La Mineralogia oggi
I rapporti ambigui tra la Mineralogia e le altre discipline delle Scienze della Terra.
All’inizio degli anni 60, la microsonda elettronica,inventata da J.D. Castaing dell’Università di Orsay, ha portato una rivoluzione tecnologica che si può comparare all’introduzione del microscopio avvenuta un secolo e mezzo prima. La microsonda è stata la prima di tutta una serie di strumenti, che ci permettono oggi di conoscere la composizione e la struttura delle fasi minerali con una precisione ed soprattutto una risoluzione che era impossibile immaginare fino a qualche anno fa. Questi strumenti arrivano sul mercato con una cadenza tale che diventa difficile la lettura di tutti i parametri. La maggior parte si richiamano alle sorgenti delle alte energie, altre ai raggi X, in particolare neutroni, elettroni e radiazioni sincrotrone. Inoltre, alcune tecniche ottiche tradizionali, nello spettro visibile, sono state completamente rinnovate dall’impiego di fonti coerenti (laser), utilizzati sia per le loro proprietà meccaniche (formazione puntiforme di un plasma, asportazione di strati superficiali), sia nella spettroscopia molecolare (effetto Raman).
Apparecchi di analisi a fascio di particelle (elettroni, ioni, protoni)
Il bombardamento con un fascio di elettroni su di una superficie minerale levigata porta una emissione di raggi X secondari legati alla natura degli elementi chimici che costituiscono il minerale. E’ così possibile analizzare in maniera puntuale (superficie di qualche micron) e non distruttiva tutta la fase minerale delle variazioni di composizione estremamente fine (smescolamenti, difetti cristallini), addirittura insospettabili al microscopio zonature e che potevano ora essere messe in evidenza. L’apparecchio può essere ottimizzato, sia per l’analisi (microsonda elettronica), sia per l’acquisizione di immagini a fortissimo ingrandimento (microscopi elettronici a scansione muniti di un sistema di analisi a dispersione di energia di tipo EDS). Gli apparecchi più recenti sono precisi, fortemente automatizzati, sensibili (limite di rilevazione dell’ordine del ppm per la maggior parte degli elementi).
Tuttavia, un certo numero di parametri non possono essere analizzati: gradi di ossidazione per gli elementi a valenza variabile (Fe2+/Fe3+),gli isotopi, la maggior parte degli elementi volatili, gli elementi più leggeri come il boro o il berillio. Inoltre gli elettroni hanno un debole potere di penetrazione, che permette soltanto l’analisi delle superfici.
Il microscopio elettronico è conosciuto dagli anni 30, ma in mineralogia è applicato soltanto dagli anni 70.
Le prime utilizzazioni sono state fatte per ottenere ingrandimenti molto superiori rispetto al microscopio ottico.
La messa a punto dei dispositivi analitici a dispersione d’energia ne ha fatto un apparecchio comparabile, o piuttosto complementare, alla microsonda elettronica. L’apparecchio è ottimizzato per l’immagine nel caso del microscopio elettronico, e per l’analisi nel caso della microsonda.
Il microscopio elettronico a scansione (SEM) è sommariamente comparabile ad un microscopio a riflessione.
Nel caso del microscopio elettronico a trasmissione(TEM) , al contrario, gli elettroni passano attraverso il preparato studiato, e negli apparecchi più potenti (Microscopio elettronico ad alta risoluzione HTEM), permettono praticamente di giungere fino alla struttura atomica del minerale.
I microscopi elettronici permettono l’analisi per diffrazione di elettroni, in trasmissione (TEM).
Il fascio di elettroni ha una lunghezza d’onda estremamente piccola (<0,03A°), dunque un grande potere di risoluzione ma anche una forte interazione con gli atomi incontrati. I preparati dunque essere estremamente sottili (qualche angstrom), ottenuti con tecniche molto specializzate come il bombardamento ionico.
Il TEM è il solo strumento che permette di ottenere delle informazioni sulla struttura del minerale alla scala della maglia o anche dell’atomo, così come sui difetti cristallini del tipo dislocazione, difetti di stechiometria, microgeminati etc.
E’ molto utilizzato dagli specialisti della crescita cristallina o della deformazione dei minerali, in particolare per studiare lo scorrimento all’interno del mantello terrestre.
L’inconveniente maggiore degli apparecchi a fascio di elettroni dipende dal loro debole potere di penetrazione, che limita il loro impiego allo studio dei fenomeni della superficie, o agli strati poco profondi (qualche angstroms).
Alcuni di questi inconvenienti sono ovviati dall’introduzione recente (anni 80) delle microsonde ioniche, che utilizzano un fascio di ioni in sostituzione degli elettroni. Il potere di penetrazione è molto più grande, consente le analisi all’interno del minerale e possibilità sensibilmente più importanti : analizzare gli elementi leggeri (fino all’idrogeno), e soprattutto misurare i rapporti isotopici ( dunque ottenere una datazione, per esempio sugli zirconi). Tuttavia, si tratta di strumenti molto costosi, complessi , con un difficile mantenimento, il cui utilizzo non è alla portata di tutti i laboratori.
La microsonda ionica è il primo esempio di apparecchio che riguarda le sorgenti di protoni. Nel caso del PIXE (Proton induced X-Ray emission) o PIGE (proton induced gamma-ray emission), il principio è lo stesso della microsonda elettronica, ma il fascio incidente è costituito da protoni anzichè da elettroni. Il potere di penetrazione è molto più grande, comparabile a quello delle microsonde ioniche, l’energia delle particelle incidenti è conosciuta in maniera più precisa in funzione delle carattestiche della sorgente ( in generale acceleratore lineare Van de Graff).
Il segnale emesso (Raggi X nel caso del PIXE, gamma nel caso del PIGE) è analizzato da cristalli, in modo sommariamente comparabile a quello delle microsonde elettroniche.
Si utilizzano queste tecniche per l’analisi dei metalli preziosi in traccie nei solfuri, come per la ricerca di alcuni elementi, come il carbonio,che non è rivelabile alla microsonda elettronica ( nelle condrule di certe meteoriti). La sensibilità è molto buona, ma la calibrazione è molto difficile.
Nuove sorgenti di radiazione
Spettroscopio IR e Raman
J. Lecomte e Cl.Duval pubblicano nel 1943 i primi lavori relativi agli spettri d’assorbimento IR ottenuti sulla goethite,manganite, brucite,diaspora e idrargillite. J. Lecomte costruì peraltro il primo spettrografo a registrazione fotografica. Gli spettri IR permettono una buona caratterizzazione degli elementi volatili (OH, raggruppamenti C03--, etc) contenuti nei minerali, e sono divenuti un metodo essenziale per lo studio dei minerali troppo piccoli per essere analizzati al microscopio ottico, in particolare nelle rocce sedimentarie (minerali delle argille).
Si tratta di spettroscopia molecolare, che utilizza tecniche complesse (trasformazione di Fourier) per l’analisi del segnale ( deconvoluzione degli spettri = FTIR)
Possiamo avvicinare alla spettrometria IR una spettrometria molecolare, la spettrometria Raman, che vede attualmente un grande sviluppo in alcuni settori molto specializzati della mineralogia, in particolare la gemmologia e lo studio delle inclusioni fluide. L’effetto Raman, che corrisponde ad un certo spostamento della lunghezza d’onda di una radiazione luminosa per interazione molecolare, è conosciuto dagli anni 30 , ma non è stato utilizzato in mineralogia fin quando non è comparsa una sorgente luminosa sufficientemente potente e coerente (laser). I vantaggi sono numerosi (analisi rapida e non distruttiva su campioni di piccola taglia), ma le analisi sono possibili soltanto sulle sostanze chiamate "attive". Ne sono escluse le composizioni puramente ioniche ( e.g. elementi nativi, cloruri), come le sostanze fluorescenti, che mascherano l’effetto Raman e impediscono tutte le misura.
Metodi di ablazione :Ablazione Laser, SIMS
In queste tecniche, il fascio di particelle o una radiazione laser di potenza sufficiente sono utilizzati per estrarre ioni o particelle dalla superficie e analizzarle allo spettrometro di massa (SIMS=Secondary Ion Mass Spectrometry).Possiamo accedere a elementi particolarmente importanti per comprendere gli scambi geochimici nelle rocce del mantello:terre rare, isotopi, etc. o analizzare dei sottili strati in superficie, per seguire i fenomeni di dissoluzione e di alterazione. L’analisi allo spettrometro di massa è particolarmente adatta alla misura dei rapporti isotopici, dunque alla datazione su campioni puntiformi (zirconi).
La mineralogia ha stimolato numerosi lavori teorici, molti dei quali si riferiscono alla fisica dello stato solido.
Citiamo due esempi, le associazioni di cristalli (geminati) e il fenomeno dell’ epitassia.
I geminati
I geminati sono degli insiemi complessi, che risultano dalla giustapposizione di più individui che seguono una legge di orientamento ben preciso.Numerosi mineralogisti hanno rivolto la loro attenzione sulla loro origine: meccanica, per scorrimento o giustapposizione. Nel 1904, Friedel enuncia una legge generale sul prolungamento del reticolo periodico attraverso i differenti cristalli che costituiscono il geminato. L’edificio geminato ha dunque una simmetria inferiore a quella dei cristalli isolati, ma entrambi hanno in comune gli elementi di simmetria del geminato
Nel 1928, J. Drugman pubblica alcuni lavori importanti concernenti i feldspati, le associazioni cumulative dei geminati nell’ortoclasio così come i geminati di Zinnwald nei quarzi bipiramidati.
Ungemach si è interessato ai geminati del realgar di Matra, mentre studi comparabili erano stati fatti sul blenda e tetraedrite da St.Etienne de Baigorry. Nel 1965, Curien e Bondot estesero questo campo di ricerca ai composti chimici, e studiarono i geminati a rosa, ginocchio e stella nel cromato di potassio artificiale.
Nel 1970, Dussausoy e Wandji descrivono il geminato del disiliciuro di ferro.
Altri lavori hanno mostrato come descrivere un geminato perfetto per meriedria reticolare. A partire da questi dati, Waintal e Sivardière hanno potuto realizzare la notazione dei geminati con l’aiuto delle rappresentazioni reali delle dimensioni dei gruppi puntiformi. Questa notazione permette di esaminare tutte le forme di geminati possibili in una oloedria data.
Epitassia
L.Royer nel 1953 designa con il termine epitassia, l’orientamento di un cristallo che si deposita sopra un minerale di specie differente. Questo orientamento , conseguenza di specificità comuni ai due cristalli, necessita di due condizioni.
1)- l’esistenza, nei due reticoli, di una maglia semplice o multipla quasi identica in forma e dimensione.
2)- gli ioni del cristallo orientato, sostituiscono gli ioni del cristallo supporto della crescita, sono tutti delle stesse polarità.
In laboratorio, si sono così realizzati numerosi raggruppamenti epitassici, verificando che questi erano più facili su cristalli di durezza inferiore a 4. Nel 1978, R. Kern pubblica il riassunto di venti anni di lavori, mettendo in evidenza la necessità del calcolo termodinamico per prevedere certi generi di crescita epitassica.
I rapporti ambigui tra la Mineralogia e le altre discipline delle Scienze della Terra.
Il ruolo dei Musei di Mineralogia
In un certo senso, la Mineralogia è stata vittima del suo stesso successo, ed è confluita in una miriade di discipline.
- Fisica, per lo studio delle imperfezioni dei cristalli alla scala dell’atomo, la messa a punto e l’uso dei grandi apparecchi moderni di misura.
- Chimica per lo studio cristallografico dei composti artificiali e soprattutto, il calcolo termodinamico degli equilibri interminerali.
- Petrografia, per l’analisi dei gruppi di minerali principali che costituiscono le rocce: su oltre 3000 specie riconosciute,soltanto qualche decina costituisce più del 99% di tutte le rocce, sia sedimentarie, metamorfiche che magmatiche.
- Geochimica, per lo studio dei traccianti chimici (elementi in tracce, radioisotopi,inclusioni fluide) precisando le condizioni di formazione, l’origine, e il divenire dei costituenti differenti di una fase minerale.
In quasi tutti i paesi, queste discipline sono più importanti, riconosciute e codificate della mineralogia, che si trova ridotta al ruolo di strumento al servizio di un gruppo di scienziati, che talvolta ne ignorano l’essenziale.
Del resto per misurare il rischio dobbiamo notare il ritmo con il quale si sono ridotte le cattedre universitarie di Mineralogia- sistematicamente trasformate in cattedre di petrografia o geochimica - quando addirittura non sono soppresse. Poichè il rischio esiste: il fisico che conosce la scala dell’atomo, il geofisico,che si interessa alle proprietà fisiche dei minerali, il geochimico, spesso incapace a riconoscere sul terreno le specie minerali più semplici, non sono dei veri mineralogisti. Essi non conoscono che un aspetto, talvolta deformato fino alla caricatura, di un insieme complesso di cui non si capisce il valore se non lo si conosce nella sua totalità.
Riconosciamo che questa evoluzione è ineluttabile: i grandi problemi si pongono su scala planetaria,e il minerale non è che una tappa che permette di comprendere l’insieme. Nelle Scienze della Terra, la petrografia o la geochimica, hanno, sotto un certo aspetto, un vantaggio decisivo, poichè il loro oggetto corrisponde precisamente a questa scala.
Ma è importante che esse riconoscano tutta l’importanza della mineralogia,senza sottovalutare le difficoltà tecniche che rendono spesso impopolare il suo insegnamento presso i giovani studenti
A questo riguardo, i musei di Mineralogia assumono un importanza fondamentale.
I musei non sono solo il luogo ideale per conservare l’eredità che ci hanno lasciato le generazioni precedenti,tutte quelle specie provenienti dai giacimenti attualmente scomparsi, ma è anche il luogo dove la mineralogia sistematica deve garantire tutta la sua importanza, e non soltanto per l’aspetto estetico ed il valore museologico delle grandi collezioni. Certamente questo è l’aspetto che fa maggiormente presa sul pubblico, e non si tratta di disconoscerne l’importanza. Ma i musei devono anche essere centri attivi di ricerca, assicurare gli studi fondamentali che stanno scomparendo progressivamente dalle università. Altrimenti ci sarà il rischio di veder rapidamente scomparire un grande quantità di conoscenze,un capitale di esperienza di cui si misurerà l’importanza soltanto quando sarà totalmente perduto.