I minerali e le rocce sono i materiali di cui è costituito il nostro pianeta. I primi sono caratterizzati da composizione chimica specifica e proprietà fisiche omogenee. Le rocce invece sono aggregati naturali formati da più minerali (raramente da uno solo) e talvolta anche da sostanze non cristalline.
I minerali sono sostanze solide cristalline naturali, generalmente inorganiche con una composizione chimica specifica. I minerali sono caratterizzati da - proprietà fisiche omogenee, - da una composizione chimica caratteristica e, soprattutto, dal fatto di possedere - un'impalcatura di atomi (reticolo cristallino) che rimane fissa per ciascun minerale. Una delle eccezioni più note è rappresentata dal mercurio il quale, pur comparendo in natura allo stato liquido, è considerato un minerale.
L'espressione esterna della disposizione degli atomi costituenti il minerale, cioè del reticolo cristallino, si definisce "cristallo" [approfondimento 29] . Esso non è altro che una forma poliedrica, con particolare disposizione delle facce, degli spigoli e dei vertici tale da rispettare il più possibile l'equilibrio interno degli atomi. I tipi di cristalli possibili nel mondo minerale sono abbastanza limitati. Questo perché le distribuzioni atomiche possibili non sono infinite e le regole con le quali da un reticolo elementare si ottiene per accrescimenti successivi un cristallo visibile sono relativamente semplici. Se, vedendo una collezione mineralogica, può sembrare che le forme dei minerali siano tante e complicate, questo è dovuto al fatto che le poche forme fondamentali si combinano in vario modo, assumendo sviluppi irregolari.
In una sostanza cristallina gli atomi sono disposti in strutture tridimensionali ordinate, all'interno delle quali è possibile individuare un insieme di reticoli incastrati, ognuno dei quali ha ai propri vertici (nodi) atomi di uno stesso elemento. In questo incastro può essere individuata un'unità minima (cella elementare) la cui ripetizione nello spazio origina l'intera struttura cristallina caratteristica della sostanza solida (fig. 1).
Fig. 1 - Reticoli di Bravais.
Le sostanze solide non cristalline sono vetrose. Le sostanze vetrose hanno gli atomi distribuiti in modo disordinato e sono paragonabili a dei liquidi sopraraffreddati. Esempi naturali sono i vetri vulcanici (pomici, scorie, ossidiane).
Essendo i cristalli corpi visibili, la prima osservazione che si può fare è quella sulla loro forma, sia a occhio nudo che con vari tipi di microscopio. Osservazioni più specifiche per il riconoscimento vengono fatte con raggi X e con le analisi chimiche. La prima regola fondamentale della cristallografia, enunciata nel 1667 da Niels Stensen, medico alla corte dei Medici col nome di Nicola Stenone, stabilisce che "in tutti i cristalli di una certa sostanza, a parità di pressione e temperatura, gli angoli diedri che le stesse facce fanno tra loro sono uguali". Questo significa che nei cristalli non hanno valore le dimensioni relative delle singole facce, ma solamente gli angoli che esse formano tra loro. Quindi, un cristallo di quarzo di un metro avrà le stesse misure angolari di un cristallo, sempre di quarzo, di un millimetro ma diverse da quelle dei cristalli di ogni altro minerale.
Il cristallo di un minerale si forma quando esistono condizioni tali per cui, attraverso una serie di reazioni chimico -fisiche, partendo da atomi disordinati si arriva a pezzi di materia rigorosamente organizzati in modo periodico e omogeneo. Ogni cambiamento (variazioni di temperatura e pressione, ad esempio) può interrompere la crescita dei cristalli o modificarne la struttura.
L'ossigeno (O2) e il silicio (Si) sono gli elementi più abbondanti nella crosta terrestre e nel sottostante mantello e, pertanto, molti dei minerali che conosciamo sono costituiti da questi elementi detti silicati. La loro varietà deriva dal modo in cui si uniscono questi due elementi. Tutti i silicati presentano gruppi formati da un atomo di silicio e quattro di ossigeno (SiO4), disposti con una geometria a tetraedro, al cui centro vi è il silicio e ai vertici l'ossigeno (fig. 2).
Fig. 2 - Gruppo fondamentale SiO4.
Le varie strutture dei silicati derivano dai diversi modi con cui questi tetraedri si associano (fig. 3A-F).
Fig. 3a - Strutture cristalline dei silicati: nesosilicati.
Fig. 3b - Strutture cristalline dei silicati: sorosilicati.
Fig. 3c - Strutture cristalline dei silicati: ciclosilicati.
Fig. 3d - Strutture cristalline dei silicati: inosilicati.
Fig. 3e - Strutture cristalline dei silicati: fillosilicati.
Fig. 3f - Strutture cristalline dei silicati: tettosilicati.
Le rocce non sono solo "pietre" senza significato ma raccontano la storia della Terra, sono la testimonianza dei fenomeni geologici avvenuti nel tempo.
Le rocce sono aggregati naturali formati da più minerali (raramente da uno solo), talvolta anche da sostanze non cristalline, che vengono formate in differenti condizioni ambientali da differenti processi geologici e quindi sono una guida per comprendere i processi stessi che le hanno prodotte e gli ambienti in cui si sono formate. Le rocce vengono distinte in tre grandi gruppi :
1 - rocce sedimentarie
2 - rocce metamorfiche
3 - rocce magmatiche
Le rocce sedimentarie si formano per accumulo e compattazione di minerali e granelli detritici di varia natura derivati da rocce preesistenti (rocce sedimentarie clastiche [approfondimento 30]), per precipitazione chimica nell'acqua (rocce sedimentarie chimiche [approfondimento 30]), per attività biochimica di organismi (rocce sedimentarie biochimiche [approfondimento 30] (fig. 4).
Fig. 4 - Rocce sedimentarie.
Pur essendo quantitativamente le meno abbondanti dell'intera crosta terrestre, sono quelle che formano l'80% della sottile copertura esterna e quindi sono le più visibili sulla superficie terrestre. Le rocce sedimentarie rivestono grande importanza sia per aspetti pratici ed economici (depositi di petrolio, gas naturali, carbone, uranio, ferro e molti altri elementi indispensabili per lo sviluppo della società industriale sono legati alla presenza di rocce sedimentarie) sia nello sviluppo del pensiero scientifico che, partendo dall'osservazione dei fossili in esse contenuti, ha ricostruito le tappe biologiche e geologiche dell'evoluzione della Terra.
I sedimenti, qualunque origine e natura abbiano, tendono a depositarsi a strati. Ogni strato di sedimento che si depone viene nel tempo sepolto da altri strati e subisce una lunga serie di modifiche che lo trasformano in una roccia solida. La trasformazione in roccia avviene in parte come risposta alla compattazione, con la quale le particelle vengono più strettamente impaccate le une alle altre sotto il peso dei sedimenti sovrastanti. Il volume viene notevolmente ridotto per espulsione dell'acqua interstiziale che occupa gli spazi tra le particelle. Allo stesso tempo i granuli possono essere ulteriormente consolidati fra loro dalla deposizione negli interstizi di sostanze minerali, processo denominato cementazione. Fenomeni di soluzione e ricristallizzazione possono provocare una più forte adesione delle particelle fra loro. Tutti i processi che agiscono su di un sedimento depositato e che portano alla formazione di una roccia compatta sono noti con il termine di diagenesi.
Le rocce metamorfiche si formano per riorganizzazione mineralogica e strutturale di preesistenti rocce (sedimentarie, magmatiche o metamorfiche) sottoposte a condizioni di pressione e/o temperatura diverse da quelle esistenti al momento della loro formazione (fig. 5). L'intervallo di temperatura a cui avviene il fenomeno è compreso tra i 200° e i 1000°, a seconda delle rocce coinvolte. Tali processi avvengono sempre allo stato solido e la composizione chimica complessiva della roccia viene mantenuta.
Fig. 5 - Rocce metamorfiche.
Una roccia formatasi attraverso i processi di metamorfismo viene definita metamorfica di basso, medio o alto grado, a seconda che sia stata interessata da fenomeni di variazione di pressione o temperatura da poco a molto intensi.
Si distinguono due tipi principali di metamorfismo [approfondimento 31] quello regionale, che avviene su vaste aree ed è associato alla formazione delle montagne e quello di contatto, che è legato a zone relativamente vicine a sorgenti magmatiche.
Le rocce magmatiche o ignee (fig. 6) si formano dalla solidificazione di un magma e costituiscono circa l'80% della massa totale della crosta terrestre. Il magma è una sostanza naturale ad alta temperatura (700 - 1200°C), composta prevalentemente da materiale roccioso fuso e da quantità variabili di gas e di solidi (pezzi di roccia o cristalli).
Fig. 6 - Rocce magmatiche.
Le rocce ignee si distinguono in base alla loro struttura e alle modalità di raffreddamento in:
rocce intrusive [approfondimento 32] a grana cristallina grossa prodotte da un lento raffreddamento del magma nella profondità della crosta;
rocce effusive a grana cristallina fine prodotte dal raffreddamento rapido del magma che raggiunge la superficie attraverso un apparato vulcanico (capitolo 4. I vulcani).
Le rocce ignee vengono anche classificate sulla base dei minerali da cui sono costituite in una serie che va da rocce ricche in silice, come i graniti (intrusiva), spesso di colore chiaro, a rocce povere di silice, come i basalti (effusiva), in genere di colore scuro.
Le rocce vulcaniche effusive possono essere molto diverse una dall'altra e della loro classificazione si occupa in particolare la vulcanologia (capitolo 4. I vulcani). Possono essere suddivise tra quelle derivanti dalla solidificazione di colate di lava (fig. 7) emesse durante le eruzioni effusive (prevalentemente basalti ma anche porfidi) e quelle formate dall'accumulo di particelle solidificate (piroclasti) derivate da frammenti di magma emessi durante le eruzione esplosive.
Fig. 7 - Roccia vulcanica.
I piroclasti sono in prevalenza ceneri e pomici che possono compattarsi e saldarsi fino a formare le rocce piroclastiche (fig. 8) (tufi vulcanici).
Fig. 8 - Depositi piroclastici.