Il processo sedimentario

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

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

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

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

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

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

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

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

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

CO 2 +H 2 O  H 2 CO 3

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

CAMPO P-T di formazione delle rocce sedimentarie

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

brevemoderatolungo Angolare (poco arrotondato) intermedioarrotondato Distanza di trasporto Trasporto: Arrotondamento dei clasti

Trasporto: Classazione Clasti di quarzo ben arrotondati e ben classati in una arenaria. scarsamoderatabuona 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. La classazione deriva dal numero di classi granulometriche compreso all’interno di un certo intervallo (es. tra 125 e 250 mm). Quando sono rappresentate poche classi il sedimento si dice ben classato.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

G Ghiaia (>2 mm) Fanghi (silt + argilla) (< mm) Sabbia ( mm) GfGfsGs FgSgmSg F(g)Fs(g)Sf(g)S(g) F FsSfS 1:1 Rapporto Sabbia:Fango 1:9 9:1 G G Rudite

Gs Ghiaia sabbiosa Ghiaia (>2 mm) Fanghi (silt + argilla) (< mm) Sabbia ( mm) GfGfs FgSgmSg F(g)Fs(g)Sf(g)S(g) F FsSfS G 1:1 Rapporto Sabbia:Fango 1:9 9:1 Gs Rudite sabbiosa

Gf Ghiaia fangosa Ghiaia (>2 mm) Fanghi (silt + argilla) (< mm) Sabbia ( mm) GfsGs FgSgmSg F(g)Fs(g)Sf(g)S(g) F FsSfS G 1:1 Rapporto Sabbia:Fango 1:9 9:1 Gf Rudite fangosa

FgFango ghiaioso Ghiaia (>2 mm) Fanghi (silt + argilla) (< mm) Sabbia ( mm) GfGfsGs SgmSg F(g)Fs(g)Sf(g)S(g) F FsSfS G 1:1 Rapporto Sabbia:Fango 1:9 9:1 Fg

Sabbia S Arenaria S Ghiaia (>2 mm) Fanghi (silt + argilla) (< mm) Sabbia ( mm) GfGfsGs FgSgmSg F(g)Fs(g)Sf(g)S(g) F FsSf G 1:1 Rapporto Sabbia:Fango 1:9 9:1 S

Fango F Argillite F Ghiaia (>2 mm) Fanghi (silt + argilla) (< mm) Sabbia ( mm) GfGfsGs FgSgmSg F(g)Fs(g)Sf(g)S(g) FsSfS G 1:1 Rapporto Sabbia:Fango 1:9 9:1 F

ROCCE CARBONATICHE

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

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

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

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

Principio di Le Chatelier e Costante di Equilibrio

Travertini (rocce ortochimiche)

Porosità

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

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

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

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

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

Roccia clasto- sostenuta Matrice o Cemento?

Roccia matrice- sostenuta Matrice o Cemento?

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

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

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

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