Superiore (più leggera, più ricca in SiO 2 e relativamente povera in MgO) ) e - Crosta Inferiore più pesante (meno ricca in SiO 2 e più ricca in MgO)

9 Interno della Terra Mantello: Composizione stratificata sia in termini di composizione chimica che mineralogica. Discontinuità di Mohorovicic Mantello Superiore fino a 410 km Zona di Transizione ( km) Mantello Inferiore (Mesosfera) fino a 2900 km Crosta Mantello Discontinuità di Gutenberg 80 Mantello Superiore 220 Zona di transizione Mantello Inferiore Nucleo Esterno (liquido) Profondità (km) 2900 Nucleo 5145 Nucleo Interno (solido) Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter 6370

10 Interno della Terra Mantello: Composizione stratificata sia in termini di composizione chimica che mineralogica. Discontinuità di Mohorovicic Mantello Superiore fino a 410 km Zona di Transizione ( km) Mantello Inferiore (Mesosfera) fino a 2900 km Crosta Mantello Discontinuità di Gutenberg Mantello Superiore (dal contatto con la crosta fino a 410 km). Il contatto con la crosta è detto Discontinuità di Mohorovicic (Moho) Mantello litosferico (solido) spessore variabile (in genere fino a ~80 km) Mantello Astenosferico (parzialmente fuso) ~ km Mesosfera di nuovo solida (peridotite a granato) Nucleo 80 Mantello Superiore 220 Zona di transizione Mantello Inferiore Nucleo Esterno (liquido) 5145 Profondità (km) 2900 Nucleo Interno (solido) Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter 6370

11 Interno della Terra Mantello: Composizione stratificata sia in termini di composizione chimica che mineralogica. Discontinuità di Mohorovicic Mantello Superiore fino a 410 km Zona di Transizione ( km) Mantello Inferiore (Mesosfera) fino a 2900 km Crosta Mantello Discontinuità di Gutenberg Zona di Transizione. A partire da 410 km la velocità delle onde sismiche aumenta rapidamente. Questa variazione è dovuta al cambio strutturale dell olivina (Mg 2 SiO 4 ) in wadsleyite (Mg 2 SiO 4 ). Nucleo Cambia SOLO la struttura (da rombica a monoclina). A 500 km l olivina (ora wadsleyite) ) cambia di nuovo struttura e diventa cubica (ringwoodite) A 660 km la ringwoodite si trasforma in perovskite e magnesiowustite (fasi ancora più dense) Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter 80 Mantello Superiore 220 Zona di transizione Mantello Inferiore Nucleo Esterno (liquido) Profondità (km) 2900 Nucleo Interno (solido)

12 Interno della Terra Mantello: Composizione stratificata sia in termini di composizione chimica che mineralogica. Discontinuità di Mohorovicic Mantello Superiore fino a 410 km Zona di Transizione ( km) Mantello Inferiore (Mesosfera) fino a 2900 km Crosta Mantello Discontinuità di Gutenberg Mantello Inferiore. Conosciamo molto poco di questo volume della Terra. Perovskite (MgSiO 3 ) e magnesiowustite (MgO) sono probabilmente le fasi più abbondanti. Nucleo La perovskite probabilmente costituisce più dell 80% del mantello inferiore (quindi è il minerale più abbondante della Terra). 80 Mantello Superiore 220 Zona di transizione Mantello Inferiore Nucleo Esterno (liquido) 5145 Profondità (km) 2900 Nucleo Interno (solido) Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter 6370

13 Interno della Terra Crosta Mantello Superiore Zona di transizione Profondità (km) Mantello Mantello Inferiore Nucleo: Lega metallica di Fe-Ni. (non ci sono silicati) Nucleo Esterno (liquido) 2898 Nucleo Esterno è liquido senza onde di tipo S Nucleo Interno è solido (a causa delle fortissime pressioni) Nucleo 5145 Nucleo Interno (solido) Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter 6370

14 Onde P e Onde S? Onde P (onde di compressione) (onde di taglio) Vp= k 4/3µ ρ Vs = µ ρ Onde S µ nei liquidi = 0 k = modulo di compressibilità; µ = modulo di rigidità; ρ = densità (g/cm 3 ) Velocità delle onde P (Primarie) ed S (Secondarie) in funzione dei modulike µ

15 Onde P e Onde S? Onde P

16 Onde P e Onde S? Onde S

17 P = onde P S = onde S ρ = densità Da: Le rocce ed I loro costituenti Lucio Morbidelli

18 L Astenosfera è la zona di mantello superiore che permette alla sovrastante litosfera di muoversi parzialmente scollata dalle restanti porzioni pià profonde. La Litosfera comprende la Crosta e la porzione di mantello più superficiale. Crosta Mantello Velocità (km/sec) Onde S 2000 Onde P 3000 Litosfera Astenosfera Mesosfera Al contatto Crosta-Mantello litosferico si verifica un aumendo di velocità delle onde sismiche (aumenta la densità). Al contatto Litosfera- Astenosfera si verifica una diminuzione di velocità delle onde sismiche (astenosfera parzialmente fusa) Nucleo Esterno Nucleo Interno Profondità (km) Onde S 6000 Liquido Solido Variazione delle velocità delle onde P ed S con la profondità. Suddivisioni composizionali della Terra sulla sinistra; suddivisioni reologiche sulla destra. Da Kearey and Vine (1990), Global Tectonics. Blackwell Scientific. Oxford.

19 La variazione di Temperatura dalle regioni più interne della Terra (pi( più calde) ) a quelle più esterne (più fredde) viene definita GRADIENTE GEOTERMICO ( C/m) Il gradiente geotermico medio della crosta terrestre vale circa 25 C/km (ma varia da località a località da 6 a 140 C/km) Il gradiente geotermico per le altre regioni più interne della terra è molto più basso (~0,7( 0,7-0,80,8 C/km)

20 La quantità di energia termica che sfugge dalla Terra espressa per unità di area e di tempo viene definita FLUSSO DI CALORE Questa viene espressa in HFU ( (Heat Flow Unit) equivalente ad 1 microcaloria/cm 2 /sec La media del flusso di calore sui continenti è 1,5 HFU In alcune regioni (es.. Italia) il flusso di calore è superiore alla media. Perchè?

21 Si 14.4% S 3.0% Al 1.4% Ca 1.0% Fe 15.2% O 50.7% Mg 15.3% Abbondanze relative atomiche dei sette elementi più comuni che costituiscono il 97% della massa della Terra. Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter, Prentice Hall.

22 Sorgenti di calore nella Terra 1. Calore dall accrezione accrezione primordiale e dalla differenziazione della Terra raggiunge ancora lentamente la superficie

23 Sorgenti di calore nella Terra 1. Calore dall accrezione primordiale e dalla differenziazione della Terra raggiunge ancora lentamente la superficie 2. Calore rilasciato dal decadimento radioattivo dei nuclidi instabili

24 Trasferimento di Calore 1. Conduzione (energia termica trasmessa dal moto vibratorio degli atomi da una zona calda a una fredda): Questa è funzione della conducibilità termica della sostanza (ossia dell abilit abilità a condurre calore) 2. Radiazione (energia energia termica trasmessa da una sostanza portata all incandescenza incandescenza) 3. Convezione Convezione (spostamento di materia; es. acqua che bolle in una pentola; fumo di una sigaretta o di un camino. Avviene perchè se riscaldiamo un fluido (liquido o gas) questo si espande divenendo meno denso, quindi più leggero,, del materiale circostante.. Tale fluido quindi tende a salire, mentre il materiale più freddo e più pesante scende aprenderne il posto. Si instaura così un ciclo convettivo, detto CELLA CONVETTIVA)

25 Tettonica delle placche - Genesi Ignea 1. Mid-ocean Ridges (Creste medio-oceaniche oceaniche) 2. Intracontinental Rifts (Fessure intracontinentali) 3. Island Arcs (isole di arco) 4. Active Continental Margins (Margini Margini continentali attivi) 5. Back-arc arc Basins (Bacini di retroarco) 6. Ocean Island Basalts (Basalti di isole oceaniche) 7. Miscellaneous Intra- Continental Activity (Attività ignea continentale varia; es.kimberliti kimberliti, carbonatiti, anortositi,, etc.) km 400? 600 km C. Continentale C. Oceanica Mantello Litosferico Mantello sub-litosferico Sorgente dei fusi???? Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter

26 Tettonica delle Placche Riciclaggio Globale 200 km 400? 600 km??? Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter Crosta Crosta creata dove le placche divergono (Creste oceaniche)

27 Tettonica delle Placche Riciclaggio Globale 200 km 400? 600 km??? Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter Distruzione di Crosta, formazione di catene montuose, scontro di placche (es Corso es. di Ande, Petrografia, Himalaya, con elementi di Mineralogia Giappone) (M. Lustrino) A.A. 2004/2005

28 Tettonica delle Placche Riciclaggio Globale Per accomodare gli sforzi su una superficie sferica,, le zone trasformi sono regioni nelle quali le placche scivolano una rispetto all altra altra (es. faglia di San Andrea, California)

29 Tettonica delle Placche Età degli Oceani Voi siete qui Milioni di anni dal presente

30 Il Sistema solare Giove comprende il 99% della massa dell intero sistema solare ( 10( (Sole escluso) Giove ha una massa 10-3 (0.1%) rispetto a quella solare La Terra ha una massa 10-3 (0.1%) rispetto a quella di Giove g) 30 g) Da: Le rocce ed I loro costituenti - Lucio Morbidelli

31 Il Sistema solare Il contenuto in elementi volatili aumenta con la distanza dal Sole (Marte doveva essere più ricco in H 2 O della Terra perché è più distante dal Sole) Mercurio Tungsteno (W) Temperatura Terra Giove Saturno Plutone Silicati Silicati ricchi in C Ghiaccio 10 Distanze solari (distanza Terra-Sole)

32 Origine della Terra Processo di ACCREZIONE omogenea in seguito a collisioni continue con corpi interplanetari di varia grandezza. I corpi più grandi [= Planetesimali] si pensa avessero diametri dell ordine di qualche centinaia di chilometri Tutti i corpi planetari si sono accresciuti per accumulazioni successive (urti con meteoriti) Tutti i corpi planetari sono craterizzati Per generare un cratere come quello di Copernico (sulla Luna), con un raggio di 93 km, ci vuole un urto con un asteroide di km di diametro.

33 AUTODIFFERNZIAZIONE: formazione del NUCLEO dal MANTELLO PRIMORDIALE Il NUCLEO si è formato alla fine del processo di accrezione per una Migrazione verso il centro, dalla forza di gravità,, di un fuso di solfuri di ferro e nichel I corpi collidenti erano già differenziati con nuclei composti da solfuri di Fe e Ni allo stato fuso che hanno innescato la fusione pressoché istantanea dei composti analoghi presenti nel protopianeta

34 Enigma LUNA Simulazione numerica di una collisione tra una Terra primitiva e un corpo grande circa 1,3 volte Marte alla velocità di 5 km/s 4.2 minuti 8.4 minuti 12.5 minuti Materiale che diventerà la proto-luna Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter

35 Origine della Luna e differenze di composizione tra Terra e Luna Le rocce lunari e quelle terrestri sono molto simili in composizione tranne per il contenuto molto più basso in Fe (ed essenzialmente l assenza di H 2 O) delle rocce lunari. Se l impatto che ha generato la Luna fosse avvenuto prima della differenziazione della Terra (ossia( prima della formazione del nucleo terrestre) noi dovremmo aspettarci per i due corpi (Terra e Luna) le stesse composizioni totali. L unico modo per spiegare il contenuto in Fe della Luna molto più basso di quello della Terra è ipotizzare che l impatto sia avvenuto dopo la formazione del Nucleo terrestre.

36 Cronologia della formazione della luna Sequenza: Accrezione della Terra Formazione del Nucleo ( rimozione di Fe dal mantello e concentrazione nel nucleo terrestre) Collisione tra la Terra ed un grosso asteroide La Luna coalesce dai resti dell asteroide e dal materiale del mantello terrestre Si segrega il nucleo lunare: il mantello lunare, già impoverito in Fe, perde ancora un altra porzione del suo Fe Quindi le rocce lunari formate dopo la segregazione del nucleo sono molto impoverite in Fe (ma simili in molti altri elementi) rispetto alle rocce equivalenti terrestri. Le età delle rocce più antiche della Luna e la stima dell et età della formazione del nucleo terrestre sono coerenti con questo modello.

37 Classificazione delle Meteoriti Ogni anno entrano nell atmosfera terrestre 200 tonnellate di meteoriti Di questa quantità cadono sullla superficie terrestre ogni anno per ogni milione di kilometri quadrati: 58 meteoriti > 100 grammi 9 meteoriti > 1 kg 1,3 meteoriti > 10 kg (L Europa ha una superficie di 10 milioni di kilometri quadrati) (In Antartide ci sono 8 milioni di tonnellate di meteoriti con un peso > 100 grammi)

38 Classificazione delle Meteoriti Silicatiche (95%) Condriti (86%) Ordinarie (81%) Carbonacee (5%) Età Ma; la distribuzione degli elementi pesanti è analoga a quella del Sole; sono composte da silicati anidri (essenzialmente olivine, pirosseni) che si ritrovano riuniti in condruli = globuli subsferici (0,5-1 mm); tra i condurli compaiono minerali metallici (leghe di Fe e Ni o solfuri sempre di questi elementi). Fino al 20% di H 2 O. Sono caratterizzate dalla presenza di minerali silicatici tipo serpentino/clorite). Con sostanze organiche (idrocarburi, acidi grassi ed aromatici, etc. Sono considerate le più primitive e meno differenziate tra i prodotti di condensazione che hanno originato i pianeti. Acondriti (9%) Età e composizioni molto variabili; senza condruli. In genere hanno una Grana più grossolana rispetto alle condriti. In genere senza Fe-Ni. iniziale. Alcuni tipi oltre che dalla fascia degli asteroidi, sembrano provenire dalla superficie di Marte (tipi SNC = -Shergottiti -Nakhiliti Chassigniti) o da quella lunare. Sideroliti (1%) (Silicatico-ferrose) Sideriti (4%) (Ferrose) Formate da silicati e minerali metallici (essenzialmente Fe + Ni) Da riferire alle porzioni interne dei corpi differenziati della cintura di asteroidi Essenzialmente composte da minerali metallici (Fe + Ni) Da riferire alle porzioni interne dei corpi differenziati della cintura di asteroidi

39 Meteoriti: Legami critici con il sistema solare primitivo e la Terra profonda La nostra conoscenza della storia del sistema solare e del sistema di funzionamento del nostro pianeta sarebbe impossibile se le meteoriti non cadessero sulla Terra. asteroide Mathilde cometa Halley pianeta Marte Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter

40 Le meteoriti sono importanti - migliori stime dell et età del nostro sistema solare - meteoriti omogenee chiamate condriti sono la migliore stima della composizione totale della Terra - Le meteoriti ferrose forniscono la stima più vicina alla composizione del nucleo terrestre Cristalli di solfuri di Fe e Ni in una meteorite ferrosa Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter Meteorite ferrosa (304 kg)

41 Le meteoriti sono importanti - prima della missione Pathfinder su Marte,, le meteoriti ci avevano dato solo (e ancora la migliore) stima della composizione (ed età) ) del pianeta Marte - le meteoriti silicatiche-ferrose (sideroliti; foto sotto) possono rappresentare il materiale dell interfaccia nucleo- mantello Silicato di Mg (olivina( olivina) Metallo di Fe-Ni Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter

42 Le meteoriti possono uccidere Ogni anno ~60 milioni di tonnellate di polvere spaziale e meteoriti raggiungono la superficie della Terra. Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter Una meteorite (chondrite( chondrite) di ~12 kg ha messo fine alla vita di questa Chevrolet Malibu a Peekskill, NY, nel 1992.

43 Credits Alcune delle immagini di questa presentazione sono state prese da: : NASA, JPL, LPI. Per acquistare meteoriti controllate il sito: Per studiare (o per curiosità) provate questi siti Altre figure e schemi da: L. Morbidelli - Le rocce ed i loro costituenti J. Winter - Lezioni per il corso di Igneous Petrology P. Tomascak - Lezioni di Geologia A. Bosellini Le Scienze della Terra (ed. Zanichelli)

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