Fondamenti
di
Scienze della Terra 1
Modulo I
Sergio Rocchi
Dipartimento di Scienze della Terra
Via S. Maria, 53
Mail: [email protected]
Lezioni: http://www.dst.unipi.it/download.htm
Registro
22.11.04
delle lezioni: http://virmap.unipi.it/cgi-bin/virmap/vmibo?docenti:8135160;main
1
22.11.04
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 (19.11.04)

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 28.10.04
2
22.11.04
3
Unità C - Materiali
•
Minerali
1.
2.
3.
4.
5.
•
I legami.
Classificazione dei minerali.
Strutture dei minerali silicatici. Minerali argillosi.
Minerali in natura. Chimismo.
Proprietà fisiche dei minerali
Rocce
6. Rocce ignee
7. Rocce metamorfiche
8. Rocce sedimentarie
22.11.04
4
C1- Legami tra atomi




Legame covalente vs. legame ionico
Raggio ionico
Coordinazione, poliedri di coordinazione
Legami nei minerali
22.11.04
5
I legami

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
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
Per capire come sono fatti i legami, si possono descrivere i modelli estremi di legame
22.11.04
6
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 O2,
CH4, CO2, H2O
Il legame di questi composti è detto
covalente
Il legame covalente consiste nella
condivisione di elettroni “spaiati” tra
atomi vicini
legame covalente puro: soltanto tra
atomi uguali
Il legame covalente può formarsi tra
orbitali ibridi
I composti a legame covalente sono
elettrostaticamente asimmetrici, sono
cioè dei dipoli
H
s
O
p
s
H
p
s
2
1

Altri legami importanti
– Legame metallico
– Interazioni di van der Waals
p
22.11.04
7
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
– 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
22.11.04
8
% legame ionico


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
22.11.04
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 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 Ca2+ ha carica
doppia rispetto a F– e deve quindi esserci un numero di ioni F doppio rispetto agli
ioni Ca (–> CaF2)
– 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
– Carica
– Dimensioni
22.11.04
r0




Distanza internucleare di equilibrio
Le nubi elettroniche degli
ioni non hanno limiti netti:
cos'è il raggio ionico?
r0 = rA + rB
Diffrazione raggi X di
cristalli a legame ionico
forniscono misure di r0
Energia potenziale

Dimensioni atomiche:
Raggio ionico
10
Repulsione
tra nubi elettroniche
0
r0 è la distanza tra i nuclei
dei due ioni per la quale Energia
minima Distanza
l'energia del sistema è
Critica
minima (distanza di
r0
legame)
r0 può essere visto anche
come la somma dei raggi
dei due ioni
Energia potenziale netta
Attrazione
Anione–Catione
Distanza internucleare r
22.11.04


11
Dimensioni atomiche:
Raggio ionico
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
r0
In seguito sono state effettuate stime più elaborate
dei raggi ionici; un accordo totale su valori definitivi
non esiste
rA
rB
22.11.04
12
Raggio ionico

Variazione (min-max) : Si4+
= 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:
– a parità di elettroni (es.: Na+,
Mg2+, Al3+ e Si4+ hanno tutti
10 elettroni)
– più protoni ci sono nel nucleo
(es.: Na+: Z=11, Mg2+: Z=12,
Al3+: Z=13 e Si4+: Z=14)
– più fortemente attraggono gli
elettroni
– più piccolo è lo ione (es.:
Na+: r=1.24 Å, Mg2+: r=0.80
Å, Al3+: r=0.47-61 Å, Si4+:
r=0.34 Å)

Gli anioni sono più grandi dei
cationi
N.B. Il raggio ionico varia anche con la coordinazione
22.11.04
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)
22.11.04
14
Coordinazione
Sito
ottaedrico
Sito
tetraedrico
22.11.04
15
Coordinazione
rapporto
raggiocatione / raggioanione
numero di
coordinazione
tetraedro
da 0.225
a 0.414
1.51/2-1
da 0.414
a 0.732
21/2 -1
da 0.732
a 1.000
31/2 -1
41/2 -1
8
> 41/2 -1
≥ 12
> 1.0
21/2 -1
31/2 -1
poliedro di
coordinazione
4
ottaedro
6
cubo
variabile
22.11.04
16
Coordinazione nei minerali silicatici
catione
rcatione
(Å)
rcat / rO
Coordinaz.
prevista
Si4+
0.34
.26
Al3+
0.47
.36
Al3+
0.61
.46
Ti4+
0.69
.52
6
Fe3+
0.73
.55
6
Mn2+
0.75
.56
6
Mg2+
0.80
.61
6
Fe2+
0.86
.65
6
Ca2+
1.20
.91
Na+
1.24
.94
K+
1.59
1.27
0.225
Minerali silicatici naturali
4
4
0.732
8
8
1.0
≥12
quarzo
feldspati
miche
anfiboli
pirosseni
granati
6
olivina
0.414
22.11.04
17
I legami nei minerali




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
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
Potenziale ionico=raggio/carica
Gill R. (1996) Chemical fundamentals of Geology, 2nd ed.
22.11.04
18
Gli elementi nei minerali
Gill R. (1996) Chemical fundamentals of Geology, 2nd ed.
22.11.04
19
Idrolisi


Idrolisi = reazione con
rottura del legame O–H
Gill R. (1996) Chemical fundamentals of Geology, 2nd ed.
Idrolisi di Fe, Al
– Dissoluzione di Fe2+ in
acque leggermente acide
– Ossidazione Fe2+  Fe3+
– Precipitazione di idrossidi
fdi Fe, Al
Al3+ + 3H2O  Al(OH)3 + 3 H+
Fe3+ + 2H2O  FeO(OH) + 3 H+

Idrolisi di SO2, NO2, CO2 SO2 + H2O  H2SO3  H+ + SO3–

Idrolisi di Na2O
Na2O + H2O  2 NaOH
soluzione acida
soluzione basica
22.11.04
20
C2 - I minerali

Strutture dei minerali (Virtual Crystals 1)
– Legame metallico
– Legame ionico
– Legame covalente

definizioni
gruppi di minerali
i silicati: classificazione strutturale dei silicati

polimorfismo e isomorfismo


22.11.04

I minerali:
struttura, composizione e classificazione
21
Cos'è un minerale
– elemento o composto inorganico naturale con
 struttura interna ordinata
 composizione chimica caratteristica
 forma cristallina propria
 proprietà fisiche proprie

Rock-forming minerals






I minerali sono migliaia
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)
I minerali rari possono avere valore economico, se concentrati e/o preziosi,
oppure valore scientifico
minerali silicatici
non-silicati
22.11.04
22
Gruppi di minerali
– Elementi
– Solfuri
– Alogenuri
– Ossidi e idrossidi
– Nitrati
– Carbonati
– Borati
– Solfati
– Fosfati
– Silicati
– Sostanze organiche
22.11.04

Minerali Silicatici:
Elementi, legami e 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
– Gli elementi che formano con O un legame prevalentemente ionico sono detti
modificatori di impalcature strutturali

Polimeri silicatici
– Sono costruiti dal mattone fondamentale, il tetraedro SiO4
– 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
23
22.11.04
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
1.5
1 : 2.75
Fillosilicati
1
1 : 2.5
Tettosilicati
0
1:2
24
22.11.04
25
Classificazione strutturale dei silicati
Nesosilicati
Sorosilicati
Inosilicati a catena singola (pirosseni)
Inosilicati a catena doppia (anfiboli)
Fillosilicati (miche)
Ciclosilicati
22.11.04
26
C3 - I minerali

Strutture dei Minerali silicatici (Virtual Crystals 2)
25.11.2004
27
C4 - I minerali

Polimorfismo

Isomorfismo

Minerali argillosi

Minerali non silicatici
25.11.2004
28
Polimorfismo







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
Stesse proprietà chimiche
Diverse proprietà fisiche
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
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
–
Esempio: aragonite (fase di alta P di CaCO3) si può formare in ambiente sediementario
25.11.2004
29
Limiti tra gli "involucri" della Terra
crosta
Profondità (km)
superiore
Conrad
inferiore
Moho
mantello
Natura dei limiti
10
33
65
oceani
media
continenti
catene
montuose
superiore
gabbro
(oceani)
granulite/diorite
(continenti)
peridotite
Poliedri a coordinaz. alta
670
Poliedri a coordinaz. bassa
inferiore
minerali silicatici - solido
Gutenberg
2900
nucleo
lega metallica - liquido
esterno
liquido
Lehmann
interno
5100
solido
25.11.2004
30
Isomorfismo - Vicarianza

Isomorfismo: miscibilità allo stato solido di due sostanze
termine deriva dagli studi dell’inizio 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
Gli ioni mutualmente vicarianti devono avere raggio ionico simile

Isomorfismo di prima 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
–

tra composti con formula chimica molto simile, uguale numero di atomi e stessa valenza per atomi vicarianti
Esempio: olivina (Mg,Fe)2SiO4= miscela allo stato solido di Forsterite (Mg2SiO4) e Fayalite (Fe2SiO4)
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
–
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)
25.11.2004
31
Isomorfismo - Vicarianza

Isomorfismo/vicarianza è favorito dalla vicinanza dei raggi ionici

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
–
–
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 (NaAlSi3O8)

La vicarianza deve comunque portare alla neutralità elettrostatica del minerale

Gruppi di elementi vicarianti:
–
–
–
–
–
–
–
r = 0.42 - 0.53 Å:
r = 0.66 - 0.80 Å:
r = 0.97 - 0.99 Å:
r = 1.12 - 1.34 Å:
r = 0.51 - 0.64 Å:
r = 1.33 - 1.67 Å:
r = 0.79 - 0.97 Å:
Al3+ – Si4+ – Ge4+
Mg2+ –Fe2+ – Mn2+ – Co2+ – Ni2+ – Cu2+ – Zn2+
Na+ – Ca2+ – (REE3+)
(Ca2+) – Sr2+ – Ba2+ – Pb2+
Al3+ – Fe3+ – Cr3+
K+ – Rb+ – Cs+ – Tl+
Zr4+ – Hf4+ – (Ce4+) – Th4+ – U4+ – (REE3+)
25.11.2004
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
– Al3+ al posto d Si4+ in siti tetraedrici
– Mg2+ al posto di Al3+ 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 m2g-1!
– trattenere molecole d'acqua tra gli strati
– aumentare la capacità di adsorbimento e scambio ionico
25.11.2004
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. Al3+–> Si4+ 
K+ interstrato
– illite
– smectiti
– vermiculite

fillosilicati 2:2 = T-O-T-O
– 2 fogli tetraedrici
– 2 fogli ottaedrici
25.11.2004
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. Al3+–> Si4+ (deficienza di carica = 2) 
K+ interstrato
– sostituz. Al3+–> Si4+ + X2+–> Al3+
(deficienza di carica = 0.5-1) 
Na+, K+, Rb+, Cs+ + Ca2+, Mg2+ interstrato
– sostituz. Al3+–> Si4+ + Mg2+–> Al3+
(deficienza di carica = 1-1.5) 
Mg2+ interstrato

caolinite
Al4 [Si4O10(OH)8]
illite
KAl4 [AlSi7O20(OH)4]
smectiti
vermiculite
(Mg0.75)Mg6 [Al1.5Si6.5O20(OH)4]•nH2O
fillosilicati 2:2 = T-O-T-O
– 2 fogli tetraedrici + 2 fogli ottaedrici
– sostituz. Mg2+–> Al3+ 
Mg2+ in strato ottaedrico non legato
clorite
(Mg,Fe)12-p Al2p/3[Si8O20(OH)16]
25.11.2004
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 = 10-28 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 = 10-14 Å)
– moderata fino ad alta capacità di scambio cationico
– prodotto iniziale dell'alterazione delle miche
29.11.2004
36
C5 - I minerali

I minerali non silicatici

Studio dei minerali

Composizione chimica dei minerali

Proprietà fisiche

Riconoscimento macroscopico
29.11.2004










Minerali non silicatici:
composizione e classificazione
Elementi
Solfuri
Alogenidi
Ossidi e idrossidi
Nitrati
Carbonati
Borati
Solfati
Fosfati
Sostanze organiche
37
29.11.2004
38
Principali minerali non silicatici
Elementi
Grafite
Diamante
Carbonati
C
C
diamante
Solfuri
Calcopirite
Sfalerite
Galena
Pirite
CuFeS2
ZnS
PbS
FeS2
Alogenidi
Salgemma
Fluorite
CaCO3
CaCO3
CaMg[CO3]2
Borati
Solfati
Anidrite
Gesso
CaSO4
Ca[SO4]. 2H2O
Fosfati
NaCl
CaF2
Ossidi e idrossidi
Spinello (nobile)
Magnetite
Ematite
Ilmenite
Corindone
Corindone
Quarzo
Bauxite
Calcite
Aragonite
Dolomite
MgAl2O4
FeFe2O4
Fe2O3
FeTiO3
Al2O3
rubino
Al2O3
zaffiro
SiO2
Al2O3.nH2O alluminio
Monazite
Apatite
CePO4
Ca5[(F,Cl,OH)(PO4)3]
conchiglie
29.11.2004
39
I minerali non silicatici

Strutture di alcuni Minerali non silicatici
(Virtual Crystals 2)
– calcite
– pirite
29.11.2004
40
Studio dei minerali

Identificazione macroscopica
–Proprietà fisiche e chimica dei minerali

Identificazione microscopica
–Interazione tra luce polarizzata e minerali

Microscopio da Mineralogia/Petrografia
–Interazione elettroni-minerali


SEM (Microscopio Elettronico a Scansione, fino 106 ingrandimenti)
Identificazione chimica
–Analisi bulk


XRF (Fluorescenza raggi X)
ICP-MS (Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry)
–Analisi in situ (puntuali)





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)
LA-ICP-MS (Laser Ablation ICP-MS)
SIMS (Microsonda ionica) e SHRIMP
Identificazione strutturale


XRD (Diffrattometria raggi X)
TEM (Microscopio Elettronico a Trasmissione)
29.11.2004
41
Composizione chimica dei minerali
Ossido (wt%)
SiO2
olivina
39.41
anfibolo
57.73
TiO2
Al2O3
12.04
Fe2O3
1.16
FeO
16.46
5.41
MnO
0.21
0.10
MgO
43.27
13.02
CaO
0.23
1.04
Na2O
6.98
K2O
0.68
P2O5
H2O
CO2 e altri volatili
Elem traccia
2.27
29.11.2004
42
Formula atomica dei minerali

Esempio di calcolo della formula atomica di una olivina
1
2
3
4
5
analisi
(wt%
ossidi)
masse
molecol
moli di
ossidi
moli di O
(come (O2+)
cationi per 4
ossigeni
Col 1 / Col 2
Col 2 x n. O
per molecola
Col 2 x 4 /
2.6210
SiO2
39.41
60.09
0.6558
1.3117
1.0009
FeO
16.46
71.85
0.2291
0.2291
0.3496
MnO
0.21
70.94
0.0030
0.0030
0.0045
MgO
43.27
40.32
1.0732
1.0732
1.6378
CaO
0.23
56.08
0.0041
0.0041
0.0063
2.6210
2.9991
tot
99.58
cationi per
sito
sito
1.0009
Z
1.9982
Y
29.11.2004
43
formule chimiche dei silicati


olivina
pirosseni
– ortopirosseni
– clinopirosseni ricchi in Ca

biotite
muscovite
caolino
serpentino
montmorillonti (smectiti)
vermiculite
K2(Mg,Fe)6(Si6Al2O20)
K2Al4(Si6Al2O20)
Al4(Si4O10)(OH)8
Mg6(Si4O10)(OH)8
(1/2Ca,Na)0.5-1(Al,Mg,Fe)4-6(Si,Al)8O20(OH)4 · nH2O
Mg0.5-1(Mg3.5-5,Al2.5-1) (Si5.5-6,Al Al2.5-2)O20(OH)4 · 7-8H2O
feldspati
– plagioclasi
– feldspati alcalini

(Ca,Na)2-3(Mg,Fe2+,Fe3+,Al)5[Si6(SiAl)2O22(OH,F)2]
fillosilicati
–
–
–
–
–
–

(Mg,Fe)Si2O6
Ca(Mg,Fe) Si2O
anfiboli
– orneblenda

(Mg,Fe)2SiO4
quarzo
NaAlSi3O8 – CaAl2Si2O8
(K, Na)AlSi3O8
SiO2
29.11.2004
44
Proprietà fisiche dei minerali

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

Splendore/Lucentezza
Colore
Colore dello striscio
Durezza
Frattura
Sfaldatura
Densità
Abito cristallino / Forma-sistema cristalllino
Trasparenza, Translucidità, Opacità
Tenacità
Tatto
altre caratteristiche fisiche











29.11.2004
45
Proprietà fisiche dei minerali

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
–
–
–
–
–
–
–
Cubico
Tetragonale
Esagonale
Trigonale
Rombico
Monoclino
Triclino
29.11.2004
46
Proprietà fisiche dei minerali

Splendore o Lucentezza
– Riemissione (riflessione e rifrazione) di luce incidente sulla superficie
– Metallico

Elementi metallici nativi, solfuri, etc

Vetro, silicati, quarzo su facce, carbonati, etc

Diamante, zircone, etc

biotite

Salgemma esposto all'aria, Quarzo su frattura

Calcedonio, asbesto

muscovite

masse finissime di gesso, calcite, etc
– Vitreo
– Adamantino
– Submetallico
– Grasso o untuoso
– Sericeo
– Perlaceo
– Terroso


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 della polvere generata sfregando il minerale (su porcellana ruvida)
29.11.2004
47
Proprietà fisiche dei minerali

Durezza
–
–
–
–
–
–

Resistenza alla incisione
Scala relativa a 10 minerali comuni: scala Mohs (1822)
< 2-2.5 = tenero (rigato dall’unghia)
< 5-5.5 = semiduro (rigato dal coltello)
> 5 = duro (riga il vetro)
> 7 = durissimo (riga la porcellana)
Frattura
– Rottura su superficie irregolare in seguito a sollecitazione
meccanica
– concoide, irregolare, scheggiosa, ruvida, terrosa, piana

Sfaldatura
– Rottura su superficie regolare in seguito a sollecitazione
meccanica
– perfetta/facile, buona/evidente, difficile
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Talco
Gesso
Calcite
Fluorite
Apatite
Ortoclasio
Quarzo
Topazio
Corindone
Diamante
29.11.2004
48
Proprietà fisiche dei minerali

Densità
– Massa/volume
– Determinata da



Composizione e struttura
Per lo stesso minerale, isomorfismo può influenzare la densità
A parità di composizione, diversi polimorfi hanno densità diversa

Trasparenza, Translucidità, Opacità

Tenacità
– Resistenza alla frattura
– Fragile, fissile,malleabile, duttile, scissile, flessibile, resistente

Tatto
– Freddo = sensazione legata a elevata conducibilità termica (rame, argento)
– Saponaceo o grasso (tipo talco)
– Ruvido, liscio

altre caratteristiche chimiche e fisiche
– reazione all’HCl diluito, etc
2.12.04
49
C6 - Le rocce

rocce ignee
– Si formano per solidificazione di materiale fuso ad alta temperatura (magma)
– Magma include



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
rocce sedimentarie
– Si formano sulla superficie della terra solida



All'aria
Sott'acqua
Sotto il ghiaccio
– Il materiale usato può essere qualsiasi roccia della superficie terrestre o
materiale disciolto nelle acque

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
2.12.04
Le rocce
Condizioni di formazione
la classificazione di primo
rango è di tipo genetico:
– Rocce Ignee


Plutoniche
Vulcaniche
– Rocce Metamorfiche
– Rocce Sedimentarie
50
2.12.04
51
Tessiture
Rocce
Ignee
Rocce
Metamorfiche
Rocce
Sedimentarie
liquido
solido
Solido (+ liquido)
solido
solido
solido
Sottrazione calore
Diminuzione T
variazioni
P,T, sforzi orientati
solidificazione
(cristallizzazione etc)
Riequilibratura
totale o parziale
Diagenesi
Processi
tardo-magmatici
Processi secondari
Processi secondari
Processi secondari
Tessiture
sequenziali
Tessiture
cristalloblastiche
Erosione
Trasporto
Deposizione
Tessiture
clastiche
Precipitazione
2.12.04
Le rocce
distinzione sul terreno
rocce sedimentarie
 tipicamente stratificate, con strati
sovrapposti (principio di
sovrapposizione)
 diagnostica la presenza di fossili
rocce ignee
– plutoniche
 non stratificate, massive
 senza fossili
– vulcaniche
 stratificate (strati poco estesi
lateralmente)
 fossili assenti
 morfologia vulcanica
rocce metamorfiche
– paraderivati
 relitti di stratificazione
 scomparsa dei fossili
 fissilità
– ortoderivati
 relitti di struttura massiva o porfirica
 chimismo igneo
52
2.12.04
53
Rocce Sedimentarie

rocce silicoclastiche
– rocce sedimentarie più diffuse

rocce carbonatiche
– rocce sedimentarie più diffuse dopo le silicoclastiche





rocce evaporitiche
rocce silicee, ferrifere/manganesifere, fosfatiche
idrocarburi e carboni
rocce residuali
rocce piroclastiche e vulcanoclastiche
2.12.04
54
rocce silicoclastiche - costituenti

frazione detritica
(materiale sindeposizionale)
– granuli
– matrice

minerali formatisi in situ
(materiale post-deposizionale)
– cemento
1 cm
2.12.04
55
rocce silicoclastiche - costituenti

frazione detritica
– granuli (ossatura)

minerali stabili
– quarzo, selce (silice colloidale)

minerali relativamente meno stabili
– feldspati


minerali accessori (< 1%)
frammenti di roccia (frammenti litici)
– matrice

minerali argillosi e frazione micacea fine
– caolinite, illite, smectiti, cloriti

minerali formatisi in situ
– cemento




silicati (quarzo, selce, opale, feldspati, zeoliti)
carbonati (calcite, aragonite, dolomite, siderite)
ossidi di Fe (ematite, limonite)
solfati (anidrite, gesso, barite)
2.12.04
56
rocce silicoclastiche - maturità

frazione detritica
– granuli (ossatura)

minerali stabili
– quarzo, selce (silice colloidale)

minerali relativamente meno stabili
– feldspati


minerali accessori (< 1%)
frammenti di roccia (frammenti litici)
– matrice

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
2.12.04
57
descrizione dei clasti

dimensioni

forma
– grado di arrotondamento
– grado di sfericità

sfericità
arrotondamento
sorting (classazione)
– variazioni dimensionali dei granuli
– ben classato: intervallo
dimensionale ristretto
– scarsamente classato: intervallo
dimens. ampio
sorting (classazione)
2.12.04
58
porosità

porosità
– spazi VUOTI tra l'impalcatura di granuli (clasti)
– porosità totale = (volume totale – volume solido) / volume totale x 100

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
2.12.04
59
classificazione granulometrica
di sedimenti e rocce sedimentarie
mm
256
64
4
2
1
1/2
1/4
1/8
1/16
1/256
boulders (blocchi)
cobbles (ciottoli)
ghiaia
ruditi
conglomerato
breccia
sabbia
areniti
arenaria
fango
lutiti (peliti)
argillite
pebbles (ciottoletti)
granuli
sabbia molto grossolana
sabbia grossolana
sabbia media
sabbia fine
sabbia molto fine
silt (limo)
argilla
22.11.04
60
2.12.04
61
Rocce carbonatiche



essenzialmente monomineraliche
origine legata all'azione della biosfera
componenti
– granuli



materiale organogeno: (frammenti di) esoscheletri e endoscheletri
ooliti: granuli subsferici (taglia 0.2-2 mm) a strati concentrici
frammenti di rocce carbonatiche preesistenti
– matrice

stessa natura dei granuli ma di dimensioni minori; riempie gli interstizi tra i granuli
– cemento

cristalli spatici formatisi durante la diagenesi
2.12.04
62
Rocce carbonatiche - Classificazione
costituenti originari non saldati da organismi
durante la deposizione
componenti > 2mm
< 10 %
con fango calcareo
sostenuti
dalla matrice
Granuli
< 10%
>10%
componenti > 2mm
> 10 %
senza
fango
sostenuti
dai granuli
sostenuti sostenuti
dalla
dai
matrice granuli
mudstone wackestone packstone grainstone floatstone
rudstone
costituenti originari saldati
da organismi
durante la deposizione
costituenti
originari
non
riconoscibili
organismi
organismi
che
che
organismi costruiscono
costruiscono incrostanti
una
strutture
(stromatoliti) impalcatura
tipo griglia
rigida
(coralli)
roccia
costituita
da un
mosaico
cristallino
di calcite
o dolomite
bafflestone bindstone framestone
Carbonati
cristallini
2.12.04
63
carboni







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)
i carboni fossili si dividono in:
torba, C ≈ 60%
lignite, C ≈ 70-75%
litantrace, C ≈ 90%
antracite, C ≈ 1000%
2.12.04
64
idrocarburi

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)
– a T≈50°C P=0.03 GPa: si genera metano e la
sostanza organica si trasforma in kerogene
– T=50-100°C, P=0.03-0.15 GPa: espulsione
acqua, generazione olio e gas
– T>200°C, P>0.15 GPa: l’olio 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)
gradiente termico (°C/100m)
1
2
3
4
5
1
3
4
i giacimenti di petrolio si trovano in zone di
prolungato accumulo di sedimenti
oil
window
5
gas
termico
6
7

gas
biogenico
2
profondità (km)

8
gradienti
geotermici
naturali
6-12-2004
65
C7 - Rocce Ignee
la classificazione si basa sulla combinazione di due tipi di dati:
tessitura

+
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
–
–
costituenti

Fasi PRIMARIE (segregate
direttamente dal magma)
–
–
Fasi minerali (reticolo
cristallino ordinato)
Vetro: materiale solido
amorfo con struttura simile
a quella del liquido
meccanismo di risalita del magma (intrusione, effusione, esplosione)
interazione termica con superficie terrestre, aria, acqua, ghiaccio


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
6-12-2004
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)
–

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 plutoniche
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")
6-12-2004
67
indice di porfiricità = somma delle abbondanze modali (% vol.) di fenocristalli
indice di colore = somma delle abbondanze modali (% vol.) di minerali femici (colorati)
1%
5%
10%
15%
6-12-2004
68
I minerali PRIMARI delle rocce ignee
Fondamentali (comunemente costituiscono parte rilevante (>5%) e
Accessori (quasi mai costituiscono
parte rilevante della roccia)

diffusi (si ritrovano comunemente
 Sialici (ricchi in Si e Al)
in moltissime rocce)
– Quarzo
SiO2
– magnetite
– Feldspati
– ilmenite
 Feldspati alcalini KAlSi3O8 - NaAlSi3O8
– apatite
– zircone
 Plagioclasi
NaAlSi3O8 - CaAlSi2O8
– monazite
– Feldspatoidi

Specifici (si ritrovano soltanto in
 Nefelina
NaAlSiO4
rocce di composizione particolare)
 Leucite
KAlSi2O6
– cromite
– Mica bianca
– spinelli
 muscovite
KAl2AlSi3O10(OH)2
– tormalina
– titanite
 Femici (ricchi in Fe e Mg)
– xenotimo
– Olivina
Mg2SiO4 - Fe2SiO4
– fluorite
– Pirosseni
– perovskite
 Ortopirosseni
Mg2Si2O6 - Fe2Si2O6
– epidoti
 Clinopirosseni
CaMgSi2O6 - CaFeSi2O6
– scapolite
– granati
– Anfiboli
 Orneblenda
Na0-1Ca2[(Mg, Fe’’2)4(Fe’’’,Al,Ti)][Si6(Si,Al)2]O22(OH,F)2 – cordierite
– andalusite
– Mica nera
– sillimanite
 Biotite
K(Mg, Fe’’)3[AlSi3O10(OH,F)2]
– corindone
caratterizzante della roccia)
6-12-2004
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
si ricalcolano a 100 i valori di A, B, C:
– AABC = A/(A+B+C)*100 = 20/70*100=29
– BABC = B/(A+B+C) *100 =40/70*100=57
– CABC = C/(A+B+C) *100 =10/70*100=14
B

si riportano nel diagramma ternario
A-B-C i valori di AABC , BABC , CABC
C
6-12-2004
70
Classificazione IUGS delle rocce ignee


se M ≥ 90  roccia
ultrafemica, classificazione
con diagramma Ol-Opx-Cpx
Diagramma Ol-Opx-Cpx
classificazione rocce ultrafemiche (M≥90)
tipiche del mantello terrestre
se M < 90  roccia da
classificare con diagramma
doppio triangolare QAPF
Ol
M = minerali femici
–
–
–
–
olivina
pirosseni
anfiboli
biotite
dunite
PERIDOTITI
harzburgite
ortopirossenite
olivinica
lherzolite
websterite
olivinica
wehrlite
clinopirossenite
olivinica
PIROSSENITI
ortopirossenite
Opx
websterite
clinopirossenite
Cpx
6-12-2004
71
Q
Classificazione IUGS
delle rocce plutoniche
silexite
rocce intrusive
M < 90
granitoidi
ricchi in quarzo
granito
a feldspato sieno monzo grano tonalite
alcalino granito granito diorite
quarzosienite
a felds. alc.
A
sienite
a felds. alc.
foidsienite
a felds. alc.
qmd
quarzo quarzo
qmg
sienite monzonite
sienite monzonite md/mg
foid-sienite foid-monz. fmd/fmg
quarzodiorite
quarzogabbro
quarzoanortosite

Q = quarzo
gabbro
diorite
anortosite

A = feldspatI alcalini
P

P = plagioclasi

F = feldspatoidi
foid-diorite
foid-gabbro
foid-anortosite
foid-monzo
diorite foid-diorite
foid-sienite foid-monzo
sienite
foid-gabbro
foid-monzo
gabbro
foidolite
F
6-12-2004
72
Q
Classificazione IUGS
delle rocce vulcaniche
rocce vulcaniche
M < 90
riolite
a feldspato
alcalino
quarzo
latite
latite
foid-trachite
foid-latite
trachite
a felds. alc.
foid-trachite
a felds. alc.
fonolite
Q = quarzo

A = feldspatI alcalini

P = plagioclasi

F = feldspatoidi
dacite
riolite
quarzo quarzo
trachite a f.a. trachite
trachite
A

basanite
fonolitica
(ol>10%)
fonolite
tefritica tefrite
fonolitica
(ol<10%)
foidite foidite
fonolitica tefritica
foidite
F
basalto
andesite
tefrite
P
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73
Schema classificativo delle rooce ignee
utilizzabile sul terreno e per campioni macro
indice di
colore
> 90
quarzo
no
scarso
relativam.
abbondante
feldspati
≈ no
plagioclasio >>
feldspato alcalino
plag. >
felds.alc.
plag. ≈
felds.alc.
dacite
latite
90 - 40
40 - 20
rocce
vulcaniche
basalto
andesite
peridotite
rocce
pirossenite
plutoniche
dunite
gabbro
diorite
< 20
scarso
granodiorite monzonite
abbondante
plagioclasio <
feldspato alcalino
trachite
riolite
sienite
granito
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74
distribuzione dei minerali nelle rocce ignee
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75
Composizione delle rocce ignee
vulcanica
plutonica
basalto andesite
peridotite
gabbro
SiO2
42.3
49.2
TiO2
0.6
Al2O3
diorite
riolite
trachite leucitite
granito
sienite
(raro)
58.0
72.8
61.2
40.6
1.8
0.9
0.3
0.7
2.66
4.2
15.7
17.0
13.3
17.0
14.3
Fe2O3
3.6
3.8
3.3
1.5
3.0
5.5
FeO
6.6
7.1
4.0
1.1
2.3
6.2
MnO
0.4
0.2
0.1
0.1
0.2
0.3
MgO
31.2
6.7
3.3
0.4
0.9
6.4
CaO
5.0
9.5
6.8
1.1
2.3
11.9
Na2O
0.5
2.9
3.5
3.6
5.5
3.5
K2O
0.3
1.1
1.6
4.3
5.0
4.8
P2O5
0.1
0.4
0.2
0.1
0.2
1.1
H2O
3.9
1.0
0.8
1.1
1.2
1.6
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76
Classificazione IUGS delle rocce vulcaniche
diagramma TAS (Total Alkali - Silica)
Na2O + K2O wt%
16
fonolite
14
fonolite
tefritica
12
10
foidite
tefrite
fonolitica
trachite
trachidacite
trachiandesite
8
riolite
trachiandesite
basaltica
trachibasalto
basanite
6
tefrite
dacite
4
basalto
andesite
basalto
picritico
2
0
36
andesite
basaltica
40
44
48
52
56
60
64
68
72
SiO2 wt%
ultrabasico
basico
intermedio
acido
76
6-12-2004
77
Ambiente geodinamico e genesi dei magmi
basalti tholeiitici
poveri in K
ricchi in Si
MORB
basalti alcalini
ricchi in Na
poveri in Si
OIB
basalti calcoalcalini
ricchi in Al
CAB / VAB
andesiti
basalti alcalini
ricchi in Na (K)
poveri in Si
OIB
trachiti - rioliti
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78
C8 - Rocce Metamorfiche
Facies metamorfiche = ambientazione fisica del metamorfismo
facies
eclogitica
1.4
40
1.2
facies
scisti blu
1.0
0.8
0.6
facies
pu-ac
facies pr-pu
zeolitica pr-ac
0.4
0.2
facies
scisti
verdi
ab-ep
0
0
100
200
30
facies
anfibolitica
facies
granulitica
20
10
facies cornubianitica
px
hbl
san
300 400 500 600
700
Temperatura (°C)
800 900 1000
0
profondità (km)
Pressione (GPa)
50
6-12-2004

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
79
6-12-2004
80
Tipi di rocce metamorfiche
Nomenclatura Tessiturale
grana
tessitura
fine
media
grossa
poco foliata
cornubianite
(hornfels)
granofels
marmo
quarzite
anfibolite
granofels
marmo
quarzite
anfibolite
molto foliata
ardesia
fillade
scisto
gneiss
molto foliata
e deformata
per taglio
milonite
scisto
milonitico
gneiss
occhiadino
6-12-2004
81
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
peridotite
serpentinite
rocce carbonatiche
calcare, dolomia
marmo
rocce quarzofeldspatiche
granito, riolite, granodiorite,
arcose, grovacca
metagranito, metariolite,
scisto, gneiss
rocce silicee
arenaria quarzosa, selce
quarzite
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I minerali nelle rocce metamorfiche
82
regola delle fasi

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
– poiché generalmente V ≥ 2, F ≤ C : in un sistema
all'equilibrio il numero massimo delle fasi è uguale al numero
dei componenti
6-12-2004
83
Tipi di rocce metamorfiche
metamorfismo di Argilliti e Basalti
grado metamorfico
basso
medio
alto
ardesia 
scisto
gneiss
fillade
sottile 
layering
scistosità
distinta
composizionale
microscopica 
ben visible
medio-grossa
visibile con lente
quarzo, clorite, quarzo, muscovite, quarzo, biotite,
muscovite,
biotite, plagiocl., plagiocl., granato
plagioclasio
granato, staurolite
sillimanite
nome della roccia
ARGILLITE
foliazione
assente
dimens. cristalli
(di mica)
microscopica
associazione
mineralogica
minerali argillosi,
quarzo, calcite
nome della roccia
BASALTO
scisto verde
anfibolite
granulite
foliazione
assente
distinta
poco distinta
(anfibolo)
indistinta
(no miche)
dimens. cristalli
(di mica
visibile con lente
visibile con lente
visibile a occhio
medio-grossa
associazione
mineralogica
olivina, pirosseno,
plagioclasio
clorite, epidoto, anfibolo, epidoto,
plagiocl., (calcite) plagiocl., (calcite)
pirosseno,
plagioclasio
granato
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84
Tipi di rocce metamorfiche
Nomi speciali

scisto verde
– metabasite verde, foliata; clorite, epidoto, actinolite

scisto blu
– metabasite foliata scura (verde-violetto-blu); anfibolo sodico blu

anfibolite
– metabasite o metasedimento verde scuro (foliata); orneblenda e plagioclasio

serpentinite
– metaperidotite massiva verde, nera (rossastra); serpentino

eclogite
– metabasite massiva rossa e verde; granato e pirosseno omfacitico

granulite
– roccia massiva; plagioclasio, pirosseno, granato

migmatite
– roccia mista con porzioni scure ricche in biotite e porzioni chiare quarzofeldspatiche

skarn
– prodotto di metasomatismo su calcari al contatto di intrusioni ignee
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85
Rocce Metamorfiche
Rocce con protolite basico (basalto, gabbro, andesite)
50
1.4
Pressione (Gpa)
eclogite
40
scisto blu
1.0
0.8
anfibolite
0.6
granulite
mafica
20
scisto verde
0.4
spilite
(fondo oceanico)
0.2
10
cornubianite
0
0
100
200
30
300 400 500 600
700
Temperatura (°C)
800 900 1000
0
profondità (km)
1.2
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86
Rocce Metamorfiche
Rocce con protolite pelitico (argillite)
50
1.4
1.2
40
1.0
0.8
gneiss
granulite
felsica
20
scisto
0.6
30
fillade
0.4
10
ardesia
0.2
cornubianite
0
0
100
200
300 400 500 600
700
Temperatura (°C)
800 900 1000
0
profondità (km)
Pressione (Gpa)
eclogitica
felsica
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87
Reazioni metamorfiche
reazioni polimorfe
– Al2SiO5
– CaCO3
reazioni discontinue
– Ab=Jd+Qtz
– Ms+Qtz=Kfs+Sil+H2O
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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 termobarico del
metamorfismo)
22.11.04
89
Testi consigliati

Chimica: un libro del Liceo Scientifico + Libro prof. Marchetti

Gill R. (1989, II ed. 1996) - Chemical fundamentals of Geology. Chapman &
Hall, 298 pp. ISBN 0 412 54930 1 (Capp 5, 6, 7, 8,9, 10)

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.

D'Argenio B., Innocenti F., Sassi F.P. (1994) - Introduzione allo studio delle
rocce. UTET, 162 pp. ISBN 88-02-04870-3

Skinner B.J., Porter S.C. (1989 ) - The dynamic Earth. John Wiley & Sons.
ISBN 0-471-53131-6

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 88-08-04150-6

http://pubs.usgs.gov/publications/text/dynamic.html