Indice ORIGINE ED EVOLUZIONE DEL SUOLO mappa 1... 2 ORIGINE ED EVOLUZIONE DEL SUOLO 1. Origine delle rocce... 3 1.1 Origine e struttura interna della Terra... 3 Crosta... 4 Mantello... 4 Nucleo... 5 1.2 Litosfera... 5 Rocce magmatiche... 6 Rocce sedimentarie... 7 Rocce metamorfiche... 9 Approfondimento Ciclo delle rocce... 9 1.3 Principali minerali nella litosfera... 10 Silicati... 10 Carbonati... 13 Solfati... 14 Fosfati... 15 Solfuri... 15 Ossidi... 15 Alogenuri... 16 Nitrati... 16 Verifica... 17 mappa 2... 18 2. Alterazione delle rocce... 20 2.1 Alterazione fisica... 20 Azione del calore... 20 Azione della forza di gravità... 20 Azione del vento... 21 2.2 Alterazione chimica... 21 Azione solvente... 22 Azione idratante... 22 Azione idrolizzante... 23 Azione ossidante... 23 2.3 Alterazione biologica... 24 Verifica... 25 VII
Indice mappa 3... 26 3. Biologia del suolo... 27 3.1 Organismi presenti nel suolo... 27 Mammiferi... 28 Artropodi... 29 Molluschi... 31 Lombrichi... 31 Approfondimento I lombrichi... 32 Nematodi... 33 Protozoi... 33 Alghe... 34 Funghi... 34 Licheni... 35 Attinomiceti... 36 Batteri... 36 Approfondimento La vita intorno alla radice... 40 Verifica... 41 mappa 4... 42 ORIGINE ED EVOLUZIONE DEL SUOLO 4. Sostanza organica... 43 4.1 Fonti di sostanza organica... 44 Residui vegetali... 44 Residui animali... 44 Residui microbici... 44 4.2 Umificazione... 45 Disgregazione e lisciviazione... 47 Decomposizione biologica... 47 Melanizzazione... 47 Formazione di complessi umo-minerali... 47 4.3 Turnover della sostanza organica nel suolo... 48 Verifica... 49 mappa 5... 50 5. Evoluzione del suolo... 51 5.1 Evoluzione... 51 Roccia madre e substrato pedogenetico... 52 Clima... 52 Morfologia... 53 Biologia del suolo... 53 Tempo... 53 5.2 Profilo e orizzonti... 54 Approfondimento Simboli convenzionali... 55 5.3 Principali processi pedogenetici... 56 Eluviazione o lisciviazione... 56 VIII
Indice Illuviazione... 56 Podsolizzazione... 56 Laterizzazione o ferrallitizzazione... 57 Rubefazione... 57 Gleyficazione o idromorfia... 57 Alomorfia... 57 Verifica... 58 TERRENO AGRARIO mappa 6... 60 TERRENO AGRARIO 6. Costituenti del terreno agrario... 61 6.1 Substrati alloctoni... 64 Substrati alluvionali... 64 Substrati colluviali... 65 Substrati morenici... 65 Substrati eolici... 65 6.2 Fasi del terreno... 66 6.3 Fase solida inorganica... 66 Tessitura... 66 Scheletro... 68 Terra fine... 68 Approfondimento Le frazioni del terreno... 69 Composizione mineralogica della frazione argillosa... 70 Approfondimento Altri costituenti argilliformi... 72 Origine dell argilla... 73 Approfondimento Altri minerali argillosi... 74 6.4 Fase solida organica... 75 Composizione... 76 Apporti minerali della sostanza organica... 77 Rapporti con la fase solida inorganica... 78 Approfondimento L analisi delle ceneri... 78 Valutazione... 79 Bilancio umico... 80 6.5 Fase liquida... 83 Meccanismi di trattamento dell acqua... 84 Potenziale idrico... 85 Punti caratteristici nel rapporto acqua-terreno... 88 Approfondimento Importanza agronomica dei punti caratteristici... 89 Qualità dell acqua di irrigazione... 90 Approfondimento Classificazione delle acque irrigue... 92 Approfondimento La carta dell acqua... 93 6.6 Fase gassosa... 94 Composizione dell aria atmosferica... 94 Composizione dell aria tellurica... 95 Importanza dell aria tellurica... 96 Verifica... 97 IX RCS Libri S.p.A. - Divisione Education, Milano
Indice mappa 7... 98 7. Caratteri del terreno agrario... 99 7.1 Potere assorbente... 99 Assorbimento biologico... 100 Assorbimento chimico... 100 Assorbimento chimico-fisico o scambio cationico... 100 7.2 Soluzione circolante... 103 Composizione... 103 Soluzione micellare... 103 Soluzione intermicellare... 103 7.3 ph... 104 Terreni acidi... 104 Approfondimento Cause di acidificazione del suolo... 106 Terreni alcalini... 107 Approfondimento Clorosi ferrica... 109 Reazione del terreno e disponibilità dei nutritivi... 110 Potere tampone... 111 7.4 Struttura... 112 Origine della struttura... 112 Fattori che influenzano la struttura... 113 Importanza agronomica... 115 Densità apparente e porosità... 116 7.5 Pedogenesi ed erosione... 117 Tipi, forme e fasi dell erosione... 119 Fattori di erosione... 121 Fattori legati al clima... 122 Fattori legati all uso del suolo... 122 7.6 Classificazione dei suoli... 124 Classificazione americana... 125 Verifica... 133 TERRENO AGRARIO mappa 8... 134 8. Cartografia pedologica... 135 8.1 Introduzione alla cartografia... 135 Proiezioni geografiche... 136 Scala geografica... 137 Classificazione delle carte geografiche... 137 8.2 Carta dei suoli... 138 8.3 Carte derivate e interpretate... 141 Carta delle capacità d uso dei suoli... 141 Carta delle attitudini dei suoli alle diverse colture... 143 Approfondimento Altre carte... 145 Verifica... 150 X
ELEMENTI NUTRITIVI mappa 9... 152 ELEMENTI NUTRITIVI 9. Biopedologia degli elementi nutritivi... 153 9.1 Azoto... 153 Azotofissazione simbiotica... 154 Azotofissazione non simbiotica... 158 Ammonizzazione... 159 Nitrificazione... 160 Dinitrificazione... 161 9.2 Fosforo... 162 Azioni microbiche sul fosforo... 164 Azioni chimiche sul fosforo... 165 9.3 Potassio... 166 9.4 Zolfo... 167 Azioni sui composti dello zolfo... 170 9.5 Magnesio... 170 9.6 Calcio... 171 9.7 Microelementi nutritivi... 172 Boro... 173 Ferro... 173 Manganese... 174 Rame... 174 Zinco... 175 Molibdeno... 175 Verifica... 176 XI
PEDOLOGIA Parte prima Origine ed evoluzione del suolo 1 0060.Parte_prima.indd 1 04/01/11 13:26
ORIGINE ED EVOLUZIONE DEL SUOLO oceanica (SIMA) STRUTTURA DELLA TERRA 1 mappa CROSTA MANTELLO NUCLEO continentale (SIAL) LITOSFERA origine delle rocce PROCESSO PEDOGENETICO SEMPRE IN ATTO disgregazione decomposizione rocce eruttive Consolidamento e cristallizzazione del magma fuso PEDOSFERA Detritica SUOLO ARGILLE rocce sedimentarie Organica Chimica Rocce eruttive rocce metamorfiche Rocce sedimentarie feldspati feldspatoidi tectosilicati fillosilicati allumosilicati PRINCIPALI MINERALI SILICATI Carbonati Solfati Fosfati Solfuri Ossidi del silicio Ossidi del ferro Ossidi dell alluminio Alogenuri Nitriti 2
ORIGINE ED EVOLUZIONE DEL SUOLO CAPITOLO 1 Origine delle rocce OBIETTIVI Comprendere l origine e la struttura della Terra Conoscere l origine e la costituzione delle rocce presenti nella litosfera Individuare i minerali ritenuti importanti nella pedologia APPROFONDIMENTI Rocce magmatiche Rocce sedimentarie Rocce metamorfiche Strutture cristalline 1.1 ORIGINE E STRUTTURA INTERNA DELLA TERRA La pedologia è la scienza che si occupa dello studio del suolo, cioè della parte più superficiale della crosta terrestre. Il suolo si forma in seguito all alterazione delle rocce e tale alterazione può essere di natura fisica, chimica o biologica. Per comprendere le caratteristiche dei suoli e ricostruirne l origine è quindi necessario conoscere le proprietà del subustrato roccioso da cui traggono origine. Per fare ciò è bene ricordare le macrocaratteristiche del nostro pianeta. La storia evolutiva della Terra è cominciata 4,6 miliardi di anni fa, a seguito dei numerosissimi fenomeni e mutamenti che hanno dato origine al Sistema solare. Per effetto della rotazione, sul pianeta Terra, inizialmente semifluido, si determinò una stratificazione secondo la densità dei suoi compo- 3
ORIGINE ED EVOLUZIONE DEL SUOLO nenti: al centro i materiali più pesanti e in superficie quelli più leggeri. Con il progressivo raffreddamento (e quindi solidificazione) degli strati esterni, si venne a formare la struttura che ha reso possibile lo sviluppo della vita sulla Terra: un globo solido avvolto da uno strato gassoso che dopo lunghe modificazioni è diventato l attuale atmosfera (risalente infatti a 1,2 miliardi di anni fa). La Terra presenta un raggio di 6378 km, distinto in tre gusci concentrici: all esterno la crosta; nella parte mediana il mantello; al centro il nucleo. Vediamoli nel dettaglio. profondità (km) 10-30 km 2900 km 5170 km 6371 km crosta astenosfera nucleo interno mantello nucleo esterno discontinuità di Mohorovici ˇ discontinuità di Gutenberg discontinuità di Lehmann Fig. 1.1. Raffigurazione schematica della Terra. Crosta La crosta è il guscio esterno della Terra, costituito da materiale allo stato solido, cioè le rocce. Ha uno spessore variabile: sotto i continenti può raggiungere i 70 km (in corrispondenza delle catene montuose), mentre nei bacini oceanici raggiunge al massimo i 10 km (Figura 1.1). Per esempio, nei pressi delle Azzorre si è misurato uno spessore della crosta terrestre di soli 3 km; in Italia, invece, varia tra i 55 km (sotto le catene montuose delle Alpi) e i 30 km, sebbene nel mar Tirreno si siano misurati spessori di 10 km. La crosta terrestre è distinta in: crosta continentale; crosta oceanica. La crosta continentale è costituita da rocce più leggere rispetto a quelle della crosta oceanica e ha una densità di 2,7 g/cm 3 ; è chiamata anche SIAL, dal nome degli elementi maggiormente presenti: silicio e alluminio. La crosta oceanica è formata da rocce pesanti, in prevalenza basalti, che dopo essersi solidificate sono state ricoperte da sedimenti marini. È anche detta SIMA, dal nome degli elementi in essa più diffusi, cioè silicio e magnesio e ha una densità pari a 2,9 g/cm 3. Il confine tra la crosta terrestre e il sottostante mantello è costituito da una zona denominata Moho o superficie di discontinuità di Mohorovičić, dal nome del sismologo slavo che la identificò nel 1906. Questo confine è più vicino alla superficie in corrispondenza della crosta oceanica, mentre al di sotto dei continenti, si trova a profondità più elevate. Mantello Il mantello è la parte intermedia (Figura 1.1), la più ampia in termini di volume (84%) e di massa (68%). I dati geofisici disponibili indicano che il mantello possiede una struttura a strati così distinguibile: mantello superiore, dalla Moho fino a 400 km di profondità; zona di transizione, dai 400 ai 700 km; mantello inferiore, dai 700 ai 2900 km. Il mantello superiore è costituito da uno strato rigido che, assieme alla crosta terrestre, va a costituire la litosfera nel suo complesso, e da una zona, chiamata astenosfera, nella quale la roccia si presenta in parte allo stato fuso. 4
Origine delle rocce Il mantello superiore è quello più studiato, e i dati sismici e mineralogici a disposizione fanno supporre che sia composto da materiali rigidi a base di silicati di ferro e magnesio (olivine, pirosseni e granati). Nucleo Il nucleo è la parte più interna della Terra, importante sia in termini di volume (16%) sia di massa (31%). È separato dal mantello inferiore dalla discontinuità di Gutenberg (Tabella 1.1) e si estende fino al centro della Terra, cioè fino a 6378 km. Per analogia con le meteoriti, si ritiene che il nucleo sia costituito in prevalenza da ferro e nichel. A circa 5000 km di profondità, una discontinui tà secondaria, detta di Lehmann, separa il nucleo esterno da quello interno. Il nucleo esterno si presenta allo stato liquido, molto denso e composto da una piccola parte di nichel (2%); è la zona nella quale si origina gran parte del magnetismo terrestre. Il nucleo interno è la parte più calda della Terra ma, data l altissima pressione, i materiali si trovano allo stato solido. Tab. 1.1. Rapporto tra profondità, temperatura e densità nella struttura della Terra. Denominazione Profondità (km) Temperatura ( C) Densità (g/cm 3 ) Crosta terrestre crosta continentale SIAL 2,7 0-70 0-500 crosta oceanica SIMA 2,9 Discontinuità di Mohorovičić mantello superiore 400 Mantello zona di transizione 700 3000 3,5-5,5 mantello inferiore 2900 Discontinuità di Gutenberg nucleo esterno 5000 4000 Nucleo 12-13 nucleo interno 6378 5500 1.2 litosfera La crosta continentale, quella oceanica e la zona del mantello rigido, fino all astenosfera, costituiscono la litosfera, un insieme di corpi rocciosi inalterati del pianeta, dalla quale, con un processo pedogenetico sempre in atto, si origina la pedosfera, cioè uno strato discontinuo che si spinge fino ai 6-8 m di profondità e che, come risultato dell interazione dinamica tra litosfera, atmosfera, idrosfera e biosfera, va a costituire il suolo. Dal punto di vista della com posizione chimica, la litosfera presenta gli elementi riportati nella Tabella 1.2. Tab. 1.2. Elementi più diffusi nella litosfera (%). O 45,6 P 0,1 Si 27,3 Mn 0,1 Al 8,3 F 0,04 Fe 6,1 Ba 0,03 Ca 4,5 Sr 0,03 Mg 2,1 S 0,03 Na 2,0 C 0,02 K 1,9 Cl 0,01 Ti 0,6 Zr 0,01 H 0,1 V 0,01 5 RCS Libri S.p.A. - Divisione Education, Milano
ORIGINE ED EVOLUZIONE DEL SUOLO I corpi rocciosi inalterati presenti nella litosfera derivano da tre processi specifici: 1. il processo magmatico; 2. il processo sedimentario; 3. il processo metamorfico. Da questi traggono origine le rocce, aggregati di minerali che possono essere classificate in: rocce magmatiche; rocce sedimentarie; rocce metamorfiche. Rocce magmatiche Le rocce magmatiche, dette anche ignee, derivano dalla cristallizzazione del magma fuso che risale dall astenosfera, penetrando nelle fenditure della litosfera (Figura 1.2). In base alle modalità con cui il magma solidifica, si ottengono diversi tipi di rocce che si suddividono in: intrusive, se il magma solidifica all interno della litosfera; effusive, se il magma fuoriesce dalla crosta terrestre e solidifica in superficie. Come tutte le rocce, anche quelle magmatiche vengono distinte in base alla loro composizione mineralogica e alla loro struttura (forma, dimensione e disposizione dei cristalli). Le rocce effusive, in genere, presentano una struttura granulare molto fine, in cui i singoli cristalli non si distinguono a occhio nudo, mentre per quelle intrusive si parla di rocce granitoidi per la presenza di cristalli facilmente visibili. Nei processi di cristallizzazione e nelle classificazioni, si attribuisce molta importanza al contenuto in silice presente nelle rocce magmatiche. In particolare si distinguono: rocce acide, con più del 65% di silice (graniti, porfidi, ossidiane); rocce neutre, con silice tra il 53 e il 64% (sieniti, cloriti, trachiti); rocce basiche, con quantità di silice inferiori al 52% (gabbri, basalti). Tra le rocce magmatiche intrusive ricordiamo: i graniti, costituiti da quarzo, feldspato e mica (Figura 1.3); le sieniti, simili ai graniti ma con poco quarzo (Figura 1.4); le dioriti, rocce intermedie con poco quarzo (Figura 1.5); i gabbri, rocce prive di quarzo (Figura 1.6). Fig. 1.3. Granito. Fig. 1.4. Sienite. Fig. 1.2. Il magma emerge dalla crosta terrestre. Fig. 1.5. Diorite. Fig. 1.6. Gabbro. 6
Origine delle rocce Fig. 1.7. Lastra di porfido in una cava. Fig. 1.8. Lave cordate (trachiti) dell Etna. Fig. 1.9. Bombe vulcaniche (trachiti e basalti) dell Etna. Tra le rocce effusive ricordiamo: i porfidi (Figura 1.7); le trachiti (Figura 1.8); i basalti (Figura 1.9); le leuciti. Rocce sedimentarie Le rocce sedimentarie sono il risultato finale di un processo che inizia con l alterazione e la disgregazione delle rocce, continua con il trasporto dei frammenti più o meno grandi e termina con la loro deposizione, compattazione e cementificazione. Poiché i processi di alterazione e disgregazione delle rocce sono sempre in atto, così come quelli di trasporto e di deposito, si può affermare che il processo di formazione delle rocce sedimentarie è continuo. I sedimenti trasportati dalle acque si depositano e si accumulano in strati (Figure 1.10 e Fig. 1.10. Strati piegati e fratturati. Fig. 1.11. Cascata tra rocce stratificate. 1.11); il materiale che si trova nella parte inferiore viene compattato dal peso degli strati sovrastanti (processo di costipazione), mentre le sostanze minerali che precipitano vanno a cementificare i singoli granuli (clasti o cristalli). Il processo che porta alla formazione della roccia sedimentaria è detto diagenesi e consiste nella successione di: disgregazione della roccia madre fino alla formazione di granuli di minerali e di lamine sottili di silicati e allumina; precipitazione delle sostanze minerali disciolte nell acqua con formazione di sostanze cementanti; diminuzione della porosità e saldatura dei frammenti; neoformazione di minerali diversi. 7
ORIGINE ED EVOLUZIONE DEL SUOLO Fig. 1.13. Arenaria. Fig. 1.14. Argillite. Fig. 1.12. Formazione delle rocce sedimentarie. Il diagramma sopra riportato (Figura 1.12) riassume i processi di formazione delle rocce sedimentarie. Dai sedimenti di origine detritica si formano le rocce sedimentarie terrigene. Oltre alle brecce, formate da frammenti di roccia a spigolo vivo cementificati, e ai conglomerati, fram menti di roccia a spigolo arrotondato cementificati, si distinguono (Tabella 1.3): l arenaria (Figura 1.13), sabbia cementata che può essere distinta in quarzosa, feldspatica e calcarea, secondo la natura della sabbia; la siltite, formata da granuli mol to piccoli cementati tra loro, con diametro compreso tra 0,0625 e 0,004 mm; l argillite (Figura 1.14), costituita dalla cementificazione di sedimenti molto minuti. Fig. 1.15. Calcare selcifero. Fig. 1.17. Alabastro. Fig. 1.16. Dolomite. Fig. 1.18. Opale. Tab. 1.3. Classificazione di Wentworth delle rocce sedimentarie in base alla loro granulometria. Dimensione Nome Nome granuli sedimento roccia Diametro maggiore Ghiaia Conglomerati di 2 mm e Pietrisco e Brecce Diametro compreso Sabbia Arenaria tra 2 e 0,0625 mm Diametro compreso Silt Siltite tra 0,0625 e 0,004 mm Diametro minore Argilla Argillite di 0,004 mm Dai sedimenti di origine chimica hanno origine le rocce carbonatiche, tra le quali si distinguo no: il calcare, formato dalla precipitazione di carbonato di calcio (Figura 1.15); la dolomite, formata dalla precipitazione di carbonato di calcio e magnesio (Figura 1.16); il travertino e l alabastro, formate dalle precipitazioni che avvengono in acque sorgenti o fluviali soprassature di carbonato (Figura 1.17); le selci, l opale e la geyserite, depositi di silice in acque marine, acque sorgenti o acque minerali (Figura 1.18). 8
Origine delle rocce Derivano invece dalla trasformazione chimica delle rocce operata dalle acque meteoriche e dall aria, le lateriti (rosse per la presenza di ossidi di ferro) e la bauxite (ricca di ossidi e idrossidi di alluminio). Dai sedimenti di origine organica si formano: il calcare organogeno e la dolomite organogena; la diatomite, silice polverulenta proveniente dai gusci delle diatomee; la fosforite, depositi di fosfato di calcio. Rocce metamorfiche Il processo metamorfico interessa la trasformazione mineralogica di rocce preesistenti, siano esse ignee, sedimentarie o metamorfiche. Questo processo avviene a una profondità variabile da pochi chilometri fino al confine tra crosta e mantello e porta alla formazione delle rocce metamorfiche. Le rocce preesistenti, per motivi legati alla dinamica della tettonica delle placche, sprofondano nella crosta, dove subiscono sia un au mento di Approfondimento Ciclo delle rocce Rocce effusive Erosione e alterazione delle rocce I processi di erosione, trasporto e sedimentazione trascinano i materiali derivanti dalla disgregazione delle rocce che, come abbiamo visto, possono essere sedimentarie, magmatiche o metamorfiche. L accumulo di questi sedimenti porta alla formazione di rocce sedimentarie che, con il tempo, possono essere a loro volta erose. Se dopo la loro formazione e la successiva distruzione vengono sepolte nelle profondità della crosta, le rocce sedimentarie possono essere modificate (dalla temperatura e dalla pressione) in rocce metamorfiche oppure, se collocate a profondità ancora maggiore, possono essere coinvolte in processi magmatici, fondere e dare origine a rocce eruttive. Sia le rocce metamorfiche sia quelle eruttive, una volta portate in superficie, saranno coinvolte anch esse nel ciclo delle rocce schematizzato nella figura seguente. Deposito dei sedimenti Sollevamento della crosta sedimentazione Rocce intrusive effusione del magma metamorfismo Rocce sedimentarie intrusione del magma Rocce metamorfiche fusione Rocce fuse Fig. 1.19. Ciclo delle rocce. 9
ORIGINE ED EVOLUZIONE DEL SUOLO Fig. 1.20. Scistosità. Fig. 1.21. Quarzite. Tra le rocce metamorfiche ricordiamo quelle: non foliate, come quarziti (Figura 1.21), marmi, calcefiri, ecc.; foliate, cioè appiattite in strati; poco foliate, per esempio anfiboliti (Figura 1.22), scisti argillosi, ecc.; grossolanamente foliate, come gneiss (Figura 1.23); finemente foliate, come filladi e scisti di varia composizione (Figura 1.24). 1.3 principali minerali nella litosfera Fig. 1.22. Filone di aplite in anfibolite. Fig. 1.23. Gneiss. temperatura dovuto al gradiente geotermico sia un aumento di pressione dovuto al peso dei corpi rocciosi sovrastanti. L au - men to di temperatura varia tra i 10 e i 30 C per ogni chilometro di profondità a seconda delle Fig. 1.24. Micascisti. regioni climatiche, mentre la pressione aumenta di 200-300 bar per ogni chilometro di profondità. In queste condizioni la roccia cambia forma, i minerali divengono instabili, gli atomi dei loro reticoli cristallini cambiano disposizione e si formano minerali nuovi e più stabili; questi cambiamenti sono innescati principalmente da temperature e pressioni diverse da quelle in cui la roccia originaria si è formata. Alcune rocce metamorfiche presentano al loro interno superfici di discontinuità planare (foliazione); tali discontinuità possono essere dovute alla disposizione orientata di minerali, che rende la roccia divisibile secondo piani paralleli (scistosità) (Figura 1.20). Abbiamo finora parlato delle rocce cioè, in termini geologici, di aggregati minerali. Vediamo ora i minerali, ovvero i componenti delle rocce. I minerali sono corpi naturali, solidi e inorganici, chimicamente e fisicamente omogenei. Presentano una struttura cristallina, cioè un organizzazione interna costituita da reticoli disposti geometricamente. Le unità strutturali che costituiscono i reticoli cristallini possono essere ioni, atomi o molecole, le cui dimensioni assumono notevole importanza poiché il numero di ioni che si possono disporre intorno a un altro ione di carica opposta dipende anche da tale parametro. I minerali che più facilmente troviamo nelle rocce costituenti la litosfera sono i silicati (quasi per il 90%) e, in quantità decisamente inferiori, carbonati, fosfati, solfati, cloruri, ecc. Silicati I silicati si formano, in presenza di elevate temperature e pressioni, per reazione tra ossidi nel momento in cui il magma si raffredda. Sono presenti sia nelle rocce magmatiche sia in quelle sedimentarie e metamorfiche. Assumono notevole importanza mineralogica e industriale; infatti, dai silicati si ricavano pietre ornamentali pregiate, metalli di grande valore economico e svariati prodotti utilizzati nell industria. 10
Origine delle rocce Nella composizione, accanto al silicio trovano posto altri elementi come ossigeno, alluminio, ferro, manganese, magnesio, potassio, calcio e altri ancora. Nel 1912, quando si applicò per la prima volta alla ricerca mineralogica l analisi roe n t- genografica (raggi X), si ottennero nuove informazioni sui silicati. Tale mezzo d indagine rivelò che, nel reticolo cristallino dei si li cati, ciascun ione Si 4+ è si tuato al centro di un tetrae dro (una figura geometrica molto simile a una piramide) che ha sui quattro vertici quattro ioni ossigeno. L insieme dà luogo a un radica le complesso, costituito dal gruppo [SiO 4 ] 4 che co sti tuisce, a sua volta, l unità strutturale di tutti i silicati (Figura 1.25). Il modo in cui sono disposte queste u ni tà strutturali per mette di di stinguere i silicati. L unità strutturale (o tetraedro) può essere isolata oppure unita ad altri tetraedri; quando è isolata, il legame tra una di esse e quella adiacente è stabilito da un catione che, disponendosi tra gli ioni ossigeno, ne satura le valenze negative libere. Interessante è il comportamento dell alluminio che, quando è presente come catione, dà luogo alla formazione di silicati di alluminio; invece, la sua presenza all interno del tetraedro al posto del silicio dà luogo agli allumosilicati, di fondamentale importanza perché solo da essi, per alterazione, si ottiene l argilla. Secondo le moderne interpretazioni strutturali, basate sulla disposizione dei tetraedri, i silicati vengono suddivisi nelle seguenti sottoclassi. Nesosilicati La parola deriva dal greco nesos che significa isola. Si tratta di tetraedri isolati e collegati fra di loro da ioni Ca, Fe (II), Mn, Mg, ecc. (Figura 1.26). Di questo gruppo si ricorda l olivina, costituente essenziale di molte rocce povere di silice, i granati e gli zirconi (dai quali si ottengono gemme preziose) e la fayalite (trovata nelle ossidiane delle isole Eolie e dell Etna). subnesosilicati Fig. 1.26. Nesosilicati: tetraedri liberi. Sono nesosilicati che presentano anioni estranei come F, CO 2, 3 BO3, ecc. Minerali importanti di questo gruppo sono il topazio e la 3 sillimanite (trovata negli gneiss della Sila). sorosilicati La parola deriva dal greco soros, cioè gruppo. I tetraedri sono riuniti a coppie per ciascun vertice, con un os sige no in comune (Figura 1.27). In que sto gruppo, tra i minerali più importanti, segnaliamo l emimorfite dalla quale si estrae lo zinco (in Italia se ne trovano giacimenti in Sardegna, sfruttati in epoca preromana) e la vesuviana trovata in tetraedri a gruppi di Fig. 1.27. Sorosilicati: due. bellissimi cristalli in Campania, a Tiriolo (Calabria), in Val di Fassa (Trentino) e in Val d Ala (Piemonte). Fig. 1.25. Tetraedro di SiO 4. ciclosilicati I tetraedri sono riuniti in modo da formare, su un piano, anelli triangolari, quadrangolari o esagonali (Figura 1.28). Ricordiamo il berillo che, in base al colore, si distingue in smeraldo, acquamarina, eliodoro, morganite, e la tormalina, dalla quale si ottengono alcune discrete gemme. Fig. 1.28. Ciclosilicati: anello esagonale. 11
ORIGINE ED EVOLUZIONE DEL SUOLO Inosilicati Il termine deriva dal greco inos, che significa fibra. I tetraedri sono uniti in lunghe catene semplici (pirosseni) o doppie (anfiboli) (Figure 1.29 e 1.30). Tra i pirosseni ricordiamo l augite (trovata su Vesuvio, Etna e Stromboli) e la giadeite (trovata anche in Italia sulle Alpi occidentali) adoperata a scopo decorativo (le giade in commercio provengono sia dalla giadeite sia dalla nefrite). Degli anfiboli, ai quali appartiene l orne blenda, ricordiamo che tra le doppie catene sono presenti cationi H e anioni OH, che conferiscono ad alcuni minerali di questo gruppo la capacità di rigonfiarsi (co me le argille). Le sottoclas si che descriviamo di seguito danno origine, per alterazione, ad argille di interesse agrario. Fillosilicati Il termine deriva dal greco fillon, cioè foglio. I tetraedri, disposti su un piano, formano strutture stratificate, a foglia (Figura 1.31). Ogni tetraedro possiede i tre ossigeni della base collegati ai tetraedri adiacenti, mentre l ossigeno del vertice ha valenza libera. Tra i fillosilicati ricordiamo il talco (in Italia presente in Piemonte, in provin cia di Sondrio e a Orani in Sardegna), con svariate applicazioni industriali, il grup po delle miche (muscovite o mica potassica o mica bianca, biotite o mica ros so-brunastra, ricca di ferro e magnesio), il gruppo delle cloriti e un gruppo di minerali prettamente argillosi che vedremo in seguito. Tectosilicati La parola deriva dal greco tectos, che significa edificio. I tetraedri sono collegati tra loro attraverso i quattro vertici; in questo modo i quattro atomi di ossigeno sono tutti impegnati (Figura 1.32). Nessun catione si potrebbe legare se non si verificasse la sostituzione di uno o più atomi di silicio con uno o più atomi di alluminio. In questa sottoclasse ricordiamo l importante famiglia dei feldspati, dalla quale derivano la maggior parte delle argille, e poi l ortoclasio, l albite e l anortite (gli ultimi due formano i plagioclasi); ne fanno parte inoltre la Fig. 1.29. Inosilicati a catena semplice. Fig. 1.30. Inosilicati a catena doppia. Fig. 1.31. Fillosilicati: tetraedri a strati. Fig. 1.32. Tectosilicati: pacchi tridimensionali. 12 0070.Capitolo_01.indd 12 04/01/11 11:51
Origine delle rocce Tab. 1.4. Classificazione dei silicati. Denominazione Disposizione dei tetraedri Minerali più importanti Nesosilicati Sorosilicati Ciclosilicati Inosilicati Fillosilicati Tectosilicati Isolati Uniti a coppie Uniti ad anello su un piano Uniti in catene semplici (pirosseni) o in catene doppie (anfiboli) Uniti su un piano per formare strutture a strati Uniti nelle tre direzioni dello spazio per formare strutture complesse Olivina, granato, zirconio, fayalite, topazio, sillamanite Emimorfite, vesuviana Berillo (smeraldo, acquamarina, ecc.), tormalina Pirosseni = augite, giadeite, nefrite, ecc. Anfiboli = orneblenda Pirofillite, talco, mica (muscovite, biotite) gruppo dei cloriti gruppo dei minerali prettamente argillosi (caolinite, montmorillonite, illite, ecc.) feldspati (ortoclasio, albite, anortite, ecc.) feldspatoidi (leucite, nefelina, sodalite, ecc.) zeoliti famiglia dei feldspatoidi, che si formano al posto dei feldspati quando c è carenza di silice e abbondanza di alcali, comprende minerali come la leucite, la nefelina, la sodalite; la famiglia delle zeoliti, poco presenti nei terreni, ma di grande importanza per alcune proprietà che le rendono si mili ai minerali argillosi. Carbonati Questa categoria di minerali entra nella composizione chimica di molte rocce magmatiche, sedimentarie e metamorfiche. Sono i componenti essenziali dei calcari (rocce sedimentarie formate da calcite, CaCO 3 ), delle dolomie (carbonati doppi di calcio e magnesio, CaMg(CO 3 ) 2 in Figura 1.33) e dei marmi cristallini (rocce sedimentarie in origine, trasformate poi da fenomeni metamorfici con ricristallizzazione del carbonato di calcio). A elevate temperature si Fig. 1.33. Dolomie. (CO 3 ) (CO 2 3 ) 2 Fig. 1.34. Motivo strutturale dei carbonati. = ossigeno = ossigeno = carbonio = carbonio scompongono in CaO e CO 2. L ossido di calcio costituisce la calce viva che, a contatto con l acqua, forma la calce idrata o calce spenta, usata nell industria edilizia. I carbonati trattati con acidi, invece, sviluppano anidride carbonica. L unità strutturale è rappresentata dal gruppo CO 2 che ha due valenze libere, le quali possono essere saturate da ioni diversi per formare 3 carbonati (Figura 1.34). I carbonati si distinguono in anidri, acidi e idrati. Tra tutti i carbonati, il più importante è la calcite (Figura 1.35, a pagina seguente). Il carbonato di calcio può avere origine geologica (carbonatazione) oppure organica. In quest ultimo caso, alcuni organismi marini assimilano il bicarbonato sciolto nell acqua per edificare i loro rivestimenti o le loro strutture di sostegno; alla loro morte, tali strutture formano depositi di calcare organogeno (a volte enormi). 13
ORIGINE ED EVOLUZIONE DEL SUOLO carbonati acidi o bicarbonati Il minerale più importante di questo gruppo è la nahcolite (il cui nome deriva direttamente dalla formula Na-HCO-lite, Figura 1.37) trovata presso i Campi Flegrei, nelle cosiddette stufe di Nerone. Fig. 1.35. Calcite. Il carbonato di calcio è solubile in acqua solo per lo 0,015%, ma se questa possiede disciolta anidride carbonica aumenta notevolmente il suo potere solvente. carbonati anidri Non hanno acqua molecolare nel reticolo cristallino. Tra i minerali più importanti ricordiamo la calcite (trovata a Porretta nel l Ap pennino toscoemiliano, nel Vicentino e nel Sarrabus in Sardegna), la magnesite (con giacimenti in Val di Susa, nell isola d Elba e in molti luoghi della Toscana), la siderite (ritrovata in Val Seriana e in Val Camonica, nelle miniere di Brosso e nelle rocce della Nurra in Sardegna), che contiene quasi il 48% di ferro, la dolomite, molto diffusa in natura nelle rocce dette dolomie, in cristalli magnifici rinvenuti nel Cadore e nel marmo di Carrara, e infine la malachite (Figura 1.36), presente in tutti i giacimenti di rame. Fig. 1.36. Malachite. Fig. 1.37. Nahcolite. carbonati idrati Nel loro reticolo cristallino è presente acqua molecolare. Ricordiamo la natrite, utilizzata nella metallurgia, nell industria vetraria, nella preparazione dei saponi e dei colori. Solfati Ai minerali di questo gruppo (Figura 1.38) fanno parte il gesso e l anidrite, che a volte formano banchi consistenti nella crosta terrestre. L anidrite (CaSO 4 ) ha origine dall evaporazione dell acqua marina e si può trovare nei calcari e nelle Fig. 1.38. Gesso. dolomie insieme a gesso e salgemma. Esposta agli agenti atmosferici, tende a idratarsi, trasformandosi in gesso e, aumentando il proprio volume anche del 60%, dà origine a modesti rilievi. Il gesso può avere origine dall azione di acque acide (per acido solforico) su calcari e da fenomeni vulcanici. 14
Origine delle rocce Fosfati In natura il fosforo non si trova allo stato libero perché, avendo una grande affinità con l ossigeno, forma con questo elemento dei composti, i fosfati, caratterizzati dal gruppo PO 3. 4 Tra i minerali più importanti ricordiamo le apatiti, nome generico per indicare i fosfati di Ca contenenti F (fluoroapatiti), Cl (cloroapatiti), O (ossiapatiti), OH (idrossiapatiti), ecc.; la vivianite (Figura 1.39), che si riscontra nei terreni umiferi o torbosi e la collofanite fa cente parte dei fosfati sedimentari. Importanza notevole hanno anche le fosforiti, depositi organogeni di fosfato tricalcico, che si sono formati a spese di resti di organismi marini, e che sono costituiti da CaCO 3 e da un Ca 3 (PO 4 ) 2 amorfo, la collofanite. Solfuri Fig. 1.39. Vivianite. Questi minerali sono composti non ossigenati che derivano dalla combinazione di vari metalli con lo zolfo. Le loro strutture sono abbastanza complicate, fatta eccezione per pochissimi casi. Tra questi minerali ricordiamo la calcopirite (CuFeS 2 ), il cinabro (HgS) e la pirite (FeS 2 ) (Figura 1.40). Ossidi I più importanti ossidi impegnati nella formazione delle rocce provengono dalla combinazione dell ossigeno con silicio, alluminio e ferro. ossidi del silicio Il quarzo e l opale sono i più rappresentativi di questo gruppo. Il quarzo è uno dei minerali più comuni (Figura Fig. 1.41. Quarzo. 1.41) ed entra a far parte delle rocce eruttive, delle sabbie e di alcune rocce metamorfiche come gli gneiss e le micascisti. Una delle caratteristiche di questo minerale è la piezoelettricità, cioè la proprietà di generare cariche elettriche quando viene sottoposto ad azioni meccaniche (pressioni, tensioni, ecc.) lungo certe direzioni. Inoltre, il minerale, sottoposto all azione di un campo elettrico, si deforma e vibra (risonanza): ciò sta alla base del suo utilizzo in elettronica. Cristalli di quarzo, variamente colorati, sono usati come gemme dal nome particolare: ametista, avventurina, occhio di tigre, calcedonio, diaspro, corniola, ecc. Data la trasparenza alle radiazioni ultraviolette, il quarzo si usa inoltre, per produrre lenti e prismi utilizzati in spettrometria. L opale è invece un minerale amorfo che proviene dall alterazione dei silicati e spesso costituisce il guscio e lo scheletro siliceo di or ganismi come diatomee, radiolari, ecc. Fig. 1.40. Pirite. ossidi del ferro L ematite è il minerale più importante di questo gruppo; è diffuso in molte rocce sotto forma sia di lamine sottili (granito di Baveno) sia di masse compatte o terrose. Può essere usato come pietra ornamentale oppure, nel caso del tipo terroso, come materia colorante (ocra rossa per i pittori). Le prime matite avevano l ematite come mina colorante, da ciò, infatti, deriva il loro nome. 15