LEZ.4 - SILICATI E ROCCE MAGMATICHE

(1)

ROCCIA

Aggregato naturale di uno o più

minerali

Feldspati Feldspati Quarzo Quarzo Biotite Biotite Granito = roccia Granito = roccia ignea intrusiva ignea intrusiva composta composta essenzialmente da: essenzialmente da:

Minerali di tipo diverso (es. granito,

basalto)



 roccia polimineralicaroccia polimineralica

Un solo tipo di minerale (es. travertino,

dunite)



(2)

Ma quali caratteristiche ha

un minerale?

•Materiale naturaleMateriale naturale

•Composto inorganico_{Composto inorganico}

•Specifica composizione chimicaSpecifica composizione chimica

•Struttura cristallina definita_{Struttura cristallina definita}

(3)

Struttura cristallina

 Un cristallo è una formazione minerale solida che ha una Un cristallo è una formazione minerale solida che ha una

disposizione periodica e ordinata di atomi ai vertici di una disposizione periodica e ordinata di atomi ai vertici di una

che si chiama reticolo cristallino; la presenza del reticolo che si chiama reticolo cristallino; la presenza del reticolo

conferisce al cristallo una forma geometrica definita. conferisce al cristallo una forma geometrica definita.

(4)

• Una caratteristica essenziale dei minerali è la loro Una caratteristica essenziale dei minerali è la loro struttura cristallina.

struttura cristallina.

• Il termine Cristallo non indica qualcosa di grande o Il termine Cristallo non indica qualcosa di grande o necessariamente bello esteticamente.

necessariamente bello esteticamente.

• Il vetro non è un minerale perchè: non ha nè strutture Il vetro non è un minerale perchè: non ha nè strutture cristalline nè specifiche composizioni chimiche.

cristalline nè specifiche composizioni chimiche.

Quando e perchè si formano i minerali?

•Cristallizzazione per raffreddamento_{Cristallizzazione per raffreddamento}

•Precipitazione a basse temperaturePrecipitazione a basse temperature

(5)

Definizione di roccia.

Problemi

1)

1) Nella definizione di roccia si prescinde dalle Nella definizione di roccia si prescinde dalle caratteristiche caratteristiche meccaniche

meccaniche della sostanza (ossia se il materiale che stiamo della sostanza (ossia se il materiale che stiamo considerando è coerente o incoerente meccanicamente):

considerando è coerente o incoerente meccanicamente): 

SabbiaSabbia: aggregato di più minerali (quindi roccia): aggregato di più minerali (quindi roccia)



 ArenariaArenaria: aggregato di più minerali (quindi roccia): aggregato di più minerali (quindi roccia)

2)

2) Ci sono rocce composte Ci sono rocce composte interamente da vetrointeramente da vetro (ossidiane). (ossidiane). Ma allora non sono rocce! (aggregato di più minerali). Per Ma allora non sono rocce! (aggregato di più minerali). Per

questo paradosso si parla anche di mineraloidi. questo paradosso si parla anche di mineraloidi. 3)

3) Ci sono rocce composte anche da Ci sono rocce composte anche da materiale organicomateriale organico

(carboni opp. rocce sedimentarie con fossili). Ma allora non (carboni opp. rocce sedimentarie con fossili). Ma allora non

sono rocce! (minerale = sostanza non organica). Per questo sono rocce! (minerale = sostanza non organica). Per questo

paradosso si parla anche di mineraloidi. paradosso si parla anche di mineraloidi.

(6)

Silicati che costituiscono

le rocce

•quarzoquarzo

•feldspatifeldspati

•mica (e argille)mica (e argille)

•anfibolianfiboli

•pirossenipirosseni

•olivineolivine

•granatigranati

I minerali che costituiscono più del 95% della crosta I minerali che costituiscono più del 95% della crosta

sono silicati. sono silicati.

Per questo motivo, i silicati sono i minerali più Per questo motivo, i silicati sono i minerali più

importanti. I più diffusi di questi sono: importanti. I più diffusi di questi sono:

Tra i non-silicati, i minerali più

abbondanti sulla superficie

terrestre sono i carbonati

(7)

Silicati

sono una classe di minerali composti

prevalentemente da ossigeno e

silicio; in particolare, la formula

chimica di base comune a tutti è

SiO

4₄

.

A livello geometrico, questi atomi sono disposti in modo da formare un tetraedro (al centro vi è l'atomo di silicio, ai quattro vertici gli atomi di ossigeno)

(8)

Il numero di ossidazione del silicio pari a +4,

e quello dell'ossigeno a -2, ne risulta che

complessivamente ogni tetraedro

presenterà un eccesso di carica negativa

(precisamente una carica di -4) che tende

a distribuirsi sui quattro atomi di ossigeno:

da ciò la presenza (più o meno elevata a

seconda del tipo di silicato) di cationi

metallici, attratti dall'anione tetraedrico.

Questi metalli sono solitamente ferro,

magnesio, potassio, sodio e calcio, ed

hanno una funzione fondamentale nel

legare tra loro le diverse strutture

silicatiche complesse formate dai

tetraedri.

Silicati

(9)

 I gruppi SiO4 sono isolati; gli ossigeni ai vertici dei tetraedri I gruppi SiO4 sono isolati; gli ossigeni ai vertici dei tetraedri

sono legati esclusivamente a metalli diversi dal silicio. Ogni sono legati esclusivamente a metalli diversi dal silicio. Ogni

tetraedro è collegato agli altri non direttamente, ma da tetraedro è collegato agli altri non direttamente, ma da

atomi (prevalentemente Fe ed Al) che fanno da ponte fra i atomi (prevalentemente Fe ed Al) che fanno da ponte fra i

vertici dei tetraedri stessi. vertici dei tetraedri stessi.

 Sono minerali nel cui reticolo cristallino vi è molto spazio Sono minerali nel cui reticolo cristallino vi è molto spazio

per i metalli (

per i metalli (il più basso il più basso rapporto SiO4/metalli) per i rapporto SiO4/metalli) per i quali, non essendovi atomi di ossigeno in comune fra

quali, non essendovi atomi di ossigeno in comune fra

i tetraedri, vale il rapporto

 numerico numerico Si:O = 1:4.Si:O = 1:4.

Nesosilicati

(10)

Nesosilicati

 I tetraedri isolati sono collegati da I tetraedri isolati sono collegati da

cationi come Mg

cationi come Mg2+2+, Fe, Fe2+2+ o Al o Al3+3+))

(11)

 Gli Gli inosilicatiinosilicati (dal greco (dal greco

INOS, fibra) sono silicati in INOS, fibra) sono silicati in

cui i tetraedri si uniscono cui i tetraedri si uniscono

per formare catene singole per formare catene singole o doppie,(rarissime sono le o doppie,(rarissime sono le

catene triple) la cui catene triple) la cui

rispettiva formula chimica è rispettiva formula chimica è

Si

Si22OO66 e Si e Si44OO1111. .

 Agli inosilicati appartengono Agli inosilicati appartengono

due importanti costituenti due importanti costituenti

delle rocce i

delle rocce i pirossenipirosseni (a (a catena singola) e gli

catena singola) e gli

anfiboli

anfiboli (a catena doppia).(a catena doppia).

Inososilicati

(12)

Pirosseni

 formula chimica formula chimica

schematizzabile in schematizzabile in

XYZ

XYZ22OO66 , dove: , dove:

 XX e e YY rappresentano rappresentano

cationi metallici come cationi metallici come

Na Na++, Ca, Ca2+2+, Fe, Fe2+2+, Mg, Mg2+2+ e e Li Li++  ZZ rappresenta Si rappresenta Si4+4+ e e Al

Al3+3+ nei siti tetraedrici nei siti tetraedrici

delle catene. delle catene.

(13)

 si presentano sotto forma di fibre si presentano sotto forma di fibre

più o meno lineari, relativamente

flessibili, avvolte in masserelle

 La composizione può essere La composizione può essere

espressa dalla formula generale

W

W0-1_0-1XX22YY55ZZ88OO2222(OH,F)(OH,F)22, ,

 dove dove

 W indica Na e K, W indica Na e K,

 X indica Ca, Na, Mn, Fe, Mg, Li, _{X indica Ca, Na, Mn, Fe, Mg, Li,}  Y indica Mn, Fe, Mg, Al, Ti, Y indica Mn, Fe, Mg, Al, Ti,  Z indica Si e Al.Z indica Si e Al.



La struttura degli anfiboli si basa

su di una catena doppia Si

su di una catena doppia Si44OO1212

Anfiboli

(14)

 I fillosilicatiI fillosilicati (dal greco (dal greco phyllonphyllon, foglia) sono , foglia) sono

silicati caratterizzati da una struttura a strati a

simmetria tetraedrica e ogni tetraedro tende a

legarsi con altri tre tramite degli ossigeni ponte.

La formula chimica è Si

La formula chimica è Si22OO55. .

 Generalmente sono teneri, con basso peso Generalmente sono teneri, con basso peso

specifico e le lamelle di sfaldatura possono essere

flessibili o elastiche. La maggior parte dei

fillosilicati contengono ossidrili (OH), posizionati

all'interno degli anelli esagonali di tetraedri.

Esempi di fillosilicati sono

Esempi di fillosilicati sono muscovitemuscovite e e biotite biotite

che appartengono ai minerali denominati

che appartengono ai minerali denominati michemiche

Fillosilicati

(15)

Fillosilicati

le argille sono principalmente

composte da fillosilicati silicati, : la loro formula chimica generale è:

(16)

 I I tectosilicatitectosilicati (o (o tettosilicatitettosilicati, dal greco , dal greco tectontecton, ,

costruttore) sono silicati caratterizzati da una

struttura di tetraedri uniti in gruppi di quattro ove

due tetraedri sono orientati verso il basso e due

verso l'alto, formando la caratteristica struttura

definita a doppio collo d'oca, ogni tetraedro

condivide 3 dei 4 ossigeni presenti nel monomero

base dei silicati

 . La formula chimica è SiO. La formula chimica è SiO

2

2. I tectosilicati . I tectosilicati

costituiscono circa il 64% della crosta terrestre.

Tectosilicati

(17)

 I tectosilicati più diffusi sono il quarzo, i I tectosilicati più diffusi sono il quarzo, i

feldspati e le zeoliti

Tectosilicati

(18)

S t r u t t u r a d e ll’a n io n e S iO 44 -N E S O S I L I C A T I ( t e t r a e d r i is o la t i) m in e r a li: O L I V I N A I N O S I L I C A T I ( c a t e n e d i t e t r a e d r i) m in e r a li: ( s in g o la ) , ( d o p p ia ) P I R O S S E N I A N F I B O L I F I L L O S I L I C A T I ( p ia n i d i t e t r a e d r i) m in e r a li: M I C H E T E C T O S I L I C A T I ( s t r u t t u r e 3 D ) m in e r a li: Q U A R Z O F E L D S P A T I,

a

b

c

d

e

(19)

I processi petrogenetici

Le rocce si formano attraverso processi definiti Le rocce si formano attraverso processi definiti petrogenetici.

petrogenetici.

I parametri che controllano tali processi sono : I parametri che controllano tali processi sono :

- Temperatura (T) - Temperatura (T) - Pressione (P) - Pressione (P) - Composizione chimica (X) - Composizione chimica (X)

(20)

- Magmatico o igneo

- Sedimentario

- Metamorfico

Nonostante il fatto che i parametri T, P e

X possano variare con una certa continuità,

i processi petrogenetici sono stati distinti in

tre grandi gruppi:

Ovviamente queste sono semplificazioni classificative ed

esistono casi in natura di rocce che possono essere

classificate a cavallo di due gruppi (es. rocce piroclastiche,

migmatiti, etc.)

(21)

Il processo magmatico

comprende la formazione di tutte le rocce la cui

genesi è correlata alla consolidazione di masse

fuse definite

fuse definite magmimagmi. .

Questi possono provenire dal sottostante Mantello

o formarsi direttamente nella Crosta terrestre

per fenomeni di

(22)

implica la formazione di rocce in

implica la formazione di rocce in ambientiambienti in cui la in cui la temperatura e la pressione sono quelle che si

temperatura e la pressione sono quelle che si realizzano

realizzano nella superficie del pianeta_{nella superficie del pianeta} o nelle sue _{o nelle sue} immediate vicinanze, fondali marini compresi.

immediate vicinanze, fondali marini compresi. I sedimenti si formano per degradazione,

I sedimenti si formano per degradazione,

eventuale trasporto e successiva sedimentazione eventuale trasporto e successiva sedimentazione

di rocce sia magmatiche che metamorfiche o già di rocce sia magmatiche che metamorfiche o già

sedimentarie.

sedimentarie. In alcuni casi si possono formare per In alcuni casi si possono formare per accumulo di materiale organogeno o materiale di

accumulo di materiale organogeno o materiale di precipitazione chimica.

precipitazione chimica.

(23)

trasforma rocce preesistenti in altre che trasforma rocce preesistenti in altre che

posseggono connotati pressoché totalmente posseggono connotati pressoché totalmente

diversi da quelli originari. Ciò si verifica sotto diversi da quelli originari. Ciò si verifica sotto l’effetto di variazioni termiche e bariche [= di l’effetto di variazioni termiche e bariche [= di

pressione] di una certa importanza; durante pressione] di una certa importanza; durante

questo processo, le trasformazioni si realizzano questo processo, le trasformazioni si realizzano nella crosta continentale in assenza di materiali nella crosta continentale in assenza di materiali

litoidi fusi. Questo vuol dire che è un processo che litoidi fusi. Questo vuol dire che è un processo che

avviene sostanzialmente allo

avviene sostanzialmente allo stato solidostato solido..

(24)

Rocce Ignee Ris

alit_a

Alterazione ed erosione

Risalita

Deposizione negli oceani e sui continenti Sedimenti Seppellimento e litificazione Calore e Pressione Rocce Metamorfiche Calore e Pressione Fusione MAGMA A u m en to d i t em pe ra tu ra e p re ss io n e Risalita Raffreddamento Rocce Sedimentarie

Il ciclo delle rocce

(25)

Ambienti P-T

(26)

- La superficie terrestre è composta per circa il

- La superficie terrestre è composta per circa il 66%66% da rocce sedimentarie. La restante parte (

da rocce sedimentarie. La restante parte (34%34%) è ) è

costituita da rocce magmatiche (la grande maggioranza) costituita da rocce magmatiche (la grande maggioranza)

e rocce metamorfiche e rocce metamorfiche

ABBONDANZE RELATIVE DELLE ROCCE

SULLA SUPERFICIE TERRESTRE

- La crosta è lo strato più esterno della Terra - La crosta è lo strato più esterno della Terra

- La crosta rappresenta solo lo 0,74% del volume della - La crosta rappresenta solo lo 0,74% del volume della

Terra. Tuttavia questa è l’unica parte della terra che è Terra. Tuttavia questa è l’unica parte della terra che è

direttamente esposta per lo studio delle rocce direttamente esposta per lo studio delle rocce

(27)

Caratteristiche generali delle rocce

ignee, sedimentarie e metamorfiche

R. MAGMATICHE

R. MAGMATICHE R. SEDIMENTARIER. SEDIMENTARIE R. METAMORFICHER. METAMORFICHE

Minerali caratteristici

feldspati, pirosseni,

quarzo, olivine, miche,

anfiboli, etc. anfiboli, etc. quarzo, carbonati quarzo, carbonati (specialmente calcite e (specialmente calcite e dolomite), argille, dolomite), argille,

anidrite, selce (quarzo

microcristallino), gesso,

etc.

quarzo, miche, anfiboli,

feldspati, granati,

grafite, etc.

(28)

I MAGMI

- DEFINIZIONE

- CARATTERI CHIMICI e FISICI

(29)

I MAGMI

I magmi sono materiali naturali allo stato fuso che possono contenere

anche una certa quantità di cristalli. Nella quasi totalità, i fusi sono

silicatici e raggiungono temperature massime di circa 1200 ºC; solo

alcuni, volumetricamente insignificanti, sono composti in prevalenza

da carbonati e raggiungono temperature massime molto inferiori

(intorno a 700 °C).

(30)

Colata di lava basaltica (Kilauea, Hawaii) Colata di lava basaltica (Kilauea, Hawaii)

(31)

Natura dei magmi

Nei magmi sono presenti pressoché tutti gli elementi Nei magmi sono presenti pressoché tutti gli elementi

esistenti nella Terra; alcuni di questi rappresentano la esistenti nella Terra; alcuni di questi rappresentano la

cosiddetta

componente volatile

vale a dire i gas vale a dire i gas disciolti nella fase fusa.

disciolti nella fase fusa. Si distinguono magmi:

Si distinguono magmi:

Basici

( es. basalto)( es. basalto)

SiO

₂₂

< 52%

Intermedi

( es. andesite)( es. andesite)

52% < SiO

₂₂

< 66%

Acidi

(32)

Composizione del magma

 Il magma ha Il magma ha

composizione

variabile

 O è l'anione più O è l'anione più

abbondante abbondante  SiOSiO 2 2 è il è il componente più componente più abbondante abbondante

 Dal punto di vista Dal punto di vista

composizionale, tre

tipi di magma sono

i più abbondanti

• Basaltico (80%)Basaltico (80%)

• Andesitico (10%)Andesitico (10%)

• Riolitico (10%)Riolitico (10%)

 Gas discioltiGas disciolti

Al₂O₃ Al₂O₃ Al₂O₃ MgO+CaO MgO+CaO MgO+CaO FeO+Fe₂O₃ FeO+Fe₂O₃ FeO+Fe₂O₃ Na₂O+K₂O Na₂O+K₂O Na₂O+K₂_{O altri} altri altri

(33)

La componente volatile o, più semplicemente, i volatili, come mostrano le emanazioni

vulcaniche, sono costituiti, per la massima parte, da

H

H₂₂O, COO, CO₂₂,CO, SO,CO, SO₂₂, H, H₂₂S, HS, H₂₂, ,

cui si aggiungono altri costituenti presenti in quantità minori quali

N

N₂₂, Ar, HCl, HF e B_{, Ar, HCl, HF e B}

Le abbondanze relative di questi gas sono correlate al tipo di magma; la quantità dei restanti componenti è sempre di gran

lunga inferiore a quella dell’H₂O e della CO₂ presenti in tenori

variabili, rispettivamente, dal 30 all’80% e dal 10 al 40% delle moli della fase vapore.

La COMPONENTE

La COMPONENTE VOLATILEVOLATILE

(34)

Come si sciolgono i volatili

Per sciogliere i volatili nei magmi Per sciogliere i volatili nei magmi

sono necessarie elevate pressioni; sono necessarie elevate pressioni;

se queste diminuiscono, come se queste diminuiscono, come

avviene quando il magma si avvicina avviene quando il magma si avvicina

alla superficie, i volatili

alla superficie, i volatili essolvono_essolvono

dal fuso [= si liberano formando dal fuso [= si liberano formando

una fase separata] generando i una fase separata] generando i

boli di vapore tipici di quasi tutti i boli di vapore tipici di quasi tutti i

vulcani attivi. vulcani attivi.

Qualcosa di simile avviene anche Qualcosa di simile avviene anche

quando si stappano le bottiglie di quando si stappano le bottiglie di

birra. birra.

(35)

La solubilità dell’H

₂₂

O nei fusi silicatici

aumenta proporzionalmente alla pressione.

Fuso basaltico

Fuso basaltico (B), (B), andesitico andesitico (A), (A), albiticoalbitico (Ab), e di una (Ab), e di una

pegmatite granitica pegmatite granitica (P)(P)

0,1 GPa (GigaPascal)

= 1 kbar

= 1000 bar

= 10000 m di H

₂₂

O

_O

=



_{3 km di roccia}

(36)

I silicati sono minerali costruiti dall’unione di unità tetraedriche [SiO₄]4- che rappresentano

i

mattoni

delle strutture.

I magmi si formano dalla fusione dei silicati

Tali tetraedri formano catene

nello spazio

nel

piano

Silicio

(37)

Modelli di struttura atomica di fusi silicatici

confrontati con quello della silice cristallina.

(38)

SIGNIFICATO FISICO dei

TETRAEDRI che formano CATENE

In un fuso che possiede unità tetraedriche tra loro collegate dagli ossigeni ponte [= fuso polimerizzato] le singole unità non si muovono liberamente perché soggette ad un notevole attrito interno. In altre parole, il magma è

molto

viscoso

.

L’elevata viscosità riduce anche lo

spostamento degli ioni al suo interno

(39)

I VOLATILI

riducono la viscosità dei magmi

H

H₂₂O (vapore) + O (fuso) = 2 OHO (vapore) + O (fuso) = 2 OH- - (fuso)(fuso)

questa è una reazione di idrolisi che spiega la

dissoluzione dell’acqua nei fusi. Poiché OHOH-- ha una

sola valenza negativa e non due come l’ossigeno ponte, quando lo sostituisce depolimerizza l’insieme perché permette il distacco di due tetraedri adiacenti

Ossigeno Ossigeno

ponte ponte

(40)

Pressione anidra e idrata

La presenza dei volatili favorisce la diminuzione della viscosità se esiste una pressione che permetta la loro

solubilizzazione nel fuso magmatico. Poiché i volatili sono

rappresentati essenzialmente dall’H₂O, la pressione che

agisce sul sistema è definita pressione idratapressione idrata o, più

brevemente, PP_H2O_H2O. Se la pressione è esercitata in mancanza

di volatili, si chiama pressione anidrapressione anidra e gli effetti sono

diametralmente opposti; la viscosità, almeno inizialmente, tende ad aumentare sino a quando, per pressioni molto

elevate (decine di GPa), gli atomi di Si cambiano tipo di coordinazione che da tetraedrica

diventa ottaedrica.

Si

O

(41)

Parametri

Parametri Viscosità (Viscosità ()₎ NoteNote

Temperatura

Temperatura Inversamente Inversamente proporzionale proporzionale

L’energia termica facilita la

depolimerizzazione e, quindi, abbassa la

viscosità.

Pressione secca

Pressione secca Direttamente Direttamente proporzionale proporzionale



 aumenta sino a quando il silicio non cambia _{aumenta sino a quando il silicio non cambia}

tipo di coordinazione tetraedrica

tipo di coordinazione tetraedrica 

ottaedrica.

Pressione idrata

Pressione idrata Inversamente Inversamente proporzionale proporzionale



 diminuisce sino a quando i volatili (ammesso _{diminuisce sino a quando i volatili (ammesso}

che ce ne siano a sufficienza) rimpiazzano

tutti gli ossigeni ponte. Ulteriori aumenti di P,

provocano effetti analoghi a quelli della

pressione secca.

SiO

SiO₂₂ in % elevata in % elevata

(magmi acidi)

(magmi acidi) Alta_Alta

La differenza di viscosità tra magmi basici ed

acidi può essere compensata dal fatto che

questi ultimi tendono ad avere quantità

maggiori di volatili rispetto a quelli basici

maggiori di volatili rispetto a quelli basici. .

SiO

SiO₂₂in % bassa in % bassa

(magmi basici)

(magmi basici) BassaBassa

Le differenze più vistose si notano quando i

magmi perdono pressoché completamente i

loro volatili. Questo avviene nel momento in

cui debordano dai condotti di alimentazione

dei vulcani.