La mineralogia

La mineralogia è la scienza che studia i minerali, le loro caratteristiche morfologiche, proprietà fisiche, composizione chimica, struttura, genesi e trasformazioni prodotte da processi naturali: questo insieme di proprietà e caratteristiche consente poi di disporre tali sostanze all’interno di una classificazione organica.

Dapprima legata strettamente alla geologia, in un secondo momento la mineralogia si sviluppò in modo indipendente, approfondendo il campod’indagine in seguito all’evoluzione della chimica e della cristallografia, le cui basi si sono dimostrate indispensabili per lo studio della costituzionechimica, delle caratteristiche morfologiche, delle proprietà fisiche e della disposizione strutturale dei minerali, che per lo più si presentano allo statocristallino (dal greco krýstallos = ghiaccio, in quanto si pensava che i cristalli di quarzo da cui si ottenevanosvariati oggetti di pregio, fossero composti da acqua congelata a temperature bassissime tali per cui non era più possibile riottenere da essi l’acqualiquida).

Altre scienze legate alla mineralogia da numerose affinità sono lapetrografia e la geochimica, la prima perché studia le rocce e quindi anche i minerali come costituenti delle rocce stesse, la seconda perché esamina ifenomeni fisico-chimici che avvengono in superficie e nell’interno della Terra. Unitamente a tali scienze la mineralogia costituisce la base dellageologia, alla quale è collegata particolarmente nella ricerca e nello sfruttamento dei minerali utili.

Fra gli scopi di questa disciplina, come abbiamo accennato, c’èinnanzitutto quello della determinazione della composizione chimica e della struttura atomica dei minerali e quindi lo studio della forma dei cristalli edelle loro proprietà fisiche: ciò sia al fine di interpretare i processi naturali di cristallizzazione, sia per l’eventuale utilizzazione industrialedegli stessi.

La mineralogia viene suddivisa in generale e sistematica: la prima considera le proprietà generali e i modi di ritrovamento dei minerali, la seconda si occupadelle caratteristiche di dettaglio dei singoli minerali all’interno di un sistema di classificazione.

 

CENNI STORICI

L’uomo, dalle sue origini più remote, è sempre stato a contatto con minerali e rocce. All’età della pietra usava materiali litici naturali, comel’ossidiana o il quarzo, per ricavarne asce, armi e utensili; inoltre impiegava sostanze coloranti, come ad esempio l’ematite di colore rosso o gliossidi di manganese (neri), per realizzare le figurazioni rupestri sulle pareti delle caverne nelle quali viveva. In tempi meno remoti, ma pur sempre lontani,circa 4000 anni fa, l’uomo estraeva dalle rocce minerali metalliferi dai quali ricavava ferro, rame, stagno, piombo e argento.

Le prime nozioni mineralogiche si trovano nei libri di Aristotele (384-322 a.C.) e soprattutto in quelli del suo discepolo Teofrasto (372- 284 a.C.) il quale, nell’opera “Sulle pietre“, trattò di minerali e roccedescrivendo soprattutto i diversi usi pratici dei prodotti delle miniere e delle cave. Dalla Naturalis historia di Plinio il Vecchio (che morì soffocato il 28 agosto del 79 d.C. all’età di 56anni per essersi avvicinato troppo al Vesuvio in eruzione), apprendiamo che i principali minerali utili conosciuti durante lo sviluppo della civiltà romanaerano, dopo l’oro nativo, la galena argentifera, i diversi minerali di ferro, i minerali di rame e la cassiterite: unico minerale utile dello stagno,necessario per la fabbricazione – unito al rame – del bronzo. Insieme alle conoscenze sulle sostanze e sui fenomeni naturali veniamo informati dal celebreuomo di scienza latino, delle influenze esercitate da queste sostanze sulla vita umana e le interpretazioni, spesso fantastiche, che ne venivano date. Così adesempio egli distingueva le varietà maschio e femmina dei minerali.

Durante il Medioevo un interessante trattato sui minerali fu scrittodall’arabo Avicenna (980-1037): con i limiti delle conoscenze a quei tempi in esso è abbozzata una prima classificazione dei minerali in funzione della lorocomposizione. Quanto all’età umanistico-rinascimentale nozioni di metallurgia e di scienza mineraria si trovano nel De re metallica di Agricola (1494-1555). Dati sulle proprietà fisiche dei metalli si rinvengono anche nel trattato di mineralogia di Leonardo da Vinci(1452-1519).

Le forme regolari dei cristalli, da ciò che si deduce da questitrattati, non erano oggetto di particolari attenzione in quanto, benché alcuni le ritenessero opera della natura, in molti pensavano che fossero prodotte permano dell’uomo. L’interesse per lo studio naturalistico dei minerali ben cristallizzati si diffuse fra la seconda metà del Seicento e l’inizio delSettecento. Il primo esponente di questo indirizzo di ricerca fu Nicola Stenone (1638-1686), anatomista e geologo danese che visse molti anni a Firenze. Eglicompì osservazioni molto attente e originali in vari campi scientifici, ma si interessò soprattutto dei cristalli di quarzo descrivendone la regolaritàgeometrica della forma e notando l’uguaglianza degli angoli diedri omologhi (cioè fra le stesse facce) in cristalli diversi della stessa specie.

Una prima interpretazione della forma regolare dei cristalli fu suggeritadal matematico bolognese Domenico Guglielmini (1655-1710) che alla fine dei Seicento e nei primi anni del Settecento confermò le osservazioni del daneseStenone sulla costanza degli angoli diedri. Egli inoltre, precorrendo la scoperta del cristallografo francese Haüy, avanzò l’ipotesi che la forma regolare dei cristalli fosse dovuta alla lorostruttura interna, cioè ad una giustapposizione ordinata di minutissime particelle uguali e di forma geometrica regolare, corrispondenti al solido disfaldatura del minerale.

Fra la seconda metà del XVIII e l’inizio del XIX secolo, lamineralogia passò dalle nozioni essenzialmente pratiche, legate allo sfruttamento dei giacimenti minerari, allo studio basato su ricerchescientifiche, anche sperimentali. Progredì dapprima la cristallografia mineraria con la scoperta delle leggi cristallografiche fondamentali da partedel francese Jean-Baptiste Romé de l’Isle (1736-1790) e del già ricordato abate René Just Haüy (1743-1822); in un secondo tempo si sviluppò la mineralogia chimica per opera di diversi studiosi ma soprattutto del chimicosvedese Jöns Jacob Berzelius (1779-1848). Nello stesso tempo, si differenziarono gli studi dipetrografia da quelli di mineralogia, discipline che fino a quel tempo venivano trattate insieme, per opera del mineralogista e geologo tedesco Abraham GottlobWerner (1750-1817) e del geologo veneto Giovanni Arduino (1714-1795).

Nella prima metà del XIX secolo le ricerche condotte in cristallografiae in mineralogia chimica portarono il chimico tedesco Eilhard Mitscherlich (1794-1863) al concetto fondamentale di isomorfismo cioè di quel fenomeno percui due minerali con diversa composizione chimica possono assumere, durante la cristallizzazione, la medesima struttura elementare. A ciò si aggiunsero glistudi sulla struttura reticolare iniziati dal fisico francese Auguste Bravais (1811-1863).

Un effettivo progresso nello studio della struttura reticolare si ebbe inseguito alle prime esperienze sulla diffrazione dei raggi X attraverso i reticoli cristallini da parte del fisico tedesco Max von Laue (1879-1908) esuccessivamente del fisico inglese William Henry Bragg (1862-1942).

In Italia i primi mineralogisti che compirono importanti ricerche furonoil geologo Arcangelo Scacchi che nel 1841, insieme con altri scienziati, fondò la “Antologia di Scienze Naturali” e l’ingegnere Quintino Sella(1827-1884) i cui meriti di cristallografo eminente sono assai meno noti che quelli di statista.

Dopo l’unificazione del nostro Paese sorsero i primi istituti dimineralogia in varie città fra cui Roma, Padova e Torino dove si formarono numerosi mineralogisti e petrografi fra i quali merita una particolare menzioneEttore Artini (1866-1928), di cui rimangono due testi la cui consultazione è tuttora utile: I minerali e Le rocce.

 

I MINERALI

Minerale (dal latino mina = pozzo o minera = minerale utile) viene definito una sostanza per lo più solida e inorganica, chimicamente omogenea, che entra come elemento naturalenella composizione della litosfera, ossia della crosta solida del nostro pianeta, ma anche degli altri corpi solidi celesti; dal novero dei mineralirestano quindi escluse le sostanze prodotte dall’industria umana; tuttavia vengono chiamate minerali artificiali quelle sostanze che corrispondono per composizione e proprietà a mineralinaturali.

I minerali si trovano, a parte rare eccezioni (acqua e mercurio) allostato solido amorfo o cristallino. Mentre in un primo momento vennero considerate minerali solo le sostanze inorganiche, attualmente sono ritenutetali anche sostanze organiche (quali cere fossili e idrocarburi) originatesi naturalmente per attività di particolari organismi.

Un minerale, per essere considerato tale, deve essere chimicamenteomogeneo, cioè costituito da un elemento o da un composto definibile con una precisa formula chimica: non deve essere cioè una miscela. Tale caratteristicadistingue i minerali dalla maggior parte delle rocce che solo raramente sono formate da aggregati di individui di una sola specie minerale (ad esempio gessoo salgemma).

Tutti i minerali presentano una disposizione ordinata degli atomi, eanche una forma geometrica regolare, se si sono accresciuti senza impedimenti; possono pertanto essere considerati come cristalli naturali stabili entroparametri chimico-fisici ben definiti.

I minerali amorfi, depositati da soluzioni colloidali, sono informiall’aspetto, ma presentano di regola una natura microcristallina o criptocristallina. I minerali che contengono uranio o torio sono spesso metamittici, cioè possono avere la forma esterna di cristalli, ma internamente essere amorfi(ossia parzialmente o completamente disordinati) a causa del processo di decadimento radioattivo.

Svariati sono i metodi in uso nei laboratori di analisi per ladeterminazione delle specie mineralogiche: alcune proprietà sono visibili senza l’uso di strumenti e riguardano caratteristiche esterne, come il colore, lalucentezza, la trasparenza, la durezza, la sfaldatura. A queste si aggiungono altre proprietà fisiche che hanno importanza diagnostica come la densità, ilpeso specifico, piezoelettricità, luminescenza per determinare le quali servono strumenti e apparecchiature particolari.

Poiché i minerali si presentano per lo più allo stato cristallino, èimportante risalire al grado di simmetria determinando la forma cristallografica esterna per mezzo dei goniometri o meglio esaminando la struttura conl’utilizzo di strumenti basati sulla diffrazione dei raggi X. Molto spesso il riconoscimento dei minerali, soprattutto di quelli facenti parte di una roccia,viene basato sulle proprietà ottiche, determinabili per mezzo del microscopio polarizzatore: un microscopio ottico utilizzato per studiare le proprietà deiminerali in luce polarizzata ossia con le onde elettromagnetiche, le quali costituiscono la radiazione luminosa, che vibrano tutte nello stesso pianoinvece che negli infiniti piani che escono dal raggio luminoso (come accade nella luce normale). Con questo strumento si possono determinare gli indici di rifrazione, la birifrangenza, lapolarizzazione rotatoria ed altre proprietà specifiche. Naturalmente lo studio di un minerale normalmente deve comprendere la determinazione della suacomposizione chimica attraverso scrupolose analisi di laboratorio. Altre proprietà studiate dalla mineralogia sono quelle cristallochimiche, qualiisomorfismo e polimorfismo.

I minerali si formano in seguito a vari processi chimici e fisicinaturali: la loro classificazione non è semplice e i primi tentativi di ordinarli razionalmente risalgono alla fine del XVIII secolo. Nella prima metàdel XIX secolo prevalse la classificazione basata su criteri puramente chimici, come quella contenuta nel fondamentale trattato del naturalista americano JamesDwight Dana (1813-1895), che cominciò ad uscire nel 1837 e che dopo vari aggiornamenti fu successivamente rifatta a partire dal 1944 mediante i nuovicriteri di analisi. Questi ultimi sono fondati su basi cristallochimiche, che tengono conto non solo della composizione chimica ma anche della struttura deiminerali.

Una classificazione cristallochimica – oggi largamente seguita – èanche quella contenuta nelle tabelle del mineralogista tedesco Hugo Strunz (da non confondere con il giocatore di pallone divenuto celebre per l’invettivadavvero inusitata dell’allenatore Trappattoni) uscite nel 1941 e continuamente aggiornate. In tali classificazioni i minerali sono distinti in classi, ingruppi, in famiglie, in serie (senza però che si possa dare di queste suddivisioni una definizione valida per ogni classe e seguita da tutti gliautori), mentre, ciascun minerale dotato delle stesse proprietà essenziali, composizione chimica e forma cristallina, costituisce una specie minerale.

Le specie minerali, oggi note, sono oltre duemila e questo numero è incontinua lenta crescita, anche se talvolta qualche minerale, sottoposto a riesame con i moderni metodi di ricerca, viene per così dire depennato inquanto esisteva già sotto un altro nome.

Dal luglio del 1969, all’indomani dell’esplorazione diretta dellaLuna da parte dell’uomo con la storica missione “Apollo”, nuovo materiale d’indagine per la mineralogia è rappresentato dai campioni di roccia e disuolo raccolti sul nostro satellite naturale, ed esse hanno, a loro volta, aperto problematiche nuove ai ricercatori.

 

LE ROCCE

Le rocce sono aggregati di minerali che con la stessa composizione, la stessa struttura ela stessa origine si estendono in superficie e in profondità tanto da costituire parte integrante della litosfera. Per lo più le rocce sonoeterogenee cioè formate da minerali diversi; raramente si trovano rocce omogenee costituite essenzialmente da un solo minerale ed eventualmente da pochiminerali accessori (tali possono essere considerate ad esempio le masse di salgemma o di gesso che, formando ammassi geologicamente indipendenti, sono veree proprie rocce).

È possibile esaminare direttamente tutti i tipi di rocce formati a diverse profondità nella crostaterrestre, senza dover ricorrere a trivellazioni, perché esse affiorano alla superficie in seguito a dislocazioni e ripiegamenti che riguardano anche leparti più profonde della litosfera. Inoltre, frammenti di rocce formati nella profondità della crosta terrestre, a volte vengono portati in superficie daeruzioni vulcaniche.

Le rocce si classificano in base alla loro genesi e pertanto sisuddividono in ignee o magmatiche, sedimentarie e metamorfiche.

Le prime si formano per consolidamento dei magmi, masse di sostanza fusaad altissima temperatura contenute originariamente in sacche profonde della crosta terrestre. Le seconde si originano per deposito di sedimenti derivatidall’alterazione e disgregazione delle rocce affioranti alla superficie terrestre. Infine le rocce metamorfiche derivano da trasformazioni profonde dirocce preesistenti dovute all’innalzamento della temperatura e della pressione cui sono state sottoposte in seguito a importanti dislocazioni della crostaterrestre o ad intrusioni magmatiche.

Le rocce ignee sono chiamate anche rocce eruttive un termine che può trarre in inganno perché fa pensare che esse si siano formate in seguito allasolidificazione dei magmi usciti in superficie. Ciò è anche vero ma vale solo per le rocce eruttive effusive (o vulcaniche) mentre se la solidificazione del magma avviene in profondità siformano le rocce eruttive intrusive (o plutoniche).

Le rocce ignee, sia intrusive che effusive, si raggruppano in sialiche efemiche in seguito alla distinzione che ne fece il geologo austriaco Eduard Suess (1831-1914) il quale chiamò sial la parte superiore della crosta terrestre formata prevalentemente da roccecontenenti silicati di alluminio e sima la parte sottostante al sial, composta da rocce ricche di silicati di magnesio.Le rocce sialiche sono dette anche acide (termine che non ha alcuna attinenza con la chimica) per la loro ricchezza in silice (SiO2) mentre quelle femiche (così dette per la ricchezza di ferro e magnesio) sono definite anchebasiche in quanto sono da ritenersi in contrapposizione con le acide.

Una delle classificazioni più comuni, qualora si trascurino i terminiintermedi, suddivide le rocce eruttive intrusive, a partire dalle più acide, in graniti, sieniti, dioriti, gabbri e peridotiti. Ad esse corrispondono le rocceeruttive effusive con i termini seguenti: porfidi, trachiti, andesiti, basalti e picriti.

Le rocce sedimentarie si formano per accumulo, in ambiente subaereo o subacqueo, di materiali strappatidall’erosione alle rocce preesistenti. A seconda della diversa origine dei materiali che le costituiscono, le rocce sedimentarie si suddividono in clastiche, di origine chimico-fisica e organogene.

La rocce clastiche possono essere formate da materiale sciolto, ocementato da un cemento naturale che può essere di natura calcarea, silicea, argillosa o di altro tipo. In base alle dimensioni dei frammenti esse sidividono in psefiti (o ruditi) quando sono formate da frammenti grossolani, psammiti (o areniti) quando i granuli sono piccoli e in peliti (o lutiti) quando sono formate da elementi argillosi minutissimi. Fra queste rocce trovano sede anche le piroclastiche che risultano dall’accumulo di detriti vulcanici, quali ceneri e lapilli.

Le rocce di origine chimico-fisica si formano in seguito a precipitazionedi sostanze sciolte nelle acque, per evaporazione del solvente (si chiamano anche rocce evaporitiche e sono costituite da salgemma ed altri cloruri fra cuiquello di magnesio che conferisce il sapore amaro al sale da cucina, da gesso e da calcari) o per trasformazione delle stesse in sostanze insolubili.

Le rocce organogene si formano per accumulo dei resti di animaliacquatici o a volte anche vegetali che fissano le sostanze minerali sciolte nelle acque per farsene rivestimenti esterni o impalcature interne. Alla loromorte queste parti inorganiche si depositano sul fondo e, cementate, danno origine a rocce. A volte è la parte organica degli organismi viventi che sitrasforma in roccia: questo è il caso dei carboni fossili.

Le rocce metamorfiche provengono da rocce ignee o sedimentarie che, in seguito a profondemodificazioni causate da elevate pressioni e temperature, hanno subito delle alterazioni più o meno profonde nella loro struttura, tessitura e composizionemineralogica. Caratteri comuni a tutte le rocce metamorfiche, qualunque sia la roccia originaria e la causa della trasformazione, sono la scistositàossia la facilità con cui si lasciano dividere facilmente in lastre secondo piani paralleli e la struttura cristallina.

I tipi più importanti di rocce metamorfiche sono:

– gli gneiss che sono formati dagli stessi componenti del granito, dai quali si fanno derivare. Oltre a quellidi origine ignea (ortogneiss) si conoscono però anche gneiss di origine sedimentaria (paragneiss).

– i micascisti, talcoscisti, cloritoscisti e gli scisti serpentinosi che dicono, con il loro stesso nome, il minerale predominante presente nella loro costituzione.

– gli argilloscisti che si formano quando le rocce argillose, sotto forte pressione, diventano scistose epossono presentare una cristallizzazione dei componenti. Fra queste si ricordano le lavagne e le ardesie di colore grigio scuro che venivano adoperate,soprattutto nella zona della Riviera di Levante, ricca di questo tipo di roccia, per fare tetti, pavimenti e gradini; le stesse lavagne presenti nelle scuole diun tempo erano fatte di queste rocce.

Prof. Antonio Vecchia

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