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9. Le rocce ignee

La maggior parte della crosta terrestre è costituita da rocce ignee, o magmatiche (o anche eruttive), che si formano per raffreddamento e solidificazione del magma, il materiale fuso presente all’interno della Terra. In base alla loro struttura, che dipende dalla velocità di raffreddamento del magma, esse vengono classificate in rocce ignee intrusive ed effusive. Possono anche essere classificate in base al contenuto percentuale di silice, distinguendole in rocce ignee acide, neutre e basiche. Inoltre, in funzione della loro composizione mineralogica, le numerose varietà di rocce ignee possono essere raggruppate in una serie di famiglie.

Genesi delle rocce ignee

Le rocce ignee (dal latino ignis, fuoco), dette anche magmatiche o eruttive, hanno origine endogena: si formano cioè all’interno della crosta terrestre, o nella parte alta del mantello (lo strato immediatamente sotto la crosta), per raffreddamento e solidificazione del magma, miscela fluida ad altissima temperatura, contenente silicati e ricca di gas e vapori.A seconda delle modalità di formazione, il magma presenta composizione e temperature diverse: quello che si forma per fusione della parte superiore del mantello, detto magma primario, è ricco di ferro e magnesio ed è molto caldo (la sua temperatura raggiunge 1200-1400 °C); se, invece, la fusione avviene all’interno della crosta terrestre, il magma ha una composizione chimica simile a quella dei materiali circostanti, ricchi di silicio e alluminio (sialici), con temperature di 600-800 °C, e viene chiamato magma anatettico. Come si vedrà più avanti, dalla solidificazione di questi due tipi di magma si origina una grande varietà di rocce ignee. Durante la solidificazione del magma, avviene il processo di cristallizzazione, cioè le particelle (atomi o ioni) dei vari elementi in esso contenuti si dispongono in modo ordinato, generando diversi minerali silicati, ognuno con un proprio abito cristallino. L’ordine di cristallizzazione dei minerali non è casuale: infatti, prima si formano i minerali a struttura semplice, poi quelli a struttura via via più complessa, secondo la successione indicata dalla serie di Bowen. Poiché i magmi risalgono in superficie attraverso spaccature presenti nella crosta terrestre, le forme di giacitura delle rocce ignee sono molto variabili: spesso sono irregolari e discordanti dalle masse rocciose con cui sono a contatto (rocce incassanti). Le rocce ignee non sono mai limitate in basso, cioè verso l’interno della Terra, da una superficie continua, ma presentano sempre una radice, costituita dal canale di ascesa del magma; questo canale resta più o meno riempito dal materiale eruttivo e rappresenta il collegamento fra la massa eruttiva e il serbatoio magmatico profondo, da cui il materiale delle rocce ha avuto origine.

Serie di bowen

Durante la solidificazione di un magma che si sta raffreddando lentamente, il processo di cristallizzazione dei minerali avviene secondo un preciso ordine, indicato dalla serie di Bowen, dal nome del petrografo canadese Norman Levi Bowen (1887-1956) che, alla fine degli anni Venti, studiò in laboratorio la cristallizzazione di magmi sintetici. Il processo di cristallizzazione secondo una precisa sequenza all’interno di un magma viene detto cristallizzazione frazionata. Per primi cristallizzano i minerali che possiedono più elevata temperatura di fusione (che coincide con quella di cristallizzazione): tra i silicati femici, l’olivina e i pirosseni; tra quelli sialici, i plagioclasi calcici; successivamente, cristallizzano i silicati a struttura più complessa, come le miche e il quarzo, la cui temperatura di fusione è più bassa. Anche la forma più o meno regolare dei cristalli e la loro dimensione è indicativa dell’ordine di cristallizzazione: infatti, i minerali che cristallizzano per primi hanno una forma cristallina più regolare e presentano cristalli più grandi, perché si sono formati in un liquido in cui non c’erano ostacoli per la loro crescita; i minerali che cristallizzano in seguito, costretti a occupare gli spazi residui, assumono di conseguenza forme irregolari e le dimensioni dei loro cristalli sono minori. La massa di magma non solidifica tutta contemporaneamente; può accadere, però, che, prima che la massa sia completamente solidificata, fenomeni accidentali (per esempio, improvvisi movimenti della crosta terrestre) separino i cristalli solidificati dalla massa ancora allo stato fuso. Si formano così rocce con composizione chimica diversa, anche se il magma originario è lo stesso. Infine, la serie di Bowen fornisce anche l’ordine di alterabilità dei minerali, che è tanto maggiore quanto le condizioni di mantenimento dei minerali sono diverse da quelle della loro formazione. In pratica, l’alterabilità è maggiore per i minerali cristallizzati a temperature più elevate.

Struttura delle rocce ignee

La struttura di una roccia è determinata dalla forma dei singoli minerali componenti, dalle loro dimensioni e dalla loro reciproca disposizione. In base alla loro struttura, le rocce ignee possono essere classificate in intrusive, o plutoniche, ed effusive, o vulcaniche.

Rocce ignee intrusive

Le rocce ignee intrusive hanno origine quando il magma rimane intrappolato nella crosta terrestre. La sua risalita è lenta e difficoltosa, forma intrusioni nelle rocce della crosta terrestre e, non riuscendo a giungere in superficie, si solidifica in profondità, in tempi lunghi. Imprigionato dalle rocce incassanti, il magma trattiene disciolti i gas e, poiché le masse rocciose sono cattive conduttrici di calore, si raffredda con estrema lentezza. Ciò permette la crescita regolare dei cristalli e la roccia assume una struttura olocristallina (dal greco: significa interamente cristallino); tale struttura viene detta anche granulare, in quanto è formata da grani di dimensioni generalmente simili e tutti visibili a occhio nudo: un esempio di roccia ignea con questa struttura è il granito. La formazione di grossi cristalli è favorita dalla presenza di gas e vapori nel magma, che contribuiscono a mantenerlo fluido per un tempo più lungo. I primi cristalli che si formano sono caratterizzati da forme regolari ben definite (cristalli idiomorfi), mentre i minerali che cristallizzano in seguito hanno forme irregolari (cristalli allotriomorfi), poiché, non avendo a disposizione spazio sufficiente per formarsi, adattano la loro forma allo spazio rimanente fra i cristalli già formati. Quando tutta la massa fusa si è solidificata, trasformata in roccia, entra a far parte integrante della crosta terrestre; le rocce ignee intrusive affiorano solo in seguito a processi erosivi o a movimenti della crosta terrestre. In base alle dimensioni del magma intruso nelle rocce incassanti, le rocce ignee possono formare corpi intrusivi, distinti, in base alla loro forma, in filoni, plutoni e laccoliti. I filoni sono corpi intrusivi di forma sottile e dello spessore di qualche metro; si possono presentare iniettati lungo piani paralleli alle rocce incassanti (filoni concordanti, o sill) o lungo fratture che le attraversano (filoni discordanti, o dyke). I plutoni sono corpi intrusivi con forma a cupola, detta anche “a duomo”, pressappoco cilindrica, di dimensioni non piccole, a struttura olocristallina; plutoni di dimensioni enormi (lunghi anche più di 100 km) prendono il nome di batoliti. Le laccoliti sono corpi intrusivi di dimensioni inferiori ai plutoni e hanno forma di lente piano-convessa; si formano in seguito a iniezioni superficiali (poche centinaia di metri) di magma viscoso, che, con il procedere dell’intrusione, progressivamente inarca gli strati rocciosi sovrastanti.

Tonalite su granito rosso (Tjörn, Svezia)

Rocce ignee effusive

Quando il magma, fuoriuscendo sulla superficie terrestre attraverso i condotti vulcanici, si espande in colate laviche e si raffredda rapidamente, si formano le rocce ignee effusive. Il magma, che viene ora detto più precisamente lava, per la brusca diminuzione della pressione perde la maggior parte dei gas in esso disciolti e ne consegue la formazione di strutture bollose e scoriacee, specialmente negli strati superficiali della colata lavica. Il raffreddamento della lava è tanto veloce da non permettere la formazione di alcun cristallo: ne risulta così una massa solida non cristallina e la roccia presenta una struttura detta vetrosa, o amorfa. Un esempio di roccia ignea effusiva con struttura vetrosa è l’ossidiana, roccia di colore nero, usata nella preistoria per confezionare lame e punte di frecce, poiché può formare schegge con bordi taglienti. Il raffreddamento del magma può però avvenire anche in tempi diversi e a diverse profondità: una parte di magma solidifica mentre si trova nella camera magmatica, subisce un raffreddamento lento e graduale e in esso cominciano a formarsi grandi cristalli; la solidificazione della parte rimanente del magma, qualora questo venga emesso all’esterno durante un’eruzione, può continuare poi in superficie: in questo caso, il raffreddamento avviene rapidamente e, a causa del breve tempo di accrescimento, si formano cristalli piccolissimi. Il risultato di questo processo è una struttura intermedia rispetto alle precedenti, detta struttura porfirica (tipica del porfido, roccia ignea effusiva usata per pavimentazioni stradali), in cui si osservano cristalli più grossi, detti fenocristalli (dal greco fainós, evidente, visibile), immersi in una pasta di fondo microcristallina o vetrosa.

Sopra ossidiana, sotto pomice e nell'angolo in basso a destra riolite

Composizione chimica delle rocce ignee

I magmi hanno composizioni chimiche assai diverse e possono perciò originare molti tipi di rocce ignee, che vengono classificate in base al contenuto di silice, SiO₂. Si distinguono rocce ignee acide (se il contenuto di silice è superiore al 66%), intermedie o neutre (la silice è compresa tra 66 e 52%), basiche (la silice è compresa tra 52 e 45%) e ultrabasiche (se la silice è inferiore al 45%). Le rocce acide sono anche dette sialiche, dal simbolo degli elementi più abbondanti in esse, il silicio (Si) e l’alluminio (Al), mentre le rocce basiche sono dette femiche, poiché il loro contenuto in ferro (Fe) e magnesio (Mg) è più abbondante che nelle rocce acide. Il contenuto in silice dei magmi ha inoltre una notevole influenza sulla loro capacità di risalita in superficie. I magmi acidi sono molto viscosi, per cui la loro risalita è difficoltosa. Al contrario, i magmi basici sono più fluidi, dunque risalgono in superficie e scorrono con maggiore facilità. Questo è il principale motivo per cui fra le rocce intrusive si trovano prevalentemente rocce acide, come i graniti, che rimangono intrappolati all’interno della crosta terrestre,mentre le rocce effusive sono rappresentate per lo più da rocce basiche come i basalti. Anche il colore e il peso specifico delle rocce sono fattori distintivi tra le rocce acide e basiche: le rocce acide, infatti, sono chiare e leggere, mentre quelle basiche sono di colore scuro (essendo ricche in minerali di ferro, magnesio e calcio) e hanno pesi specifici elevati, in quanto sono costituite da elementi più pesanti.

Le principali famiglie di rocce ignee

Dalla composizione chimica dei magmi dipende anche la composizione mineralogica delle rocce ignee risultanti, cioè la quantità e il tipo di minerali in esse presenti; è tuttavia possibile che, da uno stesso magma, possano formarsi rocce con una composizione mineralogica molto diversa e ciò a causa della cristallizzazione frazionata. Lo studio della composizione mineralogica di un gran numero di campioni di rocce ignee ha permesso di suddividerle in famiglie, ciascuna delle quali comprende rocce ignee sia intrusive, sia effusive; di seguito sono descritte le più importanti. La famiglia dei graniti comprende le rocce ignee più acide (contenuto in silice superiore al 66%). In esse, i minerali essenziali sono il quarzo, il feldspato potassico, i plagioclasi; contengono anche, in percentuali minori, muscovite, biotite e anfiboli. I rappresentanti più comuni di questa famiglia sono i graniti (rocce intrusive) e le rioliti (rocce effusive). I graniti sono tipiche rocce plutoniche sialiche, acide, di colore chiaro, costituiti principalmente da quarzo, feldspati e miche. Si originano a profondità elevate (decine di chilometri), dando luogo a enormi masse rocciose dette batoliti. In essi, i cristalli presentano contorni estremamente irregolari e frastagliati e taluni sono più sviluppati di altri. I graniti sono utilizzati come pietre da costruzione e, in lastre lucidate, per pavimentazioni e rivestimenti, essendo materiali resistenti agli agenti atmosferici e all’usura;possono anche essere impiegati, una volta frantumati, come ghiaia e pietrisco. Le rioliti, rocce vulcaniche sialiche, comprendono le già citate ossidiane (a struttura vetrosa), le pomici (di aspetto spugnoso) e i porfidi (con struttura porfirica). La famiglia delle dioriti comprende rocce costituite quasi unicamente da plagioclasi, anfiboli e pirosseni, di colore grigio. Le più comuni rocce intrusive di questa famiglia sono le dioriti, mentre le corrispondenti effusive sono le andesiti. La famiglia dei gabbri comprende rocce di colore scuro, formate prevalentemente da plagioclasi calcici e pirosseni, con minor quantità di anfiboli e olivine. Tra esse ricordiamo i gabbri, rocce intrusive basiche, e i basalti, corrispondenti effusivi, che da soli rappresentano la maggior parte delle rocce effusive presenti sulla Terra. Le lastre lucidate di gabbro servono per pavimentazioni e rivestimenti, mentre le varietà a più alta resistenza e densità, una volta frantumate, sono usate come pietrisco ferroviario. Le rocce ultrabasiche sono composte da olivine e pirosseni; tra esse ricordiamo le peridotiti, intrusive, e le picriti, effusive; esse hanno distribuzione limitata sui continenti, mentre sono più diffuse sui fondali oceanici.