Corso di Mineralogia (A.A....

Corso di Mineralogia

Scienze Geologiche

A.A. 2017 / 2018

Informazioni

Introduzione al corso

Introduzione ai minerali che

costituiscono le rocce

(pdf # 01)

(2) - Mineralogia 2017/2018 - pdf#1

Ho preparato una pagina web con in cui sono disponibili le informazioni relative al corso. Via via saranno aggiunti i contenuti svolti a lezione e nei laboratori. Per accedervi andate su www.unibo.it, rubrica, cerca persone "gasparotto" "vai al sito personale" oppure andate direttamente al sito augite.wikidot.com


Corso di Mineralogia per Scienze Geologiche

Queste informazioni sono ripetute nella pagina web; tutti gli aggiornamenti li troverete li.

Docente: Giorgio Gasparotto

Orario:

Lezioni: lunedì 9-11, martedì 11-13 (aula M2)‏

Esercitazioni: distribuite su 2 turni

Turno “I”: mercoledì 14-16, giovedì 16-18 Turno “II”: mercoledì 16-18, giovedì 14-16 le aule delle esercitazioni saranno sempre indicate a lezione per la settimana corrente e sono riportate nel calendario delle lezioni

Per un elenco completo dei testi e del materiale didattico vedi le sezioni nel sito "augite.wikidot.com"

Alcune note sull'esame

Durante il corso verranno svolti due cicli di laboratorio:

Cristallografia morfologica: la simmetria esterna dei cristalli.

Ottica mineralogica: le proprietà ottiche dei minerali osservate al

microscopio polarizzatore e il loro riconoscimento.

Alla fine di ciascuno di questi laboratori vi sarà la possibilità di

sostenere un test scritto. Chi lo sostiene (e lo supera) utilizzerà il

risultato per l'esame finale. I test non sono obbligatori, chi non li

sostiene avrà le domande relative nello scritto dell'esame.

Il test di cristallografia si svolgerà presumibilmente alla fine di

marzo o subito dopo Pasqua, in una data tale da non disturbare

le lezioni. Il test di ottica alla fine del corso.

L’esame‏è‏scritto e consisterà di 3 domande (es.: descrivere un

minerale,‏descrivere‏l’uso‏del‏microscopio‏ecc.) e 2 esercizi (uno

con semplici calcoli numerici e uno di cristallografia).

Chi ha sostenuto i test intermedi (con risultato positivo) non

dovrà rispondere alle domande relative.


Eventuali variazioni rispetto a questo schema verranno

comunicate con largo anticipo e pubblicate nel sito.

Superata la prova scritta si passa alla prova orale (un breve

colloquio) in cui si esamina lo scritto, si chiedono eventuali

chiarimenti e si chiede di identificare 2 minerali scelti fra quelli

più comuni. La prova orale non è un secondo esame, serve

per esaminare lo scritto assieme allo studente e lascia la

possibilità di correggere / integrare lo scritto.

Per informazioni aggiornate fare

sempre riferimento al sito

augite.wikidot.com



Cosa utilizzeremo delle materie propedeutiche ? Matematica:

• trigonometria elementare, • uso delle unità di misura, • qualche altro semplice calcolo

Chimica:

• struttura atomica, legame chimico, formule chimiche, significato di

acido e base, bilanciamento reazioni.

• Conoscere la Tavola periodica degli elementi, il significato della

posizione degli elementi nella tavola, i principali gruppi (metalli, metalli

alcalini, alogeni, semimetalli), le proprietà degli elementi, i nomi dei

principali elementi di interesse geologico.

Fisica:

• proprietà fisiche (colore, magnetismo, durezza ecc.)

• riflessione, rifrazione, diffrazione e interferenza della luce.

• interazione minerali (solidi) con le radiazioni elettromagnetiche (luce,

RX) e particelle (elettroni). I raggi-X.


Relazione fra mineralogia e altre

discipline (Klein, 2004). Le materie

cerchiate le affronterete il prossimo

anno e la mineralogia sarà

indispensabile per comprenderle

Sottodiscipline della

mineralogia (Klein,

2004)

(8) - Mineralogia 2017/2018 - pdf#1 Tentativo di rappresentare graficamente la sequenza di apprendimento


A cosa serve la mineralogia?

Una risposta esauriente, immediata e sintetica non è facile

da dare.

I minerali sono i costituenti fondamentali dalla crosta

terrestre;

I minerali sono materie prime per ricavare metalli, manufatti,

prodotti‏per‏l’industria‏chimica, agricoltura ecc.;

La presenza/assenza di alcuni minerali condiziona in

maniera pesante il comportamento geotecnico delle "terre";

I minerali sono costituenti fondamentali dei suoli agrari;

I minerali sono molto apprezzati dal punto di vista estetico

(gemme)‏;

…….

La‏mineralogia‏è‏una‏delle‏materie‏“fondanti”‏delle scienze

della Terra, assieme a geologia e paleontologia.

(10) - Mineralogia 2017/2018 - pdf#1

I minerali sono materie prime insostituibili da cui ricavare

metalli, manufatti, materie prime per l’industria chimica; la

nostra società industriale è “drogata” di materie prime

ricavate da minerali (metalli, minerali industriali) e da

materiali non considerati minerali in senso stretto (carbone,

petrolio, gas) ma comunque sempre estratti da giacimenti

presenti nella crosta terrestre e prodotti da processi

geologici.

Un esempio evidente di questo sono gli "smartphone" e

tutta l'elettronica (televisori, computer ecc.). Trent'anni fa

non esistevano (o meglio i primi telefoni mobili erano grossi

e pesanti) e quindi non erano necessari metalli rari che

adesso sono indispensabili per costruirli. Questi metalli

vengono estratti da minerali (sempre più spesso) ricercati e

rari (minerali delle REE, tantalio, indio, cobalto..).

(11) - Mineralogia 2017/2018 - pdf#1

Smartphone e particolare dei circuiti interni: questi oggetti sono un concentrato di tecnologie e utilizzano molti metalli ± rari (Co, REE, Au, Ta, Ga, In) oltre a metalli più comuni (Cu, Al ecc.) e Li per le batterie

(12) - Mineralogia 2017/2018 - pdf#1

Definizioni (Klein, 2004 e altre fonti)‏

Solido cristallino: composto chimico omogeneo con una

disposizione regolare e periodica di atomi. Esempi sono il

salgemma (NaCl), il quarzo (SiO2) ma anche materiali

organici (ad es. il saccarosio, C6H12O6). Lo stato cristallino è

la condizione normale per la materia solida. Non vi è

distinzione fra origine naturale o artificiale.

Cristallo: solido (naturale o artificiale) delimitato da facce

regolari che suggeriscono un sottostante ordine a scala

atomica. A cristallo si associa "naturalmente"‏l’importante‏

concetto di simmetria. Spesso il termine cristallo viene

usato in maniera impropria (anzi sbagliata!) per manufatti

che hanno l’aspetto di cristalli ma non lo sono; un esempio

sono‏i‏“cristalli”‏Swarovsky o‏i‏bicchieri‏di‏“cristallo”‏(vetri‏

opportunamente preparati).

(13) - Mineralogia 2017/2018 - pdf#1

Questi cristalli sono molto regolari, ben formati, "belli",

mostrano una elevata simmetria (lo intuiamo anche se

non abbiamo dato ancora nessuna definizione di cosa si

intenda per "simmetria") (Photos, R.Weller/Cochise College)

(14) - Mineralogia 2017/2018 - pdf#1

Minerale:

solido naturale con un elevato

ordinamento a scala atomica ed

una definita composizione

chimica (ma non fissa). Si forma

(generalmente) da processi

inorganici

(15) - Mineralogia 2017/2018 - pdf#1

Minerale: solido naturale con un elevato ordinamento a

scala atomica ed una definita (ma non fissa)

composizione chimica. Si forma generalmente da

processi inorganici.

Punti da considerare:

Solido

Naturale

Ordinato

Composizione definita

Inorganico

(16) - Mineralogia 2017/2018 - pdf#1

Solido

si‏intende‏solido‏alle‏condizioni‏“ordinarie”‏della‏superficie‏

terrestre (P = 1 Atm; T = 20 °C).

Il ghiaccio, H2O è un minerale? Alle condizioni ordinarie (P = 1

Atm; T = 20 °C) è un liquido per cui non lo consideriamo tale

(in alcuni testi viene considerato un minerale).

Il petrolio non è un minerale anche se talvolta si presenta allo

stato (quasi)solido (bitume). Il carbone è solido ma non è un

minerale in senso stretto. Le ossidiane (vetri vulcanici) sono

solidi ma non sono minerali.

Il mercurio (Hg) è liquido (a T ambiente) ma viene

tradizionalmente incluso fra i minerali.

Per alcuni di questi materiali viene talvolta usato il termine

"mineraloide" (a me non piace molto).

(17) - Mineralogia 2017/2018 - pdf#1

come potete vedere dagli esempi precedenti, possiamo

sempre trovare casi "limite", caratterizzati da una qualche

ambiguità ma li dobbiamo sempre trattare con un minimo di

razionalità.

Naturale

è un concetto molto importante: per definizione, un minerale

deve essere di origine naturale, anche se materiali

assolutamente identici si possono formare per processi

artificiali o essere prodotti intenzionalmente (ad es. diamanti e

gemme sintetiche, spesso indistinguibili da quelli naturali e

fonte di problemi per i gemmologi; ad un livello più basso, la

calcite che incrosta i vostri rubinetti). Anche in questo caso

non dobbiamo impazzire dietro alla definizione.

(18) - Mineralogia 2017/2018 - pdf#1



composizione chimica. Si forma generalmente da processi

inorganici.


Solido

Naturale

Ordinato


Inorganico

Ordinato implica l'esistenza di una struttura (cristallina) che segue regole geometriche rigorose (in condizioni ideali).

Questo argomento sarà ampiamente trattato nelle lezioni di cristallografia e cristallochimica

(19) - Mineralogia 2017/2018 - pdf#1






Solido

Naturale

Ordinato


Inorganico

Composizione definita La composizione di un minerale viene espressa dalla sua

formula seguendo una nomenclatura simile (spesso quasi

coincidente) con quella utilizzata in chimica per i composti

inorganici. Rispetto alla nomenclatura chimica, il nome di un

minerale deriva dalla tradizione (o da altro).

Un minerale può essere un composto puro (= la formula

esprime esattamente la composizione del minerale).

Esempi:

SiO2 quarzo

CaCO3 calcite

Fe2O

3 ematite

(vedremo in seguito come un minerale raramente sia completamente puro)

(20) - Mineralogia 2017/2018 - pdf#1 (20) - Mineralogia 2017/2018 - pdf#1

Molto frequentemente, la composizione non è fissa ma varia fra limiti definiti, ad es. l'olivina: un importantissimo minerale delle rocce ignee basiche (basalti) e metamorfiche (peridotiti del mantello).

La composizione delle olivine naturali varia fra i 2 "termini puri"

Mg2SiO

4 (forsterite)

Fe2SiO

4 (fayalite)

la formula delle olivine (notare il plurale) si deve scrivere

(Mg,Fe)2SiO4

ad indicare come Mg e Fe si possono sostituire reciprocamente

entro i limiti fissati.


Altri esempi:

ZnS (blenda); FeS (pirrotina)

(Zn,Fe)S blenda contenente Fe

Questa possibilità di variare la composizione fra

limiti definiti viene chiamata soluzione solida ed è un

fenomeno estremamente diffuso nei minerali (e non

solo).

Esempi particolari di soluzioni solide sono le leghe

metalliche (ad es. acciaio, lega Fe + C; ottone, lega

di Cu + Zn ecc.)


(23) - Mineralogia 2017/2018 - pdf#1






Solido

Naturale

Ordinato


Inorganico

Carbonato di calcio (CaCO3) Apatite Ca5(PO4)3(OH,F) e altri composti si formano comunemente in seguito ad attività biologica. CaCO3 gusci di organismi marini, coralli ecc. Ca5(PO4)3(OH,F) ossa, denti.

Sono minerali? Si certamente!, li troviamo in natura come costituenti di rocce diffusissime (calcari) e rocce di elevato interesse economico (fosforiti)

Carbonio, C diamante, grafite ed esempi di pietre grezze e tagliate. Si tratta di un

esempio‏impressionante‏dell’influenza‏della‏struttura‏sulle‏proprietà‏

fisiche.

La mineralogia studia e spiega queste proprietà.


Introduzione ai minerali che


(RFM - Rock-forming minerals)

Breve introduzione ai minerali che


(v.‏capitolo‏3‏sul‏volume‏“Capire‏la‏Terra”)

(26) - Mineralogia 2017/2018 (Rock-forming-minerals)

Struttura della Terra

La parte della Terra di nostro interesse per

la formazione di minerali e rocce è la crosta

e il mantello superiore. Un piccolissimo

contributo (ma importantissimo per la

comprensione della origine della Terra) è

rappresentato dai materiali extraterrestri

(meteoriti, polvere cosmica)

Schema dei processi (petro)genetici di minerali e rocce. Una griglia P-T come questa

ci fornisce una descrizione qualitativa dei campi di stabilità delle rocce (e minerali)


Il ciclo delle rocce

1: magma

2: cristallizzazione

3: roccia ignea

4: erosione

5: sedimentazione

6: sedimenti e rocce

sedimentarie

7: seppellimento e

metamorfismo

8: rocce metamorfiche

9: rifusione

(notate le intersezioni)


The hateful eight Questo titolo scherzoso indica quegli otto elementi che sono i principali costituenti della crosta terrestre. Nel contesto della mineralogia (e della petrologia) l'interesse maggiore è rivolto ai processi che si svolgono nella crosta e nel mantello superiore.

Questi processi portano alla formazione dei minerali (e delle rocce) che studieremo in questo corso (e nel successivo corso di petrografia) con cui avremo a che fare durante il corso di geologia e nella futura professione di geologo. La composizione globale della Terra differisce sensibilmente a causa della composizione del nucleo e verrà trattata nel corso di geochimica. Questi otto elementi non sono "hateful", formano il nostro ambiente, teniamoli sempre in elevata considerazione.

Composizione media della crosta terrestre


- wt% = percentuale in peso (g/100 g) - at% = percentuale atomica (atomi / 100 atomi) - vol% = percentuale in volume (cm3 / 100 cm3)

La somma di questi otto elementi rappresenta

quasi il 99%; nel restante 1,4% si concentrano tutti

gli altri elementi, alcuni di uso molto comune (Cu,

Zn, Pb, Ti, C, Au, ecc.).

Le rocce e i minerali della crosta sono

sostanzialmente ossigeno + pochi elementi

considerando il vol%, in un certo senso "camminiamo" sull'ossigeno

Dimensioni relative degli ioni più abbondanti nella crosta terrestre: per la

mineralogia è fondamentale considerare gli ioni. I rettangoli uniscono

elementi che hanno un comportamento simile nelle strutture dei minerali


tetraedro (SiO4)4- unità strutturale dei silicati


tetraedro (SiO4)4-

La possibilità di collegare tetraedri per i vertici consente di‏ottenere‏l’ampia‏variabilità‏strutturale‏dei‏silicati



Esempio di collegamento fra tutti gli ossigeni dei tetraedri

(SiO4)4-. Si ottiene una struttura complessa in cui tutti i vertici

dei tetraedri (SiO4) sono condivisi.

(modello "ball and stick" della struttura del quarzo-alfa)

rappresentazione con

tetraedri delle modalità più

comuni di concatenazione nei

silicati:

(a) nesosilicati

(b) soro-

(c) ciclo-

(d) inosilicati (catena

semplice)

(e) inosilicati (catena

doppia)

(f) fillosilicati

(g) tettosilicati


Sono tutti silicati, costituiti da una impalcatura (scheletro) 3d di tetraedri (SiO4) variamente collegati, escluse calcite-dolomite. Olivine e pirosseni sono costituenti fondamentali del mantello.


I 10 minerali più abbondanti (nella crosta)

Gruppo Specie / serie Formula

1 silice quarzo SiO2

2

feldspati

ortoclasio KAlSi3O8

3 albite NaAlSi3O8

4 anortite CaAl2Si2O8

5 miche

muscovite KAl2(AlSi3O10)(OH)2

6 biotite K(Mg,Fe)3(AlSi3O10)(OH)2

7 anfiboli orneblenda (Ca,Na)2(Mg,Fe)5Si8O22(OH)2

8 pirosseni augite (Ca,Na)(Mg,Fe,Al)Si2O6

9 olivine forsterite-fayalite (Mg,Fe)2SiO4

10 Carbonati calcite-dolomite CaCO3 - CaMg(CO3)2

I 10 minerali (big ten minerals nello splendido testo

Mineralogy and optical mineralogy*) devono essere

imparati a memoria!

Ebbene si, imparare a memoria talvolta è indispensabile!

anche quando avrete dimenticato (spero non del

tutto) la mineralogia dovrete

-come geologi-

ricordare questi nomi e formule * Dyar, Gunter & Tasa, 2008. Mineralogy and optical mineralogy. Mineralogical Society of America.


Perché?

I big ten sono i costituenti fondamentali, l’ossatura

della crosta terrestre (e del mantello) e quindi la

materia di cui si occupa la geologia. Vi pare poco?

Procedendo con la vostra carriera qualcuno vi dirà che la mineralogia

serve poco ad un geologo.

Stupidaggini!

R.A. HOWIE, professore emerito di mineralogia, London University,

coautore‏della‏importantissima‏serie‏di‏volumi‏“Rock-forming minerals”,‏

una bibbia per la mineralogia, in un suo scritto ha inserito questa frase:

“if you take away the minerals the rocks would fall down.

Think about it!”‏*

* Acceptance of the Mineralogical Society of America Public Service Award of 1999. American Mineralogist

(2000), Vol. 85, 101–1102.


Stima delle percentuali in volume dei minerali più comuni nella crosta terrestre (i tettosilicati sono bordati di rosso)


Sono silicati in cui tutti i vertici dei tetraedri sono

condivisi: questo implica un rapporto

Si : O = 1 : 2 e porta alla formula SiO2

(come ci si arriva? Semplice, se condividiamo per

metà 4 ossigeni per ogni silicio abbiamo:

1 Si : (4 * ½O) (= 2O)

I tettosilicati comprendono i minerali più abbondanti

della crosta terrestre (quasi i 2/3).

Perché? Andate alla pagina precedente e guardate

la "torta" delle abbondanze degli elementi.

I principali tettosilicati sono quarzo e feldspati


Tettosilicati (framework silicates)

Quarzo (meglio 'minerali della silice')

SiO2: formula molto semplice, strutture complesse,

molti minerali con la stessa formula (polimorfi)


Nome Sistema Condizioni di formazione

Quarzo-a Trigonale bassa temperatura

Quarzo-b Esagonale alta temperatura

Cristobalite Cubico alta temperatura

Tridimite Esagonale alta temperatura

Coesite Ortorombico alta pressione

Stishovite Tetragonale altissima pressione


Tettosilicati - quarzo. Struttura complessa con

“spirali”‏di tetraedri SiO4. Tutti i vertici sono collegati


Feldspati

I feldspati sono il più abbondanti fra i RFM.

Sono tettosilicati ed hanno quindi un rapporto Si:O = 1:2

per‏costruire‏la‏formula‏generale‏usiamo‏un‏piccolo‏“trucco”

moltiplichiamo SiO2 x 4 ottenendo

Si4O8 sostituiamo 1 o 2 ioni Si(4+) con Al(3+)

[Si3AlO8]1- + Na,K = alcalifeldspati

[Si2Al2O8]2- + Ca,Na = plagioclasi

osservate la formula parziale inserita fra [...] e le cariche in apice

le cariche degli ioni principali devono essere imparate a memoria

Feldspati

* Notate come‏per‏ogni‏termine‏sia‏associato‏un‏“sistema”:‏si‏tratta‏del‏sistema

cristallino che indica il tipo di simmetria associato ai cristalli. Lo discuteremo

nelle prossime lezioni


Nome Formula Sistema cristallino* / condizioni di formazione

Microclino

KAlSi3O8

Triclino / bassa temperatura

Ortoclasio Monoclino / media-alta temperatura

Sanidino Monoclino / alta temperatura

Albite NaAlSi3O8 Triclino / bassa temperatura

Anortite CaAl2Si2O8 Triclino / alta temperatura

Alcalifeldspati (K,Na)AlSi3O8 Soluzioni solide

Plagioclasi (Na,Ca)(Si,Al)2SiO8 Soluzioni solide


FILLOSILICATI (SILICATI A STRATI)

Sono minerali importanti nelle rocce:

• magmatiche (biotite: graniti-tonaliti)

• metamorfiche (muscovite, biotite,

serpentino, clorite)

• sedimentarie (sia come fasi detritiche,

muscovite, sia come minerali argillosi:

caolinite, illite, montmorillonite-smectiti)

Muscovite KAl2Si3AlO10(OH)2

Biotite K(Mg,Fe)3Si3AlO10(OH)2

Strato di tetraedri

Unità di ripetizione

Si2O5

Si4O10

(Si3Al)O10

½ ½

½

½


Fillosilicati: struttura a strati

nella mica e nel talco

Fra i fillosilicati ricordiamo le

miche (biotite, muscovite)



INOSILICATI

Inosilicati = silicati con catene di tetraedri (ingl.

chain silicates)

Gruppi principali:

Pirosseni (catena semplice)

(Mg,Fe)2Si2O6 enstatite-ferrosilite

Ca(Mg,Fe)Si2O6 diopside-augite

Anfiboli (catena doppia)

(Na,Ca)2(Mg,Fe)5(Si,Al)8O22(OH)2 orneblenda

rappresentazione con

tetraedri delle modalità più

comuni di concatenazione

nei silicati:

(a) neso-

(b) soro-

(c) ciclo-

(d) ino- (c. semplice)

(e) ino- (c. doppia)

(f) fillo-

(g) tetto-


Inosilicati: catena semplice - enstatite (50) - Mineralogia 2017/2018 (Rock-forming-minerals)


Nesosilicati (tetraedri isolati)

Nesosilicati = silicati con tetraedri isolati

olivine

(Mg,Fe)2SiO4

Granati - Almandino

Fe3Al2(SiO4)3

Altri minerali importanti (non silicati)

Calcite CaCO3 Dolomite CaMg(CO3)2

Apatite Ca5(PO4)(OH,F,Cl)

Gesso CaSO4.2H2O

Nesosilicati: forsterite, Mg2SiO4

Nesos = isola; i tetraedri sono isolati


Calcite, CaCO3. Il calcio viene coordinato da 6

ossigeni. Il carbonio forma gruppi triangolari CO3.



Per identificare i minerali è necessario utilizzare le

proprietà osservabili a scala macroscopica

Con questo si intendono quelle caratteristiche osservabili e

“misurabili”‏tramite esame dei minerali, eventualmente con

l’ausilio‏di‏qualche‏semplice‏strumento.

Proprietà definibili tramite osservazione diretta

Forma cristallina / abito

Concrescimenti, geminazioni, striature

Stato di aggregazione

Lucentezza, colore, colore della polvere (striscio)‏

Altre proprietà dipendenti dalla luce

Sfaldatura / Frattura


Proprietà‏che‏richiedono‏l’uso‏di‏strumenti‏semplici

Durezza

Peso specifico

Magnetismo

Radioattività

Solubilità in HCl

L’esame‏delle‏proprietà‏fisiche‏dei‏minerali‏

sarà oggetto delle prossime lezioni ed esercizi.

L'aspetto esterno dei cristalli (forma, abito)

verrà svolto nel laboratorio di cristallografia


SINTESI DELLA PRIMA LEZIONE

1) PRESENTAZIONE DEL CORSO

1) INFORMAZIONI ORGANIZZATIVE

2) DEFINIZIONE DI MINERALE

3) PRIMO APPROCCIO CON LA COMPOSIZIONE DELLA CROSTA

TERRESTRE E DEI MINERALI COSTITUENTI FONDAMENTALI:

NOMENCLATURA E INFORMAZIONI BASICHE SUI MINERALI

CHE COSTITUISCONO LE ROCCE ("Rock Forming Minerals")

NOTA FINALE: CERCATE DI AVERE SEMPRE QUESTO MATERIALE

A PORTATA DI MANO:

CALCOLATRICE

RIGHELLO

TAVOLA PERIODICA (va bene una fotocopia)

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