2 Petrografia
2.1
Introduzione
Col termine petrografia si indica la scienza che studia la composizione, l’aspetto, la struttura, la tessitura e la classificazione delle rocce [8].
Le rocce sono state impiegate come materiali da costruzione fin dai tempi più antichi per le loro eccezionali qualità: resistenza, durabilità e varietà di aspetto e colorazione.
In questo capitolo si descriveranno dapprima i minerali ed alcune loro proprietà, in quanto si tratta dei costituenti delle rocce. In seguito si farà cenno al ciclo litologico, si darà una classificazione delle rocce in magmatiche, sedimentarie e
metamorfiche. Infine si analizzeranno le caratteristiche delle rocce utilizzate in
questo lavoro di ricerca.
2.2
I minerali
Si definisce minerale un corpo naturale, per lo più solido ed inorganico, omogeneo dal punto di vista chimico e fisico, in quella condizione stabile, anisotropa dello stato solido che è lo stato cristallino.
I minerali assumono una forma poliedrica caratteristica, detta cristallo, definibile come una porzione omogenea di sostanza allo stato cristallino delimitata da facce, spigoli e vertici. La forma esterna dei cristalli è strettamente legata alla struttura reticolare (reticolo cristallino) che hanno gli atomi delle sostanze componenti il minerale.
Il reticolo cristallino va considerato come un complesso di atomi disposti ordinatamente e periodicamente. Esso è composto da celle elementari a forma di parallelepipedo; la cella è definita dalle “costanti reticolari” cioè dalla lunghezza dei
tre lati e dai tre angoli tra i lati stessi (le lunghezze sono misurate in Angstrom 1Å=10-8 cm, gli angoli sono misurati in gradi).
Ogni minerale ha costanti reticolari caratteristiche e ben determinate che ne consentono il riconoscimento in base al fenomeno fisico della diffrazione dei raggi X.
Nei cristalli di ciascun minerale è caratteristico il ripetersi degli stessi valori angolari fra le facce omologhe di cristalli diversi; in questo modo tutti i cristalli possono essere ricondotti ad un modello di base, anche se presentano forme irregolari e difettose. I cristalli sono contraddistinti dalla simmetria che si manifesta nella disposizione e ripetizione di facce, spigoli e vertici.
Non sono considerati minerali i vetri, corpi amorfi in condizione metastabile, isotropa. I due tipi di sostanze (minerali e corpi amorfi) si distinguono soprattutto per il diverso comportamento al momento della loro solidificazione da un fuso. Il fuso si raffredda con un decremento di temperatura; raggiunta la temperatura di solidificazione esso non subisce variazioni termiche e si trasforma da liquido a solido, l’abbassamento della temperatura riprende quando è terminato il processo di solidificazione (minerale). Se il raffreddamento è troppo rapido o avviene in assenza di catalizzatori il materiale raggiunge una condizione metastabile senza che sia avvenuta una vera e propria solidificazione (corpo amorfo).
Le proprietà fisiche costituiscono un elemento utilissimo per il riconoscimento dei minerali in quanto caratteristiche peculiari di ciascun minerale. In particolare le
proprietà ottiche (mono o birifrangenza, indice di rifrazione, pleocroismo, colore
d’interferenza) assumono un carattere diagnostico di primaria importanza. Infatti il riconoscimento dei minerali avviene principalmente per via ottica (microscopia in luce polarizzata su sezione sottile) sfruttando queste proprietà.
Infine si possono distinguere nei cristalli di ciascun minerale le proprietà scalari e le proprietà vettoriali. Le prime vengono definite da un numero e tra esse ricordiamo: la densità, il volume, la temperatura. Le seconde sono definite precisando una direzione e fornendo un numero e tra esse ricordiamo: la velocità di propagazione della luce, la dilatazione termica, la coesione, l’elasticità, la durezza.
2.3
Le rocce
Si definisce roccia un’associazione naturale costituita da un aggregato mono o polimineralico che rappresenta il risultato tendenzialmente di equilibrio di un processo genetico che si ripete in modo regolare e/o che si sviluppa su grande scala.
Le rocce sono generalmente costituite da un numero limitato di specie minerali. In alcune è presente un solo minerale essenziale (i calcari, ad esempio, sono costituiti quasi interamente da calcite); in altre si trovano diversi minerali (i conglomerati, ad esempio, possono avere una composizione mineralogica molto complessa).
La determinazione della composizione mineralogica di una roccia è molto importante per la sua conoscenza e la sua classificazione.
Le rocce costituiscono la parte esterna della Terra denominata crosta. Si rammenta che la Terra è costituita da tre parti distinte: nucleo, mantello, e crosta. La crosta ha uno spessore variabile da alcuni chilometri (al di sotto degli oceani) ad alcune decine di chilometri (al di sotto dei continenti).
Diamo di seguito due definizioni: con il termine struttura si indica la forma dei singoli minerali componenti una roccia, le loro dimensioni, il modo di aggregarsi e le reciproche relazioni; con il termine tessitura si indica la disposizione su larga scala dei componenti nello spazio e si definiscono quegli aspetti determinati dall’orientamentoorientazione dei cristalli (insieme delle caratteristiche di una roccia su scala geologica).
Dopo aver determinato la composizione mineralogica di una roccia, si procede all’osservazione della struttura, effettuata al microscopio. La struttura è caratteristica di ogni tipo di roccia, ad esempio. Rocce con eguale associazione mineralogica ed uguale composizione chimica possono avere strutture diverse. Ad esempio calcare di Viggiù ed il marmo di Carrara sono rocce costituite da calcite e la loro composizione chimica è rappresentata da carbonato di calcio (CaCO3). La loro struttura risulta
tuttavia completamente diversa: nel calcare si nota la struttura oolitica (gli ooliti sono corpuscoli sferici e subsferici vedi fig. 2.1), nel marmo si nota la sua struttura granoblastica in cui i cristalli di calcite sono disposti a mosaico (fig. 2.2).
Figura 2.1 Calcare oolitico
Figura 2.2 Calcare cristallino (marmo)
2.4
Classificazione delle rocce
Le rocce possono essere classificate secondo vari sistemi, noi seguiremo quella basata sulla genesi, cioè in base al modo in cui si sono formate la rocce stesse, distinguendole in:
- rocce magmatiche o ignee (formatesi per cristallizzazione di un magma);
- rocce sedimentarie (formatesi in seguito al deposito di materiale proveniente dalla
degradazione di altre rocce);
- rocce metamorfiche (formatesi in seguito alla trasformazione di altre rocce sotto l’azione di agenti esterni quali pressione e temperatura).
2.4.1 Ciclo litologico (o petrogenetico)
I tre gruppi in cui vengono suddivise le rocce non possono essere visti come entità distinte ed immutabili, essi fanno parte invece di un ciclo di cui costituiscono una fase transitoria.
Figura 2.3 Ciclo litologico o petrogenetico
Il ciclo, come schematizzato in figura 2.3, inizia con il raffreddamento ed il consolidamento di un magma che porta alla formazione di una roccia magmatica (intrusione plutonica – vulcanismo). In seguito movimenti tettonici portano in superficie questa roccia che viene sottoposta successivamente ad un’alterazione chimica e ad una disgregazione fisica da parte degli agenti atmosferici, con formazione di prodotti che vengono trasportati e depositati in particolari ambienti costituendo i sedimenti. Lo sprofondamento delle aree di deposito consente l’accumulo dei sedimenti ed il carico dei sedimenti deposti porta alla litificazione (o diagenesi: trasformazione fisica o chimica di un sedimento mobile in roccia compatta) con la conseguente formazione della roccia sedimentaria. Questa può venire in superficie attraverso i fenomeni della regressione marina ed i movimenti tettonici. Quando la pressione e la temperatura superano un certo limite e sono associate a movimenti della crosta terrestre, hanno luogo trasformazioni strutturali e composizionali che portano alla formazione della roccia metamorfica.
Infine nelle parti più profonde della crosta terrestre possono avvenire fenomeni di fusione parziale delle rocce (anatenessi) con la formazione di nuovi magmi.
2.4.2 I minerali delle rocce
In questo paragrafo sarà data una indicazione dei minerali essenziali (costituenti veri e propri della roccia) trascurando i minerali accessori (diffusi nelle rocce, ma in quantità ridotte).
Le rocce magmatiche sono costituite da: quarzo, ortose, plagioclasio, miche,
anfiboli, pirosseni, olivina, feldspatoidi. Si noti che i feldspati (ortose e plagioclasio)
costituiscono da soli oltre il 50% dei minerali di queste rocce.
Le rocce sedimentarie sono costituite da quasi tutti i precedenti minerali con aggiunta di calcite, dolomite e gesso.
Le rocce metamorfiche sono costituite da tutti i precedenti minerali con aggiunta di altri minerali caratteristici (granato, serpentino,ecc.).
2.5
Rocce magmatiche o ignee
Le rocce magmatiche si sono formate in seguito alla cristallizzazione di un magma. Il magma è una massa a temperatura elevata formata da un miscuglio di liquido, gas, cristalli; è più o meno viscoso e suscettibile di movimento. Si tratta di un sistema fisico-chimico a molti componenti consistente in una fase liquida (fuso) e di un certo numero di fasi solide in sospensione (cristalli); può essere presente anche una fase gassosa.
I principali componenti di un magma ( i cui valori sono espressi come percentuali in peso) sono: silice (40-75%), allumina (10-20%), magnesio (tracce-12%), sodio (1-8%), potassio (tracce-7%).
In funzione della quantità di silice presente, un magma viene definito acido (percentuale di silice superiore al 65%) o basico (percentuale di silice inferiore al 52%); un magma con una percentuale di silice compresa fra 52% e 60% è detto
neutro.
La viscosità di un magma è legata alla temperatura, alla pressione cui è sottoposto ed alla percentuale di silice. In particolare se un magma è povero di silice esso è meno viscoso (più fluido) di uno più ricco di silice. Aumentando la viscosità aumenta la percentuale di sostanza vetrosa (corpi amorfi).
La temperatura di un magma è compresa fra 750°C e 1350°C.
La cristallizzazione di un magma procede con la riduzione della temperatura nella massa magmatica. Esiste un ordine di cristallizzazione dei minerali in seguito al raffreddamento del magma. I minerali che cristallizzano per primi (olivine, plagioclasio di calcio) si trovano immersi in un liquido che permette di sviluppare cristalli con una forma regolare e ben definita (minerali idiomorfi), quelli che cristallizzano per ultimi (quarzo) si devono adattare agli spazi residui e non hanno forma ben definita (minerali allotriomorfi).
2.5.1 Classificazione delle rocce magmatiche
Una prima suddivisione delle rocce magmatiche viene fatta in base al luogo in cui il magma è cristallizzato, si distinguono rocce plutoniche (o intrusive) e rocce
vulcaniche (o effusive, fig. 2.4).
Le rocce plutoniche si formano all’interno della crosta terrestre, esse possono venire alla superficie per cause tettoniche e geomorfologiche. Per la tranquillità con cui procede la cristallizzazione, sono caratterizzate da strutture granulari. Tra le rocce plutoniche troviamo: il granito, la sienite, la diorite, il gabbro.
Le rocce vulcaniche si formano sulla superficie terrestre, il magma è portato in superficie attraverso il fenomeno del vulcanismo (fuoriuscita di lava). La rapidità del raffreddamento del magma impedisce le reazioni di cristallizzazione con la conseguente formazione di una struttura porfirica, caratterizzata da una massa di fondo composta da minutissimi cristalli in cui sono inclusi pochi grandi cristalli ben formati (fenocristalli). Esempi di rocce vulcaniche sono: il porfido, l’andesite, il basalto. ROCCE MAGMATICHE Plutoniche ( o intrusive) Vulcaniche (o effusive) graniti sieniti dioriti basalti porfidi ossidiane pomici
Figura 2.4 Schema di classificazione delle rocce magmatiche
2.6
Rocce sedimentarie
Le rocce sedimentarie sono costituite da materiali (detti sedimenti) provenienti dalla disgregazione, attraverso processi di varia natura, di rocce preesistenti.
La formazione di una roccia sedimentaria può essere suddivisa in quattro fasi: - I fase: alterazione delle rocce preesistenti sulla superficie terrestre con formazione di detriti solidi e di sostanze in soluzione. Quando una qualsiasi roccia entra in contatto con l’atmosfera, iniziano i processi di alterazione e possono essere di tipo
fisico, chimico e biologico.
I processi fisici causano la disintegrazione della roccia senza modificarne la composizione chimica e mineralogica (es.: temperatura, erosione ghiacciai, abrasione vento).
I processi chimici portano a cambiamenti nella composizione della roccia e nelle sue proprietà con perdita dei caratteri originari (es.: carsismo, piogge acide).
I processi biologici hanno una notevole influenza sull’alterazione favorendo sia i fenomeni fisici che i fenomeni chimici (es.: licheni, muschi, alghe).
I tre processi agiscono quasi sempre contemporaneamente, soprattutto nei climi umidi. Come conseguenza dell’alterazione si formano: i detriti, costituiti da minerali primari (i costituenti originali della roccia) e da minerali secondari (minerali argillosi a granulometria molto fine) derivati dai primari in seguito a processi chimici; ed il
materiale in soluzione (ioni alcalini, alcalino-terrosi, ecc.).
- II fase: trasporto del materiale detritico e di quello in soluzione ad opera dei fiumi, dei venti, dei ghiacciai, ecc.
Il trasporto del materiale detritico avviene per gravità (frane, colate, ecc.) o ad opera delle acque continentali (fiumi), delle correnti marine, dei ghiacciai, del vento. Il trasporto del materiale in soluzione avviene ad opera delle acque.
L’azione di trasporto produce un arrotondamento degli spigoli negli elementi detritici (clasti), una classazione del materiale (suddivisione in base all’omogeneità delle dimensioni), una orientazione preferenziale (in presenza di clasti in forma allungata).
La durata del trasporto influisce sulla forma degli elementi detritici, sulle dimensioni, sulla composizione mineralogica.
- III fase: deposizione (sedimentazione) del materiale in ambienti diversi (continentale, marino, ecc.). La sedimentazione può essere meccanica, chimica e
biochimica ed avviene per strati successivi.
La sedimentazione meccanica riguarda il materiale detritico e si differenzia in base all’ambiente in cui avviene (marino, fluviale, glaciale, ecc.); essa è legata alla perdita di capacità di trasporto del mezzo (acqua, vento, ghiaccio) per diminuzione di energia (ad esempio la diminuzione di velocità di un fiume che si getta nel mare e che produce una sedimentazione dei detriti trasportati).
La sedimentazione chimica riguarda il materiale trasportato in soluzione per variazioni intervenute nel mezzo (aumento di temperatura, assenza di moto, ecc.). La sedimentazione biochimica riguarda ancora il materiale trasportato in soluzione (ad esempio il carbonato di calcio) che può essere fissato da organismi acquatici (molluschi, coralli, foraminiferi) per la formazione del proprio guscio. I gusci, dopo la morte degli animali, si depositano e si accumulano nei bacini sedimentari.
- IV fase: formazione della roccia (litificazione dei sedimenti) dovuta alla pressione esercitata da altri sedimenti che si accumulano via via sopra di essi.
Immediatamente dopo la sedimentazione ha inizio la diagenesi, cioè quell’insieme di processi chimici e fisici che portano alla formazione della vera e propria roccia implicando mutamenti di composizione e di tessitura. La temperatura che si può raggiungere durante la diagenesi e inferiore ai 200°C (a temperature superiori siamo nel metamorfismo). I processi diagenetici si distinguono in processi iniziali e
processi tardivi: i primi hanno luogo dal momento della sedimentazione fino ad un
modesto seppellimento e in questa fase è attiva l’azione batterica; i secondi hanno luogo durante un seppellimento più profondo. La durata dei processi diagenetici è pari ad alcune decine di milioni di anni.
2.6.1 Classificazione delle rocce sedimentarie
Nella classificazione delle rocce sedimentarie distinguiamo due gruppi: le rocce
detritiche e le rocce di precipitazione chimica e biochimica. La differenza è basata
sui diversi modi di trasporto e di sedimentazione dei materiali.
Le rocce detritiche o clastiche derivano dal materiale trasportato in forma solida; le rocce di precipitazione chimica e biochimica derivano dal materiale trasportato in soluzione, lo schema della classificazione delle rocce sedimentarie è riportato in figura 2.5.
Figura 2.5 Schema di classificazione genetica delle rocce sedimentarie
Le rocce detritiche o clastiche si suddividono in base alle dimensioni, via via decrescenti, dei singoli elementi detritici (clasti) in quattro gruppi: conglomerati,
arenarie, argille, tufi (fig. 2.6).
Figura 2.6 Suddivisione delle rocce sedimentarie detritiche o clastiche
Le rocce di sedimentazione chimica si suddividono in tre gruppi: calcari dolomie,
evaporiti. Si differenziano tra loro per composizione chimica e per i processi
diagenetici che portano alla loro formazione. Fanno parte di questo gruppo di rocce anche i travertini e gli alabastri (fig. 2.7).
Figura 2.7 Suddivisione delle rocce sedimentarie chimiche e biochimiche
2.7
Rocce metamorfiche
Per metamorfiche s’intendono quelle rocce che hanno subito modificazioni nella composizione mineralogica o nella struttura e nella tessitura in seguito a mutamenti di temperatura e pressione (metamorfismo). Il metamorfismo avviene sempre in profondità nella crosta terrestre e le rocce possono venire in superficie in seguito a fenomeni orogenetiche geomorfologici. Tutte le rocce possono essere soggette al metamorfismo.
I processi metamorfici sono considerati come una serie d’interazioni, allo stato solido, fra i diversi minerali che compongono la roccia originaria. Le reazioni, rese possibili dalla presenza di piccole quantità di fluidi intercristallini, non portano a cambiamenti nella composizione chimica elementare, si avranno quindi gli stessi elementi chimici già presenti nella roccia originaria. All’aumentare della temperatura cresce l’attività solvente dei fluidi presenti nelle rocce, i minerali che si formano sono però stabili solo in un ristretto campo di temperatura e pressione. Si può quindi affermare che durante il processo metamorfico la composizione mineralogica di una roccia varia in continuazione al variare di temperatura e pressione.
Le prime reazioni metamorfiche avvengono ad una temperatura di poco superiore ai 300°C e vi prendono parte solo alcuni minerali; con l’aumentare della temperatura vengono coinvolti tutti i minerali originari. Esistono tuttavia alcuni minerali originari che grazie alla loro grande stabilità possono permanere nella nuova composizione mineralogica e vengono definiti “relitti”.
Si nota che le rocce metamorfiche presenti sulla superficie terrestre hanno una composizione mineralogica in equilibrio con la massima temperatura e pressione raggiunte nel metamorfismo; non si verifica quindi il fenomeno inverso quando, in seguito ai movimenti orogenetici e all’azione geomorfologia, la roccia si è venuta a trovare in condizioni di temperatura e pressione inferiori.
Distinguiamo tre tipi di metamorfismo: regionale, di contatto e dinamico.
Il metamorfismo regionale interessa una grande estensione di rocce (decine, fino a centinaia di chilometri) in aree sottoposte a movimenti orogenetici che provocano un aumento di temperatura e pressione, dando quindi origine a nuove tessiture. Un tipo particolare di metamorfismo regionale è il metamorfismo di carico dovuto all’aumento di pressione provocato dal peso delle rocce soprastanti (spessori di alcuni chilometri) in zone sottoposte a movimenti orogenetici.
Il metamorfismo di contatto agisce su settori dello spessore di pochi metri, decine e centinaia di metri ed è causato dall’aumento di temperatura connesso ad intrusioni magmatiche. L’area interessata è limitata ad un’aureola di rocce intorno all’intrusione.
Infine troviamo il metamorfismo dinamico causato dall’aumento di pressione in prossimità di zone di frattura o di faglia (aree tettoniche); esso interessa zone molto limitate e dà luogo a nuove strutture e tessiture.
Il metamorfismo è compreso fra una temperatura di circa 300°C (al di sotto si ha la diagenesi) ed una temperatura di 800°C (al di sopra della quale la roccia non può sussistere allo stato solido e avviene la fusione e la formazione di nuovi magmi).
2.7.1 Classificazione delle rocce metamorfiche
La classificazione delle rocce metamorfiche è basata sulla natura della roccia originaria, sulla composizione mineralogica, e sul grado metamorfico, tenendo separati i diversi tipi di metamorfismo.
Se la roccia originaria è magmatica si avranno ortoscisti, se la roccia originaria è
sedimentaria si avranno i parascisti.
Figura 2.8 Schema di classificazione delle rocce metamorfiche
Caratteristiche delle rocce impiegate nella ricerca
vendo fornito le nozioni di petrografia è possibile ora descrivere le car
caratteristiche elencando:
2.8
A
atteristiche delle rocce costituenti le mattonelle oggetto di questa ricerca. Le pietre sono state suddivise secondo i diversi litotipi individuabili sulla base di una classificazione genetica delle rocce; di ciascun litotipo vengono riportate le diverse
- i minerali e gli elementi chimici principali; - la struttura, la grana ed il colore prevalente;
rsi foggiare in forme opportune); in architettura;
entualmente esempi significativi per ciascun
quarzo, biotite e minerali accessori. Presenta una struttura granulare idiomorfa (con una
gli impieghi sono: come colonne,
venature. La struttura è gra
ude spesso resti vegetali ed è ricca di cavità. - le diverse tipologie;
- la lavorabilità (intesa come attitudine a lascia - i principali impieghi
- i principali fenomeni di alterazione e le cause che li originano; - le zone italiane di affioramento ed ev
litotipo.
Granito: roccia magmatica plutonica acida, costituita da ortoclasio, plagioclasio,
forma propria e ben definita) con grana da media a grossa, il colore dipende generalmente da quello dell’ortoclasio presente ed è variabile dal bianco al rosa o rosso. La punteggiatura nera è dovuta alla biotite.
La lavorabilità è scarsa, ma si presta ad essere lucidato; le tipologie presenti (disponibili) sono sotto forma di blocco o di lastra;
a muro o per pavimenti. Forme di alterazione sono: la scagliatura e la polverizzazione, e la causa è la cristallizzazioni di sali. Le aree di affioramento in Italia sono localizzate in Lombardia (Baveno), nell’Isola d’Elba, in Sardegna. Un esempio di questo litotipo è appunto il granito di Baveno.
Marmo: roccia metamorfica regionale costituita da calcite o dolomite, con presenza di quarzo e muscovite in corrispondenza di
noblastica con scistosità ridotta, la grana è molto diversificata (maggiore nei marmi alpini, minore in quelli appenninici); il colore è variabile da bianco a grigio venato, rosa o giallo. Le tipologie disponibili sono sotto forma di blocchi o lastre; la lavorabilità è ottima così come la lucidabilità. Vengono impiegati nella scultura e nella decorazione, oltre che come pavimenti o a muro. L’alterazione più diffusa è l’erosione ed una causa è la dissoluzione. I marmi sono abbondanti nell’Appennino toscano (zona delle Apuane), più rari nelle Alpi (Piemonte, Lombardia, Friuli); un classico esempio è il marmo di Carrara.
Travertino: roccia sedimentaria chimica formatasi in ambiente fluviale da acque ricche di carbonato di calcio; essa racchi
È c
ed hanno mantenuto quindi gli spigoli vivi (l’o
al grigio. È disponibile in blocchi e las
ostituta prevalentemente da calcite; la tessitura e del tipo boundstone (legata), il colore è variabile dal bianco al bruno. Le tipologie disponibili sono sotto forma di blocchi o lastre, la lavorabilità è buona e si presta anche alla lucidatura. L’impiego è di solito su muro; l’alterazione più comune è l’erosione causata dalla dissoluzione. Un esempio è il travertino di Tivoli.
Breccia sarda: roccia sedimentaria detritica appartenente ai conglomerati in cui i clasti non hanno subito trasporto
rigine è legata a crolli e frane). I minerali che la compongono sono variabili, la grana è molto grossolana. La tipologia più diffusa è in blocchi, la lavorabilità è scarsa ma è lucidabile; l’utilizzo più diffuso è su muro sia all’interno che all’esterno. Le alterazioni sono di due tipi: l’erosione e il distacco (separazione di due strati) causate dalla dissoluzione del cemento calcareo.
Coreno: roccia metamorfica regionale, fa parte dei marmi di cui mantiene in generale le caratteristiche. Il colore va dal bianco
tre; la lavorabilità è buona ed anche la lucidabilità. È solitamente usato come rivestimento interno; l’alterazione più comune è l’erosione causata dalla dissoluzione.
