Il processo sedimentario Foto G. Barabino - 2003
Il processo sedimentario implica la formazione di rocce in ambienti in cui la temperatura e la pressione sono quelle che si realizzano nella superficie del pianeta o nelle sue immediate vicinanze, fondali marini compresi. I sedimenti si formano per degradazione, eventuale trasporto e successiva sedimentazione di rocce sia magmatiche che metamorfiche o già sedimentarie. In alcuni casi si possono formare per accumulo di materiale organogeno o materiale di precipitazione chimica. Foto G. Barabino - 2003
Il ciclo delle rocce Alterazione ed erosione Deposizione negli oceani e sui continenti Aumento di temperatura e pressione Risalita Rocce Ignee Calore e Pressione Risalita Risalita Sedimenti Seppellimento e litificazione Rocce Sedimentarie Calore e Pressione Raffreddamento Fusione Rocce Metamorfiche MAGMA
ABBONDANZE RELATIVE DELLE ROCCE SULLA SUPERFICIE TERRESTRE - La superficie terrestre è composta 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 solo lo 0,74% del volume della Terra. Tuttavia questa è l unica parte della terra che è direttamente esposta per lo studio petrografico
Le ROCCE SEDIMENTARIE Si formano sulla superficie della Crosta terrestre, fondali marini compresi, a spese di rocce preesistenti. I sedimenti possono consistere di frammenti di roccia o di altre particelle di dimensioni tra loro molto diverse, compresi resti di animali o di piante. Sono sedimenti anche quelli che si formano tramite processi chimici o quelli che si generano sotto l azione l di entrambe i fenomeni ora citati. Foto G. Barabino - 2003
Le ROCCE SEDIMENTARIE Molti depositi di minerali di valore economico sono associati a rocce sedimentarie: petrolio, gas naturale, carbone, sale, zolfo, potassio, gesso, calcari, fosfati,, uranio, ferro, manganese, alluminio (per non considerare cose prosaiche quali sabbia, pietre per rivestimenti, materiale per cementi, argille per ceramiche, etc.). Foto G. Barabino - 2003
Alla genesi dei sedimenti presiedono varie fasi tradizionalmente distinte in: EROSIONE TRASPORTO DEPOSIZIONE I sedimenti sono trasformati in rocce coerenti tramite un processo detto DIAGENESI
Le ROCCE SEDIMENTARIE Alcuni depositi sedimentari sono composti da materiali derivanti dall attivit attività vulcanica. Sotto un profilo più generale, le rocce sedimentarie possono essere raggruppate in due grandi categorie: materiali di origine Clastica (frammenti rotti poi cementati insieme) Chimica (materiale formato in parte o interamente in seguito a precipitazione chimica organica o inorganica)
CAMPO P-T P T di formazione delle rocce sedimentarie
EROSIONE Si attua tramite la DISGREGAZIONE DELLE ROCCE preesistenti che avviene con due modalità: DISAGGREGAZIONE MECCANICA in porzioni più minute; ATTACCO CHIMICO di alcuni minerali da parte degli Agenti Esogeni tutti gli elementi che agiscono sulla superficie terrestre ACQUA (ghiaccio), ARIA (vento)
EROSIONE DISAGGREGAZIONE MECCANICA Come si formano le grandi FRATTURAZIONI delle rocce? Formazione dei giunti di decompressione. L aumento di volume derivante dalla diminuzione del carico sovrastante nel passaggio da A a B, provoca la fatturazione della roccia plutonica. Situazione dopo l erosione della copertura e di alcune porzioni più esterne del plutone.
EROSIONE DISAGGREGAZIONE MECCANICA Aumento della superficie esposta alle aggressioni degli agenti chimici in seguito alla frammentazione di un blocco di roccia. La superficie totale aumenta in seguito alla frammentazione. Il rapporto tra le aree della superficie finale e di quella iniziale è sicuramente maggiore di 2.
EROSIONE DISAGGREGAZIONE MECCANICA ABRASIONE dell AZIONE DELL ACQUA dell acqua marina (pioggia, flussi di marea, moto ondoso su falesie o azione delle sue correnti) EROSIONE sia sui fondali che lungo le pareti dell alveo dei fiumi L espansione, collegata al congelamento dell acqua all interno delle litoclasi, provoca l allargamento l delle fessure che porta alla frammentazione delle rocce.
EROSIONE DISAGGREGAZIONE MECCANICA AZIONE DEL GHIACCIO L asporto di materiale roccioso da parte delle masse anche imponenti dei ghiacciai determina addirittura la formazione di valli ad U tramite un processo disaggregante delle rocce definito esarazione.
EROSIONE DISAGGREGAZIONE MECCANICA AZIONE DEL GHIACCIO L esarazione consiste nella vera e propria azione meccanica della corrente glaciale e delle acque di fusione che scorrono sotto il ghiacciaio, le quali escavano il fondo ed esercitano un intensa azione abrasiva con l aiuto dei materiali trasportati.
EROSIONE DISAGGREGAZIONE MECCANICA AZIONE DEL VENTO Il vento mobilizza enormi quantità di detriti che, urtando con varia violenza su altre rocce ne provocano una disaggregazione in frammenti di varia misura che, a loro volta, possono funzionare da elementi abrasivi tramite un processo che prende il nome di deflazione. Foto G. Barabino - 2003
EROSIONE ATTACCO CHIMICO Il principale artefice è l H 2 O L acqua scioglie vari tipi di gas atmosferici. La concentrazione di CO 2, nei suoli caratterizzati dalla presenza di materiale organico in decomposizione può essere anche 100 volte maggiore di quella atmosferica; ciò contribuisce ad abbassare il ph delle acque d infiltrazione. In prossimità delle radici delle piante, le acque di infiltrazione raggiungono valori di ph ancora più bassi compresi nell intervallo 2-4. Esistono, infine, batteri che facilitano la formazione di potenti acidi organici ed addirittura inorganici come l acido nitrico sintetizzato dai batteri chiamati nitrificanti e l acido solforico dai solfobatteri.
EROSIONE ATTACCO CHIMICO Le reazioni che avvengono sono di: 1) dissoluzione CaCO CaCO 3 Ca 2+ + CO 2-3 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 O+CO 2 = Ca(HCO 3 ) 2 Carbonato di calcio (insolubile) Bicarbonato di calcio (solubile)
2) idratazione EROSIONE ATTACCO CHIMICO Le reazioni che avvengono sono di: CaSO 4 + H 2 O = CaSO 4 2H 2 O Anidrite Forze d attrazione d tra i dipoli delle molecole d acqua d e le cariche elettriche non neutralizzate presenti sulla superficie dei granuli. Processo molto comune nei fillosilicati (es. minerali argillosi). Gesso
3) idrolisi EROSIONE ATTACCO CHIMICO Le reazioni che avvengono sono di: Decomposizione che subiscono i sali formati da un acido debole e da una base forte. Il processo di argillificazione dei feldspati rientra in questo schema di erosione chimica. La lisciviazione può essere totale o parziale.
EROSIONE ATTACCO CHIMICO Le reazioni che avvengono sono di: 4) ossidazione FeSiO 3 FeO + SiO 2 FeO + O+ H 2 O FeOOH + H Si tratta di un processo importante per elementi che possiedono più stati di ossidazione (valenza). Nell ambito geologico uno di questi elementi è il Fe. Goethite = ossido-idrossido di ferro Ossidazione di un cristallo di olivina. Si può osservare il nucleo relitto del minerale originale circondato da iddingsite (goethite + fillosilicati vari)
DIFESE NATURALI agli ATTACCHI Le trasformazioni generano spesso nuovi minerali, definiti di NEOFORMAZIONE.. I più comuni di questi minerali appartengono alla famiglia dei minerali ARGILLOSI
Minerali A R G I L L O S I Allumo-silicati idrati con vari cationi (potassio, calcio, magnesio). Fillosilicati (struttura a piani, come le miche). Se riscaldati perdono acqua. Estremamente utili (componenti base dei cementi e delle ceramiche). Causa di instabilità di versanti (la presenza di minerali argillosi è indice di instabilità).
Minerali A R G I L L O S I Gibbsite: Prodotto di alterazione molto prolungata in clima umido tropicale (viene lisciviato tutto tranne l Al). l Praticamente solo Al 2 O 3. Caolino: Prodotto di intensa alterazione con rimozione di K. SiO 2 ~45%; Al 2 O 3 ~37%; K 2 O ~1% 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%. Sericite: Assimilabile a muscovite a grana fine. SiO 2 ~45%; Al 2 O 3 ~38%; K 2 O ~12%. Montmorillonite: Si Si forma in ambienti ricchi di Mg, soprattutto per alterazione di cenere vulcanica (tufi)) e di rocce basiche. SiO 2 ~55%; Al 2 O 3 ~18%; K 2 O ~0,5%; MgO ~5%. Clorite: Si I minerali più importanti: Si forma in ambienti marini ricchi in Fe. Comune in sabbie marine formate per disfacimento di rocce ignee basiche. Si forma anche per metamorfismo. SiO 2 ~25%; Al 2 O 3 ~20%; FeO ~40.
Quando le rocce sono sottoposte all azione azione degli agenti esogeni, la loro superficie è ricoperta dai prodotti che si formano a loro spese; questo mantello, chiamato regolite,, ha una composizione differente in funzione della profondità. La SCALA DI STABILITÀ dei minerali: i minerali più stabili sono quelli che si formano a temperature più elevate. Un minerale praticamente non aggredibile è il quarzo definito, per questo motivo, minerale primario stabile.
INFLUENZA del CLIMA sulle TRASFORMAZIONI ESOGENE Le trasformazioni chimiche sono favorite da temperature e piovosità elevate. Quelle di natura meccanica prevalgono per temperature e piovosità decrescenti. Nei climi molto caldi ed aridi entrambi i processi sono molto rallentati. 80 Argilla nei suoli (%) 60 40 20 SMECTITI CAOLINITI OSSI - IDROSSIDI di ALLUMINIO e FERRO 100 200 300 400 Piovosità annua (cm)
Dopo aver parlato della prima fase che presiede tradizionalmente alla genesi dei sedimenti (EROSIONE) passiamo ora a parlare del: EROSIONE TRASPORTO DEPOSIZIONE Il trasporto viene diviso in due tipi: - TRASPORTO MECCANICO - TRASPORTO CHIMICO
EOLICO Trasporto meccanico Avviene in presenza di un mezzo fluido. Il mezzo fluido può essere a bassa viscosità (es. aria, acqua) o ad elevata viscosità (es. ghiaccio o miscele con elevato rapporto sedimenti/acqua). FLUVIALE GLACIALE
Rapporto tra particelle solide ed il mezzo fluido molto elevato. Trasporto meccanico (flussi gravitazionali)
Morfologia delle particelle Forma: misura delle relazioni tra le tre dimensioni di un oggetto. Es.: compatto (equidimensionale), allungato, appiattito,, etc. Sfericità: proprietà che misura quantitativamente quanto siano uguali le tre dimensioni di un oggetto Caratteristiche di superficie: si tratta di una misura non ancora definita quantitativamente.. Es. Superficie liscia, striature, cribrosità,, etc. Arrotondamento: misura il raggio medio di curvatura di tutti gli angoli (cerchi rossi) diviso il raggio del cerchio più grande iscritto (cerchio giallo).
Morfologia delle particelle La forma e la sfericità di una particella sono il risultato di 1) Struttura (proprietà interna, ereditata dalla sorgente); 2) Processo (lavoro dell ambiente deposizionale, es. Ghiacciaio, fiume, spiaggia,, etc.); 3) Tempo (a disposizione per modificare la particella). Foto G. Barabino - 2003
Arrotondamento dei clasti Distanza di trasporto breve moderato lungo Angolare (poco arrotondato) intermedio arrotondato
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 dipende dalla granulometria del materiale di partenza e dal tipo di corrente
La capacità di idratazione consiste nella forza di attrazione che si instaura tra le molecole dell acqua e lo ione dell elemento elemento considerato. Il rapporto tra carica e raggio ionico (Z/r) è definito potenziale ionico o elettronegatività. La capacità di idratazione aumenta proporzionalmente all elettronegatività dell elemento. elemento. Trasporto chimico Modello concettuale di dissoluzione del sodio che modifica la struttura dipolare dell acqua. Le forze di attrazione tra ione e molecole d acqua d distorcono i legami O-H O
Trasporto chimico Rappresentazione concettuale del rapporto tra molecole d acqua d e atomi con potenziale ionico tra loro differenti P.I. < 1 = elemento poco idratabile (non solubile) P.I. 1-31 3 = elemento idratabile (solubile) P.I. > 3 = elemento poco idratabile (non solubile) [ l [ l elevato P.I. distorce il dipolo dellh 2 O (gli elettroni dell O O sono attratti dal catione) e uno dei legami O-H O H si indebolise. Questo porta alla formazione di idrossidi difficilmente solubili (es. Al(OH) 3, gibbsite)]