RICONOSCIMENTO E CLASSIFICAZIONE MACROSCOPICA DI MINERALI E ROCCE
LE ROCCE MAGMATICHE
Franco Rolfo - Dipartimento di Scienze Mineralogiche e Petrologiche -
[email protected] il materiale didattico di supporto è disponibile al sito http://www.personalweb.unito.it/franco.rolfo/didatt.htm
Granito orbicolare (W Australia) Photo by J.D. Winter
Le (rare) rocce costituite da un solo tipo di minerale si dicono monomineraliche - viceversa le rocce si definiscono polimineraliche
LE DEFINIZIONI Le rocce sono materiali naturali costituiti da un aggregato di minerali e/o sostanze amorfe, che formano il nostro pianeta e gli altri pianeti solidi. La parte delle Scienze della Terra che si occupa di studiare, descrivere e classificare le rocce si chiama petrografia. Le rocce possiedono una grande varietà di proprietà fisiche, chimiche, strutturali e di età che riflettono i processi geologici responsabili della loro formazione; la petrologia studia queste proprietà e questi processi dal punto di vista teorico e sperimentale. La maggior parte delle rocce sono costituite da un aggregato di diversi tipi di minerali
La costituzione della Terra e la sua composizione
O Si Al Fe Ca Mg Na K altri
% in peso crosta mantello terra 47 46 29.3 27.2 21 14.7 8.0 1.2 5.8 6.3 34.8 5.1 2.53 1.4 2.8 23 11.3 2.3 1.7 <1 <1 <7
Composizione della crosta terrestre
Minerali presenti nella crosta terrestre (in volume)
8% 3% 5% 5%
39%
5% 11% 12%
12%
plagioclasi feldspati alcalini quarzo pirosseni anfiboli miche argille altri silicati non silicati
pochi elementi pochi minerali molte rocce !!
I TRE AMBIENTI DI FORMAZIONE DELLE ROCCE Le rocce che affiorano sulla superficie terrestre derivano da pochi processi chimico-fisici fondamentali, detti processi petrogenetici: cristallizzazione da un fuso (rocce magmatiche); ricristallizzazione allo stato solido (rocce metamorfiche); precipitazione da una soluzione e/o disgregazione e/o deposizione di rocce preesistenti (rocce sedimentarie)
Sedimentario
Nel Mar Morto, esempio di ambiente sedimentario, per l’evaporazione di acque ipersaline e la precipitazione dei sali si originano i depositi evaporitici; in simili condizioni si sono formati ad esempio i “gessi” del Piemonte
Magmatico
Il più tipico ambiente magmatico è quello vulcanico, dove il magma (fuso a composizione silicatica), che risale molto caldo dalla profondità terrestre, raggiunge la superficie e si raffredda rapidamente nelle colate di lava.
Metamorfico
Le rocce metamorfiche derivano dalla trasformazione, mineralogica e strutturale, di rocce preesistenti. Le cause principali di queste trasformazioni sono deformazioni e variazioni di temperatura e pressione
IL CICLO DELLE ROCCE Il ciclo delle rocce, proposto originariamente da James Hutton nel XVIII secolo, illustra il ruolo dei vari processi geologici che agiscono in modo da trasformare un tipo di roccia in un altro.
Il ciclo delle rocce si inserisce in modo completo nel quadro della Tettonica delle Placche Le rocce, ad esempio quelle appartenenti alle catene montuose, vengono erose, trasportate e deposte come sedimenti verso i margini continentali. Localmente, questi sedimenti possono essere coinvolti in un regime di margine di placca convergente, e la relativa subduzione porta la litosfera oceanica sotto l’astenosfera continentale, trascinando i sedimenti che possono trasformarsi in rocce metamorfiche. Lungo questo segmento in subduzione, se le condizioni di temperatura e pressione lo consentono, si ha la fusione parziale delle rocce; i fusi risalgono la crosta grazie al contrasto di densità e generano rocce magmatiche di tipo intrusivo (plutonico) se cristallizzano in profondità, di tipo effusivo (vulcanico) se raggiungono la superficie, dove possono essere nuovamente coinvolte in fenomeni di erosione e perpetuare il ciclo.
Le rocce magmatiche (ignee) si generano ad alta temperatura per solidificazione da un fuso, normalmente di composizione silicatica, chiamato magma.
Il magma, che si genera a profondità variabili (da qualche decina a qualche centinaio di km), risale nella crosta terrestre, si arresta al suo interno e si raffredda lentamente formando le rocce plutoniche.
Se il magma, invece, raggiunge la superficie e si raffredda in modo rapido o molto rapido, si formano le rocce vulcaniche.
Se la profondità e la velocità di raffreddamento sono intermedie, si formano le rocce ipoabissali o subvulcaniche o filoniane.
Schema delle relazioni tra un plutone, il suo sciame di filoni e i vulcani.
Se il raffreddamento è lento: tutto il magma cristallizza e si formano cristalli relativamente grandi, normalmente visibili ad occhio nudo o con l’ausilio di una lente.
2 cm
Cristalli grandi (granito)
Se il raffreddamento è rapido: tutto il magma può cristallizzare producendo cristalli molto piccoli, oppure cristallizza in parte dando cristalli minuti inclusi in vetro, oppure non riesce a cristallizzare e produce solo una massa solida ma amorfa cioè un vetro.
2 cm
0.5 cm
Cristalli minuti (andesite)
Vetro (ossidiana)
Dal tipo di raffreddamento di una roccia si sviluppano strutture diverse. Le rocce si possono descrivere in termini di struttura e tessitura, per quanto riguarda i rapporti spaziali tra i diversi costituenti; generalmente: struttura: descrive i rapporti spaziali alla scala macro- e mesoscopica, oppure viene usato in senso generale; tessitura (microstruttura): descrive i rapporti spaziali alla scala microscopica. Le definizioni di “struttura” e “tessitura” variano da paese a paese e, a volte, da scuola a scuola La struttura delle rocce magmatiche è spesso tipicamente isotropa, nel senso che la distribuzione e l’orientamento dei vari minerali è casuale.
1 cm
Struttura macroscopica di andesite
1 mm
Tessitura microscopica di andesite
Il colore della roccia è legato alla sua composizione chimica, e si definisce sulla base della quantità di minerali femici (ricchi in Fe e Mg, normalmente di colore scuro, con densità > 3 g/cm3) presenti, in contrapposizione ai minerali sialici (ricchi in Si e Al, normalmente di colore chiaro, con densità < 3 g/cm3). In base all’indice di colore (M), il nome della roccia può essere preceduto dal suffisso: leuco < 33% femici
Granito leucòcrato / leucocràtico (leuco-granito)
(meso) 33-67% femici
Diorite mesòcrata /mesocràtica
mela > 67% femici
Peridotite melanòcrata /melanocràtica
ATTENZIONE : i minerali femici possono essere facilmente sovrastimati !!
Rocce plutoniche Rocce olocristalline: sono costituite totalmente da cristalli (senza traccia di vetro) e presentano una struttura granulare.
Sienite della Balma a struttura granulare
La grana della roccia (dimensione media dei cristalli) può essere: •grossa: > 5 mm; •media: 5-1 mm; •fine / minuta: < 1 mm. Se la grana è visibile ad occhio nudo, la roccia è faneritica. Viceversa, la roccia è afanitica.
Gabbro a grana media
2 cm
Granito a grana grossa
Basalto a grana fine
Se la grana è omogenea, la roccia si definisce equigranulare; se non è omogenea la si definisce eterogranulare / inequigranulare.
Granito a tendenza equigranulare
Granito eterogranulare
I minerali delle rocce magmatiche plutoniche cristallizzano in sequenze precise, definite da molteplici variabili fisiche e chimiche. I primi a cristallizzare sviluppano normalmente in modo regolare le proprie forme o abito cristallino; si definiranno quindi euedrali / idiomorfi. Al contrario, gli ultimi cristalli che si formano si devono adattare ai cristalli già presenti, e si definiranno quindi anedrali / allotriomorfi. Le condizioni intermedie porteranno a morfologie subedrali / subidiomorfe.
L'ORDINE DI CRISTALLIZZAZIONE DEI MINERALI IN UNA ROCCIA E' UN ELEMENTO FONDAMENTALE PER COMPRENDERNE L'ORIGINE MAGMATICA
Cristallizzazione dei minerali in un magma a composizione granitica
0
2
1
3 4
I disegni rappresentano in modo semplificato e schematico la roccia come apparirebbe al microscopio, in sei momenti della sua storia di raffreddamento da circa 900°C (inizio della cristallizzazione) a circa 600°C (fine della cristallizzazione). In questo intervallo di temperatura, dal magma (rosso) si formano nell’ordine: biotite (marrone), plagioclasio (grigio scuro), ortoclasio (rosa) e quarzo (bianco). Solo i primi cristalli formatisi hanno un abito geometrico regolare (euedrale), mentre gli ultimi sono privi di forma propria (anedrali), in quanto occupano gli interstizi tra i minerali già formati
Rocce vulcaniche Sono rocce a grana minutissima, da micro- a cripto-cristallina. Un particolare tipo di struttura eterogranulare caratteristica di molte rocce vulcaniche è la struttura porfirica costituita da cristalli di dimensioni maggiori detti fenocristalli (facilmente riconoscibili ad occhio nudo, in genere di dimensioni da alcuni mm ad alcuni cm) inclusi in una massa di fondo a grana molto più fine o vetrosa.
Px
Feld
Pl
0.5 cm
Andesite porfirica com massa di fondo microcristallina e fenocristalli di pirosseno (scuro) e plagioclasio (chiaro)
Anche le rocce plutoniche possono avere struttura porfirica Granito porfirico con porfirocristalli di feldspato potassico (rosa)
Per definire le caratteristiche strutturali delle rocce vulcaniche, occorre distinguere: la roccia nel suo insieme:
struttura afirica, se sono assenti i fenocristalli; struttura porfirica, se sono presenti i fenocristalli.
1 cm
Basalto afirico a grana microcristallina
1 cm
Andesite porfirica con fenocristalli scuri di pirosseno e fenocristalli chiari di plagioclasio
In funzione della quantità relativa di fenocristalli, si può definire quindi l’indice di porfiricità della roccia, cioè la percentuale di fenocristalli (da 0 a 100). Se sono presenti fenocristalli di dimensioni variabili, la struttura della roccia (sia plutonica che vulcanica) si definisce seriata. 1 cm
1 cm
Pl
Qtz Pl Px Feld
Basalto afirico a grana microcristallina e rari fenocristalli di plagioclasio (bianco); indice di porfiricità molto basso (<10)
Andesite porfirica con fenocristalli scuri di pirosseno e fenocristalli chiari di plagioclasio; indice di porfiricità medio (20-30)
Porfido riolitico (o riolite porfirica) con fenocristalli di quarzo (grigiastro vitreo) e feldspato potassico (rosato); indice di porfiricità medio-alto (ca. 50)
Per definire le caratteristiche strutturali delle rocce vulcaniche, occorre inoltre distinguere: la massa di fondo:
struttura microcristallina, se è costituita da microcristalli; struttura vetrofirica, se è costituita da microcristalli + vetro; struttura vetrosa (ialina), se è costituita solo da vetro. 3 cm
0.5 cm
Andesite porfirica con massa di fondo microcristallina e fenocristalli di pirosseno (scuro) e plagioclasio (chiaro)
Porfido riolitico (o riolite porfirica) con massa di fondo vetrofirica e fenocristalli di quarzo (grigiastro vitreo) e feldspato potassico (rosato)
Ossidiana a struttura francamente ialina
Le rocce afiriche e la massa di fondo delle rocce porfiriche possono presentare caratteristiche tessiturali molto diverse, che sono però difficilmente valutabili alla scala del campione a mano.
Le caratteristiche descritte per le rocce vulcaniche sono difficilmente distinguibili alla scala del campione a mano L'OSSERVAZIONE MACROSCOPICA DELLE ROCCE VULCANICHE VA NECESSARIAMENTE AFFIANCATA DALL'OSSERVAZIONE MICROSCOPICA IN SEZIONE SOTTILE
Tre tipi diversi di basalto
COME SI STUDIANO LE ROCCE Esame macroscopico:
a occhio nudo o con una lente 6-10x: risoluzione fino a 0.1 mm
Esame microscopico:
con il microscopio petrografico: risoluzione fino a 1-2 µm con il microscopio elettronico: fino a 0.2 nm (1 nm = 10-6 mm)
Lente: riconoscimento rapido dei minerali e della struttura delle rocce. Elementi caratterizzanti dei minerali sono abito, dimensioni, colore, lucentezza, durezza, disposizione spaziale …..
ci sono diversi tipi di lente; consigliate quelle tascabili da 6-8 (max 10) ingrandimenti
L’esame macroscopico serve principalmente per una prima generale classificazione di terreno, preliminare a esami più approfonditi…..
IL PRIMO DEGLI ESAMI APPROFONDITI: LO STUDIO MICROSCOPICO DELLE SEZIONI SOTTILI Le sezioni sottili sono estremamente utili per identificare i minerali costituenti le rocce e la loro microstruttura. Una fettina di roccia viene tagliata da un campione a mano, per mezzo di una lama diamantata. La fettina di roccia viene incollata su un vetrino da microscopio e assottigliata fino a raggiungere uno spessore di 0.03 mm, che rende la maggior parte dei minerali trasparenti alla luce visibile. Il lato superiore della fettina di roccia viene protetto da un sottile vetrino coprioggetto, incollato con un materiale trasparente (un tempo si usava il Balsamo del Canada, adesso si usa per lo più l’Araldite) con indice di rifrazione uguale a quello del vetro.
Microscopia ottica Microscopio petrografico per studenti
riconoscimento su basi ottiche, sfruttando la luce polarizzata, della maggior parte dei minerali comunemente presenti nelle rocce, e delle loro relazioni microstrutturali. La risoluzione arriva a qualche µm (limite di Abbe D = 0.61λ). Microscopio petrografico professionale
