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22.11.041 Fondamenti di Scienze della Terra 1 Modulo I Sergio Rocchi Dipartimento di Scienze della Terra Via S. Maria, 53 Mail:

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1 Fondamenti di Scienze della Terra 1 Modulo I Sergio Rocchi Dipartimento di Scienze della Terra Via S. Maria, 53 Mail: Lezioni: Registro delle lezioni:

2 Fondamenti di Scienze della Terra 1 – Modulo I Programma Modulo I (4 cfu) Unità A (10 ore) – –Strumenti Unità B (8 ore) – –Processi –Verifica in itinere Unità A+B ( ) Unità C (16 ore) – –Materiali Unità D (6 ore) – –Applicazioni –Verifica finale C+D (gennaio 2004) Laboratorio Modulo I (1 cfu) Le rocce: attività pratica (16 ore) – –a partire da

3 Unità C - Materiali Minerali Minerali 1. I legami. 2. Classificazione dei minerali. 3. Strutture dei minerali silicatici. Minerali argillosi. 4. Minerali in natura. Chimismo. 5. Proprietà fisiche dei minerali Rocce Rocce 6. Rocce ignee 7. Rocce metamorfiche 8. Rocce sedimentarie

4 C1- Legami tra atomi Legame covalente vs. legame ionico Legame covalente vs. legame ionico Raggio ionico Raggio ionico Coordinazione, poliedri di coordinazione Coordinazione, poliedri di coordinazione Legami nei minerali Legami nei minerali

5 I legami I materiali geologici e le loro proprietà sono largamente variabili I materiali geologici e le loro proprietà sono largamente variabili –Lava che fuoriesce da un vulcano –Nube esplosiva vulcanica –Granito fresco (non alterato) da usare come materiale lapideo –Granito alterato in caolino etc –Caolino cotto (mattonella, bidet) –Argilla in via di deposizione (fango) –Argilla cotta (mattone) –Grafite, diamante, gemme –Oro, metalli preziosi Le enormi differenze fisiche tra i materiali geologici derivano in gran parte dai diversi modi in cui sono legati tra loro gli atomi costituenti Le enormi differenze fisiche tra i materiali geologici derivano in gran parte dai diversi modi in cui sono legati tra loro gli atomi costituenti I meccanismi di legame chimico sono molti, ma due atomi sono spesso legati tramite una interazione che è una mistura di due o più legami I meccanismi di legame chimico sono molti, ma due atomi sono spesso legati tramite una interazione che è una mistura di due o più legami Il contributo relativo dei vari tipi di legame dipende dalla differenza di elettronegatività tra gli atomi in causa Il contributo relativo dei vari tipi di legame dipende dalla differenza di elettronegatività tra gli atomi in causa Per capire come sono fatti i legami, si possono descrivere i modelli estremi di legame Per capire come sono fatti i legami, si possono descrivere i modelli estremi di legame

6 spspsp HHO Legame covalente Atomi con elettronegatività simile o uguale possono formare composti in cui gli atomi sono tenuti insieme da legami fortissimi (diamante, carburo di tungsteno…) o composti come O 2, CH 4, CO 2, H 2 O Atomi con elettronegatività simile o uguale possono formare composti in cui gli atomi sono tenuti insieme da legami fortissimi (diamante, carburo di tungsteno…) o composti come O 2, CH 4, CO 2, H 2 O Il legame di questi composti è detto covalente Il legame di questi composti è detto covalente Il legame covalente consiste nella condivisione di elettroni spaiati tra atomi vicini Il legame covalente consiste nella condivisione di elettroni spaiati tra atomi vicini legame covalente puro: soltanto tra atomi uguali legame covalente puro: soltanto tra atomi uguali Il legame covalente può formarsi tra orbitali ibridi Il legame covalente può formarsi tra orbitali ibridi I composti a legame covalente sono elettrostaticamente asimmetrici, sono cioè dei dipoli I composti a legame covalente sono elettrostaticamente asimmetrici, sono cioè dei dipoli Altri legami importanti Altri legami importanti –Legame metallico –Interazioni di van der Waals

7 Legame ionico Quando il contrasto di elettronegatività tra due atomi è forte, questi si legano tramite legame ionico Quando il contrasto di elettronegatività tra due atomi è forte, questi si legano tramite legame ionico –Na e Cl hanno una differenza di elettrogatività elevatissima –quando due atomi si incontrano, Na cede prontamente un elettrone a Cl –ne risultano uno ione positivo di Na (catione) e uno ione negativo di Cl (anione) –Questi due ioni di carica opposta sono mutualmente attratti e formano un legame ionico I composti ionici esistono come I composti ionici esistono come –solidi che ottimizzano la loro stabilità tramite impacchettamento tridimensionale di ioni a carica opposta –Liquidi che sono soluzioni ioniche che si stabilizzano per interazione con molecole polari di solvente –Non esistono composti ionici gasssosi

8 % legame ionico Esiste una progressione continua tra legame ionico e legame covalente Esiste una progressione continua tra legame ionico e legame covalente Questa progressione nella percentuale di carattere ionico di un legame è funzione (non esatta) della differenza di elettronegatività tra gli atomi partecipanti Questa progressione nella percentuale di carattere ionico di un legame è funzione (non esatta) della differenza di elettronegatività tra gli atomi partecipanti

9 Legame ionico Un composto solido ionico può essere pensato come un impacchettamento di sfere di divere dimensioni (ogni elemento un raggio diverso) Un composto solido ionico può essere pensato come un impacchettamento di sfere di divere dimensioni (ogni elemento un raggio diverso) Un composto ionico sarà più stabile se Un composto ionico sarà più stabile se –Gli ioni sono combinati in modo da dar luogo a un cristallo elettrostaticamente neutro: nel salgemma Na e Cl hanno la stessa carica (opposta) e devono esserci lo stesso numero di atomi di Na + e di Cl – (–> NaCl); nella fluorite Ca 2+ ha carica doppia rispetto a F – e deve quindi esserci un numero di ioni F doppio rispetto agli ioni Ca (–> CaF 2 ) –La distanza tra ioni a carica opposta deve approssimare la distanza di equilibrio, in modo che le forze attrattive siono massimizzate –Ogni catione deve essere circondato dal massimo numero di anioni possibile secondo le loro dimensioni relative, in modo da raggiungere il massimo grado di interazione attrattiva tra a nione e catione; il numero di di anioni che immediatamente circondano un catione nelle tre dimensioni è detto numero di coordinazione, e la disposizione di questi anioni intorno al catione è detta poliedro di coordinazione La disposizione di atomi in un composto (cristallo) dipende da La disposizione di atomi in un composto (cristallo) dipende da –Carica –Dimensioni

10 Dimensioni atomiche: Raggio ionico r 0 è la distanza tra i nuclei dei due ioni per la quale l'energia del sistema è minima (distanza di legame) r 0 è la distanza tra i nuclei dei due ioni per la quale l'energia del sistema è minima (distanza di legame) r 0 può essere visto anche come la somma dei raggi dei due ioni r 0 può essere visto anche come la somma dei raggi dei due ioni Repulsione tra nubi elettroniche AttrazioneAnione–Catione Energia potenziale netta DistanzaCritica r 0 Energiaminima Le nubi elettroniche degli ioni non hanno limiti netti: cos'è il raggio ionico? Le nubi elettroniche degli ioni non hanno limiti netti: cos'è il raggio ionico? r 0 = r A + r B r 0 = r A + r B Diffrazione raggi X di cristalli a legame ionico forniscono misure di r 0 Diffrazione raggi X di cristalli a legame ionico forniscono misure di r 0 Energia potenziale 0 Distanza internucleare r Distanza internucleare di equilibrio r0r0r0r0

11 Il premio nobel Linus Pauling (1927) ha suggerito una relazione tra raggio ionico e carica nucleare: nota la distanza internucleare, si calcolano i raggi dei due ioni coinvolti nel legame Il premio nobel Linus Pauling (1927) ha suggerito una relazione tra raggio ionico e carica nucleare: nota la distanza internucleare, si calcolano i raggi dei due ioni coinvolti nel legame In seguito sono state effettuate stime più elaborate dei raggi ionici; un accordo totale su valori definitivi non esiste In seguito sono state effettuate stime più elaborate dei raggi ionici; un accordo totale su valori definitivi non esiste Dimensioni atomiche: Raggio ionico rArArArA rBrBrBrB r0r0r0r0

12 Raggio ionico Variazione (min-max) : Si 4+ = 0.34 Å – Rb + =1.7 Å Variazione (min-max) : Si 4+ = 0.34 Å – Rb + =1.7 Å Il raggio ionico diminuisce da sinistra verso destra nei periodi della Tavola Periodica, a causa dell'aumento di carica nel nucleo: Il raggio ionico diminuisce da sinistra verso destra nei periodi della Tavola Periodica, a causa dell'aumento di carica nel nucleo: –a parità di elettroni (es.: Na +, Mg 2+, Al 3+ e Si 4+ hanno tutti 10 elettroni) –più protoni ci sono nel nucleo (es.: Na + : Z=11, Mg 2+ : Z=12, Al 3+ : Z=13 e Si 4+ : Z=14) –più fortemente attraggono gli elettroni –più piccolo è lo ione (es.: Na + : r=1.24 Å, Mg 2+ : r=0.80 Å, Al 3+ : r= Å, Si 4+ : r=0.34 Å) Gli anioni sono più grandi dei cationi Gli anioni sono più grandi dei cationi N.B. Il raggio ionico varia anche con la coordinazione

13 Impacchettamento di sfere Molte strutture cristalline possono quindi essere descritte come impacchettamento compatto di grandi anioni, con gli spazi tra questi occupati dai cationi (più piccoli degli anioni) Molte strutture cristalline possono quindi essere descritte come impacchettamento compatto di grandi anioni, con gli spazi tra questi occupati dai cationi (più piccoli degli anioni)

14 Coordinazione Sito ottaedrico Sito tetraedrico

15 Coordinazione / /2 -1 numero di coordinazione poliedro di coordinazione / / / / > 1.0> 4 1/ variabile tetraedro ottaedro cubo rapporto raggio catione / raggio anione da a da a da a

16 Coordinazione nei minerali silicatici catione r catione (Å) r cat / r O Coordinaz. Coordinaz. prevista prevista Si Al Ti Fe Mn Mg Fe Ca Na K+K+K+K olivina granati pirosseni anfiboli miche feldspati quarzo Minerali silicatici naturali

17 I legami nei minerali Potenziale ionico=raggio/carica Il legame ionico ideale non esiste in natura Il legame ionico ideale non esiste in natura Il catione (+) continua ad attrarre l'elettrone donato all'anione (–), che quindi ha una densità elettronica un po' sbilanciata verso il catione: l'anione è quindi polarizzato Il catione (+) continua ad attrarre l'elettrone donato all'anione (–), che quindi ha una densità elettronica un po' sbilanciata verso il catione: l'anione è quindi polarizzato La capacità di polarizzazione di un catione (potenziale ionico) è proporzionale alla sua carica e inversamente proporzionale alle sue dimensioni La capacità di polarizzazione di un catione (potenziale ionico) è proporzionale alla sua carica e inversamente proporzionale alle sue dimensioni D'altra parte, in un legame covalente tra due atomi non uguali, la densità elettronica è sbilanciata verso l'atomo più elettronegativo, dandogli una leggera carica negativa: il legame diventa quindi in minima parte ionico D'altra parte, in un legame covalente tra due atomi non uguali, la densità elettronica è sbilanciata verso l'atomo più elettronegativo, dandogli una leggera carica negativa: il legame diventa quindi in minima parte ionico Gill R. (1996) Chemical fundamentals of Geology, 2nd ed.

18 Gli elementi nei minerali Gill R. (1996) Chemical fundamentals of Geology, 2nd ed.

19 Idrolisi Gill R. (1996) Chemical fundamentals of Geology, 2nd ed. Idrolisi di SO 2, NO 2, CO 2 SO 2 + H 2 O H 2 SO 3 H + + SO 3 – soluzione acida Idrolisi di SO 2, NO 2, CO 2 SO 2 + H 2 O H 2 SO 3 H + + SO 3 – soluzione acida Idrolisi di Na 2 O Na 2 O + H 2 O 2 NaOH soluzione basica Idrolisi di Na 2 O Na 2 O + H 2 O 2 NaOH soluzione basica Idrolisi = reazione con rottura del legame O–H Idrolisi = reazione con rottura del legame O–H Al H 2 O Al(OH) H + Idrolisi di Fe, Al Idrolisi di Fe, Al –Ossidazione Fe 2+ Fe 3+ –Dissoluzione di Fe 2+ in acque leggermente acide –Precipitazione di idrossidi fdi Fe, Al Fe H 2 O FeO(OH) + 3 H +

20 C2 - I minerali Strutture dei minerali (Virtual Crystals 1) Strutture dei minerali (Virtual Crystals 1) –Legame metallico –Legame ionico –Legame covalente definizioni definizioni gruppi di minerali gruppi di minerali i silicati: classificazione strutturale dei silicati i silicati: classificazione strutturale dei silicati polimorfismo e isomorfismo polimorfismo e isomorfismo

21 I minerali: struttura, composizione e classificazione Cos'è un minerale Cos'è un minerale –elemento o composto inorganico naturale con struttura interna ordinata struttura interna ordinata composizione chimica caratteristica composizione chimica caratteristica forma cristallina propria forma cristallina propria proprietà fisiche proprie proprietà fisiche proprie Rock-forming minerals Rock-forming minerals I minerali sono migliaia I minerali sono migliaia Quelli che sono i fondamentali costituenti delle rocce sono soltanto alcune decine Quelli che sono i fondamentali costituenti delle rocce sono soltanto alcune decine Circa 80% della superficie terrestre è costituta da minerali silicatici, cioè composti in cui i metalli sono legati a silicio (S) e ossigeno (O) Circa 80% della superficie terrestre è costituta da minerali silicatici, cioè composti in cui i metalli sono legati a silicio (S) e ossigeno (O) I minerali rari possono avere valore economico, se concentrati e/o preziosi, oppure valore scientifico I minerali rari possono avere valore economico, se concentrati e/o preziosi, oppure valore scientifico minerali silicatici minerali silicatici non-silicati non-silicati

22 Gruppi di minerali –Elementi –Solfuri –Alogenuri –Ossidi e idrossidi –Nitrati –Carbonati –Borati –Solfati –Fosfati –Silicati –Sostanze organiche

23 Minerali Silicatici: Elementi, legami e struttura Elementi costruttori di struttura Elementi costruttori di struttura –L'elevata percentuale di covalenza del legame Si–O, fa di questa unità il principale costruttore di impalcature nei minerali e nei fusi silicatici –Anche P e in misura minore Al, e ancora minore Ti, possono comportarsi da costruttori Elementi modificatori di struttura Elementi modificatori di struttura –Gli elementi che formano con O un legame prevalentemente ionico sono detti modificatori di impalcature strutturali Polimeri silicatici Polimeri silicatici –Sono costruiti dal mattone fondamentale, il tetraedro SiO 4 –Si può soddisfare soltanto metà della capacità di legame di 4 O, quindi ci devono essere altri legami di O con altri atomi: questo può essere un atomo di Si di un altro tetraedro, oppure un atomo diverso –Si può descrivere la struttura di un minerale silicatico in base al numero di O legati soltanto a un atomo di silicio (non-bridging oxygens): p

24 Classificazione strutturale dei silicati Tipo strutturale p Z : O Nesosilicati (monomeri) 4 1 : 4 Sorosilicati (dimeri) 3 1 : 3.5 Ciclosilicati (silicati ad anelli) 2 1 : 3 Inosilicati - catena singola 2 1 : 3 Inosilicati - catena doppia : 2.75 Fillosilicati1 1 : 2.5 Tettosilicati0 1 : 2

25 Classificazione strutturale dei silicati Ciclosilicati Inosilicati a catena singola (pirosseni) Inosilicati a catena doppia (anfiboli) Fillosilicati (miche) Nesosilicati Sorosilicati

26 C3 - I minerali Strutture dei Minerali silicatici (Virtual Crystals 2) Strutture dei Minerali silicatici (Virtual Crystals 2)

27 C4 - I minerali Polimorfismo Polimorfismo Isomorfismo Isomorfismo Minerali argillosi Minerali argillosi Minerali non silicatici Minerali non silicatici

28 Polimorfismo Polimorfismo: uno stesso composto chimico può formare specie cristalline (minerali) con strutture diverse Polimorfismo: uno stesso composto chimico può formare specie cristalline (minerali) con strutture diverse Queste diverse fasi minerali sono dette polimorfi, fasi polimorfe: sono fasi distinte Queste diverse fasi minerali sono dette polimorfi, fasi polimorfe: sono fasi distinte Stesse proprietà chimiche Stesse proprietà chimiche Diverse proprietà fisiche Diverse proprietà fisiche La formazione di una fase polimorfa è condizionata dalla Temperatura e Pressione di cristallizzazione: campo di stabilità P-T La formazione di una fase polimorfa è condizionata dalla Temperatura e Pressione di cristallizzazione: campo di stabilità P-T La formazione o trasformazione di polimorfi può essere accelerata da fattori o composti catalizzanti La formazione o trasformazione di polimorfi può essere accelerata da fattori o composti catalizzanti Le fasi polimorfe possono esistere anche al di fuori del loro campo di stabilità P-T: a causa della lentezza della trasformazione: fasi metastabili Le fasi polimorfe possono esistere anche al di fuori del loro campo di stabilità P-T: a causa della lentezza della trasformazione: fasi metastabili –Esempio: diamante (fase di alta P di C) persiste a P ambiente In casi particolari (fenomeni di disequilibrio) fasi polimorfe possono ache formarsi al di fuori del loro campo di stabilità P-T In casi particolari (fenomeni di disequilibrio) fasi polimorfe possono ache formarsi al di fuori del loro campo di stabilità P-T –Esempio: aragonite (fase di alta P di CaCO 3 ) si può formare in ambiente sediementario

29 Limiti tra gli "involucri" della Terra crosta superiore inferiore superiore mantello inferiore nucleo esterno interno Conrad 670 Moho 10 oceani 33 media continenti 65 catene montuose Profondità (km) Natura dei limiti 2900Gutenberg 5100Lehmann gabbro(oceani)granulite/diorite(continenti)peridotite liquidosolido minerali silicatici - solido lega metallica - liquido Poliedri a coordinaz. alta Poliedri a coordinaz. bassa

30 Isomorfismo - Vicarianza Isomorfismo: miscibilità allo stato solido di due sostanze Isomorfismo: miscibilità allo stato solido di due sostanze termine deriva dagli studi dellinizio del XX secolo: si riteneva che forme cristalline simili potessero dare soluzioni allo stato solido termine in parte improprio, in quanto possono essere miscibili anche sostanze con struttura e forma diverse la natura del fenomeno sta nella Vicarianza: sostituzione di un atomo (catione) da parte di un altro Vicarianza: sostituzione di un atomo (catione) da parte di un altro Gli ioni mutualmente vicarianti devono avere raggio ionico simile Gli ioni mutualmente vicarianti devono avere raggio ionico simile Isomorfismo di prima specie Isomorfismo di prima specie –tra composti con formula chimica molto simile, uguale numero di atomi e stessa valenza per atomi vicarianti –Esempio: olivina (Mg,Fe) 2 SiO 4 = miscela allo stato solido di Forsterite (Mg 2 SiO 4 ) e Fayalite (Fe 2 SiO 4 ) Isomorfismo di seconda specie Isomorfismo di seconda specie –tra composti in cui gli atomi vicarianti hanno raggio ionico simile e carica diversa per una unità Isomorfismo di terza specie Isomorfismo di terza specie –tra composti con doppia sostituzione: due ioni dello stesso segno (uno a carica maggiore e uno a carica minore) oppure due ioni di segno opposto (entrambi a carica maggiore o minore) Isomorfismo interstiziale Isomorfismo interstiziale –tra due composti in uno dei quali una posizione reticolare è occupata, mentre nell'altro è vuota (con contemporanea sostituzione di altro ione per mantenere la neutralità)

31 Isomorfismo - Vicarianza Isomorfismo/vicarianza è favorito dalla vicinanza dei raggi ionici Isomorfismo/vicarianza è favorito dalla vicinanza dei raggi ionici Isomorfismo/vicarianza è favorito da Temperatura elevata Isomorfismo/vicarianza è favorito da Temperatura elevata –Ad alta T le oscillazioni degli atomi sono più ampie e le cavità delle strutture sono di conseguenza più tolleranti rispetto alle dimensioni degli ionio che possono ospitare –Esempio: K non può sostituire Na in salgemma (NaCl) precipitato da soluzioni acquose (T<100°C), mentre lo fa in salgemma cristallizzato da un fuso (T=801°C) Isomorfismo/vicarianza è favorito dalla complessità della struttura del minerale Isomorfismo/vicarianza è favorito dalla complessità della struttura del minerale –Più semplice è la struttura, più simile dovrà essere il raggio ionico tra elementi vicarianti –Esempio: K non può sostituire Na in salgemma (NaCl), mentre lo fa agevolmente in albite (NaAlSi 3 O 8 ) La vicarianza deve comunque portare alla neutralità elettrostatica del minerale La vicarianza deve comunque portare alla neutralità elettrostatica del minerale Gruppi di elementi vicarianti: Gruppi di elementi vicarianti: –r = Å:Al 3+ – Si 4+ – Ge 4+ –r = Å:Mg 2+ –Fe 2+ – Mn 2+ – Co 2+ – Ni 2+ – Cu 2+ – Zn 2+ –r = Å:Na + – Ca 2+ – (REE 3+ ) –r = Å:(Ca 2+ ) – Sr 2+ – Ba 2+ – Pb 2+ –r = Å:Al 3+ – Fe 3+ – Cr 3+ –r = Å:K + – Rb + – Cs + – Tl + –r = Å:Zr 4+ – Hf 4+ – (Ce 4+) – Th 4+ – U 4+ – (REE 3+ )

32 Minerali Argillosi I I minerali argillosi (clay minerals) sono fillosilicati (sheet silicates) –fillosilicati 1:1 = T-O (1 foglio tetraedrico + 1 foglio ottaedrico) caolinite –fillosilicati 2:1 = T-O-T (2 fogli tetraedrici+ 1 foglio ottaedrico) smectite, vermiculite, illite –fillosilicati 2:2 = T-O-T-O (2 fogli tetraedrici + 2 fogli ottaedrici) clorite Sostituzioni isomorfe di –Al 3+ al posto d Si 4+ in siti tetraedrici –Mg 2+ al posto di Al 3+ in siti ottaedrici determinano presenza di cariche negative nei singoli fogli per mantenere la neutralità elettrostatica, le cariche negative vengono compensate da –cationi (interscambiabili) associati alla superficie del minerale o alle regioni tra i fogli Quando i grandi cationi interstrato sono numerosi, hanno l'effetto di –aumentare l'area superficiale della fase minerale, fino a 800 m 2 g -1 ! –trattenere molecole d'acqua tra gli strati –aumentare la capacità di adsorbimento e scambio ionico

33 Minerali Argillosi = Clay Minerals fillosilicati 1:1 = T-O –1 foglio tetraedrico –1 foglio ottaedrico –NO sostituzioni isomorfe NO cationi interstrato –caolinite fillosilicati 2:1 = T-O-T –2 fogli tetraedrici –1 foglio ottaedrico –sostituz. Al 3+ –> Si 4+ K + interstrato –illite –smectiti –vermiculite fillosilicati 2:2 = T-O-T-O –2 fogli tetraedrici –2 fogli ottaedrici –clorite

34 Minerali Argillosi = Clay Minerals fillosilicati 1:1 = T-O –1 foglio tetraedrico + 1 foglio ottaedrico –NO sostituzioni isomorfe NO cationi interstrato fillosilicati 2:1 = T-O-T –2 fogli tetraedrici + 1 foglio ottaedrico –sostituz. Al 3+ –> Si 4+ (deficienza di carica = 2) K + interstrato –sostituz. Al 3+ –> Si 4+ + X 2+ –> Al 3+ (deficienza di carica = 0.5-1) Na +, K +, Rb +, Cs + + Ca 2+, Mg 2+ interstrato –sostituz. Al 3+ –> Si 4+ + Mg 2+ –> Al 3+ (deficienza di carica = 1-1.5) Mg 2+ interstrato fillosilicati 2:2 = T-O-T-O –2 fogli tetraedrici + 2 fogli ottaedrici –sostituz. Mg 2+ –> Al 3+ Mg 2+ in strato ottaedrico non legato caolinite Al 4 [Si 4 O 10 (OH) 8 ] illite KAl 4 [AlSi 7 O 20 (OH) 4 ] smectiti vermiculite (Mg 0.75 )Mg 6 [Al 1.5 Si 6.5 O 20 (OH) 4 ]nH 2 O clorite (Mg,Fe) 12-p Al 2p/3 [Si 8 O 20 (OH) 16 ]

35 Caratteristiche dei minerali argillosi caolinite –NO sostituzioni isomorfe NO cationi interstrato –prodotto della alterazione (pH acido) dei feldspati, suoli acidi, fortemente lisciviati illite –minerali micacei di dimensioni argillose (< 2µm) –soltanto K + interstrato area superficiale = area esterna –prodotto della alterazione (pH basico) dei feldspati smectiti –minerali micacei di dimensioni argillose (< 1µm) –grandi cationi interstrato area superficiale include superficie esterna e superfici interne –grande capacità di espansione (distanza interstrato = Å) instabilità dei suoli –alta capacità di scambio cationico –si formano in zone di basso morfologico dove si accumulano cationi e acido silicico vermiculite –grandi cationi interstrato area superficiale include superficie esterna e superfici interne –grande capacità di espansione (distanza interstrato = Å) –moderata fino ad alta capacità di scambio cationico –prodotto iniziale dell'alterazione delle miche clorite –livello ottaedrico interstrato distanza interstrato fissa NO scambi cationici

36 C5 - I minerali I minerali non silicatici I minerali non silicatici Studio dei minerali Studio dei minerali Composizione chimica dei minerali Composizione chimica dei minerali Proprietà fisiche Proprietà fisiche Riconoscimento macroscopico Riconoscimento macroscopico

37 Minerali non silicatici: composizione e classificazione Elementi Elementi Solfuri Solfuri Alogenidi Alogenidi Ossidi e idrossidi Ossidi e idrossidi Nitrati Nitrati Carbonati Carbonati Borati Borati Solfati Solfati Fosfati Fosfati Sostanze organiche Sostanze organiche

38 Principali minerali non silicatici Elementi GrafiteC DiamanteCdiamante Solfuri CalcopiriteCuFeS 2 SfaleriteZnS GalenaPbS PiriteFeS 2 Alogenidi SalgemmaNaCl FluoriteCaF 2 Ossidi e idrossidi Spinello (nobile)MgAl 2 O 4 MagnetiteFeFe 2 O 4 EmatiteFe 2 O 3 IlmeniteFeTiO 3 CorindoneAl 2 O 3 rubino CorindoneAl 2 O 3 zaffiro QuarzoSiO 2 BauxiteAl 2 O 3. nH 2 Oalluminio Carbonati CalciteCaCO 3 AragoniteCaCO 3 conchiglie DolomiteCaMg[CO 3 ] 2 BoratiSolfati AnidriteCaSO 4 GessoCa[SO 4 ]. 2H 2 O Fosfati MonaziteCePO 4 ApatiteCa 5 [(F,Cl,OH)(PO 4 ) 3 ]

39 I minerali non silicatici Strutture di alcuni Minerali non silicatici (Virtual Crystals 2) Strutture di alcuni Minerali non silicatici (Virtual Crystals 2) –calcite –pirite

40 Studio dei minerali Identificazione macroscopica Identificazione macroscopica –Proprietà fisiche e chimica dei minerali Identificazione microscopica Identificazione microscopica –Interazione tra luce polarizzata e minerali Microscopio da Mineralogia/Petrografia Microscopio da Mineralogia/Petrografia –Interazione elettroni-minerali SEM (Microscopio Elettronico a Scansione, fino 10 6 ingrandimenti) SEM (Microscopio Elettronico a Scansione, fino 10 6 ingrandimenti) Identificazione chimica Identificazione chimica –Analisi bulk XRF (Fluorescenza raggi X) XRF (Fluorescenza raggi X) ICP-MS (Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry) ICP-MS (Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry) –Analisi in situ (puntuali) SEM-EDS (Microscopio Elettronico a Scansione e microanalisi a Sistema Dispersivo di Energia) SEM-EDS (Microscopio Elettronico a Scansione e microanalisi a Sistema Dispersivo di Energia) EPMA-WDS (Microsonda Elettronica e microanalisi a Sistema Dispersivo di Lunghezze d'onda) EPMA-WDS (Microsonda Elettronica e microanalisi a Sistema Dispersivo di Lunghezze d'onda) LA-ICP-MS (Laser Ablation ICP-MS) LA-ICP-MS (Laser Ablation ICP-MS) SIMS (Microsonda ionica) e SHRIMP SIMS (Microsonda ionica) e SHRIMP Identificazione strutturale Identificazione strutturale XRD (Diffrattometria raggi X) XRD (Diffrattometria raggi X) TEM (Microscopio Elettronico a Trasmissione) TEM (Microscopio Elettronico a Trasmissione)

41 Composizione chimica dei minerali Ossido (wt%) olivinaanfibolo SiO TiO 2 Al 2 O Fe 2 O FeO MnO MgO CaO Na 2 O 6.98 K2OK2OK2OK2O0.68 P2O5P2O5P2O5P2O5 H2OH2OH2OH2O2.27 CO 2 e altri volatili Elem traccia

42 Formula atomica dei minerali Esempio di calcolo della formula atomica di una olivina Esempio di calcolo della formula atomica di una olivina analisi (wt% ossidi) masse molecol moli di ossidi moli di O (come (O 2+ ) cationi per 4 ossigeni cationi per sito sito Col 1 / Col 2Col 2 x n. O per molecola Col 2 x 4 / SiO Z FeO MnO Y MgO CaO tot

43 formule chimiche dei silicati olivina (Mg,Fe)2SiO 4 olivina (Mg,Fe)2SiO 4 pirosseni pirosseni –ortopirosseni(Mg,Fe)Si 2 O 6 –clinopirosseni ricchi in CaCa(Mg,Fe) Si 2 O anfiboli anfiboli –orneblenda(Ca,Na) 2-3 (Mg,Fe 2+,Fe 3+,Al) 5 [Si 6 (SiAl) 2 O 22 (OH,F) 2 ] fillosilicati fillosilicati –biotiteK 2 (Mg,Fe) 6 (Si 6 Al 2 O 20 ) –muscoviteK 2 Al 4 (Si 6 Al 2 O 20 ) –caolinoAl 4 (Si 4 O 10 )(OH) 8 –serpentinoMg 6 (Si 4 O 10 )(OH) 8 –montmorillonti (smectiti)( 1/2 Ca,Na) (Al,Mg,Fe) 4-6 (Si,Al) 8 O 20 (OH) 4 · nH 2 O –vermiculiteMg (Mg 3.5-5,Al ) (Si 5.5-6,Al Al )O 20 (OH) 4 · 7-8H 2 O feldspati feldspati –plagioclasiNaAlSi 3 O 8 – CaAl 2 Si 2 O 8 –feldspati alcalini(K, Na)AlSi 3 O 8 quarzo SiO 2 quarzo SiO 2

44 Proprietà fisiche dei minerali Un minerale si può ritrovare sotto forma di Un minerale si può ritrovare sotto forma di –solido naturale delimitato da superfici piane –porzione di reticolo cristallino delimitato da superfici qualsiasi Le proprietà fisiche macroscopiche dei minerali possono essere determinate a occhio nudo o con una lente a basso ingrandimento (8–10x) e/o con l'ausilio di semplici strumenti quali una punta d'acciaio e HCl diluito Le proprietà fisiche macroscopiche dei minerali possono essere determinate a occhio nudo o con una lente a basso ingrandimento (8–10x) e/o con l'ausilio di semplici strumenti quali una punta d'acciaio e HCl diluito Splendore/Lucentezza Splendore/Lucentezza Colore Colore Colore dello striscio Colore dello striscio Durezza Durezza Frattura Frattura Sfaldatura Sfaldatura Densità Densità Abito cristallino / Forma-sistema cristalllino Abito cristallino / Forma-sistema cristalllino Trasparenza, Translucidità, Opacità Trasparenza, Translucidità, Opacità Tenacità Tenacità Tatto Tatto altre caratteristiche fisiche altre caratteristiche fisiche

45 Proprietà fisiche dei minerali Abito cristallino – forma-sistema cristalllino Abito cristallino – forma-sistema cristalllino –Determinabile su cristalli ben formati –Fondamentali sono gli angoli tra le facce e non la dimensione relativa delle facce Sette sistemi cristallini Sette sistemi cristallini –Cubico –Tetragonale –Esagonale –Trigonale –Rombico –Monoclino –Triclino

46 Proprietà fisiche dei minerali Splendore o Lucentezza Splendore o Lucentezza –Riemissione (riflessione e rifrazione) di luce incidente sulla superficie –Metallico Elementi metallici nativi, solfuri, etc Elementi metallici nativi, solfuri, etc –Vitreo Vetro, silicati, quarzo su facce, carbonati, etc Vetro, silicati, quarzo su facce, carbonati, etc –Adamantino Diamante, zircone, etc Diamante, zircone, etc –Submetallico biotite biotite –Grasso o untuoso Salgemma esposto all'aria, Quarzo su frattura Salgemma esposto all'aria, Quarzo su frattura –Sericeo Calcedonio, asbesto Calcedonio, asbesto –Perlaceo muscovite muscovite –Terroso masse finissime di gesso, calcite, etc masse finissime di gesso, calcite, etc Colore Colore –Riemissione di lunghezze d'onda della luce non assorbite –Dipende da: tipo di legame (diamante vs. grafite), composizione, impurità, difetti –Idiocromatici (minerali con colore caratteristico) –Allocromatici (minerali con colore variabile) Colore dello striscio Colore dello striscio –Colore della polvere generata sfregando il minerale (su porcellana ruvida)

47 Proprietà fisiche dei minerali Durezza Durezza –Resistenza alla incisione –Scala relativa a 10 minerali comuni: scala Mohs (1822) –< = tenero (rigato dallunghia) – < = semiduro (rigato dal coltello) –> 5 = duro (riga il vetro) – > 7 = durissimo (riga la porcellana) Frattura Frattura –Rottura su superficie irregolare in seguito a sollecitazione meccanica –concoide, irregolare, scheggiosa, ruvida, terrosa, piana Sfaldatura Sfaldatura –Rottura su superficie regolare in seguito a sollecitazione meccanica –perfetta/facile, buona/evidente, difficile 1.Talco 2.Gesso 2.Gesso 3.Calcite 3.Calcite 4.Fluorite 4.Fluorite 5.Apatite 5.Apatite 6.Ortoclasio 6.Ortoclasio 7.Quarzo 7.Quarzo 8.Topazio 8.Topazio 9.Corindone 9.Corindone 10.Diamante 10.Diamante

48 Proprietà fisiche dei minerali Densità Densità –Massa/volume –Determinata da Composizione e struttura Composizione e struttura Per lo stesso minerale, isomorfismo può influenzare la densità Per lo stesso minerale, isomorfismo può influenzare la densità A parità di composizione, diversi polimorfi hanno densità diversa A parità di composizione, diversi polimorfi hanno densità diversa Trasparenza, Translucidità, Opacità Trasparenza, Translucidità, Opacità Tenacità Tenacità –Resistenza alla frattura –Fragile, fissile,malleabile, duttile, scissile, flessibile, resistente Tatto Tatto –Freddo = sensazione legata a elevata conducibilità termica (rame, argento) –Saponaceo o grasso (tipo talco) –Ruvido, liscio altre caratteristiche chimiche e fisiche altre caratteristiche chimiche e fisiche –reazione allHCl diluito, etc

49 C6 - Le rocce rocce ignee rocce ignee –Si formano per solidificazione di materiale fuso ad alta temperatura (magma) –Magma include materiale fluido che, una volta solidificato, forma la roccia materiale fluido che, una volta solidificato, forma la roccia i componenti volatili sono disciolti nel liquido; durante l'eruzione possono sfuggire formando una fase gassosa separata i componenti volatili sono disciolti nel liquido; durante l'eruzione possono sfuggire formando una fase gassosa separata rocce sedimentarie rocce sedimentarie –Si formano sulla superficie della terra solida All'aria All'aria Sott'acqua Sott'acqua Sotto il ghiaccio Sotto il ghiaccio –Il materiale usato può essere qualsiasi roccia della superficie terrestre o materiale disciolto nelle acque rocce metamorfiche rocce metamorfiche –Si formano per modificazione tessiturale e mineralogica di rocce pre-esistenti (ignee, sedimentarie, metamorfiche) in risposta a cambiamenti di temperatura e/o pressione (importanti i volatili) –Tutto il processo avviene allo stato solido

50 Le rocce Condizioni di formazione la classificazione di primo rango è di tipo genetico: –Rocce Ignee Plutoniche Plutoniche Vulcaniche Vulcaniche –Rocce Metamorfiche –Rocce Sedimentarie

51 Tessiture RocceIgnee liquidosolido Sottrazione calore Diminuzione T solidificazione (cristallizzazione etc) Processitardo-magmatici Processi secondari RocceMetamorfiche solidosolido variazioni P,T, sforzi orientati Riequilibratura totale o parziale Processi secondari RocceSedimentarie Solido (+ liquido) solido Erosione Preci- Trasporto pita- Deposizione zione Diagenesi Processi secondari Tessiture sequenziali Tessiture cristalloblastiche Tessiture clastiche

52 Le rocce distinzione sul terreno rocce sedimentarie tipicamente stratificate, con strati sovrapposti (principio di sovrapposizione) tipicamente stratificate, con strati sovrapposti (principio di sovrapposizione) diagnostica la presenza di fossili diagnostica la presenza di fossili rocce ignee –plutoniche non stratificate, massive non stratificate, massive senza fossili senza fossili –vulcaniche stratificate (strati poco estesi lateralmente) stratificate (strati poco estesi lateralmente) fossili assenti fossili assenti morfologia vulcanica morfologia vulcanica rocce metamorfiche –paraderivati relitti di stratificazione relitti di stratificazione scomparsa dei fossili scomparsa dei fossili fissilità fissilità –ortoderivati relitti di struttura massiva o porfirica relitti di struttura massiva o porfirica chimismo igneo chimismo igneo

53 Rocce Sedimentarie rocce silicoclastiche rocce silicoclastiche –rocce sedimentarie più diffuse rocce carbonatiche rocce carbonatiche –rocce sedimentarie più diffuse dopo le silicoclastiche rocce evaporitiche rocce evaporitiche rocce silicee, ferrifere/manganesifere, fosfatiche rocce silicee, ferrifere/manganesifere, fosfatiche idrocarburi e carboni idrocarburi e carboni rocce residuali rocce residuali rocce piroclastiche e vulcanoclastiche rocce piroclastiche e vulcanoclastiche

54 rocce silicoclastiche - costituenti frazione detritica (materiale sindeposizionale) frazione detritica (materiale sindeposizionale) –granuli –matrice minerali formatisi in situ (materiale post-deposizionale) –cemento 1 cm

55 rocce silicoclastiche - costituenti frazione detritica frazione detritica –granuli (ossatura) minerali stabili minerali stabili –quarzo, selce (silice colloidale) minerali relativamente meno stabili minerali relativamente meno stabili –feldspati minerali accessori (< 1%) minerali accessori (< 1%) frammenti di roccia (frammenti litici) frammenti di roccia (frammenti litici) –matrice minerali argillosi e frazione micacea fine minerali argillosi e frazione micacea fine –caolinite, illite, smectiti, cloriti minerali formatisi in situ minerali formatisi in situ –cemento silicati (quarzo, selce, opale, feldspati, zeoliti) silicati (quarzo, selce, opale, feldspati, zeoliti) carbonati (calcite, aragonite, dolomite, siderite) carbonati (calcite, aragonite, dolomite, siderite) ossidi di Fe (ematite, limonite) ossidi di Fe (ematite, limonite) solfati (anidrite, gesso, barite) solfati (anidrite, gesso, barite)

56 rocce silicoclastiche - maturità frazione detritica frazione detritica –granuli (ossatura) minerali stabili minerali stabili –quarzo, selce (silice colloidale) minerali relativamente meno stabili minerali relativamente meno stabili –feldspati minerali accessori (< 1%) minerali accessori (< 1%) frammenti di roccia (frammenti litici) frammenti di roccia (frammenti litici) –matrice minerali argillosi e frazione micacea fine minerali argillosi e frazione micacea fine –caolinite, illite, smectiti (montmorillonite), cloriti maturità mineralogica, relativa alle abbondanze relative dei granuli (quarzo, feldspati, litici) maturità tessiturale, inversamente proporzionale alla percentuale di matrice

57 descrizione dei clasti dimensioni dimensioni forma forma –grado di arrotondamento –grado di sfericità sorting (classazione) sorting (classazione) –variazioni dimensionali dei granuli –ben classato: intervallo dimensionale ristretto –scarsamente classato: intervallo dimens. ampio sorting (classazione) arrotondamento sfericità

58 porosità porosità porosità –spazi VUOTI tra l'impalcatura di granuli (clasti) –porosità totale = (volume totale – volume solido) / volume totale x 100 permeabilità permeabilità –dipende dagli spazi VUOTI comunicanti tra loro, dalle proprietà del fluido, dal gradiente idrostatico nella roccia –porosità effettiva = volume pori intercomunicanti / volume totale x 100

59 classificazione granulometrica di sedimenti e rocce sedimentarie ruditi mm /2 1/4 1/8 1/16 1/256 boulders (blocchi) cobbles (ciottoli) pebbles (ciottoletti) granuli sabbia molto grossolana sabbia grossolana sabbia media sabbia fine sabbia molto fine silt (limo) argilla areniti lutiti (peliti) conglomerato breccia arenaria argillite ghiaia sabbia fango

60

61 Rocce carbonatiche essenzialmente monomineraliche essenzialmente monomineraliche origine legata all'azione della biosfera origine legata all'azione della biosfera componenti componenti –granuli materiale organogeno: (frammenti di) esoscheletri e endoscheletri materiale organogeno: (frammenti di) esoscheletri e endoscheletri ooliti: granuli subsferici (taglia mm) a strati concentrici ooliti: granuli subsferici (taglia mm) a strati concentrici frammenti di rocce carbonatiche preesistenti frammenti di rocce carbonatiche preesistenti –matrice stessa natura dei granuli ma di dimensioni minori; riempie gli interstizi tra i granuli stessa natura dei granuli ma di dimensioni minori; riempie gli interstizi tra i granuli –cemento cristalli spatici formatisi durante la diagenesi cristalli spatici formatisi durante la diagenesi

62 Rocce carbonatiche - Classificazione mudstonewackestonepackstonegrainstonefloatstonerudstonebafflestonebindstoneframestoneCarbonaticristallini Granuli 10% 10% sostenuti dalla matrice sostenuti dai granuli con fango calcareo senzafangosostenutidallamatricesostenutidaigranuli componenti > 2mm < 10 % componenti > 2mm > 10 % costituenti originari non saldati da organismi durante la deposizione costituenti originari saldati da organismi durante la deposizione organismichecostruisconostrutture tipo griglia organismiincrostanti(stromatoliti)organismichecostruisconounaimpalcaturarigida(coralli)rocciacostituita da un mosaicocristallino di calcite o dolomite costituentioriginarinonriconoscibili

63 carboni in alcuni sedimenti di ambiente palustre/lagunare/deltizio i materiali organici (piante) raggiungono abbondanze molto elevate in alcuni sedimenti di ambiente palustre/lagunare/deltizio i materiali organici (piante) raggiungono abbondanze molto elevate le parti solide di queste piante subiscono un tipo di diagenesi detto carbonizzazione: processo biochimico (prima ossidante, poi riducente) e successivamente fisico (costipazione, perdita di acqua e arricchimento in carbonio) le parti solide di queste piante subiscono un tipo di diagenesi detto carbonizzazione: processo biochimico (prima ossidante, poi riducente) e successivamente fisico (costipazione, perdita di acqua e arricchimento in carbonio) i carboni fossili si dividono in: i carboni fossili si dividono in: torba, C 60% torba, C 60% lignite, C 70-75% lignite, C 70-75% litantrace, C 90% litantrace, C 90% antracite, C 1000% antracite, C 1000%

64 gradienti geotermici naturali idrocarburi in alcuni sedimenti marini grandi quantità di materia organica (fitoplancton, batteri) possono rimanere intrappolati in sedimenti fini (argillosi) in alcuni sedimenti marini grandi quantità di materia organica (fitoplancton, batteri) possono rimanere intrappolati in sedimenti fini (argillosi) durante la diagenesi della argillite (roccia madre) la materia organica può trasformarsi in petrolio (liquido, gassoso, semisolido) durante la diagenesi della argillite (roccia madre) la materia organica può trasformarsi in petrolio (liquido, gassoso, semisolido) –a T50°C P=0.03 GPa: si genera metano e la sostanza organica si trasforma in kerogene –T=50-100°C, P= GPa: espulsione acqua, generazione olio e gas –T>200°C, P>0.15 GPa: lolio si trasforma in gas il petrolio si sposta e migra in rocce porose e permeabili (rocce serbatoio), accumulandosi dove le condizioni stratigrafiche e/o tettoniche lo consentano (trappole) il petrolio si sposta e migra in rocce porose e permeabili (rocce serbatoio), accumulandosi dove le condizioni stratigrafiche e/o tettoniche lo consentano (trappole) i giacimenti di petrolio si trovano in zone di prolungato accumulo di sedimenti i giacimenti di petrolio si trovano in zone di prolungato accumulo di sedimenti gradiente termico (°C/100m) profondità (km) intervallo di T per generaz. di olio 65°C 150°C gas biogenico gas termico oilwindow

65 C7 - Rocce Ignee la classificazione si basa sulla combinazione di due tipi di dati: tessitura + costituenti struttura (o tessitura) –cristallinità –dimensioni, forma e rapporti spaziali delle sue fasi costituenti struttura si forma durante il passaggio del sistema dallo stato liquido allo stato solido fattore esterni che influenzano il tipo di struttura: Velocità della diminuzione di temperatura –meccanismo di risalita del magma (intrusione, effusione, esplosione) –interazione termica con superficie terrestre, aria, acqua, ghiaccio Fasi PRIMARIE (segregate direttamente dal magma) –Fasi minerali (reticolo cristallino ordinato) –Vetro: materiale solido amorfo con struttura simile a quella del liquido struttura e costituenti possono subire modificazioni secondarie = processi di alterazione = formazioni di fasi SECONDARIE l'evoluzione del sistema è controllata da velocità di raffreddamento, viscosità e caratteristiche chimico-fisiche del magma

66 Descrizione tessiturale rocce ignee cristallinità ( grado di cristallizzazione) olocristallina (tutta la roccia formata da cristalli) ipocristallina (roccia formata in parte cristalli, in parte da vetro; specificare le %) oloialina, vetrosa (tutta la roccia formata da vetro) granularità faneritica (tutti cristalli sono visibili a occhio nudo) – – tipica di rocce plutoniche afanitica (nessun cristallo sono visibili a occhio nudo) – – tipica di rocce vulcaniche porfirica (cristalli visibili a occhio nudo in pasta di fondo afanitica) – – tipica di rocce vulcaniche grana – –grossa (>5 mm) – –media (1-5 mm) – –grana fine (< 1 mm) equigranulare (tutti cristalli approssimativamente delle stesse dimensioni) disequigranulare (non necessario se si usa il termine "porfirica")

67 indice di porfiricità = somma delle abbondanze modali (% vol.) di fenocristalli indice di colore = somma delle abbondanze modali (% vol.) di minerali femici (colorati)

68 I minerali PRIMARI delle rocce ignee Fondamentali ( Fondamentali (comunemente costituiscono parte rilevante (>5%) e caratterizzante della roccia) Sialici (r Sialici (ricchi in Si e Al) –Quarzo SiO 2 –Feldspati Feldspati alcaliniKAlSi 3 O 8 - NaAlSi 3 O 8 Feldspati alcaliniKAlSi 3 O 8 - NaAlSi 3 O 8 PlagioclasiNaAlSi 3 O 8 - CaAlSi 2 O 8 PlagioclasiNaAlSi 3 O 8 - CaAlSi 2 O 8 –Feldspatoidi NefelinaNaAlSiO 4 NefelinaNaAlSiO 4 LeuciteKAlSi 2 O 6 LeuciteKAlSi 2 O 6 –Mica bianca muscovite KAl 2 AlSi 3 O 10 (OH) 2 muscovite KAl 2 AlSi 3 O 10 (OH) 2 Femici (r Femici (ricchi in Fe e Mg) –Olivina Mg 2 SiO 4 - Fe 2 SiO 4 –Pirosseni Ortopirosseni Mg 2 Si 2 O 6 - Fe 2 Si 2 O 6 Ortopirosseni Mg 2 Si 2 O 6 - Fe 2 Si 2 O 6 ClinopirosseniCa MgSi 2 O 6 - CaFeSi 2 O 6 ClinopirosseniCa MgSi 2 O 6 - CaFeSi 2 O 6 –Anfiboli OrneblendaNa 0-1 Ca 2 [(Mg, Fe 2 ) 4 (Fe,Al,Ti)][Si 6 (Si,Al) 2 ]O 22 (OH,F) 2 OrneblendaNa 0-1 Ca 2 [(Mg, Fe 2 ) 4 (Fe,Al,Ti)][Si 6 (Si,Al) 2 ]O 22 (OH,F) 2 –Mica nera BiotiteK(Mg, Fe) 3 [AlSi 3 O 10 (OH,F) 2 ] BiotiteK(Mg, Fe) 3 [AlSi 3 O 10 (OH,F) 2 ] Accessori ( Accessori (quasi mai costituiscono parte rilevante della roccia) diffusi diffusi (si ritrovano comunemente in moltissime rocce) –magnetite –ilmenite –apatite –zircone –monazite Specifici ( Specifici (si ritrovano soltanto in rocce di composizione particolare) –cromite –spinelli –tormalina –titanite –xenotimo –fluorite –perovskite –epidoti –scapolite –granati –cordierite –andalusite –sillimanite –corindone

69 classificazione modale (moda = % in volume dei minerali costituenti) una roccia è costituta da 5 fasi minerali A =20 vol% B =40 vol% C =10 vol% D =10 vol% E =20 vol% qual è il punto rappresentativo della sua moda nel diagramma ternario A-B-C? A B C si ricalcolano a 100 i valori di A, B, C: –A ABC = A/(A+B+C)*100 =20/70*100=29 –B ABC = B/(A+B+C) *100 =40/70*100=57 –C ABC = C/(A+B+C) *100 =10/70*100=14 si riportano nel diagramma ternario A-B-C i valori di A ABC, B ABC, C ABC

70 PERIDOTITI PIROSSENITI Ol CpxOpx Diagramma Ol-Opx-Cpx classificazione rocce ultrafemiche (M90) tipiche del mantello terrestre Classificazione IUGS delle rocce ignee se M 90 roccia ultrafemica, classificazione con diagramma Ol-Opx-Cpx se M 90 roccia ultrafemica, classificazione con diagramma Ol-Opx-Cpx se M < 90 roccia da classificare con diagramma doppio triangolare QAPF se M < 90 roccia da classificare con diagramma doppio triangolare QAPF M = minerali femici –olivina –pirosseni –anfiboli –biotite dunitewebsteriteolivinica lherzolitewehrlite harzburgite websterite ortopirossenite clinopirossenite olivinica olivinica ortopirossenite clinopirossenite

71 Classificazione IUGS delle rocce plutoniche Q = quarzo Q = quarzo A = feldspatI alcalini A = feldspatI alcalini P = plagioclasi P = plagioclasi F = feldspatoidi F = feldspatoidiQPA F sieno granito monzo granito grano diorite tonalite granito granito a feldspato alcalino alcalino quarzo sienite quarzo monzonite qmd qmg monzonitemd/mgsienite foid-sienitefoid-monz.fmd/fmg gabbro diorite anortosite quarzosienite a felds. alc. foid-monzo sienite foid-monzo diorite foid-monzo gabbro foid-sienite foid-diorite foid-gabbro foidolite granitoidi ricchi in quarzo silexite quarzodiorite quarzogabbro quarzoanortosite foid-diorite foid-gabbro foid-anortosite rocce intrusive M < 90 foidsienite a felds. alc. sienite a felds. alc.

72 Classificazione IUGS delle rocce vulcaniche QPA riolite dacite riolite riolite a feldspato alcalino alcalino quarzo trachite quarzo latite trachite foid-trachitefoid-latite foid-trachite a felds. alc. a felds. alc. basalto fonolite tefritica basanitefonolitica(ol>10%)tefritefonolitica(ol<10%) fonolite foiditefonolitica foiditetefritica foidite andesite quarzo trachite a f.a. rocce vulcaniche M < 90 tefrite trachite a felds. alc. a felds. alc. Q = quarzo Q = quarzo A = feldspatI alcalini A = feldspatI alcalini P = plagioclasi P = plagioclasi F = feldspatoidi F = feldspatoidi F

73 Schema classificativo delle rooce ignee utilizzabile sul terreno e per campioni macro feldspati roccevulcaniche rocceplutoniche basalto no no plagioclasio >> feldspato alcalino plag. plag. felds.alc. plagioclasio < feldspato alcalino quarzonorelativam.abbondanteabbondante indice di colore > < 20 scarsoscarso plag. > felds.alc. andesitedacitelatitetrachiteriolite gabbrodioritegranodioritemonzonitesienitegranito peridotite pirossenite dunite

74 distribuzione dei minerali nelle rocce ignee

75 Composizione delle rocce ignee vulcanicabasaltoandesiteriolitetrachiteleucitite plutonicaperidotitegabbrodioritegranitosienite(raro) SiO TiO Al 2 O Fe 2 O FeO MnO MgO CaO Na 2 O K2OK2OK2OK2O P2O5P2O5P2O5P2O H2OH2OH2OH2O

76 Classificazione IUGS delle rocce vulcaniche diagramma TAS (Total Alkali - Silica) ultrabasicobasicointermedioacido

77 Ambiente geodinamico e genesi dei magmi basalti tholeiitici poveri in K ricchi in Si MORB basalti calcoalcalini ricchi in Al CAB / VAB andesiti basalti alcalini ricchi in Na (K) poveri in Si OIB trachiti - rioliti basalti alcalini ricchi in Na poveri in Si OIB

78 C8 - Rocce Metamorfiche facies scisti blu facies cornubianitica facieszeolitica faciespu-acpr-pupr-ac faciesscistiverdi faciesanfibolitica faciesgranulitica facieseclogitica ab-ep hbl px san Pressione (GPa) profondità (km) Temperatura (°C) Facies metamorfiche = ambientazione fisica del metamorfismo

79 Tipi di rocce metamorfiche Nomenclatura delle rocce metamorfiche La nomenclatura delle rocce metamorfiche si basa sui seguenti criteri, che possono essere usati singolarmente o in combinazione tra loro: – –tessitura (struttura) della roccia grana (dimensioni dei cristalli) grado di sviluppo di anisotropia (foliazione) – –natura del materiale originario (composizione del protolite) – –mineralogia metamorfica (sviluppata durante il processo metamorfico) – –nomi speciali

80 Tipi di rocce metamorfiche Nomenclatura Tessiturale tessitura grana finemediagrossa poco foliata cornubianite(hornfels)granofelsmarmoquarziteanfibolitegranofelsmarmoquarziteanfibolite molto foliata ardesiafilladescistogneiss molto foliata e deformata per taglio milonite scisto milonitico gneiss occhiadino

81 Tipi di rocce metamorfiche Nomenclatura in base alla natura del Tipi di rocce metamorfiche Nomenclatura in base alla natura del PROTOLITE PROTOLITE ROCCE METAMORFICHE argilliti (peliti) argillite, marna ardesia, fillade, scisto, micascisto, gneiss, migmatite rocce basiche basalto, gabbro, (andesite, diorite) metabasalto, spilite, scisto verde, anfibolite, scisto blu, eclogite rocce ultrafemiche peridotiteserpentinite rocce carbonatiche calcare, dolomia marmo rocce quarzo- feldspatiche granito, riolite, granodiorite, arcose, grovacca metagranito, metariolite, scisto, gneiss rocce silicee arenaria quarzosa, selce quarzite

82 I minerali nelle rocce metamorfiche regola delle fasi regola delle fasi di Gibbs : V = C - F + 2 regola delle fasi di Gibbs : V = C - F + 2 –V = gradi di libertà del sistema = numero di parametri intensivi che possono variare indipendentemente (es.: temperatura, pressione, composizione di ogni fase) –C = n. di componenti del sistema = n. MINIMO di specie chimiche necessarie per descrivere tutte le fasi del sistema –F = n. di fasi del sistema regola mineralogica delle fasi di Goldschmidt regola mineralogica delle fasi di Goldschmidt –poiché generalmente V 2, F C : in un sistema all'equilibrio il numero massimo delle fasi è uguale al numero dei componenti

83 Tipi di rocce metamorfiche metamorfismo di Argilliti e Basalti nome della roccia foliazione dimens. cristalli (di mica associazione mineralogica BASALTO assente visibile con lente olivina, pirosseno, plagioclasio scisto verde distinta visibile con lente clorite, epidoto, plagiocl., (calcite) anfibolite poco distinta (anfibolo) visibile a occhio anfibolo, epidoto, plagiocl., (calcite) granulite indistinta (no miche) medio-grossa pirosseno, plagioclasio granato nome della roccia foliazione dimens. cristalli (di mica) associazione mineralogica ARGILLITE assente microscopica minerali argillosi, quarzo, calcite ardesia fillade sottile distinta microscopica visibile con lente quarzo, clorite, muscovite, plagioclasio scisto scistosità ben visible quarzo, muscovite, biotite, plagiocl., granato, staurolite gneiss layering composizionale medio-grossa quarzo, biotite, plagiocl., granato sillimanite grado metamorfico basso medio alto basso medio alto

84 Tipi di rocce metamorfiche Nomi speciali scisto verde scisto verde –metabasite verde, foliata; clorite, epidoto, actinolite scisto blu scisto blu –metabasite foliata scura (verde-violetto-blu); anfibolo sodico blu anfibolite anfibolite –metabasite o metasedimento verde scuro (foliata); orneblenda e plagioclasio serpentinite serpentinite –metaperidotite massiva verde, nera (rossastra); serpentino eclogite eclogite –metabasite massiva rossa e verde; granato e pirosseno omfacitico granulite granulite –roccia massiva; plagioclasio, pirosseno, granato migmatite migmatite –roccia mista con porzioni scure ricche in biotite e porzioni chiare quarzofeldspatiche skarn skarn –prodotto di metasomatismo su calcari al contatto di intrusioni ignee

85 Rocce Metamorfiche scisto blu scisto verde anfibolite granulitemafica eclogite Pressione (Gpa) profondità (km) Temperatura (°C) Rocce con protolite basico (basalto, gabbro, andesite) spilite (fondo oceanico) c o r n u b i a n i t e c o r n u b i a n i t e

86 Rocce Metamorfiche c o r n u b i a n i t e c o r n u b i a n i t e ardesia fillade scisto gneiss eclogiticafelsica Pressione (Gpa) profondità (km) Temperatura (°C) Rocce con protolite pelitico (argillite) granulitefelsica

87 Reazioni metamorfiche reazioni polimorfe –Al 2 SiO 5 –CaCO 3 reazioni discontinue –Ab=Jd+Qtz –Ms+Qtz=Kfs+Sil+H 2 O

88 variazioni P-T lo studio delle associazioni mineralogiche delle rocce metamorfiche permette di ricostruire in che modo è variata P rispetto a T (gradiente termo- barico del metamorfismo) lo studio delle associazioni mineralogiche delle rocce metamorfiche permette di ricostruire in che modo è variata P rispetto a T (gradiente termo- barico del metamorfismo)

89 Testi consigliati Chimica: un libro del Liceo Scientifico + Libro prof. Marchetti Chimica: un libro del Liceo Scientifico + Libro prof. Marchetti Gill R. (1989, II ed. 1996) - Chemical fundamentals of Geology. Chapman & Hall, 298 pp. ISBN (Capp 5, 6, 7, 8,9, 10) Gill R. (1989, II ed. 1996) - Chemical fundamentals of Geology. Chapman & Hall, 298 pp. ISBN (Capp 5, 6, 7, 8,9, 10) Gottardi, G. (1978) - I minerali. Boringhieri, 296 pp. (Parte I, capp. 1, 2) Gottardi, G. (1978) - I minerali. Boringhieri, 296 pp. (Parte I, capp. 1, 2) Mottana A., Crespi R., Liborio G. (1977, V ed. 1985) - Minerali e rocce. Mondadori, 608 pp. Mottana A., Crespi R., Liborio G. (1977, V ed. 1985) - Minerali e rocce. Mondadori, 608 pp. D'Argenio B., Innocenti F., Sassi F.P. (1994) - Introduzione allo studio delle rocce. UTET, 162 pp. ISBN D'Argenio B., Innocenti F., Sassi F.P. (1994) - Introduzione allo studio delle rocce. UTET, 162 pp. ISBN Skinner B.J., Porter S.C. (1989 ) - The dynamic Earth. John Wiley & Sons. ISBN Skinner B.J., Porter S.C. (1989 ) - The dynamic Earth. John Wiley & Sons. ISBN Ferrara G. (1984) - Geocronologia radiometrica. Patron, 184 pp. Ferrara G. (1984) - Geocronologia radiometrica. Patron, 184 pp. Bosellini A. (1984, I ed.; 1986 IV ed.) - Le scienze della Terra. Bovolenta (distribuito da Zanichelli). ISBN Bosellini A. (1984, I ed.; 1986 IV ed.) - Le scienze della Terra. Bovolenta (distribuito da Zanichelli). ISBN


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