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Maturadio

Rolling stones

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Tutto sulle rocce di Paolo Ballato.

Perché studiare le rocce; classificazione delle rocce: vulcaniche, sedimentarie e metamorfiche; il ciclo litogenetico. Editor per Rai Radio 3 Roberta Fulci.

Maturadio è un progetto di podcast didattici per la maturità promosso dal Ministero dell'Istruzione con la collaborazione di Rai Radio 3 e Treccani
Ideazione di Christian Raimo
La sigla di Maturadio è di Teho Teardo

Ciao, sono Paolo Ballato, sono un geologo, lavoro al Dipartimento di Scienze dell’Università di Roma Tre ed oggi vi parlerò delle rocce e del Ciclo Litogenetico, ovvero delle relazioni genetiche tra i diversi tipi rocce.
Le caratteristiche attuali del nostro pianeta sono il risultato di un’evoluzione durata circa 4.5 miliardi di anni. La Terra non è stata sempre uguale: nel corso della sua storia ha subito enormi cambiamenti prodotti da processi sia graduali, sia catastrofici:
1) I continenti si sono formati, si sono assemblati in macro-continenti e si sono separati; 
2) la composizione dell’atmosfera e degli oceani è cambiata; 
3) le specie viventi sono comparse, si sono evolute e molte si sono estinte (dinosauri dominatori per 170 Milioni di anni); 
4) le calotte glaciali sono comparse, si sono espanse fino ad avvolgere tutta la superficie terrestre e poi si sono ritirati fino a scomparire, lasciando spazio a foreste rigogliose anche nelle zone polari;
5) le montagne e gli altopiani si sono sollevati hanno modulato il clima dando luogo a fenomeni climatici estremi come i monsoni e infine spianate dall’erosione. 
Quello che vediamo oggi, quindi, rappresenta un’istantanea (uno snapshot) che non può essere estesa troppo indietro nel tempo.
Per ricostruire le tappe che hanno modellato la Terra dalle fasi primordiali fino al suo assetto attuale dobbiamo individuare la sequenza degli eventi geologici e biologici che si sono succeduti nel tempo. 

Come si fa? 
La risposta è semplice: studiando le rocce, che rappresentano archivi naturali capaci di raccontarci la storia del pianeta.
I geologi hanno imparato a “leggere” le tracce del passato della Terra studiando i processi naturali oggi in atto sul pianeta. Quest’approccio è sintetizzato nella frase di James Hutton, il padre fondatore della geologia: «il presente è la chiave del passato». Ma, la ricostruzione della storia della Terra ci insegna anche che «nel passato troviamo la chiave del presente»: in altre parole, tutto quello che è oggi la Terra, dalle forme della superficie alla struttura profonda, è frutto di lente ma continue trasformazioni.
Il tempo della Terra si misura in milioni e miliardi di anni. Il processo di formazione del pianeta risale a circa 4.5 miliardi di anni fa. A 4.4 miliardi di anni fa risalgono le rocce più antiche finora trovate, e a più di 3.5 miliardi di anni fa le più antiche tracce di vita finora scoperte. A partire da poco più di 3 miliardi di anni fa si attiva la Tettonica delle placche. Circa 600 milioni di anni fa compaiono forme di vita vegetali e animali più complesse. 
L’australopiteco compare appena 4.2 milioni di anni fa, mentre la nostra specie solo 200000 anni fa. 
Siamo recentissimi!

Lo studio delle rocce inizia dall’osservazione diretta sulla superficie terrestre e ci permette di:
1) capire gli ambienti attuali in cui si stanno formando nuove rocce, e quindi, i vari tipi di processi chimici, fisici e biologici in atto; 
2) studiare le rocce che si sono formate in passato e che l’erosione ha esposto in superficie anche molto tempo dopo la scomparsa degli ambienti in cui si sono formate.
Le analisi e le interpretazioni dei due tipi di dati, quelli del presente e quelli del passato, sono tra loro strettamente collegate. 
L’osservazione degli ambienti e dei processi attuali permette di comprendere l’origine delle rocce e ciò consente di ricostruire ambienti del passato a partire dall’esame delle rocce che affiorano oggi in superficie. 
Studiando le rocce si scopre che molte si sono formate in profondità, all’interno della crosta, e questo ha permesso di ricostruire processi interni della Terra, non osservabili, ma di grande importanza come, per esempio, che cosa avviene durante un terremoto, o come si forma il magma. 
E poi ha permesso di capire che le rocce vengono ampiamente riciclate: la crosta, infatti, si rinnova continuamente, tanto che le testimonianze di eventi molto antichi sono rare e lacunose. 
Lo studio delle rocce costituisce quindi 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 (ovvero capirne l’età). 
Tale studio comincia sul terreno, con la semplice osservazione di alcune caratteristiche macroscopiche. Provate a raccogliere un sasso e a guardarlo: ha un aspetto omogeneo o ci sono livelli con caratteristiche diverse? Di che colore è? È duro? Contiene minerali o magari fossili? 
Per la definizione precisa di una roccia, e quindi per la sua classificazione, è necessario identificare il tipo di minerali e quantificarli: per questo si fanno prove in laboratorio come osservazioni al microscopio, esame ai raggi X o analisi chimiche.
Lo studio dei minerali e delle rocce ha portato allo sviluppo di vari rami delle Scienze della Terra, come la Mineralogia, Petrologia, Sedimentologia, Geochimica ecc.
Oltre l’aspetto conoscitivo, lo studio delle rocce offre anche tanti aspetti applicativi. I processi litogenetici di cui stiamo parlando sono all’origine delle risorse naturali non biologiche, il cui impiego ha accompagnato tutto il cammino dell’uomo, dalla raccolta di selce per le punte delle frecce all’estrazione di materiali radioattivi per l’energia nucleare. 
I materiali da costruzione, le materie prime per la produzione di metalli, i combustibili fossili (petrolio e carbone) sono minerali e rocce, e la loro ricerca, come la valutazione della loro disponibilità, si basa proprio sulla conoscenza dei processi litogenetici.

2. LA CLASSIFICAZIONE DELLE ROCCE
Ma di che cosa è fatta una roccia? Il fattore che incide maggiormente sulla composizione mineralogica di una roccia (ovvero sul tipo e sulla quantità relativa dei minerali costituenti), sulle dimensioni e sulla forma dei cristalli o dei granuli che la costituiscono è la sua origine geologica. 
In questa lezione vedremo che le rocce si possono classificare in base a diversi criteri. La prima e più ampia suddivisione riguarda l’origine delle rocce ovvero la litogenesi. 
Ci saranno poi ulteriori suddivisioni: sarà come osservare i rami di un albero e vedere che ogni ramo si ramifica a sua volta in altri rami più piccoli. 

In base all’origine, le rocce possono essere suddivise in tre gruppi: magmatiche, sedimentarie e metamorfiche. 
1. Le rocce magmatiche si formano dalla solidificazione di magma. 
2. Le rocce sedimentarie si formano in seguito alla deposizione di sedimenti derivanti dalla disgregazione di rocce preesistenti e dalla successiva litificazione (trasformazione da sedimento in roccia), oppure dalla precipitazione chimica di minerali in soluzione acquosa o da materiale di origine organica (per esempio, i calcari recifali) 
3. Le rocce metamorfiche si formano a partire da qualunque tipo di roccia preesistente che sprofondi, a causa delle forti pressioni e del calore elevato che si incontrano all’interno della Terra. 

Iniziamo dalle rocce magmatiche, note anche col nome di ignee: quelle che derivano dal raffreddamento di un magma. Come si forma il magma?
La temperatura, all’interno della Terra, cresce fino ad oltre 4000 °C, un valore che sarebbe sufficiente a far fondere tutte le rocce che conosciamo. Anche la pressione cresce all’aumentare della profondità provocando l’innalzamento del punto di fusione. Questo impedisce il passaggio allo stato liquido nonostante le alte temperature. 
Lo studio di alcuni minerali però ha dimostrato che esistono magmi che risalgono fino alla superficie terrestre a partire da profondità comprese tra i 100 e i 250 km: questo ci dice che possono verificarsi particolari condizioni che determinano la fusione, almeno parziale, di rocce che normalmente sono molto calde, ma comunque solide. E qui entra in scena il magma!
Un magma è un sistema complesso di roccia fusa, che contiene anche vapore acqueo e sostanza gassose. 
Il magma si forma per cause diverse nella crosta terrestre o nella parte alta del sottostante mantello, a profondità che in genere variano tra i 15 e i 100 km. La temperatura del magma dipende dalla sua composizione e può variare da circa 1200 a 600 °C. 
Quando il magma si raffredda inizia il processo di cristallizzazione: dal fuso si separano via via, secondo il loro punto di fusione, vari tipi di minerali. L’aggregazione di questi minerali darà luogo ad una roccia. All’interno della roccia, i minerali avranno una forma, una distribuzione, e dei rapporti geometrici peculiari con i minerali adiacenti, e quindi la roccia sarà caratterizzata da una tessitura. 

Stiamo parlando delle rocce magmatiche, cioè quelle che hanno origine dalla solidificazione del magma. Questo “ramo” si può suddividere in due rami più piccoli, sempre in base alla genesi delle rocce: 
1) Le rocce plutoniche (o intrusive), si originano da magmi che solidificano in profondità perché non riescono a raggiungere la superficie. Quando si formano sono infatti circondate da altre rocce dette incassanti. 
2) Le rocce vulcaniche (o effusive) si originano quando il magma, spinto dalla pressione dei gas, trova una via di risalita, sfruttando fratture nella crosta o contribuendo a crearne di nuove, e giunge così in superficie. A differenza delle rocce intrusive, quelle effusive quando si formano sono circondate da aria libera.
Le rocce intrusive e le rocce effusive presentano caratteristiche tessiturali diverse facilmente distinguibili. In certi casi, però, la semplice osservazione macroscopica non è risolutiva, per cui dobbiamo ricorrere all’osservazione al microscopio petrografico 

Nel caso delle rocce plutoniche o intrusive, il magma si trova all’interno della crosta e pertanto è circondato da altre rocce che fanno da isolante termico. Il raffreddamento, quindi, avviene in tempi lunghi (tipicamente centinaia di migliaia di anni). In queste condizioni, tutto il fuso magmatico cristallizza e la roccia ignea intrusiva che ne deriva è interamente formata da cristalli di grandi dimensioni, in genere visibili ad occhio nudo. Questa struttura è detta olocristallina. Tra le rocce intrusive figurano per esempio i graniti. 
Gli ammassi rocciosi intrusivi (chiamati batoliti, «rocce profonde»), possono arrivare in superficie grazie alla combinazione dei movimenti verticali della crosta e dell’erosione delle rocce sovrastanti.
Nel caso delle rocce vulcaniche o effusive, invece, il magma risale e trabocca in superficie come lava oppure può fuoriuscire in modo violento come materiale piroclastico, termine con il quale descriviamo una miscela di cenere, frammenti di lava e frammenti di rocce
Quando il magma esce in superficie diventa lava: 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 quella atmosferica. In questo modo gas e vapori si disperdono nell’aria. 
Solo una piccola parte della massa magmatica originaria avrà dei cristalli di dimensioni apprezzabili che si saranno formati durante il raffreddamento lungo la risalita del magma. Il resto si solidifica 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. 
Tra le rocce effusive figurano i basalti ovvero quello rocce scure che dall’aspetto omogeneo che vengono utilizzate per le pavimentazioni a sanpietrini. 
Oltre ai processi effusivi, possiamo avere i processi esplosivi con espulsione di materiale piroclastico, vedremo nella lezione dedicata all’attività vulcanica).

Torniamo alla nostra classificazione più ampia, e passiamo ora al secondo gruppo di rocce: quelle Sedimentarie. Le rocce sedimentarie si originano da processi che si svolgono sulla superficie terrestre. Il termine sedimentazione infatti indica la deposizione e l’accumulo di materiali di origine inorganica od organica, in genere trasportati dagli agenti esogeni quali acqua, vento e ghiaccio. 
Ogni deposito sedimentario ha caratteristiche ben precise in termini di dimensione dei granuli, organizzazione e quindi distribuzione dei sedimenti sia in orizzontale che in verticale. La direzione orizzontale ci dà indicazioni spaziali, quella verticale invece ci dà indicazioni temporali. Tutte queste caratteristiche dipendono dai diversi agenti di trasporto e dalla loro energia e danno alle rocce sedimentarie un aspetto ordinato con la ripetizione ciclica di livelli millimetrici e strati centimetrici e decimetrici.
Per esempio, un fiume nelle Alpi scorre lungo valli ripide, e quindi ha un’energia maggiore che è in grado di trasportare sedimenti grossolani come ciottoli della dimensione di centimetri. Il Po invece, scorre nella Pianura Padana su un substrato meno ripido e quindi ha un’energia minore e trasporta sedimento più fine come sabbia, limo e argilla. Lo studio delle rocce sedimentarie ci permette quindi di capire il tipo di agente di trasporto, la sua energia e quindi le condizioni della superficie terrestre al momento della deposizione dei sedimenti. 
Ma soprattutto, le rocce sedimentarie sono le uniche rocce a contenere fossili e quindi contengono indizi utilissimi per ricostruire le tappe evolutive dell’evoluzione della vita (Paleontologia).
Il processo di sedimentazione avviene quotidianamente in diverse aree. Per esempio, nelle valli fluviali, alle pendici delle montagne, nella parte terminale dei ghiacciai, nei deserti di sabbia, nelle lagune, nei laghi, nel mare poco profondo e in quello profondo. Ad ogni ambiente saranno associato dei processi caratteristici che genereranno strutture sedimentarie e associazioni granulometriche caratteristiche. 

Ma come si originano i sedimenti che poi andranno a costituire le rocce sedimentarie?
La degradazione meteorica modifica le rocce attraverso meccanismi fisici di disgregazione meccanica e di meccanismi di alterazione chimica Questo porta alla produzione di particelle solidi e sedimenti chimici che potranno successivamente precipitare da una soluzione acquosa.
Il trasporto da parte degli agenti esogeni può avvenire per via meccanica o in soluzione, mentre la deposizione (sedimentazione) si verifica nel momento in cui i sedimenti decantano o i minerali solubili precipitano. 
Il lento passaggio da sedimenti cioè da materiale inconsolidato, a rocce sedimentarie vere e proprie si chiama litificazione ed avviene per compattazione, dovuta al peso dei materiali che via via si sovrappongono, e cementazione dovuta alla precipitazione di nuovi minerali all’interno delle porosità. Questi processi che richiedono centinaia di migliaia d’anni.
Lo studio delle rocce sedimentarie ha anche una grande utilità pratica: è soprattutto in associazione con queste rocce che si trovano depositi di petrolio, gas naturale e carbone fossile. 
Inoltre, le rocce sedimentarie sono anche importanti serbatoi di acqua sotterranea.

Anche le rocce sedimentarie si possono ulteriormente suddividere in base della natura dei sedimenti costituenti. Ci sono due gruppi principali:
Rocce clastiche (o detritiche) derivano dall’accumulo e dalla litificazione di frammenti provenienti dalla disgregazione meccanica di altre rocce. Notare che quando parliamo di sedimento sciolto parliamo di ghiaia, sabbia, e argilla; quando invece parliamo di rocce (sedimento litificato) parliamo di conglomerati, arenarie (areniti), e argilliti.
Rocce chimiche/biochimiche derivano dalla precipitazione chimica di sostanze (ioni) in soluzione in seguito a processi chimici/biochimici. Esempi di rocce chimiche sono le evaporiti, i travertini, le rocce residuali. Esempi di rocce biochimiche sono i calcari organogeni (es. contenenti coralli).

Passiamo ora al terzo ed ultimo gruppo, quello delle rocce metamorfiche. Tutte le rocce, indipendentemente dalla loro genesi, possono essere sottoposte a temperature elevate o a forti pressioni (o ad entrambe), e pur rimanendo allo stato solido possono subire dei cambiamenti mineralogici e tessiturali. Questo processo di trasformazione è detto metamorfismo (dal greco: μεταμόρϕωσις, mutare forma) e dà luogo a ROCCE METAMORFICHE. 
Il metamorfismo avviene all’interno della crosta terrestre, già a partire da una profondità di alcuni chilometri, dove le pressioni aumentano e le temperature diventano sufficientemente elevate, ma non al punto di provocare la fusione delle rocce (capita solo localmente e in modesti volumi). A 15 km di profondità la pressione è infatti circa 4000 volte superiore a quella esistente sulla superficie terrestre. Le temperature in gioco invece sono comprese tra 200 e gli 800 °C.

Distinguiamo due tipi di metamorfismo: di contatto e regionale. 
1. Il metamorfismo di contatto si osserva quando una massa di magma incandescente risale attraverso la crosta, oppure si ferma al suo interno, provocando un forte aumento di temperatura nelle rocce incassanti che subiranno modificazioni mineralogiche e tessiturali. Lo spessore delle rocce interessate dal metamorfismo di contatto varia da qualche centimetro al kilometro, a seconda delle dimensioni della massa di magma. Più si è vicini alla massa incandescente, più le trasformazioni sono intense. Un esempio di roccia che deriva dal metarmofismo di contatto è il marmo come quelli di Carrara, usato da Michelangelo per realizzare i suoi capolavori.
2. Il metamorfismo regionale invece riguarda porzioni molto estese della crosta terrestre. Si verifica quando i movimenti tettonici, che affronteremo nella lezione sulla tettonica a placche, provocano il sollevamento delle catene montuose e l’inspessimento della crosta generando in profondità temperature e pressioni crescenti. 

Questa carrellata sulle tipologie di rocce ci permette di individuare tre principali processi litogenetici, cioè «generatori di rocce»: il processo magmatico, quello sedimentario, e quello metamorfico. 
Sono processi diversi ma strettamente interconnessi e fanno parte di un unico ciclo litogenetico. Perché “ciclo”? Perché i tre processi rappresentano tre diversi stadi di un unico processo più grande, che poi ricomincia. 
Un primo stadio comprende l’intero processo magmatico, con la fusione parziale in profondità di rocce del mantello e in alcuni casi della crosta e la conseguente formazione di magma, la risalita del magma stesso, la sua intrusione nella crosta terrestre dove darà luogo a rocce intrusive, o l’effusione in superfice cha darà luogo a rocce effusive.
Uno stadio successivo si individua nel processo sedimentario. Tutte le rocce esposte in superficie, infatti, subiscono meteorizzazione (cioè si sgretolano?), e questo genera sedimenti che verranno trasportati e accumulati, e poi grazie al seppellimento e alla cementazione diventeranno rocce.
Infine, 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. Ad alta temperatura e in condizioni particolari il metamorfismo può essere associato a processi di fusione parziale (anatessi), e quindi all’origine di nuovo magma; questo ci porta nuovamente al processo magmatico e quindi all’inizio di un nuovo ciclo. 

Non sempre è tutto così lineare. Nella realtà, intervengono altri percorsi che possono semplificare o complicare il ciclo litogenetico. Ad esempio, una roccia intrusiva può venire metamorfosata senza prima raggiungere la superficie ed essere smantellata dai processi di meteorizzazione ed erosione. 
Oppure una rocca sedimentaria può tornare in superficie dopo la sua formazione ed essere smantellata ed erosione senza subire metamorfismo. Allo stesso modo, una roccia metamorfica può venire sollevata ed esposta in superficie, senza prima subire fenomeni di fusione parziale, 

E poi il ciclo non è perfettamente chiuso perché può subire delle perdite verso l’esterno. Per esempio, l’idrosfera e l’atmosfera possono inglobare elementi della litosfera sia grazie ai processi vulcanici come le eruzioni e il rilascio di gas, sia attraverso la meteorizzazione chimica. Allo stesso modo, la litosfera può sequestrare CO2 dall’idrosfera e dall’atmosfera attraverso la precipitazione di rocce a base di carbonato di calcio (i calcari). 

In questa lezione abbiamo visto che le rocce rappresentano uno strumento di lettura della storia della Terra. Studiando le rocce possiamo comprendere i processi geologici superficiali e profondi. I processi che portano alla formazione delle rocce sono detti litogenetici e tra questi abbiamo quelli sedimentari, magmatici e metamorfici che danno luogo a rocce con composizioni e tessiture caratteristiche.
La superficie delle terre emerse è formata per il 55-60% da rocce metamorfiche, per il 35-40% da rocce ignee e fino al 5% o poco più, da rocce sedimentarie. Scendendo in profondità nella crosta, le rocce sedimentarie scompaiono perché si sono trasformate in rocce magmatiche intrusive e in rocce metamorfiche, e andando ancora in profondità nella parte più profonda della crosta anche le rocce ignee intrusive si sono trasformate in rocce metamorfiche. 
Questi processi di formazione e trasformazione sono alla base del ciclo litogenetico delle rocce.

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