Il processo sedimentario

Il processo sedimentario
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Corso di Petrografia con elementi di Mineralogia (M.
Lustrino)
A.A.- 2004/2005
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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.
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Deposizione negli oceani
e sui continenti
Sedimenti
Risalita
Seppellimento e
litificazione
Risalita
Rocce Ignee
a
lit
isa
R
Aumento di temperatura e pressione
Il ciclo delle
rocce
Alterazione ed erosione
Rocce
Sedimentarie
Calore e
Pressione
Calore e
Pressione
Raffreddamento
Rocce
Metamorfiche
Fusione
MAGMA
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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
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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 di entrambe i fenomeni ora citati.
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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.).
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Alla genesi dei sedimenti presiedono varie fasi
tradizionalmente distinte in:
EROSIONE
TRASPORTO
DEPOSIZIONE
I
sedimenti sono
trasformati in rocce
tramite un processo detto
coerenti
DIAGENESI
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Le ROCCE SEDIMENTARIE
Alcuni depositi sedimentari sono composti da
materiali derivanti dall’attività vulcanica.
Sotto un profilo più generale, le rocce sedimentarie
possono essere raggruppate in due grandi categorie:
materiali di origine
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Clastica
Chimica
(frammenti rotti poi
cementati insieme)
(materiale formato in parte o interamente in
seguito a precipitazione chimica organica o
inorganica)
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CAMPO P-T di formazione delle
rocce sedimentarie
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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)
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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.
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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.
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EROSIONE DISAGGREGAZIONE MECCANICA
AZIONE DELL’ACQUA
ABRASIONE 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 delle fessure
che porta alla frammentazione delle
rocce.
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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.
esarazione
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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.
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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.
deflazione
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EROSIONE ATTACCO CHIMICO
Il principale artefice è l’H2O
L’acqua scioglie vari tipi di gas atmosferici. La concentrazione
di CO2, 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.
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EROSIONE ATTACCO CHIMICO
Le reazioni che avvengono sono di:
1) dissoluzione
CaCO3Ca2+ + CO3 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):
CaCO3 + H2O+CO2 = Ca(HCO3)2
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Carbonato di calcio
Bicarbonato di calcio
(insolubile)
(solubile)
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EROSIONE ATTACCO CHIMICO
Le reazioni che avvengono sono di:
2) idratazione
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).
CaSO4 + H2O = CaSO42H2O
Anidrite
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Gesso
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EROSIONE ATTACCO CHIMICO
Le reazioni che avvengono sono di:
3) idrolisi
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.
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EROSIONE ATTACCO CHIMICO
Le reazioni che avvengono sono di:
4) ossidazione
Si tratta di un processo
importante per elementi che
possiedono più stati di ossidazione
(valenza). Nell’ambito geologico
FeSiO3 FeO + SiO2
FeO + O+ H2O FeOOH + H 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)
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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
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Minerali
-silicati
A Allumo
idrati con vari
(potassio,
R cationi
calcio, magnesio).
G Fillosilicati
(struttura a piani,
I come le miche).
Se riscaldati
L perdono acqua.
Estremamente utili
L (componenti base
dei cementi e delle
O ceramiche).
Causa di instabilità
S di versanti (la
presenza di
argillosi è
I minerali
indice di
instabilità).
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Minerali
I minerali più importanti:
A
R
G
I
L
L
O
S
I
Gibbsite: Prodotto di alterazione molto prolungata in clima umido
PACE
tropicale (viene lisciviato tutto tranne l’Al). Praticamente solo Al2O3.
Caolino: Prodotto di intensa alterazione con rimozione di K. SiO2
~45%; Al2O3 ~37%; K2O ~1%
Illite: Prodotto con meno K2O della muscovite ma più del caolino.
SiO2 ~45%; Al2O3 ~37%; K2O ~7%.
Sericite: Assimilabile a muscovite a grana fine. SiO2 ~45%; Al2O3
~38%; K2O ~12%.
Montmorillonite: Si forma in ambienti ricchi di Mg, soprattutto
per alterazione di cenere vulcanica (tufi) e di rocce basiche. SiO2
~55%; Al2O3 ~18%; K2O ~0,5%; MgO ~5%.
Clorite: Si forma in ambienti marini ricchi in Fe. Comune in sabbie
marine formate per disfacimento di rocce ignee basiche. Si forma
anche per metamorfismo. SiO2 ~25%; Al2O3 ~20%; FeO ~40.
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Quando le rocce sono sottoposte all’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.
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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.
Argilla nei suoli (%)
80
60
OSSI - IDROSSIDI
di ALLUMINIO e FERRO
40
20
CAOLINITI
SMECTITI
100
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200
300
Piovosità annua (cm)
400
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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
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Trasporto meccanico
Avviene in presenza di un mezzo
fluido.
FLUVIALE
Il mezzo fluido può essere a
bassa viscosità (es. aria, acqua) o
ad elevata viscosità (es. ghiaccio
o miscele con elevato rapporto
sedimenti/acqua).
EOLICO
GLACIALE
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Trasporto meccanico
(flussi gravitazionali)
Rapporto tra
particelle
solide ed il
mezzo fluido
molto
elevato.
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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).
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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).
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Arrotondamento dei clasti
Distanza di trasporto
breve
moderato
Angolare (poco arrotondato) intermedio
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lungo
arrotondato
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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
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Trasporto chimico
La capacità di idratazione
consiste nella forza di
attrazione che si instaura
tra le molecole dell’acqua e
lo ione dell’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.
Modello concettuale di dissoluzione del sodio che modifica la
struttura dipolare dell’acqua. Le forze di attrazione tra ione e
molecole d’acqua distorcono i legami O-H
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Trasporto chimico
Rappresentazione concettuale del rapporto tra molecole d’acqua e
atomi con potenziale ionico tra loro differenti
P.I. < 1 = elemento poco idratabile (non solubile)
P.I. 1-3 = elemento idratabile (solubile)
P.I. > 3 = elemento poco idratabile (non solubile) [ l’elevato P.I. distorce il dipolo
dellH2O (gli elettroni dell’O sono attratti dal catione) e uno dei legami O-H si indebolise.
Questo porta alla formazione di idrossidi difficilmente solubili (es. Al(OH)3, gibbsite)]
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