Nell’ultimo numero di Wat On Earth ho trattato la classificazione delle rocce ignee (o formate dal fuoco). In questo numero vorrei esplorare l’argomento delle rocce sedimentarie. Questa è la seconda grande famiglia di rocce e sono di interesse per gli esseri umani perché hanno fornito molti strumenti in passato e oggi ci danno la maggior parte delle risorse aggregate, oltre a fornire (o ospitare) molti dei nostri minerali energetici, e alcuni minerali essenziali di grande importanza economica. Le rocce sedimentarie sono anche importanti perché ospitano la documentazione fossile della vita sul pianeta Terra.
Come suggerisce il nome, le rocce sedimentarie derivano da sedimenti preesistenti. Due numeri fa in WAT ON EARTH ho descritto il ciclo delle rocce; come le rocce vengono scomposte da rocce ancora più antiche per effetto degli agenti atmosferici e dell’erosione. I grani liberati sono portati o trasportati da vari meccanismi in un luogo dove si accumulano in sequenze di sedimenti. Ci sono molti luoghi di riposo transitori, ma alla fine la maggior parte dei sedimenti finisce in un ambiente deposizionale marino. Le rocce sedimentarie possono quindi essere composte da grani di varie dimensioni, forme e composizioni che sono stati cementati insieme o compressi e ricristallizzati. Queste sono le rocce sedimentarie clastiche. Altre rocce sedimentarie possono essere formate da depositi secreti da soluzioni chimiche (precipitati chimici), o da depositi costituiti dai resti di organismi morti (sia animali che vegetali). Quest’ultimo gruppo forma rocce sedimentarie di origine prevalentemente biologica. Il cambiamento post-deposizionale da sedimento a roccia sedimentaria è chiamato diagenesi, e il risultato finale è di solito la litificazione, dove il precedente sedimento non consolidato si trasforma in roccia. Due processi sono comuni: la compattazione (in cui i sedimenti vengono compressi e l’acqua viene spinta fuori dagli spazi poriali tra i grani) e la cementazione. La cementazione è dove certi minerali (per esempio, calcite, ossidi di ferro e silice) vengono trasportati dall’acqua freatica percolante negli spazi porosi. Qui precipitano e alla fine cementano i grani insieme.
Come nell’ultima copia di Wat On Earth, la pagina centrale di questo numero è dedicata a un’illustrazione di molti di questi diversi tipi di roccia. La pagina accanto illustra diverse caratteristiche associate alle rocce sedimentarie.
In senso orario intorno alla pagina: in alto a sinistra – fotografia di un gruppo di studenti di Waterloo che esaminano una sezione di letti carboniferi a Mullaghmore Head nell’Irlanda del Nord. La sezione consiste in un’alternanza di arenarie, siltiti e scisti. Gli scisti più morbidi sono stati erosi più facilmente mentre le arenarie si distinguono come letti resistenti. Il diagramma in alto a destra illustra la posizione delle rocce sedimentarie (2) nel ciclo della roccia. Si noti che c’è un ingresso dallo spazio che si aggiunge, in particolare, ai sedimenti marini. Immediatamente sotto il diagramma del ciclo delle rocce c’è un grafico che illustra la classificazione di Wentworth in termini di granulometria e come i sedimenti formano diverse rocce clastiche sedimentarie. Confronta questo grafico con le prime due colonne (Sedimenti e Rocce) che compongono la parte “Roccia Clastica” del diagramma centrale. Il terzo e più basso diagramma illustra alcune delle più importanti rocce sedimentarie che sono di origine chimica o biologica. La maggior parte di queste sono anche illustrate nella pagina centrale. La fotografia in basso illustra il Delicate Arch nell’Arches National Monument nello Utah. Questa struttura alta 26 metri per 20 metri di larghezza è costituita da Entrada Sandstone di età giurassica superiore. La caratteristica è stata prodotta dall’erosione di “pinne” di bedrock locale che sono state tagliate dal vento e dall’azione del gelo. Immediatamente sopra c’è una veduta della gola del Niagara dove l’acqua del lago Erie cade sopra il bordo della dolomia siluriana di Lockport sulla scarpata del Niagara. Ciascuna delle fotografie illustra la geomorfologia associata a formazioni sedimentarie di varie età.
Pagina pieghevole centrale: Capire le rocce sedimentarie è abbastanza semplice, dato che si riferiscono a materiali che vediamo quotidianamente. In alto c’è una vista panoramica su una delle più spettacolari esposizioni di rocce sedimentarie del mondo, nei livelli superiori del Grand Canyon. Praticamente tutte le rocce che si possono vedere sono arenarie orizzontali, calcari e scisti depositati in circa 250 milioni di anni nei mari dell’era Paleozoica. Questi stessi mari erano occupati altrove dai trilobiti giganti illustrati in un altro articolo di questo numero.
Spostandomi più in basso nella pagina centrale, ho cercato di illustrare la maggior parte dei tipi di roccia comuni. Alcune sono più “esotiche” ma sono anche importanti. La tabella è divisa in tre sezioni che riguardano le rocce sedimentarie clastiche, precipitate chimicamente e biologiche. Il blocco di sinistra consiste in una doppia colonna. La prima colonna illustra esempi del tipo di sedimento (fare riferimento al diagramma 2 nella pagina precedente), e la seconda colonna al loro equivalente litificato. I clasti angolari (frammenti di roccia) sono solitamente derivati dalla frantumazione del gelo. I frammenti non hanno viaggiato lontano e sono di solito spostati per gravità, cadendo dalle montagne per accumularsi come cumuli di ghiaia o coni di talco alla base dei pendii. Le loro controparti si trovano nel tipo di roccia conosciuta come breccia. Quando gli agenti dell’erosione vengono coinvolti e avviene il trasporto, in particolare da parte dell’acqua, i clasti angolari vengono abrasi e formano massi arrotondati o ciottoli. L’equivalente roccioso è noto come conglomerato. Il trasporto a lunga distanza riduce gradualmente le dimensioni dei clasti, passando dai granuli alle particelle di sabbia. L’equivalente roccioso è l’arenaria. Queste sono spesso cementate da diversi minerali, calcite, ossidi di ferro o silice. L’arenaria acquisisce allora un descrittore secondario, come “arenaria calcarea”, o “arenaria ferruginosa”. Un’arenaria è normalmente costituita da grani di silice. Quando questi grani sono cementati dalla silice viene dato un nome diverso – quarzite (vedi immagine a destra dell’arenaria). Un tipo di roccia che non è illustrato è un arkose – un’arenaria con più del 25% della roccia composta da feldspato. Queste rocce si formano di solito in ambienti montani, relativamente asciutti. Secco, perché i clasti non si sono deteriorati troppo (in condizioni calde e umide il feldspato è spesso facilmente degradabile). La natura angolare dei grani indica che il trasporto non è stato così importante.
Tuttavia, se il sedimento continua ad essere trasportato, la granulometria si riduce ulteriormente e si forma il limo. Le dimensioni delle particelle stanno ora raggiungendo il punto in cui possono essere facilmente trasportate sia dal vento che dall’acqua. Il sedimento trasportato dal vento che si accumula come loess rientra in questa categoria. Il tipo di roccia conosciuto come siltite, è formato da quarzo molto fine, mica e altri minerali vari, ed è l’equivalente litificato del limo. Infine, la frazione più fine della gamma di dimensioni clastiche è l’argilla. Questi frammenti sono così piccoli che rimangono in sospensione per molto tempo, di solito si depositano solo dopo essersi coalizzati per formare particelle più grandi. Quando si accumulano, il tipo di roccia litificata è noto come scisto. Gli equivalenti altamente organici possono formare scisti molto neri con caratteristici odori “oleosi” o “petroliferi”, poiché sono molto ricchi di carbonio e composti aromatici. Formano scisti fossiliferi e “oil shales”, che potrebbero essere future fonti di petrolio.
Il secondo blocco a doppia colonna illustra le rocce che sono formate da depositi chimici. Queste rocce si formano dove il materiale viene portato in soluzione nel luogo, di solito un bacino marino o un lago in una zona desertica, dove l’acqua sta evaporando. Soluzioni di certi ioni vengono precipitate e formano rocce ricche di calcio, magnesio, silice, sodio e (più in passato) ferro. Alcuni di questi sono illustrati, iniziando con i precipitati ricchi di calcio. I calcari sono un esempio importante. Tutti i calcari frizzano facilmente quando si applica l’acido cloridrico diluito (soluzione al 10%) poiché l’acido reagisce con il carbonato di calcio. L’esempio mostrato è un calcare grigio a grana fine con venature bianche di calcite che lo attraversano. In acque tropicali calde, il calcio abbondante in soluzione nell’acqua di mare soggetta a forti movimenti di corrente può precipitare intorno a minuscoli frammenti di conchiglie. Questi possono formare calcari oolitici, quando piccoli grani di carbonato di calcio hanno strati di calcite depositati in modo concentrico intorno ad un nucleo.
Dolostone, una roccia composta da calcio e magnesio, è strettamente legata al calcare, di solito con il magnesio dall’acqua di mare che sostituisce gran parte del contenuto originale di calcio di un calcare preesistente. La reazione acida è più lenta. I dolostones possono essere visti vicino a Waterloo in alcune sequenze di roccia lungo l’affioramento della scarpata del Niagara. Travertino e tufo (reazione acida forte) sono rocce precipitate chimicamente formate da carbonato di calcio. Il travertino è solitamente denso e a bande, mentre il tufo è più spugnoso. Il travertino (sotto forma di speleotemi) è più frequentemente visto nei depositi di grotta, in particolare nelle formazioni spettacolari conosciute come dripstone, flowstone, stalattiti, stalagmiti, eliciti e colonne.
Nei calcari e nelle dolomie si vedono spesso strati o noduli composti da silice. Si tratta di strati di cerreto o, nel caso del gesso, di selce. Le selci sono state usate fin dal Paleolitico con siti di produzione di massa ben noti per punte di lancia, raschietti, punte di freccia e kit di strumenti descritti nella letteratura archeologica dell’Inghilterra orientale. Sono stati anche usati fino a poco tempo fa nelle armi da fuoco (fucili a pietra focaia) e nella costruzione di edifici dove questo tipo di roccia è comune. Le selci provenienti da letti di calcare e dolomia lungo la scarpata del Niagara erano usate dai cacciatori paleo-indiani di caribù, mastodonti e mammut nel sud-ovest dell’Ontario. Entrambe le selci e i calcari sono di solito di colore grigio (anche se possono variare da quasi bianco a quasi nero o addirittura rosso) e si spaccano con una frattura da uniforme a leggermente concoidale. L’unica cosa che hanno in comune è che possono essere modellati da abili costruttori di utensili e manterranno un bordo incredibilmente tagliente per un lungo periodo di tempo.
Il gesso è un precipitato chimico (solfato di calcio idrato) che si trova frequentemente nei letti di marna, un tipo di roccia ricca di calcio e dominata dall’argilla. I letti di marne contenenti gesso e salgemma sono stati originariamente depositati in aree ad alta evaporazione che erano inondate da acque marine. Tali aree oggi possono essere viste lungo alcune parti del Golfo Persico sub-tropicale. Il salgemma (composto quasi interamente da cloruro di sodio) è un importante minerale economico. In Ontario si trova intorno a Windsor e a nord fino a Goderich (vedi WAT ON EARTH 14 (2) Primavera 2001). I depositi di sale si trovano anche nelle province marittime e anche nel Canada occidentale. Le sequenze saline del Canada occidentale sono dominate da un altro sale economicamente importante, di colore rosso e bianco, ricco di potassio, conosciuto come Sylvite. L’ultimo tipo di roccia illustrato in questo gruppo è l’arenaria sedimentaria a bande rosse e grigie, comune nella regione intorno al lago Superiore superiore. C’è una vasta letteratura associata a questi depositi (Blatt et al., 1980), ma generalmente sono di età precambriana e di solito tra 2600 e 1800 milioni di anni. Alcuni sono considerevolmente più vecchi e alcuni piccoli depositi sono più giovani. Sono caratterizzati da bande sottili e spesse di diaspro alternato (chert rosso) e strati ricchi di magnetite ed ematite di ferro. Altre forme di ferro possono anche alternarsi con gli orizzonti cherty. Queste sono rocce economicamente importanti e sono la fonte dei maggiori depositi di ferro su entrambi i lati del confine Canada/USA.
Il terzo blocco di immagini comprende rocce sedimentarie comuni che hanno una forte componente biologica. Come ho detto parlando delle rocce ignee, la natura aborrisce essere “compartimentata” e alcune di queste “scatole” trasgrediscono i confini. Tuttavia, l’acqua di mare contiene grandi quantità di carbonato di calcio che non solo precipita per formare le rocce sedimentarie chimiche, ma è anche utilizzato dagli organismi che costruiscono gusci di carbonato. Quando muoiono, le conchiglie possono formare enormi depositi di detriti di conchiglie che spesso si conservano come “calcare shelly”. Questo può essere visto oggi sotto forma di coquina (composta quasi interamente da valvole complete o rotte del pelecypod marino di acqua bassa, Coquina). In passato le vongole non erano così comuni come lo sono oggi. L’illustrazione “Shelly Limestone” mostra i brachiopodi in un deposito di fango carbonatico devoniano della regione di Arkona nell’Ontario sud-occidentale. I calcari crinoidi (non illustrati), sono costituiti da frammenti di gambi di crinoidi (Echinodermata) e formano bande di shelly-detritus in certe rocce lungo la scarpata del Niagara. Il corallo, costituito dai resti di innumerevoli trilioni di polipi secernenti carbonato, forma depositi massicci oggi come nella Grande Barriera Corallina, e anche nel passato geologico più lontano. Molti degli obiettivi di perforazione per il petrolio e il gas naturale nell’Ontario meridionale (e altrove) sono rivolti a piccole barriere di coralli e comunità algali, dove la porosità all’interno e tra gli organismi fossili ha permesso l’accumulo di questi minerali energetici. Il gesso è un calcare particolarmente puro, e l’acido cloridrico diluito applicato a questo tipo di roccia produce una reazione estremamente vigorosa. Il gesso si è formato originariamente come trasudazione del fondo del mare, e composto dai resti di trilioni di organismi foraminiferi conosciuti come coccoliti. Le immagini a scansione elettronica sono fornite accanto all’immagine del gesso, con l’organismo centrale, color crema, che fornisce un esempio dei moderni foraminiferi calcarei chiamati Globigerina.
Il prossimo blocco di quattro immagini (dalla torba all’antracite) illustra un altro minerale energetico: il carbone. Il carbone deriva dall’accumulo di vegetazione in condizioni anaerobiche. Il detrito si forma in paludi o lagune e crea un letto organico saturo d’acqua di torba. Con il tempo e la compattazione da parte dei sedimenti sovrastanti, la torba perde acqua e altri volatili. Il contenuto di umidità scende, il contenuto di carbonio aumenta e la torba si trasforma in lignite. Questi sono carboni di bassa qualità, spesso ricchi di zolfo, non adatti al trasporto su lunghe distanze e soggetti a combustione spontanea. Formano i tipi di carbone che si trovano nel Saskatchewan sud-orientale e molti dei carboni della Germania orientale. Con ulteriore compattazione e stress il contenuto di carbonio continua ad aumentare, più volatili vengono persi, la produzione potenziale di energia aumenta e si forma un carbone da opaco a lucido conosciuto come carbone bituminoso. Questo è un eccellente carbone per la produzione di vapore ed è stato il carbone dominante che ha alimentato il primo secolo della rivoluzione industriale in Gran Bretagna. Le province del Canada occidentale e le ex aree minerarie del New Brunswick e della Nuova Scozia estraggono carbone bituminoso. Viene normalmente utilizzato per l’alimentazione metallurgica e viene impiegato nella produzione di energia elettrica. L’ultimo stadio del carbone come minerale energetico è l’antracite, un carbone duro e lucido che è difficile da bruciare se non viene schiacciato. Questo carbone viene estratto in Pennsylvania e viene utilizzato nella produzione di energia elettrica come alimento quando viene mescolato al carbone bituminoso. I cambiamenti che accompagnano la perdita di volatili, l’aumento del carbonio e l’aumento della produzione di calore è descritto come un cambiamento nel rango del carbone.
Le ultime due immagini illustrano rocce scistose che hanno un alto contenuto organico ma non sono definite come carboni. Gli scisti fossiliferi possono contenere abbondanti fossili (in particolare materiali vegetali, ma possono contenerne altri, come le ammoniti). Gli scisti petroliferi (come quelli che si trovano in una fascia che va da Bowmanville, a est di Toronto, alla regione di Collingwood vicino a Owen Sound, Ontario) contengono abbondanti fossili di trilobiti e altri animali ordoviciani. Tali depositi, anche se non necessariamente della stessa età, si trovano in molte parti del mondo e potrebbero fornire future fonti di energia o di alimentazione petrolchimica.
La pagina che segue il poster centrale contiene illustrazioni di molti degli argomenti menzionati nelle descrizioni delle rocce sedimentarie sopra.
Fila in alto, da sinistra a destra. Tutti sono esempi di silice depositata chimicamente: Ascia a mano in selce, Swanscombe, Kent, Regno Unito; nodulo di selce (concrezione bianca nodosa) che subisce l’azione degli agenti atmosferici da una matrice di gesso più morbida; tre punte di cerro di tipo Clovis dal sito Brophey vicino a Parkhill, Ontario. La più grande misura 10 cm di lunghezza.
Fila centrale, da sinistra a destra: Una grande stalagmite (nota “g” cresce da terra) composta da dripstone (depositi di carbonato di calcio precipitato chimicamente); Stalattite (nota “c” cresce giù dal soffitto di una grotta), con acqua carica di calcio che cattura la luce che sta per gocciolare dalla punta; una peculiare, contorta, forma stalattitica di dripstone conosciuta come helictite, anch’essa fatta di carbonato di calcio. Da notare che in alcune parti cresce addirittura verso l’alto!
Fila in basso, da sinistra a destra; vug (cavità) con quarzo che riveste il centro del vuoto nel calcare; alcune concrezioni molto grandi imprecipitate chimicamente a Moeraki, South Island, NZ; dendriti simili al muschio. Questi sono precipitati di manganese su un calcare, e non hanno alcuna connessione con crescite organiche.
Alan V. Morgan
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