I minerali sono i costituenti essenziali della maggior parte delle rocce.
Dall’analisi dei numerosi campioni raccolti dalle missioni Apollo e Luna, si e’ accertato che i minerali che compongono le rocce lunari sono gli stessi che si trovano sulla terra.
Un minerale e’ una fase solida naturale con una determinata composizione chimica, un arrangiamento particolare (fase cristallina) dei suoi atomi che si forma in un ambiente con definiti valori di pressione e temperatura. I minerali che costituiscono le rocce devono anche essere separabili meccanicamente (fattore importante in termini di sfruttamento delle risorse). Alcune rocce sono anche costituite da vetri, solidi con composizione simile ai minerali i cui atomi non occupano posizioni ordinate (fase amorfa non-cristallina). L’analisi dei minerali e’ importante perché permette di capire l’ambiente chimico-fisico in cui si sono formate le rocce e, conseguentemente, può dare notevoli indizi sulle origini della Luna. Alcuni minerali hanno una composizione chimica specifica e invariabile (per esempio, il quarzo SiO2), mentre la maggior parte ne ha una variabile, in cui due o più atomi possono sostituirsi mutualmente ed essere presenti in varie percentuali (per esempio, le olivine, dove magnesio e ferro possono essere presenti nel reticolo cristallino in proporzioni variabili (Mg, Fe)2SiO4 – le fasi solide con solo Fe o solo Mg sono effettivamente rare, inoltre altri elementi possono entrare nel reticolo (come Mn e Ca) a formare altre varianti). Il 90% in volume delle rocce lunari e’ costituito da minerali contenenti silicio e ossigeno; i minerali piu’ comuni sono pirosseni, feldspati plagioclasi e olivine. Altri minerali particolarmente abbondanti sulla terra, come feldspati potassici e silice, sono rari sulla Luna. Non esistono, invece, minerali che contengono acqua (anfiboli, argille e miche) così come minerali contenenti Fe3+. Minerali contenenti metalli e ossigeno sono presenti e costituiscono il 20% delle rocce basaltiche (per esempio, Ilmenite e spinelli). Alcuni minerali sono stati scoperti sulla Luna per la prima volta, prima di essere successivamente trovati anche sulla terra come l’armalcolite (acronimo dagli astronauti dell’Apollo 11: Armstrong, Aldrin, Collins), la piroxferroite e la tranquillitite (quest’ultima trovata sul nostro pianeta nel 2011). Altri minerali tipici della Luna sono il ferro nativo, la troilite e l’apatite.
Silicati
I silicati sono i minerali più comuni fra le rocce dei mari, dei rilievi e del regolite. Quest’ultimo e’ costituito da frammenti di varia granulometria che ricoprono a tappeto tutta la superficie lunare, generati dalla disintegrazione di vari tipi di roccia a seguito dei molti impatti meteorici. Per questo motivo , il regolite puo’ considerarsi una sorta di “campione statistico” dei vari minerali presenti sulla crosta lunare. Sotto, una tavola riassuntiva delle proporzioni (%) in volume dei minerali riscontrati nel suolo raccolto dalle missioni Luna e Apollo (modificata da Papike et al., 1982).
Pirosseni. I pirosseni sono fra i minerali chimicamente più complessi e, al contempo, i più utili dal punto di vista della ricostruzione dell’ambiente originario di formazione, in quanto questo viene “registrato” nella loro struttura cristallina. Questa consiste in catene che collegano tetraedri di silicio-ossigeno con ottaedri di metallo-ossigeno; gli atomi di ossigeno si trovano localizzati agli angoli dei poliedri, mentre gli ioni metallici e di silicio si trovano all’interno di essi. La formula generale e’ XYSi2O6, dove X e Y sono due cationi bivalenti (oppure uno monovalente e l’altro trivalente); se X e Y sono cationi con raggio atomico simile (es. Fe e Mg) la struttura cristallina e’ orto rombica (da cui il gruppo degli ortopirosseni); se il raggio atomico del catione X e’ più grande di Y, allora avremo una struttura monoclina (da cui il gruppo dei clinopirosseni). La struttura cristallina e’ formata da strati di ottaedri regolari (chiamati M1) incatenati a ottaedri distorti più larghi (chiamati M2) – qui risiedono i cationi metallici e l’ossigeno; questi strati sono separati fra loro da altri strati composti da tetraedri dove risiedono silicio e ossigeno. L’analisi dei pirosseni trovati nei vari campioni lunari ha mostrato la totale assenza di ferro Fe3+ e la scarsa presenza di sodio; inoltre, la scarsa presenza di ossigeno al momento della cristallizzazione e’ testimoniata dalla scarsita’ della presenza di cationi titanio e cromo con valenza ridotta (es. Ti3+ al posto di Ti4+ e Cr2+ al posto di Cr3+), circostanza rarissima nei pirosseni terrestri. Il fenomeno dalla essoluzione in lamelle (soluzione di due minerali in fase solida, ad esempio augite in pigeonite e vice versa, che si verifica a seguito di un abbassamento di temperatura del magma) e’ stato riscontrato in alcuni pirosseni di basalti; alcuni scienziati (Papike, Taked a Grove) sono riusciti a individuare una correlazione fra l’entità’ dell’essoluzione dei pirosseni e l’indice di raffreddamento della lava in cui si trovano, scoprendo che questo scendeva con un ritmo di 0.2-1.5⁰C all’ora.
Silicati
I silicati sono i minerali più comuni fra le rocce dei mari, dei rilievi e del regolite. Quest’ultimo e’ costituito da frammenti di varia granulometria che ricoprono a tappeto tutta la superficie lunare, generati dalla disintegrazione di vari tipi di roccia a seguito dei molti impatti meteorici. Per questo motivo , il regolite puo’ considerarsi una sorta di “campione statistico” dei vari minerali presenti sulla crosta lunare. Sotto, una tavola riassuntiva delle proporzioni (%) in volume dei minerali riscontrati nel suolo raccolto dalle missioni Luna e Apollo (modificata da Papike et al., 1982).
Pirosseni. I pirosseni sono fra i minerali chimicamente più complessi e, al contempo, i più utili dal punto di vista della ricostruzione dell’ambiente originario di formazione, in quanto questo viene “registrato” nella loro struttura cristallina. Questa consiste in catene che collegano tetraedri di silicio-ossigeno con ottaedri di metallo-ossigeno; gli atomi di ossigeno si trovano localizzati agli angoli dei poliedri, mentre gli ioni metallici e di silicio si trovano all’interno di essi. La formula generale e’ XYSi2O6, dove X e Y sono due cationi bivalenti (oppure uno monovalente e l’altro trivalente); se X e Y sono cationi con raggio atomico simile (es. Fe e Mg) la struttura cristallina e’ orto rombica (da cui il gruppo degli ortopirosseni); se il raggio atomico del catione X e’ più grande di Y, allora avremo una struttura monoclina (da cui il gruppo dei clinopirosseni). La struttura cristallina e’ formata da strati di ottaedri regolari (chiamati M1) incatenati a ottaedri distorti più larghi (chiamati M2) – qui risiedono i cationi metallici e l’ossigeno; questi strati sono separati fra loro da altri strati composti da tetraedri dove risiedono silicio e ossigeno. L’analisi dei pirosseni trovati nei vari campioni lunari ha mostrato la totale assenza di ferro Fe3+ e la scarsa presenza di sodio; inoltre, la scarsa presenza di ossigeno al momento della cristallizzazione e’ testimoniata dalla scarsita’ della presenza di cationi titanio e cromo con valenza ridotta (es. Ti3+ al posto di Ti4+ e Cr2+ al posto di Cr3+), circostanza rarissima nei pirosseni terrestri. Il fenomeno dalla essoluzione in lamelle (soluzione di due minerali in fase solida, ad esempio augite in pigeonite e vice versa, che si verifica a seguito di un abbassamento di temperatura del magma) e’ stato riscontrato in alcuni pirosseni di basalti; alcuni scienziati (Papike, Taked a Grove) sono riusciti a individuare una correlazione fra l’entità’ dell’essoluzione dei pirosseni e l’indice di raffreddamento della lava in cui si trovano, scoprendo che questo scendeva con un ritmo di 0.2-1.5⁰C all’ora.
Plagioclasi. Questa categoria di feldspati e’ stata riscontrata in quantità nettamente maggiore alla famiglia dei feldspati alkalini. La loro struttura e’ costituita da un arrangiamento tridimensionale di tetraedri composti da silicio e ossigeno e/o alluminio e ossigeno; nello spazio fra i tetraedri vi si possono allocare cationi come calcio e sodio, in proporzioni variabili. I due estremi della serie dei plagioclasi sono albite (NaAlSi3O8) e anortite (CaAl2Si2O8), presenti in soluzione solida, ma l’albite lunare e’ in proporzione inferiore rispetto alle corrispondenti fasi terrestri a causa della scarsa presenza di sodio.
Olivine. La struttura cristallina delle olivine, (Mg, Fe)2SiO4, e’ costituita da un reticolo comprendente catene di ottaedri regolari intercalati da tetraedri di SiO4 isolati. I cationi Fe e Mg si trovano distribuiti casualmente nelle posizioni M1 e/o M2 - l’estremo ferroso si chiama fayalite mentre l’estremo magnesiaco si chiama forsterite. Anche le olivine presentano soluzioni solide fra queste due fasi estreme; la maggior parte dei mari basaltici esaminati presentano un contenuto Fa20-Fa70, mentre pochissime olivine contengono Fa70-Fa100. Altri elementi come Ca, Mn e Cr possono entrare nel reticolo cristallino come sostituti. In particolare, la presenza del cromo nelle olivine risulta superiore (0.6% contro 0.1% in peso) rispetto alle controparti terrestri; questo viene spiegato col fatto che il reticolo favorisce la presenza degli ioni Cr2+ piuttosto che Cr3+, ed essendo sulla terra il cromo ossidato molto più diffuso del cromo ridotto, il Cr3+ riesce ad entrare nel reticolo olivinico terrestre in misura limitata rispetto a quanto non possa fare il Cr2+ in quello lunare.
Fasi dell’ossido di silicio SiO2 : quarzo, cristobalite e tridimite. Questi minerali, generalmente diffusi sulla terra in graniti e calcareniti, sono particolarmente rari sulla Luna; questa carenza si spiega con il fatto che la crosta lunare, per la sua scarsissima attività tettonica, non ha mai avuto la possibilità di evolversi in rocce dall’alto contenuto in silice ed anche con la mancanza di fluidi idrotermali che solitamente sono responsabili della precipitazione di quarzo in vene e spazi intergranulari. Nonostante la sua rarità, il quarzo e’ comunque considerato un minerale importante perché consente di investigare l’origine di alcune rocce. Altre fasi polimorfe del quarzo come la coesite e la stishovite, tipiche di alte pressioni e generate dall’impatto con meteoriti, sono totalmente assenti; alcuni studiosi ritengono che questo sia dovuto alla comunque scarsa presenza di fasi di silice nei luoghi pre-impatto o anche alla volatilizzazione post-impatto. La maggior parte dei minerali di quarzo sono stati trovati in alcuni clasti di roccia granitoide (felsite) e in un frammento di granito vero e proprio raccolti durante la missione Apollo 14. Questi graniti, contrariamente a quelli terrestri, non contengono miche e anfiboli. Per quanto riguarda i basalti dei mari, il polimorfo più diffuso e’ la cristobalite; questa presenza contrasta con la generale assenza di minerali SiO2 nei basalti terrestri.
Altri silicati. Le rocce lunari contengono anche minerali molto rari come la tranquillitite e la piroxferroite; cristalli di questo tipo sono stati trovati per la prima volta sulla Luna e solo successivamente sulla terra. D’altra parte, vi sono minerali piuttosto diffusi sul nostro pianeta come lo zircone e i k-feldspati ma che sono rari sulla Luna. Questi silicati si formano in sacche residuali di magma ad alta concentrazione di silice, durante le ultime fasi di cristallizzazione sia del mare basaltico che delle rocce degli altopiani. Questi minerali contengono elementi del gruppo delle terre rare e sono quindi particolarmente importanti per quanto riguarda la datazione delle rocce che li contengono.
Ossidi
I silicati, come abbiamo visto sopra, nonostante qualche differenza leggera in termini di composizione chimica, sono gli stessi che si trovano sulla terra; gli ossidi, d’altra parte, presentano caratteristiche molto diverse e giocano un ruolo decisivo nelle rocce lunari. Questa categoria di minerali, comprendente gli spinelli, l’ilmenite, l’armalcolite, il rutilo, la baddeleite e la zirconolite, sono particolarmente abbondanti nei basalti e contengono elementi importanti da un punto di vista estrattivo. Questi minerali sono in grado, a seguito di una comparazione con i rispettivi terrestri sintetizzati in laboratorio, di fornire informazioni sulla temperatura e la pressione d’ossigeno presente al momento della loro formazione. Anche il ferro e’ particolarmente diffuso come elemento nativo (Fe0)e nell’ossido FeO (wustite).
Le implicazioni dal punto di vista dell’estrazione e sfruttamento minerario di questi ossidi possono rivelarsi di importanza fondamentale in futuro, se una colonizzazione della Luna dovesse concretizzarsi. In particolare, ci si aspetta che questi minerali possano accumularsi in strati congiunti se il raffreddamento di un magma sotterraneo (un’intrusione) e’ stato piuttosto lento. Infatti, i minerali ossidi, una volta formatisi, essendo più densi del magma circostante, affondano e si accumulano sul fondo dell’intrusione; per far ciò, e’ comunque necessario che la velocità di sedimentazione (governata dalla legge di Stokes) attraverso il magma sia più rapida della solidificazione del magma stesso. Si e’ comunque considerato che sulla Luna la velocità di sedimentazione e’ maggiore che sul nostro pianeta; questo perché la forza di gravità e’ certamente minore (160 cm/s2 contro 980 cm/s2) ma la viscosità del magma lunare e’ di gran lunga inferiore a causa della mancanza di acqua – di conseguenza, a parità di condizioni, la possibilità che si formi un accumulo di ossidi sulla Luna sembra maggiore. Con questo meccanismo si sono formati i grandi depositi di Stillwater (Montana, USA) e del Bushveld (Sud Africa); se anche sulla Luna si siano verificate queste condizioni e’ ancora tutto da verificare e gli studi di molti geologi sono orientati in questa direzione. Uno dei minerali piu’ abbondanti e’ l’ilmenite; quest’ossido forma fino al 15-20% in volume di molte rocce lunari. Oltre ad essere un’ottima fonte di titanio e ferro, si pensa possa fornire anche grandi quantità di ossigeno.
Solfuri
Lo zolfo e’ un elemento presente sulla Luna e si trova incluso solamente in diversi minerali solfuri; la scarsa pressione parziale dell’ossigeno, infatti, non favorisce la formazione di volatili come SO2. Il minerale più diffuso e’ la troilite (FeS); costituisce circa l’1% in volume delle rocce lunari e si trova associato con ferro nativo, ilmenite e spinelli. La sua origine puo’ avvenire per cristallizazione diretta da un magma quasi del tutto solidificato oppure a seguito di shock da impatto meteoritico. Altri solfuri identificati nei campioni lunari, anche se molto rari, sono la calcopirite, cubanite, pentlandite, mackinawite e sfalerite.
Ferro nativo
Il ferro nativo, anche detto tellurico, e’ presente in pochissimi giacimenti sulla terra, il più grande dei quali si trova in Groenlandia, mentre sulla Luna e’ praticamente ubiquitario (e’ stato trovato in tutti i campioni delle missioni Apollo) anche se in limitate quantità (<1% in volume); questo può avere avuto origine dalla cristallizzazione del magma, in soluzioni sub solide assieme al nichel (con tracce di cobalto), o per contaminazione da meteoriti. Nel primo caso, si avranno due fasi mineralogiche chiamate kamacite (0-6% Ni) e taenite (6-50% Ni), nel secondo caso si ha la fase tetrataenite (50/50 FeNi). Comunque, a volte e’ difficile distinguere se il ferro contenuto in kamacite e taenite abbia avuto origini extralunari o autoctone.
Fosfati
Le rocce lunari contengono circa lo 0.5% in peso di fosforo nella forma P2O5 in minerali come apatite e whitlockite; questi sono fra gli ultimi a cristallizzare e sono stati trovati spesso all’interno di vacuoli. La whitlockite e’ la fase più diffusa e presenta altri elementi inclusi nel proprio reticolo, in particolare, le terre rare sono molto abbondanti rispetto allo stesso tipo terrestre. Le apatiti terrestri sono invece ricche in OH, al contrario delle loro controparti lunari.
