Prof. Silvio Mollo Edificio di Mineralogia Tel. 06‐49914912 Email [email protected] Testi di riferimento Giancarlo Negretti. Fondamenti di Petrografia. McGraw Hill/Casa Editrice Università La Sapienza. (2003) Lucio Morbidelli. Le rocce e i loro costituenti. IIIa edizione (2014) Casa ed. Scienze e Lettere ATLANTE DELLE ROCCE Ignee e Metamorfiche, dei Minerali e delle Tessiture (Univ. N Carolina): http://www.geolab.unc.edu/Petunia/IgMetAtlas/mainmenu.html DATABASE di rocce: GEOROC, una banca dati di rocce degli oceani e dei continenti (dall’Archeano ad oggi). Rocce vulcaniche, plutoniche e xenoliti: http://georoc.mpch‐mainz.gwdg.de/georoc/ DIZIONARIO/ GLOSSARIO GEOLOGICO: http://geology.com/geology‐dictionary.shtml I powerpoint di questo corso provengono dalle lezioni del Prof. Michele Lustrino (Dipartimento di Scienze della Terra), il cui eccellente lavoro è difficile da eguagliare. La PETROGRAFIA è una disciplina delle Scienze della Terra che studia le rocce per la parte che riguarda la descrizione, rinoscimento e classificazione sistematica La PETROGENESI è una disciplina delle Scienze della Terra che studia i processi chimico‐fisici responsabili della formazione delle rocce in funzione delle diverse ambientazioni terrestri PETROGRAFIA e PETROGENESI appartengono ad una scienza più ampia che si chiama PETROLOGIA La PETROLOGIA applica i principi della MINERALOGIA e della GEOCHIMICA allo studio delle rocce per comprendere la loro origine ed evoluzione nel tempo La PETROLOGIA studia i sistemi naturali La PETROLOGIA SPERIMENTALE riproduce in laboratorio le condizioni chimico‐fisiche che controllano la petrogenesi, ma si estende anche a materiali sintetici che non esistono in natura La PETROLOGIA PLANETARIA si occupa della PETROGRAFIA e PETROGENESI dei sistemi naturali extraterrestri PETROGENESI PETROGRAFIA PETROLOGIA PETROLOGIA SPERIMENTALE PETROLOGIA PLANETARIA Geosfera 99.9% Idrosfera + Atmosfera + Biosfera 0.1% Le rocce della Terra Classificazione di tipo genetico: – Rocce Ignee Plutoniche Vulcaniche (65%) – Rocce Metamorfiche (27%) – Rocce Sedimentarie (8%) 1.Rocce ignee ‐‐> derivano dalla solidificazione di materiale fuso 2.Rocce metamorfiche ‐‐> derivano da rocce preesistenti attraverso vari tipi di trasformazioni chimico‐fisiche 3.Rocce sedimentarie ‐‐> si originano dalla deposizione di materiali dall’acqua o dall’aria I processi igneo e metamorfico avvengono per lo più all’interno della Terra e quindi non sono direttamente osservabili (ad eccezione delle eruzioni vulcaniche) Il processo sedimentario avviene in gran parte sulla superficie terrestre e l’osservazione degli attuali ambienti deposizionali fornisce informazioni sull’origine delle rocce sedimentarie L’insieme di minerali che costituiscono le rocce si definisce: PARAGENESI Le rocce possono essere: MONOMINERALICHE (molto rare) = rocce sedimentarie POLIMINERALICHE (molto frequenti)= rocce ignee e metamorfiche I minerali delle rocce ignee si possono definire anche chimicamente: FEMICI (ricchi di Fe e Mg) = olivina, pirosseno, anfibolo SIALICI (ricchi di Si e Al) = quarzo, plagioclasio, K‐feldspato Ciclo delle rocce Struttura della Terra Crosta Mantello Nucleo Esterno Nucleo Interno Quattro strati principali: Crosta Mantello Nucleo esterno Nucleo interno 2 tipi principali di crosta: CROSTA OCEANICA CROSTA CONTINENTALE Crosta Oceanica – Dorsale Oceanica Sottile: 2‐10 km (in media circa 7 km) Dorsali Medio‐Oceaniche ~ 21 km3/anno di lava ~60% della superficie della Terra è fatta di crosta oceanica SERIE OFIOLITICA Lave pillow– prodotto di solidificazione di una massa fusa (magma). Dicchi - Particolare giacitura (ossia disposizione nello spazio) di una roccia. Basalti - Rocce ignee molto abbondanti caratterizzate da un alto contenuto in MgO. Gabbri - Rocce simili al basalto ma con cristalli più grandi. Duniti - Rocce composte quasi esclusivamente dal minerale olivina Peridotiti - Gruppo di rocce molto rare sulla superficie terrestre ma estremamente abbondanti nel mantello. Lave pillow (cuscino) - prodotto di solidificazione di una massa fusa (magma). Lave di superfice- prodotto di solidificazione di una massa fusa (magma). Dicchi - Particolare giacitura (ossia disposizione nello spazio) di una roccia. Basalti - Rocce vulcaniche molto abbondanti caratterizzate da un alto contenuto in MgO. Gabbri - Rocce plutoniche simili al basalto ma con cristalli più grandi. Duniti - Rocce composte quasi esclusivamente dal minerale olivina Peridotiti - Gruppo di rocce molto rare sulla superficie terrestre ma estremamente abbondanti nel mantello (la dunite è un tipo di peridotite). Fast Spreading Ridge (East Pacific Ridge) ‐Litosfera termicamente calda ‐Vulcanismo frequente ‐Alti gradi di fusione parziale del mantello ‐Magmi composizionalmente omogenei Slow Spreading Ridge (Mid-Atlantic Ridge) ‐Litosfera termicamente fredda ‐Vulcanismo raro ‐Bassi gradi di fusione parziale del mantello ‐Magmi composizionalmente eterogenei Rispetto alla Crosta Oceanica, la Crosta Continentale è completamente differente per: ‐ Composizione chimica ‐ Composizione mineralogica ‐ Età ‐ Densità e rigidità Crosta Continentale: spessore 20‐70 km; spessore medio ~35 km; composizione MOLTO variabile (in media diorite) Diorite è una roccia plutonica con grossi cristalli costituita da quarzo, feldspati alcalini e minerali femici (pirosseno, anfibolo). ‐ Crosta Superiore (più leggera, più ricca in SiO2 e relativamente povera in MgO, a composizione granodioritica) ‐ Crosta Inferiore più pesante (meno ricca in SiO2 e più ricca in MgO, a composizione gabbrica) Estrema eterogeneità delle rocce che la costituiscono. E’ suddivisa su base geofisica (velocità delle onde sismiche) in: CROSTA SUPERIORE: arriva a circa 10‐20 km di profondità e ha una densità media di 2.5‐2.7 g/cm3. E' costituita da rocce intrusive e metamorfiche con sottili coperture di rocce sedimentarie. CROSTA INFERIORE: ha una densità media di 2.8 g/cm3 ed è composta da rocce di tipo gabbrico. Tra la crosta continentale superiore e quella inferiore si ha la discontinuità di Conrad. A testimonianza del carattere eterogeneo della crosta continentale, la discontinuità di Conrad non è uniformemente distribuita. Granodiorite: roccia plutonica con grossi cristalli simile ad un granito (la trovate sui banconi di molti bar o utilizzata come pavimentazione di stazioni, androni, etc.). Gabbro: roccia plutonica di colore generalmente scuro con abbondanti plagioclasi e vari tipi di minerali (es. clinopirosseni e/o olivina e/o quarzo, e/o magnetite, etc. etc.). BASALTO/GABBRO ANDESITE/DIORITE CROSTA CONTINENTALE SUPERIORE (parte affiorante) Rocce magmatiche 65 % Rocce metamorfiche 27 % Rocce sedimentarie 8 % Rocce magmatiche (65%): graniti, granodioriti e tonaliti (acide sialiche) 77 % gabbri e basalti (basiche femiche) 13 % dioriti ed andesiti (chimismo intermedio) 8 % Le litologie magmatiche e metamorfiche formano un substrato roccioso, spesso identificato come “basamento cristallino” che è, per circa i 4/5, ricoperto da rocce sedimentarie con spessori mediamente valutabili attorno ai 5 km. Rocce sedimentarie (8 %) Rocce argillose 60 % Rocce carbonatiche 20 % Rocce arenacee 15 % Rocce evaporitiche 5 % GRANODIORITE La recente stima di riferimento della composizione chimica della crosta continentale superiore è ottenuta utilizzando i dati analitici di rocce in affioramento. Composizione acido‐sialica, contraddistinta da dominati contenuti di silicio ed alluminio. Anche la crosta continentale è oggetto di carotaggio. Attualmente la profondità massima raggiunta è di oltre 12262 metri (Penisola di Kola – Nord Russia). (Hanno impiegato 24 anni dal 1970 al 1994) C. Oceanica C. Continentale Spessore 2-10 km 20-70 km Struttura Piuttosto semplice Piuttosto complessa Composizione Relativamente uniforme Molto variabile Rocce tipiche Basalti/Gabbri Graniti Chimismo Ricca in Mg, povera in Si Ricca in Si, povera in Mg Densità Piuttosto densa (2,8-3,2 g/cm3) Piuttosto leggera (2,5-3,0 g/cm3) Età <250 Ma Fino a 4 Ga Crosta Mantello Quattro strati principali: Nucleo esterno Nucleo interno Crosta Mantello Nucleo esterno Nucleo interno Si 14.4% Ca Al S 3.0% 1.4% 1.0% O 50.7% Fe 15.2% Mg 15.3% Circa metà della Terra (in peso) è costituita da ossigeno. Abbondanze relative atomiche dei sette elementi più comuni che costituiscono il 97% della massa della Terra. Si 14.4% S 3.0% 1.4% 1.0% O 50.7% Fe 15.2% Mg 15.3% Circa il 95% in peso della Terra è composto da Si, Mg, Fe ed O. I principali minerali del mantello sono silicati di Mg e Fe (a basse P): Olivina (forsterite) Ortopirosseno (enstatite) (Mg,Fe)2Si2O6 (Mg,Fe)2SiO4 Crosta Mantello: Composizione stratificata sia in termini di composizione chimica che mineralogica. Mantello Superiore fino a 410 km Zona di Transizione (410‐660 km) Mantello Inferiore fino a 2900 km Zona di transizione Mantello 80 220 410 660 Profondità (km) Interno della Terra Discontinuità di Mohorovicic Mantello Superiore Mantello Inferiore Mantello Superiore 2900 Discontinuità di Gutenberg Nucleo Esterno (liquido) Nucleo 5145 Nucleo Interno (solido) 6370 Crosta Discontinuità di tipo: ‐ chimico ‐ mineralogico ‐ reologico. Zona di transizione Mantello 80 220 410 660 Profondità (km) Mantello Superiore Dal contatto con la crosta fino a 410 km. Il contatto con la crosta è marcato dalla Discontinuità di Mohorovicic (MOHO) Discontinuità di Mohorovicic Mantello Superiore Mantello Inferiore 2900 Discontinuità di Gutenberg Nucleo Esterno (liquido) Nucleo 5145 Nucleo Interno (solido) Crosta Questo volume viene comunemente diviso in: Discontinuità di Mohorovicic Zona di transizione Mantello Mantello Litosferico (solido) spessore variabile (in genere ~50 km ma può arrivare fino a ~200 km). Mantello Astenosferico (parzialmente fuso) (con spessore variabile da ~80 a ~220 km). 80 220 410 660 Profondità (km) Mantello Superiore Mantello Superiore Mantello Inferiore 2900 Discontinuità di Gutenberg Nucleo Esterno (liquido) Nucleo 5145 Nucleo Interno (solido) Crosta Discontinuità di Mohorovicic PERIDOTITI Zona di transizione Mantello Mantello Inferiore Si tratta di rocce composte da Olivina, Ortopirosseno, Clinopirosseno ed un minerale di Al. A seconda delle profondità questo minerale di Al è: ‐ Plagioclasio (<25‐30 km) CaAl2Si2O8 ‐ Spinello (~30‐80 km) MgAl2O4 ‐ Granato (>80‐90 km) Mg3Al2Si3O12 80 220 410 660 Profondità (km) Le rocce che costituiscono il mantello superiore sono chiamate: Mantello Superiore 2900 Discontinuità di Gutenberg Nucleo Esterno (liquido) Nucleo 5145 Nucleo Interno (solido) Plagioclasio Spinello PRESSIONE Granato IMPACCHETTAMENTO DEGLI ATOMI Tra i tre tipi (facies) di peridotiti, la Facies a Granato è quella di gran lunga più abbondante. Granato Olivina Enstatite Diopside Tuttavia i campioni di xenoliti di mantello sono quasi esclusivamente nella Facies a Spinello. Olivina Diopside Enstatite Spinello Le peridotiti sono una grande famiglia di rocce che includono la LERZOLITE. Olivine La LERZOLITE è una PERIDOTITE con Ol > Opx + Cpx Dunite Peridotites lit hr We Lherzolite e Ha rzb urg it e 90 40 Pyroxenites Olivine Websterite Orthopyroxenite 10 10 Orthopyroxene Websterite Clinopyroxenite Clinopyroxene La LERZOLITE è considerata “mantello inalterato” la cui fusione parziale può generare alcuni tipi di magma. Tholeiitic basalt Wt.% Al2O3 15 g tin l e lM a rti Pa 10 5 Lherzolite Harzburgite Dunite 0 0.0 0.2 Residuum 0.4 Wt.% TiO2 0.6 0.8 Crosta A partire da 410 km la velocità delle onde sismiche aumenta rapidamente. Questa variazione è dovuta alla trasformazione dell’olivina [(Mg,Fe)2SiO4] (alfa‐phase) a struttura ortorombica in wadsleyite [(Mg,Fe)2SiO4] (beta‐phase) a struttura monoclina. A ~520 km l’olivina (ora wadsleyite) cambia di nuovo struttura e diventa ringwoodite [(Mg,Fe)2SiO4] (gamma‐phase) a struttura cubica Discontinuità di Mohorovicic Zona di transizione Mantello 80 220 410 660 Profondità (km) Zona di Transizione Mantello Superiore Mantello Inferiore 2900 Discontinuità di Gutenberg Nucleo Esterno (liquido) Nucleo 5145 Nucleo Interno (solido) Crosta Zona di transizione Mantello 80 220 410 660 Profondità (km) A 660 km la ringwoodite si scinde in perovskite e magnesiowustite (fasi ancora più dense e rigide). Discontinuità di Mohorovicic Mantello Superiore Mantello Inferiore La perovskite s.s. è un ossido doppio di Ca e Ti (CaTiO3). Con l’aumento della P anche l’ortopirosseno (enstatite) si trasforma in un nuovo tipo di minerale: la Majorite (una specie di granato con Mg‐Si al posto dell’Al): 2900 Discontinuità di Gutenberg Nucleo Esterno (liquido) Nucleo 5145 Nucleo Interno (solido) Con l’aumento della pressione si formano minerali ricchi di Mg, Fe e Si e poveri di Al e Ca Magnesio wustite Crosta Nel Mantello Superiore: Olivina e Pirosseni (orto‐ e clino‐) + plagioclasio/spinello/granato (uno dei tre). Nella Zona di Transizione: Wadsleyite e Ringwoodite. Il diopside (clinopirosseno) e l’enstatite (ortopirosseno) diventano instabili e formano un nuovo minerale insieme al granato (majorite). Nel Mantello Inferiore: Perovskite e Magnesiowustite. Il Ca nella majorite diventa instabile e si trasferisce nella struttura della Ca‐perovskite. Discontinuità di Mohorovicic Mantello Superiore Zona di transizione Mantello 80 220 410 660 Profondità (km) Interno della Terra Mantello Inferiore 2900 Discontinuità di Gutenberg Nucleo Esterno (liquido) Nucleo 5145 Nucleo Interno (solido) Interno della Terra Crosta Mantello Quattro strati principali: Nucleo esterno Nucleo interno Crosta Mantello Nucleo esterno Nucleo interno Crosta Discontinuità di Mohorovicic Mantello Superiore Zona di transizione Mantello Mantello Superiore Nucleo Esterno è liquido (fuso) Nucleo Interno è solido (a causa delle alte pressioni) 80 220 410 660 Profondità (km) Lega metallica composta essenzialmente da Fe (>90%). Presenti anche piccole percentuali in S,Ni, C e, forse, Si (ma non ci sono silicati). Non conosciamo praticamente nulla. Solo supposizioni e considerazioni indirette. Mantello Inferiore 2900 Discontinuità di Gutenberg Nucleo Esterno (liquido) Nucleo 5145 Nucleo Interno (solido)