Minerali

I minerali sono corpi naturali, inorganici, che presentano una composizione chimica definita e costante, caratterizzati da proprietà chimiche e fisiche ben definite. Alcuni minerali sono costituiti da semplici elementi (zolfo, oro), altri di composti chimici. A volte si presentano casi di vicarianza, cioè uno ione può sostituirne un altro nella medesima struttura senza modificarla [ Ca,Mg(CO₃)₂ ]. I minerali possono avere o una struttura cristallina o una struttura amorfa secondo le condizioni in cui si sono solidificati. Quando una sostanza presenta strutture diverse con proprietà fisiche differenti, si parla di polimorfismo. Le proprietà sono: peso specifico, durezza (scala di Mohs, sfaldabilità, frattura, tenacità, elasticità, plasticità, malleabilità, duttilità, proprietà termiche, suscettività magnetica, conducibilità elettrica e proprietà ottiche.

Le principali famiglie di minerali sono: i silicati, gli ossidi, i solfuri, i solfati, i carbonati e gli alogenuri.

I silicati sono i minerali presenti in maggiore quantità sulla crosta terrestre(90%) e si possono suddividere a seconda della loro struttura e della presenza di silice. Il Quarzo e l'Opale sono le forme più diffuse dei silicati, la loro formula è SiO₂ e la struttura è un tetraedro formato da un atomo di silicio legato a quattro atomi di ossigeno disposti ai vertici.

          Silicati a tetraedri isolati: Olivine (gli ioni positivi sono rappresentati da magnesio e ferro e la formula del gruppo Si/O risulta SiO₄), sono minerali compatti, duri, con una colorazione verde intensa.

          Silicati a coppie di tetraedri: Calamina (la formula del gruppo Si/O risulta Si₂O₇)

          Silicati a catene o anelli di tetraedri: Pirosseni (la formula del gruppo Si/O risulta SiO₃) e Anfiboli (la formula del gruppo Si/O risulta Si₄O₁₁), hanno composizione variabile e una colorazione che va dal verde al marrone al blu e hanno la proprietà di sfaldarsi facilmente lungo le direzioni parallele alle catene di tetraedri.

          Silicati a strati di tetraedri: Miche, grossi cristalli esagonali la cui caratteristica è la facile sfaldatura e Caolinite (la formula del gruppo Si/O risulta Si₂O₅), più comunemente argille, che non si presentano mai in grossi cristalli ma in masse porose.

          Silicati a struttura spaziale: feldspati, un gruppo di minerali contenenti Al, K, Na e Ca, in varie combinazioni e proporzioni. Sono i minerali più ricchi in silicio e sono chiari e incolori. Tra essi ricordiamo i Plagioclasi, di colore bianco latteo e il feldspato di potassio che può avere colori diversi, dal bianco al rosa al rosso. Altra famiglia sono i fedspatoidi che sono simili ai feldspati ma hanno minore contenuto di silice e un maggiore numero di cationi, anch'essi sono chiari e incolori.
Rocce magmatiche

Le rocce sono aggregati naturali di minerali. Esse sono solitamente eterogenee, in altre parole costituite da più minerali, ma possono anche essere omogenee, come nel caso della Calcite. Le rocce magmatiche si formano direttamente in seguito a raffreddamento e consolidamento di una massa fusa detta magma, proveniente dall'interno della terra. Esse, si dicono intrusive, se derivano dal consolidamento lento del magma ed effusive, se derivano dal rapido raffreddamento della lava (magma privo di componenti volatili che fuoriesce dalla crosta). Tutte sono caratterizzate dalla totale assenza di fossili e di norma di stratificazioni.

Il magma é una miscela molto complessa di sostanze, in prevalenza silicati, associati a vapor d'acqua e gas in percentuale variabili. I componenti volatili, anche detti agenti mineralizzatori, concorrono a mantenere la massa magmatica più fluida e più mobile durante il processo di raffreddamento e n'aumentano la pressione. Le masse fluide si formano nella zona parzialmente fusa del mantello ed hanno inizialmente una temperatura elevata (da 600 a 1600 gradi centigradi). Alcuni magmi solidificano completamente in profondità originando giganteschi ammassi di rocce intrusive, detti Plutoni, altri riescono a raggiungere la superficie sotto la spinta dei gas che contengono, provocando un'eruzione vulcanica e originando le rocce effusive. In alcuni casi il magma solidifica entro la crosta ma in prossimità della superficie, sotto forma di piccoli corpi intrusivi, che si raffreddano in condizioni di temperatura e pressione intermedie. Le rocce che così si formano vengono dette rocce ipoabissali.

La struttura delle rocce magmatiche può essere di tre tipi:

1.      Oleocristallina: si tratta di una struttura tipica delle rocce intrusive. Tutti i minerali componenti sono visibili in forma di granuli, le cui dimensioni sono pressoché uguali, con colorazioni e forma definite che spesso permettono il riconoscimento immediato. Poiché non tutti i minerali si formano contemporaneamente, solo i primi possono raggiungere il loro abito cristallino tipico, gli altri occupano gli spazi rimasti, dando origine a granuli la cui forma dipende dallo spazio disponibile. L'Olivina e i minerali scuri si formano per primi, seguiti dai feldspati, per ultimo cristallizza il quarzo.

2.      Vetrosa: si tratta di una struttura tipica delle rocce effusive che si formano per brusco raffreddamento, senza cristallizzare. Per esempio lo sbalzo di temperatura di una colata lavica (l'Ossidiana, la pomice).

3.      Porfirica: si tratta di una struttura tipica delle rocce effusive costituite da cristalli molto grossi intrusivi, detti Fenocristalli, immersi in una pasta di fondo microcristallina o vetrosa. I Fenocristalli si formano lentamente, quando il magma é ancora localizzato in profondità o durante la risalita, e restano immersi nella massa del magma, che solidifica rapidamente quando fuoriesce in superficie. Quando nello stadio finale, le rocce si trovano ad una temperatura e pressione intermedia tra i processi intrusivi ed effusivi, il magma s'infiltra nelle sue fratture originando i filoni, corpi più sottili e con aspetto digitiforme, nei quali proprio per le ridotte dimensioni il magma si raffredda più rapidamente.

4.      Aplitica e pegmatitica: si tratta di una struttura tipica delle rocce ipoabissali. La struttura Aplitica è finemente granulare, con cristalli tutti delle stesse dimensioni, ma molto piccoli. La struttura pegmatitica presenta le stesse caratteristiche, ma qui i cristalli sono di dimensioni notevoli (anche alcuni metri) e talvolta minerali rari e preziosi.

La composizione delle rocce magmatiche presenta una prevalenza di minerali salici, detti essenziali. Dalla percentuale di silice SiO₂, esse possono essere classificate in:

1.      Rocce acide (con contenuto di silice superiore al 66%).

2.      Rocce intermedie (con contenuto di silice compreso tra il 66% ed il 52%).

3.      Rocce basiche (con contenuto di silice compreso tra il 52% ed il 45%).

4.      Rocce ultrabasiche (con contenuto di silice inferiore al 45%).

Le rocce magmatiche vengono inoltre classificate in famiglie, secondo il grado di acidità e la composizione mineralogica.

      Famiglia dei graniti: si tratta di rocce ricche di quarzo, feldspato di potassio, spesso associato a plagioclasio di sodio, e modeste quantità di miche. Sono rocce chiare e leggere con una densità variabile, ma sempre minore alle rocce femiche. I graniti sono le rocce intrusive. Esse costituiscono buona parte della crosta terrestre nelle aree continentali. Sono invece totalmente assenti nella crosta oceanica. Le rioliti sono le corrispondenti effusive.

      Famiglia delle dioriti: si tratta di rocce nelle quali il quarzo è assente o presente in minima parte. Aumentano i minerali femici: miche, anfiboli e pirosseni. I feldspati sono presenti in forma di plagioclasi di Na e di Ca. Le dioriti sono rocce intrusive (grigie) e le andesiti sono quelle effusive.

      Famiglia dei gabbri: si tratta di rocce con alto contenuto di minerali femici il quarzo è assente, mentre possono essere presenti olivine ed anfiboli. Ricchi di pirosseni e contenenti plagioclasi prevalentemente calcici, i gabbri sono rocce intrusive, mentre i basalti sono le rocce effusive scure o nere, che ricoprono interamente i fondali oceanici.

      Famiglia delle peridotiti: si tratta di rocce ultrafemiche, contenenti quasi esclusivamente pirosseni e olivine. Le peridotiti sono le rocce intrusive, le picriti quelle effusive.

      Famiglia delle sieniti: si tratta di rocce molto simili ai graniti, con un tenore di silicio intermedio, in cui il quarzo è assente o presente in quantità minime. Le sieniti sono le rocce intrusive mentre le trachiti quelle effusive. Questi tipi di rocce appartengono alla serie alcalina, mentre le altre famiglie considerate appartengono alla serie alcali-calcica.

Attualmente si ritiene che esistano due tipi fondamentali di magma: un magma primario, femico, con composizione basaltica e un magma secondario, sialico, con composizione simile al granito. Il primo si forma a profondità maggiori, nel mantello, e a temperature più elevate.

La temperatura di fusione del magma basaltico diminuisce quando la pressione esterna si riduce, mentre per il magma granitico avviene il contrario. E` perciò probabile che il magma basaltico, caldo e fluido, nonostante il raffreddamento che avviene mentre risale, si mantenga sempre sopra il punto di fusione; al contrario il magma granitico viscoso e relativamente freddo, può raggiungere più facilmente la temperatura di solidificazione, che s'innalza man mano che il magma risale, poiché diminuisce la pressione esterna. L'affermazione che esistono due tipi di magma, non é sufficiente per spiegare le diversità di composizione delle rocce eruttive, che in parte dipendono anche da processi di differenziazione chimica del magma. Bowen riuscì a dimostrare che in un magma basaltico in progressivo raffreddamento in condizioni intrusive, al diminuire della temperatura, i minerali cristallizzano in tempi successivi e in ordine preciso che dipendono dalla composizione del fuso di partenza e dalla temperatura di fusione di ciascun componente. Egli identificò due diverse serie di reazioni completamente indipendenti tra loro:

      La serie discontinua: il primo minerale a cristallizzare è l'olivina, poi i pirosseni, gli anfiboli ed infine la biotite.

      La serie continua: in essa si formano i plagioclasi, tuttavia a causa delle proprietà dei minerali coinvolti non si formano minerali distinti, a composizione nettamente definita, ma miscele a composizione variabile.

      Termine delle due serie: si formano K-Feldspato, muscovite e quarzo. Le due serie procedono insieme e la composizione finale e definitiva dei cristalli, dipende dalla composizione del magma e dalle condizioni di raffreddamento (magma intrusivo).

A volte, i cristalli che si formano per primi non rimangono a contatto con il magma residuo e si separano per decantazione oppure perché la massa fusa migra altrove. Il processo prende il nome di cristallizzazione frazionata ed è uno dei fattori responsabili della differenziazione del magma.

Vulcanismo

Con il termine vulcanismo viene identificato l'emissione attraverso condotti e fenditure sia di fluidi a composizione silicatica (lave), sia di componenti solidi (materiali piroclastici), sia di vapore e gas, legati nella loro genesi alla presenza, all'interno della crosta terreste, di masse magmatiche fuse e calde.

Una parte consistente dei magmi non riesce a raggiungere la superficie e si solidifica in profondità: in tal caso si forma un corpo igneo intrusivo, di dimensioni straordinariamente variabili, che cristallizza all'interno della litosfera ed è chiamato genericamente Plutone. In molti casi, invece, la massa fluida del magma risale per spinta idrostatica verso le regioni superficiali della crosta e tende a concentrarsi in bacini magmatici (camere magmatiche), che possono alimentare le eruzioni vulcaniche. La spaccatura della superficie terrestre attraverso la quale fuoriescono i magmi prende il nome di vulcano. L'edificio che si forma per l'accumulo di tutto il materiale eruttato costituisce nel suo insieme l'edificio vulcanico, mentre il condotto interno che congiunge la camera magmatica con l'esterno è detto camino vulcanico.

In alcuni casi si assiste ad un'emissione tranquilla, la lava fuoriesce senza ostacoli e scorre senza difficoltà lungo i fianchi dell'edificio vulcanico (vulcanismo effusivo); in altri casi l'eruzione è caratterizzata da esplosioni violente e distruttive (vulcanismo esplosivo). Il tipo d'attività dipende dai caratteri chimico-fisici del magma, in particolare dal contenuto in silice e dalla percentuale di vapor d'acqua e gas presenti.

I vulcani si classificano in base alle caratteristiche dei loro edifici esterni e ai diversi modi con cui si verificano l'eruzioni:

      Vulcani di tipo hawaiano o vulcani a scudo: caratterizzati da lave molto fluide e dall'assenza d'esplosioni e lanci di materiale piroclastico. Emettono lava basaltica che si espande facilmente a notevole distanza; gli edifici vulcanici perciò hanno una tipica forma a scudo, con pendii dolci e poco inclinati, formati da strati sovrapposti di colate laviche.

      Vulcani di tipo stromboliano o stratovulcani: caratterizzati dall'emissione di colate laviche alternate a gas e materiali piroclastici. Hanno una lava a composizione variabile, a volte più fluida a volte viscosa. Periodicamente ristagna e solidifica ostruendo il cratere centrale. Negli stratovulcani si formano facilmente crateri avventizi sui fianchi del cono principale (Etna). In essi frequentemente si osservano cavità con le pareti scoscese e fondo piatto d'ampiezza insolita, chiamate caldere. Esse sono il risultato di un'attività esplosiva ripetuta nel tempo. In seguito, al loro interno possono formarsi nuovi coni (Vesuvio).

      Vulcani di tipo vulcaniano: mancano quasi del tutto le colate laviche e l'attività vulcanica si manifesta con l'emissione esplosiva di materiali solidi e dense nubi di ceneri e gas (nubi ardenti). Tipico esempio è Vulcano, nelle isole Eolie. La lava di questi vulcani è riolitica o andesitica, molto viscosa e facilmente occlude il camino vulcanico con un tappo spesso e consistente. Anche il Vesuvio nel corso della sua complessa storia ha attraversato fasi con attività di tipo vulcaniano. Le eruzioni violente simili a quelle del Vesuvio, vengono chiamate eruzioni di tipo pliniano.

      Vulcani di tipo pelano: caratterizzati dall'emissione di lava molto viscosa e ricca di gas che forma cupole di ristagno o guglie, che otturano il condotto. L'attività vulcanica si manifesta con esplosioni di grande violenza, accompagnate dal crollo delle pareti dell'edificio vulcanico e dall'emissione di nubi ardenti (La Pelèe).

Si possono avere anche eruzioni lineari, nelle quali il magma fuoriesce in grande quantità da fratture allungate strette che possono svilupparsi anche per chilometri, originando ricoprimenti (plateaux) estesi per migliaia di chilometri quadrati.