La struttura interna della Terra e la litosfera: composizione e dinamiche

SCIENZE DELLA TERRA

CLASSI PRIME

LICEO ARTISTICO MARTINI, SCHIO (VI) SCIENZE DELLA TERRA CLASSI PRIME

LITOSFERA ED ASTENOSFERA

La parte solida della Terra è detta litosfera, e comprende la crosta terrestre e la parte superiore del mantello. Al di sotto della litosfera vi è l'astenosfera (che corrisponde a parte del mantello): le temperature e le pressioni aumentano e il materiale è parzialmente fuso. Infine la mesosfera, al di sotto della astenosfera, corrisponde all'incirca alla zona del mantello inferiore. Gli strati interni della Terra saranno esaminati con maggior dettaglio più avanti. La litosfera è formata da rocce e le rocce sono formate da minerali.

CROSTA LITOSFERA MOHO MANTELLO LITOSFERICO 100 km MANTELLO SUPERIORE STRATO A BASSA VELOCITÀ 400 km ASTENOSFERA ZONA DI TRANSIZIONE 670 km MANTELLO INFERIORE MESOSFERA

MINERALI

I minerali sono sostanze solide inorganiche che possiedono ben specifiche caratteristiche chimiche e fisiche. Dal punto di vista chimico ogni minerale è caratterizzato da una precisa composizione chimica (sono quindi descrtitti da una formula chimica) e da una precisa struttura cristallina, che dipende dalla disposizione degli atomi che lo compongono. La più piccola struttura dei minerali si chiama cella elementare. La cella elementare, in base agli elementi chimici che la compongono, ha una specifica configurazione tridimensionale. Le celle elementari si dispongono ordinatamente nello spazio moltissime volte, a formare il reticolo cristallino. Se sufficientemente sviluppato, il reticolo cristallino forma un cristallo, visibile ad occhio nudo. I minerali si possono formare per:

• Solidificazione: il materiale fuso (magma) si solidifica
• Cristallizzazione: l'acqua evapora e i componenti chimici che erano in soluzione cristallizzano
• Metamorfismo: minerali pre-esistenti si trasformano a causa di alte pressioni e temperature

CI- Na cella elementare abito cristallino

CLASSIFICAZIONE DEI MINERALI: I SILICATI

I minerali che compongono le rocce della litosfera sono formati da 8 principali elementi: ossigeno (O), silicio (Si), alluminio (Al), ferro (Fe), calcio (Ca), sodio (Na), potassio (K), magnesio (Mg). Fino ad ora sono stati scoperi 4000 tipi di minerali. In base alla composizione chimica i minerali si classificano in silicati e non silicati. Il 92% dei minerali che compongono la crosta terrestre sono silicati e sono formati da celle elementari basate su silicio ed ossigeno. L'unità base dei silicati è lo ione silicato (SiO4)4- , disposto tridimensional- mente a forma di tetraedro, con il silicio al centro e 4 atomi di ossigeno ai vertici. I silicati si formano per la maggior parte dalla solidificazione del magma. silicato più comune è il quarzo. Altri silicati sono, ad esempio: l'olivina, il topazio, l'ortoclasio, l'opale.

nesosilicati inosilicati fillosilicati tettosilicati tetraedri indipendenti catena sin gola catena doppia strato bidimensionale intelaiatura tridimensionale Olivina Pirosseno Anfibolo Muscovite Feldspato Sopra: alcuni esempi di minerali silicati

CLASSIFICAZIONE DEI MINERALI: I SILICATI SUDDIVISIONE

Facendo riferimento all'immagine della slides precedente, i silicati si dividono in:

• NESOSILICATI: i tetraedri sono indipendenti. Esempio: olivina, topazio
• CICLOSILICATI: i tetraedri sono disposti in strutture cicliche. Esempio: berillo
• INOSILICATI: i tetraedri formano catene singole (come ad esempio i pirosseni, classici minerali delle rocce magmatiche) o catene doppie (ad esempio gli anfiboli). In questa categoria vi è il tristemente noto amianto(foto) utilizzato per creare le coperture in eternit, cancerogeno se respirato.
• FILLOSILICATI: i tetraetri formano fogli sovrapposti. Esempi: talco, miche, muscovite e argille. Le argille (foto) sono fillosilicati in grado di assorbire molta acqua e quindi possono diventare modellabili. In base al tipo di minerali con le quali sono impastate e alla t° di cottura, le argille sono alla base di ceramica e porcellana.
• TECTOSILICATI: i silicati più comuni in natura. I tetraedri sono strettamente legati tra loro a formare complesse strutture tridimensionali. Esempio: feldspati (come l'ortoclasio) e quarzo

CLASSIFICAZIONE DEI MINERALI: I NON SILICATI (1)

I minerali non silicati rappresentano l'8% dei minerali della crosta terrestre e si dividono in:

• CARBONATI: contengono lo jone carbonato (CO 2-). Generalmente si formano per cristallizzazione/precipitazione da una soluzione acquosa. Un esempio è la calcite (minerale alla base del calcare) o la dolomite (carbonato doppio di calcio e magnesio, alla base della roccia dolomia).
• SOLFURI E SOLFATI: sono minerali che contengono lo zolfo. I solfuri hanno di solito lucentezza metallica e sono opachi (ad esempio la pirite, detta l'oro degli stolti), i solfati si formano di solito da cristallizzazione/precipitazione da soluzioni acquose (ad esempio il gesso)

Calcite: un carbonato Pirite: un solfuro

CLASSIFICAZIONE DEI MINERALI: I NON SILICATI (2)

• ALOGENURI: contengono un alogeno (cloro o fluoro di solito). Ne è un esempio il salgemma (sale, chimicamente cloruro i sodio) o la fluorite (nell'immagine a destra)
• OSSIDI: sono formati da metalli legati all'ossigeno. Sono molto importanti perchè è da questi minerali che si ricavano metalli (ad esempio dall'ematite, Fe,O2 si ricava il ferro. Immagine a sinistra)
• ELEMENTI NATIVI: sono minerali costituiti da un unico elemento chimico come ad esempio l'oro (immagine a destra), il rame, l'argento e il carbonio (diamante e grafite). I minerali a base di carbonio sono un esempio di polimorfismo: il minerale cambia in base a come gli atomi di C si legano.

PROPRIETA' OTTICHE DEI MINERALI

La struttura cristallina dei minerali determina le loro proprietà. Il modo in cui un minerale riflette la luce è descritto dalle sue proprietà ottiche.

• Lucentezza: se un minerale riflette la luce ha lucentezza metallica, altrimenti ha lucentezza non metallica
• Trasparenza: se un minerale si lascia attraversare dalla luce è detto trasparente, se si lascia attraversare dalla luce ma non è in grado di lasciar passare le immagini è traslucido, se non si fa attraversare dalla luce è opaco
• Colore: siccome il colore di un minerale può variare in base in base all'incidenza della luce, si fa riferimento al colore della polvere. Il colore della polvere può anche essere diverso dal colore del minerale intero

A destra: alcune varietà di quarzo. Il colore del quarzo cambia in base alle impurità chimiche presenti in esso. Particolari forme di quarzo sono ad esempio l'ametista, il quarzo rosa, il quarzo occhio di tigre e il quarzo fumè

PROPRIETA' FISICO/CHIMICHE DEI MINERALI

Altre proprietà che dipendono dalle caratteristiche fisico/chimiche (tipo di atomi, disposizione degli atomi, forza dei legami ecc.) sono, ad esempio:

• DENSITA': espressa in g/m3. Ogni minerale ha la propria specifica densità.
• TENACITA': tendenza di un minerale a deformarsi. In base alla tenacità si dividono in: fragili (se, sollecitati a pressioni, si rompono senza deformarsi), malleabili (possono essere ridotti a fogli sottili, ad esempio l'oro), duttili (possono essere ridotti a fili, ad esempio il rame).
• SOLUBILITA': tendenza a sciogliersi in acqua. La maggior parte sono pressochè insolubili, altri, come il salgemma, sono facilmente solubili (sale da cucina).
• SFALDATURA: proprietà dei cristalli di rompersi lungo direzioni preferenziali, che dipendono dalla disposizione degli atomi nel reticolo cristallino. La sfaldatura è sfruttata per ottenere perfetti tagli nella lavorazione delle gemme a partire dai minerali grezzi.

LA DUREZZA: LA SCALA DI MOHS

DUREZZA: proprietà di resistere alla scalfitura. I minerali, in base alla durezza sono ordinati nella Scala di Mohs, una scala empirica (ricavata dall'esperienza) inventata dall'omonimo mineralogista nel 1822. Un minerale riesce a scalfine un minerale più tenero ma viene scalfito da un minerale più duro. La scala è organizzata dalla durezza minore (1, talco) alla durezza maggiore (10, diamante). Durezza di oggetti d'uso comune: unghia (2,2), ferro (4), vetro (5,5), acciaio (5,5) porcellana (fino a 8) La durezza dei minerali viene determinata usando una scala ideata dal mineralogista Friedrich Mohs. La scala è costituita da dieci comuni minerali di riferimento a ciascuno dei quali è stata assegnato un valore di durezza, ed è basata sulla capacità di un minerale di scalfire il precedente. Al diamante, il minerale con la durezza più elevata in natura, è stato assegnato il valore 10, il talco ha valore uguale a 1.

1. TALCO
2. GESSO
3. CALCITE
4. FLUORITE
5. APATITE
6. ORTOCLA SIO
7. QUARZO
8. TOPAZIO
9. CORINDO NE
10. DIAMAN TE

LE ROCCE

Le rocce che compongono la litosfera sono formate da un gran numero di minerali. In base alla loro formazione le rocce si dividono in:

• Magmatiche (o ignee): a loro volta divise in rocce intrusive ed effusive
• Sedimentarie: a loro volta suddivise in clastiche, organogene e chimiche
• Metamorfiche: a loro volta divise in foliate (metamorfismo regionale) e non foliate (metamorfismo di contatto)

Le rocce magmatiche e metamorfiche costituiscono il 95% di tutta la litosfera (il 60% circa sono magmatiche e il 35% metamorfiche). Le sedimentarie costituiscono solo il rimanente 5% ma coprono il 75% delle terre emerse e il 95% dei fondali oceanici, perciò sono le più visibili.

Minerals Rocks Granite Quartz Igneous Feldspars Sandstone Sedimentary Orthoclase and Plagioclase Gneiss Micas Metamorphic Muscovite and Biotite

LE ROCCE MAGMATICHE: LE CARATTERISTICHE DEL MAGMA

Le rocce magmatiche derivano dalla solidificazione del magma. Il magma è composto da sostanza liquida incandescente (lava, il magma che fuoriusce in superficie e disperde i propri gas è appunto detto lava) e gas (CO2, vapore acqueo e anidride solforosa sopratutto). La maggior parte dei magmi contengono silice (SiO2), ecco perchè la maggior parte delle rocce magmatiche contengono silicati. In base alla quantità di silice il magma si classifica in:

• acido (o sialico o felsico): alto contenuto di silice. I magmi acidi sono molto viscosi (alta resistenza allo scorrimento), poco densi e quando solidificano formano rocce tendenzialmente di colore chiaro. 6-700℃.
• basico (o femico o mafico): basso contenuto di silice. I magmi basici sono poco viscosi (scorrono più facilmente die magmi acidi), più densi dei magmi acidi e quando solidificano formano rocce d colore scuro. 1200-1300 ℃.
• intermedio: con caratteristiche intermedie tra le felsiche e le mafiche In base alla modalità di raffreddamento del magma, le rocce magmatiche si dividono in intrusive ed effusive.