Cominciamo lo studio del nostro pianeta a iniziare dalla crosta, l’involucro solido più esterno della Terra il cui spessore è dell’ordine di appena alcune decine di kilometri. È solo una sottilissima pellicola in confronto agli oltre 6300 km del raggio terrestre, ma – come vedremo – conserva dati e informazioni su quasi tutta la lunghissima storia del nostro pianeta.

E, soprattutto, qui si svolgono i numerosi processi chimici, fisici e biologici che regolano le continue trasformazioni del «sistema integrato Terra».

La crosta terrestre è la parte più esterna del nostro pianeta, del quale costituisce un involucro solido di modesto spessore (da alcuni km a poche decine di km). Nonostante la crosta rappresenti appena l’1% del volume del pianeta, essa risulta molto complessa e composta da una grande varietà di materiali.

I materiali che costituiscono la crosta si possono osservare direttamente in superficie sotto forma di minerali e rocce. Essi possiedono la stessa natura elementare di qualsiasi altro tipo di sostanza. Riprendiamo pertanto alcuni dei concetti di base della chimica.

Un minerale è una sostanza naturale solida, con due caratteristiche fondamentali: una composizione chimica ben definita (o variabile entro ambiti ristretti) e una disposizione ordinata e regolare degli atomi che la costituiscono, fissa e costante per ogni tipo di minerale.

I minerali sono in genere di origine inorganica, ma vengono considerati minerali anche sostanze come i carboni, gli idrocarburi e l’ambra, la cui formazione passa attraverso processi biologici.

I minerali sono il modo in cui in genere si presentano le sostanze naturali allo stato solido. In realtà, se ci guardiamo intorno, ben difficilmente riusciamo a distinguere i singoli minerali, come quelli che capita di vedere, per esempio, nelle vetrine delle collezioni mineralogiche; tra l’altro, le dimensioni dei minerali sono di regola piuttosto piccole, da frazioni di mm a qualche cm, mentre dimensioni di molti cm sono più rare e dimensioni maggiori sono eccezionali (le massime dimensioni accertate sono quelle di un cristallo di berillo, un silicato, trovato in Madagascar: un unico cristallo, alto 18 metri e pesante 380000 kg).

La superficie solida del pianeta ci appare invece formata da ammassi di sostanze diverse tra loro per aspetto esterno. Questi ammassi di sostanze, se osservati da vicino e indagati con metodi e tecniche specifiche, si rivelano costituiti a loro volta da minerali: sono le rocce.

Le rocce magmatiche, note anche col nome di ignee o eruttive, sono tutte le rocce che derivano da un magma, cioè da una roccia fusa.

La temperatura, all’interno della Terra, cresce fino a oltre 4000 °C, un valore che sarebbe sufficiente a far fondere tutte le rocce che conosciamo. La pressione, però, cresce anch’essa all’aumentare della profondità e, facendo innalzare il punto di fusione, impedisce il passaggio allo stato liquido. La Terra quindi è sostanzialmente solida fino a circa 3000 km di profondità, dove inizia il nucleo esterno, che si comporta come un liquido. Lo studio di alcuni minerali però ha dimostrato che esistono lave che risalgono alla superficie terrestre a partire da profondità comprese tra i 100 e i 250 km: si deve pertanto concludere che possono verificarsi particolari condizioni che determinano la fusione, almeno parziale, di rocce che normalmente sono molto calde, ma solide.

Il problema dell’origine dei magmi ha un duplice aspetto. Innanzitutto quello riguardante la loro natura chimica, in quanto danno origine a una molteplicità di rocce diverse. Esistono tanti tipi di magmi?

E poi quello riguardante il loro stato fisico di materiale fuso, poiché, anche se esistono all’interno del pianeta parti già allo stato fuso, la maggior parte dei magmi deriva dalla fusione di materiale solido che avviene di volta in volta in settori ristretti più o meno profondi. Ma attraverso quali processi?

Cerchiamo di esaminare separatamente questi due aspetti, anche se il loro stretto collegamento costringerà a richiamarli a vicenda.

Mentre le rocce magmatiche sono la traccia concreta di un’incessante attività interna del pianeta, le rocce sedimentarie sono il segno delle continue trasformazioni in atto da tempi lunghissimi sulla superficie della Terra. Sono rocce molto diffuse, anche se con modesti spessori – arrivano appena al 5% della composizione della crosta superiore – e sono estremamente eterogenee. Questa eterogeneità riflette i numerosi modi in cui tali rocce possono formarsi, pur essendo tutte esogene, cioè prodotte da processi attivi in superficie.

Le rocce metamorfiche si sono formate e si formano in seguito alla trasformazione di altre rocce, provocata da aumenti di pressione e di temperatura.

Il metamorfismo è quindi un processo che avviene in profondità, all’interno della crosta terrestre, senza che si arrivi alla fusione del materiale coinvolto (se ciò avviene, si origina un magma e si possono formare rocce magmatiche). Le trasformazioni riguardano sia i minerali (i cui atomi si riordinano secondo un diverso reticolo cristallino, dando origine a minerali nuovi), sia la struttura della roccia, cioè il modo in cui i minerali sono disposti.

Le rocce metamorfiche sono una traccia vistosa delle trasformazioni che coinvolgono l’intera crosta terrestre: rocce oggi affioranti possono, con il tempo, scendere a profondità di decine di kilometri, mentre via via si trasformano; rocce profonde possono essere spinte e affiorare in superficie, portando con sé le «prove» delle vicende subìte.

Esistono due tipi fondamentali di metamorfismo:

• il metamorfismo di contatto, che interessa le rocce venute a contatto con un magma;
• il metamorfismo regionale, che interessa invece grandi aree in profondità nella crosta.

I processi magmatico, sedimentario e metamorfico fanno parte di un unico ciclo litogenetico, del quale rappresentano diversi stadi successivi (figura ►41). Un primo stadio comprende l’intero processo magmatico, con l’intrusione e l’effusione di materiali fusi in risalita nella crosta. Uno stadio successivo si individua nel processo sedimentario, che porta all’accumulo di sedimenti. 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, che, attraverso i fenomeni di fusione (anatessi), ci riporta al processo magmatico.