Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 PACE Riassunto della...

Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005PACEPACE

Riassunto della puntata precedente:Riassunto della puntata precedente:

• Caratteri generali della TerraCaratteri generali della Terra

• Interno della Terra (Crosta, Mantello, Interno della Terra (Crosta, Mantello, Nucleo)Nucleo)

• Tettonica delle PlaccheTettonica delle Placche

• Origine della TerraOrigine della Terra

• Origine della LunaOrigine della Luna

• Classificazione delle meteoritiClassificazione delle meteoriti


Gli ambienti PETROGENETICIGli ambienti PETROGENETICI

Eventi CICLICI nella Eventi CICLICI nella petrogenesipetrogenesi

Le ROCCELe ROCCE


Definizione di Definizione di ROCCIAROCCIAAggregato naturale di uno o più Aggregato naturale di uno o più

minerali o mineraloidiminerali o mineraloidi

FeldspatiFeldspati

QuarzoQuarzo

BiotiteBiotite

Granito = roccia Granito = roccia ignea intrusiva ignea intrusiva composta composta essenzialmente essenzialmente da:da:

Minerali di tipo diverso (es. granito, Minerali di tipo diverso (es. granito, basalto)basalto)

roccia polimineralicaroccia polimineralica

Un solo tipo di minerale (es. Un solo tipo di minerale (es. travertino, dunite)travertino, dunite)

roccia roccia monomineralicamonomineralica


Ma quali caratteristiche Ma quali caratteristiche ha un minerale?ha un minerale?

•Materiale naturaleMateriale naturale•Composto inorganicoComposto inorganico•Specifica composizione chimicaSpecifica composizione chimica•Struttura cristallina definitaStruttura cristallina definita•Proprietà fisiche ben definiteProprietà fisiche ben definite


•Una caratteristica essenziale dei minerali è la loro Una caratteristica essenziale dei minerali è la loro struttura cristallina. struttura cristallina.

•Il termine Cristallo non indica qualcosa di grande Il termine Cristallo non indica qualcosa di grande o necessariamente bello esteticamente.o necessariamente bello esteticamente.

•Il vetro viola la definizione di minerale perchè: Il vetro viola la definizione di minerale perchè: non ha nè strutture cristalline nè specifiche non ha nè strutture cristalline nè specifiche composizioni chimiche.composizioni chimiche.

Quando/Perchè si formano i Quando/Perchè si formano i minerali?minerali?•Cristallizzazione per Cristallizzazione per

raffreddamentoraffreddamento•Precipitazione a basse Precipitazione a basse

temperaturetemperature•Ricristallizzazione (allo stato Ricristallizzazione (allo stato

solido)solido)


Definizione di roccia. Definizione di roccia. ProblemiProblemi1) 1) Nella definizione di roccia si prescinde dalle Nella definizione di roccia si prescinde dalle

caratteristiche meccanichecaratteristiche meccaniche della sostanza (ossia se il della sostanza (ossia se il materiale che stiamo considerando è coerente o materiale che stiamo considerando è coerente o incoerente meccanicamente):incoerente meccanicamente):

SabbiaSabbia: aggregato di più minerali (quindi roccia): aggregato di più minerali (quindi roccia) ArenariaArenaria: aggregato di più minerali (quindi roccia): aggregato di più minerali (quindi roccia)

2) 2) Ci sono rocce composte Ci sono rocce composte interamente da vetrointeramente da vetro (ossidiane). Ma allora non sono rocce! (aggregato di più (ossidiane). Ma allora non sono rocce! (aggregato di più minerali). Per questo paradosso si parla anche di minerali). Per questo paradosso si parla anche di mineraloidi.mineraloidi.3)3) Ci sono rocce composte anche da Ci sono rocce composte anche da materiale organicomateriale organico (carboni opp. rocce sedimentarie con fossili). Ma allora (carboni opp. rocce sedimentarie con fossili). Ma allora non sono rocce! (minerale = sostanza non organica). Per non sono rocce! (minerale = sostanza non organica). Per questo paradosso si parla anche di mineraloidi.questo paradosso si parla anche di mineraloidi.


Silicati che costituiscono le Silicati che costituiscono le roccerocce

•quarzoquarzo

•feldspatifeldspati

•mica (e mica (e

argille)argille)

•anfibolianfiboli

•pirossenipirosseni

•olivineolivine

•granatigranati

I minerali che costituiscono più del 95% della I minerali che costituiscono più del 95% della

crosta sono silicati. crosta sono silicati.

Per questo motivo, i silicati sono i minerali più Per questo motivo, i silicati sono i minerali più

importanti. I più diffusi di questi sono:importanti. I più diffusi di questi sono:

Tra i non-silicati, i minerali Tra i non-silicati, i minerali più abbondanti sulla più abbondanti sulla superficie terrestre sono i superficie terrestre sono i carbonaticarbonati


I processi I processi petrogeneticipetrogenetici

Le rocce si formano attraverso processi definiti Le rocce si formano attraverso processi definiti petrogenetici che, nella maggior parte dei casi, petrogenetici che, nella maggior parte dei casi, si esplicano nella litosfera. I parametri che si esplicano nella litosfera. I parametri che controllano tali processi sono quelli che controllano tali processi sono quelli che identificano un certo intorno naturale, vale a identificano un certo intorno naturale, vale a dire:dire:

- Temperatura (T)- Temperatura (T)

- Pressione (P)- Pressione (P)

- Composizione chimica (X)- Composizione chimica (X)


- Magmatico o - Magmatico o igneoigneo

- Sedimentario- Sedimentario

- Metamorfico- Metamorfico

Nonostante il fatto che i parametri T, Nonostante il fatto che i parametri T, P e X possano variare con una certa P e X possano variare con una certa

continuità,continuità,i processi petrogenetici sono stati i processi petrogenetici sono stati

distinti in distinti in tre grandi gruppi:tre grandi gruppi:

Ovviamente queste sono semplificazioni classificative ed Ovviamente queste sono semplificazioni classificative ed esistono casi in natura di rocce che possono essere esistono casi in natura di rocce che possono essere classificate a cavallo di due gruppi (es. rocce classificate a cavallo di due gruppi (es. rocce piroclastiche, migmatiti, etc.)piroclastiche, migmatiti, etc.)


Il processo Il processo magmaticomagmatico

comprende la formazione di tutte le rocce la comprende la formazione di tutte le rocce la cui genesi è correlata alla consolidazione di cui genesi è correlata alla consolidazione di masse fuse definite masse fuse definite magmimagmi. Questi possono . Questi possono provenire dal sottostante Mantello o formarsi provenire dal sottostante Mantello o formarsi direttamente nella Crosta per fenomeni di direttamente nella Crosta per fenomeni di anatessi (= fusione) anatessi (= fusione) crostale.crostale.


implica la formazione di rocce in implica la formazione di rocce in ambientiambienti in in cui la temperatura e la pressione sono quelle cui la temperatura e la pressione sono quelle che si realizzano che si realizzano nella superficie del pianetanella superficie del pianeta o o nelle sue immediate vicinanze, fondali marini nelle sue immediate vicinanze, fondali marini compresi. I sedimenti si formano per compresi. I sedimenti si formano per degradazione, eventuale trasporto e degradazione, eventuale trasporto e successiva sedimentazione di rocce sia successiva sedimentazione di rocce sia magmatiche che metamorfiche o già magmatiche che metamorfiche o già sedimentarie.sedimentarie. In alcuni casi si possono formare In alcuni casi si possono formare per accumulo di materiale organogeno o per accumulo di materiale organogeno o materiale di precipitazione chimica.materiale di precipitazione chimica.

Il processo Il processo sedimentariosedimentario


trasforma rocce preesistenti in altre che trasforma rocce preesistenti in altre che posseggono connotati pressoché totalmente posseggono connotati pressoché totalmente diversi da quelli originari. Ciò si verifica sotto diversi da quelli originari. Ciò si verifica sotto l’effetto di variazioni termiche e bariche [= di l’effetto di variazioni termiche e bariche [= di pressione] di una certa importanza; durante pressione] di una certa importanza; durante questo processo, le trasformazioni si questo processo, le trasformazioni si realizzano nella crosta continentale in assenza realizzano nella crosta continentale in assenza di materiali litoidi fusi. Questo vuol dire che è di materiali litoidi fusi. Questo vuol dire che è un processo che avviene sostanzialmente allo un processo che avviene sostanzialmente allo stato solidostato solido..

Il processo Il processo metamorficometamorfico


Rocce Ignee Risalita

Alterazione ed erosione

Risalita

Deposizione negli oceani e sui continenti

Sedimenti

Seppellimento e litificazione

Calore e Pressione

Rocce Metamorfiche

Calore e Pressione

Fusione

MAGMA

Au

men

to d

i tem

per

atu

ra e

pre

ssio

ne

Risalita

Raffreddamento

Rocce Sedimentarie

Il ciclo Il ciclo delle delle roccerocce


Ambienti P-TAmbienti P-T


Caratteristiche generali delle rocce Caratteristiche generali delle rocce

ignee, sedimentarie e metamorficheignee, sedimentarie e metamorficheR. IGNEER. IGNEE R. SEDIMENTARIER. SEDIMENTARIE R. METAMORFICHER. METAMORFICHE

Caratteristiche di terreno e Caratteristiche di terreno e strutturestrutture

Vulcani, flussi di lava, complessi plutonici

Stratificazione e classazione

Cristalli, blocchi e fossili deformati

Relazioni discordanti con le rocce incassanti (dicchi, vene, batoliti, etc.)

Strutture come ripple mark, laminazione incrociata, fratture di essiccamento

Comune parallelismo di cristalli planari o allungati lungo vaste aree

Effetti termali su rocce adiacenti (es. ricristallizzazione, cambi di colore, zone di reazione

Spesso molto diffuse e intercalate con altri sedimenti

Adiacenti a rocce ignee, occasionalmente come aureola di contatto

Bordi a grana fine (chilled margins) al contatto con le rocce incassanti

Le rocce possono essere consolidate o no

Progressivo cambio nella mineralogia lungo una vasta area




TessitureTessiturePorfiritiche, vetrose, vescicolari, amigdaloidi, grafiche, piroclastiche, cumulitiche, etc.

Fossilifere, oolitiche, pisolitiche, stratificate, clastiche, etc.

Brecciate, granoblastiche, lepidoblastiche, nematoblastiche, porfiroblastiche, hornfels, etc.




Minerali caratteristiciMinerali caratteristicifeldspati, pirosseni, quarzo, olivine, miche, nefelina, leucite, anfiboli, etc.

quarzo, carbonati (specialmente calcite e dolomite), argille, anidrite, selce (quarzo microcristallino), gesso, alite, etc.

quarzo, miche, anfiboli, andalusite, cordierite, epidoti, feldspati, granati, grafite, cianite, sillimanite, staurolite, tremolite-actinolite, wollastonite, etc.


- La superficie terrestre è composta per circa il - La superficie terrestre è composta per circa il 66%66% da rocce sedimentarie. La restante parte da rocce sedimentarie. La restante parte ((34%34%) è costituita da rocce ignee (la grande ) è costituita da rocce ignee (la grande maggioranza) e rocce metamorfichemaggioranza) e rocce metamorfiche

ABBONDANZE RELATIVE DELLE ABBONDANZE RELATIVE DELLE ROCCE SULLA SUPERFICIE ROCCE SULLA SUPERFICIE

TERRESTRETERRESTRE

- La crosta è lo strato più esterno della Terra (al - La crosta è lo strato più esterno della Terra (al di sopra della discontinuità di Mohorovicic)di sopra della discontinuità di Mohorovicic)

- La crosta rappresenta solo lo 0,74% del volume - La crosta rappresenta solo lo 0,74% del volume della Terra. Tuttavia questa è l’unica parte della della Terra. Tuttavia questa è l’unica parte della terra che è direttamente esposta per lo studio terra che è direttamente esposta per lo studio petrograficopetrografico


I MAGMII MAGMI- DEFINIZIONE- DEFINIZIONE

- CARATTERI CHIMICI e FISICI- CARATTERI CHIMICI e FISICI


DEFINIZIONEDEFINIZIONE

I magmi sono materiali naturali allo stato fuso che possono I magmi sono materiali naturali allo stato fuso che possono contenere anche una certa quantità di cristalli. Nella quasi contenere anche una certa quantità di cristalli. Nella quasi totalità, i fusi sono silicatici e raggiungono temperature totalità, i fusi sono silicatici e raggiungono temperature massime di circa 1200 ºC; solo alcuni, volumetricamente massime di circa 1200 ºC; solo alcuni, volumetricamente insignificanti, sono composti in prevalenza da carbonati e insignificanti, sono composti in prevalenza da carbonati e raggiungono temperature massime molto inferiori (intorno raggiungono temperature massime molto inferiori (intorno a 700 °C).a 700 °C).Colata di lava basaltica (Kilauea, Hawaii)Colata di lava basaltica (Kilauea, Hawaii)


Colata di lava basaltica (Kilauea, Hawaii)Colata di lava basaltica (Kilauea, Hawaii)


Natura dei Natura dei magmimagmi

Nei magmi sono presenti pressoché tutti gli elementi esistenti nella Terra; alcuni di questi

rappresentano la cosiddetta componente volatile vale a dire i gas disciolti nella fase fusa. Si distinguono magmi:

Basici Basici SiO2 < 52%IntermediIntermedi 52% < SiO2 < 66%AcidiAcidi SiO2 > 66%


La componente volatile o, più semplicemente, i volatili, come mostrano le emanazioni vulcaniche, sono costituiti, per la massima parte, da

HH22O, COO, CO2 2 ,CO, SO,CO, SO22, ,

HH22S, HS, H22, S e O, S e O cui si aggiungono altri costituenti presenti in quantità minori quali

NN22, Ar, HCl, HF e B, Ar, HCl, HF e B

Le abbondanze relative di questi gas sono correlate al tipo di magma; la quantità dei restanti componenti è sempre di gran lunga inferiore a quella dell’H2O e della CO2 presenti in tenori variabili, rispettivamente, dal 30 all’80% e dal 10 al 40% delle moli della fase vapore.

La COMPONENTE VOLATILE dei La COMPONENTE VOLATILE dei magmimagmi

Anak Krakatua (foto: Robert e Barbara Decker)


Come si sciolgono i volatiliCome si sciolgono i volatiliPer sciogliere i volatili nei Per sciogliere i volatili nei magmi sono necessarie elevate magmi sono necessarie elevate pressioni; se queste pressioni; se queste diminuiscono, come avviene diminuiscono, come avviene quando il magma si avvicina quando il magma si avvicina alla superficie, i volatili alla superficie, i volatili essolvono dal fuso [= si essolvono dal fuso [= si liberano formando una fase liberano formando una fase separata] generando i boli di separata] generando i boli di vapore tipici di quasi tutti i vapore tipici di quasi tutti i vulcani attivi.vulcani attivi.Qualcosa di simile avviene Qualcosa di simile avviene anche quando si stappano le anche quando si stappano le bottiglie di birra.bottiglie di birra.


La solubilità dell’HLa solubilità dell’H22O nei fusi silicatici O nei fusi silicatici aumenta proporzionalmente alla aumenta proporzionalmente alla pressione.pressione.Fuso basalticoFuso basaltico (B)(B), , andesitico andesitico (A)(A), , albiticoalbitico (Ab)(Ab), e di , e di

una una pegmatite graniticapegmatite granitica (P)(P)

0,1 GPa (GigaPascal)0,1 GPa (GigaPascal)= 1 kbar= 1 kbar= 1000 bar= 1000 bar= 10000 m di H= 10000 m di H22OO= = 3 km di roccia 3 km di roccia


ORGANIZZAZIONE ORGANIZZAZIONE INTERNA dei MAGMI INTERNA dei MAGMI

==STRUTTURA DEI FUSI STRUTTURA DEI FUSI

SILICATICISILICATICI


I silicati sono minerali costruiti dall’unione di unità tetraedriche [SiO4]4- che rappresentano

i mattoni delle strutture.

I magmi si formano dalla fusione dei I magmi si formano dalla fusione dei silicatisilicati

Tali tetraedri formano catene

nello spazio

nel pian

o

SilicioOssigeno


Modelli concettuali di struttura Modelli concettuali di struttura atomica di fusi silicatici confrontati atomica di fusi silicatici confrontati con quello della silice cristallina.con quello della silice cristallina.


SIGNIFICATO FISICO dei SIGNIFICATO FISICO dei TETRAEDRI che formano CATENETETRAEDRI che formano CATENEIn un fuso che possiede unità tetraedriche tra loro collegate dagli ossigeni ponte [= fuso polimerizzato] le singole unità non si muovono liberamente perché soggette ad un notevole attrito interno. In altre parole, il magma è molto molto viscosoviscoso.

L’elevata viscosità riduce anche lo L’elevata viscosità riduce anche lo spostamento degli ioni al suo spostamento degli ioni al suo

internointerno


I VOLATILI I VOLATILI riducono la viscosità dei magmiriducono la viscosità dei magmiHH22O (vapore) + O (fuso) = 2 OHO (vapore) + O (fuso) = 2 OH- - (fuso)(fuso)questa è una reazione di idrolisi che spiega la dissoluzione dell’acqua nei fusi. Poiché OHOH-- ha una sola valenza negativa e non due come l’ossigeno ponte, quando lo sostituisce depolimerizza l’insieme perché permette il distacco di due tetraedri adiacenti

OssigenoOssigenoponteponte


Pressione anidra e Pressione anidra e idrataidrataLa presenza dei volatili favorisce la diminuzione della

viscosità se esiste una pressione che permetta la loro solubilizzazione nel fuso magmatico. Poiché i volatili sono rappresentati essenzialmente dall’H2O, la pressione che agisce sul sistema è definita pressione pressione idrataidrata o, più brevemente, PPH2OH2O. Se la pressione è esercitata in mancanza di volatili, si chiama pressione anidrapressione anidra e gli effetti sono diametralmente opposti; la viscosità, almeno inizialmente, tende ad aumentare sino a quando, per pressioni molto elevate (decine di GPa), gli atomi di Si cambiano tipo di coordinazione che da tetraedrica diventa ottaedrica. SiSi

OO


Parametri Viscosità ()

Note

Temperatura Inversamente proporzionale

L’energia termica facilita la depolimerizzazione e, quindi, abbassa la viscosità.

Pressione secca

Direttamente proporzionale

aumenta sino a quando il silicio non cambia tipo di coordinazione tetraedrica ottaedrica.

Pressione idrata

Inversamente proporzionale

diminuisce sino a quando i volatili (ammesso che ce ne siano a sufficienza) rimpiazzano tutti gli ossigeni ponte. Ulteriori aumenti di P, provocano effetti analoghi a quelli della pressione secca.

SiO2 in % elevata (magmi

acidi)Alta

La differenza di viscosità tra magmi basici ed acidi può essere compensata dal fatto che questi ultimi tendono ad avere quantità maggiori di volatili rispetto a quelli basici.

SiO2 in % bassa

(magmi basici) Bassa

Le differenze più vistose si notano quando i magmi perdono pressoché completamente i loro volatili. Questo avviene nel momento in cui debordano dai condotti di alimentazione dei vulcani.


I MAGMI I MAGMI possonopossono

CONSOLIDARE

Trasformarsi in vetri = masse solide amorfe che, sotto il profilo termodinamico, sono ancora liquidi sopraraffreddati

CRISTALLIZZARE

Formare cristalli = sostanze che hanno un preciso ordinamento strutturale ed un identico chimismo in ogni loro porzione


Parametro che fa la differenza:Parametro che fa la differenza:Il Il

sovraraffreddamentsovraraffreddamentoo

rappresenta la differenza tra la rappresenta la differenza tra la temperatura di fusione di una sostanza e temperatura di fusione di una sostanza e quella, inferiore alla precedente, a cui la quella, inferiore alla precedente, a cui la stessa si trova ancora allo stato liquido; stessa si trova ancora allo stato liquido; l’acqua liquida, portata velocemente a –l’acqua liquida, portata velocemente a –30 ºC è stata sopraraffreddata di 30 30 ºC è stata sopraraffreddata di 30 gradi perché la sua temperatura di gradi perché la sua temperatura di cristallizzazione vale 0 ºC cristallizzazione vale 0 ºC [= se la pressione vale [= se la pressione vale 1 atmosfera].1 atmosfera].


Tem

pera

tura

Quantità di calorefornita al sistema

CALORECALORE LATENTELATENTE

Solido

riscaldato fusion

e

Fuso

riscaldato

[= calore assorbito dalla [= calore assorbito dalla fusione o ceduto fusione o ceduto durante la durante la cristallizzazione]cristallizzazione]

Durante questo intervallo la Durante questo intervallo la temperatura del sistema non temperatura del sistema non cambia (anche se si continua a cambia (anche se si continua a fornire calore)fornire calore)

di FUSIONEdi FUSIONE

di CRISTALLIZZAZIONEdi CRISTALLIZZAZIONE


Visto che ad ogni azione corrisponde una reazione uguale ma di segno opposto, quando un magma perde calore cerca di contrastare questo evento formando cristalli che ridanno all’insieme il cosiddetto calore latente di solidificazione [= identico a quello latente di fusione].

RISPOSTA del MAGMA al SOVRARAFFREDDAMENTO


Per formare cristalli, tutti gli elementi necessari alla crescita dei nuclei in via di sviluppo debbono potersi spostare facilmente. E’ abbastanza intuitivo, che questi spostamenti sono facilitati se la viscosità del fuso resta bassa il che equivale a dire che anche il sovraraffreddamento deve rimanere basso. Quando quest’ultimo aumenta, cioè quando la temperatura si abbassa troppo velocemente, viene compromessa la velocità velocità di crescitadi crescita ma non la formazione di germi cristallinigermi cristallini il cui numero, per unità di volume, aumenta proprio per la necessità di supplire alle maggiori perdite energetiche.


Una tale rincorsa tra numero di germi che si formano e calore sottratto non può protrarsi oltre certi valori del sovraraffreddamento perché il fuso, da un certo punto in poi, non riesce a formare germi cristallini per la paralisi degli spostamenti degli elementi derivata da valori troppo bassi della temperatura imposta al liquido. Superata questa soglia il fuso perde ogni capacità di capacità di cristallizzarecristallizzare e si trasforma in una massa meccanicamente solida ma amorfa cioè vetrosavetrosa.


Nella prossima lezione vedremo come Nella prossima lezione vedremo come rispondono i sistemi magmatici al rispondono i sistemi magmatici al sovraraffreddamento in termini di sovraraffreddamento in termini di tessiture e strutture delle roccetessiture e strutture delle rocce

Questa è la parte più importante della Questa è la parte più importante della Petrografia.Petrografia.


Alcune delle immagini e degli schemi di Alcune delle immagini e degli schemi di questa presentazione sono state presi da:questa presentazione sono state presi da:

Plummer, McGeary and Carlson, Plummer, McGeary and Carlson, Physical Physical GeologyGeologyPress and Siever, Press and Siever, Understanding EarthUnderstanding EarthBlatt and Tracy, Blatt and Tracy, PetrologyPetrology

CreditsCredits

Alcune figure e schemi da:Alcune figure e schemi da:

L. Morbidelli - Le rocce ed i loro L. Morbidelli - Le rocce ed i loro costituenticostituentiJ. Winter - Lezioni per il corso di Igneous J. Winter - Lezioni per il corso di Igneous PetrologyPetrologyP. Tomascak - Lezioni di GeologiaP. Tomascak - Lezioni di Geologia

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