Il processo sedimentario

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1 Il processo sedimentario

2 Il processo sedimentario comprende la formazione di rocce in ambienti caratterizzati da temperatura e pressione vicine alla superficie del pianeta. I sedimenti si formano generalmente per: 1) Degradazione, Trasporto e successiva Deposizione di rocce pre-esistenti (magmatiche, metamorfiche o sedimentarie); 2) Accumulo di materiale organogeno (scheletri); 3) Accumulo di materiale in seguito a precipitazione chimica senza intervento di organismi.

3 I sedimenti possono quindi consistere di frammenti di roccia, minerali o di altre particelle di dimensioni tra loro molto diverse, compresi resti di animali o di piante (Rocce clastiche). Sono sedimenti anche quelli che si formano tramite processi chimici o biochimici (Rocce di origine chimica).

4 ABBONDANZE RELATIVE DELLE ROCCE SULLA SUPERFICIE TERRESTRE - La superficie terrestre è ricoperta per circa il 66% da rocce sedimentarie. La restante parte (~34%) è costituita da rocce ignee (la grande maggioranza) e rocce metamorfiche. - La crosta è lo strato più esterno della Terra (al di sopra della discontinuità di Mohorovicic). - La crosta rappresenta <1 % del volume della Terra. Tuttavia questa è l unica parte della terra che è direttamente esposta per lo studio petrografico.

5 Quattro sono le fasi fondamentali che possono portare alla formazione dei sedimenti di origine clastica: ALTERAZIONE EROSIONE TRASPORTO DEPOSIZIONE I sedimenti sono trasformati in rocce coerenti tramite un processo detto DIAGENESI

6 Uno dei possibili schemi di classificazione delle rocce sedimentarie si basa sulla suddivisione in tre grandi categorie in funzione del tipo di materiale di cui esse sono composte: materiali di origine Terrigena (materiale silico-clastico composto da frammenti di minerali o rocce non carbonatiche cementati insieme) Chimico-Clastica Chimica (materiale formato in parte o interamente in seguito a precipitazione chimica organica o inorganica) (rocce carbonatiche e silicee composte da clasti di derivazione chimica)

7 Le rocce sedimentarie possono essere descritte essenzialmente sulla presenza o meno di tre componenti: C. TERRIGENI: materiale derivato da erosione di materiale al di fuori del bacino di sedimentazione e trasportati nel bacino come solidi; C. ALLOCHIMICI: sostanze precipitate da soluzioni chimiche all interno del bacino di deposizione ma che mostrano evidenze di trasporto nello stesso bacino di formazione; queste hanno un maggiore grado di organizzazione rispetto a semplici precipitati (es. frammenti di conchiglie, ooliti, etc.); C. ORTOCHIMICI: sostanze chimiche precipitate da una soluzione. Sono caratterizzate da assenza di trasporto.

8 C. TERRIGENI ad esempio tutti i minerali di rocce sedimentarie, metamorfiche e magmatiche che subiscono trasporto

9 C. ALLOCHIMICI: ad esempio il calcare I gusci degli organismi subiscono un processo di deposizione e al tempo stesso di precipitazione chimica Queste rocce hanno cemento carbonatico formato da cristalli di calcite oppure una matrice carbonatica (micrite) formata da microcristalli di calcite (<4 µm) Post-diagenesi C. ORTOCHIMICO Pre-diagenesi

10 OOIDI: granuli di forma sferica che si sviluppano per precipitazione di carbonati attorno ad un nucleo che può essere un altro allochimico, un bioclasto o un granulo di quarzo o feldspato. La precipitazione avviene a causa del moto ondoso che prende in carico del sedimento nelle spiagge e, trasportandolo, causa un istantanea diminuzione della CO 2 disciolta in acqua perciò la solubilità della CaCO 3 diminuisce e viene deposta calcite sopra il granulo. Il loro andamento concentrico è dovuto a ripetuti cicli di deposizione di sottili lamine carbonatiche e le loro dimensioni sono limitate a 2 mm perchè superata questa dimensione il moto ondoso non riesce più a prenderli in carico.

11 CO2+H2O H2CO3

12 C. ORTOCHIMICI: esempio carbonato di calcio (CaCO3), salgemma o halite (NaCl), gesso (CaSO4*2H2O...cosa vuol dire *???), anidrite (CaSO4)

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14 CAMPO P-T di formazione delle rocce sedimentarie

15 ALTERAZIONE Si attua tramite la DISGREGAZIONE DELLE ROCCE preesistenti che avviene con due modalità: DISAGGREGAZIONE MECCANICA in frammenti più minuti. Le cause di questa frammentazione sono essenzialmente di tipo fisico. ATTACCO CHIMICO di alcuni minerali come conseguenza di reazioni chimiche e biochimiche.

16 ALTERAZIONE: DISAGGREGAZIONE MECCANICA AZIONE ACQUA-GHIACCIO Crioclastismo (Volume H2O vs. Volume Magma)

17 ALTERAZIONE: ATTACCO CHIMICO Le reazioni che avvengono sono di: 1) Dissoluzione CaCO 3 Ca 2+ + (CO 3 ) 2- Formazione di soluzioni (acqua che incorpora ioni dei minerali preesistenti). Il tipico esempio è il processo conosciuto come CARSISMO (dissoluzione del carbonato di calcio da parte di acque aggressive): CaCO 3 + H 2 CO 3 = Ca(HCO 3 ) 2 Carbonato di calcio CO2+H2O Bicarbonato di calcio

18 ALTERAZIONE: ATTACCO CHIMICO Le reazioni che avvengono sono di: 2) Idratazione Processo legato alla presenza di forze d attrazione tra i dipoli delle molecole d acqua e le cariche elettriche non neutralizzate presenti sulla superficie dei granuli. Processo molto comune nei fillosilicati (es. minerali argillosi). CaSO 4 + H 2 O = CaSO 4 *2H 2 O Anidrite Gesso

19 ALTERAZIONE: ATTACCO CHIMICO Le reazioni che avvengono sono di: 3) Idrolisi Decomposizione che subiscono i sali formati da un acido debole o da una base debole. Il processo di argillificazione dei feldspati rientra in questo schema di erosione chimica. La lisciviazione può essere totale o parziale.

20 Le trasformazioni dei minerali preesistenti in ambiente sedimentario generano spesso nuovi minerali, definiti minerali di NEOFORMAZIONE. I più comuni di questi minerali appartengono alla famiglia dei MINERALI ARGILLOSI. Allumo-silicati idrati con vari cationi (K, Ca, Mg, etc.). Fillosilicati (struttura a piani, come le miche). Se riscaldati perdono acqua. Estremamente utili (componenti base dei cementi e delle ceramiche). Causa di instabilità dei versanti.

21 Minerali di neoformazione a partire da un ortoclasio I minerali argillosi più importanti: Sericite: Assimilabile a muscovite a grana fine. SiO 2 ~45%; Al 2 O 3 ~38%; K 2 O ~12%. [KAl 2 (Si 3 Al)O 10 (OH,F) 2 ] Illite: Prodotto con meno K 2 O della muscovite ma più del caolino. SiO 2 ~45%; Al 2 O 3 ~37%; K 2 O ~7% [(K,H 3 O)(Al,Mg,Fe) 2 (Si,Al) 4 O 10 [(OH) 2,(H 2 O)] Caolinite: Prodotto di intensa alterazione con rimozione di K. SiO 2 ~45%; Al 2 O 3 ~37%; K 2 O ~1% [Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 ] Gibbsite: Prodotto di alterazione molto prolungata in clima umido tropicale (vengono lisciviati tutti i cationi tranne l Al). In pratica della formula originaria del feldspato alcalino resta solo Al [Al(OH) 3 ]. Minerale ipotetico di partenza (K-Feldspato): SiO 2 = ~65% Al 2 O 3 = ~18% K 2 O = ~17%

22 EROSIONE Il fenomeno dell erosione è essenzialmente di tipo esogeno e prevede l asportazione parziale o totale di un materiale preesistente, sia litoide che sciolto (roccia o sedimento).

23 Tipicamente l erosione è contemporanea o successiva all alterazione meccanica e chimica. I principali agenti erosivi sono l acqua, il ghiaccio ed il vento. Fenomeni tipici sono l erosione che avviene nei fondali marini e lungo le pareti dell alveo dei fiumi.

24 Trasporto meccanico Avviene in presenza di un mezzo fluido. Il mezzo fluido può essere a bassa viscosità: aria o acqua (dune, conoidi alluvionali) oppure ad elevata viscosità: Ghiaccio (morene)

25 Trasporto: Arrotondamento dei clasti Distanza di trasporto breve moderato lungo Angolare (poco arrotondato) intermedio arrotondato

26 Trasporto: Classazione Processo di selezione dei granuli in funzione della loro dimensione, forma e peso specifico ad opera degli agenti di trasporto e dei meccanismi di sedimentazione. scarsa moderata buona Clasti di quarzo ben arrotondati e ben classati in una arenaria. La classazione deriva dal numero di classi granulometriche compreso all interno di un certo intervallo (es. tra 125 e 250 mm). Quando sono rappresentate poche classi il sedimento si dice ben classato.

27 DEPOSIZIONE: Sedimentazione Il trasporto termina quando il sedimento si deposita in un bacino sedimentario (lago, delta, ansa di un fiume). L accumulo di materiale sedimentario può avvenire dopo un trasporto più o meno lungo o nello stesso punto in cui è iniziata la disgregazione delle rocce.

28 Tipologia e Nomenclatura dei Sedimenti e delle Rocce Sedimentarie Il fattore chiave fa riferimento alla derivazione dei materiali che costituiscono i sedimenti: DERIVAZIONE CLASTICA DERIVAZIONE NON CLASTICA Frammenti di minerali, rocce o organismi Materiale ortochimico Materiale allochimico Es. Argille, areniti, ruditi, tufi, carbonati Es. Evaporiti, depositi silicei, carbonati Es. carboni, selce, carbonati

29 MATERIALI DI ORIGINE CHIMICA O BIOCHIMICA FORMATISI IN SITU AUTOCTONI origine solo chimica ORTOCHIMICI origine chimicobiologica BIOGENI(allochimici) MATERIALI TRASPORTATI MECCANICAMENTE ALLOCTONI Tutte le rocce sedimentarie che subiscono trasporto Da forze endogene PIROCLASTITI Materiali vulcanici depositati Da forze esogene EPICLASTITI Materiali vulcanici depositati e rimaneggiati Questi sono solo 2 esempi

30 M. Alloctoni Sedimenari M. Autoctoni Ortochimici??? M. Autoctoni Biogeni M. Allochimici??? M. Ortochimici??? M. Alloctoni Sedimentari

31 ROCCE TERRIGENE Per rocce terrigene si intende un particolare gruppo delle rocce clastiche, ossia le rocce silico-clastiche. In pratica non si prende in considerazione le rocce clastiche formate da predominante componente carbonatica. Le rocce terrigene sono frammenti di minerali silicatici o di rocce ignee e metamorfiche (e rocce sedimentarie non carbonatiche) pre-esistenti.

32 Questo tipo di rocce può essere composta da tre elementi fondamentali: Lo scheletro = La porzione a grana più grossa, comprendente i clasti; La matrice = La porzione a grana più fine, generalmente della stessa composizione dello scheletro; Il cemento = Il collante che tiene uniti i vari elementi e che rende litoide la roccia.

33 NOME delle ROCCE NOME dei SEDIMENTI NOME dei GRANI CLASSI DIMENSIONALI in mm Blocchi R U D I T I (Psefiti) GHIAIE Ciottoli di varia grandezza ARENITI (Psammiti) SABBIE Sabbia di varia grandezza 2-1/16 (0,0625) LUTITI (Peliti) FANGHI Silt di varia grandezza Argilla 1/16 (0,0625) - 1/256 (0,0039) < 1/256 (< 0,0039)

34 NOME delle ROCCE NOME dei SEDIMENTI NOME dei GRANI CLASSI DIMENSIONALI in mm R U D I T I (Psefiti) ARENITI (Psammiti) LUTITI (Peliti) Le areniti silico- Blocchi clastiche (ossia GHIAIE SABBIE Ciottoli quelle composte da di varia grandezza frammenti di FANGHI Sabbia di varia grandezza minerali e rocce Silt NON carbonatici) di varia grandezza vengono definite Argilla ARENARIE /16 (0,0625) 1/16 (0,0625) - 1/256 (0,0039) < 1/256 (< 0,0039)

35 Le Ruditi si dividono in Breccia e Conglomerato Vecchia definizione di rudite con clasti arrotondati: puddinga I clasti (lo scheletro) di questa rudite sono angolari e spigolosi. Si trattaquindidiuna Breccia. I clasti (lo scheletro) di questa rudite sono arrotondati e smussati. Si tratta quindi di un Conglomerato.

36 5% 0,01% 30% Fanghi (silt + argilla) (< mm) 80% Ghiaia (>2 mm) G Gf Gfs Gs Fg Sgm Sg F(g) Fs(g) Sf(g) S(g) F Fs Sf S 1:9 1:1 9:1 Rapporto Sabbia:Fango G Gf Gfs Gs Fg Sgm Sg F(g) Fs(g) Sf(g) S(g) F Fs Sabbia ( mm) Ghiaia (Conglomerato) Ghiaia fangosa (Conglomerato fangoso) Ghiaia sabbioso-fangosa (Conglomerato s.-f.) Ghiaia sabbiosa (Conglomerato sabbioso) Fango ghiaioso (Argillite sabbiosa) Sabbia ghiaioso-fangosa (Arenaria g.-f.) Sabbia ghiaiosa (Arenaria ghiaiosa) Fango leggermente ghiaioso (Argillite legg. g.) Fango sabbioso legg. g. (Argillite sabb. legg. g.) Sabbia fangosa legg. g. (Arenaria f. l. g.) Sabbia legg. ghiaiosa (Arenaria legg. ghiaiosa) Fango (Argillite) Fango sabbioso (Argillite sabbiosa) Sf S Sabbia fangosa (Arenaria fangosa) Sabbia (Arenaria) Classificazione delle rocce clastiche di Folk (The distinction between grain size and mineral composition in sedimentary-rock nomenclature J. Geol., 62, , 1954)

37 Ghiaia (>2 mm) G Ghiaia G Gf Gfs Gs Fg Sgm Sg F(g) Fs(g) Sf(g) S(g) F Fs Sf S Fanghi 1:9 1:1 9:1 Sabbia (silt + argilla) (< mm) Rapporto Sabbia:Fango ( mm) G Rudite

38 Gs Ghiaia sabbiosa Ghiaia (>2 mm) G Gf Gfs Gs Fg Sgm Sg Gs Rudite sabbiosa F(g) Fs(g) Sf(g) S(g) F Fs Sf S Fanghi 1:9 1:1 9:1 Sabbia (silt + argilla) (< mm) Rapporto Sabbia:Fango ( mm)

39 Gf Ghiaia fangosa Ghiaia (>2 mm) G Gf Gfs Gs Fg Sgm Sg Gf Rudite fangosa F(g) Fs(g) Sf(g) S(g) F Fs Sf S Fanghi 1:9 1:1 9:1 Sabbia (silt + argilla) (< mm) Rapporto Sabbia:Fango ( mm)

40 Fg Fango ghiaioso Ghiaia (>2 mm) G Gf Gfs Gs Fg Sgm Sg F(g) Fs(g) Sf(g) S(g) F Fs Sf S Fanghi 1:9 1:1 9:1 Sabbia (silt + argilla) (< mm) Rapporto Sabbia:Fango ( mm)

41 Ghiaia (>2 mm) S Sabbia G Gf Gfs Gs Fg Sgm Sg S Arenaria F(g) Fs(g) Sf(g) S(g) F Fs Sf S Fanghi 1:9 1:1 9:1 Sabbia (silt + argilla) (< mm) Rapporto Sabbia:Fango ( mm)

42 F Fango Ghiaia (>2 mm) G Gf Gfs Gs Fg Sgm Sg F(g) Fs(g) Sf(g) S(g) F Fs Sf S Fanghi 1:9 1:1 9:1 Sabbia (silt + argilla) (< mm) Rapporto Sabbia:Fango ( mm) F Argillite

43 ROCCE CARBONATICHE

44 Diminuzione della dimensione dei componenti Nomenclatura delle rocce carbonatiche basata sulla GRANULOMETRIA CALCIRUDITI o DOLORUDITI a seconda che il minerale prevalente sia costituito da calcite (CaCO 3 ) o da dolomite [CaMg(CO 3 ) 2 ] (>2 mm) CALCARENITI o DOLOARENITI a seconda che il minerale prevalente sia costituito da calcite o da dolomite (0,062-2 mm) CALCILUTITI o DOLOLUTITI a seconda che il minerale prevalente sia costituito da calcite o da dolomite (<0,062 mm)

45 ROCCE CARBONATICHE P A R A M E T R I D I S T I N T I V I CRITERIO MINERALOGICO CALCITE O DOLOMITE Presenza di IMPUREZZE (materiali terrigeni) Calcare (termine generico) o Dolomia (termine generico) Vari nomi (genericamente MARNE)

46 Nomenclatura delle rocce carbonatiche basata sul CHIMISMO Diagramma triangolare CALCITE- DOLOMITE- IMPUREZZE Permette la classificazione delle rocce carbonatiche. Per impurezze si intende tutti i materiali non carbonatici.

47 Nel gruppo delle rocce carbonatiche esistono rocce formate in seguito a precipitazione chimica da acque fluviali o vadose. Si parla in questo caso di: SPELEOTEMI Le tipiche manifestazioni di questo tipo si rinvengono nelle regioni CARSICHE cioè in aree caratterizzate dalla presenza di formazioni carbonatiche interessate da un intreccio di fiumi e grotte sotterranee e da una morfologia superficiale alquanto accidentata. Dal punto di vista idrogeologico e geomorfologico, nei sistemi carsici sono presenti tre componenti principali: - Sistemi di grotte anche profonde - Acquiferi sotterranei - Depressioni a pianta sub-circolare (Doline).

48 Principio di Le Chatelier e Costante di Equilibrio

49 Travertini (rocce ortochimiche)

50 Porosità

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52 Dopo aver parlato delle tre fasi principali relative alla formazione dei sedimenti (ALTERAZIONE, EROSIONE, TRASPORTO E DEPOSIZIONE) iniziamo ora a parlare del processo che porta alla trasformazione dei sedimenti sciolti in rocce coerenti: La DIAGENESI

53 I processi più comuni della fase diagenetica possono essere distinti in 4 fasi: COMPATTAZIONE (riduzione degli spazi vuoti nei sedimenti sotto un carico litostatico); DISSOLUZIONE (dei minerali più instabili); CEMENTAZIONE (riempimento dei pori tramite precipitazione di minerali, soprattutto calcite); RICRISTALLIZZAZIONE (alterazione dei minerali originali in nuovi minerali, stabili nelle nuove condizioni, attraverso reazioni complesse).

54 COMPATTAZIONE Il passaggio dall impacchettamento di tipo (A) a quello (B) produce una sensibile riduzione della porosità. C) un cristallo laminare di mica si piega sotto il carico di altri grani molto più rigidi. D) fratturazione di ooidi presenti nei sedimenti carbonatici.

55 DISSOLUZIONE LA DIAGENESI Evoluzione dei contatti tra i grani di un sedimento soggetto a processi diagenetici essolutivi. A) contatti puntuali; B) contatti sub-planari; C) contatti concavo-convessi; D) contatti suturati.

56 CEMENTAZIONE Consiste nella formazione di un materiale, denominato cemento, che si interpone tra i grani di differente grandezza con funzione di legante. La formazione del cemento avviene in seguito alla precipitazione chimica di minerali a spese degli ioni disciolti nelle acque interstiziali.

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59 Roccia clastosostenuta Matrice o Cemento?

60 Roccia matricesostenuta Matrice o Cemento?

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63 La composizione del cemento varia in funzione della tipologia degli ioni disciolti nelle acque circolanti. I tipi più comuni sono silicei, rappresentati da quarzo, calcedonio e opale, oppure carbonatici se costituiti da calcite più o meno ricca di ferro o da ankerite [Ca(Mg,Fe 2+,Mn)(CO 3 ) 2 ] o da siderite (FeCO 3 ), oppure ferrico-ferrosi (es. pirite o marcassite FeS 2 ; goethite FeO.OH; o ematite Fe 2 O 3 ) o, infine, fillosilicatici (clorite, caolinite, illite o smectiti).

64 RICRISTALLIZZAZIONE DIAGENETICA Indica la modificazione della mineralogia e della microstruttura della roccia che avviene, in condizioni di seppellimento, ad opera dei fluidi che circolano al suo interno. I risultati della cristallizzazione diagenetica sono molto evidenti nei clasti carbonatici dove si verificano due tipi di modificazioni: Neomorfismi e Sostituzioni.

65 NEOMORFISMI = trasformazioni isochimiche (es. aragonite calcite); SOSTITUZIONI = il carbonato (calcite e/o aragonite) è sostituito da silice. Il fenomeno si verifica perché il comportamento geochimico della silice e del carbonato sono molto diversi: la dissoluzione di uno può, pertanto, implicare la precipitazione dell altra.

66 Abbondanze delle rocce sedimentarie 11% Arenarie e ruditi 14% Calcari e dolomie 75% Argille varie