Unidad 5: Rocas Sedimentarias
Generalitats i Importància de les Roques Sedimentàries
Les roques sedimentàries es defineixen com aquelles roques formades per l’acumulació de materials sòlids, anomenats sediments, a la superfície terrestre o en les seves proximitats. Aquest procés ocorre a causa de l’acció de processos geològics externs i es caracteritza per desenvolupar-se en condicions de temperatura i pressió baixes. Pel que fa a la seva abundància i distribució, tot i que el seu volum total a l’escorça terrestre és relativament petit, representant aproximadament un de la superfície, constitueixen el de les roques exposades a la superfície terrestre. Aquestes roques presenten un gruix variable segons la zona i les més freqüents dins d'aquest grup són les lutites.
La importància de l’estudi de les roques sedimentàries es pot dividir en dos grans àmbits: el científic i l’econòmic. Des d’una perspectiva econòmica, aquestes roques contenen minerals i recursos altament rentables com el petroli, el gas, l’aigua, el carbó i diverses sals. A més, cal destacar que la gran majoria de les construccions humanes es realitzen sobre dipòsits sedimentaris. Des del punt de vista científic, aquestes roques actuen com un registre paleoclimàtic i paleoambiental fonamental per entendre la història del planeta, ja que conserven evidències de les condicions ambientals en el moment de la seva formació.
Conceptes Clau i Origen de les Roques Sedimentàries
Un concepte fonamental en sedimentologia és la conca sedimentària, que es defineix com un punt geogràfic deprimit on s’acumulen els sediments. Dins d’aquestes conques existeixen diversos ambients o medis sedimentaris, que són zones amb característiques físiques, químiques i biològiques específiques que les diferencien de les zones adjacents. Aquests ambients són els encarregats de controlar i determinar les característiques del sediment, com ara la mida dels grans, la seva composició i la seva forma. Per tant, diferents ambients amb diferents minerals dins d’una mateixa conca generaran sediments amb propietats distintes.
L’origen de les roques sedimentàries pot ser divers segons el procés de formació. L’origen clàstic es produeix quan els sediments provenen de l’erosió de roques preexistents, generant clastos. L’origen biogènic implica fragments de parts dures d’organismes, anomenats bioclastos, que solen tenir una composició carbonatada o sílice, com és el cas de les closques de bivalves. L’origen bioquímic es dóna per precipitació química induïda per l’activitat d’organismes vius; un exemple n’és la formació de toves calcàries procedents de la precipitació de carbonat de calci () induïda per la respiració de plantes en llocs amb aigua i vegetació abundant. L’origen orgànic es refereix a l’acumulació de restes orgàniques. L’origen químic es basa en la precipitació química en una massa d’aigua segons el producte de solubilitat, com quan s’evapora aigua salada. Finalment, l’origen volcànic prové de l’activitat volcànica contemporània a la sedimentació.
El Procés de Diagènesi: Del Sediment a la Roca
La diagènesi és el conjunt de canvis físics, químics i biològics que pateix un sediment durant i després de la seva deposició, sempre en condicions de temperatura i pressió que no són elevades. Aquest procés és el que transforma el sediment en una roca sedimentària consolidada. Els processos diagenètics es divideixen principalment en físics i químics. El principal procés físic és la compactació, que consisteix en la compressió dels sediments pel pes dels minerals que es dipositen a sobre (materials suprajacents). Això provoca una reducció de l’espai entre partícules, la pèrdua de porositat i la disminució del volum total, expulsant fluids com l’aigua i reorganitzant els components del sediment.
Els processos químics inclouen la cimentació, que és la precipitació de nous minerals en l’espai porós entre les partícules. Aquest ciment actua com una "cola" que enganxa els grans de sorra. Altres processos químics són la hidratació i deshidratació, l’oxidació i reducció, i la autigènesi, que és la formació de nous minerals estables en les condicions del medi sedimentari a partir de productes anteriors. Per contra, la dissolució de fases minerals es considera un procés destructiu que crea buits o porositat secondary en la roca. Mentre que la compactació i la cimentació ajuden a formar l’estructura de la roca, la dissolució tendeix a degradar-la.
L'Estratificació i les Estructures Sedimentàries
Les roques sedimentàries es caracteritzen per estar estratificades. L'estratificació és la deposició d’un estrat o capa darrere d’un altre en superfícies que solen ser planes o lleugerament inclinades. Aquest fenomen s’origina per variacions en els materials que es dipositen o per canvis en les condicions del dipòsit. Aquests canvis poden manifestar-se en la variació de la mida dels grans (per exemple, el pas de sorra a grava), canvis en la textura com l'arrodoniment de les partícules, o canvis en l'estat de cimentació i compactació. Quan no hi ha deposició o es produeixen processos d’erosió, es generen estructures sedimentàries específiques.
Entre les estructures sedimentàries més rellevants trobem la discontinuïtat sedimentària, definida per les relacions verticals entre conjunts d’estrats. El Karst és un modelat terrestre causat per l’aigua mitjançant l’erosió i meteorització química en roques carbonàtiques. El Hardground es refereix a superfícies d'estrats de carbonats cimentats que han estat exposats al llit marí durant períodes sense sedimentació. També trobem l'estratificació encreuada i les estructures de corrent com els petits ripples, que són ondulacions periòdiques on les crestes formen angles rectes amb la direcció del moviment.
Les estructures biogèniques inclouen la bioturbació, que és el procés de degradació de les estructures primàries del sediment per l’activitat d’organismes (pistes, caus, galeries d’alimentació o arrels), i els icnofòssils (petjades), que són evidències de l’activitat biològica. Finalment, les estructures de deformació com les esquerdes de dessecació indiquen la pèrdua d’aigua del terreny, una característica que mai es troba en roques ígnies o metamòrfiques.
El Cicle Geològic Extern de les Roques Detrítiques
Les roques detrítiques provenen de l'erosió d'una àrea font i la seva formació segueix el cicle geològic extern que comprèn la meteorització-erosió, el transport i la deposició. La meteorització és la descomposició física (desintegració) i l'alteració química (descomposició) de les roques a la superfície. La meteorització mecànica inclou processos com la gelifracció, la descompressió, l'expansió tèrmica (termoclastisme) i l'activitat biològica. La meteorització química realitza transformacions mitjançant reaccions com la dissolució (per exemple, la carbonatació kàrstica), l'oxidació i la hidròlisi.
Durant la hidròlisi, els minerals es desfan donant lloc a components en solució o nous minerals com les argiles, mentre que minerals resistents com el quars romanen com a residus. Algunes alteracions típiques són el pas de feldespats a argiles, de miques a argiles i òxids de ferro, i del quars a sorra silícica. El transport dels sediments cap a la conca es realitza per rius, via aèria o subaquàtica. La deposició final es produeix en la conca sedimentària, on els sediments s'enterren progressivament. Si el soterrament supera els , es passa al cicle geològic intern (metamorfisme).
Components Petrogràfics i Anàlisi Textural de les Roques Detrítiques
La descripció petrogràfica de les roques detrítiques es basa en quatre components principals. Els grans (també anomenats clastos) són partícules creades per erosió que conserven la composició de l'àrea font (quars, feldespats, etc.). La matriu és el material més fi (de la mateixa naturalesa que els clastos) que omple els buits. El ciment és un precipitat químic autigènic, cristal·lí i sovint transparent que uneix les partícules després de la deposició. Finalment, la porositat és l'espai buit restant entre els grans.
Els aspectes texturals inclouen la mida del gra, que es classifica mitjançant l’escala granulomètrica d’Udden. Els llindars establerts són: rudites per a grans de mida > 2\,\text{mm}, arenites per a mides al voltant de i lutites per a partícules de . L'estudi de la selecció (grau d'agrupament de mides) informa sobre l'eficàcia de l'agent de transport. L'arrodoniment reflecteix la durada del transport i la duresa de la roca: un transport llarg produeix grans arrodonits, mentre que un de curt genera grans angulosos. També es considera la fàbrica, diferenciant entre roques suportades pels clastos (tots els grans es toquen) o suportades per la matriu (grans aïllats en material fi).
Maduresa i Principals Tipus de Roques Detrítiques
La maduresa textural depèn de l'energia de transport i del temps. Un sediment immadur conté molta argila i grans angulosos mal seleccionats (ex: riuada), mentre que un sediment supermadur està molt treballat, no té argila i presenta grans molt arrodonits i iguals (ex: processos eòlics). La maduresa litològica analitza la varietat de litologies dels clastos: les roques monomíctiques contenen una única litologia, mentre que les polímictiques en tenen diverses. Això depèn de l'àrea font, la duresa dels minerals i el clima.
Les principals roques detrítiques es classifiquen en rudites (que inclouen conglomerats amb clastos arrodonits i bretxes amb clastos angulosos), arenites (sorres), grauvaques (arenites amb molta matriu) i lutites (formades per llims i argiles). Propietats físiques com la porositat i la permeabilitat es veuen fortament afectades durant la diagènesi per la compactació, la cimentació i la formació d'argiles secundàries per reemplaçament de grans antics.
Les Roques Carbonàtiques: Minerals i Ambients de Formació
Les roques carbonàtiques estan compostes principalment pels minerals calcita, calcita magnesiana (metaestable), aragonita (inestable a baixes pressions) i dolomita (normalment d’origen diagenètic). Aquestes roques sovint incorporen esquelets d’organismes. Els ambients de formació es divideixen en carbonats marins, que són els més comuns i es troben en el domini nerític (mar poc profund) o pelàgic (mar profund), i carbonats continentals. Aquests últims poden tenir un origen químic (dipòsits kàrstics), bioquímic (toves calcàries i calcretes) o biogènic (algues de llacs).
Els components petrogràfics de les carbonàtiques inclouen la matriu micrítica o fang carbonàtic, amb mides de gra de < 4\,\mu\text{m}. Aquest fang és sovint una barreja d’agulles d’aragonita en un . El ciment és autigènic i cristal·lí. Els grans es divideixen en esquelètics (com foraminífers, equinoderms, mol·luscs, algues i coralls) i no esquelètics (com ooides, peloides, intraclastos, extraclastos i pèl·lets).
Classificació de Dunham i Identificació de Carbonats
La classificació més utilitzada per a les roques carbonàtiques és la de Dunham (1962). Quan la textura deposicional és reconeixible, es distingeixen: Mudstone (roca suportada per micrita amb pocs grans), Wackestone (> 10\% de grans suportats per matriu), Packstone (< 10\% de matriu, grans encara abundants), Grainstone (suportada per grans sense fang micrític) i Boundstone (organismes units durant la sedimentació com els esculls de corall o estromatòlits). Si la textura no és reconeixible, es parla de textures cristal·lines com les dolomites.
La identificació és clau per interpretar l'ambient i l'energia del medi pastat. Cal saber que la dolomia és una roca de reemplaçament originada durant la diagènesi (origen secundari). Per diferenciar la calcita de la dolomita s'utilitzen tècniques com la tinció (la calcita es torna vermella) o la prova de l'àcid clorhídric (), on la calcita fa efervescència immediata i la dolomita no.
Les Roques Evaporítiques: Formació i Solubilitat
Les evaporites són roques d'origen químic formades per la precipitació de sals dissoltes en solucions concentrades anomenades salmorres. Són roques autòctones, ja que els seus components precipiten directament a la conca. Es formen en medis transicionals, continentals o marins caracteritzats per un clima àrid o semiàrid (on l'evaporació supera la precipitació) i una forta restricció hidrològica. El procés requereix un subministrament d'aigua, la seva concentració per evaporació fins a la saturació i la posterior precipitació.
Els minerals precipiten en un ordre estrictament determinat pel seu producte de solubilitat. Quan s'ha evaporat el de l'aigua, precipiten els carbonats. Amb un d'evaporació, precipita el guix (). Al arribar al , precipita l'halita (). Finalment, amb un d'evaporació, precipiten les sals de potassi i magnesi (com la silvita o la carnal·lita). Les roques es defineixen pel seu mineral dominant i solen anar acompanyades de carbonats o argiles secundàries.
Cicle del Sulfat de Calci i Litofàcies Evaporítiques
El cicle del sulfat de calci inclou diverses etapes diagenètiques. Primer, es produeix la precipitació del guix primari a la superfície. En la sindiagènesi, el guix es pot deshidratar per formar anhidrita () en condicions seques. Amb l'enterrament progressiu (anadiagènesi), l'augment de pressió i temperatura transforma el guix en anhidrita estable. Quan la roca torna a exhumarse cap a la superfície (epidiagènesi), la rehidratació amb aigua disponible torna a transformar l'anhidrita en guix secundari, que pot presentar formes porfiroblàstiques o megacristalls d'alabastre.
Les litofàcies descriuen les característiques macroscòpiques que indiquen el mecanisme de creixement. Per al guix primari destaquen la gipsarenita i el guix selenític. L'anhidrita presenta litofàcies laminades, nodulars (mosaic, enterolítica) o massives. El guix secundari hereta estructures de l'anhidrita o forma textures alabastrines. Per als clorurs (sals), s'observen litofàcies bandades (halita blanca, silvita taronja), massives o bretxoides.