Laurea in Ingegneria Civile. Geologia Applicata A.A Unità M01 MINERALI E ROCCE. Geol. Massimo Micieli

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1 Laurea in Ingegneria Civile Geologia Applicata A.A Unità M01 MINERALI E ROCCE Geol. Massimo Micieli

2 Università della Calabria Laurea in Ingegneria Civile Corso di GEOLOGIA APPLICATA Elementi di mineralogia Anno Accademico

3 Mineralogia 3 Scienza che studia i minerali Minerale sostanza solida naturale Allo stato naturale deve essersi formato attraverso un processo inorganico La sua composizione chimica è esprimibile attraverso una formula chimica Le particelle costituenti (atomi, molecole, ioni) devono essere disposte secondo una struttura tridimensionale ordinata (solido cristallino) Proprietà fisiche costanti e definite

4 I minerali 4 Un opportuna conoscenza dei minerali è necessaria nella geologia applicata, non solo per comprendere i processi di formazione delle rocce ma anche per stimarne correttamente il comportamento meccanico.

5 Formazione dei minerali 5 La formazione dei minerali è il risultato di una serie di processi chimici e fisici che si sono verificati in tutte le epoche geologiche e che continuano a manifestarsi.

6 Struttura cristallina 6 Ogni minerale ha suoi precisi metodi di cristallizzazione che dipendono intrinsecamente dalla struttura dei componenti che lo costituiscono: detta struttura infatti si dispone sempre con precisi criteri spaziali, dando così origine alle forme dei cristalli. Un cristallo è delimitato da facce piane (che sono la conseguenza esterna dell'ordine interno) ed è composto da unità semplici dette celle elementari che ripetute nello spazio formano l intero reticolo.

7 Struttura cristallina NaCl 7

8 Polimorfismo 8 Minerali con diversa struttura cristallina, ma stessa composizione chimica. Un classico esempio lo si ha con la calcite e l aragonite: entrambi carbonati di calcio, oppure diamante e grafite. Diamante Grafite CaCO 3

9 Isomorfismo 9 Sostituzione in un cristallo di un atomo con un altro che ha raggio ionico simile. Al +3 Si +4 Fe +2 Mg +2 Na + Ca +2

10 Pseudomorfismo 10 Avviene quando un minerale, risentendo ad esempio delle condizioni climatiche dell' habitat, si modifica chimicamente in altro minerale: esso conserverà la stessa forma cristallina dell'originario, ma assumerà il colore del nuovo, cosa che ad esempio avviene con la verde malachite che va a sostituire l azzurrite (entrambi carbonati di rame che cristallizzano nel sistema monoclino). Malachite Azzurrite

11 Proprietà fisiche dei minerali 11 Sono in stretta relazione con la loro composizione chimica e struttura cristallina. Alcune sono facilmente determinabili sui campioni perché "macroscopiche", altre richiedono studi ottici e di diffrazione dei raggi X. Principali proprietà fisiche: densità; sfaldatura e frattura; durezza; tenacità.

12 Durezza 12 Scala di Mohs

13 Proprietà chimiche 13 Solubilità: è la proprietà che un minerale ha di sciogliersi in acqua o in acidi a diversa concentrazione. Alcuni minerali si sciolgono sviluppando effervescenza. Fusibilità: dipende dal punto di fusione e dalla capacità del minerale di diffondere il calore nelle varie direzioni.

14 Classificazione dei minerali 14 Attualmente l'associazione Mineralogica Internazionale riconosce circa 4000 specie di minerali. I principali minerali delle rocce sono rappresentati da: 1. minerali non silicati 2. minerali silicati

15 Minerali non silicati 15 Minerali più abbondanti Quarzo- SiO 2 Calcite CaCO 3 Dolomite CaMg(CO 3 ) 2 Salgemma NaCl Gesso - CaSO 4 2H 2 O Anidrite CaSO 4 Alcuni minerali di interesse industriale Grafite C Diamante C Pirite FeS 2

16 Quarzo SiO 2 16 È il minerale più abbondante nella crosta terrestre (circa il 12% del suo volume). Densità: 2,65 g/cm³ Durezza Mohs: 7 Sfaldatura: assente Frattura: concoide Tenacità: fragile Alterabilità: molto stabile Agata

17 Calcite (CaCO 3 ) 17 Densità: 2,71 g/cm³ Durezza Mohs: 3 Sfaldatura: presente Tenacità: fragile Alterabilità: solubile in acqua (da origine a fenomeni carsici)

18 Dolomite MgCa(CO 3 ) 2 Ha le proprietà fisiche simili a quelle della calcite, ma in HCl è solubile solo a caldo e in acqua con CO 2 è solubile più lentamente Densità: 2,85 g/cm³ Durezza Mohs: 3½ - 4 Sfaldatura: presente Tenacità: fragile Alterabilità: solubile (da origine a fenomeni carsici) 18

19 Salgemma NaCl 19 Densità: da 2.3 a 2.4 g/cm³ Durezza Mohs: da 1,5 a 2 Sfaldatura: presente Tenacità: settile Alterabilità: molto solubile

20 Gesso (CaSO 4 2H 2 O) Densità: 2,17 g/cm³ Durezza Mohs: 2,5 Sfaldatura: presente Tenacità: fragile Alterabilità: molto solubile 20

21 Anidrite (CaSO 4 ) 21 Densità: 2,97 g/cm³ Durezza Mohs: 3,5 Sfaldatura: presente Frattura: concoide Alterabilità: molto solubile In presenza di acqua può trasformarsi in gesso con aumento di volume.

22 Grafite (C) 22 Densità g/cm³ Durezza Mohs: 1 Sfaldatura: perfetta Insolubile

23 Diamante (C) 23 Densità: 3,51-3,55 g/cm³ Durezza Mohs: 10 Sfaldatura: perfetta Frattura: concoide Tenacità: fragile Insolubile

24 Pirite (C) 24 Densità: 5,1 g/cm³ Durezza Mohs: 6,5 Sfaldatura: assente Tenacità: molto fragile Insolubile

25 Minerali silicati 25 I silicati sono i più importanti componenti delle rocce I silicati sono costituiti da tetraedri SiO I tetraedri sono uniti per i vertici a dare unità polimeriche più grandi. Non più di due tetraedri SiO 4 possono scambiare un vertice. I tetraedri SiO 4 non scambiano mai lati o facce.

26 Minerali silicati Nesosilicati: gruppi tetraedrici isolati. Sorosilicati: gruppi di due tetraedri uniti da un catione. 26 Ciclosilicati: tetraedri uniti ad anello da 3,4,6 elementi. Inosilicati: tetraedri uniti a formare catene semplici o doppie. Fillosilicati: tetraedri uniti per tre vertici a formare una maglia piana. Tectosilicati: tetraedri uniti per tutti i vertici a formare maglie complesse.

27 Minerali delle argille 27 Fanno parte dei fillosilicati. Sono: il gruppo delle caoliniti, gruppo delle montmorilloniti, gruppo delle illiti. Struttura di base formata da uno strato di tetraedri (T) uniti a formare una maglia piana esagonale e da uno strato di ottaedri (O) con al centro un atomo di Al o Mg.

28 Minerali delle argille 28 Uno strato T e uno strato O si uniscono insieme a formare pacchetti a due (TO) o tre strati (TOT). Caolinite Illite - Montmorillonite

29 Proprietà dei minerali delle argille 29

30 Adsorbimento e rigonfiamento 30

31 Università della Calabria Laurea in Ingegneria Civile Corso di GEOLOGIA APPLICATA Rocce Anno Accademico

32 Rocce 32 Le rocce sono aggregati di minerali

33 Classifica delle rocce 33 Rocce ignee (o magmatiche) Rocce metamorfiche Rocce sedimentarie Originate dal consolidamento dei magmi Originate da processi di alterazione all interno della crosta Originate da processi di disgregamento e di deposito in un ambiente fluido (acqua o aria)

34 Confronto tra le genesi delle rocce 34

35 Il ciclo delle rocce 35

36 Schema delle trasformazioni delle rocce RIFUSIONE 36 EROSIONE

37 Università della Calabria Laurea in Ingegneria Civile Corso di GEOLOGIA APPLICATA Rocce ignee (o magmatiche) Anno Accademico

38 Rocce ignee (o magmatiche) 38 Le rocce ignee (dal latino ignis = fuoco) costituiscono circa l 80% della massa totale della crosta terrestre. Il magma può solidificare all interno della crosta terrestre o sulla superficie generando rispettivamente: rocce intrusive (o plutoniche - da Plutone, dio degli inferi-) rocce effusive (o vulcaniche)

39 Corpi geologici intrusivi 39 corpi plutonici di maggiori dimensioni. corpi concordanti inseriti tra strati di rocce sedimentarie con spessore variabile. filoni concordanti che inarcano gli strati sovrastanti creando una forma convessa verso l alto. corpi discordanti che tagliano trasversalmente gli strati della roccia incassante utilizzando come via di fuga numerose fratture che accompagnano la risalita del magma, formando quando arrivano in prossimità della superficie le fessurazioni colonnari (o basalti colonnari effusivi).

40 Batoliti 40 Hanno una composizione prevalentemente ACIDA possono occupare centinaia di km 2 a formare il nucleo di catene montuose. Sono COSTITUITI DA ROCCE GRANITICHE. Esempi in Italia: 1. Il MASSICCIO DELLA SILA. 2. Il BATOLITE SARDO prevalentemente granitico, con i graniti della Corsica, costituisce il MASSICCIO CRISTALLINO SARDO CORSO. 3. Il più esteso dei plutoni italiani, collegato alla formazione della catena alpina, è il BATOLITE DELL ADAMELLO. 4. Il PLUTONE DELLA VAL MASINO VAL BREGAGLIA che si sviluppa a nord dell Adda dal quale si cava il ghiandone roccia utilizzata in edilizia. 5. MONTE BIANCO, MONTE ROSA, PRESANELLA. Tutti questi massicci hanno età attorno ai 300 milioni di anni.

41 Monte Bianco 41

42 Esempi di filone-strato 42

43 Formazione dei laccoliti 43

44 Esempio di laccolite 44

45 Esempio di dicco 45

46 Esempio di dicco 46

47 Esempi di fessurazioni colonnari 47 Bolsena, Lazio

48 Esempi di fessurazioni colonnari 48 Isola di Staffa, Scozia

49 Formazioni geologiche effusive 49 Le rocce vulcaniche si suddividono in due grandi gruppi: rocce effusive che sono i prodotti delle eruzione vulcaniche effusive, tipo L Etna o le dorsali oceaniche (in cui si ha un flusso di lava) rocce piroclastiche prodotte dalle eruzioni vulcaniche esplosive (tipo lo Stromboli, il Vesuvio)

50 Attività vulcanica esplosiva 50 Caratterizzata da magma viscoso, acido con la fuoriuscita violenta delle bolle di gas. Il magma viene ridotto a brandelli nella fuoriuscita e, unendosi, ai frammenti delle rocce preesistenti, forma il vulcano. I frammenti generati dalle eruzioni vulcaniche vengono chiamati piroclasti : a. I più piccoli, le CENERI, possono essere trasportate dai venti per anni e disperdersi omogeneamente abbassando la temperatura media del pianeta riflettendo anche solo una piccola parte dell energia solare. b. Medi sono i LAPILLI che cadono molto lontano dal cratere. c. I più grossi le BOMBE cadono in prossimità del centro d emissione seguendo una traiettoria balistica data dalla gravità.

51 Meccanismi di caduta dei piroclasti 51 CADUTA GRAVITATIVA I lapilli cadono a grandi distanze dal centro di emissione, le bombe in prossimità e le ceneri ad enormi distanze, con traiettoria balistica poi si consolideranno dando origine a CINERITI, TUFI, BRECCE VULCANICE oppure, se si mescolano con i sedimenti di origine differente, in mare a TUFITI. FLUSSO PIROCLASTICO I flussi piroclastici sono caratterizzati dal movimento verso valle di materiale piroclastico tenuto in sospensione da gas ad alte temperature: NUBI ARDENDTI = nubi con densità e temperatura elevate in grado di percorrere grandi distanze mantenendo alta la temperatura dei piroclasti, i frammenti poi si saldano a caldo per dare origine alle ignibriti. I volumi di magma coinvolti sono molto grandi e i depositi tendono a colmare le depressioni del terreno. Se sul vulcano interessato da flusso piroclastico ci sono ghiacciai o laghi si genereranno vere e proprie COLATE DI FANGO BOLLENTE dette LAHAR che trasporterà con sé molti detriti.

52 Meccanismi di caduta dei piroclasti 52 ONDATE BASALI Flussi di gas e materiale piroclastico con bassa densità ma elevate temperature, molto veloci e dal flusso turbolento. Sono correnti che si muovono radialmente ad anello rasoterra. Fenomeni d ondata basale si generano quando il magma viene a contatto con l acqua circolante nel sottosuolo, che evapora istantaneamente provocando un esplosione detta eruzione FREATO MAGMATICA che può distruggere il vulcano stesso. Un eruzione di questo tipo fu quella del 79 d.c. del Vesuvio che distrusse Ercolano e Pompei.

53 Esempi di eruzioni esplosive 53

54 Esempi di piroclasti 54 LAPILLI: dimensioni 2-64 mm CENERI: dimensioni < 2 mm

55 Esempi di piroclasti 55 BOMBE: dimensioni > 64 mm

56 Attività vulcanica effusiva 56 Il magma fuoriesce dal condotto senza subire frammentazioni, di solito sono lave BASALTICHE molto fluide che vengono emesse a temperature di circa C e scorrono tranquillamente verso valle creando veri e propri FIUMI DI LAVA. Le lave più acide a composizione RIOLITICA fuoriescono a minore temperatura C e tendono a solidificarsi in prossimità del centro di emissione formando dei RISTAGNI A FORMA DI CUPOLA. L attività si distingue in subaerea se la lava solidifica a contatto con l atmosfera e subacquea se a contatto con l acqua.

57 Attività vulcanica effusiva 57 LAVE SUBAEREE: quando le superfici delle colate sono lisce si parla di lave PAHOEHOE; una variante è la LAVA A CORDA che solidifica con dei corrugamenti perchè ha incontrato asperità topografiche. Le superfici possono anche essere irregolari, vetrose e spinose dette lave AA con il termine onomatopeico hawaiiano che si formano per un accelerazione del flusso. Se la lava sovrastante solidificata funge da isolante alla lava sottostante creando dei tunnel che poi si svuotano, si parla di tunnel di lava. LAVE SUBACQUEE:se le lave fluide entrano a contatto con l acqua si solidificano a bolle ed onde, si forma la lava detta A CUSCINO (o pillows).

58 Esempi di eruzioni effusive 58

59 Esempi di eruzioni effusive 59 Lava AA

60 Esempi di eruzioni effusive Lava a corda PAHOEHOE 60

61 Esempi di eruzioni effusive 61 Lava a cuscino Pillows

62 Tunnel di lava 62

63 Classificazione delle rocce ignee 63 Rocce sialiche (acide) Si O 2 > 65 %, silice libera Rocce intermedie (neutre) 52% < Si O 2 < 65 % Rocce femiche (basiche) 45 % < Si O 2 < 52 % Rocce ultrafemiche (ultrabasiche) Si O 2 < 45 %

64 Composizione delle rocce ignee 64 Sialiche 80 % 65 % Intermedie 60 % 52 % Femiche Ultrafemiche 45 % 30 % SiO 2 Grossa Grana Fine

65 Tessitura delle rocce ignee 65 FANERITICA (a grana grossa: ad esempio il granito) Presenta grossi cristalli (da 0,5 mm a diversi cm); non è presente una matrice di materiale fine. Il raffreddamento è stato lentissimo. CRIPTOCRISTALLINA o AFANITICA (a grana fine: ad esempio il basalto) Presenta grana finissima (i cristalli non sono visibili ad occhio nudo; il diametro medio è inferiore a 0,5 mm). Il raffreddamento è stato veloce. PORFIRICA È composta da almeno due minerali che presentano grandi differenze nelle dimensioni. I cristalli più grandi sono detti fenocristalli; quelli più piccoli costituiscono la matrice. Si pensa che le rocce con questa struttura abbiano subito due diverse fasi di raffreddamento: uno in profondità, dove viene favorito lo sviluppo dei fenocristalli, l altro in superficie (o in prossimità), dove si forma la matrice.

66 Tessitura delle rocce ignee 66 Faneritica Afanitica

67 Porfirica 67

68 Tessitura delle rocce ignee 68 VESCICOLARE (con bolle più o meno grandi: ad esempio la pomice) Sono presenti fori e cavità, le vescicole sono il risultato dell espansione dei gas i quali, liberandosi, formano le bolle nella massa fusa. VETROSA (a frattura concoide: ad esempio l'ossidiana) Non presenta cristalli ma una tipica lucentezza vitrea; il raffreddamento è stato rapidissimo. FRAMMENTARIA (con frammenti più o meno grandi, fusi assieme dal calore dell'eruzione: ad esempio il tufo) È tipica delle piroclastiti, rocce che vengono proiettate violentemente durante le eruzioni espolsive. Viste da vicino si notano alcuni minerali e frammenti fusi assieme per azione del calore. Si possono scorgere anche dei frammenti vetrosi.

69 Vescicolare 69 POMICE

70 Vetrosa 70 Frammentaria