Descrizione: LE ROCCE SEDIMENTARIE vs. 2005 CAPITOLO 2 CARATTERISTICHE DEI SEDIMENTI TERRIGENI 1- COLORE 2- NATURA DEI COMPONENTI E LORO RAPPORTI TESSITURALI 3- FORMA 4- SELEZIONE 5- ARROTONDAMENTO, SFERICITA' 6- MATURITA' TESSITURALE 7- STRUTTURE SEDIMENTARIE 8- CLASSIFICAZIONE 9- AMBIENTI SEDIMENTARI 1- COLORE Il colore della frazione granulometrica più fine dei sedimenti terrigeni, tipicamente la matrice (si veda più avanti), da indicazioni sulle condizioni chimico-fisiche, riducenti o ossidanti, dell ambiente di deposizione. Si parla in questo caso di colore autigeno della matrice (anche del cemento, si veda oltre). Ambiente riducente --------------------------------- Ambiente ossidante Nero, grigio, bruno, verde, azzurro, giallo, ocra, arancio, rosso, violetto. Lo spettro verso il nero indica condizioni via via piu' riducenti. Lo spettro verso il viola indica condizioni via via piu' ossidanti. Il colore dei granuli più grossi, visibili ad occhio nudo, e quindi non appartenenti alla classe granulometrica in cui rientra la matrice, è invece un colore ereditato. Esso riflette cioé le condizioni chimico-fisiche presenti all atto di formazione della roccia dalla quale proviene il granulo e non necessariamente quelle presenti all atto di deposizione dello stesso. Una roccia terrigena composta da grossi granuli rossi di porfiriti assume colore rosso non necessariamente perché i granuli componenti si deposero in ambiente ossidante bensì perché la porfirite (roccia sorgente) era ossidata in partenza. Altri esempi: colore rosato o bianco dei feldspati, verde del calcedonio, ecc. 2- NATURA DEI COMPONENTI: CLASTI, MATRICE E CEMENTO E LORO RAPPORTI TESSITURALI La tessitura è l'aspetto della roccia, determinata dalle dimensioni, forma, disposizione spaziale, rapporti reciproci delle particelle che la costituiscono, e dalla presenza o assenza di matrice e cemento tra le particelle stesse. La frazione detritica delle arenarie è costituita dalle particelle, dette anche clasi o granuli, e dalla matrice Fig. 2-1), mentre quella chimica, se presente, dal cemento. Ovvero, tra i granuli possono 2. 1
essere presenti spazi (porosità) pervasi da fluidi i cui sali in soluzione, precipitando, danno origine al cemento; oppure gli spazi possono essere riempiti da materiale particellare piu' fine che fa da matrice all'impalcatura dei granuli più grossolani (Fig. 2-2). Fig. 2-1. Note: clast = clasto; matrix = matrice. Abbiamo due tipi di tessitura: grano sostenuta e matrice sostenuta. Nella prima, i grani costituiscono l'impalcatura della roccia; nella seconda, l'impalcatura è fornita dalla matrice nella quale i grani a granulometria maggiore della matrice sono "annegati" (cioè non si toccano). La matrice è costituita da particelle a classe granulometrica ben selezionata (omogenea) di classe granulometrica argillitica presenti tra particelle a granulometria maggiore. 3- FORMA DEI CLASTI Fig. 2-2. Note: sand grains = granuli di sabbia; pore space = porosità; calcite cement = cemento calcitico; sand = sabbia; clay = argilla. Forma: misura delle relazioni tra le tre dimensioni di un oggetto (e.g., clasto): L = asse lungo, I = asse intermedio, C = asse corto. I clasti possono essere di forma tabulare (disks), equidimensionale (spheroids), a bastone (rods) o a lama (blades) (Fig. 2-3). Lo studio morfometrico si deve compiere su clasti della stessa natura litologica. 2. 2
Fig. 2-3 La forma di un clasto può essere riconosciuta qualora si possa osservarlo tridimensionalmente, cioè su più sezioni circa ortogonali. Qualora si abbia a disposizione per l osservazione solo una sezione, la forma del clasto può essere descritta solo bidimensionalmente (clasti circolari, allungati, etc.). 4- SELEZIONE DEL SEDIMENTO La selezione (sorting) indica il grado di uniformità granulometrica di un sedimento (Fig. 2-4). La selezione dipende dal tipo e durata dei processi di trasporto e sedimentazione, dalla regolarità della corrente e dalla viscosità del mezzo. Maggiore è la durata dei processi, maggiore è la selezione. Maggiore è la regolarità della corrente, maggiore è la selezione. Minore è la viscosità del mezzo, maggiore è la selezione. Poiché la regolarità del mezzo aumenta dalle conoidi montane (sorgenti) alle foci, maggiore è la distanza dalle conoidi, maggiore è la selezione del sedimento. In generale, la selezione è buona quando la corrente opera su di uno strato di grauli in modo laminare e continuo, mentre risulta bassa quando la corrente è irregolare e turbolenta e la deposizione dei sedimenti avviene istantaneamente (ad esempio durante una piena fluviale). Gradi di selezione buona prevedono la presenza di cemento come materiale interstiziale, mentre gradi di selezione bassa implicano spesso la presenza di matrice tra i granuli. 2. 3
LE ROCCE SEDIMENTARIE vs. 2005 Fig. 2-4 In Figura 2-5 esempio di sedimento molto mal selezionato. Tutte le granulometrie sono presenti. In Figura 2-6 esempio di sedimento molto ben selezionato. Una sola classe granulometrica presente. Il sedimento mal selezionato è di conoide alluvionale, quello ben selezionato è di natura eolica. Fig. 2-5 Fig. 2-6 5- ARROTONDAMENTO E SFERICITA DEI CLASTI L'arrotondamento ("roundness": da "very angular" a "well rounded") è il grado di curvatura (smussatura) degli angoli dei clasti. L'arrotondamento dipende dalla litologia del granulo (litologie "soffici" si arrotondano meglio di litologie "dure" durante il trasporto), dalle sue dimensioni (a parità di litologia, maggiore è la dimensione del granulo, maggiore è il suo potenziale di arrotondamento) e dal tipo e durata dei processi di trasporto. 2. 4
Fig. 2-7. Note: angular = angoloso; subangular = subangoloso; subrounded = subarrotondato; rounded = arrotondato. La sfericità (sphericity) è il grado di uguaglianza delle tre dimensioni dei clasti (L, I e C, vedi il paragrafo sulla Forma). Esprime cioè il grado di approssimazione della forma del clasto alla forma sferica. Essa puo' essere alta (high sphericity) o bassa (low sphericity); si veda Figura 2-7. 6- MATURITA TESSITURALE DEL SEDIMENTO La maturità tessiturale si stabilisce in base a: (1) contenuto in matrice; (2) grado di selezionamento (sorting); (3) grado di arrotondamento (roundness). Un sedimento (e.g., arenaria) IMMATURO ha matrice >5%, è mal selezionato con clasti mal arrotondati. Un sedimento SUBMATURO ha poca matrice (<5%), è moderatamente selezionato con clasti moderatamente arrotondati. Un sedimento MATURO non ha matrice, è ben selezionato con clasti ben arrotondati. Nel grafico di Figura 2-8, la maturità di un sedimento aumenta da sinistra a destra. Tessitura immatura Grani poco arrotondati Selezione bassa Mineralogia immatura (e.g., feldspati) Molta matrice Ambiente di conoide Tessitura matura Grani ben arrotondati Selezione alta Mineralogia matura e.g., (molto quarzo) Assenza di matrice Ambiente di fiumi maturi o eolico Fig. 2-8 2. 5
La maturità tessiturale (e mineralogica) delle rocce terrigene dipende da vari fattori quali: (1) la litologia delle rocce esposte all'erosione (graniti, basalti, calcari ecc.), (2) il tipo di rilievo (morfologia dolce e matura, pareti dirupate ecc.), (3) il clima (temperatura e grado di umidità), (4) il tempo che gli agenti dell'alterazione ed erosione hanno a disposizione per esercitare la loro azione, (5) l'attività tettonica, (6) il tipo di agente trasportatore (vento, acqua, ghiaccio) e le sue caratteristiche di intensità e regolarità, (7) il tempo di permanenza del sedimento nel sistema trasportatore prima della deposizione. A parità di litologia sorgente, clima, attività tettonica, ed assumendo un sistema trasportatore di tipo fluviale (si veda oltre il paragrafo sugli ambienti sedimentari), la maturità di un sedimento, ad esempio di un arenaria, tende ad aumentare dalle conoidi montane (corrente ad alta energia turbolenta variabile mal selezionatrice) ai sistemi fluviali a meandri (corrente a bassa energia laminare regolare ben selezionatrice). 7- STRUTTURE SEDIMENTARIE Le strutture sedimentarie sono impartite al sedimento dall azione chimico-fisica dell ambiente di deposizione e biologica degli organismi che in esso vivono. Tra le strutture fisiche dovute essenzialmente all azione della corrente sul sedimento troviamo le laminazioni parallele (Fig. 2-9) e quelle incrociate (Fig. 2-10), tipiche queste ultime dei ripples, sia da corrente (asimmetrici) che da onda (simmetrici). La decantazione gravitativa di sedimento in un mezzo acqueo provoca spesso gradazioni normali (Fig. 2-11), cioè livelli a granulometria maggiore verso la porzione inferiore del letto sedimentario e minore verso l alto. La gradazione diretta, laminazione pianoparallela e laminazione incrociata sono strutture sedimentarie che coesistono come sequenza di Bouma nei sedimenti di torbida o torbiditi (Figs. 2-12 e 2-13), sorta di frane sottomarine che ridistribuiscono il sedimento dalla piattaforma continentale alle piane oceaniche abissali (si veda anche oltre al paragrafo sugli ambienti sedimentari). Fig. 2-9 Fig. 2-10 2. 6
LE ROCCE SEDIMENTARIE vs. 2005 Le strutture sedimentarie di origine fisica sono innumerevoli e non possono essere trattate nel breve spazio concesso a questa dispensa. Per ulteriori informazioni si consulti il sito internet: www.etab.ac-caen.fr/discip/geologie/index.htm Fig. 2-11 Fig. 2-12 Fig. 2-13 Le strutture sedimentarie di origine biologica derivano dall azione di organismi che vivono nel sedimento o all interfaccia acqua/sedimento. Prendono il nome di bioturbazioni e possono essere anch esse di svariatissima natura legate al movimento degli organismi nel sedimento (Figs. 2-14 e 2-15). Per ulteriori informazioni si consulti il sito internet: www.etab.ac-caen.fr/discip/geologie/index.htm Fig. 2-14 Fig. 2-15 8- CLASSIFICAZIONE GRANULOMETRICA 2. 7
Classificazione di Wenthworth. Le rocce sedimentarie terrigene vengono classificate in base alla loro granulometria. Dimensione granuli Nome sedimento Nome roccia Classe granulometrica Maggiori di 2 mm Ghiaia e Pietrisco Conglomerati e Brecce Ruditica Tra 2 e 0.0625 mm sabbia Arenaria Arenitica Tra 0.0625 e 0.004 mm silt Siltite Siltitica Minori di 0.004 mm argilla Argillite Argillitica Classificazione di Wenthworth, largamente semplificata. Operativamente, la granulometria si stabilisce ad occhio nudo e con l ausilio di una lente di terreno da 10X come indicato nella tabella seguente. Classe granulometrica Ruditica Arenitica Siltitica Argillitica Visibilità dei granuli ad occhio nuto, maggiori di 2 mm ad occhio nuto, minori di 2 mm Invisibili ad occhio nudo, visibili con lente 10X invisibili con lente 10X Se piu' termini granulometrici sono presenti, la roccia viene classificata a partire dal termine granulometrico dominante. Cosi' avremo conglomerati arenacei se la frazione conglomeratica supera in percentuale quella arenacea, o arenarie conglomeratiche se avviene l'opposto, e via dicendo. Attenzione alla differenza tra conglomerati e brecce. Entrambe sono rocce particellari a granulometria ruditica. Un conglomerato è una ghiaia composta da clasti relativamente ben arrotondati, cementata. Una breccia è pietrisco/detrito composto da granuli relativamente poco arrotondati, anch esso cementato. Conglomerati e brecce sono i prodotti piu' grossolani dell'erosione, soggetti a trasporto limitato. Tipiche aree di accumulo di questi sedimenti sono le coste rocciose, la parte pedemontana della pianura, le conoidi alluvionali. In generale, la granulometria di un sedimento dipende dall'energia del mezzo che ne trasporta le particelle (velocità) e dalla sua viscosità. Maggiore è la velocità del mezzo, maggiori sono le dimensioni dei granuli trasportati. Maggiore è la viscosità del mezzo, maggiori sono le dimensioni dei granuli trasportati. Poiché la velocità del mezzo decelera dalle conoidi montane (sorgenti) alle foci, maggiore è la distanza dalle conoidi, minore è la granulometria del sedimento. 9- AMBIENTI SEDIMENTARI Possiamo analizzare gli ambienti sedimentari delle rocce terrigene studiando un transetto ideale (da monte a mare) di un sistema fluviale. Gli ambienti di tale sistema sono: delle conoidi montane, dei sistemi fluviali intrecciati (braided), dei sistemi fluviali a meandri, e del delta fluviale e foce fluviale. Qualora la foce fluviale sia in mare, Il sistema fluviale inserisce sedimento continentale nell ambiente del margine continentale, che viene trasferito attraverso correnti sottomarine di torbidità lungo l ambiente della scarpata continentale fino a quello della piana abissale. Così, ad esempio, un granulo eroso in Amazzonia termina la sua corsa nelle piane abissali 2. 8
dell Oceano Atlantico Centrale. Rientrerà il ciclo delle rocce qualora la litosfera oceanica sulla quale staziona verrà subdotta. La Figura 2-16 mostra, dall'alto (monte) al basso (mare), la tratta continentale del sistema fluviale. Questo transetto da monte a mare attraverso gli ambienti sopra elencati e' un transetto morfologico, energetico e granulometrico. Fig. 2-16. Note: Highlands = catena montuosa Alluvial fans = conoidi alluvionali Braided river = fiume intrecciato Sand dunes = dune di sabbia Meandering river = fiume a meandri Floodplain = piana alluvionale Coastline = linea costiera Shelf-slpoe break = limite della piattaforma continentale Submarine fan = conoide sottomarino Nelle zone montane i torrenti scaricano materiale detritico alle bocche delle valli e formano le conoidi. In Figura 2-17 esempio di conoide alluvionale, con le suddivisioni tra conoide prossimale, ubicata vicino allo sbocco delle valli e caratterizzata da sedimenti piu' grossolani, e porzioni distali della conoide, caratterizzate da sedimenti relativamente piu' fini. La distribuzione spaziale della granulometria è riportata al piede del diagramma di Figura 2-17. 2. 9
Fig. 2-17 Fig. 2-18 Fig. 2-19 Esempio di conoide alluvionale (Fig. 2-18). I depositi delle conoidi sono mal selezionati, immaturi e grossolani (Fig. 2-19). A valle delle conoidi si sviluppa la piana alluvionale ove scorrono fiumi intrecciati (braided) ad alta energia (Fig. 2-20). I depositi che la caratterizzano sono quindi ancora abbastanza grossolani (ad esempio arenarie grossolane, conglomerati) e poco "lavati", cioè immaturi (Fig. 2-21). 2. 10
LE ROCCE SEDIMENTARIE vs. 2005 Fig. 2-20 Fig. 2-21 Man mano che il fiume scorre sulla piana alluvionale verso il mare, esso diventa via via piu' "maturo" e sviluppa la tipica morfologia a meandri. La corrente (energia) va via via diminuendo e così la granulometria dei depositi, mentre la loro selezione e maturità tessiturale aumentano. In Figura 2-22 esempio di fiume a meandri. Fig. 2-22 Fig. 2-23 Notare l'evoluzione dei meandri verso una sempre maggiore arcuatura che porta alla formazione di laghi per taglio e abbandono di meandro. In Figura 2-23 arenarie a laminazione incrociata di barra fossile di fiume a meandri. Le caratteristiche della deposizione fluviale sono illustrate anche presso: http://daac.gsfc.nasa.gov/daac_docs/geomorphology/geo_home_page.html Il fiume, una volta arrivato al mare (o in un bacino lacustre), forma i depositi deltizi di foce. Il delta fluviale (Fig. 2-24) è un sistema sedimentario che trasferisce sedimento dall'ambiente continentale a quello marino di piattaforma. 2. 11
Fig. 2-24 All'intorno dei depositi deltizi vi sono gli ambienti (e i depositi associati) di spiaggia. Le spiagge sono caratterizzate da alta energia dovuta sia a moto ondoso sinusoidale che a correnti di marea direzionali. Il moto ondoso impartisce al sedimento laminazioni incrociate di ripples simmetrici (Fig. 2-25), mentre le correnti di marea laminazioni incrociate di ripples asimmetrici (Fig. -26). Fig. 2-25 Fig. 2-26 I processi di erosione, trasporto e sedimentazione non si fermano con l'arrivo del fiume al mare. Sulle piattaforme continentali si accumulano spesso ingenti quantità di detrito che, a causa ad esempio di movimenti sismici, precipitano verso la piana abissale oceanica scavando nel margine della piattaforma profondi solchi sottomarini (Fig. 2-27). Tali depositi sono detti di TORBIDA o TORBIDITI. In Figura 2-28 una torbidite ripresa da un sottomarino. Tipica struttura sedimentaria delle torbiditi è la sequenza di Bouma (Figs. 2-12 e 2-13). 2. 12
LE ROCCE SEDIMENTARIE vs. 2005 Fig. 2-27 Fig. 2-28 In qualsiasi punto della tratta continentale del sistema conoidi-piana abissale analizzato sopra, si possono formare i sistemi deposizionali eolici, sopratutto in condizioni di clima arido (pensiamo al Nilo). I depositi eolici piu' caratteristici sono le dune (Fig. 2-29), sorta di mega-ripples a scala chilometrica composti da arenarie supermature (quarzareniti) che si formano sotto l'azione di trasporto/deposizione esercitata dal vento. Fig. 2-29 Fig. 2-30 In Figura 2-30 esempio di stratificazione incrociata di dune eoliche fossili. ---FINE SEDIMENTI TERRIGENI--- 2. 13