Il minerale: concetto e classificazione

Elenca le condizioni che un solido deve soddisfare per essere considerato un minerale e applica questo criterio per decidere se lo sono il ghiaccio di un ghiacciaio e l'ambra fossile.

Che differenza c'è tra minerale e roccia? Fai un esempio di roccia formata da un solo minerale e uno di roccia formata da più minerali diversi.

Distingui tra un cristallo isolato e un aggregato o massa cristallina. Perché molti campioni di quarzo non mostrano facce perfette?

Che differenza c'è tra i minerali essenziali e i minerali accessori di una roccia? Fai un esempio di ciascuno in un granito.

Che cos'è la struttura cristallina di un minerale e come si manifesta all'esterno nell'abito o forma dei suoi cristalli?

La grafite e il diamante sono formati esclusivamente da carbonio e, tuttavia, le loro proprietà sono opposte. Spiega, a partire dalla struttura cristallina, come è possibile (polimorfismo).

Che cos'è una serie isomorfa? Spiega, con la sostituzione di ioni nel reticolo cristallino, perché l'olivina può variare la sua composizione tra forsterite ($\text{Mg}_2\text{SiO}_4$) e fayalite ($\text{Fe}_2\text{SiO}_4$).

Il colore dell'olivina varia dal verde pallido al bruno scuro a seconda del suo contenuto di ferro. Collega questa variazione all'isomorfismo della serie forsterite-fayalite e spiega perché il colore non è un criterio diagnostico assoluto.

Durante un'analisi con microsonda elettronica su un cristallo zonato di plagioclasio appartenente a un'andesite, ottieni i seguenti dati cationici tra il nucleo e il bordo: nel nucleo, il rapporto molare $\text{Ca}/(\text{Ca}+\text{Na}) = 0,72$; nel bordo più esterno, tale rapporto scende fino a $0,28$.

1. a) Giustifica quale meccanismo di sostituzione ionica accoppiata ha avuto luogo durante la crescita del cristallo e spiega perché sarebbe elettrostaticamente inattuabile sostituire solamente $\text{Ca}^{2+}$ con $\text{Na}^+$ senza modificare la proporzione di $\text{Si}^{4+}$ e $\text{Al}^{3+}$ nel reticolo tetraedrico.
2. b) Un compagno sostiene che il rapporto atomico $\text{Si}/\text{Al}$ debba essere maggiore nel nucleo che nel bordo del cristallo. Dimostra perché la sua affermazione è errata a partire dalle formule stechiometriche dell'anortite ($\text{CaAl}_2\text{Si}_2\text{O}_8$) e dell'albite ($\text{NaAlSi}_3\text{O}_8$), e deduci quale tendenza termica ha subito la camera magmatica durante la cristallizzazione.

In un laboratorio di petrologia si analizzano due campioni di roccia ricchi di silice ($\text{SiO}_2$):

• Campione A: proviene da una cavità in una colata riolitica emessa a più di $950\text{ }^\circ\text{C}$; contiene microcristalli di tridimite e cristobalite che coesistono a temperatura ambiente.

• Campione B: proviene da un'arenaria quarzitica sottoposta a metamorfismo di ultra-alta pressione in una zona di subduzione profonda; contiene coesite parzialmente inclusa in granati.

1. a) A partire dal concetto di polimorfismo e dai campi di stabilità nel diagramma di fase della silice, giustifica perché minerali con identica formula chimica forniscono informazioni geodinamiche così diverse sulla pressione ($P$) e sulla temperatura ($T$) alle quali si sono formati.
2. b) Ragiona sul perché fasi di alta temperatura o alta pressione come la cristobalite e la coesite possono persistere a temperatura e pressione ambiente senza trasformarsi subito in quarzo $\alpha$, che è la fase termodinamicamente stabile in superficie. Quale fattore cinetico interviene in questa persistenza metastabile?

La formula generale dei granati è $X_3Y_2(\text{SiO}_4)_3$. Si distinguono due serie principali di soluzione solida:

• Piralspiti ($Y = \text{Al}^{3+}$; $X = \text{Mg}^{2+}, \text{Fe}^{2+}, \text{Mn}^{2+}$).

• Ugrandite ($X = \text{Ca}^{2+}$; $Y = \text{Al}^{3+}, \text{Fe}^{3+}, \text{Cr}^{3+}$).

Disponi dei seguenti raggi ionici in coordinazione VIII: $\text{Mg}^{2+} = 0,89\text{ Å}$; $\text{Fe}^{2+} = 0,92\text{ Å}$; $\text{Mn}^{2+} = 0,96\text{ Å}$; $\text{Ca}^{2+} = 1,12\text{ Å}$.

1. a) Applica le regole cristallochimiche di sostituzione isomorfa (differenza percentuale di raggio ionico e di carica) per giustificare perché esiste soluzione solida completa tra pirope ($\text{Mg}$), almandino ($\text{Fe}$) e spessartina ($\text{Mn}$), mentre tra questi e la grossularia ($\text{Ca}$) esiste una marcata lacuna di miscibilità a temperature moderate.
2. b) In una metapelite si analizza un cristallo di granato con zonatura concentrica: il nucleo presenta un $22\,\%$ molare di spessartina ($\text{Mn}$) e un $4\,\%$ di pirope ($\text{Mg}$), mentre il bordo mostra un $2\,\%$ di spessartina e un $26\,\%$ di pirope. Sapendo che $\text{Mn}$ entra preferenzialmente a bassa temperatura e $\text{Mg}$ richiede temperature elevate, deduci l'evoluzione termica subita dalla roccia durante la crescita del cristallo e giustifica perché il granato è idoneo a registrare questa storia metamorfica.

In un sondaggio in sedimenti marini del Cretacico vengono estratti fossili di ammoniti le cui conchiglie originarie erano di aragonite (densità $2,93\text{ g/cm}^3$, sistema ortorombico). L'analisi petrografica rivela che la morfologia esterna e le linee di sutura sono perfettamente conservate, ma la massa minerale è costituita interamente da un mosaico di calcite spatica (densità $2,71\text{ g/cm}^3$, sistema trigonale).

1. a) Interpreta il processo mineralogico avvenuto (pseudomorfosi per inversione polimorfica) e giustifica, a partire dalla relazione tra densità, volume molare e pressione, perché l'aragonite è la fase stabile ad alte pressioni mentre in condizioni superficiali è metastabile e tende a trasformarsi in calcite.
2. b) Se in una roccia metamorfica della facies degli scisti blu trovi aragonite primaria conservata senza trasformarsi in calcite, deduci che tipo di traiettoria di esumazione (raffreddamento rapido rispetto a decompressione lenta o decompressione isoterma calda) deve aver subito la roccia per evitare che l'aragonite tornasse a calcite durante la risalita in superficie.

Nomina un minerale rappresentativo di ciascuno di questi gruppi chimici: carbonati, solfati, solfuri, ossidi e alogenuri.

Classifica i seguenti minerali in base al loro gruppo chimico e indica l'anione caratteristico di ciascun gruppo: quarzo ($\text{SiO}_2$), calcite ($\text{CaCO}_3$), pirite ($\text{FeS}_2$) e gesso ($\text{CaSO}_4 \cdot 2\ \text{H}_2\text{O}$).

In laboratorio vengono analizzati tre minerali silicatici sconosciuti (M1, M2 e M3). Si ottengono i seguenti risultati:

• M1: rapporto cationico $\text{Si}:\text{O} = 1:4$; privo di piani di sfaldatura (presenta frattura concoide); densità alta ($3,3\text{ g/cm}^3$).

• M2: rapporto cationico $\text{Si}:\text{O} = 2:5$; sfaldatura perfetta e facile in lamine sottili e flessibili; densità media ($2,8\text{ g/cm}^3$).

• M3: rapporto cationico $\text{Si}:\text{O} = 1:2$; privo di sfaldatura; durezza 7 nella scala di Mohs e densità bassa ($2,65\text{ g/cm}^3$).

1. a) Deduci in modo motivato a quale sottogruppo strutturale dei silicati appartiene ciascun minerale in base al numero di ossigeni condivisi da ogni tetraedro $[\text{SiO}_4]^{4-}$, e proponi un esempio minerale rappresentativo per ciascuno.
2. b) Giustifica perché la presenza di legami chimici anisotropi (forti in due direzioni e molto deboli nella terza) spiega la sfaldatura lamellare di M2, mentre la disposizione tridimensionale isotropa di M3 impedisce la formazione di piani preferenziali di rottura.

I silicati sono il gruppo di minerali più abbondante della crosta terrestre. Osserva lo schema: a sinistra compare la loro unità di base e, a destra, due unità legate. Spiega che cos'è il tetraedro di $\text{SiO}_4^{4-}$, che cosa rappresenta ciascuna sfera e perché la capacità dei tetraedri di condividere ossigeni dà origine a tanti silicati diversi.

Mica, feldspato, anfibolo, pirosseno, olivina e quarzo sono tutti silicati. Indica che cosa hanno in comune e nomina almeno due sottogruppi di silicati in base alla disposizione dei loro tetraedri.

Le miche si sfaldano in lamine sottilissime. Collega questa proprietà alla loro struttura di fillosilicati, in cui i tetraedri formano piani, e spiega perché si sfogliano con l'unghia.

I pirosseni e gli anfiboli sono inosilicati a catene rispettivamente semplici e doppie. Spiega come questa differenza strutturale si traduce in angoli di sfaldatura diversi ($90°$ contro $60°$ e $120°$).

Il quarzo, un tectosilicato, è privo di sfaldatura e si rompe con frattura concoide. Spiega perché il suo reticolo tridimensionale di tetraedri lo rende così resistente e confrontalo con la calcite.

Granato, staurolite e andalusite sono minerali tipici delle rocce metamorfiche. Spiega perché si chiamano «minerali indice» e quali informazioni fornisce la loro presenza in uno scisto.

In un'attività di campagna su un affioramento basaltico raccogli una roccia mafica con abbondanti fenocristalli idiomorfi di colore verde oliva, lucentezza vitrea e frattura concoide (senza sfaldatura osservabile), che scalfiscono il vetro comune (durezza intorno a $6,5-7$). Una compagna avanza l'ipotesi che si tratti di una varietà di quarzo verde (prasio) oppure di pirosseno verde.

1. a) Costruisci un'argomentazione petrologica e cristallochimica per escludere del tutto la presenza di quarzo primario in equilibrio con quella roccia mafica, basandoti sulla saturazione in silice e sulla reazione che lega l'olivina al quarzo ($\text{Mg}_2\text{SiO}_4 + \text{SiO}_2 \rightleftharpoons 2\text{MgSiO}_3$).
2. b) Giustifica quale proprietà fisica diagnostica permette di distinguere inequivocabilmente se quei cristalli verdi corrispondono a olivina (nesosilicato) o a un clinopirosseno (inosilicato), spiegando come tale proprietà rifletta l'architettura interna dei loro tetraedri di silicio.

Si studia la frazione sabbiosa di due bacini sedimentari diversi originati dall'erosione di uno stesso batolite granitico composto da quarzo, feldspato potassico, plagioclasio e biotite:

• Bacino 1: la sabbia contiene un $50\,\%$ di quarzo angoloso, un $35\,\%$ di plagioclasio e feldspato potassico poco alterati e un $15\,\%$ di biotite fresca.

• Bacino 2: la sabbia contiene un $97\,\%$ di quarzo ben arrotondato e appena un $3\,\%$ di feldspato potassico residuo, senza presenza rilevabile di plagioclasio né di biotite.

1. a) Giustifica la scomparsa differenziale dei minerali nel Bacino 2 applicando la serie di Goldich e mettila in relazione con le condizioni termodinamiche di cristallizzazione nella serie di Bowen: perché i minerali formatisi a temperatura maggiore nel magma sono i più vulnerabili all'alterazione meteorica superficiale?
2. b) Deduci le condizioni ambientali di ciascun bacino (clima arido/freddo contro umido/caldo, rilievo e lunghezza del trasporto sedimentario) a partire dal concetto di maturità mineralogica e tessiturale.

In un'aureola di metamorfismo di contatto su argilliti pelitiche, lo studio petrografico mostra che, avvicinandosi al plutone ignee, la muscovite scompare progressivamente reagendo con il quarzo secondo la reazione:

Nella stessa zona dell'aureola, la biotite ($\text{K}(\text{Mg},\text{Fe})_3(\text{AlSi}_3\text{O}_{10})(\text{OH})_2$) rimane stabile in equilibrio con il quarzo.

1. a) Spiega a livello cristallochimico perché la biotite presenta una colorazione scura e un marcato pleocroismo al microscopio petrografico, mentre la muscovite è incolore/chiara, indicando in quali posizioni ottaedriche della lamina si trovano i cationi responsabili di tale differenza.
2. b) Uno studente sostiene che, essendo entrambe fillosilicati con lo stesso rapporto $\text{Si}:\text{O}$, dovrebbero decomporsi alla stessa temperatura. Confuta la sua posizione giustificando la differenza di stabilità termica a partire dalla distinzione tra miche diottaedriche (muscovite) e triottaedriche (biotite), e interpreta quale cambiamento di fase alluminosilicatica ($\text{Al}_2\text{SiO}_5$) ti aspetteresti di trovare in questo contesto di bassa pressione.