Università degli Studi di Roma La Sapienza Laurea in Scienze Ambientali Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia Docente : Prof. Lucio Morbidelli (dott. Michele Lustrino) tel.: 06-49914158 e-mail: [email protected] Collaboreranno al corso: dott. Giovanni B. Andreozzi (per la parte di mineralogia) Lezioni on-line al sito: http://tetide.geo.uniroma1.it/sciterra/wed/corsoterra.html PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 SCOPI e METODI della PETROGRAFIA La conoscenza della petrografia rappresenta il primo passo per capire la complessità della dinamica terrestre che in definitiva interessa corpi rocciosi siano essi profondi o superficiali. Se si conoscono i caratteri essenziali delle rocce si può iniziare lo studio della loro genesi ed evoluzione che rappresentano gli argomenti fondamentali di un’altra disciplina affine denominata PETROLOGIA. Non conoscere la PETROGRAFIA per un Geologo equivale a non conoscere l’anatomia per un medico. PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 SCOPI e METODI della PETROGRAFIA I metodi di studio della PETROGRAFIA sono: MICROSCOPIO OTTICO; APPARECCHIATURE di FLUORESCENZA X; MICROSCOPIO ELETTRONICO; MICROSONDA ELETTRONICA, ecc. PRIMA di utilizzare le strumentazioni che spaziano dal martello ad attrezzature molto sofisticate e di alta tecnologia è necessario conoscere in modo adeguato il mondo delle ROCCE ed in particolare il divenire o, meglio, il succedersi degli eventi che possono trasformare rocce di un certo tipo in altre totalmente differenti. PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 INTRODUZIONE Struttura e dinamica della Terra Ipotesi sulla sua origine PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Caratteri generali della Terra Periodo di rotaz. assiale 149,6 x 106 km ∼ 365 giorni 23 h 56 m Inclinazione dell’asse Diametro equatoriale 23º 27’ 12.756 km Eccentricità orbitale Massa 0,017 6x1024 kg 5,5 g/cm3 Distanza dal Sole Periodo di rivoluzione Densità media Comp. dell’atmosfera Età PACE ~ Azoto + Ossigeno ~ 4,6 miliardi di anni Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Interno della Terra Crosta Mantello Nucleo esterno Nucleo interno PACE Quattro strati principali: Crosta Mantello Nucleo esterno Nucleo interno Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Interno della Terra Crosta Continentale Crosta: Crosta Oceanica Crosta Oceanica Sottile: 2-10 km (in media 7 km) Stratigrafia relativamente uniforme serie ofiolitica Sedimenti lave a cuscino (pillow basalts) dicchi basaltici gabbri massivi rocce ultrafemiche (mantello) Rift centrale Lave a cuscino Sedimenti Dicchi basaltici Gabbri massivi Peridotite (Mantello) Camera magmatica PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Interno della Terra Crosta Continentale Crosta: Crosta Oceanica Crosta Continentale Più spessa: 20-70 km; in media ~ 35 km Composizione molto variabile (~ granodiorite) Divisa in: - Crosta Superiore (più leggera, più ricca in SiO2 e relativamente povera in MgO) e - Crosta Inferiore più pesante (meno ricca in SiO2 e più ricca in MgO) PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Interno della Terra Mantello: Composizione stratificata sia in termini di composizione chimica che mineralogica. Crosta Profondità (km) 80 Discontinuità di Mohorovicic Mantello Superiore 220 Mantello Zona di transizione Mantello Inferiore Mantello Superiore fino a 410 km Zona di Transizione (410-660 km) Mantello Inferiore (Mesosfera) fino a 2900 km Discontinuità di Gutenberg 410 660 2900 Nucleo Esterno (liquido) Nucleo 5145 Nucleo Interno (solido) PACE Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter 6370 Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Interno della Terra Mantello: Composizione stratificata sia in termini di composizione chimica che mineralogica. Crosta Profondità (km) 80 Discontinuità di Mohorovicic Mantello Superiore 220 Mantello Zona di transizione Mantello Inferiore Mantello Superiore fino a 410 km Zona di Transizione (410-660 km) Mantello Inferiore (Mesosfera) fino a 2900 km Discontinuità di Gutenberg 410 660 2900 Nucleo Esterno (liquido) Mantello Superiore (dal contatto con la crosta fino a 410 km). Il contatto con la crosta è detto Discontinuità di Mohorovicic (Moho) Mantello litosferico (solido) spessore variabile Nucleo (in genere fino a ~80 km) Mantello Astenosferico (parzialmente fuso) ~ 80220 km Mesosfera di nuovo solida (peridotite a granato) PACE Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter 5145 Nucleo Interno (solido) 6370 Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Interno della Terra Mantello: Composizione stratificata sia in termini di composizione chimica che mineralogica. Crosta Profondità (km) 80 Discontinuità di Mohorovicic Mantello Superiore 220 Mantello Zona di transizione Mantello Inferiore Mantello Superiore fino a 410 km Zona di Transizione (410-660 km) Mantello Inferiore (Mesosfera) fino a 2900 km Discontinuità di Gutenberg 410 660 2900 Nucleo Esterno (liquido) Zona di Transizione. A partire da 410 km la velocità delle onde sismiche aumenta rapidamente. Questa variazione è dovuta al cambio strutturale dell’olivina (Mg2SiO4) in wadsleyite (Mg2SiO4). Nucleo Cambia SOLO la struttura (da rombica a monoclina). 5145 A 500 km l’olivina (ora wadsleyite) cambia di nuovo struttura e diventa cubica (ringwoodite) Nucleo Interno A 660 km la ringwoodite si trasforma in perovskite e (solido) magnesiowustite (fasi ancora più dense) PACE Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter 6370 Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Interno della Terra Mantello: Composizione stratificata sia in termini di composizione chimica che mineralogica. Crosta Profondità (km) 80 Discontinuità di Mohorovicic Mantello Superiore 220 Mantello Zona di transizione Mantello Inferiore Mantello Superiore fino a 410 km Zona di Transizione (410-660 km) Mantello Inferiore (Mesosfera) fino a 2900 km Discontinuità di Gutenberg 410 660 2900 Nucleo Esterno (liquido) Mantello Inferiore. Conosciamo molto poco di questo volume della Terra. Perovskite (MgSiO3) e magnesiowustite (MgO) sono probabilmente le fasi più abbondanti. Nucleo La perovskite probabilmente costituisce più dell’80% del mantello inferiore (quindi è il minerale più 5145 abbondante della Terra). Nucleo Interno (solido) PACE Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter 6370 Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Interno della Terra Crosta Profondità (km) Mantello Superiore Zona di transizione Mantello Nucleo: 60 220 410 660 Mantello Inferiore 2898 Lega metallica di Fe-Ni. (non ci sono silicati) Nucleo Esterno (liquido) Nucleo Esterno è liquido senza onde di tipo S Nucleo Interno è solido (a causa delle fortissime pressioni) Nucleo 5145 Nucleo Interno (solido) PACE Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter 6370 Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Onde P e Onde S? Onde P (onde di compressione) Vp = k − 4 / 3µ ρ µ Vs = ρ (onde di taglio) Onde S k = modulo di compressibilità; µ = modulo di rigidità; ρ = densità (g/cm3) µ nei liquidi = 0 Velocità delle onde P (Primarie) ed S (Secondarie) in funzione dei moduli k e µ PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Onde P e Onde S? Onde P PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Onde P e Onde S? Onde S PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 P = onde P S = onde S ρ = densità Da: Le rocce ed I loro costituenti Lucio Morbidelli PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Crosta L’Astenosfera è la zona di mantello superiore che permette alla sovrastante litosfera di muoversi parzialmente scollata dalle restanti porzioni pià profonde. Velocità (km/sec) 0 5 10 Litosfera Astenosfera 1000 Mantello Onde S Mesosfera 2000 La Litosfera comprende la Crosta e la porzione di mantello più superficiale. Onde P 3000 Al contatto Crosta-Mantello litosferico si verifica un aumendo di velocità delle onde sismiche (aumenta la densità). Al contatto LitosferaAstenosfera si verifica una diminuzione di velocità delle onde sismiche (astenosfera parzialmente fusa) Profondità (km) Nucleo 4000 Esterno Liquido 5000 Nucleo Interno Onde S Solido 6000 Variazione delle velocità delle onde P ed S con la profondità. Suddivisioni composizionali della Terra sulla sinistra; suddivisioni reologiche sulla destra. Da Kearey and Vine (1990), Global Tectonics. Tectonics. © Blackwell Scientific. Oxford. PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 La variazione di Temperatura dalle regioni più interne della Terra (più calde) a quelle più esterne (più fredde) viene definita GRADIENTE GEOTERMICO (°C/m) Il gradiente geotermico medio della crosta terrestre vale circa 25°C/km (ma varia da località a località da 6 a 140 °C/km) Il gradiente geotermico per le altre regioni più interne della terra è molto più basso (~0,7-0,8 °C/km) PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 La quantità di energia termica che sfugge dalla Terra espressa per unità di area e di tempo viene definita FLUSSO DI CALORE Questa viene espressa in HFU (Heat Flow Unit) equivalente ad 1 microcaloria/cm2/sec La media del flusso di calore sui continenti è 1,5 HFU In alcune regioni (es. Italia) il flusso di calore è superiore alla media. Perchè? PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Si 14.4% Al Ca S 3.0% 1.4% 1.0% O 50.7% Fe 15.2% Mg 15.3% Abbondanze relative atomiche dei sette elementi più comuni che costituiscono il 97% della massa della Terra. Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter, Prentice Hall. PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Sorgenti di calore nella Terra 1. Calore dall’accrezione primordiale e dalla differenziazione della Terra raggiunge ancora lentamente la superficie PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Sorgenti di calore nella Terra 1. Calore dall’accrezione primordiale e dalla differenziazione della Terra raggiunge ancora lentamente la superficie 2. Calore rilasciato dal decadimento radioattivo dei nuclidi instabili PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Trasferimento di Calore 1. Conduzione (energia termica trasmessa dal moto vibratorio degli atomi da una zona calda a una fredda): Questa è funzione della conducibilità termica della sostanza (ossia dell’abilità a condurre calore) 2. Radiazione (energia termica trasmessa da una sostanza portata all’incandescenza) 3. Convezione (spostamento di materia; es. acqua che bolle in una pentola; fumo di una sigaretta o di un camino. Avviene perchè se riscaldiamo un fluido (liquido o gas) questo si espande divenendo meno denso, quindi più leggero, del materiale circostante. Tale fluido quindi tende a salire, mentre il materiale più freddo e più pesante scende aprenderne il posto. Si instaura così un ciclo convettivo, detto CELLA CONVETTIVA) PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Tettonica delle placche - Genesi Ignea 1. Mid-ocean Ridges 5. Back-arc Basins (Bacini di retroarco) (Creste medio-oceaniche) 2. Intracontinental Rifts 6. Ocean Island Basalts (Fessure intracontinentali) (Basalti di isole oceaniche) 3. Island Arcs 7. Miscellaneous IntraContinental Activity (isole di arco) 4. Active Continental Margins (Margini continentali attivi) 5 3 1 6 C. Continentale 200 km 400 ? 600 km PACE (Attività ignea continentale varia; es.kimberliti, carbonatiti, anortositi, etc.) 7 4 2 ? C. Oceanica Mantello Litosferico Mantello sub-litosferico Sorgente dei fusi ? ? ? Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Tettonica delle Placche – Riciclaggio Globale 200 km 400 ? 600 km ? ? ? Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter Crosta creata dove leCorso placche divergono (Creste oceaniche ) di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 PACE Tettonica delle Placche – Riciclaggio Globale 200 km 400 ? 600 km ? ? ? Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter Distruzione di Crosta, formazione di catene montuose, scontro PACE di placche (Corso es. diAnde , Himalaya, Giappone ) A.A. 2004/2005 Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) Tettonica delle Placche – Riciclaggio Globale Per accomodare gli sforzi su una superficie sferica, le zone trasformi sono regioni nelle quali le placche scivolano una PACE rispetto all’altra (Corso es. difaglia California) Petrografiadi con San elementiAndrea, di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Tettonica delle Placche – Età degli Oceani Voi siete qui Milioni di anni dal presente 180 PACE 150 120 80 40 0 Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Il Sistema solare Giove comprende ∼ il 99% della massa dell’intero sistema solare (∼1030 g) (Sole escluso) Giove ha una massa 10-3 (0.1%) rispetto a quella solare La Terra ha una massa 10-3 (0.1%) rispetto a quella di Giove Da: Le rocce ed I loro costituenti - Lucio Morbidelli PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Il Sistema solare Il contenuto in elementi volatili aumenta con la distanza dal Sole (Marte doveva essere più ricco in H2O della Terra perché è più distante dal Sole) Temperatura Mercurio Tungsteno (W) Terra Silicati Giove Silicati ricchi in C Saturno Ghiaccio Plutone 10 Distanze solari (distanza Terra-Sole) PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Origine della Terra Processo di ACCREZIONE omogenea in seguito a collisioni continue con corpi interplanetari di varia grandezza. I corpi più grandi [= Planetesimali] si pensa avessero diametri dell’ordine di qualche centinaia di chilometri Tutti i corpi planetari si sono accresciuti per accumulazioni successive (urti con meteoriti) Tutti i corpi planetari sono craterizzati Per generare un cratere come quello di Copernico (sulla Luna), con un raggio di ∼93 km, ci vuole un urto con un asteroide di 5-10 km di diametro. PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 AUTODIFFERNZIAZIONE: formazione del NUCLEO dal MANTELLO PRIMORDIALE Il NUCLEO si è formato alla fine del processo di accrezione per una Migrazione verso il centro, dalla forza di gravità, di un fuso di solfuri di ferro e nichel PACE I corpi collidenti erano già differenziati con nuclei composti da solfuri di Fe e Ni allo stato fuso che hanno innescato la fusione pressoché istantanea dei composti analoghi presenti nel protopianeta Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Enigma LUNA Simulazione numerica di una collisione tra una Terra primitiva e un corpo grande circa 1,3 volte Marte alla velocità di 5 km/s 4.2 minuti 8.4 minuti 12.5 minuti Materiale che diventerà la proto-luna Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Origine della Luna e differenze di composizione tra Terra e Luna Le rocce lunari e quelle terrestri sono molto simili in composizione tranne per il contenuto molto più basso in Fe (ed essenzialmente l’assenza di H2O) delle rocce lunari. Se l’impatto che ha generato la Luna fosse avvenuto prima della differenziazione della Terra (ossia prima della formazione del nucleo terrestre) noi dovremmo aspettarci per i due corpi (Terra e Luna) le stesse composizioni totali. L’unico modo per spiegare il contenuto in Fe della Luna molto più basso di quello della Terra è ipotizzare che l’impatto sia avvenuto dopo la formazione del Nucleo terrestre. PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Cronologia della formazione della luna Sequenza: • Accrezione della Terra • Formazione del Nucleo ( rimozione di Fe dal mantello e concentrazione nel nucleo terrestre) • Collisione tra la Terra ed un grosso asteroide • La Luna coalesce dai resti dell’asteroide e dal materiale del mantello terrestre • Si segrega il nucleo lunare: il mantello lunare, già impoverito in Fe, perde ancora un’altra porzione del suo Fe Quindi le rocce lunari formate dopo la segregazione del nucleo sono molto impoverite in Fe (ma simili in molti altri elementi) rispetto alle rocce equivalenti terrestri. Le età delle rocce più antiche della Luna e la stima dell’età della formazione del nucleo terrestre sono coerenti con questo modello. PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Classificazione delle Meteoriti Ogni anno entrano nell’atmosfera terrestre ∼200 tonnellate di meteoriti Di questa quantità cadono sullla superficie terrestre ogni anno per ogni milione di kilometri quadrati: ∼ 58 meteoriti > 100 grammi ∼ 9 meteoriti > 1 kg ∼ 1,3 meteoriti > 10 kg (L’Europa ha una superficie di ∼ 10 milioni di kilometri quadrati) (In Antartide ci sono ∼ 8 milioni di tonnellate di meteoriti con un peso > 100 grammi) PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Classificazione delle Meteoriti Ordinarie (81%) Condriti (86%) Silicatiche (95%) Acondriti (9%) Età 4500-4600 Ma; la distribuzione degli elementi pesanti è analoga a quella del Sole; sono composte da silicati anidri (essenzialmente olivine, pirosseni) che si ritrovano riuniti in condruli = globuli subsferici (0,5-1 mm); tra i condurli compaiono minerali metallici (leghe di Fe e Ni o solfuri sempre di questi elementi). Fino al 20% di H2O. Sono caratterizzate dalla presenza di Carbonacee minerali silicatici tipo serpentino/clorite). Con sostanze organiche (idrocarburi, acidi grassi ed aromatici, etc. (5%) Sono considerate le più primitive e meno differenziate tra i prodotti di condensazione che hanno originato i pianeti. Età e composizioni molto variabili; senza condruli. In genere hanno una Grana più grossolana rispetto alle condriti. In genere senza Fe-Ni. iniziale. Alcuni tipi oltre che dalla fascia degli asteroidi, sembrano provenire dalla superficie di Marte (tipi SNC = -Shergottiti - Nakhiliti Chassigniti) o da quella lunare. Sideroliti (1%) Formate da silicati e minerali metallici (essenzialmente Fe + Ni) (SilicaticoSilicatico-ferrose) ferrose) Da riferire alle porzioni interne dei corpi differenziati della cintura di asteroidi (4%) Essenzialmente composte da minerali metallici (Fe + Ni) Da riferire alle porzioni interne dei corpi differenziati della cintura di asteroidi (Ferrose) Ferrose) Sideriti PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Meteoriti: Legami critici con il sistema solare primitivo e la Terra profonda La nostra conoscenza della storia del sistema solare e del “sistema di funzionamento” del nostro pianeta sarebbe impossibile se le meteoriti non cadessero sulla Terra. asteroide Mathilde cometa Halley pianeta Marte Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Le meteoriti sono importanti - migliori stime dell’età del nostro sistema solare - meteoriti omogenee chiamate condriti sono la migliore stima della composizione totale della Terra - Le meteoriti ferrose forniscono la stima più vicina alla composizione del nucleo terrestre Cristalli di solfuri di Fe e Ni in una Meteorite ferrosa (304 kg) meteorite ferrosa Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Le meteoriti sono importanti - prima della missione Pathfinder su Marte, le meteoriti ci avevano dato solo (e ancora la migliore) stima della composizione (ed età) del pianeta Marte - le meteoriti silicatiche-ferrose (sideroliti; foto sotto) possono rappresentare il materiale dell’interfaccia nucleomantello Silicato di Mg (olivina) PACE Metallo di Fe-Ni Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Le meteoriti possono uccidere Ogni anno ~60 milioni di tonnellate di polvere spaziale e meteoriti raggiungono la superficie della Terra. Da: An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter PACE Una meteorite (chondrite) di ~12 kg ha messo fine alla vita di questa Chevrolet Malibu a Peekskill, NY, nel 1992. Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 Credits Alcune delle immagini di questa presentazione sono state prese da: NASA, JPL, LPI. Per acquistare meteoriti controllate il sito: www.nyrockman.com Per studiare (o per curiosità) provate questi siti... http://www.whfreeman.com/presssiever/con_index.htm?99hsg http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/announcements/announce_predict.html Altre figure e schemi da: L. Morbidelli - Le rocce ed i loro costituenti J. Winter - Lezioni per il corso di Igneous Petrology P. Tomascak - Lezioni di Geologia A. Bosellini – Le Scienze della Terra (ed. Zanichelli) PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005 PACE Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M. Lustrino) A.A. 2004/2005