Fare scienze:
osservare, ricercare, sperimentare
I FOSSILI
Prof. Califano Maurizio – Prof.ssa Russo Lorella
Che cos’è un fossile?
La parola fossile deriva dal latino fossilis, scavare,
scavare ed indica il resto o
l'impronta di organismi vegetali o animali, vissuti anteriormente
all'epoca attuale, conservatosi negli strati della crosta terrestre.
Il processo di trasformazione di un organismo vivente in un fossile
può durare diversi milioni di anni. La fossilizzazione è un processo
estremamente complicato. Infatti non appena gli animali o le piante
muoiono ne inizia la decomposizione. Sebbene le parti più resistenti,
come conchiglie, ossa e denti degli animali o il legno delle piante,
resistano più a lungo dei tessuti molli, spesso questi elementi
vengono disgregati da agenti naturali esterni (fisici e chimici), come
vento e acqua corrente, ma anche dall'azione di animali necrofagi
(agenti biologici).
Prof. Califano Maurizio
2
Generalmente, per subire un processo completo di fossilizzazione, un organismo deve essere
sepolto rapidamente, prima che ne subentri la decomposizione o venga aggredito dagli agenti
demolitori. Nella maggior parte dei casi questo lavoro viene svolto dai sedimenti come la
sabbia o il fango trasportati dall'acqua. Tale fango va a penetrare nel corpo della carcassa che
quindi si impregna di fango e calce ovvero si mineralizza.
Quindi, la natura e la conservazione dei fossili dipendono
principalmente dalla natura dei terreni nei quali sono inclusi, sia che
siano stati completamente sostituiti da sostanze inorganiche
(pietrificati), sia che siano stati conservati nei ghiacci come i
mammut della Siberia.
Prof. Califano Maurizio
3
E’ molto difficile che un organismo riesca a conservarsi
integralmente!
Ciò è accaduto con la pelle di alcuni dinosauri.
Infatti tali dinosauri hanno subito inizialmente un processo di
mummificazione per disidratazione e poi, in un tempo successivo, la
loro pelle è stata mineralizzata.
Prof. Califano Maurizio
4
…ma chi studia i fossili???
La PALEONTOLOGIA si occupa dello studio degli antichi esseri viventi e il
suo valore integrativo nel campo delle scienze biologiche risulta evidente dal
momento che gli organismi vegetali e animali attuali rappresentano solo
parzialmente il mondo dei viventi per cui lo studio delle forme scomparse
consente di completare il quadro evolutivo degli organismi.
La Paleoecologia è la branca della Paleontologia che studia gli
organismi fossilizzati e le tracce fossili del passato per
riconoscere il loro ambiente di vita e ricostruire gli ecosistemi
presenti sulla Terra durante lo svolgersi delle Ere Geologiche.
Il campo di ricerca paleoecologico include la studio del ciclo di
vita dei fossili, le relazione reciproche fra le specie fossili
identificate durante la loro vita, il loro ambiente naturale, le
modalità della loro morte, deposizione e seppellimento.
Lo scopo della paleoecologia è quello di ricostruire il modello più
dettagliato
possibile dell' ecosistema di quegli organismi , che oggi
Prof. Califano Maurizio
5
vengono rinvenuti entro le rocce sedimentarie come fossili.
Datazione tramite i fossili
Il criterio di datazione dei fossili si basa sulla biostratigrafia, la
quale afferma che, normalmente, gli strati più bassi del terreno sono
più antichi di quelli superiori.
Utilizzando tale criterio si può confrontare un certo fossile con altri
rinvenuti in strati di altre località per vedere se appartengono allo
stesso tempo oppure no.
Tale metodo si basa sui fossili guida, che sono caratterizzati dalla
diversificazione e da rapida evoluzione. Con i metodi degli isotopi
radioattivi e del carbonio 14 si può avere la datazione radiometrica,
che misura l'età della roccia in anni, ma che risulta meno preciso del
metodo della datazione relativa.
Prof. Califano Maurizio
6
Vi sono quattro tipi fondamentali di fossili: resti originali, resti sostituiti, calchi,
tracce.
Resti originali
In alcuni casi, i fossili sono rappresentati da resti originali di piante o di animali.
Corpi interi di mammut, l'enorme elefante diffuso in Europa nel periodo glaciale
(era quaternaria), sono stati rinvenuti quasi perfettamente conservati sotto i
ghiacci perenni della Siberia. Si pensa che questi animali siano rimasti prigionieri
del permafrost, verso la fine dell'età glaciale, molte migliaia di anni fa.
Lungo le coste del mar Baltico, sono stati rinvenuti insetti, ragni e frammenti
vegetali di migliaia di anni fa, perfettamente conservati entro la resina indurita
dei pini, in cui questi insetti rimasero invischiati e ivi morirono. Questa resina
fossile è detta ambra.
Altro esempio di fossile originale è dato dalle conchiglie dei molluschi che sono
state conservate entro il sedimento e che a volte formano vere e proprie rocce
composte esclusivamente da fossili, dette lumachelle.
Un altro tipo di resti originali può essere quello dei dintorni di Los Angeles in
California, dove vi sono depositi di asfalto contenenti le ossa di migliaia di
animali.
Prof. Califano Maurizio
7
I fossili guida sono dei fossili usati per la
datazione relativa delle rocce.
Si tratta di resti di organismi che avevano
ampia distribuzione geografica e che hanno
avuto un'evoluzione rapida: hanno quindi
una durata temporale molto limitata e
permettono di raggiungere un'elevata
precisione nella datazione.
Prof. Califano Maurizio
8
La grande maggioranza dei fossili si trova nei sedimenti, cioè nei depositi trasportati
dall'acqua.
Le rocce sedimentarie sono formate a strati.
Questi strati di roccia, ed i fossili in essi contenuti, possono essere utilizzati per ricostruire la
storia della Terra e degli organismi che si sono succeduti nel corso dei millenni.
I geologi sanno che i vari strati rocciosi si sono formati in periodi diversi.
Naturalmente, lo strato più antico e sottostante si è formato per primo ed il più recente e
sovrastante per ultimo, mentre gli altri si sono formati nei periodi intermedi; ma questa
disposizione può essere modificata e perfino rovesciata da successivi movimenti tellurici.
Studiando i fossili che si trovano nei vari strati, si possono osservare questi movimenti
tellurici. Alcuni fossili sono presenti in più strati, mentre altri sono presenti solo in strati
formati in un dato periodo della storia della Terra.
Prof. Califano Maurizio
9
Quando un geologo trova uno strato di roccia contenente dei
fossili, può precisare non solo di che strato si tratta, ma anche
quando, pressappoco, si è formato.
I fossili sono di aiuto ai geologi nella divisione della storia della
Terra in periodi di tempo e lo sono tanto meglio quanto più
breve e definito è stato il periodo della loro esistenza.
Ecco il perché questi fossili sono detti fossili guida;
aiutano a riconoscere l'era, il periodo o l'epoca a cui
appartengono le rocce che li contengono e a collegare
cronologicamente gli strati di territori e perfino di continenti
diversi.
I fossili guida sono di aiuto nella ricerca del petrolio, perché il
geologo sa che molti depositi di petrolio sono stati ritrovati in
Prof. Califano Maurizio
rocce
di una particolare epoca.
10
Prof. Califano Maurizio
11
I tipi di fossilizzazione
• Incrostazione
Si tratta di un processo limitato a fossili piuttosto
recenti e si basa sulle acque ricche di carbonato di
calcio che, scorrendo sui resti organici, li coprono
di una sottile pellicola di minerale. Una roccia
molto famosa che conserva resti di vegetali in
grande abbondanza formatisi attraverso questo
processo è il travertino, utilizzato fin dai tempi
degli antichi romani nell’abbellimento delle case
di Roma.
Prof. Califano Maurizio
12
Resti sostituiti
La maggior parte dei fossili non sono più costituiti da materiale originale, anche
se ne hanno conservato l'aspetto primitivo. L'acqua del sottosuolo contiene in
soluzione vari sali minerali e può sostituire le conchiglie (calcaree) e le ossa
(fosfatiche) con altri minerali resistenti, come la silice o la pirite.
I famosissimi alberi pietrificati dell'Arizona sono un esempio di formazioni del
genere. Essi si formarono quando le acque del sottosuolo sostituirono
lentamente il legno in decomposizione di questi alberi con particelle di silice
amorfa (opale).
A volte la trasformazione è così importante che, di tutto un organismo vegetale
o (più raramente) animale rimane soltanto il carbonio organico.
Prof. Califano Maurizio
13
• Riempimento
Processo che porta dei sedimenti o della materia a riempire il resto
evitando una decomposizione rapida.
• Mineralizzazione
È il principale processo che porta alla fossilizzazione, durante il quale la
composizione chimica dell'organismo viene modificata chimicamente
per azione delle soluzioni che circolano tra i sedimenti. Il caso più
frequente è quello di organismi che restano sepolti sul fondo di un lago
o di un mare: poco alla volta, per le reazioni chimiche tra le parti dure
dell'organismo e le soluzioni circolanti, i minerali presenti in soluzione
vanno a sostituire quelli presenti nell'organismo. Le modalità sono
diverse a seconda dei vari ambienti diagenetici (impregnazione,
sostituzione o precipitazione, calcitizzazione).
Prof. Califano Maurizio
14
• Carbonificazione
Questo è un processo di fossilizzazione riguardante soprattutto i vegetali,
che ha portato alla formazione dei grandi giacimenti di carbone fossile
del periodo Carbonifero, risalenti ad almeno 340 milioni di anni fa.
Durante questo periodo geologico grandi aree della terra, oggi
corrispondenti a Cina, India, Australia, Africa, Nord - America e parte
dell’Europa, erano coperte di vasti acquitrini, circondati da
lussureggianti foreste la cui crescita era favorita da un clima caldo –
umido di tipo tropicale. I resti di queste antiche foreste costituiscono la
base degli accumuli di carbone fossile. Questo è dovuto all’azione di
particolari batteri, batteri anaerobici, che attaccano i resti vegetali,
eliminano l’ossigeno e l’azoto e li arricchiscono cosi indirettamente di
carbonio.
Prof. Califano Maurizio
15
•
Inglobamento in ambra fossile
Processo molto conosciuto per la singolare
conservazione che comporta.
I resti dei piccoli animali (insetti e aracnidi) e
resti vegetali inglobati nell'ambra fossile
(resina che colava lungo i tronchi delle
conifere) sono stati rinvenuti in uno stato di
conservazione pressoché perfetto, anche
essendo assai antichi. Queste resine, una
volta indurite, sono trasparenti e consentono
spesso di vedere anche a occhi nudo gli
organismi conservati al loro interno.
Questo famoso processo di fossilizzazione è
anche stato utilizzato come trama base del
film Jurassic Park di Steven Spielberg.
Prof. Califano Maurizio
16
La sedimentazione è il risultato dell’accumulo di materiale proveniente dalla
disgregazione delle rocce; questo processo può avvenire in un ambiente
continentale, con la formazione, ad esempio, delle dune o in un ambiente marino.
In ogni caso si tratta sempre di accumuli di particelle di dimensioni più o meno
grandi e di diversa natura; l’insieme di queste particelle viene chiamato sedimento.
Si possono distinguere due tipi fondamentali di sedimenti: i sedimenti clastici,
originatisi in seguito alla precipitazione dei sali contenuti nelle acque.
Un sedimento dopo la sua deposizione deve sottostare a una mutazione, chiamata
dai geologi diagenesi, che lo trasforma in una roccia sedimentaria.
La sedimentazione è iniziata con la storia della Terra e i sedimenti depositatisi da
allora costituiscono la parte più superficiale della crosta terrestre.
Questi sedimenti formano successioni di strati più o meno spesse e profonde che
hanno uno stretto rapporto con il tempo che contengono i fossili: in questi strati è
racchiusa la storia della Terra. Le successioni di rocce vengono chiamate dai
paleontologi e dai geologi.
Prof. Califano Maurizio
17
Ammonite Piritizzata
Prof. Califano Maurizio
18
Tronco pietrificato
Prof. Califano Maurizio
19
Prof. Califano Maurizio
20
Prof. Califano Maurizio
21
Modelli e calchi
Oltre alle parti molli di un animale, talvolta anche le parti dure
(conchiglie od ossa) si dissolvono completamente, lasciando nella
roccia un'impronta che mostra solo quale era la forma del fossile.
Sui gusci si possono distinguere i modelli interni, che ripetono la forma
della parte interna, ed i modelli esterni, con l'impronta della superficie
esterna. Tra modello interno e modello esterno, quando il guscio
originale è dissolto, si forma una cavità con la forma tridimensionale
del guscio.
Se tale cavità si riempie con nuove sostanze minerali, si ottiene il calco
naturale o modello, cioè la riproduzione dell'originale. La
composizione chimica e mineralogica del calco può essere simile a
quella originaria, ma anche completamente diversa.
In casi particolari, modelli e calchi possono riguardare parti molli,
quindi
è possibile trovare anche impronte di felci, di foglie, di pinne
di
Prof. Califano Maurizio
22
pesci, membrane alari.
Prof. Califano Maurizio
23
Rana fossile indicazione di ambiente palustre
Prof. Califano Maurizio
24
Tracce fossili
Le tracce di animali, che si producono prevalentemente nel fango
o nelle sabbie dei terreni alluvionali o nelle regioni dei delta,
possono essere state conservate dal processo di consolidamento
dei sedimenti (diagenesi).
Nelle rocce sedimentarie, soprattutto quelle a grana più fine
(come argilliti e calcari fini), sono state trovate orme di dinosauri,
altri rettili e anfibi, scie e piste di antichi vermi limivori e molte
altre tracce lasciate da esseri esistiti in passato.
In taluni giacimenti fossiliferi è anche possibile rinvenire
particolari fossili quali uova, raramente contenenti embrioni e le
cosiddette bromaliti cioè coproliti, cololiti (resti non evacuati del
contenuto
gastroliti e regurgitaliti (vomiti fossili). 25
Prof. Califanointestinale),
Maurizio
Impronta Archeosauro
Prof. Califano Maurizio
26
Prof. Califano Maurizio
27
Combustibili fossili
Si definiscono fossili quei combustibili che derivano dalla
trasformazione, sviluppatasi in milioni di anni, della sostanza
organica in forme via via più stabili e ricche di carbonio.
carbonio
Rientrano in questo campo dunque:
•Petrolio e derivati
•Carbone
•Gas naturale
Prof. Califano Maurizio
28
Prof. Califano Maurizio
29
I Minerali
Prof. Califano Maurizio
30
I minerali sono sostanze naturali inorganiche, generalmente allo
stato solido, formatesi attraverso processi geologici, fisici e chimici.
Nell'industria estrattiva si tende ad attribuire il termine minerale anche a sostanze
estraibili dal sottosuolo, tipico il caso del metano.
Un minerale può essere costituito da un solo elemento chimico, come l'oro (Au),
oppure da uno o più elementi legati assieme in un composto chimico, come ad
esempio il quarzo.
Il termine "minerale" comprende non soltanto la composizione chimica ma anche
la struttura cristallina del materiale. La composizione dei minerali varia dai semplici
elementi chimici a sali fino ad arrivare a silicati molto complessi (la maggior parte
dei composti organici sono solitamente esclusi), con migliaia di forme conosciute.
Lo studio dei minerali è detto mineralogia.
Prof. Califano Maurizio
31
Il minerale è un corpo solido cristallino, avente una formula chimica
ben specifica ed è costituente naturale della crosta terrestre.
Ricordi che le rocce sono un insieme di minerali senza una formula
chimica ben precisa???
La maggior parte dei minerali è caratterizzata
dall'avere una ben precisa struttura cristallina.
A livello atomico i minerali cristallini infatti
possiedono un reticolo cristallino formato dalla
ripetizione di una struttura geometrica detta
cella unitaria.
Un cristallo è un corpo solido a facce piane riconducibile a una
determinata figura geometrica. La struttura si riferisce alla
disposizione spaziale ordinata a lungo raggio degli atomi nella loro
Prof. Califano Maurizio
32
struttura molecolare.
Alcune specie minerali si presentano allo stato liquido come il mercurio Hg
mentre altri, come l'opale, hanno struttura amorfa quindi non possiedono una
struttura cristallina. Questi ultimi sono detti minerali metamittici.
Alcune specie minerali si presentano allo stato liquido
come il mercurio Hg mentre altri, come l'opale,
hanno struttura amorfa quindi non possiedono
una struttura cristallina.
Questi ultimi sono detti minerali metamittici.
Alcuni minerali inoltre presentano il fenomeno
dell'isomorfismo, cioè può verificarsi che due o
più minerali presentino identica struttura atomica
e composizione chimica analoga.
Sia la composizione chimica che la struttura cristallina concorrono a
definire un minerale. Due o più minerali possono avere la stessa
composizione ma differente struttura cristallina (sono detti
polimorfi).
Prof. Califano Maurizio
33
Per esempio, la pirite e la marcasite sono entrambi solfuri di ferro.
Gli opali sono soggetti, per riscaldamento, alla perdita dell'acqua che
ne determina il deterioramento. E' possibile reintegrare parzialmente
l'acqua perduta immergendo in acqua le pietre anche per giorni, ed è
questa la ragione per cui alcuni venditori li conservano e li mostrano
in acqua.
Prof. Califano Maurizio
34
Nel mondo della magia si dice che l'Opale nero amplifica tutti gli
stati emozionali, perciò il buon umore può venire convertito in
esaltazione, ma la tristezza si può trasformare in un nero stato
rancoroso e malvolente.
Usato in meditazione, esso può far giungere alle radici della propria
psiche permettendo il rilascio di memorie traumatiche di esperienze
passate, anche in vite precedenti, che possono
influenzare parte della propria vita presente.
Prof. Califano Maurizio
35
La struttura cristallina influenza notevolmente le proprietà fisiche di un
minerale. Per esempio, diamante e grafite hanno la medesima
composizione chimica ma le loro differenti strutture cristalline rendono la
grafite molto tenera ed il diamante molto duro (è il materiale più duro
conosciuto).
I minerali conosciuti ad oggi sono oltre 4.000, della classificazione si
occupa l'International Mineralogical Association (IMA), responsabile
dell'approvazione e della denominazione di nuove specie rinvenute in
natura.
Prof. Califano Maurizio
36
Mercurio-Stato liquido
Opale-Struttura amorfa
Prof. Califano Maurizio
37
Isomorfismo=stessa struttura atomica
Pirite
Marcasite
Prof. Califano Maurizio
38
RELAZIONE tra MINERALI E ROCCE
Minerale e roccia sono termini che indicano materiali ben distinti fra loro.
Un minerale è un composto chimico che si trova in natura, che ha una ben determinata
composizione ed una struttura cristallina ben definita. Un cristallo è un corpo solido a
facce piane riconducibile a una determinata figura geometrica. Ad oggi sono noti oltre
2000 tipi di minerali, classificati in 3 gruppi a loro volta suddivisi in 7 sistemi
comprendenti ciascuno 32 classi di simmetria
Una roccia è un miscuglio di più specie minerali in diverse proporzioni e pertanto,
diversamente da un minerale, la composizione chimica di una roccia non è esprimibile
con una formula chimica.
Prof. Califano Maurizio
39
Modalità di cristallizzazione:
•
Per solidificazione in seguito a raffreddamento di materiali puri, come nel
caso del magma o lava.
•
Per precipitazione e evaporazione da sostanze disciolte in acqua, per
sovrasaturazione (raffreddamento) ad es. stalattiti/stalagmiti o per
evaporazione del solvente (riscaldamento) ad es. saline
•
•
•
Per brinamento (da gas a solido) da vapori ad es. vapori di zolfo
Per sublimazione da vapori caldi
Per attività biologica:
biologica per trasformazioni solido - solido determinate dal
mutare delle condizioni fisiche di equilibrio (pressione e temperatura
principalmente) in cui un minerale si trova (es. pirosseno - granato)
Prof. Califano Maurizio
40
I minerali possono essere classificati in gruppi in base alla composizione chimica.
Silicati
Il gruppo di gran lunga più numeroso è quello dei silicati, composti per lo più da silicio ed
ossigeno con l'aggiunta di ioni come magnesio, ferro e calcio. Alcuni importanti silicati,
che entrano anche nella composizione di molte rocce, sono: quarzo, olivine, pirosseni,
granati e miche.
Quarzo
Quarzo aciculare
Prof. Califano Maurizio
41
Prof. Califano Maurizio
42
I carbonati sono quei minerali contenenti l'anione (CO3)2- ed includono calcite ed
aragonite (entrambi carbonato di calcio), dolomite (carbonato di magnesio e calcio) e
siderite (carbonato di ferro). I carbonati sono formati per lo più dalle conchiglie del
plancton depositatesi sul fondo marino. I carbonati si trovano anche negli ambienti
sottoposti a forte evaporazione (per esempio il Gran Lago Salato dello Utah) o nelle
regioni carsiche dove lo scioglimento ed il rideposito dei carbonati porta alla formazione di
grotte, stalattiti e stalagmiti.
aragonite
calcite
Prof. Califano Maurizio
43
Dolomite (carbonato di magnesio e calcio)
Prof. Califano Maurizio
44
Siderite (carbonato di ferro)
Prof. Califano Maurizio
45
Prof. Califano Maurizio
46
I solfati contengono l'anione solfato (SO4)2-. I solfati si formano negli ambienti sottoposti a
forte evaporazione dove acque molto saline evaporano lentamente permettendo la formazione
di solfati e alogenuri sulla superficie dei sedimenti. I solfati più comuni sono l’anidrite
(solfato di calcio), la celestina (solfato di stronzio) e il gesso (solfato di calcio idrato).
Prof. Califano Maurizio
47
Gli ALOGENURI sono il gruppo di minerali che formano i sali naturali e comprendono la
fluorite, il sale comune (conosciuto come salgemma) ed il sale di ammonio (cloruro
d'ammonio). Gli alogenuri, come i solfati, si trovano frequentemente negli ambienti
sottoposti a forte evaporazione come il Mar Rosso.
Prof. Califano Maurizio
48
Gli ossidi sono estremamente importanti per l'industria estrattiva poiché in molti casi da questi
si estraggono metalli importanti per l'economia. Di solito si formano come precipitati vicino
alla superficie terrestre.
Gli ossidi più comuni sono:
• il quarzo (ossido di silicio) -abbondantissimo nelle rocce-,
• l'ematite (ossido di ferro),
• lo spinello (ossido di magnesio ed alluminio -un costituente comune del mantello terrestre)ed il ghiaccio (ossido di idrogeno).
Prof. Califano Maurizio
49
I Solfuri sono composti chimici in cui lo zolfo è combinato con elementi metallici e
semimetallici.
Molti solfuri sono importanti economicamente per l'estrazione dei metalli. I solfuri più comuni
sono la calcopirite (solfuro di rame e ferro) e la galena (solfuro di piombo).
Prof. Califano Maurizio
50
Il gruppo dei FOSFATI include minerali con l'unità tetraedrica AO4 dove A può
essere fosforo, antimonio, arsenico o vanadio.
Il fosfato di gran lunga più comune è l'apatite che è un minerale importante anche in
biologia perché si trova nei denti e nelle ossa di molti animali.
Prof. Califano Maurizio
51
Il gruppo degli elementi nativi include metalli (oro, argento, rame), alcuni composti
intermetallici, semi-metalli e non metalli (antimonio, bismuto, grafite, zolfo).
Questo gruppo comprende anche alcune leghe naturali come l'elettro (lega di oro ed argento),
fosfuri, siliciuri, nitruri e carburi (i quali si trovano in natura solo in alcune rare meteoriti).
Prof. Califano Maurizio
52
Durezza
I minerali di riferimento della scala di Mohs:
1 - talco
2 - gesso
3 - calcite
4 - fluorite
5 - apatite
6 - ortoclasio
7 - quarzo
8 - topazio
9 Maurizio
- corindone
Prof. Califano
10 - diamante
53
