Geologia del sedimentario

Riassunti di geologia del sedimentario

Anno accademico 2012/2013

Pitzalis Elia

Introduzione

La geologia del sedimentario è una particolare disciplina facente parte del campo Geologico che, come dice la parola stessa, tende ad occuparsi dello studio dei sedimenti e tutto ciò che li riguarda. Essa interagisce con altre discipline fondamentali della Geologia come la Paleontologia, Geofisica, Geografia fisica, ecc.

La geologia del sedimentario ha, come abbiamo detto precedentemente, come scopo principale lo studio dei Sedimenti e in particolare tende a scoprire con quali materiali e in che modo avvengono i riempimenti dei vari bacini sedimentari, come questi materiali vengono selezionati e deposti e di ricostruire le trasformazioni che subirono prima e dopo la deposizione. Inoltre si propone di studiare le varie facies nel tempo e nello spazio e mettere in evidenza le eventuali ciclicità eustatiche e climatiche e l'influsso della tettonica sulla sedimentazione.

Per far tutto ciò si avvale di due discipline fondamentali correlate tra loro:

• Sedimentologia: studio di tutti quei processi che tendono ad originare un sedimento come trasporto, genesi, litificazione, ecc.
• Stratigrafia: studio sul terreno delle varie sequenze stratigrafiche.

La geologia del sedimentario è una disciplina molto importante in quanto circa l'80% della superficie terrestre è coperta da sedimenti e in quanto la sedimentazione stessa tende a riflettere i maggiori eventi climatici, geodinamici, oceanografici e biologici verificatisi nel corso delle ere geologiche sulla crosta terrestre.

Composizione della terra

Siccome le onde sismiche si propagano a velocità diversa in base al materiale che attraversano (più veloci nei solidi e più lente nei liquidi), i geologi attraverso lo studio della propagazione delle onde sismiche sono riusciti a capire la composizione e la struttura della Terra. E da ciò hanno dedotto che la Terra è formata da tre principali fasce:

• Crosta
• Mantello
• Nucleo

La crosta

La crosta è divisa in crosta continentale (sotto i continenti) e crosta oceanica (sotto gli oceani). La crosta oceanica ha uno spessore di 7 - 10 km ed ha composizione più o meno uguale in tutto il globo. La crosta oceanica è formata principalmente da uno strato di sedimento (argilla e placton), poi basalto e infine gabbro, il che rende la crosta oceanica femica. La crosta continentale ha uno spessore compreso tra 25 km (nelle zone dei rift) a 70 km (sotto le catene montuose) ed è formata da rocce intermedie e silice, il che rende la crosta continentale meno densa e più leggera di quella oceanica. Alla base della crosta vi è la prima discontinuità delle velocità sismiche chiamata discontinuità di Moho dove le onde sismiche aumentano la velocità. Questa discontinuità è il confine tra crosta e mantello.

Il mantello

Dopo la discontinuità di Moho inizia il mantello. Il mantello è la zona più grande del pianeta ed è formato principalmente da una roccia ultrafemica: la peridotite. All'interno del mantello, anche se si raggiungono temperature alte, la roccia è solida con comportamento duttile. Il mantello viene diviso in:

• Mantello superiore che scende a profondità di 400 km
• Zona di transizione che va da una profondità di 400 a 670 km
• Mantello inferiore, che va da una profondità di 670 a 2900 km

Il nucleo

Il nucleo è la parte più centrale del pianeta. È composto da due zone:

• Nucleo esterno, che va da una profondità di 2900 a 5155 km. È composto da una lega di ferro liquida causata dall'elevata temperatura. Il movimento di questa lega è il principale responsabile della creazione del campo magnetico terrestre.
• Nucleo interno, è la zona più densa del pianeta (13 g/cm³) e va da una profondità di 5155 fino al centro della Terra (6100 km). È composta da una lega di ferro solida causata dalle elevate pressioni che tengono gli atomi ben saldi al reticolo.

Parte superiore della terra

Il pianeta Terra presenta, oltre a quella vista precedentemente, un'ulteriore suddivisione del suo interno. Gli scienziati, infatti, tendono a dividere la Terra in due strati sulla base della facilità con cui può scorrere la roccia che la compone. Così ci troviamo ad avere:

• Litosfera: lo strato superficiale relativamente rigido e freddo che si estende ad una profondità di 100-150 km. Viene suddiviso in:
  • Litosfera continentale sopra la quale vi è la crosta continentale, che rappresenta il risultato di numerose orogenesi e dei processi sedimentari continentali e marini poco profondi.
  • Litosfera oceanica situata sotto la crosta oceanica, che rappresenta il prodotto dell'accrezione di nuova litosfera nelle dorsali medio-oceaniche.
• Astenosfera: la parte della Terra che presenta comportamento duttile in quanto è costituita da rocce sì allo stato solido che però, a causa delle alte temperature, presentano alta viscosità.

Il ciclo di Wilson

Il pianeta Terra, a causa della tettonica a placche, ha subito, nel corso delle ere Geologiche, diversi stadi evolutivi che l'hanno portata all'attuale morfologia. Si parte con il fenomeno del Rifting Continentale in cui si assiste ad un unico super continente (cratone), costituito interamente da litosfera continentale, che a causa di differenze di calore, che si originano all'interno del mantello, tende a stirarsi orizzontalmente in direzioni opposte.

Durante questo stiramento la parte superficiale del continente essendo più fredda (litosfera) si spezza, mentre la parte interna (più calda e più duttile) tende ad assottigliarsi causando risalita di fuso. Se le forze persistono si assisterà alla spaccatura del continente e alla formazione di una dorsale medio oceanica che tenderà a formare nuova litosfera oceanica. Le due placche spostandosi in direzione opposta tendono ad originare un nuovo bacino oceanico in continuo sviluppo e sui margini continentali andranno a deporsi, a causa del dislivello, i sedimenti provenienti dai continenti.

Queste due placche continueranno ad espandersi in maniera continua fin quando una di esse andrà a collidere con un'altra placca andando ad originare il fenomeno della subduzione. In questa fase si assisterà alla chiusura del bacino oceanico dove le due placche tendono a collidere tra loro provocando, inizialmente, la completa consumazione della litosfera oceanica che, a causa della maggiore densità, tende a sprofondare all'interno del mantello andando ad originare le così dette fosse oceaniche. Una volta che essa sprofonda interamente nel mantello, le due litosfere continentali tendono a collidere tra loro generando una nuova catena montuosa in cui le rocce e i sedimenti tendono a piegarsi e schiacciarsi tra loro. Questa collisione orogenetica sutura le due placche che ora fanno parte di un unico blocco. Successivamente l'intera catena montuosa viene smantellata dall'erosione che tende a produrre un penepiano facendoci tornare alla fase iniziale del nostro ciclo. Questo ciclo è conosciuto come Ciclo di Wilson che ci mostra la periodicità dell'apertura e chiusura dei bacini oceanici.

Bacini sedimentari

Il fenomeno della Tettonica a placche e conseguentemente il ciclo di Wilson tendono ad originare sulla superficie terrestre delle profonde depressioni che possono venire a essere colmate da forti accumuli di sedimenti. Esse prendono il nome di bacini sedimentari che costituiscono delle vere e proprie trappole di sedimenti, degli spazi disponibili su cui si riversano i sedimenti trasportati dai vari agenti a causa dei vari dislivelli. Questi bacini tendono ad originarsi a causa della subsidenza ovvero la capacità della litosfera di affondare sull'astenosfera a causa o di un aumento del peso gravitativo come la presenza di una catena montuosa o per fenomeni di tettonica attiva. Possiamo avere quindi, in base al processo che lo ha generato diversi tipi di bacini sedimentari:

• Di fossa tettonica distensionale o di rifting causati da limiti di placche divergenti
• Di zona di convergenza causati da placche convergenti come i bacini di avanfossa, retroarco
• Transtensionali causate da limiti di placche trasformi

Ambienti sedimentari

All'interno dei vari bacini sedimentari, visti precedentemente, si tendono a formare tipiche e caratteristiche facies sedimentarie tipiche di quel determinato bacino. Per facies intendiamo un'associazione di caratteristiche fisiche (tipi di sedimenti, strutture sedimentarie, ecc.) chimiche e biologiche che ci permettono di distinguere un determinato sedimento dall'altro. Concettualmente l'accumulo di una determinata facies in un determinato ambiente ci permette di definire un preciso ambiente sedimentario. Per esempio una facies di spiaggia è costituita dall'insieme di sedimenti e strutture sedimentarie che ci permettono di identificare un ambiente di transizione di spiaggia.

Per definizione l'ambiente sedimentario è "una parte di superficie terrestre, emersa o sommersa, caratterizzata da un insieme di condizioni fisiche, chimiche e biologiche, nelle quali si accumula una facies o un insieme di sub-facies sedimentarie caratterizzata sia da una forma e dimensione definita che da un determinato processo che può essere sia erosivo che deposizionale”.

Questo insieme di condizioni lascia un'impronta, di solito facilmente riconoscibile nel sedimento che vi si depone, che ci permette di individuare con buona accuratezza il tipo di ambiente. Le proprietà che caratterizzano un ambiente sono:

• La sua morfologia, cioè forma e dimensione dell'ambiente
• Il suo stato fisico come temperatura, quiete oppure moto
• Le caratteristiche dei materiali disponibili
• La composizione chimica del mezzo di deposizione
• I caratteri degli esseri viventi vegetali e animali che lo popolano

Vi sono differenti classificazioni degli ambienti sedimentari ma la più comune e utilizzata in questo campo è senza dubbio quella che mette in relazione le superfici di deposizione con quelle del mare. In questo modo otteniamo tra diverse classi principali:

• Continentale
• Misto o transizione
• Marino

Come si può vedere dal precedente schema si osserva che in ambienti sedimentari continentali il processo dominante è quello erosivo mentre la sedimentazione è quasi nulla, mentre in quello marino avviene l'opposto: il processo dominante è quello deposizionale mentre quello erosivo è abbastanza raro. In ambienti transizionali essi sono entrambi equilibrati e localizzati.

Sedimentogenesi

La sedimentogenesi è una parte molto importante dello studio dei sedimenti, essa infatti ci permette di capire la genesi e nascita di una roccia sedimentaria.

Innanzitutto occorre fare una distinzione principale tra sedimento e rocce sedimentarie. In primi consistono di depositi non cementati di frammenti di roccia come granuli, clasti, minerali, ecc. originatasi da rocce madre quando esse subiscono fenomeni di degradazione. I secondi, invece, sono delle rocce che si originano sulla superficie terrestre o vicino a essa per cementazione dei vari frammenti provenienti da rocce preesistenti (igneee, metamorfiche o sedimentarie stesse) degradate attraverso le varie fasi dei processi sedimentari che possono essere riassunte in:

• Degradazione
• Trasporto
• Deposizione
• Diagenesi o litificazione

Degradazione

La degradazione è un processo di frammentazione delle rocce preesistenti ed è alla base dell'origine dei sedimenti in quanto essa fornisce i detriti, ciottoli, clasti che a seguiti di vari processi tenderanno un giorno a diventare rocce sedimentarie. Si conoscono due tipi differenti di degradazioni: le alterazioni fisiche e le alterazioni chimiche.

Le alterazioni fisiche sono causate da forze meccaniche che tendono ad originare detriti di dimensioni differenti che vanno dai singoli cristalli a blocchi e massi rocciosi di dimensioni non trascurabili caratterizzati dall'avere la stessa composizione della roccia da cui derivano. Le principali alterazioni meccaniche sono:

• Diminuzione carico litostatico: si ha quando rocce che giacciono sotto pressioni intensissime vengono riportate a nudo dall'erosione con la conseguenza della diminuzione della pressione e quindi fratturazione della roccia
• Crioclastismo: si manifesta quando l'acqua infiltrata nelle spaccature e negli interstizi delle rocce, congelando, si espande e provoca la rottura delle stesse
• Aloclastismo: il sale presente nello spray marino e non solo, si inserisce nelle fessure delle rocce e cristallizzandosi, per effetto dell'essicamento, si espande e provoca la fratturazione
• Termoclastismo: la roccia, come tutti i corpi solidi, quando viene riscaldata tende a dilatarsi mentre quando si raffredda si contrae, l'azione continua della variazione di temperatura causata delle escursioni termiche provoca la fessurazione superficiale della roccia
• Abrasione: è dovuta alla presenza di detriti trasportati sia dalle acque che dai venti che urtando la roccia affiorante causa distaccamento di clasti e granuli
• L'azione dell'uomo: l'uomo per costruire strade, ponti, oleodotti, miniere frantuma le rocce attraverso la dinamite
• Attività organica: costituita dalla azione di vermi e radici che all'interno del suolo tendono ad allargare le fenditure e rimuovere i frammenti rocciosi

Le alterazioni chimiche interessano, invece, i minerali costituenti la roccia, che vengono alterati, resi più fragili e infine disfatti grazie a particolari reazioni chimiche che si instaurano quando essi vengono a contatto con soluzioni acquose e aria. Le principali alterazioni sono:

• Dissoluzione: si ha grazie all'azione di acque piovane e di falda rese aggressive da sostanze disciolte in esse come ossigeno e acido carbonico provenienti dall'atmosfera e acidi organici provenienti da piante e animali che al contatto con il minerale tendono a scioglierlo letteralmente. I principali minerali colpiti da questo fenomeno sono quelli carbonatici e i sali
• Idrolisi: particolare capacità dell'acqua che al contatto con minerali silicatici (feldspati, pirosseni, olivine, micche, ecc.) tende a disgregarli trasformandoli in argille
• Ossidazione: capacità dell'acqua e dell'aria di formare al contatto con minerali contenenti ferro come biotite e pirite idrossidi e ossidi di ferro come l'ematite che presentano una colorazione compressa tra il marrone e il giallo, la comunissima ruggine
• Organismi viventi: i batteri, i microbi, le piante secernano sostanze acide e organiche che entrano in soluzione nelle acque di circolazione rendendole aggressive nei confronti dei vari minerali

Le alterazioni chimiche e fisiche, appena viste, non tendono ad operare in maniera solitaria e in tempi diversi ma anzi, al contrario, come quasi tutti i processi presenti in natura, tendono a lavorare simultaneamente ed ad aiutarsi a vicenda con unico obiettivo la disgregazione della roccia con conseguente formazione dei sedimenti.

Aspetto importante delle degradazioni sono i fattori di controllo. Essi, infatti, dipendono da varie condizioni:

• Il clima costituito dalle varie precipitazioni, temperature, pressione, ecc. è senza dubbio l'aspetto più importante in quanto condiziona in maniera decisiva la degradazione. Per questo motivo la degradazione della roccia si distribuisce sul pianeta attraverso fasce climatiche; infatti avremo che nelle zone aride non piovose prevalgono i processi di disgregazione fisica e i terreni presenteranno pochissime percentuali di argille e la roccia alterata si troverà in superficie mentre nelle zone tropicali con forti precipitazioni prevarranno le alterazioni chimiche ed i terreni saranno ricchi di argilla in cui la roccia alterata sarà situata in profondità
• Litologia delle rocce esposte. Infatti in base alla composizione della roccia la degradazione su di essa può essere più o meno efficace
• Il tempo durante il quale si manifestano le alterazioni

Prodotti alterazione

Tutti i fenomeni di disgregazione visti finora tendono ad originare vari tipi di prodotti tra cui possiamo ricordare:

• Residui particellari: composti da tutti i tipi di frammenti rocciosi derivati dalle varie disgregazioni fisiche
• Minerali primari residuali: composti da minerali che riescono a sopravvivere alle varie alterazioni chimiche conservando le proprie caratteristiche originali come quarzo, feldspati, ecc.
• Minerali di neoformazione: come argille e idrati prodotti attraverso i processi di alterazione come idrolisi e ossidazione
• Costituenti solubili: derivati dalle dissoluzioni descritte precedentemente

Trasporto e deposizione

Tutti i materiali originati dalle varie degradazioni viste precedentemente possono, in parte, rimanere in posto e dar luogo alle rocce residuali oppure essere allontanati, dalla loro zona d'origine, dai vari agenti di trasporto: acqua, vento e ghiaccio qualora le condizioni geomorfologiche e climatiche lo consentano. Senza dubbio tra i principali agenti di trasporto, troviamo l'acqua che spinta dalla forza di gravità riesce a diramarsi lungo canali (corsi d'acqua) e trasportare con sé materiali di ogni dimensione. Il trasporto di questi materiali può avvenire principalmente per:

• Soluzione: consiste di ioni disciolti dai minerali presenti nelle varie rocce che l'acqua...