MINERALO-GIA. - La scienza dei minerali. Ebbe in origine il compito principale di descriverli e determinarli; tende oggi soprattutto a meglio conoscerne la struttura chimico-fisica, le proprietà, la genesi.
I. MINERALI
Dal celtico meine, metallo grezzo. Denominazione che indica le parti costitutive unitarie naturali della litosfera. Si considerano come minerali i corpi semplici, i composti inorganici solidi (cristallizzati) o liquidi (mercurio), le miscele isomorfe di due o più elementi o composti, talune sostanze organiche solide (ambra, succinite, fichtelite, mellite ecc.) e talune sostanze amorfe (opale p.p., collofane).I carboni fossili e il petrolio come tali sono miscele e pertanto sono da annoverare tra le rocce. I vetri vulcanici, poiché ad equilibrio raggiunto (devitrificazione, cristallizzazione) danno normalmente origine ad aggregati di minerali diversi, si considerano abitualmente come rocce. Le meteoriti si possono ritenere come aggregati di minerali di altri corpi celesti.
È bene osservare che la composizione chimica di alcuni minerali non è sempre definita e costante. Ciò è dovuto al fenomeno dell'isomorfsmo (v. CRISTALLO), per cui gli atomi o ioni di alcuni elementi possono nel reticolo cristallino venire sostituiti, in misura variabile, talvolta a piacere, da atomi o ioni aventi raggio ionico vicino e uguale potere polarizzante, ovvero spazi normalmente vacanti nel reticolo cristallino possono venire occupati per addizione interstiziale. Così, p. es., con il termine di olivina non si intende un minerale di composizione definita ma una serie di miscele isomorfe rombiche la cui composizione può variare fra i due termini estremi: forsterite Mg2 SiO4 e fayalite Fe2 SiO4, per sostituzione nel reticolo cristallino dei ioni Fe++ con gli ioni Mg++.
I minerali cristallizzati possono presentarsi sotto forma di individui singoli: più spesso gli individui si trovano associati in aggregamenti o concrezioni. Queste ultime sono dovute alla successiva deposizione, talvolta ritmica, da soluzioni. Aggruppamenti e concrezioni possono presentare forma caratteristica: si parla così di aggregamenti a rosa di ferro (ematite), discoidali, sferoidali; di concrezioni a forma mammellonare e a struttura fibrosa-radiata e zonata concentrica (alabastri, agata, onice), a forma stallattitica, coralloide, di pisoliti, di ooliti.
In molti casi i cristalli, in dipendenza dalla velocità di formazione e di accrescimento dei germi cristallini, non possono svilupparsi completamente in forma poliedrica e si limitano reciprocamente. Si hanno così gli aggregati cristallini di individui della stessa specie o di specie differente i quali possono prendere il nome di aggregati granulari, saccaroidi, bacillari, fibrosi (spesso a struttura radiata) lamellari, scagliosi, squamosi, a covone e così via.
Gli aggregati di minerali assumono assai sovente la estensione di una unità geologica e prendono allora il nome di rocce; in questo senso una roccia rappresenta la giacitura normale dei minerali.
La maggior parte di questi, infatti, deve la sua origine rocce (v.). Si fanno così minerali di origine magmatica in senso lato (comprendenti cioè anche i minerali pneumatici ed idrotermali), i minerali di origine sedimentaria e minerali di origine metamorfica. I primi prendono origine dalla consolidazione di masse fusa naturali (magmi) o nei processi ad essa connessi, i secondi si formano per evaporazione di soluzioni saline o colloidali, gli ultimi in seguito a trasformazioni di fasi o a modificazioni di equilibrio chimico per mutare condizioni di pressione e temperatura.
I minerali che si sono formati in condizioni diverse da quelle ambientali tendono a porsi in equilibrio con l'ambiente. Si possono così verificare cambiamenti di fase strutturale o reazioni chimiche con formazione di nuovi composti. Nel primo caso si hanno le trasformazioni polimorfie, nel secondo la cosiddetta alterazione chimica dei minerali; essa può essere dovuta ad agenti esogeni (acqua, atmosfera ecc.), o ad agenti endogeni (temperatura, gas magmatici, soluzioni magmatiche termali). Tipici esempi di trasformazioni polimorfie sono la trasformazione di argonite in calcite, di tridimite in quarzo, ed esempi altrettanto comuni di alterazione chimica sono l'ossidazione della pirite in limonito o in ematite, la trasformazione dei feldspati nei minerali delle argille, dell'olivina in serpentino o in magnesite. Nei processi di trasformazione polimorfie e di alterazione spesso il prodotto di neoformazione sostituisce il minerale lasciandone intatta la forma primitiva. Si hanno così rispettivamente i fenomeni di paramorfosi e di pseudomorfi.
In molti casi è possibile riprodurre artificialmente i minerali in laboratorio mediante operazioni dette di minerosintesi: in qualche caso la sintesi si risolve in semplici preparazioni chimiche o in cristallizzazioni, in altri casi si richiedono complesse apparecchiature ed una tecnica particolare, come nella sintesi pneumatolitica ed idrotermale. La minerosintesi fornisce elementi importanti nella ricerca dell'origine e delle condizioni di formazione e di stabilità dei minerali; ma le più rigorose deduzioni circa la loro genesi si possono ottenere dallo studio dei sistemi a più componenti e degli equilibri di soluzioni acquose.
Numerose sono le classificazioni proposte per i minerali. Poca fortuna ebbe, a differenza delle classificazioni degli animali e dei vegetali, la classificazione di Linneo, date le scarse conoscenze che a quell'epoca si avevano circa la composizione chimica dei minerali. La classificazione che oggi è più comunemente accettata è quella di J. D. Dana, secondo la quale i minerali, in base alla loro composizione chimica, risultano raggruppati in otto classi.
Altre classificazioni sono state recentemente proposte, intese a tenere conto, oltre che della composizione chimica, della struttura cristallina dei minerali, e la stessa classificazione di Dana è attualmente in evoluzione.
II. STORIA DELLA M
Le prime conoscenze sui minerali, di ordine pratico ed empirico, risalgono a tempi antichissimi. Mentre non si hanno elementi precisi per giudicare circa lo stato delle conoscenze mineralogiche degli Assiri e dei Babilonesi, risulta dal papiro di Ebers (sec. XVI a. C.) che gli Egiziani conoscevano ed usavano numerosi minerali, quali la malachite, l'ematite e l'antimonite; numerosi altri minerali trovavano impiego come ornamenti, amuleti, medicinali e per l'estrazione di metalli.I Fenici conobbero e trafficarono i minerali mentre gli Etruschi coltivavano miniere e conoscevano la metallurgia.
Il primo scritto di mineralogia a cui si può attribuire un valore scientifico è il frammento Ilepl X1000 di Teofrasto (371-300 a. C.), allievo di Aristotele. La sua opera, nonostante gli errori e i pregiudizi filosofici, si può ritenere non solo la più antica ma per parecchi secoli anche la più perfetta. Numerose notizie sui minerali sono contenute nella Historia naturalis di Plinio (23-79 d. C.).
Il medicovecode nell'Oriente musulmano le origini della m. sperimentale: al-Kindì (m. nel 873) e al-Birûnî (973-1048) lasciarono scritti di m.; quest'ultimo determinò per primo con il picnometro con sorprendente esattezza la densità di metalli, di minerali, di pietre preziose. Ibn Sinâ detto Avicenna (980-1037) dà la prima classificazione dei minerali. Più tardi Alberto Magno (1193-1280) scrive 5 libri sui minerali e 4 sulle meteoriti. Vannuccio Bringuccio (1480-1539?), metallurgista senese, nella sua Pirotechnia tratta questioni metallurgiche; l'opera sua è ancora di alchimia, ma si deve forse a lui la prima intuizione della costanza degli angoli nei cristalli. Georg Bauer (Agricola, 1490-1555) può considerarsi come il fondatore dell'arte mineraria; sue opere fondamentali sono De natura fossilium e De re metallica. Stenone (1637-1696) osserva la costanza dell'angolo diedro nei cristalli di quarzo; il bolognese Domenico Guglielmini (1655-1710) esprime con chiarezza la legge di costanza dell'angolo diedro per i sali. Questa legge porta il nome di Romé de l'Isle (1736-90), a cui spetta il merito di averla enunciata esplicitamente e generalizzata. Con l'inizio degli studi cristallografici, dovuti a Romé de l'Isle e all'abate Hauy, la conoscenza morfologica dei minerali si avvia a grandi progressi.
Da questo punto la storia della m. si identifica in parte con quella della cristallografia; la maggior parte delle ricerche e delle scoperte nel campo della cristallografia fisica e chimica sono condotte su minerali: ogni progresso nella scienza dei cristalli conduce ad una migliore conoscenza dei minerali. Dal 1750 al 1850 ca. si verifica un rapidissimo e fecondo sviluppo degli studi mineralogici. Mentre la cristallografia fisica raggiungeva un alto grado di perfezione nello studio dell'ottica cristallografica, la m. giungeva in questo modo in possesso di un fondamentale metodo di indagine e cominciava a svilupparsi la m. microscopica. Nel campo chimico, oltre ai fondamentali lavori analitici di Cronstedt (1722-65), Bergmann (1735-84), Scheele (1742-86), Berzelius (1779-1848), ebbe grande importanza la scoperta dell'isomorfismo e del polimorfismo da parte del Mitscherlich (1794-1863).
Numerose specie mineralogiche vengono in questo periodo scoperte e descritte, definite nella costituzione chimica, nelle proprietà cristallografiche, fisiche e particolarmente ottiche. Si cita qui l'opera di Giovanni Strüver (1842-1915), che con Quintino Sella (1827-84) e Arcangeli Scacchi (1810-93) può considerarsi come uno dei fondatori della m. in Italia.
Le ricerche chimico-fisiche sui minerali si sviluppano prevalentemente nelle seconda metà del sec. XIX e nel primi decenni del sec. XX particolarmente per opera di H. W. Bakhuis Roozeboom (1874-1907). J. H. Van't Hoff, G. Tammann, T. Vogt, P. Niggli ed i ricercatori del Inervia - Rilievo di M. nel tempio omonimo (età traiana). Roma.
Le Geophysical Laboratory di Washington. Essi costituiscono la base razionale per lo studio dei problemi di minerogenesi e di minerosintesi che già erano stati affrontati sperimentalmente e con successo fin dal secolo scorso da A. Michel-Levy e F. Fouqué in Francia e da G. Spezia (1842-1911) in Italia. In questo periodo proseguono le ricerche di chimica mineralogica: basterà ricordare F. Groth, G. Tschermak, C. Doetker, F. J. Boecke, F. Zambonini. Contemporaneamente A. Michel-Levy, L. Duparc, E. Von Fedoroff portano ad alto grado di perfezione la m. microscopica, particolarmente con l'impiego del tavolino universale.
Le moderne ricerche sulla struttura dei cristalli, sviluppatesi rapidamente dopo la scoperta del Laue (1912), mentre da un lato hanno condotto a determinare la struttura cristallina di numerosissimi minerali, hanno permesso di chiarire complesse relazioni tra composizione chimica e struttura cristallina. Molte questioni relative al legame chimico furono risolte attraverso lo studio della struttura cristallina dei minerali in cui trovano la loro naturale interpretazione tutte le proprietà fisiche di essi, benché tali relazioni non siano sempre esplicite. La m. dispone oggi in tal modo di un nuovo metodo di indagine e continuamente nuovi mezzi le sono offerti dalla fisica e dalla chimica. Però rimangono ancora aperti numerosi problemi, concernenti sia la costituzione dei singoli minerali, sia per la relazioni con l'ambiente in cui essi furono generati.