Profilo di storia della mineralogia

 


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Proprietà fisiche

 

 

Gli scienziati hanno cercato di compensare le difficoltà di analisi chimica dei minerali attraverso lo studio di altre proprietà, in particolare quelle fisiche.

Le proprietà fisiche di base: colore, luminosità,densità, durezza, aspetto (sfaldatura) restano un sistema importante per la determinazione, soprattutto sul terreno. I principi del loro studio non sono variati dall’inizio del XIX° secolo: nel 1820, il mineralogista austriaco F.Mohs, mentre fornisce la prima definizione rigorosa dei 7 sistemi cristallini, pubblica la scala di durezza a 10 gradi che viene utilizzata ancora oggi: 1.talco,2.gesso,3.fluorite,4.calcite,5.apatite,6.ortoclasio,7.topazio,8.quarzo,9.corindone,10.diamante

Ma accanto alle caratteristiche evidenti, due proprietà presentano un’importanza particolare: interazione dei cristalli con la luce (proprietà ottiche) e proprietà termiche, molto utilizzate per l’analisi di alcuni minerali di piccolissime dimensioni (minerali delle argille)

 

Proprietà ottiche: osservazione dei minerali al microscopio polarizzante

 

La scoperta della doppia rifrazione nello spato d’Islanda di E. Bartholin nel 1672 e la prima interpretazione di C. Huygens nel 1674, segnano l’inizio dello studio delle proprietà ottiche dei cristalli. Le ricerche, per lo più indirizzate verso la cristallografia geometrica, non progredirono durante tutto il XVIII secolo, ma subirono una forte accelerazione a partire dal 1800, cioè da quando gli scienziati disposero di strumenti adatti (microscopio). Intorno al 1810, Arago studiò la polarizzazione e il potere rotatorio del quarzo, mentre Biot stabilì i primi principi di quella che diventerà l’ottica cristallina, riconoscendo in particolare le categorie dei cristalli uniassici e biassici.

Si comprese allora che alcuni minerali interferiscono con il piano di polarizzazione della luce, e questo sollecitò una serie di lavori sull’ottica dei microscopi. Le prime ricerche sono meno indirizzate ai cristalli che alle imperfezioni che queste possono presentare,i n particolare le inclusioni fluide che per prime colpirono gli osservatori quando iniziarono a osservare i cristalli al microscopio.All’inizio del XIX° secolo, Davy e in seguito Brewster scoprirono un misterioso "liquido fortemente dilatabile", di cui analizzarono con precisione le caratteristiche fisiche (indice di rifrazione) e il comportamento a temperatura variabile. Ma la sua composizione fu conosciuta soltanto 50 anni più tardi (1871), con le analisi spettroscopiche di H.Vogelsang e F.Geisler a Delfy: si trattava del CO2, uno dei componenti principali delle inclusioni fluide.

Nel 1818, Malus scopre la polarizzazione cromatica e definisce il raggio polarizzato. Nel 1830, Nicol perfeziona il sistema di prismi di Malus e costruisce il prisma polarizzante che portò il suo nome, permettendo la costruzione del microscopi polarizzanti adatti all’osservazione di lamine sottili di minerali e rocce.Nonostante le derisioni dei suoi colleghi "Monsieur de Saussure,qui se moquait de ce que l’on cherche du étudier des montagnes sous un microscope", l’inglese H.C.Sorby estende l’uso del microscopio polarizzante in mineralogia e in petrografia,portando una rivoluzione tecnologica che non avrà uguali fino alla scoperta della microsonda elettronica, un secolo e mezzo più tardi. Grazie a progressi tecnici notevoli realizzati in alcuni anni da grandi fabbricanti di microscopi, come Nachet in Francia, Leitz e Zeiss in Germania, Reichert in Austria, la determinazione dei caratteri ottici dei minerali diverrà una delle più grandi avventure scientifiche del XIX secolo. I mineralogisti ricercarono prima di tutto le relazioni tra i caratteri ottici,struttura e composizione all’interno dei grandi gruppi di minerali di rocce: in primo luogo feldspati, mica,pirosseni e anfiboli.Il microscopio polarizzante più che un mezzo di determinazione è un autentico strumento di analisi. L’ottica cristallina è una scienza complessa, con la quale si misero in luce celebri fisici, tra i quali Fresnel, che definì nel 1820 l’ellissoide degli indici.

Due grandi scuole iniziarono a dominare il mondo: la Francia che grazie ai ricercatori del Museum d’Histoire Naturelle e de l’Ecole de Paris rimane quasi esclusivamente mineralogica e la Germania-Austria, che si orientò rapidamente verso la descrizione sistematica delle composizioni dei minerali all’interno delle rocce, prendendo dunque una strada più nettamente petrografica. A Parigi, A.Descloizeaux studia, grazie a delle lamine spesse, i caratteri ottici di 468 specie minerali, mentre A.Michel-Levy, nel 1890, stabilisce le basi teoriche che permettono l’interpretazione delle misure di birifrangenza. Il problema importante della determinazione del gruppo dei feldspati, che permetterà lo sviluppo delle classificazioni petrografiche moderne basate sulla composizione dei minerali "chiari" (ricchi in alcalini:quarzo, feldspati e feldspatoidi), sarà affrontato da Des Cloizeaux nel 1875, seguito da P. Fouquè e A. Michel-Levy, finalmente risolto in un’opera magistrale pubblicata da quest’ultimo nel 1894: "L’étude sur la détermination des feldspaths dans les lames minces au point de vue de la classification des roches",(Lo studio sulla determinazione dei feldspati nelle lamine sottili dal punto di vista della determinazione delle rocce), sarà ripreso, in modo più o meno diretto, da tutte le opere che spiegano l’uso dal microscopio ai petrografi.

Nello stesso periodo (1893), il russo V.S. Fedorov introduce i primi tavolini universali, che permettono l’orientamento tridimensionale delle sezioni sottili delle rocce sotto il microscopio. Questi apparecchi complessi consentono un’identificazione precisa degli elementi ottici (in particolare assi) in rapporto agli elementi cristallografici. Il tavolino universale ispirerà una serie di lavori importanti (Duparc e Rheinhart in Svizzera, Emmons negli Stati Uniti), che rimangono importanti dal punto di vista teorico, ma che hanno perduto molto del loro interesse pratico in mineralogia analitica dopo l’invenzione delle microsonde elettroniche. Il tavolino rimane in compenso molto utilizzato in una forma semplificata ( ad ago) per lo studio dei minerali in grani, e per misure microstrutturali.

Nei paesi di lingua tedesca gli studi si indirizzano verso la petrografia. Le classificazioni petrografiche tedesche sono soprattutto basate sull’indice di colore, percentuale relativa tra minerali chiari (contenenti principalmente K,Na,Ca) e scuri (ricchi in Fe-Mg). L’indice di colore è immediatamente percettibile sotto il microscopio, senza che sia necessario conoscere in modo preciso la composizione dei differenti gruppi minerali. Il contributo della scuola tedesca

ai progressi della mineralogia microscopica è tutt’altro che trascurabile. Nel 1864, P. Tschermak definisce in maniera rigorosa il concetto di soluzione solida e, nel 1870, precisa i caratteri microscopici dei principali gruppi di minerali colorati: miche(biotite), pirosseni (augite) e anfiboli (orneblenda). Nel 1890, il mineralogista viennese F.Becke dimostra che , quando si allontana dal fuoco un preparato sotto il microscopio il senso dello spostamento di un alone luminoso a contatto di due minerali contigui dipende dal valore relativo dei loro indici di rifrazione.

Questo celebre metodo del "linea di Becke" resta ancora oggi un mezzo essenziale di determinazione, non soltanto sui minerali in sezione sottile, ma anche sui minerali isolati ( in grani).

A partire dal 1900, le conoscenze teoriche sono sufficienti per affrontare la realizzazione dei grandi trattati sistematici, la cui realizzazione continuerà fino alla vigilia della seconda guerra mondiale. Questi trattati riguardanti sia la mineralogia sistematica sia la petrografia, evidenziano alcuni contrasti tra la Francia e la Germania. In Francia si privilegia principalmente la mineralogia sistematica, questa scelta è dovuta in particolare a A.Lacroix, Professore al Museum, che, a partire dal 1893, pubblicherà durante più di 20 anni i monumentali volumi della Minéralogie de France et de Madagascar (Mineralogia della Francia e del Madagascar). In Germania, i trattati di H.Rosenbusch (Mikroskopische Physiographie der Mineralien und Massige Gesteinen) di cui la prima edizione è datata 1873, saranno costantemente ristampati e completati fino al 1924 da E.Wulfing. Queste opere restano una base di riferimento indispensabile, e soprattutto sono la fonte diretta di tutte le opere utilizzate ancora oggi per l’insegnamento della mineralogia e della petrografia microscopica (e.g. M.Roubault in Francia, A.Kerr negli Stati Uniti, etc.)

Per lungo tempo, soltanto i minerali trasparenti sono stati studiati al microscopio "a trasmissione", nei quali i raggi luminosi passano attraverso ai minerali studiati. Nel 1927 J.Orcel estende questa tecnica ai minerali opachi. Egli mette a punto un microscopio polarizzante per riflessione, che permette di fare osservazioni qualitative sui costituenti dei minerali opachi: colore, durezza, sfaldatura e colore di polarizzazione. Il potere riflettente può essere misurato in maniera quantitativa, con apparecchi relativamente complessi. E’ stato così possibile elaborare le tavole di determinazione (F. Uytenbogaardt e E.A.J Burke) molto utilizzate in metallogenia. Le ricerche attuali si orientano verso i microscopi a luce infrarossa, che grazie ad un convertitore d’immagine montato nell’oculare permettono di studiare in luce trasmessa dei minerali (solfuri,elementi originari) opachi nello spettro visibile.

Lo studio teorico dei minerali trasparenti in luce polarizzata ha consentito l’uso di sezioni sottili di uno spessore standard (30 micron). Questi preparati però demoliscono le inclusioni fluide contenute in alcuni minerali (in particolare i quarzi), che hanno correntemente dimensioni comparabili, persino superiori.

Si tratta di un campo di studio attualmente in pieno sviluppo, che si fa su preparati speciali ( sezioni lucide 3 o 4 volte più spesse delle sezioni sottili normali, grazie anche ad un microscopio equipaggiato di tavolini scaldanti e refrigeranti, che permetteno l’osservazione di preparati in una gamma estesa di temperatura.(microtermometria, tra -200 e +600, persino + 1500°C).

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Testi del Progetto Euromin, tratti dal sito http://euromin.w3sites.net/

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