7.D Rocce carbonatiche

http://www.science.ubc.ca/~geol202/sed/carb/carbhome.html

Le roccie carbonatiche sono roccie sedimentarie in cui matrice e struttura sono composti da oltre il 50% di minerali carbonatici (questa definizione esclude i cementi). Diversamente dai sedimenti silicoclastici, dove struttura e tessitura riflettono i fattori fisici dell'ambiente di deposizione, le strutture e tessiture delle roccie carbonatiche riflettono fattori biologici di bacino. La sorgente dei sedimenti carbonatici e` quasi esclusivamente biologica. Anche se i carbonati si formano in acque piu` fredde o ambienti piu` specializzati (sorgenti calde, grotte), i maggiori accumuli sono depositi di origine organica in ambienti marini, caldi e poco profondi, e senza significativo apporto di silicoclasti.

Attualmente viviamo in un periodo "freddo". Le regioni polari sono coperte da ghiaccio permanente, e percio` si ha un forte gradiente di temperatura fra equatore e poli. Anche se gli organismi produttori di roccie carbonatiche si trovano su tutto il globo, la condizioni di luce e temperatura limitano la produzione di carbonati essenzialmente entro +/-40 gradi di latitudine. Tuttavia nelle ere passate si sono avute condizioni "calde" che hanno favorito la deposizione di sedimenti carbonatici.

Oltre alla temperatura, sono importanti per l'accumulazione dei carbonati il livello del mare e la velocita` di deposizione.

La conoscenza degli organismi produttori di carbonati, e come essi sono cambiati nel tempo e nello spazio, e` importante per ricostruire gli ambienti di deposizione palezoici e di altri depositi antichi. Sia gli organismi che il tipo delle formazioni sono cambiati nel tempo.

I fossili sono tracce lasciate da antichi organismi viventi nelle roccie sedimentarie: scheletri, denti, escrementi fossilizzati, ... Il riconoscimento dei fossili risulta utile per collocare una formazione nel tempo geologico e nell'ambiente di formazione, anche se da solo non e` sufficiente, poiche` anche le strutture e le forme causate dai processi fisici (vento, onde, maree, correnti, inondazioni, frane, etc.) sono importanti.

Il piu` comune ambiente di formazione in cui si ritrovano fossili e` quello di scogliera (v. sotto). Le scogliere sono corpi rocciosi formati dalle spoglie di organismi dal guscio duro (per esempio le scogliere coralline). Verso il mare aperto la scogliera degrada rapidamente. All'interno c'e` la laguna con sedimenti fini e ricca di molluschi, pesci ed echinodermi. Poi c'e` la retroscogliera con sabbia. Una scogliera cresce fintanto che gli organismi costruttori riescono a compensare l'approfondimento del fondo marino (ovvero l'innalzamento del livello del mare). Questa e` la fine di tutte le scogliere: quasi tutte le scogliere fossili sono ricoperte da sedimenti di mare profondo.

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Un altro ambiente fossilifero son i bacini euxinici, cioe` bacini caratterizzati dalla assenza di ossigeno nelle acqua di fondo. Questo succede quando l'ossigeno presente viene utilizzato completamente dai batteri che decompongono la materia organica e non c'e` ricambio di acqua ossigenata. Durante il periodo di anossia gli organismi morti che cadono sul fondo, pesci, crostacei, rettili, uccelli, etc., non vengono distrutti da predatpori e possono essere sepolti nel sedimento. I principali giacimenti fossiliferi del mondo si sono formati in bacini euxinici.

Un terzo ambiente di formazione di fossili sono le foreste pluviali del Carbinifero. Si tratta di foreste poste in zone calde e piovose, con rigogliosa vegetazione (piante diverse dalle attuali, molto alte e senza fiori) abitate da anfibi, insetti, e ragni. Non c'erano mammiferi e uccelli, e i rettili erano rari.

7.D.1 Caratteristiche generali

• Distribuzione delle dimensione dei grani bimodale: sabbie e fango (matrice)
• Gli organismi sono la principale, ed essenzialmente la sola, sorgente di carbonati
• La maggoir parte dei carbonati moderni (e per analogia anche di quelli antichi) sono depositi d'ambienti di acque basse (< 10-20 m) poiche`:
  1. la fotosintesi e` favorita in acque poco profonde. I coralli consistono di celenterati in sintropica relazione con alghe rosse (zooxanthellae)
  2. la maggior parte delle forme carbonatiche in ambienti di marea da` origine a vasti depositi tabulari attorno ai margini continentali e ai mari epicontinentali
  3. eccezioni sono le "oosi" di acque profonde, calcari a grana fine formati da scheletri di organismi quali Globigerina
• Si trovano in forma di scogliera, bancata, e cumulo.
• Una relazione antipatetica esiste fra i sedimenti carbonati e quelli silicoclastici dovuta in gran parte alla biologia degli organismi che formano le scogliere:
  1. alta velocita` di sedimenatzione aumenta la turbidita`, che inibisce la fotosintesi degli organismi bentici
  2. gli organismi a respirazione branchiale sono soffocati

7.D.2 Chimica dei carbonati

Le roccie carbonatiche sono composte principalmente da minerali di carbonati di calcio e magnesio, e da biossibo di carbonio. La percentuale di silicati e` molto bassa. Ci sono tre principali minerali delle roccie carbonatiche: aragonite, calcite, e dolomite.

La composizione della maggior parte dei carbonati varia fra la calcite (CaCO₃) e la dolomite (CaMg(CO₃)₂). Per esempio molti contengono un poco di magnesio, ma non tanto quanto la dolomite pura. I sedimenti carbonatici si possono formare per processi biologici, e per erosione mediante processi fisici. Tuttavia il processo di formazione piu` importante e` chimico. La pressione parziale della CO₂ nell'acqua determina la quantita` di carbonato di calcio che puo` essere il soluzione. Se la CO₂ disciolta nell'acqua decresce, l'equilibrio del carbonato viene alterato e ci puo` essere precipitazione. Quale che sia l'ambiente marino di deposizione in cui si formano i minerali carbonatici, la loro formazione coinvolge un processo chimico.

La struttura cristallina della calcite e` romboedrica, con gli atomi di calcio posti ai vertici e sui centri delle faccie, e i gruppi CO<sub>3</sub> posti a meta` dei lati (figura a destra).

7.D.3 Minarali carbonatici

Gli atomi di magnesio nella calcite possono sustituirsi randomicamente agli atomi di calcio.

Nella dolomite strati di molecole di calcite si alternano a strati di dolomite. Qui il magnesio e il calcio sono in rapporto stechiometrico 1-1. Tuttavia le proporzioni di questi due componenti possono variare.

L'aragonite e` una forma polimorfa della calcite che puo` formarsi per precipitazione sia organica che inorganica. E` il principale costituente degli scheletri di molti invertebrati. L'aragonite e` anche meno stabile in molti ambienti e si trasforma velocemente in calcite.

Altri elementi non si sostituiscono facilmente a calcio e magnesio nei minerali carbonatici. Si possono trovare cationi Fe²⁺, Mg²⁺, e Sr²⁺ al posto del calcio. Anche il sodio puo` essere presente, anche se si trova soprattutto nel fluido che riempie i vacui piuttosto che nella struttura cristallina stessa.

Le condizioni fisico-chimiche dell'ambiente in cui calcite, dolomite e aragonite sono formate si riflettono sulla loro composizione. Molti fattori controllano il tipo e dimensione dei cristalli. Due di questi sono la salinita` e il rapporto magnesio/calcio.

7.D.4 Mineralogia

I minerali carbonatici sono suddivisi in tre gruppi in base alla loro cristallografia: calcite, dolomite e aragonite.

La loro caratteristica comune una estrema birifrangenza (d varia da 0.148 a 0.242), che produce interferenze di alto ordine con colori cremosi e pastello;

Ricordiamo anche l'ankerite ( Ca(Mg,Fe)(CO₃)₂ ) e la kutnorite ( CaMn(CO₃)₂ ) che hanno caratteristiche simili alla dolomite. La transizione da dolomite ad ankerite e` continua; la frontiera fra i due minerali e` posta al 20% di CaFe(CO₃)₂. L'ankerite e` meno comune della dolomite. Si puo` trovare in sedimenti ricchi di ferro, in formazioni ferrose metamorfosate e in depositi minerali idrotermali. La kutnorite e` un minerale dolomitico intermedio fra la Rodocrosite e la calcite.

La dolomite si trova comunemente con la calcite in calcari, dolomie, marmi, e roccie simili. Nelle evaporiti puo` essere associata ad halite, sylvite, gesso, calcite, anidrite e relativi minerali. E` anche comune nei carbonati metamorfosati. Spesso e` difficile distinguere ad occhio la dolomite dalla calcite. La calcite si distingue dalla dolomite perche`

• ha un indice di rifrazione inferiore
• la calcite e` piu` frequentemente "twinned", la dolomite e` comunemente euedrale (???)
• la dolomite e` meno reattiva al HCl

7.D.5 Ambienti di formazione

Distinguiamo tre ambienti di formazione:

• ambiente di litorale
• ambiente di scogliera
• ambiente di piattaforma

L'ambiente di litorale e` caratterizzato da una piattaforma che degrada lentamente (pendenza inferiore a un grado), senza scogliere accentuate, anche se sono possibili banchi di sabbie carbonatiche. La spiaggia e` ad alta energia con cumuli sabbiosi di scheletri e oolitici. Nella laguna si deposita il fango limoso (fango carbonatico dovuto alla disgregazione di organismi morti, con inclusioni di particelle carbonatiche provenienti dalla spiaggia). Al bordo verso la piattaforma ci sono lutiti ("grainstones") limose. Dalla parte del mare accumuli sabbiosi, poi la rampa con calcite selcifera ("nodular shaly"). Infine i depositi di fondo. Alla base della rampa ci possono essere degli accumuli.

L'ambiente di scogliera e` costituito da bancate di fanghi lagunari, seguite da un bordo di sabbie formate da scheletri con inclusioni di scogliera (biocostruzioni). Poi un bordo di scogliera con un fronte di sabbie e breccie. Ci possono essere frammenti scivolati sui fanghi di base. E` caratterizzato da un marcato cambiamento di pendenza, con la presenza di un quasi continuo bordo lungo la piattaforma. La barriera e` una struttura resistente alle onde formata da accumuli di sabbie di scogliera, scheletri, e ooliti. La laguna interna e` a bassa energia e ha una circolazione ristretta.

L'ambiente di piattaforma isolata e` una bassa piattaforma di 10 - 100 km di ampiezza, fuori dalle piattaforme continentali. E` circonadata da mari profondi (da parecchie centinaia di metri, fino ad alcuni km) e puo` avere margini che degradano lentamente oppure piu` ripidi. E` caratterizzato da carbonati di acque basse fra la piattaforma e il continente, contornate da sabbie, calcari nodulari e turbiditi. E` questo l'ambiente in cui si formano i grandi sistemi carsici; puo` raggiungere dimensioni di centinaia di Km² e spessori di qualche kilometro.

La velocita` di deposizione arriva a circa 0.3 mm/anno, pero` tenuto conto delle variazioni periodiche delle condizioni di deposizione, su lunghi periodi la velocita` e` una frazione di questo valore (4.5 cm/1000 anni). Perche` possano formarsi grossi depositi e` necessario che le condizioni di formazione permangano per un tempo prolungato. Quindi che si abbia un fenomeno di subsidenza (abbassamento del fondale marino) ad una velocita` non superiore a quella di deposizione.

La variazioni periodiche delle condizioni di deposizione (abbassamenti ed innalzamenti del fondale marino) comportano una ciclicita` nella deposizione, con ripetute emersioni ed annegamenti. Questa ciclicita` determina la formazione delle stratificazione nel deposito, cioe` livelli ben marcati separati da giunti di strato.

7.D.6 Tessitura

Calcite e aragonite si trovano principalmente in tre forme:

• grani: aggregati cristallini delle dimensioni di grani d'argilla o maggiori
• fanghi: cristalli di dimensione 1 - 5 micron. Come tessitura sono analoghi ai fanghi silicei. Comunemente chiamate micriti.
• spati: grani cristallini piu` grossi che appaioni traslucidi alla luce normale. Dimensioni 0.02 - 0.1 mm. I cristalli riempiono i pori spesso a causa di ricristallizzazione.

Cinque tipi di grani si distinguono nelle roccie carbonatiche:

• clasti carbonatici (frammenti di roccia), differenziati in
  • intraclasti, formati trasportati e ridepositati entro il bacino
  • litoclasti, formati fuori dal bacino
  • limoclasti, di origine non specifica
• ooliti, strutture carbonatiche laminate concentricamente. Includono
  • ooliti, di meno di 2 mm in diametro, ritenute di origine abiologica
  • pisoliti, come le ooliti ma di dimensione > 2 mm
  • oncoliti, stromatoliti sferiodali, > 1 - 2 cm
  • ooliti superficiali, pseudo-ooliti, di origine incerta
• peloidi: particelle carbonatiche di dimensioni da argille a sabbie fini senza struttura interna distinguibile. Ritenute palline fecali.
• particelle composte: cristalli aggregati e noduli cristallini. Sono aggregati di grani dalle forme irregolari legati assieme da carbonato di calcio scuro, a gran fine, di origine organica. I grani tendono ad essere distorti durante la diagenesi.
• perticelle di scheletro: interi microfossili o mega fossili, oppure frammenti di conchiglie. POssono derivare da ogni organismo con scheletro o parti corporee calcaree. Il tipo di fossili dipende dallambiente e dall'era geologica. I gruppi e gli organismi sono variabili. Le dimensioni variano da micriti a "massi".

7.D.7 Classificazione

La prima domanda da porsi quando si classifica una roccia carbonatica e` "si riconosce la tessitura deposizionale?". Seguendo lo schema di classificazione di Dunham abbiamo due possibilita`:

• No: si tratta di un carbonato cristallino. Classificato in base alla dimensione dei cristalli, tessitura fisica o diagenesi
• Si`: dopo aver determinato la presenza di una tessitura deposizionale primaria, si determina se la roccia e` stata legata assieme originariamente durante la deposizione (da deposizione di organismi, incrostazione o intrappolamento meccanico di sedimenti).
  • Si`: (Boundstone). Sono roccie carbonatiche legate nell'ambiente di deposizione originario da organismi che costruiscono strutture come i coralli, o incrostanti come i briozoi, o meccanismi di intrappolamento dei sedimenti come quelli dei cianobatteri. Possono avere struttura complessa e mostrare i dettagli cellulari o apparire laminati.
    
  • No: si valutano i componenti in termini di grani e cristalli:
    • fango limoso e < 10% di grani: limo. Sono composte da particelle carbonatiche molto fini (come in una argilla). Queste possono derivare da disaggregazione di organismi complessi quali Halimeda, o da coccolitofori o foraminiferi. Queste roccie possono essere di diversi, e il colore primario e` determinato dalle condizioni di ossidoriduzione al tempo di deposizione.
      
    • fango limoso e oltre 10 % di grani: Wackestone. Sono roccie carbonatiche in cui predomina ancora la matrice a grana fine anche se compaiono grani abbastanza isolati.
      
    • fango limoso ma principalmente grani: Packstone. Roccie carbonatiche costituite essenzialmente da grani (allochemi) con poca matrice a grana fine argillosa. Spesso e` difficile distinguerla dal precedente tipo.
      
    • niente fango ma essenzialmente grani. Si tratta di roccie carbonatiche granulari senza fango. Spesso gli interstizi di queste roccie sono riempiti da cemento spatoide (feldspati).
      

Schema di classificazione secondo Folk.

	Roccie allochimiche		Roccie ortochimiche	Calcari biocostruiti
	Cementi di calcite sparitica	Matrice di calcite microcristallina	Calcite microcristallina senza allochimici
Intraclasti	intrasparite	intramicrite	micrite	biolitite
...	oosprite	oomicrite	dismicrite, con i vuoti riempiti da cemento sparitico
Fossili	biosparite	biomicrite
Pellets	pelsparite	pelmicrite