Il ciclo litogenetico I processi magmatico, sedimentario e metamorfico fanno parte di un unico ciclo litogenetico, del quale rappresentano diversi stadi successivi (figura ►41). Un primo stadio comprende l’intero processo magmatico, con l’intrusione e l’effusione di materiali fusi in risalita nella crosta. Uno stadio successivo si individua nel processo sedimentario, che porta all’accumulo di sedimenti. Il trasferimento di rocce dalla superficie in profondità e il loro coinvolgimento nei movimenti della crosta porta a un terzo stadio, quello del processo metamorfico, che, attraverso i fenomeni di fusione (anatessi), ci riporta al processo magmatico. Nella realtà intervengono però numerosi elementi di complicazione. Ad esempio, una roccia intrusiva o effusiva può venire metamorfosata senza prima essere demolita dal processo sedimentario; una roccia sedimentaria può venire esposta in superficie subito dopo la sua formazione; una roccia metamorfica può venire sollevata ed esposta in superficie, senza prima subire fenomeni di rifusione. Inoltre il ciclo non è perfettamente chiuso, come è messo in evidenza da quanto accade al magma basaltico primario che risale dal mantello ed entra nel ciclo. Sebbene gran parte delle rocce originate da tale magma ritorni per fusione al mantello (come conseguenza di movimenti della parte più esterna della Terra) una parte resta all’interno della crosta continentale. Il ciclo non è chiuso nemmeno nei confronti di perdite verso l’esterno: l’idrosfera e l’atmosfera, infatti, si sono accumulate e continuano a farlo grazie ai processi vulcanici, anche se, nei processi di alterazione in superficie, l’idrosfera e l’atmosfera «cedono» alla litosfera acqua e anidride carbonica. Il ciclo litogenetico rappresenta solo un aspetto dei meccanismi attraverso cui il nostro pianeta si è trasformato e si trasforma: incontreremo cicli di portata ancora maggiore, nei quali il ciclo litogenetico è solo una delle componenti. Figura 41. Schema del ciclo litogenetico.Le frecce di diverso colore mettono in evidenza i processi; i riquadri indicano i prodotti dei vari stadi del ciclo. Per ora fissiamo alcune idee fondamentali. La crosta terrestre è formata da un mosaico di rocce prodotte da processi dinamici, governati da parametri, come temperatura e pressione, che variano nel tempo. Rocce dei diversi tipi si sono formate nel corso del tempo e si formano tuttora, ma nessuna si è formata «una volta per tutte». Ogni roccia che arriva ad affiorare in superficie finisce prima o poi per fornire materiale per la formazione di nuove rocce. La classificazione delle rocce è un potente strumento di indagine, che permette di ricavare informazioni sull’ambiente in cui la roccia si è formata e sul tempo trascorso da quando si è formata. Con queste chiavi in grado di farci penetrare nell’«archivio» della crosta terrestre, possiamo ricostruire la storia della Terra e cominciare a scoprire «come funziona». 4.2 I processi litogenetici Le masse rocciose di cui è costituita la crosta si originano ed evolvono in condizioni molto varie. È possibile individuare tre principali processi litogenetici, cioè «generatori di rocce»: il processo magmatico, il processo sedimentario, il processo metamorfico. Essi sono tra loro chiaramente distinti, anche se non mancano passaggi e sovrapposizioni. Il processo magmatico è caratterizzato dalla presenza iniziale di un materiale fuso, chiamato genericamente magma. Il magma risale dall’interno della Terra ad alta temperatura, da parecchie centinaia al migliaio di gradi, in condizioni di pressione molto varie. La progressiva diminuzione della temperatura porta alla cristalizzazione del fuso e quindi alla formazione di aggregati di minerali che costituiscono le rocce magmatiche, anche chiamate ignee (figura ►15). Il processo sedimentario inizia con l’alterazione e l’erosione dei materiali rocciosi che affiorano in superficie ad opera dei cosiddetti agenti esogeni (acqua, vento, ghiaccio) e si completa con il trasporto e l’accumulo dei materiali erosi. Si giunge così alla formazione delle rocce sedimentarie (figura ►16). Il processo sedimentario si svolge sulla superficie terrestre o a modesta profondità, per cui è caratterizzato da basse temperature (all’incirca tra 0 e 150 °C) e da bassa pressione. Il processo metamorfico ha come caratteristica fondamentale la trasformazione di rocce preesistenti (magmatiche, sedimentarie) che vengono a trovarsi in condizioni ambientali diverse da quelle di origine. Tale trasformazione avviene all’interno della Terra allo stato solido: senza, cioè, l’intervento di soluzioni o di fusi, come negli altri processi. I minerali preesistenti, non più stabili, vengono distrutti e se ne formano altri, in equilibrio con le nuove condizioni; si originano così le rocce metamorfiche (figura ►17). Le temperature sono comprese tra 300 e 800 °C, quindi tra quelle tipiche del processo sedimentario e quelle proprie del processo magmatico, mentre le pressioni sono quasi sempre elevate. Se fosse «ripulita» dalla copertura vegetale e dal suolo (che rappresenta l’alterazione delle rocce a contatto con l’atmosfera) la superficie delle terre emerse risulterebbe formata per il 55-60% da rocce metamorfiche, che sono le più abbondanti, per il 35-40% da rocce ignee e fino al 5%, o poco più, da rocce sedimentarie. Se si scende in profondità entro la crosta, le rocce sedimentarie scompaiono ben presto e vengono sostituite da rocce magmatiche intrusive e, soprattutto, metamorfiche: queste ultime, in pratica, sono le sole presenti nella parte più profonda della crosta. Cosa significano la presenza di tre gruppi così diversi di rocce e la loro distribuzione nella crosta? Che legame c’è tra i vari processi litogenetici? Per comprenderlo, esaminiamo separatamente i tre gruppi di rocce, cercando in ogni gruppo un «filo conduttore» per dare un qualche ordine ai numerosi tipi e varietà di rocce che sono stati scoperti. Ma attenzione: non stiamo cercando di mettere insieme una classificazione per ordinare le rocce in una vetrina, ognuna con il suo cartellino; stiamo invece cercando di imparare a ricavare dal riconoscimento di una roccia dati e informazioni sulla natura, l’origine e le trasformazioni della crosta terrestre. CLASSIFICAZIONE ROCCE Ciò che distingue una roccia da un minerale è il fatto di non avere una composizione chimica ben definita. La roccia è infatti un aggregato di minerali diversi che possono essere distinguibili più o meno facilmente ma che conferiscono al corpo una certa eterogeneità. A differenza di un minerale, quindi, alla roccia non è possibile associare una formula chimica univoca. La classificazione delle rocce deriva dai differenti modi in cui esse hanno avuto origine. In base a questo criterio sono tre i principali tipi di roccia: 1. rocce ignee o magmatiche, 2. rocce sedimentarie, 3. rocce metamorfiche. Le rocce ignee derivano dalla solidificazione del magma, una complessa miscela ad altissima temperatura di sostanze minerali vapore acqueo e gas provenienti dalle profondità della Terra. A seconda della velocità di raffreddamento si ottengono strutture e aspetti differenti che permettono la catalogazione e il riconoscimento dei diversi tipi di roccia. In particolare si distinguono rocce intrusive, che si raffreddano molto lentamente in profondità e rocce effusive che si originano dall’occasionale affioramento in superficie del magma. Nelle prime il lento raffreddamento lascia il tempo ai minerali di organizzarsi in strutture ordinate formando cristalli ben visibili come nel granito (in foto). Al contrario le rocce effusive presentano un aspetto più uniforme (come il basalto, in basso) e talvolta vetroso (come l’ossidiana, in basso a destra). Le rocce sedimentarie possono definirsi, in un certo senso, rocce di "seconda generazione". Derivano infatti dalla deposizione di sostanze minerali provenienti da altre rocce che hanno subito una precedente degradazione fisica o meccanica. Il processo che compatta, cementa e ricristallizza i sedimenti è chiamato diagenesi. Malgrado generalmente mostrino un aspetto stratificato, sono caratterizzati da una variabilità di struttura molto più ricca rispetto alle rocce ignee. Lo studio di queste rocce risulta interessante anche per la frequente presenza di fossili che forniscono informazioni fondamentali sulla storia della vita sulla Terra. Le rocce metamorfiche, invece, sono rocce che hanno subito processi di trasformazione meccanica o chimica ad opera delle fortissime pressioni e temperature coinvolte nei fenomeni geologici, senza però passare attraverso una completa fusione dei minerali che le costituiscono. Questi processi conducono spesso a una ricristallizzazione, cioè a un aumento dei cristalli originari o a una orientazione preferenziale dei minerali per effetto delle pressioni orientate, fenomeni che facilitano la formazione di minerali solo lungo alcune direzioni caratteristiche. 5 Rocce magmatiche o ignee Le rocce magmatiche, note anche col nome di ignee o eruttive, sono tutte le rocce che derivano da un magma, cioè da una roccia fusa. La temperatura, all’interno della Terra, cresce fino a oltre 4000 °C, un valore che sarebbe sufficiente a far fondere tutte le rocce che conosciamo. La pressione, però, cresce anch’essa all’aumentare della profondità e, facendo innalzare il punto di fusione, impedisce il passaggio allo stato liquido. La Terra quindi è sostanzialmente solida fino a circa 3000 km di profondità, dove inizia il nucleo esterno, che si comporta come un liquido. Lo studio di alcuni minerali però ha dimostrato che esistono lave che risalgono alla superficie terrestre a partire da profondità comprese tra i 100 e i 250 km: si deve pertanto concludere che possono verificarsi particolari condizioni che determinano la fusione, almeno parziale, di rocce che normalmente sono molto calde, ma solide. 5.1 Dal magma alle rocce magmatiche Un magma è un materiale fuso che si forma per cause diverse entro la crosta o la parte alta del sottostante mantello, a profondità variabili (in genere tra i 15 e i 100 km). Tali masse fuse, di dimensioni anche enormi, sono miscele complesse di silicati ad alta temperatura, ricche di gas in esse disciolti. Se, dopo la sua formazione, il magma subisce un raffreddamento, inizia un processo di cristallizzazione: dal fuso si separano via via, secondo il loro punto di fusione, vari tipi di minerali, dalla cui aggregazione finale risulterà formata una nuova roccia. Le rocce magmatiche si dividono in due gruppi. Le rocce intrusive (o plutoniche), si originano da magmi che solidificano in profondità, circondati da altre rocce; esse si formano quando vi è l’impossibilità, per la massa fusa, di giungere in superficie. Le rocce effusive si originano, invece, qualora la massa magmatica, spinta dalla pressione dei gas in essa disciolti, trova una via di risalita, sfruttando fratture nella crosta o contribuendo a crearne di nuove, e giunge così a traboccare in superficie, dove solidifica all’aria libera. Le rocce intrusive e le rocce effusive presentano caratteristiche abbastanza diverse anche se con una semplice osservazione a livello macroscopico non è sempre facile distinguerle. La soluzione del problema è stata fornita dalla Petrografia, che ha messo in luce come avviene il passaggio dal materiale fuso a una roccia solida. Nel caso delle rocce intrusive, poiché il magma si trova fermo entro la crosta, circondato da altre rocce che fanno da isolante termico, il raffreddamento avviene in tempi molto lunghi. In tali condizioni, tutto il fuso arriva a cristallizzare e la roccia ignea intrusiva che ne deriva è interamente formata da cristalli di grandi dimensioni, in genere visibili ad occhio nudo. Le rocce intrusive presentano una struttura granulare olocristallina (figura ►18). Gli ammassi rocciosi intrusivi, anche giganteschi (chiamati batoliti, «rocce profonde»), possono arrivare alla superficie terrestre grazie alla combinazione dei movimenti della crosta e della lenta demolizione delle rocce sovrastanti, che vengono asportate dagli agenti esogeni (figura ►19). Figura 19. Questi rilievi (Yosemite National Park) sono una piccola parte del gigantesco batolite di granito che costituisce quasi per intero la Sierra Nevada, in California (U.S.A.).Dopo la sua messa in posto (fra i 100 e gli 80 milioni di anni fa), il batolite si sollevò lentamente; in milioni di anni l’erosione ha smantellato le rocce che lo coprivano. Il rilievo sulla destra è l’Half Dome («mezza cupola»); la metà cupola «mancante» è franata dopo il ritiro di un ghiacciaio che colmava la valle. (M. Parotto, Roma) Nel caso delle rocce effusive, invece, il magma risale fino in superficie, dove trabocca come lava. In tal caso la temperatura passa rapidamente da circa 1000 °C a quella ambiente e la pressione scende in brevissimo tempo da valori di diverse migliaia di atmosfere a quelli ordinari. In questo modo gas e vapori si disperdono nell’aria e la massa fluida viene allora chiamata lava. Solo una piccola parte della massa magmatica originaria, finché è ancora in profondità o mentre sta risalendo, si trasforma in cristalli di dimensioni apprezzabili. Il resto consolida invece quando arriva in superficie e lo fa così rapidamente che i cristalli non hanno tempo di accrescersi. Si forma così un mosaico di cristalli minuscoli, visibili solo al microscopio, oppure una massa omogenea almeno in parte vetrosa, poiché gli atomi e i gruppi di atomi non hanno avuto tempo di organizzarsi in reticoli cristallini (il vetro, infatti, è una sostanza amorfa, cioè non cristallizzata, che si forma per rapido raffreddamento di un fuso silicatico). Le rocce effusive presentano struttura porfirica (dal nome di una delle più tipiche rocce effusive, il porfido), in cui alcuni cristalli della grandezza di almeno qualche mm, detti fenocristalli, si presentano in una pasta di fondo, formata di cristalli piccolissimi o in parte amorfa (figura ►20). In casi particolari, tutta la massa è vetrosa: sono le ossidiane o «vetri vulcanic 6.2 Perché si formano i magmi? Il problema di come si arrivi alla formazione di materiale fuso in questo o quel settore della crosta e del mantello è complesso. Abbiamo già ricordato che la Terra è solida fino a 3000 km di profondità, per cui la fusione della crosta e del mantello superiore è un evento eccezionale che avviene solo in determinate condizioni. Le condizioni che devono verificarsi perché si arrivi ad una fusione, almeno parziale, delle rocce possono essere: un locale aumento della temperatura del mantello; l’arrivo di fluidi in grado di «inumidire» la roccia presente, infiltrandosi nelle fessure più minute; in presenza di fluidi, infatti, un materiale fonde a temperatura più bassa di quella necessaria in condizioni «secche». L’aumento locale di temperatura si può verificare per risalita di materiali da zone profonde della Terra, dove si trovano ad alte temperature ma rimangono allo stato solido per le elevate pressioni, verso zone più superficiali, dove la pressione è molto minore: la conseguenza è la fusione più o meno estesa dei materiali risalenti, con formazione di magmi che possono eventualmente arrivare in superficie (figura ►25). In ogni caso, la formazione di magmi in questo o quel settore della Terra, di cui abbiamo testimonianza nel corso di miliardi di anni attraverso le rocce magmatiche che ne sono derivate, porta a concludere che, all’interno del pianeta, debbano verificarsi estesi «rimescolamenti» di materiali allo stato solido. A questi rimescolamenti si aggiungono migrazioni di fluidi, probabilmente in discesa dalla superficie, dove sono abbondanti. Tali movimenti a grande scala provocherebbero saltuariamente il passaggio allo stato fuso di porzioni più o meno ampie dei materiali coinvolti. 7 Rocce sedimentarie Mentre le rocce magmatiche sono la traccia concreta di un’incessante attività interna del pianeta, le rocce sedimentarie sono il segno delle continue trasformazioni in atto da tempi lunghissimi sulla superficie della Terra. Sono rocce molto diffuse, anche se con modesti spessori – arrivano appena al 5% della composizione della crosta superiore – e sono estremamente eterogenee. Questa eterogeneità riflette i numerosi modi in cui tali rocce possono formarsi, pur essendo tutte esogene, cioè prodotte da processi attivi in superficie. 7.1 Dai sedimenti sciolti alle rocce compatte Il termine sedimentazione indica la deposizione e l’accumulo, su terre emerse o sul fondo di bacini acquei (fiumi, laghi, mari), di materiali di origine inorganica od organica. Questi materiali sono stati in genere trasportati più o meno a lungo dai cosiddetti «agenti esogeni»: acque, venti, ghiacci (figura ►26). Il processo avviene quotidianamente sotto i nostri occhi in diverse aree: sul fondo delle valli (depositi fluviali), ai piedi delle montagne, dove cadono i frammenti rocciosi che si staccano dalle masse sovrastanti (detriti di falda), nel deserto (sabbia eolica), sul fondo dei laghi (fanghi argillosi o calcarei) o delle paludi (torba), in riva al mare (depositi sabbiosi o ciottolosi), in pieno oceano (argille e calcàri). 7.2 Le rocce clastiche o detritiche Sono rocce formate da frammenti (clasti) di altre rocce che si accumulano in genere in zone ribassate, quando il mezzo che li trasporta (acqua, vento, ghiaccio) perde la sua energia. Per risalire all’ambiente di formazione si considera la dimensione dei clasti, che riflette l’energia dell’ambiente in cui si sono deposti: quanto più sono piccoli, tanto più «tranquillo» doveva essere il mezzo (in genere l’acqua) da cui si sono sedimentati. Altra caratteristica importante è il grado di arrotondamento dei granuli, che esprime l’usura subìta dal clasto e dà un’idea dell’intensità del processo di trasporto in cui è stato coinvolto. Figura 26. Gli stadi del ciclo di formazione delle rocce sedimentarie.Essi abbracciano vari processi, parzialmente sovrapposti: degradazione meteorica fisica (disgregazione) e chimica (alterazione); erosione; trasporto; deposizione; seppellimento. Il processo si conclude con la diagenesi. (Rielaborato da Press e Siever) In ambiente marino o lacustre non di rado si formano sedimenti anche per l’abbondante accumulo di gusci o scheletri di organismi. Il lento passaggio da sedimenti, formati da frammenti distinti, a rocce sedimentarie vere e proprie avviene per un insieme di fenomeni che prende il nome di diagenesi. Tra questi, il più comune è la litificazione che avviene essenzialmente per compattazione e cementazione. La compattazione è dovuta al peso dei materiali che via via si sovrappongono e che, comprimendo i sedimenti sottostanti, riducono gli spazi vuoti (pori) tra i singoli frammenti. Nelle argille, lo spessore può ridursi in tal modo di oltre il 50%. La cementazione è prodotta invece da acque che circolano nei sedimenti sfruttando la presenza dei pori e che portano in soluzione alcune sostanze. Col tempo tali sostanze possono precipitare chimicamente e riempire i pori, cementando i granuli. Tra i cementi più comuni ricordiamo la calcite e la silice. Le rocce sedimentarie vengono suddivise in tre grandi gruppi, che riuniscono ciascuno quelle che si formano in modi simili: rocce clastiche (o detritiche); rocce organogene (o biogene); rocce chimiche. 7.2 Le rocce clastiche o detritiche Sono rocce formate da frammenti (clasti) di altre rocce che si accumulano in genere in zone ribassate, quando il mezzo che li trasporta (acqua, vento, ghiaccio) perde la sua energia. Per risalire all’ambiente di formazione si considera la dimensione dei clasti, che riflette l’energia dell’ambiente in cui si sono deposti: quanto più sono piccoli, tanto più «tranquillo» doveva essere il mezzo (in genere l’acqua) da cui si sono sedimentati. Altra caratteristica importante è il grado di arrotondamento dei granuli, che esprime l’usura subìta dal clasto e dà un’idea dell’intensità del processo di trasporto in cui è stato coinvolto. 7.3 Le rocce organogene Nelle rocce clastiche si trovano frequentemente resti fossili di organismi viventi che sono stati trasportati e accumulati, spesso in frammenti, insieme ad altri clasti. Esiste però un vasto gruppo di rocce formate quasi solamente dall’accumulo di sostanze legate a un’attività biologica. Sulla base del modo in cui si è formato l’accumulo si distinguono in tre categorie, che riflettono diversi ambienti di origine. Rocce bioclastiche, formate da semplici accumuli di gusci e apparati scheletrici (ad esempio gli ammassi di conchiglie che si osservano anche oggi lungo le coste). Rocce biocostruite, formate da ammassi di organismi «costruttori», i cui apparati scheletrici esterni possono saldarsi l’uno all’altro (ad esempio le scogliere e gli atolli costruiti da spugne e coralli in mari tropicali). Depositi organici, formati da accumuli di sostanza organica vera e propria, vegetale o animale, in mare o su terre emerse, dalla cui trasformazione nel tempo prendono origine depositi particolari (carboni e idrocarburi). In ogni caso, la presenza di resti fossili consente di risalire all’ambiente in cui la roccia si è formata. In base alla loro natura chimica prevalente, le rocce organogene sono classificate in più gruppi. 7.5 Dalla «roccia-madre» alle rocce sedimentarie: il processo sedimentario Questa rassegna delle rocce sedimentarie dovrebbe avere chiarito la varietà di processi attraverso cui esse si formano e la stretta relazione tra un ambiente di sedimentazione (marino, costiero, fluviale, desertico ecc.) e il tipo di roccia che in esso può originarsi. La grande eterogeneità delle rocce sedimentarie non deve disorientarci: in realtà, dietro la varietà di fenomeni è possibile individuare le linee di un processo sedimentario globale. Ogni roccia che affiori in superficie è attaccata dagli agenti atmosferici che provocano la disgregazione e l’alterazione dei minerali originali, con intensità e modi diversi a seconda dei climi. Si forma così un mantello detritico che può restare in luogo (rocce residuali) o subire un trasporto ad opera di vari agenti, a seconda del clima e delle forme del rilievo. La pioggia opera un dilavamento generale, i ghiacciai o i venti trasportano parte dei materiali, che poi abbandonano in accumuli caratteristici. Al di fuori delle zone glaciali o desertiche, i fiumi operano un trasporto efficace di materiale (solido o in soluzione) dai continenti, fino a riversarlo nei bacini marini, dove si accumulano i maggiori spessori di sedimenti clastici, organogeni e chimici. La superficie terrestre è in continua trasformazione e le rocce sedimentarie che si stanno formando oggi riflettono fedelmente i molti aspetti di tale trasformazione. Nello stesso tempo, le rocce del passato, opportunamente interpretate, offrono continue tracce di mutamenti precedenti e consentono di ricostruire le fasi dell’evoluzione della superficie del pianeta. 8 Rocce metamorfiche Le rocce metamorfiche si sono formate e si formano in seguito alla trasformazione di altre rocce, provocata da aumenti di pressione e di temperatura. Il metamorfismo è quindi un processo che avviene in profondità, all’interno della crosta terrestre, senza che si arrivi alla fusione del materiale coinvolto (se ciò avviene, si origina un magma e si possono formare rocce magmatiche). Le trasformazioni riguardano sia i minerali (i cui atomi si riordinano secondo un diverso reticolo cristallino, dando origine a minerali nuovi), sia la struttura della roccia, cioè il modo in cui i minerali sono disposti. Le rocce metamorfiche sono una traccia vistosa delle trasformazioni che coinvolgono l’intera crosta terrestre: rocce oggi affioranti possono, con il tempo, scendere a profondità di decine di kilometri, mentre via via si trasformano; rocce profonde possono essere spinte e affiorare in superficie, portando con sé le «prove» delle vicende subìte. Esistono due tipi fondamentali di metamorfismo: il metamorfismo di contatto, che interessa le rocce venute a contatto con un magma; il metamorfismo regionale, che interessa invece grandi aree in profondità nella crosta. 8.3 Le facies metamorfiche Le rocce soggette a metamorfismo subiscono una serie di reazioni chimiche e di trasformazioni fisiche (cristallizzazione metamorfica) che portano alla comparsa di nuove associazioni mineralogiche, per cui si può parlare di una roccia nuova che sostituisce quella preesistente. Al termine di tali reazioni la roccia avrà raggiunto nuove condizioni di equilibrio con l’ambiente e, quindi, una nuova stabilità. In ogni caso la composizione chimica globale viene conservata, mentre a volte qualcosa della roccia originaria si preserva: perciò è possibile risalire in generale alla roccia sedimentaria, magmatica, o anche già metamorfica, che ha subìto il metamorfismo. Poiché le rocce che si sono ricristallizzate in un certo intervallo di temperatura e pressione provengono da una medesima profondità della crosta, esse vengono raggruppate, al di là della loro composizione chimica, che può essere differente, in una stessa facies metamorfica