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Laurea in Ingegneria Civile

Geologia ApplicataA.A. 2016-17

Geol. Massimo Micieli

Unità M01

MINERALI E ROCCE

Corso di GEOLOGIA APPLICATA

Anno Accademico 2016-17

Università della Calabria


Elementi di mineralogia

3Corso di Geologia Applicata – UNICAL – Laurea in Ingegneria Civile – AA 2016-17

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

Mineralogia


I minerali

Un’opportuna conoscenza dei minerali ènecessaria nella geologia applicata, non soloper comprendere i processi di formazionedelle rocce ma anche per stimarnecorrettamente il comportamento meccanico.


Formazione dei minerali

La formazione dei minerali è il risultato diuna serie di processi chimici e fisici che sisono verificati in tutte le epochegeologiche e che continuano amanifestarsi.


Struttura cristallina

Ogni minerale ha suoi precisi metodi di cristallizzazione che dipendonointrinsecamente dalla struttura dei componenti che lo costituiscono: dettastruttura infatti si dispone sempre con precisi criteri spaziali, dando così originealle forme dei cristalli. Un cristallo è delimitato da facce piane (che sono laconseguenza esterna dell'ordine interno) ed è composto da unità semplici dettecelle elementari che ripetute nello spazio formano l’intero reticolo.


Struttura cristallina NaCl


Polimorfismo

Minerali con diversa struttura cristallina, ma stessa composizione chimica. Unclassico esempio lo si ha con la calcite e l‘aragonite: entrambi carbonati di calcio,oppure diamante e grafite.

CaCO3

Diamante Grafite


Sostituzione in un cristallo di un atomocon un altro che ha raggio ionicosimile.

Al+3 Si+4

Fe+2 Mg+2

Na+ Ca+2

Isomorfismo


Pseudomorfismo

Avviene quando un minerale, risentendo ad esempio delle condizioni climatichedell' habitat, si modifica chimicamente in altro minerale: esso conserverà la stessaforma cristallina dell'originario, ma assumerà il colore del nuovo, cosa che adesempio avviene con la verde malachite che va a sostituire l‘azzurrite (entrambicarbonati di rame che cristallizzano nel sistema monoclino).

Malachite Azzurrite


Proprietà fisiche dei minerali

Sono in stretta relazione con la loro composizione chimica e strutturacristallina.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.


Durezza

Scala di Mohs


Proprietà chimiche

Solubilità: è la proprietà che un minerale ha di sciogliersi inacqua o in acidi a diversa concentrazione. Alcuni minerali sisciolgono sviluppando effervescenza.

Fusibilità: dipende dal punto di fusione e dalla capacità delminerale di diffondere il calore nelle varie direzioni.


Classificazione dei minerali

Attualmente l'Associazione Mineralogica Internazionale riconoscecirca 4000 specie di minerali.

I principali minerali delle rocce sono rappresentati da:

1. minerali non silicati

2. minerali silicati


Minerali non silicati

Minerali più abbondanti•Quarzo- SiO2

•Calcite – CaCO3

•Dolomite – CaMg(CO3)2

•Salgemma – NaCl•Gesso - CaSO4•2H2O•Anidrite – CaSO4

Alcuni minerali di interesse industriale•Grafite – C•Diamante – C•Pirite – FeS2


È il minerale più abbondante nella crosta terrestre (circa il 12% del suo volume).

Densità: 2,65 g/cm³Durezza Mohs: 7 Sfaldatura: assenteFrattura: concoideTenacità: fragileAlterabilità: molto stabile

Agata

Quarzo SiO2


Calcite (CaCO3)

Densità: 2,71 g/cm³Durezza Mohs: 3Sfaldatura: presenteTenacità: fragileAlterabilità: solubile in acqua (da origine a fenomeni carsici)


Dolomite MgCa(CO3)2

Ha le proprietà fisiche simili a quelle della calcite, ma in HCl è solubile solo a caldo e in acqua con CO2 è solubile più lentamente

Densità: 2,85 g/cm³Durezza Mohs: 3½ - 4Sfaldatura: presenteTenacità: fragileAlterabilità: solubile (da origine a fenomeni carsici)


Salgemma NaCl

Densità: da 2.3 a 2.4 g/cm³Durezza Mohs: da 1,5 a 2Sfaldatura: presenteTenacità: settileAlterabilità: molto solubile


Gesso (CaSO4∙2H2O)

Densità: 2,17 g/cm³Durezza Mohs: 2,5Sfaldatura: presenteTenacità: fragileAlterabilità: molto solubile

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/17/Gypse_Toscane.jpg

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Anidrite (CaSO4)

Densità: 2,97 g/cm³Durezza Mohs: 3,5Sfaldatura: presenteFrattura: concoideAlterabilità: molto solubileIn presenza di acqua può trasformarsi in gesso con aumento di volume.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/dd/Anhydrite_HMNH1.jpg

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Grafite (C)

Densità 2.09–2.23 g/cm³Durezza Mohs: 1Sfaldatura: perfettaInsolubile

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e9/GrafitaEZ.jpg

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Diamante (C)

Densità: 3,51 - 3,55 g/cm³Durezza Mohs: 10Sfaldatura: perfettaFrattura: concoideTenacità: fragileInsolubile


Pirite (C)

Densità: 5,1 g/cm³Durezza Mohs: 6,5Sfaldatura: assenteTenacità: molto fragileInsolubile

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/65/Pyrite.jpg

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Minerali silicati

I silicati sono i più importanti componenti delle rocce

• I silicati sono costituiti da tetraedri SiO44-.

• I tetraedri sono uniti per i vertici a dare unità polimeriche più grandi.

•Non più di due tetraedri SiO4 possono scambiare un vertice.

• I tetraedri SiO4 non scambiano mai lati o facce.


Minerali silicatiNesosilicati: gruppi tetraedrici isolati.

Sorosilicati: gruppi di due tetraedri uniti da un catione.

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.


Minerali delle argille

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 magliapiana esagonale e da uno strato di ottaedri (O) con al centro un atomo di Al o Mg.


Minerali delle argille

Uno strato T e uno strato O si uniscono insieme a formare pacchetti a due (TO) otre strati (TOT).

Caolinite Illite - Montmorillonite


Proprietà dei minerali delle argille


Adsorbimento e rigonfiamento





Rocce


Rocce

Le rocce sono aggregati di minerali


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)

Classifica delle rocce


Confronto tra le genesi delle rocce


Il ciclo delle rocce


Schema delle trasformazioni delle rocce

EROSIONE

RIF

US

ION

E





Rocce ignee (o magmatiche)


Rocce ignee (o magmatiche)

Le rocce ignee (dal latino ignis = fuoco) costituiscono circa l’80% dellamassa totale della crosta terrestre.

Il magma può solidificare all’interno della crosta terrestre o sulla superficiegenerando rispettivamente:

rocce intrusive(o plutoniche - da Plutone, dio degli inferi-)

rocce effusive(o vulcaniche)


Corpi geologici intrusivi

corpi plutonici di maggioridimensioni.

corpi concordanti inseriti trastrati di rocce sedimentariecon spessore variabile.

corpi discordanti che tagliano trasversalmente glistrati della roccia incassante utilizzando come via difuga numerose fratture che accompagnano la risalitadel magma, formando quando arrivano in prossimitàdella superficie le fessurazioni colonnari (o basalticolonnari effusivi).

filoni concordanti che inarcanogli strati sovrastanti creandouna forma convessa versol’alto.


Batoliti

Hanno una composizione prevalentemente ACIDA possono occuparecentinaia di km2 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 dellaCorsica, costituisce il MASSICCIO CRISTALLINO SARDO—CORSO.

3. Il più esteso dei plutoni italiani, collegato alla formazione della catenaalpina, è il BATOLITE DELL’ADAMELLO.

4. Il PLUTONE DELLA VAL MASINO—VAL BREGAGLIA che si sviluppa a norddell’ 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.


Monte Bianco


Esempi di filone-strato


Formazione dei laccoliti


Esempio di laccolite


Esempio di dicco


Esempi di fessurazioni colonnari

Bolsena, Lazio


Esempi di fessurazioni colonnari

Isola di Staffa, Scozia


Formazioni geologiche effusive

Le rocce vulcaniche si suddividono in due grandi gruppi:

rocce effusiveche sono i prodotti delle eruzione vulcaniche effusive, tipo L’Etna o le dorsalioceaniche (in cui si ha un flusso di lava)

rocce piroclasticheprodotte dalle eruzioni vulcaniche esplosive (tipo lo Stromboli, il Vesuvio)


Attività vulcanica esplosiva

Caratterizzata da magma viscoso, acido con la fuoriuscita violenta dellebolle di gas.

Il magma viene ridotto a brandelli nella fuoriuscita e, unendosi, aiframmenti 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 edisperdersi omogeneamente abbassando la temperatura media delpianeta 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’emissioneseguendo una traiettoria balistica data dalla gravità.


Meccanismi di caduta dei piroclasti

CADUTA GRAVITATIVA

I lapilli cadono a grandi distanze dal centro di emissione , le bombe in prossimità ele ceneri ad enormi distanze, con traiettoria balistica poi si consolideranno dandoorigine a CINERITI, TUFI, BRECCE VULCANICE oppure, se si mescolano con isedimenti di origine differente, in mare a TUFITI.

FLUSSO PIROCLASTICO

I flussi piroclastici sono caratterizzati dal movimento verso valle di materialepiroclastico tenuto in sospensione da gas ad alte temperature:

NUBI ARDENDTI = nubi con densità e temperatura elevate in grado di percorreregrandi distanze mantenendo alta la temperatura dei piroclasti, i frammenti poi sisaldano a caldo per dare origine alle ignibriti. I volumi di magma coinvolti sonomolto grandi e i depositi tendono a colmare le depressioni del terreno.

Se sul vulcano interessato da flusso piroclastico ci sono ghiacciai o laghi sigenereranno vere e proprie COLATE DI FANGO BOLLENTE dette LAHAR chetrasporterà con sé molti detriti.


Meccanismi di caduta dei piroclasti

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 conl’acqua circolante nel sottosuolo, che evapora istantaneamente provocandoun’esplosione detta eruzione FREATO—MAGMATICA che può distruggere il vulcanostesso.

Un’eruzione di questo tipo fu quella del 79 d.C. del Vesuvio che distrusse Ercolano ePompei.


Esempi di eruzioni esplosive


Esempi di piroclasti

LAPILLI: dimensioni 2 - 64 mm

CENERI: dimensioni < 2 mm


Esempi di piroclasti

BOMBE: dimensioni > 64 mm


Attività vulcanica effusiva

Il magma fuoriesce dal condotto senza subire frammentazioni, disolito sono lave BASALTICHE molto fluide che vengono emesse atemperature di circa 1000-1200°C e scorrono tranquillamente versovalle creando veri e propri FIUMI DI LAVA.

Le lave più acide a composizione RIOLITICA fuoriescono a minoretemperatura 800-900°C e tendono a solidificarsi in prossimità delcentro di emissione formando dei RISTAGNI A FORMA DI CUPOLA.

L’attività si distingue in subaerea se la lava solidifica a contatto conl’atmosfera e subacquea se a contatto con l’acqua.


Attività vulcanica effusiva

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


Esempi di eruzioni effusive



Lava AA



Lava “a corda”PAHOEHOE



Lava “a cuscino”Pillows


Tunnel di lava


Rocce sialiche (acide)

Si O2 > 65 %, silice libera

Rocce femiche (basiche)

45 % < Si O2 < 52 %

Rocce intermedie (neutre)

52% < Si O2 < 65 %

Rocce ultrafemiche (ultrabasiche)

Si O2 < 45 %

Classificazione delle rocce ignee


Composizione delle rocce ignee

SiO2

65 %

60 %

52 %

45 %

80 %

30 %

GranaGrossa Fine

Sialiche

Intermedie

Femiche

Ultra-femiche


Tessitura delle rocce ignee

FANERITICA (a grana grossa: ad esempio il granito)Presenta grossi cristalli (da 0,5 mm a diversi cm); non è presente unamatrice 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; ildiametro medio è inferiore a 0,5 mm). Il raffreddamento è stato veloce.

PORFIRICAÈ composta da almeno due minerali che presentano grandi differenze nelledimensioni. I cristalli più grandi sono detti fenocristalli; quelli più piccolicostituiscono la matrice. Si pensa che le rocce con questa struttura abbianosubito due diverse fasi di raffreddamento: uno in profondità, dove vienefavorito lo sviluppo dei fenocristalli, l’altro in superficie (o in prossimità),dove si forma la matrice.


Faneritica

Afanitica



Porfirica



VESCICOLARE (con bolle più o meno grandi: ad esempio la pomice)Sono presenti fori e cavità, le vescicole sono il risultato dell’espansione deigas 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 èstato rapidissimo.

FRAMMENTARIA (con frammenti più o meno grandi, fusi assieme dal caloredell'eruzione: ad esempio il tufo)È tipica delle piroclastiti, rocce che vengono proiettate violentementedurante le eruzioni espolsive. Viste da vicino si notano alcuni minerali eframmenti fusi assieme per azione del calore. Si possono scorgere anchedei frammenti vetrosi.


Vescicolare

POMICE


Vetrosa

Frammentaria

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