MINERALI E ROCCE

1. MINERALI E ROCCE Perché è necessario studiarli e conoscerne le proprietà ? Cosa sono? Che relazioni esistono tra minerali e rocce?

2. Scienze della Terra: Studio dell’origine, dell’evoluzione e del comportamento della Terra, del Sistema Solare e potenzialmente dell’Universo Terra: costituita da materiali solidi (rocce) costituiti a loro volta da da un aggregato di uno o più minerali

3. Minerali sono solidi naturali con un elevato ordinamento a scala atomica ed una definita (ma non fissa) composizione chimica. Rocce sono aggregati naturali di minerali legati tra loro da forze di coesione a carattere permanente e formati tramite uno o più processi geologici. Minerali Rocce Ambiente di formazione di diverso tipo: magmatico, sedimentario e metamorfico. MINERALI E ROCCE SONO DUE OGGETTI BEN DISTINTI TRA LORO!

4. Scienze della Terra Petrologia/Petrografia Composizione, tessitura, struttura,condizioni genetiche Geochimica Studio delle abbondanze e della distribuzione degli elementi chimici nei materiali terrestri Geologia Strutturale Studio della deformazione delle rocce a piccola e grande scala Geofisica Studio della configurazione interna della Terra da un punto di vista fisico (Calore interno della Terra, campo magnetico, propagazione delle onde sismiche…) Geologia ambientale Studio dell’interazione tra minerali e sistemi biologici. Studio dei problemi dell’uso del territorio MINERALOGIA Studio delle proprietà chimiche, fisiche e strutturali dei minerali Giacimenti minerari Ricerca di depositi minerari e relativo sfruttamento Studi planetari Indagine del sistema solare e potenzialmente dell’universo

5. Riconoscimento e studio dei MINERALI- Proprietà fisiche - Le proprietà fisiche dei minerali sono l’espressione delle relazioni esistenti tra struttura cristallina del minerale e la sua composizione chimica. La combinazione di osservazioni dirette seguite dalla verifica di alcune proprietà fisiche possono bastare a riconoscere e classificare un minerale 1 Forma cristallina 2 Concrescimenti, geminazioni 3 Lucentezza 4 Sfaldatura e frattura 5 Colore 6 Tenacità 7 Durezza 8 Peso Specifico

6. La forma esterna dei cristalli è l’espressione della loro disposizione atomica interna ordinata. 1 Forma cristallinaI cristalli possono essere delimitati da superfici piane ed assumere forme geometriche regolari.La forma geometrica di un cristallo, la sua forma cristallina, non solo è piacevole alla vista ma è anche una proprietà fisica diagnostica.

7. Cella elementare: la più piccola unità della struttura che se ripetuta indefinitamente nelle tre dimensioni formerà l’intera struttura L’osservazione delle forme cristalline fornisce una stima complessiva del contenuto degli elementi di simmetria di un cristallo riconoscibili direttamente sul campione e ne consente l’attribuzione ad una determinata classe cristallina

8. Forma: insieme di facce di un cristallo ciascuna delle quali ha la stessa relazione con gli elementi di simmetria (intrinsechi al cristallo). Quando dei minerali mostrano forme cristalline ben sviluppate, i nomi delle forme vengono usati per descrivere il loro aspetto esterno: • Prismatico: cristallo con una direzione di sviluppo prevalente alle altre due • Romboedrico: con la forma esterna di un romboedro • Cubico: con la forma esterna di un cubo • Ottaedrico: con la forma esterna di un ottaedro • Pinacoidale: con lo sviluppo pronunciato di una o più forme a due facce, il pinacoide

9. Abito cristallino: aspetto complessivo di un cristallo. L'abito dei cristalli è una descrizione delle forme e degli aggregati che un determinato minerale può assumere in natura. Un minerale assume un determinato abito in funzione della simmetria del reticolo cristallino degli elementi che lo compongono ed delle modalità di accrescimento, quali:1) temperatura2) pressione3) tempo a disposizione per la crescita 4) composizione chimica 5) spazio a disposizioneper la crescita

11. Abito ottaedrico Abito cubico Abito tetraedrico Abito prismatico

12. Esistono termini che descrivono lo sviluppo delle facce esterne di un cristallo : Euedrale, Subedrale, Anedrale -Euedrale: descrive un cristallo completamente delimitato da facce cristalline la cui crescita non è stata disturbata da cristalli o granuli adiacenti. -Subedrale: descrive un cristallo in parte delimitato da facce cristalline e in parte da superfici di contatto con altri cristalli già esistenti -Anedrale: descrive un cristallo privo di facce cristalline

14. 2 Geminati e striature • geminati: concrescimento simmetrico di due o più cristalli della stessa sostanza. I geminati sono legati da leggi cristallografiche ben precise e possono essere osservabili sia alla scala atomica che alla scala macroscopica (campione a mano). • Striature: possono essere dovute a particolari tipi di geminazioni o a concrescimenti di due forme.

15. 3 Lucentezza e colore Lucentezza: La lucentezza é una proprietà che indica la capacità di un minerale di riflettere la luce.La lucentezza dipende dal rapporto tra la quantità di luce che viene riflessa e quella che viene rifratta ed assorbita da un mezzo ottico. Ad indici di rifrazione maggiori corrispondono maggiori quantità di luce riflessa e quindi maggiore lucentezza; si può ottenere una scala di lucentezza (dalla più elevata alla più bassa), in funzione dell'indice di rifrazione, dove i termini principali che la caratterizzano sono:Metallica (Pirite) Adamantina (Diamante, titanite) Subadamantina (Topazio) Vitrea (Acquamarina) Resinosa (Sfalerite) Sericea (Ulexite) Perlacea (Idrozincite) Cerea (Nefrite)

17. Colore: il colore è una proprietà diagnostica per alcuni minerali e valutabile immediatamente, tuttavia è una delle proprietà più mutevoli e meno affidabili. Per colore di un minerale, si intende sempre il colore che si osserva in luce naturale ed è determinato dal tipo di interazione tra luce e minerale che ne risulta colpito, in particolare è funzione dell' assorbimento delle lunghezze d'onda che attraversano il cristallo.

18. 1) elementi chimici: tali elementi (Ti, V, Fe, Cr, Cu, Co, Mn, Ni) sono detti cromofori. A seconda delle colorazioni che possono assumere, i minerali si suddividono in idiocromatici, che presentano sempre il medesimo colore (come la pirite e l'azzurrite), ed allocromatici, che possono presentare colori differenti (come la vesuvianite). 2) difetti reticolari: si possono creare all'interno delle strutture cristalline alcuni difetti puntuali dovuti a: atomi o ioni interstiziali, buche elettroniche (formatesi per riscaldamento o per irraggiamento), atomi che sostituiscono quelli originari avendo però un raggio ionico diverso. Questi difetti reticolari possono far variare la capacità di un minerale di assorbire la luce; ciò causa variazioni cromatiche anche nell'ambito di una stessa specie mineralogica. 3) inclusioni: ci sono alcuni minerali incolori che assumono una colorazione a causa delle numerose inclusioni di altre specie mineralogiche.

19. SiO2 Al2Be3(Si6O18) Al2Be3(Si6O18) Cu2[(OH)2CO3] Al2Be3(Si6O18) Al2O3

20. 4 Sfaldatura e frattura La sfaldatura è la tendenza a dei minerali a rompersi parallelamente a piani di atomi. Nel descrivere la sfaldatura si devono indicare, la sua qualità (perfetta buona discreta) e la sua direzione rispetto agli assi cristallografici. La frattura è il modo di rompersi dei minerali quando non avviene secondo piani di sfaldatura specifici. La frattura può essere: Concoide: es vetro e quarzo Dentellata: con bordi taglienti Irregolare: con formazione di superficie ruvida e irregolare.

21. 5 Durezza La resistenza che una superficie oppone all’abrasione è la sua durezza e si indica con la sigla H. Il grado di durezza si determina osservando per confronto la facilità o difficoltà con cui un minerale viene graffiato. Il mineralogista F.Mohs nel 1824 scelse una serie di 10 minerali ordinati per durezza crescente che costituiscono la scala di durezza di Mohs 6. Ortoclasio 7. Quarzo 8. Topazio 9. Corindone 10. Diamante 1. Talco 2. Gesso 3. Calcite 4. Fluorite 5. Apatite

22. 6 Tenacità La resistenza che un minerale offre alla frantumazione, piegatura o abrasione è indicata come tenacità. I minerali possono avere un comportamento di tipo: -Fragile: tipico di minerali che si rompono o polverizzano facilmente -Malleabile: tipico di minerali che possono essere martellati fino a dare sottili lamine (legame metallico) -Settile: tipico di minerali che si possono suddividere in scaglie con un martello (legame metallico) -Duttile: tipico di minerali che possono essere lavorati fino a formare un filo (legame metallico) -Flessibile: tipico di minerali che si piegano ma non ritornano alla forma originaria quando viene rimossa la pressione esercitata -Elastico: tipico di minerali che si piegano e ritornano alla forma originaria quando viene rimossa la pressione esercitata

23. 7 Peso Specifico Il peso specifico (G) o densità relativa è un numero che esprime il rapporto tra il peso di una sostanza e il peso di eguale volume di H2O a 4 °C. PS=14-22 PS=5,1 PS=2,6-2,9

24. Introduzione ai principi di cristallografia

25. I solidi cristallini sono formati da un aggregato tridimensionale di ioni, atomi o molecole disposti nello spazio con un certo ordine e che costituiscono un reticolo tridimensionale o cristallino. Ai solidi amorfi non spetta alcuna forma geometrica esterna o struttura interna ordinata. Un cristallo è composto da unità semplici dette celle elementari che ripetute nello spazio formano l’intero reticolo. Nel 1912 il fisico tedesco Max von Laue sottopose un cristallo di solfato di rame ai raggi X e ottenne su una lastra fotografica posta dietro al cristallo uno spettro di diffrazione che mostrava il reticolo del cristallo.

26. La disposizione regolare delle particelle nelle tre dimensioni dello spazio determina una forma geometrica caratteristica: il reticolo cristallino tipico di ogni specie mineralogica. Per classificare i cristalli in base alla loro forma geometrica si fa riferimento agli elementi di simmetria (piano, asse, centro) che definiscono il grado di simmetria. I cristalli di una stessa specie hanno sempre lo stesso grado di simmetria.

27. Elementi di simmetria Operazioni di simmetria1 Assi di rotazione 1 Rotazione attorno ad un asse 2 Piani di riflessione 2 Riflessione da parte di uno specchio 3 Centro di simmetria 3 Inversione intorno ad un punto centrale 4 Assi di rotoinversione 4 Combinazione di Rotazione e inversione

28. L’ordinamento interno di un cristallo si può pensare come ad un motivo (gruppo di atomi) ripetuto su di un reticolo (disposizione periodica di punti nello spazio) . • Il reticolo esprime la componente di traslazione dell’ordinamento nello spazio • La ripetizione ordinata di atomi, ioni o molecole è strettamente legata alla simmetria • Cella elementare: è la più piccola unità di una struttura che ripetuta all’infinito genera l’intera struttura

29. ROTAZIONE Asse di rotazione: linea immaginaria attorno al quale un motivo può essere ruotato e ripetere se stesso in aspetto una o molte volte durante una rotazione completa. La simmetria di rotazione si esprime generalmente con un qualsiasi numero n da 1 a  Se n=1 dopo 360° di rotazione tutti i punti di un oggetto o figura tornano a coincidere con se stessi una sola volta n= 36 (esempio) ogni 10 ° di rotazione dell’oggetto o figura in questione i punti di tale oggetto tornano a coincidere con se stessi n=  un oggetto che possiede questo tipo di asse può coincidere con se stesso per ogni valore dell’angolo di rotazione poiché la rotazione richiesta è infinitamente piccola

30. Per i cristalli i tipi di rotazione permessi sono i seguenti: α =360° ordine 1 1 α =180° ordine 2 2 α =120° ordine 3 3 α =90° ordine 4 4 α =60° ordine 6 6 Il numero di duplicazioni del motivo durante una rotazione di 360° da il nome (ordine) all’asse di rotazione Non sono possibili assi di ordine 5, 7 o superiori

31. RIFLESSIONE (m) Una riflessione produce un’immagine speculare attraverso un piano di riflessione m. Il motivo generato ha orientazione opposta al motivo originale e si dice che i due formano una coppia enantiomorfa Un Piano di simmetria è quindi un piano immaginario che divide il cristallo in due metà ciascuna delle quali è l’immagine speculare dell’altra INVERSIONE (i) Un’operazione di inversione produce un oggetto invertito tramite un centro di simmetria o di inversione. Invertire significa tracciare linee immaginare da ogni punto dell’oggetto attraverso il centro di inversione e alla stessa distanza sul lato opposto del centro. L’oggetto viene quindi ricreato collegando i punti.

32. ROTAZIONE CON INVERSIONE Oltre alla simmetria generata dagli assi di rotazione vi sono rotazioni che possono essere combinate con l’inversionee sono chiamate operazioni di rotoinversione. Il numero delle combinazioni possibili dei diversi elementi di simmetria NON è illimitato. In base al grado di simmetria i cristalli vengono ordinati in: 3 gruppi cristallini: MONOMETRICO, DIMETRICO, TRIMETRICO 7 sistemi cristallini (monometrico, esagonale, trigonale, tetragonale, ortorombico, monoclino, triclino basati sul valore degli angoli fra gli assi). 32 classi cristallografiche

33. GRUPPO SISTEMA ANGOLI ASSI TRIMETRICO TRICLINO: α ≠ β ≠ γ ≠90° a ≠b ≠c TRIMETRICO MONOCLINO: α=γ=90° β ≠90°a ≠b ≠c TRIMETRICO ORTOROMBICO: α=β=γ=90° a ≠b ≠c DIMETRICO TETRAGONALE: α=β=γ=90°a=b ≠c DIMETRICO TRIGONALE: α=β=γ=120° δ=90°a=b ≠c DIMETRICO ESAGONALE: α=β=γ=120° δ=90°a=b ≠c MONOMETRICO MONOMETRICO: α=β=γ= 90°a=b=c

39. Elementi nativi  Solfuri e Solfosali Alogenuri Ossidi e Idrossidi Carbonati, Nitrati, Borati Solfati, Cromati, Molibdati, Wolframati Fosfati, Arseniati, Vanadati Silicati (nesolicati, sorosilicati, ciclosilicati, inosilicati, fillosilicati, tettosilicati) Strunz, 1938

40. Genesi dei minerali Ogni fase cristallina può formarsi da una fase gassosa, liquida o solida, ma anche per reazione di più fasi solide, da reazione tra solido e liquido. La formazione di una nuova fase è in genere condizionata da una variazione nell’ambiente chimico-fisico (variazione T, variazione P, variazione Ph, variazione potenziale di ossidazione…) Formazione da fase gassosa: genesi pneumatolitica Formazione da fase liquida: genesi magmatica, idrotermale, sedimentaria Formazione da fase solida: genesi metamorfica

41. ROCCE Per roccia si intende un oggetto ben DIVERSO dal minerale • Una roccia può essere definita come un aggregato naturale formato da più minerali (raramente da uno solo) e a volte da sostanze non cristalline. Una roccia si forma tramite uno o più processi geologici. Le rocce che affiorano sulla superficie terrestre derivano da tre processi chimico-fisici fondamentali: • cristallizzazione da un fuso magmatico (rocce magmatiche) • ricristallizzazione di rocce già esistenti (rocce metamorfiche) • precipitazione da una soluzione (rocce sedimentarie)

42. Crosta superficiale: meno dell’1 % della massa totale della Terra E’ divisa in crosta oceanica (5-7 km di spessore) e crosta continentale (30-35km di spessore) e con densità media di 3. Otto elementi chimici predominano nella composizione della crosta: O=46,60% Mg2,09% Si=27,72% Ca=3,63% Al=8,13% Na=2,83 Fe=5,00% K=2,59% Mantello: 68% della massa totale della Terra Diviso in mantello superiore (fino a 350-400 km), zona di transizione (da 400 a 1000 km), mantello inferiore (da 1000 a 2900 km). che ha densità maggiore della crosta, è costituito da roccia una roccia ultrabasica il cui minerale fondamentale è l'olivina (Mg2SiO4). Nucleo: Diviso in un nucleo esterno liquidoe nucleo interno solido. Dovrebbe essere costituito da ferro metallico e da silicio per il 90% e da nichel per il 10%

44. Riconoscimento e Studio delle rocce (petrografia) • Proprietà fisiche: rocce coerenti, compatte, incoerenti, sciolte; • Proprietà composizionali: monomineraliche, polimineraliche; • Proprietà genetiche: rocce magmatiche o ignee formatesi per cristallizzazione di un magma rocce metamorfiche formatesi in seguito alla trasformazione di altre rocce sotto l'azione di agenti esterni quali pressione e temperatura rocce sedimentarie formatesi in seguito al deposito di materiale proveniente dalla degradazione di altre rocce

45. ROCCE MAGMATICHE Le rocce magmatiche sono quelle che si formano dalla cristallizzazione di un magma. Queste rocce sono generalmente classificate in base a: • composizione mineralogica (classificazione di Streckeisen) • composizione chimica (classificazione TAS- Total Alkali vs Silica)

46. La classificazione di Streckeisen èbasata sulla composizione mineralogica (percentuali in volume).In essa si individua un doppio diagramma triangolare con Q=quarzo; A=feldspati alcalini (ortoclasio); P=plagioclasi (labradorite, anortite); F=feldspatoidi. Non vengono presi in considerazione i minerali femici=M (biotite, anfiboli, pirosseni, olivina).Q, A, P, F sono minerali sialici, cioè in prevalenza silico-alluminiferi, per lo più di colore chiaro. M contraddistingue i minerali femici, cioè in prevalenza ferro-magnesiaci, per lo più di colore scuro.Il diagramma viene suddiviso, in base alle percentuali relative dei componenti, in quindici campi, ciascuno dei quali corrisponde ad una roccia plutonica e ad una roccia vulcanica. Vi sono naturalmente termini di passaggio fra un campo e l'altro. Il sedicesimo campo, comprendente le rocce composte da minerali femici.

47. CLASSIFICAZIONE DI STRECKEISEN (1967)

49. Classificazione TAS (Total Alkali vs Silica)

50. Descrizione del campione a mano Colore: chiaro/scuro Grana: grossa media fine Dimensione dei minerali Tessitura porfirica afirica Relazione spaziale tra i cristalli Forma dei cristalli: Euedrale Subedrale Anedrale Grado di cristallinità: olocristalline ipocristalline ialine Stima del rapporto quantitativo tra fasi cristalline e sostanze amorfe