Università degli Studi di Roma La Sapienza Laurea in Scienze

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
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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.
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INTRODUZIONE
Struttura e dinamica della Terra
Ipotesi sulla sua origine
PACE
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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
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Interno della Terra
Crosta
Mantello
Nucleo
esterno
Nucleo
interno
PACE
Quattro strati principali:
Crosta
Mantello
Nucleo esterno
Nucleo interno
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Onde P e Onde S?
Onde P
PACE
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Onde P e Onde S?
Onde S
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P = onde P
S = onde S
ρ = densità
Da: Le rocce ed I loro costituenti
Lucio Morbidelli
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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.
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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
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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?
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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
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Sorgenti di calore
nella Terra
1. Calore dall’accrezione primordiale e
dalla differenziazione della Terra
raggiunge ancora lentamente la superficie
PACE
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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
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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
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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
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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)
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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.
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Tettonica delle Placche – Età degli Oceani
Voi siete qui
Milioni di anni dal presente
180
PACE
150
120
80
40
0
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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)
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