Corso di Geologia Applicata

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1 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata UNIVERSITÁ DEGLI STUDI DI PALERMO DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE, AMBIENTALE AEROSPAZIALE E DEI MATERIALI- Viale delle Scienze EDIFICIO PALERMO Centralino: (091) Amministrazione: (091) / /77 Fax: (091) (091) DICAM Corso di Geologia Applicata Dispense a cura di Laura Ercoli Introduzione al corso e modalità di esame 1

2 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Caratteristiche del corso di Geologia Applicata TIPO DI ATTIVITÀ Caratterizzante CODICE INSEGNAMENTO CFU 6 PRESUMIBILE NUMERO DI ORE NECESSARIE ALLO STUDIO PERSONALE NUMERO DI ORE DI LEZIONI FRONTALI E DI ATTIVITÀ DIDATTICHE ASSISTITE PROPEDEUTICITÀ ANNO DI CORSO 1 SEDE DI SVOLGIMENTO DELLE LEZIONI ORGANIZZAZIONE DELLA DIDATTICA MODALITÀ DI FREQUENZA PERIODO DELLE LEZIONI CALENDARIO DELLE ATTIVITÀ DIDATTICHE ORARIO DI RICEVIMENTO DEGLI STUDENTI Nessuna Consultare il sito Lezioni frontali, Elaborazioni in aula, Visite in campo e in laboratorio Obbligatoria Secondo semestre Consultare il sito it Giorni e orari di ricevimento: su richiesta, previo appuntamento con [email protected] Programma del corso Introduzione al Corso, struttura della Terra, tettonica a zolle Il ciclo litogenetico Minerali e rocce Procedure di riconoscimento per chiavi di successiva approssimazione sulla base dei caratteri organolettici Sistemi di classificazione Rocce ignee Rocce metamorfiche Rocce sedimentarie Stratigrafia e principi di continuità e di sovrapposizione Giacitura delle formazioni geologiche: polarità degli strati; stratificazione e relativo sistema di rappresentazione Strutture sedimentarie:eteropia; discontinuità e discordanze; Strutture metamorfiche : scistosità; aureole metamorfiche Strutture delle rocce ignee superficiali e profonde Strutture tettoniche: faglie; pieghe; sovrascorrimenti. Relazioni geometriche tra superfici geologiche e fisiografia del Territorio: Forme strutturali Descrizione fisiografica del territorio Lettura ed interpretazione delle carte geologiche, sezioni geologiche Cartografia geologica tematica Evoluzione naturale e modifiche antropiche del contesto geomorfologico: processi erosivi; modellamento dei versanti e delle coste; forme del dissesto geologico; Rischio geologico: analisi, previsione e prevenzione. Lez.1-10 Lez Lez Lez Lez Introduzione al corso e modalità di esame 2

3 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Elementi di idrogeologia: Acque superficiali e sotterranee. Proprietà idrogeologiche delle rocce, tipologia, geometria e struttura degli acquiferi e delle barriere idrogeologiche, rapporti idrogeologici tra strutture adiacenti, vulnerabilità delle falde idriche La pericolosità geologica Il Piano per l assetto idrogeologico e i requisiti degli studi geologici finalizzati alla pianificazione urbanistica Indagini dirette, indagini geofisiche Lez Lez Lez ESERCITAZIONI Riconoscimento delle rocce Elaborazioni Cartografiche lettura della carta topografica e descrizione della fisiografia del territorio, Slide es. 1 carta clivometrica, descrizione geomorfologica Costruzione di carte dell acclività dei versanti Slide es. 2 Limiti geologici Slide es. 3 Successioni Slide es. 4 Lettura delle Carte geologiche Costruzione Sezioni geologiche Costruzione di carte Slide es. 5 dell erodibilità relazioni tra litologia, assetto tettonico, idrografia superficiale e sotterranea Slide es. 6 Bacini idrografici ed idrogeologici,tipi di spartiacque,falde idriche, sorgenti, Slide es. 7 scambi fra corpi idrici Hand specimens in aula Cosa occorre per svolgere le elaborazioni in aula: Stampa della Carta geologica digitalizzata Monti di Palermo e Monreale (file da scaricare presso biblioteca DICA) lente di ingrandimento, squadrette, goniometro, matite colorate (almeno 5 colori), fogli A4 di carta lucida e millimetrata, forbicette Materiale didattico Fornito dal docente ( file scaricabili presso la biblioteca del DICA) Ercoli L., Dispense del corso di Geologia Applicata Ercoli L., Slides del corso di Geologia Applicata Ercoli L., Slides delle esercitazionidi Geologia Applicata Carta geologica digitalizzata Monti di Palermo e Monreale Collezione didattica delle rocce (visibile per esercitarsi autonomamente presso la biblioteca del DICA) Introduzione al corso e modalità di esame 3

4 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Testi consultabili presso le biblioteche di Ateneo, per approfondimenti Sappa G., Geologia Applicata ed. Cittàstudi Simpson B., Lettura ed interpretazione delle carte geologiche, Dario Flaccovio ed. Mottana A., Crespi., Liborio G., Minerali e rocce, Mondadori ed. Aruta l., Marescalchi P., Cartografia, Dario Flaccovio ed. I.G.M. Tavolette 1:25000 Servizio Geologico d Italia Carte geologiche 1: Freeze R.A., CherryJ.A. Groundwater, ed. Prentice hall Chiesa G., Inquinamento delle acque sotterranee, ed. Hoepli Castiglioni G.B. Geomorfologia ed.utet Gisotti G. Geopedologia ed. Calderini Ippolito ed alii, Geologia tecnica ed. ISEDI Assessorato Territorio Ambiente Regione Sicilia Il piano per l assetto idrogeologico Assessorato Territorio Ambiente Regione Sicilia Circolare 2222 Aubuin,Brousse Compendio di geologia ed-. Ambrosiana Castiglioni Geomorfologia ed. Utet Francani Idrogeologia generale ed. Clup Introduzione al corso e modalità di esame 4

5 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata COME SI SVOLGE L ESAME Prova Orale (riconoscimento rocce) Prova Scritta, contenente quesiti a risposta aperta, elaborazioni da svolgere su stralci di carta geologica scala 1: e quesiti a risposta multipla su schemi geologici semplificati TIPO DI VALUTAZIONE Voto in trentesimi, media aritmetica tra il voto conseguito nella prova scritta e quello conseguito all orale Nota Bene 1. Iscriversi all appello di esame tramite il portale studenti entro la scadenza indicata 2. presentarsi muniti di carta d identità o libretto universitario. 3. lo statino va presentato all atto dello svolgimento della prova scritta. 4. Non sono ammesse deroghe, per evitare disguidi con la segreteria studenti per il caricamento della materia La geologia non è una scienza esatta e neppure una scienza puramente descrittiva, è una scienza indiziaria: sulla base di indizi raccolti in campo si effettuano deduzioni che portano ad una interpretazione attendibile del contesto e degli eventi.. e quindi...cosa mi aspetto da voi Acquisizione delle conoscenze e metodologie per effettuare l inquadramento geologico del territorio in cui si collocano le opere di Ingegneria civile. Acquisitzione della metodologia di analisi propria dello studio geologico del territorio per esaminare nella sua complessità il contesto geologico-ambientale in cui si collocano gli interventi progettuali e di individuare le problematiche specifiche e le interdipendenze. interagire con competenza con altre professionalità di una equipe interdisciplinare, Introduzione al corso e modalità di esame 5

6 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata formulare nel linguaggio tecnico appropriato quesiti specifici a tecnici di differente estrazione scientifico-culturale (geologi, geomorfologi, idrogeologi) e comprenderne le risposte. approfondire autonomamente tematiche complesse poiché dovrete essere in grado di individuare e di consultare il materiale tecnico scientifico e gli strumenti conoscitivi e tecnici più appropriati per l approfondimento e la soluzione di specifici problemi. Sapere individuare le interconnessioni tra contesto geologico ed interventi ingegneristici, applicare le conoscenze e le tecniche della geologia a specifiche tematiche progettuali. ATTENZIONE La prova scritta prevede che sulla base di quanto avete appreso sappiate autonomamente correlare le caratteristiche fisiografiche del territorio (forme della superficie del territorio desumibili dalla carta topografica) con la litologia delle rocce e delle formazioni geologiche affioranti, e, a cascata, con la loro erodibilità e permeabilità. A tal proposito è fondamentale seguire con la massima attenzione ed esercitarsi ripetutamente le procedure descritte nelle slide delle esercitazioni. Gli studenti che trovano difficoltà nell affrontare lo studio universitario possono avvalersi gratuitamente del servizio di tutoraggio fornito dall Ateneo di Palermo I tutor laureati sono pagati con fondi specificatamente destinati a questo scopo da parte del Ministero. I loro compiti sono i seguenti: supporto all approccio metodologico allo studio; consulenza per la scelta e l elaborazione della tesi di laurea consulenza per l elaborazione del piano di studi; consulenza per studenti che non sostengono esami da oltre dodici mesi; attività propedeutiche, didattico-integrative e di recupero Nell'ambito di queste attività potrebbero rientrare anche le seguenti: Realizzazione di una ricerca bibliografica Impaginazione ed editing di una relazione (esercitazioni, tesi, ), Utilizzo di software di uso comune (Excel, Word, PowerPoint, ), Utilizzo di software di uso avanzato (Matlab\Simulink, Autocad,Rhinoceros, ). l elenco dei tutor laureati è pubblicato alla pagina Introduzione al corso e modalità di esame 6

7 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Parte I Litologia Premessa : un ingegnere civile quanti minerali e rocce deve saper identificare? I più comuni libri che trattano di questo argomento contengono in media la descrizione di circa 200 minerali, mentre un buon libro di petrografia descrive circa un migliaio di tipi di rocce. Fortunatamente comunque la lista dei più comuni minerali che formano le rocce si accorcia a circa una decina di minerali e la maggior parte delle rocce appartengono a gruppi con caratteristiche simili, dal punto di vista ingegneristico e quindi sarà sufficiente distinguere una quarantina di rocce che sono di interesse per un ingegnere civile, solo in alcuni casi straordinari che possono determinare particolari problematiche negli scavi e nelle progettazioni, possono essere incontrate rocce meno frequenti, nel qual caso sarà comunque opportuno, se non indispensabile, rivolgersi ad uno specialista petrografo. Capitolo 1 Elementi di litologia generale Qualche definizione I vocaboli pietra e marmo, nelle accezioni di uso consueto, sono considerati impropri nel linguaggio geologico: si indica infatti con il termine roccia qualsiasi massa minerale o amorfa, consolidata o no, che forma parte della crosta terrestre. Per marmo si intende esclusivamente una roccia carbonatica di origine metamorfica, mentre qualsiasi altra roccia tagliabile e lucidabile viene chiamata materiale lapideo di pregio. Se la roccia è costituita da un solo minerale si dice roccia monomineralica, se invece i minerali costituenti sono più di uno, la roccia è polimineralica. Minerale è un corpo solido, omogeneo dotato di una struttura atomica continua e costante nell unità minerale, con composizione chimica ben Parte I -Lez Elementi di litologia generale

8 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata definita e struttura cristallina. Sostanze rocciose amorfe sono corpi rigidi, privi di una propria struttura cristallina. Nelle rocce si distinguono: minerali costituenti (o eventualmente sostanze amorfe costituenti), che formano la maggior parte del volume della roccia e componenti accessori, (minerali o amorfe) che sono presenti in piccole quantità e sono ininfluenti ai fini classificativi, anche se possono condizionare fortemente il colore della roccia o la sua alterabilità. L origine delle rocce La formazione delle rocce è incessante sulla crosta terrestre ed avviene secondo un ciclo detto ciclo petrogenetico o litogenetico. Il fluido indifferenziato del mantello, che si trova al di sotto della crosta terrestre a profondità variabili tra 5 e 60 km, risale attraverso spaccature della crosta terrestre e forma il magma. Questo, raffreddando, cristallizza o vetrifica dando origine alle rocce ignee, che assieme alle altre formano la litosfera e a gas e vapore acqueo che si immettono nell atmosfera e nell idrosfera. Atmosfera ed idrosfera da una parte rendono possibile l esistenza della biosfera e cioè dell insieme di organismi vegetali e animali che con i loro scheletri o i loro prodotti metabolici e catabolici formano accumuli di depositi o sedimenti organici, dall altra generano correnti di fluidi (acqua, vento) che attraverso fenomeni di degradazione, erosione e trasporto sgretolano le rocce pre-esistenti dando origine a sedimenti detritici. I sedimenti organogeni o detritici attraverso processi di diagenesi formano le rocce sedimentarie che, al pari delle rocce ignee, in seguito a seppellimento profondo, riscaldamento e forte compressione danno origine alle rocce metamorfiche. Queste, se raggiungono zone della crosta molto profonde, con fenomeni di rifusione completa o parziale (anatessi) formano nuovi magmi. Gli stessi processi possono investire le rocce dello stesso gruppo e quindi si possono formare rocce sedimentarie policicliche, rocce ignee di origine anatettica, rocce polimetamorfiche (fig.1). Fig. 1 La classificazione delle rocce Per le rocce si adotta generalmente una classificazione genetica, nell ambito della quale viene poi utilizzata, solitamente, una classificazione composizionale. L identificazione e la classificazione genetica si basano, oltre che sui caratteri elencati in Tab. 1, osservabili sul materiale alla scala del campione da laboratorio (hand specimen=campione che sta nel palmo di una mano, del volume di alcuni centimetri cubi o, al massimo, decimetri cubi) anche sull esame in sito delle caratteristiche mesostrutturali (alla scala tra decimetri e la decina di metri) dell ammasso roccioso nel suo insieme (p.es. stratificazione, tracce di corrente, giunti, clivaggio, fratturazione, scistosità.). Infatti alla scala del campione di laboratorio, possono essere con certezza individuati i litotipi, ma non necessariamente l ambiente geologico di provenienza: ad esempio una scheggia di un ciottolo di granito, proveniente da un accumulo alluvionale, potrebbe essere interpretato come appartenente ad un corpo intrusivo, da cui certamente proveniva all atto della formazione del litotipo, prima della sua erosione e trasporto, che lo ha immesso in un corpo sedimentario detritico. Parte I -Lez Elementi di litologia generale

9 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Tabella 1 Caratteristiche da osservare per l identificazione e la classificazione delle rocce Tessitura : insieme delle caratteristiche geometriche dei grani che compongono la roccia (forma dei grani,contatti tra i grani, orientazioni preferenziali - detta anche fabric o struttura-, distribuzione dei componenti). E fortemente differenziata tra le tre principali famiglie di rocce Grana: dimensione dei grani che compongono una roccia Composizione: abbondanza relativa dei minerali che compongono la roccia Paragenesi: ordine di formazione dei componenti Le caratteristiche sopraelencate vengono rilevate con i seguenti metodi (Tab. 2): esame dei caratteri organolettici, in sito Campioni macroscopici: determinazione delle proprietà fisiche qualitativa, in sito quantitativa, in laboratorio Campioni microscopici: esame al microscopio ottico analisi chimiche (quantitativa) roentgenografiche (raggi x) (semiquantitativa) Per l esame organolettico, che permette un riconoscimento di massima del litotipo, ci si avvale dei propri sensi, esaminando la superficie di rottura che si genera, al momento del prelievo, per percussione del campione asciutto. Le caratteristiche desumibili dall esame organolettico, sono elencate nella tabella 3. Parte I -Lez Elementi di litologia generale

10 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Tab. 3- Rilievo dei caratteri organolettici per l identificazione e la classificazione macroscopica di una roccia Osservazione Tatto Tipo di superficie Liscia Ruvida Scabra Asciutta Umida Untuosa Caratteristica granulometria, forma dei grani omogeneità tessiturale composizione Compatta stato di aggegazione, coesione, Consistenza Friabile omogeneità tessiturale Polverulenta Capacità termica (qualitativa) Sensazione fredda sensazione temp. ambiente composizione Durezza (resistenza all incisione con unghia o punta metallica (qualitativa) Densità (valutazione del peso rispetto al volume) (qualitativa) Vista Dimensione dei grani Forma dei grani composizione, stato di aggregazione composizione, stato di aggregazione tessitura tessitura, composizione Colore Ereditato (da detriti costituenti) Primario (dei minerali costituenti o accessori) Secondario ( da alterazione) Delle polveri Per strofinamento composizione, ma non sempre diagnostico diagnostico Splendore delle superfici Iridato Tipo di frattura Adamantino Vetroso Resinoso Metallico Madreperlaceo Ceroso Grasso Terroso Matto Opaco composizione composizione, stato di aggregazione, tessitura, granulometria 4

11 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Gusto salato caustico amaro Sapore astringente composizione piccante dolce allappante Olfatto Per rocce contenenti componenti volatili, odore che si sviluppa spontaneamente, per frizione, per triturazione, per percussione, per insufflazione di aria, composizione per imbibizione di acqua Udito per percussione, per attacco chimico per imbibizione composizione, stato di aggregazione, porosità La procedura da seguire per il riconoscimento dei litotipi si avvale del sistema per chiavi, in cui a partire dalla scelta tra due caratteristiche evidenti e ben distinte (ad es. la tessitura), per opzioni successive tra diverse alternative, si giunge alla diagnosi. Per riconoscere le rocce è necessario riconoscerne i costituenti, ed in particolare i minerali più ricorrenti. Anche in questo caso ci si avvale del sistema per chiavi, in cui la caratteristica di partenza è il tipo di sfaldatura (fig.2). Molti minerali, alla frattura per percussione, mostrano superfici di rottura preferenziali, piane, parallele a possibili facce del cristallo, che, indipendentemente dalla loro estensione, formano angoli costanti tra loro. Tali piani si sviluppano lungo superfici di debolezza del reticolo atomico, laddove i legami sono meno forti; la perfezione della sfaldatura è inversamente proporzionale forza dei legami chimici su quel piano. Alcuni minerali sono privi di superfici di sfaldatura e si rompono secondo superfici del tutto irregolari di forma assolutamente casuale. Il numero dei piani di sfaldatura e l angolo tra essi è diagnostico per i vari minerali. Fig. 2 I minerali si identificano macroscopicamente secondo alcune specifiche proprietà, elencate di seguito in ordine di affidabilità: 5

12 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata 1.Sfaldatura o clivaggio superfici piane di distacco spontaneo coincidenti con potenziali facce cristalline corrispondenti ai piani di massima debolezza dei legami chimici nel reticolo cristallino. Può essere : perfetta buona discreta In alternativa Frattura forma della superficie secondo la quale il minerale si rompe quando non sono presenti piani di clivaggio La frattura può essere: Concoide: es. vetro e quarzo Dentellata: con bordi taglienti Irregolare: con formazione di superficie ruvida e irregolare 2. Durezza - è una misura che indica la resistenza del minerale ad essere scalfito. Nella scala di Mohs (Tab.4) composta da dieci minerali, ogni elemento scalfisce i precedenti e viene scalfito dai successivi. In maniera qualitativa si distinguono : minerali teneri, che si incidono con l unghia, minerali semiduri, che si incidono con una punta metallica minerali duri, che non si incidono con una punta metallica, ma possono essere incisi dal vetro. Il test qualitativo è affidabile. 2. Lucentezza é una proprietà che indica la capacità di un minerale di riflettere la luce e dipende dal rapporto tra la quantità di luce che viene riflessa e quella che viene rifratta ed assorbita da un mezzo ottico. E diagnostica solo su facce cristalline non alterate. Tipi di lucentezza: Metallica Adamantina (simile al diamante) Subadamantina (un po meno lucente del diamante) Vitrea (come di un pezzo di vetro massiccio spezzato) Resinosa (come frammento di ambra spezzato) Sericea (come quella di un tessuto di seta) Perlacea Cerosa (come quella di una candela spezzata) 4. Colore non sempre è un indicatore certo (p.es. il quarzo può variare dall ametista al citrino) 5. Forma la forma del cristallo dipende dall ordine di crescita e dall ambiente di formazione. I termini che descrivono lo sviluppo delle facce esterne di un cristallo sono: -Euedrale: descrive un cristallo completamente delimitato da facce cristalline la cui crescita non è stata disturbata da cristalli o granuli adiacenti. -Subedrale: descrive un cristallo in parte delimitato da facce cristalline e in parte da superfici di contatto con altri cristalli già esistenti 6

13 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata -Anedrale: descrive un cristallo privo di facce cristalline 6. Reattività all attacco chimico in genere con acido cloridrico diluito 7. Colore delle polveri o della stria ottenuta strofinando una scheggia del minerale su una lastra di vetro smerigliato. 8. Tenacità La resistenza che un minerale offre alla frantumazione, piegatura o abrasione è indicata come tenacità. I minerali possono avere un comportamento di tipo: -Fragile: tipico di minerali che si rompono o polverizzano facilmente -Malleabile: tipico di minerali che possono essere martellati fino a dare sottili lamine (legame metallico) -Settile: tipico di minerali che si possono suddividere in scaglie con un martello (legame metallico) -Duttile: tipico di minerali che possono essere lavorati fino a formare un filo (legame metallico) -Flessibile: tipico di minerali che si piegano ma non ritornano alla forma originaria quando viene rimossa la pressione esercitata -Elastico: tipico di minerali che si piegano e ritornano alla forma originaria quando viene rimossa la pressione esercitata. In appendice sono riportate le chiavi che utilizzano tali caratteristiche per il riconoscimento macroscopico dei più comuni minerali. Tab. 4 Minerali della Scala di Mohs ed oggetti di uso comune in grado di inciderli 1. Talco unghia 2. Gesso unghia 3. Calcite monetina di rame 4. Fluorite lama di coltello 5. Apatite vetro da finestre 6.Ortoclasio filo d acciaio 7. Quarzo Topazio Corindone Diamante --- Le chiavi per la determinazione dei minerali e delle rocce più comuni sono riportate in appendice, mentre in tab. 5 svolgiamo un esempio di applicazione della procedura. 7

14 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Tab. 5 Campione di minerale Sfaldatura assente o poco distinta Sfaldatura distinta Vai a 1 Vai a 2 Supponiamo di avere un campione di un individuo con sfaldatura assente o poco distinta, si passa alla chiave 1 Supponiamo di avere un campione di un individuo con sfaldatura distinta, si passa alla chiave 2 1 (Individuo con sfaldatura assente o poco distinta) opzioni: splendore delle superfici vitreo con riflessi vari vai a 3 splendore metallico vai a 4 splendore matto o quasi, o non ben definibile vai a 5 splendore serico (simile alla seta) vai a 11. Supponiamo di avere un campione di un individuo con splendore vitreo, si passa alla chiave 3 2 (Individuo con sfaldatura distinta) opzioni: un piano di facile sfaldatura vai a 12 2 piani ad angolo retto vai a 13 2 piani ad angolo quasi retto vai a 14 3 piani ad angolo retto vai a 16 3 piani ad angoli diversi dal retto, ma uguali tra loro vai a 17 più di un piano, ma non ben distinguibili gli angoli vai a 19 3 (individuo con sfaldatura assente o poco distinta, splendore vitreo) opzioni: non si incide con una punta metallica vai a 6 si incide facilmente con una punta metallica vai a 8 si incide con l unghia vai a 9. Supponiamo di avere un campione che si incide con l unghia, si passa alla chiave.. 9 (individuo con sfaldatura assente o poco distinta, splendore vitreo, si incide con l unghia opzioni: colore chiaro, colore della stria bianco, all incisione stride e dà polvere in grani quasi isometrici, alla fiamma dà colorazione rosso mattone, si disidrata e diventa bianco e polverulento: gesso microcristallino in acqua si rigonfia o si spappola: minerale argilloso vai a 23 Non si spappola: è gesso microcristallino. 8

15 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Quando occorre una conoscenza più approfondita delle rocce, che vada oltre al mero riconoscimento macroscopico di cantiere, si deve far ricorso a tecniche di analisi di laboratorio. Le tecniche più consuete di analisi delle rocce e degli aggregati lapidei artificiali (nel seguito sempre indicati come rocce) sono l osservazione col microscopio ottico, in luce riflessa di frammenti e di sezioni lucide, e, in luce trasmessa polarizzata, di sezioni sottili e la diffrattometria a raggi X. Le sezioni lucide sono frammenti inglobati in resina di dimensioni opportune per essere rappresentative della tessitura e composizione del campione e tagliati con sega diamantata per ottenere una superficie piane e poi, dopo l inglobamento, levigate dapprima con panni abrasivi fino alla completa scomparsa delle strie dei denti della sega e alla perfetta lucidatura.vengono osservate al microscopio in luce riflessa, cioè illuminando dall alto la superficie levigata con una fonte di luce ( generalmente bianca) intensa e circoscritta. Le sezioni sottili sono lamine di roccia dello spessore standard di 0, 03mm ( ottenute per levigatura e smerigliatura di lastrine di roccia spesse in partenza 1-2 mm) incollate su vetrini da microscopia con collanti inerti alla luce ( balsamo del Canadà o resine epossidiche ). Le dimensioni minime del campione di partenza ( p. es. una scheggia distaccata con un colpo di martello) per poter realizzare una sezione sottile sono di 8-10 mm di spessore. In genere per la preparazione delle sezioni sottili ci si avvale di ditte artigianali specializzate, con un costo medio unitario dell ordine di poche decine di euro. Per l identificazione di alcuni componenti ( p. es. distinzione di calcite e dolomite, o feldspati)si può far ricorso a tecniche di colorazione selettiva (Staining). L osservazione delle sezioni sottili si effettua con un microscopio ottico munito di due dispositivi per la polarizzazione delle luce bianca trasmessa da una lampada posta al di sotto del piatto porta oggetti (microscopio petrografico). In alcuni microscopi la polarizzazione della luce si ottiene mediante l inserimento di prismi di spato d Islanda ( calcite limpida) detti Nicols ( dal loro inventore) in altri, mediante due schermi trasparenti trattati (polaroid) Permette di osservare le rocce con il in luce trasmessa polarizzata secondo un piano (PPL) o secondo due piani ortogonali ( XPL) Serve per analizzare la tessitura della roccia e per individuarne i componenti cristallini od amorfi Sezione sottile: lamina di roccia spessa 0,03mm incollata su un vetrino con collanti otticamente inerti ( p. es. Balsamo del Canada) 9

16 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Sezione sottile colorata con alizarina S: presenta una colorazione selettiva (staining) per facilitare la distinzione dei carbonati (dolomite grigia, calcite rosa -arancione) 10

17 Diagramma di flusso semplificato per l identificazione dei minerali costituenti delle rocce col metodo organolettico Esaminare il campione con una lente d ingrandimento Il campione può essere inciso con l unghia Il campione può essere inciso con una punta metallica ma non con l unghia Il campione non può essere inciso neanche con una punta metallica Sfaldatura Colore e lucentezza Nome vetroso o saccaroide 1 superficie perfetta nero verde metallico bianco 1 superficie perfetta metallico nero 3 superfici a 75 o105 bianco vetroso gesso grafite clorite muscovite biotite calcite dolomite nessuna sfaldatura bianco, grigio vetroso b bianco, grigio rosa porcellanaceco 2 superfici a 90 scuro, vetroso o perlaceo s u p e r f i c i a superfici a 60 e 120 scuro, vetroso o perlaceo quarzo felspato pirosseno anfibolo

18 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Capitolo 2 Le rocce ignee o magmatiche Le rocce ignee o magmatiche derivano dal raffreddamento di magmi con processi di cristallizzazione totale o parziale associati o meno a processi di vetrificazione totale o parziale in funzione delle condizioni ambientali in cui si verifica il raffreddamento. Il magma è una massa a temperatura elevata formata da un miscuglio di liquido, gas, cristalli; è più o meno viscoso e suscettibile di movimento; si tratta cioè di un sistema chimico-fisico a molti componenti consistente di una fase liquida (fuso) e di un certo numero di fasi solide (cristalli) in sospensione; può anche essere presente una fase gassosa. I principali componenti sono: silice (40-75%, valori espressi comepercentuali in peso), allumina (10-20%), ossidi di ferro (2-12%), calcio (1-12%), magnesio (tracce-12%), sodio (1-8%) e potassio (tracce-7%). La temperatura di un magma è compresa fra 1350 C e 750 C.La cristallizzazione di un magma procede con l'abbassarsi della temperatura nella massa magmatica. Man mano che si creano le condizioni per la cristallizzazione dei diversi minerali il magmadiviene via via più ricco di componenti che non si sono ancora solidificati. I minerali che si sono formati per primi possono ridisciogliersi parzialmente o reagire con il liquido residuo in modo da mutare la loro composizione. Si distinguono in: 1. rocce ignee intrusive o plutoniti che cristallizzano lentamente dentro la crosta terrestre, in grandi ammassi detti Plutoni (batoliti) o in filoni (dicchi, sills ) Per tale ragione durante il raffreddamento, che avviene lentamente, la pressione si mantiene elevata. Il risultato è una struttura di tipo olocristallina, cioè composta da cristalli di grandi dimensioni (tutti sono almeno distinguibili ad occhio nudo). e porosità pressochè nulla. Fanno parte di questa tipologia i graniti, le dioriti, i gabbri e le peridotiti. 2. rocce ignee effusive o vulcaniti. Derivano dal raffreddamento delle lave e cioè da eruzioni subaeree o sottomarine (colate) e quindi litificano sopra la crosta terrestre o sui fondali marini. In questo caso il processo di solidificazione avviene con un brusco abbassamento dei valori di temperatura e pressione; in realtà il processo di cristallizzazione frazionata (solidificazione) inizia prima che il magma venga espulso in superficie, per cui alcuni cristalli riescono a crescere fino ad avere dimensioni apprezzabili (fenocristalli). La struttura della roccia in questo caso è di tipo ipocristallina porfirica o afanitica, cioè composta da piccoli cristalli immersi in una pasta di fondo microcristallina o amorfa, cioè allo stato vetroso (vetrofiri). Rocce di tipo effusivo a tessitura porfirica sono i basalti (generati durante attività magmatica di tipo non esplosivo), le andesiti e le rioliti. La tessitura vitrofirica o jalina è tipica delle pomici (rocce a bassissima densità la cui bollosità deriva dall alta viscosità del fuso che non ne permette un rapido degassamento) e le ossidiane o vetri vulcanici (il rapido raffreddamento non permette la formazione della struttura cristallina). 3. Piroclastiti, sono costituite da materiali magmatici ma che si depositano con modalità tipiche di depositi subaerei. I magmi raffreddano molto bruscamente durante fenomeni vulcanici di tipo esplosivo (si veda il cap. sul vulcanismo), producono rocce con caratteristiche particolari ovvero le rocce piroclastiche. Appartengono a questa categoria i tufi, le cineriti (lapilli e ceneri lanciati in aria durante l attività esplosiva e formanti depositi stratificati. 4. Rocce filoniane: consolidano in condizioni intermedie (né profonde né superficiali) e presentano una grande varietà composizionale e struttural Parte I - Lez Rocce ignee 9

19 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Oltre alle modalità di solidificazione, l altro carattere fondamentale di classificazione tanto dei magmi quanto delle rocce magmatiche è il loro chimismo, in particolare la percentuale di silice (SiO2) presente. La ragione di questa classificazione su basi chimico-mineralogiche risiede nel fatto che la maggior parte deiminerali è di tipo silicatico (comprende SiO2 nella struttura); inoltre il quarzo è l ultimo minerale a cristallizzare, quindi la sua presenza in una roccia fornisce informazioni circa la composizione chimica del fuso da cui si è originata. I minerali che costituiscono le rocce possono essere ripartiti in due grandi famiglie: Sialici: incolori o biancastri, in cui predomina la SiO 2 e l allumina. Femici: di colorazione scura (da verde a nero) e contenenti prevalentemente Fe ed Mg. La presenza e proporzione dei minerali presenti in una roccia magmatica permette di definire le seguenti tipologie: - Rocce acide: contengono grandi quantità di quarzo (SiO2) e sono caratterizzate da una densità media e da una colorazione chiara (rocce leucocratiche). - Rocce intermedie: hanno composizione mineralogica appunto intermedia. - Rocce basiche: basso tenore in silice (SiO2) e densità più elevata; la colorazione prevalente è nerastra (rocce melanocratiche). - Rocce ultrabasiche: la silice libera è totalmente assente e la densità molto elevata. Appartengono a questa categoria le Peridotiti (rocce del mantello superiore risalite in superficie) e le Ofioliti (note anche come pietre verdi). Nella tabella seguente è riassunta la classificazione delle rocce magmatiche in base a modalità di raffreddamento e chimismo. ACIDE INTERMEDIE BASICHE ULTRABASICHE INTRUSIVE Graniti,Granodioriti Dioriti, sieniti Gabbri Peridotiti EFFUSIVE Rioliti, Daciti Andesiti, Trachiti Basalti - Rapporti di frequenza: i magmi hanno una composizione che è prevalentemente o acida o basica, sono cioè scarsi quelli a composizione intermedia. Le rocce intrusive sono nella maggior parte di Parte I - Lez Rocce ignee 9

20 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata tipo acido, cioè molto diffusi sono i graniti e molto meno i gabbri. Per le rocce effusive vale invece il contrario, ovvero sono molto diffuse quelle di tipo basico (basalti). magma basaltico granitico Chimismo basico acido Profondità da 50 a 100 km < 20 km Temperatura Viscosità bassa alta Effusività alta bassa Rocce effusive basalto frequente riolite rara Rocce intrusive gabbro granito raro frequente Si classificano in base alla composizione mineralogica (classificazione di Srekeisen,1967) o alla composizione in ossidi (per le sostanze vetrose) e alla tessitura. La classificazione di Streckeisen è mineralogica, quantitativa, volumetrica e cioè si basa sul contenuto di specifici minerali o famiglie di minerali molto comuni, espresso in percentuale volumetrica.viene rappresentata mediante un doppio diagramma triangolare i cui vertici corrispondono ad un contenuto del 100% in: Q=quarzo, A= feldspati alcalini (ortoclasio), P=plagioclasi (labradorite, anortite); F=feldspatoidi. Q, A, P, F sono minerali sialici, cioè in prevalenza silico- alluminiferi, per lo più di colore chiaro. Non vengono presi in considerazione i minerali femici (biotite, anfiboli, pirosseni, olivina) cioè in prevalenza ferro- magnesiaci, per lo più di colore scuro, contraddistinti con la lettera M. Il diagramma viene suddiviso, in base alle percentuali relative dei componenti, in quindici campi, ciascuno dei quali contiene sia la roccia intrusiva sia la roccia intrusiva di quella determinata composizione. Vi sono naturalmente termini di passaggio fra un campo e l'altro. Il sedicesimo campo è fuori dal diagramma bitriangolare e comprende le rocce composte da minerali femici. N 1 Rocce rocce iperquarzose intrusive Rocce effusive 2 granito alcalino riolite alcalina 3 granito riolite 4 grano diorite dacite 5 graniti e dioriti andesiti e basalti quarzose quarzosi 6 sienite alcalina trachite alcalina 7 sienite trachite 8 monzonite latite 9 sienodiorite sienogabbro trachiandesite trachibasalto 10 diorite gabbro andesite basalto 11 sienite nefelinica fonolite 12 Monzonite feldspatoide 13 essexite tefrite 14 teralite Basanite 15 feldspatoiditi nefelinite leucitite 16 M = Rocce femiche 16 Elenco e caratteristiche delle più comuni rocce ignee Parte I - Lez Rocce ignee 9

21 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Granito: roccia acida con struttura olocristallina; minerali principali: quarzo (incolore), plagioclasio (bianco opaco), k-feldspato (rosato), mica (scura o bianca). Diorite: roccia intermedia con struttura olocristallina di aspetto simile al granito; può contenere o meno quarzo. Gabbro: roccia basica con struttura olocristallina di composizione chimico-mineralogica uguale ai basalti; minerali principali: olivina, plagioclasi, anfiboli e pirosseni (non contiene quarzo). Riolite: corrispondente effusivo del granito con struttura ipocristallina porfirica (pasta di fondo microcristallina o vetrosa) di colorazione chiara e con scarsi fenocristalli (quarzo, biotite, plagioclasio). Trachite: chimismo intermedio, struttura ipocristallina, corrispondente effusivo della diorite; colorazione prevalente grigio rossastra. Basalto: chimismo acido, struttura ipocristallina totalmente porfirica o vetrosa. Colorazione nera o grigio nerastra che può diventare rossastra o verdastra in seguito a fenomeni di alterazione; è il corrispondente effusivo del gabbro. Porfido: chimismo acido, struttura porfirica (struttura olocristallina molto fine talora disseminata di cristalli di dimensioni maggiori). Si trova spesso associato a masse granitiche. Pomice: derivato di schiume di vetro vulcanico, la cui bollosità è causata dall alta viscosità che impedisce un rapido degassamento; è caratterizzata da bassissimi valori di densità (galleggia in acqua). Ossidiana: roccia totalmente vetrosa caratterizzata da fratture concoidi e da assenza di bollosità; il rapido raffreddamento impedisce la crescita dei cristalli. Rocce piroclastiche: sono il risultato della deposizione (stratificata) dei materiali lavici (parzialmente solidificati) lanciati in aria nel corso di manifestazioni vulcaniche esplosive; si suddividono in: Tufi: accumuli di lapilli di dimensioni comprese 1. tra 2 mm e 3 cm. Cineriti: accumuli di ceneri (diametro delle particelle inferiore ai 2 mm). Ignimbriti: estesi espandimenti di materiali acidi ad alta viscosità, in grado di scorrere per lunghe distanze durante le eruzioni. Parte I - Lez Rocce ignee 9

22 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Schema per il riconoscimento delle rocce ignee sulla base di caratteristiche organolettiche Colore: chiaro/scuro Grana: grossa /media/ fine Dimensione dei minerali Tessitura porfirica/ afirica Relazione spaziale tra i cristalli Forma dei cristalli: Euedrale /Subedrale /Anedrale Grado di cristallinità: olocristalline /ipocristalline /ialine Stima del rapporto quantitativo tra fasi cristalline e sostanze amorfe Parte I - Lez Rocce ignee 9

23 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Parte I - Lez Rocce ignee 9

24 Laura Ercoli Dispense di Geologia Applicata ROCCE METAMORFICHE Si tratta del risultato dell esposizione di rocce preesistenti (sedimentarie, magmatiche e metamorfiche) ad alte temperature e/o pressioni. Metamorfismo indica dunque un insieme di complessi processi di trasformazione di una roccia in risposta alle diverse condizioni ambientali in cui viene a trovarsi. Il chimismo viene mantenuto (o alterato in minima parte), ma le mutate condizioni ambientali inducono la formazione di nuovi minerali secondo processi di ricristallizzazione. Condizioni di temperatura e pressione non elevate intervengono nei processi diagenetici sono all origine della genesi delle rocce sedimentarie, mentre alti valori di pressione e temperatura comportano fusione (anche parziale) della roccia, ossia il fenomeno dell anatessi. Le condizioni intermedie rispetto a questi due estremi individuano il metamorfismo, che non comporta quindi il passaggio allo stato liquido. Queste condizioni di pressione e temperatura si realizzano entro la crosta terrestre, le rocce di questo tipo, ma lo stesso accade anche per le magmatiche intrusive e per le sedimentarie, si ritrovano successivamente in superficie a causa dei processi tettonici di sollevamento e per il denudamento operato dall erosione. L ampio intervallo di temperature e pressioni unitamente ai complessi processi che intervengono durante il metamorfismo fanno si che una classificazione delle rocce di questo tipo sia estremamente complessa. Il primo fattore rilevante è l individuazione del tipo di roccia originaria (sedimentaria, magmatica o metamorfica), che viene detto protolito. Le rocce metamorfiche vengono indicate con i seguenti suffissi in funzione della natura del protolito: Parte I Lez Rocce metamorfiche

25 Laura Ercoli Dispense di Geologia Applicata PARA- indica rocce metamorfiche il cui protolito è una roccia sedimentaria (parascisto, paragneiss). ORTO- indica rocce metamorfiche da protolito magmatico (ortoscisto, ortogneiss). Quindi l osservazione e lo studio dei minerali al microscopio in luce polarizzata permette di identificare le associazioni di minerali presenti. I processi metamorfici possono essere ripartiti in tre grandi famiglie: Metamorfismo di contatto E caratterizzato da basse pressioni e da temperature da basse fino ad elevate. Si verifica per contatto con corpi caldi (intrusione di grandi masse granitiche, vicinanze di condotti lavici). Si crea una zonazione, detta aureola metamorfica, con grado di metamorfismo crescente all avvicinarsi dell corpo magmatico intrusivo. Il marmo è un tipico esempio di roccia di questo tipo. Metamorfismo regionale Tipico di aree ad alto gradiente geotermico che causano quindi condizioni di alta temperatura e pressione, quali le zone di corrugamento. E quindi associato alle deformazioni più intense. Metamorfismo di seppellimento Prodotto da debole aumento di temperatura e forte innalzamento di pressione; queste condizioni sono tipiche delle zone di subsidenza (piani di Benioff ) in aree a basso flusso di calore. Modificazioni della tessitura della roccia Le condizioni ambientali che comportano metamorfismo sono strettamente connesse alle deformazioni plastiche della crosta (geodinamica). Il metamorfismo comporta frequentemente la comparsa di superfici di anisotropia o di isoorientazione dei minerali nella roccia che spesso sono visibili ad occhio nudo; si individuano superfici di scistosità, clivaggio, foliazione ecc. Parte I Lez Rocce metamorfiche

26 Laura Ercoli Dispense di Geologia Applicata Principali tipologie di rocce metamorfiche: Marmo: è il risultato di metamorfismo di contatto su di una roccia sedimentaria carbonatica (calcite e/o dolomia). I processi di ricristallizzazione comportano la scomparsa dei caratteri strutturali originari che spesso vengono sostituiti da una struttura definita saccaroide. Ardesia: roccia metamorfica di basso grado da protolito sedimentario (marna). La sua relativa rarità è dovuta alle basse tolleranze di composizione e di grado metamorfico necessarie alla sua formazione. Calcescisto: il protolito è una marna sottoposta a metamorfismo di tipo regionale. E caratterizzato da una struttura foliata per scistosità (superfici di anisotropia planare che individuano piani di rottura) che deriva dall adattamento allo stress. Micascisto: il protolito è ancora più argilloso del precedente (bassa % di CaCO3) ed il metamorfismo sempre di grado regionale. Gneiss: roccia di grado metamorfico elevato (regionale) caratterizzata da tessitura a bande alternate (gneiss listati) o occhiadina (grandi cristalli di quarzo e/o feldspato bordati di mica). Scisti verdi (Prasiniti): ovvero roccia sottoposta ad intenso metamorfismo di grado regionale, di composizione prevalentemente basica. Anfiboliti: roccia di composizione basica sottoposta al più elevato grado metamorfico. Serpentiniti: protolito ultrafemico (rocce provenienti dal mantello superiore) e metamorfismo di basso e medio livello. Migmatiti: rocce generate in condizioni al limite del processo di anatessi (fusione parziale). Eclogiti: protolito ultrafemico e metamorfismo di seppellimento (pressioni elevatissime). Parte I Lez Rocce metamorfiche

27 Laura Ercoli Dispense di Geologia Applicata Caratterizzate da altissima densità e dalla presenza di granati. Parte I Lez Rocce metamorfiche

28 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Le rocce sedimentarie Si suddividono in tre grandi classi: evaporitiche, organogene, clastiche, in funzione dei processi che le hanno originate. La suddivisione non è naturalmente netta e sussistono termini intermedi o di origine non univoca. Le rocce sedimentarie si formano in ambienti di deposizione caratterizzati da bassi valori di P e di T (rocce esogene, che si formano sulla superficie terrestre). La formazione di una roccia sedimentaria può essere suddivisa in quattro fasi, che rappresentano il "ciclo sedimentario". I processi che portano alla formazione di una roccia sedimentaria sono alterazione della roccia madre, erosione e trasporto dei frammenti o dei fluidi, deposizione e accumulo. - I fase: alterazione delle rocce preesistenti sulla superficie terrestre con formazione di detriti solidi e di sostanze in soluzione. - II fase: trasporto del materiale detritico e di quello in soluzione ad opera dei fiumi, dei venti, dei ghiacciai, ecc. - III fase: deposizione (sedimentazione) del materiale in ambienti diversi (continentale, marino, ecc.). La sedimentazione avviene per strati successivi. - IV fase: diagenesi (litificazione dei sedimenti) dovuta alla pressione esercitata da altri sedimenti che si accumulano via via sopra di essi. Tutte le rocce sedimentarie hanno un corrispondente nei sedimenti attuali non litificati. Gli agenti sia dell alterazione che della deposizione possono essere di tipo fisico, chimico e biologico. ALTERAZIONE I processi fisici causano la disgregazione meccanica della roccia senza però modificarne la composizione chimica e mineralogica Gli agenti fisici della disgregazione possono essere: le variazioni di temperatura, che creano fenomeni di espansione e contrazione delle rocce (termoclastia, crioclastia). Ad esempio nelle aree desertiche in cui l'escursione termica diurna è molto ampia. Parte I Lez Rocce sedimentarie

29 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata l'aumento in volume della roccia per il rilascio di pressione che accompagna l'erosione degli strati sovrastanti. la cristallizzazione di sali negli interstizi tra i grani..l azione abrasiva del vento o di correnti di fluidi I processi di alterazione chimica portano a cambiamenti nella composizione della roccia e nelle sue proprietà con perdita dei caratteri originari (es.: carsismo, piogge acide). Gli agenti responsabili dell alterazione chimica sono essenzialmente l acqua le sostanze in essa disciolte ed alcuni gas. L azione dell acqua si può facilmente comprendere se si prende in considerazione la sua struttura fisica. La molecola d'acqua è una molecola fortemente dipolare: a questa sua peculiarità è legato il suo grande potere solvente nei confronti dei composti ionici. Quando un sale, formato da ioni positivi e negativi, viene messo in acqua, questo si scioglie perché gli ioni positivi vengono attratti dal polo negativo dell'acqua (ossigeno) e gli ioni negativi dal polo positivo (idrogeno), l' acqua si frappone così fra le parti del sale, sciogliendolo. In altri casi, svolge invece un azione idratante, trasformando i sali anidridi (es. anidrite-caso4) in sali idrati (es: gessocaso4*2h2o) o idrolizzante: per idrolisi si intende la dissociazione in acqua di sali formati da basi forti con acidi deboli o di basi deboli con acidi forti a formare molecole indissociate dell'acido debole o della base debole (possiamo definire in prima approssimazione, acido una sostanzain grado di far aumentare [H+] e analogamente base una sostanza in grado di far aumentare[oh-] nella soluzione); la soluzione acquista quindi rispettivamente reazione acida o basica. I processi biologici hanno una notevole influenza sull'alterazione favorendo sia i fenomeni fisici ( ad es.frantumazione per pressione delle radici), che i fenomeni chimici (es.: licheni, muschi, alghe, litotamni, lumache che emettono sostanze corrosive) ). TRASPORTO Una volta disgregati, i frammenti di roccia vengono erosi e trasportati. Gli agenti di trasporto possono avere differente densità, velocità e durata. Questi parametri influenzano la composizione mineralogica e la selezione del sedimento finale, e la forma e arrotondamento delle particelle costituenti.. Gli agenti di trasporto sono la gravità l'acqua Quantità e dimensioni delle particelle trasportate dall'acqua dipendono dalla portata e velocità della corrente. Le particelle sono trasportate per soluzione, sospensione, trascinamento, saltazione e rotolamento. le correnti di torbida il ghiaccio il vento. Il vento trasporta sedimenti fini e ben selezionati, ad esempio sabbie di dune. Ogni mezzo di trasporto imprime sulla superficie delle particelle trasportate un suo marchio caratteristico per il diverso modo di cozzare tra loro delle particelle stesse. Dopo il trasporto, le particelle vengono depositate ed accumulate; avviene cioé la sedimentazione, causata dallo smorzamento dell energia del mezzo di trasporto. Per le rocce sedimentarie di precipitazione chimica diretta, ad esempio gesso e sale, le fasi di erosione e trasporto si verificano in soluzione acquosa - cosi' pure per certi calcari biogenici. DIAGENESI La diagenesi è definibile come l'insieme di cambiamenti chimici e fisici che un sedimento subisce nel tempo dopo la sua deposizione. Il risultato della diagenesi è la litificazione, ovvero la trasformazione di un sedimento in una roccia. La diagenesi ha luogo immediatamente dopo la sedimentazione e perdura fino al metamorfismo. Parte I Lez Rocce sedimentarie

30 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata La diagenesi costituisce il collegamento tra la deposizione dei sedimenti e il loro metamorfismo. La diagenesi opera nelle diverse litologie con tempi diversi. I processi che hanno luogo durante la diagenesi sono: - Compattazione: consiste in una drastica riduzione degli interstizi legato a una ridistribuzione dei granuli. La Compattazione di un sedimento avviene per effetto del carico sovrastante dovuto ai sedimenti che si depongono successivamente. L entità dellacompattazione varia a seconda del sedimento. Questa compressione induce una diminuizione della porosità e l'espulsione dei fluidi presenti. - - Ricristallizzazione: alcuni granuli sono instabili durante la diagenesi e possono ricristallizzare sotto altre forme mineralogiche (neomorfismo). - Dissoluzione: consiste nella rimozione di parte dei granuli che entrano in soluzione nei fluidi circolanti negli interstizi. La dissoluzione avviene principalmente per effetto delle pressioni che si sviluppano durante la compattazione. La dissoluzione dei granuli, principalmente quelli carbonatici, avviene prevalentemente in corrispondenza dei punti di contatto. La tipica struttura che si origina per cementazione e dissoluzione.è detta contatto stilolitico La dissoluzione aumenta i punti di contatto tra i granuli e riduce quindi la porosità. Il materiale che viene disciolto ed entra in soluzione nei fluidi, precipiterà, in genere per brusco calo di pressione, ed andrà a costituire il cemento. Parte I Lez Rocce sedimentarie

31 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata - Sostituzione: alcuni granuli sottoposti a dissoluzione possono essere totalmente sostituiti. - Cementazione: consiste nella deposizione del cemento, uno dei quattro componenti fondamentali della tessitura. Il cemento si origina per precipitazione chimica a partire dai fluidi circolanti negli interstizi del sedimento La cementazione e la compattazione contribuiscono a ridurre la porosità. Parte I Lez Rocce sedimentarie

32 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Ambienti sedimentari PIATTAFORMA CONTINENTALE SCARPATA CONTINENTALE E CORRENTI DI TORBIDA Piattaforma Continentale. La sua forma è in relazione con: Cicli emersione - immersione Movimenti tettonici Sedimentazione controllata da correnti di fondo, foci di corsi d acqua, differenti biocenosi Può trovarsi in fase erosiva, di accrescimento verticale (aggradazione) o laterale (progradazione) Scarpata continentale Da molto pendente a pianeggiante (al limite con la piana batiale) Composta prevalentemente da sedimenti molto fini Le correnti di torbida Scoperte per la prima volta in seguito alla rottura di cavi sottomarini Scendono lungo il pendio della scarpata messi in moto da lievi sismi l energia del moto è fornita dalla differenza di densità tra la sospensione dei sedimenti ed il fluido circostante Mantengono velocità elevate e coprono vaste aree (anche l intero bacino MegaTorbiditi) Hanno messo in posto intere formazioni geologiche Si possono individuare: una zona prossimale (a sabbie e materiale più grossolano una zona intermedia (in cui la torbidite presenta il suo classico sviluppo verticale - Ciclo di Bouma una zona distale in cui prevalgono le componenti più fini Sono l unico modello in grado di spiegare la presenza di carbonati al di sotto della CCD Derivano dall accumulo di sedimenti di origine organogena associati o meno a frammenti detritici e dalla loro successiva diagenesi, che porta alla litificazione.si classificano in base alla tipologia e all abbondanza relativa dei grani e al tipo di cemento. ROCCE DI SEDIMENTAZIONE CHIMICA E BIOCHIMICA: Rocce incrostanti, rocce evaporitiche, Rocce organogene Rocce incrostanti Senza dubbio i depositi di grotta più noti e caratteristici sono le concrezioni calcaree di abbondano soprattutto nelle grotte delle regioni temperate e calde, mentre mancano quasi completamente nelle grotte delle regioni fredde, ciò dipende dal fatto che la solubilità della calcite diminuisce all aumentare della temperatura e al diminuire della CO 2 disciolta in acqua, come in presenza di acque agitate (soglie di travertino in corrispondenza di raopide o cascate). L'acqua che fuoriesce da una fessura risente della scarsa pressione parziale del CO 2 nell'atmosfera della grotta, e libera questo gas facendo precipitare CaCO 3. Le forme concrezionali più comuni sono formate da associazioni di cristalli a struttura fibroso raggiata. Le stalattiti, forme cilindriche o coniche pendenti dal soffitto le stalagmiti, forme più tozze che si accrescono verso l'alto a partire dal pavimento; le colonne, che derivano dalla fusione di una stalattite con una stalagmite; le croste concrezionali, che ricoprono le pareti dei vani, e si prolungano sul pavimento con l'aspetto di colate. Parte I Lez Rocce sedimentarie

33 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Rocce evaporitiche Le rocce evaporitiche sono costituite da sali precipitati per evaporazione del solvente, inordine inverso alloro prodotto di solubilità. I minerali evaporitici piu' comuni sono: il calcare, la dolomia, il gesso, l'anidrite e il salgemma, Gesso CaSO42H2O - solfato di calcio idrato che precipita direttamente dall'acqua marina. Anidrite CaSO4 - solfato di calcio anidro (gesso anidro) che deriva dalla disidratazione del gesso. Il passaggio gesso-anidrite avviene con una riduzione di volume pari al 38% ed aumento di porosita'. Il passaggio e' reversibile (gesso->anidrite>gesso). Salgemma NaCl - cristalli cubici tipicamente salati. In natura si incontra piu' raramente del gesso o anidrite perche' il punto di saturazione e precipitazione della salgemma richiede elevati gradi di isolamento del bacino di sedimentazione. Precipita direttamente dall acqua marina dopo il gesso. Le evaporiti singenetiche si formano per evaporazione diretta di acqua salata in bacini semichiusi, con climi caldi e aridi, dove prevale l evaporazione sull apporto idrico, collegati al mare aperto da uno stretto, o in bacini completamente isolati. In entrambi i casi sono bacini poco profondi o comunque con sottile lama d'acqua. Le evaporiti singenetiche sono quindi subacquee e stratificate. In fig. è riportato un modello teorico della distribuzione delle facies evaporitiche: sopra ) un bacino in limitata comunicazione con l'esterno (zonazione delle evaporiti a lacrima, sotto un bacino totalmente chiuso (zonazione delle evaporiti a occhio di bue ). Parte I Lez Rocce sedimentarie

34 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Evaporiti singenetiche-deposizionali: Nucleazione di sali all'interfaccia acqua-aria e poi decantazione sul fondo del bacino. Sono subacquee, stratificate con grande estensione laterale e spessore regolare. Costituite principalmente da salgemma e gesso cristallino fine laminato. Si formano in bacini perenni, lagune o laghi perenni, specchi d'acqua effimeri. Evaporiti di diagenesi precoce Si formano sotto l'interfaccia deposizionale per evaporazione delle soluzioni interstiziali in ambiente arido. Precipitano quindi in un sedimento ospite; la loro crescita puo' preservare o obliterare le strutture precedenti. Costituite principalmente da gesso (in condizioni piu' umide da sub a sopratidali), anidrite (in condizioni piu' secche, generalmente con crescita di noduli che spingono lateralmente il sedimento ospite). La salgemma e' rara, solo in croste. Queste evaporiti, spesso associate a dolomie, sono tipiche di ambienti di sabkha. In una sabkha, la precipitazione puo' avvenire su vasta scala, entro il sedimento preesistente, sopratutto nella frangia capillare che sta sopra la tavola d'acqua Evaporiti di diagenesi tardiva, sono molto posteriori alla litificazione del sedimento. Si possono formare per variazionidelle condizioni chimico-fisiche all'interno di un sedimento antico sepolto in zone sottoposte a regime di stress tettonico (faglie, pieghe). Soluzioni interstiziali impregnanti il sedimento possono dare origine a corpi evaporitici localizzati e discordanti. Le evaporiti diagenetiche di diagenesi tardiva sono corpi deformati che non indicano, quindi, direttamente l'ambiente primario di formazione. Un aspetto spettacolare delle evaporiti diagenetiche tardive è la formazione di diapiri, legati alla risalita di salgemma che, in virtu' della sua bassa densità, intrude le rocce incassanti fino a volte sfondare la copertura sedimentaria e giungere alla superficie. Evaporiti clastiche: per frammentazione di precedenti depositi evaporitici (gessareniti) salgemma). Parte I Lez Rocce sedimentarie

35 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata I più comuni minerali delle evaporiti. Gesso balatino selenitico alabastrino Salgemma Rocce di sedimentazione biochimica od organogene le sostanze trasportate in soluzione (ad esempio il carbonato di calcio) vengono fissate da organismi acquatici (molluschi, brachiopodi, coralli, foraminiferi) per la formazione del proprio guscio. I gusci, dopo la morte degli animali, si depositano e si accumulano nei bacini sedimentari. Parte I Lez Rocce sedimentarie

36 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Foraminiferi fossili Microfotografia 25x lr Madrepora attuale Madrepora fossile LE ROCCE SEDIMENTARIE SILICEE La silice si trova nelle acque naturali in condizioni di soluzione vera e propria; assume comportamento colloidale solo in condizionidi concentrazioni maggiori e da tali soluzioni può dare luogo a gel. Queste condizioni possono verificarsi in condizioni di eruzioni sottomarine o quando sorgenti di acque calde riversano silice nelle acque del mare.esto spiega la formazione di selceassociata ai prodotti di eruzione sottomarina. I sedimenti silicei attuali sono composti essenzialmente da opale biogenica. Le rocce silicee, composte prevalentemente da silice (SiO2), possono presentarsi come: Depositi stratificati, la cui origine e' legata all'accumulo di resti di organismi silicei (radiolari, spicole di spugne silicee, diatomee, silicoflagellati). Da cui derivano, rispettivamente, radiolariti, spongoliti e diatomiti. Quarzo microcristallino (1-20 micron) piu' raramente calcedonio (quarzo microcristallino con tessitura fibroso-raggiata). Opale (silice amorfa); Noduli in rocce carbonatiche, di forma ellissoidale. Hanno origine diagenetica, per sostituzione di calcite. La silice biogenica diffusa nel sedimento calcareo va in soluzione e riprecipita in forma cristallina sostituendo grani e matrice calcarea. In questo modo vengono preservate tessiture originarie del sedimento calcareo. Nei noduli il volume della silice originaria disponibile e' molto Parte I Lez Rocce sedimentarie

37 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata minore di quello delle selci stratiformi. Per rocce silicee di cui non sono osservabili resti di organismi silicei si utilizzano i nomi di: Selci: rocce silicee compatte, di lucentezza cerosa, stratificate o in noduli. Diaspri: varieta' rosse, gialle, verdi, brune, nere contenenti ferro. Novaculiti: rocce silicee bianche, pure, contenenti acqua extracristallina. Esiste infine la possibilita' che la selce precipiti direttamente dall'acqua marina. L'acqua marina e' fortemente sottosatura in silice (poche ppm) e secondo Blatt, Middleton e Murray (1980) la precipitazione diretta di opale e di quarzo e' molto poco probabile. Attualmente e' stata osservata precipitazione di silice in alcuni laghi temporanei australiani con ph10, attraverso la corrosione di sabbie quarzose, saturazione dell'acqua in silice amorfa,diminuzione del ph e precipitazione di silice. Tripoli Parte I Lez Rocce sedimentarie

38 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Diaspro 90x LR Rocce carbonatiche I calcari ( formati dalla calcite come componente assolutamente prevalente:ca CO 3 ) hanno origine da un processo biochimico dovuto all assorbimento degli ioni calcio e degli ioni carbonato dalle acque marine da parte di organismi, come i molluschi, che li utilizzano per formare il proprio guscio. La diagenesi dei carbonati comprende una serie complessa di processi chimico-fisici che tendono a trasformare profondamento il sedimento originario. Questo è dovuto al fatto che i sedimenti carbonatici sono costituiti in gran parte da aragonite e mg-calcite, che sono fasi metastabili. La maggior parte di questa diagenesi avviene precocemente nelle acque basse e nella zona di transizione acqua-terra. I processi principali sono la dissoluzione, la cementazione e la ricristallizzazione. In generale la diagenesi ha una velocità maggiore rispetto alle altre litologie. La dissoluzione agisce prevalentemente sui carbonati di mare profondo, dove al di sotto del limite di compensazione del carbonato i carbonati vengono disciolti e sostituiti. La cementazione è il processo diagenetico peculiare dei carbonati. La diagenesi e la litificazione avvengono principalmente mediante la cementazione, ovvero la crescita di calcite all'interno degli interstizi. La ricristallizzazione avviene quando i carbonati metastabili ricristallizzano in polimorfi stabili. In generale la ricristallizzazione porta ad un aumento delle dimensioni dei cristalli. Parte I Lez Rocce sedimentarie

39 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Microfotografia 25x lr Le dolomie contengono invece, in quantità preponderante, il minerale dolomite (CaMg (CO 3 ) 2. Sono presenti tutti i termini di passaggio con i calcari, in cui solo una frazione degli atomo di calcio è stata sostituita con atomi di magnesio. La dolomitizzazione dei calcari è un fenomeno diagenetico, che trasforma la tessitura della roccia, occultandone l origine organogena o clastica, e in cui i fìgranuli o i fossili sono riconoscibili solo come fantasmi. Parte I Lez Rocce sedimentarie

40 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Sezione sottile 16x XPL Le marne contengono una percentuale di argilla associata alla calcite. Anche in questo caso sono presenti tutti i termini di passaggio con i calcari. Si tratta di rocce di colore variabile (grigio, rosso, verde, bianco o variegato) sottilmente stratificate e spesso addirittura scagliose. Parte I Lez Rocce sedimentarie

41 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Litologica Commerciale In presenza di rocce conteneti sia grani di origine detritica che organogena, per superare le imprecisioni di un sistema basato su caratteri macroscopici, sono state proposte le classificazioni di Folk (1962) e di Dunham (1962). Rocce detritiche o clastiche Derivano dall accumulo di frammenti detritici (clasti) e dalla successiva diagenesi, che può portare alla litificazione. Si classificano in base alla composizione dei clasti ed alla loro granulometria. Parte I Lez Rocce sedimentarie

42 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata RUDITI ARENITI SILTITI ARGILLITI Sono costituite da frammenti, detti anche clasti o granuli, di rocce preesistenti che si sono disgregate e dalla matrice (granuli più piccoli o meglio fini) saldati da dal cemento. La matrice è costituita da particelle a classe granulometrica ben selezionata (omogenea) presenti tra particelle a granulometria maggiore. Al concetto di matrice non si associa una granulometria assoluta, bensi' relativa. La matrice è costituita da particelle ben selezionate e piu' fini rispetto ai grani tra cui sono presenti. Così possiamo avere una arenaria conglomeratica in cui la matrice è l'arenaria all'interno della quale sono "annegati" i clasti piu' grossolani conglomeratici, oppure possiamo avere un silt arenaceo in cui la matrice è il silt all'interno della quale sono "annegati" i clasti piu' grossolani arenacei, ecc. ecc. Le tessiture: - grano sostenuta :i grani costituiscono l'impalcatura della roccia, - matrice sostenuta. l'impalcatura è fornita dalla matrice nella quale i grani, particelle a granulometria maggiore della matrice, sono "annegati" (cioè non si toccano). Selezione (sorting o grado di uniformità mineralogica): indica il grado di elaborazione cui è stato sottoposto un sedimento, ed è in relazione con le modalità di trasporto. La selezione dipende cioè dal tipo e durata dei processi di trasporto e sedimentazione, dalla regolarità della corrente e dalla viscosità del mezzo. Al crescere della durata dei processi e della regolarità della corrente, maggiore è la selezione. Minore è la viscosità del mezzo, maggiore è la selezione. In generale, la selezione è buona quando la corrente opera su di un sottile strato di granellini in modo continuo, mentre risulta bassa quando la deposizione è forzata ed i sedimenti vengono Parte I Lez Rocce sedimentarie

43 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata impilati quasi istantaneamente (ad esempio durante una piena fluviale). Inoltre, il rapporto tra il materiale fornito in continuità e l'efficienza selezionatrice del mezzo è molto importante. Spiagge vicine allo sbocco dei fiumi avranno sedimenti meno selezionati rispetto a spiagge piatte e stabili lontano da aree di apporto sedimentario cospicuo. Gradi di selezione buona prevedono la presenza di cemento come materiale interstiziale, mentre gradi di selezione bassa implicano la presenza di matrice tra i granuli. Il sistema di classificazione delle rocce detritiche a componente carbonatica è basato sulla granulometria e distingue : - calcirudite (dimensione dei grani superiore a 2 mm), - calcarenite (fra 2 mm e 0,062 mm) - calcilutite (inferiore a 0,062 mm) Litologia Ruditi o Psefiti I conglomerati rappresentano il termine più grossolano; le dimensioni dei singoli elementi detritici (clasti) vanno da un minimo di 2 mm ad un massimo di 256 mm (scala di Wentworth). Corrispondono alle attuali ghiaie. Con il termine breccia si fa riferimento a quei conglomerati i cui clasti non hanno subìto trasporto ed hanno mantenuto quindi gli spigoli vivi; esse hanno origine da crolli e frane. La loro diagenesi avviene principalmente per cementazione e dissoluzione. Oltre alla precipitazione del cemento l'altro meccanismo fondamentale è la dissoluzione dei granuli, principalmente quelli carbonatici, in corrispondenza dei punti di contatto. Questo produce i contatti stilolitici. La dissoluzione aumenta i punti di contatto tra i granuli e riduce quindi la porosità. ARENARIE o Psammiti Le arenarie rappresentano il termine intermedio; le dimensioni dei clasti sono comprese fra 2 e 0,062 mm. Corrispondono alle attuali sabbie. I principali componenti delle arenarie sono grani monomineralici: quarzo, ortoclasio, fillosilicati, carbonati. La diagenesi delle areniti avviene principalmente per compattazione e cementazione. Altri meccanismi importanti sono la ricristallizzazione, la dissoluzione e la sostituzione. Nelle areniti gli interstizi possono essere riempiti con due varietà di cemento. Il primo tipo è cristallograficamente compatibile con i granuli e si salda al loro reticolo cristallino. Il secondo tipo è invece cristallograficamente incompatibile e il cemento presenta un limite netto con i granuli. Parte I Lez Rocce sedimentarie

44 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata I cementi compatibili sono generalmente quarzo su quarzo e calcite su calcite. Il cemento può essere costituito dal punto di vista cristallografico da un unico cristallo. I cementi incompatibili sono invece costituiti generalmente da calcite, dolomite, anidrite e siderite. A volte la cristallizzazione del cemento ha l'effetto di allontanare i granuli gli uni dagli altri determinando una arenaria cemento-sostenuta (in contrapposizione alla tipica tessitura delle areniti che sono granulo-sostenute). Sulla base della comosizione dei clasti si distinguono: Quarzarenite: assoluta prevalenza di quarzo (circa 90%), cemento siliceo, clasti ben arrotondati (hanno subìto un lungo trasporto) e con buona sfericità. Il colore è generalmente biancastro. Arcose: elevata percentuale di ortoclasio K(AlSi 3 O 8 ); i clasti sono immersi in una matrice fine con cemento costituito dagli stessi minerali. Il colore è rossastro. Grovacca: elevata percentuale di matrice fine argillosa con cemento calcareo; composizione mineralogica variabile con numerosi frammenti di rocce. Clasti angolosi (hanno subìto breve trasporto) e con bassa sfericità. Il colore è grigio scuro. Sezione sottile 16x XPL Parte I Lez Rocce sedimentarie

45 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Arcose Arenazzolo Tufite di Tusa Grovacca Parte I Lez Rocce sedimentarie

46 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Peliti o Lutiti Le argille rappresentano il termine più fine; le dimensioni dei clasti sono al di sotto di 0,062 mm. Corrispondono agli attuali fanghi detritici. Le argille sono costituite quasi esclusivamente da fillosilicati (minerali argillosi o minerali delle argille) prodotti dall'alterazione di altri minerali silicati. Per quanto concerne i minerali argillosi, mostrano comportamento colloidale sia per quanto concerne la capacità di rimanere in sospensione, sia per le proprietà di rigonfiamento, adsorbimento e scambio cationico. Altri componenti sono quarzo, ortoclasio e miche, presenti però solo nella frazione più grossolana. I procesi diagenetici nelle peliti avvengono principalmente per compattazione. Si ritiene che il fango possa contenere fino al 70-80% in acqua che viene espulsa grazie al carico dei sedimenti sovrastanti. I prcessi diagenetici proseguono anche grazie a ricristallizzazione dei fillosilicati, che avvengono anche nel campo della diagenesi. Si tratta di minerali in grado di conferire alle rocce che li contengono proprietà particolari : plasticità,, impermeabilità, potere adsorbente, rigonfiabilità, etc. Si tratta di particelle finissime che, pur mostrando caratteristiche proprie delle sospensioni colloidali (e tra prime le dimensioni), mantengono inalterata la propria struttura cristallina. Si tratta di silicati idrati, principalmente di alluminio e magnesio, la cui composizione chimica varia in funzione dell entità della sostituzione di Si, Al, Mg da parte di altri cationi, del numero e della natura di questi cationi e del numero delle molecole di acqua che possono entrare nel reticolo cristallino. I minerali che formano le rocce argillose appartengono per la maggior parte alla categoria dei fillosilicati dati da una alternanza di strati che possono essere formati da due differenti strutture: tetraedriche (Si e O) e ottaedriche (OH-, Al, Mg). Le argille vengono suddivise sulla base del numero di strati che compongono la cella elementare: Argille a due strati: Caolinite,serpentino Argille a tre strati: pirofillite, illite (miche), smectite, vermiculite, clorite Argille a strati misti: composte dai minerali argillosi appartenenti ai gruppi suddetti ma combinati in complesse interstratificazioni legate spesso al luogo di formazione [montmorillonite(smectiti o argille rigonfianti )-halloysite(caoliniti)-caolinite in ambienti umidi; montmorillonite- cloritemica o mica-illite in climi temperati] Parte I Lez Rocce sedimentarie

47 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Piroclastiti I tufi rappresentano un gruppo a parte rispetto alle appena descritte rocce detritiche. Essi sono considerati rocce sedimentarie poiché subiscono il processo di messa in posto e successivamente tutti i processi diagenetici che portano alla litificazione; ciò che li differenzia è la loro origine legata alle eruzioni vulcaniche esplosive. Parte I Lez Rocce sedimentarie

48 Laura Ercoli- Dispense del Corso di Geologia Applicata Parte I Lez Rocce sedimentarie

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