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Geology is the Way

Calcare

Un calcare è una roccia sedimentaria carbonatica costituita prevalentemente da calcite [CaCO3]. I calcari sono le rocce più comuni che contengono minerali non silicatici come costituenti primari e, sebbene rappresentino solo una frazione di tutte le rocce sedimentarie (circa il 20 – 25%), il loro studio è fondamentale per capire gli ambienti del passato, il clima e l’evoluzione della vita. I calcari rappresentano inoltre le principali rocce serbatoio contenenti petrolio e gas naturale. Sono soggetti a dissoluzione in acque acide ed è per questo motivo che grotte e altre forme carsiche si sviluppano comunemente nei calcari, rendendoli importanti acquiferi.

La calcite (e il suo polimorfo aragonite) è leggermente solubile in acqua, dove si dissocia in Ca2+ e (CO3)2-, seguendo la reazione:

Ca2+ + (CO3)2- ⇌ CaCO3

La solubilità del carbonato di calcio aumenta in acque acide, contenenti CO2 atmosferica disciolta sotto forma di acido carbonico (H2CO3). La CO2 si dissolve in acqua secondo le reazioni:

CO2(gas) + H2O(liquida) ⇌ H2CO3
H2CO3 ⇌ H+ + HCO3
HCO3 ⇌ H+ + CO32-

Diversi parametri controllano queste reazioni. In primo luogo, la CO2 – e di conseguenza i carbonati – sono meno solubili ad alta temperatura. Infatti, i sedimenti carbonatici attuali si formano principalmente in mari tropicali. L’incremento di pressione favorisce la solubilità della CO2 e per questo motivo i carbonati precipitano più facilmente in acque poco profonde. Infine, se la CO2 viene rimossa dall’acqua, il carbonato di calcio precipita. Questo può avvenire a causa di processi come la fotosintesi (che promuove la deposizione di carbonati in acque basse, dove arriva la luce), ma anche quando l’acqua viene agitata. Per esempio, le onde mischiano l’acqua con l’aria facendo sfuggire la CO2 dall’acqua e facilitando la precipitazione dei carbonati. Gli organismi hanno imparato a sfruttare questi processi e la disponibilità di carbonato di calcio a condizioni ambientali per produrre gusci e parti scheletriche costituite da calcite o aragonite.

Come conseguenza di tutti questi processi, sedimenti di carbonato di calcio si possono formare in vari modi grazie a processi biologici e fisici:

  1. Accumulo dei resti di organismi o costruzione di strutture carbonatiche (es: scogliere) a causa dell’attività di alcuni organismi.
  2. Deposizione di granuli carbonatici prodotti da processi organici e inorganici (allochimici, vedi sotto).
  3. Deposizione di grani carbonatici derivanti da erosione/rimaneggiamento di rocce e sedimenti carbonatici pre-esistenti (carbonati clastici).
  4. Precipitazione chimico-fisica dovuta a processi organici e inorganici o evaporazione.

Questa complessità produce una vasta gamma di tessiture deposizionali nei calcari.

calcare bioclastico

Calcare con fossili di archaeocyatha (spugne fossili) circondato da una matrice a grana fine (micrite). Ajax Limestone, Cambriano Inferiore; Ajax Mine, Australia meridionale. Foto © James St. John.

 

Calcare
Roccia sedimentaria carbonatica
Composizione:
calcite
• aragonite
dolomite
Allochimici:
• granuli scheletrici (fossili)
• ooidi
• pisoidi
• oncoidi
• peloidi
• granuli compositi
• intraclasti
• extraclasti
Ortochimici:
• micrite
• sparite

Varietà:
• calcilutite, calcarenite, calcirudite…
• mudstone, wackestone, packstone, grainstone
• biomicrite, biosparite…
• boundstone…

Riconoscimento dei calcari
I calcari possono essere riconosciuti facilmente grazie alla loro reazione effervescente con l’acido cloridrico (HCl). La calcite e l’aragonite, infatti, reagiscono con HCl diluito in acqua al 10% producendo CO2, secondo la reazione:

CaCO3 +2HCl⇌ CO2+ H2O+CaCl2

Anche la dolomia reagisce con HCl ma a concentrazioni così basse (10%), la reazione è molto lenta e non produce la caratteristica effervescenza (attenzione: la dolomia produce effervescenza con concentrazioni di HCl più concentrate, intorno al 30%). La reazione fra il calcare e l’HCl al 10% rimuove la calcite e l’aragonite, lasciando ogni eventuale residuo insolubile, che può essere costituito da dolomite, quarzo (silice), e/o minerali argillosi. Il quarzo e la dolomite possono essere riconosciuti con una lente: il quarzo è trasparente, mentre la dolomite forma dei piccoli romboedri. La presenza di minerali argillosi rende l’acqua rimasta dalla reazione fangosa.

La maggior parte dei calcari è costituita da materiale cristallino a grana molto fine che quindi tende a rompersi in fratture concoidi, comunemente decorate da patine irregolari di materiale carbonatico. L’aspetto di queste superfici di rottura è simile a quello di rocce silicee come la selce, ma la durezza del calcare è molto più bassa (4 sulla scala di Mohs, più debole del metallo) e le rocce silicee non reagiscono con l’HCl. Gli affioramenti di calcari sono spesso ricoperti da forme carsiche.

reazione del calcare con acido

Reazione fra calcare e acido cloridrico. Foto di Alessandro e Damiano/wikimedia.commons.

frattura concoide del calcare

La superficie fresca di rottura di un calcare mostra tipicamente una frattura concoide. Calcare Massiccio. Avane, Pisa. Foto © Samuele Papeschi/GW.

limestone and chert

Superficie di rottura del calcare (sopra) confrontata con quella della selce (sotto). Le due rocce sono molto simili ma il calcare ha una durezza inferiore e reagisce con HCl. Larghezza: circa 5 cm. Calcare Selcifero. Avane, Pisa.

Componenti dei calcari
Folk (1959, 1962) distinse i componenti dei calcari in due vaste categorie: allochimici ed ortochimici. Gli allochimici (dal Greco allos, ‘estraneo’) sono granuli carbonatici che sono stati trasportati per brevi distance e depositati come clasti dopo la loro formazione. Sono le ‘controparti carbonatiche’ dei clasti delle rocce terrigene. Gli ortochimici sono i componenti formatisi nel sito di deposizione o che hanno subito un trasporto pressoché nullo. Gli ortochimici includono la matrice carbonatica microcristallina o fango carbonatico, detta micrite (< 4 µm diametro), e il cemento cristallino di carbonato di calcio, detto sparite, che cristallizza nelle porosità del calcare.

Allochimici
Granuli scheletrici: sono fossili, frammenti e resti di organismi, noti anche come bioclasti. L’identificazione dell’associazione di organismi in una roccia carbonatica è fondamentale per capire la sua età e le condizioni ambientali in cui si è formata.

Ooidi: granuli rivestiti costituiti da un nucleo e vari strati concentrici di carbonato di calcio con una forma esterna quasi sferica e delle dimensioni massime di 2 mm. Il nucleo di un ooide può essere qualsiasi cosa, da un granello di sabbia al frammento di un organismo. Si formano in ambienti di alta energia soggetti ad onde. Quando le onde trasportano un granulo in acque sature di carbonato di calcio, la diminuzione improvvisa di pressione e il mescolamento tra acqua ed aria promuove la deposizione di uno strato di carbonato di calcio. Il processo continua, onda dopo onda, producendo diversi strati. Quando il granulo diventa abbastanza grande (circa 2 mm), le onde non sono più in grado di trasportarlo in sospensione e il processo di rivestimento in strati successivi si ferma. Per questo motivo, gli ooidi hanno quasi tutti le stesse dimensioni nei sedimenti carbonatici. Gli ooidi si formano in acque basse a profondità inferiori ai 5 metri.

Pisoidi: sono un altro tipo di granuli rivestiti che si forma attorno ad un nucleo e morfologicamente sono molto simili agli ooidi. Tuttavia, i pisoidi sono più grandi e possono raggiungere diversi centimetri diametro. Si formano per vari processi, come precipitazione chimico-fisica in ambienti carsici (perle di grotta) o fluttuazioni della tavola d’acqua nel terreno.

Oncoidi: sono strutture concentriche che possono raggiungere diversi centimetri di diametro e si formano per incrostazione di alghe causata dalla fotosintesi. Gli oncoidi sono diversi dagli ooidi e dai pisoidi perché sono fortemente irregolari e possono contenere cavità (dove viveva il tappeto algale), eventualmente riempire da sparite o micrite. Molti oncoidi possono rotolare o rompersi mentre sono sul fondale marino a causa di correnti o onde, producendo delle ‘pallette’ irregolari. La loro presenza indica un’ambiente di formazione nella zona fotica (acque basse).

Peloidi: sono aggregati di carbonato a grana fine (0.1 – 0.5 mm) senza una chiara struttura interna e con forma da sferica a irregolare. Si formano per vari processi. Alcuni sono particelle fecali, mentre altri derivano dalla micritizzazione di altri granuli rivestiti. Si formano in acque poco profonde a bassa energia.

Granuli compositi: si formano quando diversi granuli si incollano gli uni agli altri, producendo aggregati o masse di più granuli (grapestones, botroidi). In generale, questi aggregati si formano a causa di organismi incrostanti che legano assieme diversi granuli in acque basse con correnti deboli.

Clasti di calcare: i calcari possono contenere intraclasti ed extraclasti. Gli intraclasti sono frammenti di materiale carbonatico derivanti dalla stessa formazione sedimentaria in cui si ritrovano. Si possono riconoscere confrontando la loro tessitura con quella della roccia che li contiene. Ci sono vari processi che li possono formare. Per esempio, correnti o maree possono trasportare frammenti di fango carbonatico parzialmente litificato e ridepositarlo nello stesso ambiente. Gli extraclasti, invece, derivano da fuori dal bacino sedimentario in cui si sono depositati. Mostrano, quindi, tessiture diverse se confrontati con quelle della roccia nella quale si ritrovano.

Ortochimici
Micrite
(matrice): è la frazione a grana fine (< 4 µm) di una roccia carbonatica, costituita da fango carbonatico consolidato. Nei campioni a mano, è il materiale indistinguibile, spento e opaco, fra i granuli (nota: alcune rocce consistono interamente di micrite). Al microscopio, è un materiale spento brunastro a malapena in grado di polarizzare la luce. La micrite consiste di calcite e aragonite e si forma in parte per disintegrazione fisica e biologica di altri granuli e per precipitazione chimico-fisica. In ambienti carbonatici, i granuli carbonatici producono micrite quando sono abrasi l’uno contro l’altro o quando si dissolvono in acqua. Molti organismi contribuiscono attivamente alla produzione di micrite e alla disintegrazione di granuli carbonatici, per esempio perforando conchiglie e altro materiale carbonatico. Molte alghe contengono minuti aghi di aragonite che si disperdono nel sedimento quando l’alga muore. In ambienti marini profondi, la micrite è costituite inoltre dai resti di organismi a guscio carbonatico microscopici (nannoplancton). La deposizione della micrite è possibile solo in ambienti a bassa energia.

Sparite (cemento): prodotto dalla precipitazione di carbonato di calcio nelle porosità di una roccia carbonatica. Nei campioni a mano e con l’aiuto di una lente, la sparite è riconoscibile come un materiale cristallino, a volte trasparente. La sparite si può anche formare per ricristallizzazione di micrite originaria. Pertanto, è necessario usare un microscopio per riconoscere la sparite primaria (cemento) dalla sparite secondaria (microsparite).

Classificazione dei calcari

Classificazione basata sulla granulometria
Grabau (1903, 1904) propose una classificazione dei calcari basata sulla granulometria, simile a quella delle rocce terrigene. Questa classificazione considera solo le dimensioni dei componenti delle rocce carbonatiche, indipendentemente dalla loro origine, definendo tre tipi di calcari:

Calcirudite: costituita da granuli > 2 mm (detrito carbonatico), rappresenta l’analogo carbonatico di un conglomerato. La maggior parte degli autori usa il termine calcirudite indipendentemente dall’arrotondamento dei granuli, mentre alcuni autori usano breccia carbonatica in riferimento ad un calcare a granulometria ruditica con clasti spigolosi.

Calcarenite: un calcare con granuli carbonatici delle dimensioni della sabbia (0.0625 – 2 mm; sabbia carbonatica).

Calcilutite: un calcare a grana fine (< 0.0625 mm; fango carbonatico). Alcuni autori suddividono le calcilutiti in calcisiltiti (0.004 – 0.0625 mm) e micriti (< 0.004 mm).

classificazione calcari Grabau

Pro e contro:
– facile da usare sul terreno
– non richiede alcuna conoscenza dei componenti della roccia
– utile per depositi carbonatici rimaneggiati e rideposti (es. calciturbidites)
– non fornisce nessuna informazione sui componenti della roccia

Classificazione di Dunham
Dunham (1962) classifica le rocce carbonatiche sulla base della loro tessitura e sulla presenza di fango/micrite. Questa classificazione richiede il riconoscimento di tessitura matrice-sostenute, granulo-sostenute e massive, definendo cinque classi di rocce.

Mudstone: un calcare con meno del 10% di granuli (allochimici) rispetto alla micrite. Tipici di ambienti di bassa energia.
Wackestone: un calcare con granuli > 10%, circondati da micrite (matrice-sostenuto).
Packstone: un calcare granulo-sostenuto in cui gli interstizi tra i granuli sono riempiti da micrite.
Grainstone: un calcare granulo-sostenuto con micrite/fango scarsi o assenti. La porosità può essere vuota o riempita da sparite. I grainstone si formano solo in ambienti di alta energia (spiagge, scogliere ecc.)
Boundstone: un termine collettivo per tutti i calcari massivi costruiti da organismi costruttori di scogliere (coralli, stromatoliti, briozoi, ecc.) e la cui tessitura è il risultato dell’attività biologica di questi organismi, che hanno costruito attivamente parti scheletriche e hanno legato assieme vari componenti mentre erano in vita (pensate alla Grande Barriera Corallina).

Nota: non esistono termini italiani equivalenti ai termini inglesi della classificazione originaria.

classificazione calcari Dunham

Pro e contro:
– fornisce informazioni sulla tessitura deposizionale di una roccia
– adatta a descrizioni di terreno o su campioni a mano
– nessun informazione sui componenti della roccia

Classificazione di Folk
Le classificazioni di Folk (1959, 1962), modificate da Kendall (2005), considerano la tessitura e i componenti delle rocce carbonatiche. Alla roccia carbonatica viene assegnata la desinenza -sparite se contiene più del 50% di sparite (cemento) rispetto alla micrite e -micrite se contiene più del 50% di micrite (fango) rispetto alla sparite. La roccia è quindi classificata in base all’allochimico dominante, es: biosparite se contiene bioclasti e >50% di sparite, oomicrite se contiene ooidi e >50% di micrite, e così via. Stando a questa classificazione, una micrite è una roccia senza allochimici (solo fango carbonatico), mentre una dismicrite contiene micrite e aggregati sparsi di sparite. La boundstone di Dunham corrisponde alla biolithite nella classificazione di Folk.

classificazione calcari Folk

La classificazione può essere rifinita basandoci sulla proporzione di allochimici e la percentuale di micrite e sparite. Il diagramma qui sotto mostra un esempio per una biomicrite/biosparite.

Nota: non esisterebbe una classificazione italiana di questo schema, che è quindi basato su una mia traduzione libera. L’originale è visibile alla pagina inglese corrispondente, qui.

classificazione tessiturale carbonati Folk

Pro e contro:
-classificazione densa di informazioni tessiturali e composizionali
-richiede un microscopio (non adatta a descrizioni di terreno o su campioni a mani)*
*con un po’ di pazienza si può riuscire a usarla sul terreno

Classificazione di Embry & Klovan
Dunham’s and Folk’s classification do not classify boundstones (or biolithites). The classification of Embry & Klovan (1971) expanded the classification by Dunham to include other five categories divided in allochtonous rocks, with > 10% grains of  > 2 mm grain size that were not bound together at deposition, and autochthonous rocks, formed by components bound together at deposition.

Floatstone: calcare matrice-sostenuto con granuli > 2 mm. È l’equivalente a grana grossa della wackestone di Dunham.
Rudstone: calcare granulo-sostenuto con granuli > 2 mm. È l’equivalente a grana grossa della grainstone e della packstone di Dunham.
Bafflestone: un boundstone costituito da organismi che intrappolano sedimento carbonatico agendo come barriere.
Bindstone: un tipo di boundstone prodotto da organismi incrostanti che intrappolano del sedimento in strati (es: stromatoliti).
Framestone: è costituita da una rete di strutture costruite da organismi che intrappolano i sedimenti in cavità (es: barriere coralline).

classificazione calcari di scogliera Embry & Klovan

Classificazione dei carbonati cristallini
I carbonati sono fra i minerali che più facilmente ricristallizzano durante il seppellimento e la diagenesi del sedimento, talora molto rapidamente dopo la deposizione. La ricristallizzazione distrugge le originarie tessiture sedimentarie, inclusi la sparite, la micrite e gli allochimici, sviluppando calcari cristallini la cui tessitura testimonia questo processo. Qui riporto lo schema classificativo di queste rocce di Friedman (1965), che considera le tessiture e le dimensioni relative dei cristalli. Altri schemi classificativi considerano anche la grana.

classificazione calcari cristallini Friedman

Ma allora? Che classificazione uso?
A parte per alcuni schemi classificativi che possono essere usati per rocce specifiche, come ad esempio quello di Embry & Klovan per i calcari di scogliera e quello di Friedman (o altri simili) per i calcari cristallini, la risposta è: dipende. Una classificazione dei calcari basata sulla granulometria (Grabau) è utile per calcari prodotti da processi fisici, come le brecce di scarpata o le calcitorbiditi. In questo caso, infatti, la tessitura del calcare è il risultato di correnti o altri processi e il riconoscimento di allochimici e fossili è utile solo per ottenere informazione sull’area di alimentazione. Al contrario, le classificazioni di Dunham e Folk sono molto utili per i carbonati marini, la cui tessitura è il risultato tanto di processi fisici quanto di processi biologici, il cui riconoscimento ci permette di capire l’ambiente sedimentario in cui si sono formati. Ogni classificazione ha i suoi pro e contro. Quella di Dunham è facile da usare anche sul terreno, mentre quella di Folk, seppur più precisa, richiede spesso l’utilizzo di un microscopio da petrografia, per poter identificare tutti i componenti di un calcare.

Dunham vs Folk

Esempi di calcare

calcare nummulitico

Blocco di calcare con fossili di macroforaminiferi bentonici. I fossili sono in contatto tra loro e circondati da una matrice a grana fine (micrite). Pertanto, la roccia si può classificare come un packstone (secondo Dunham) o una biomicrite (secondo Folk). Mura di Girona, Catalogna, Spagna. Foto © Samuele Papeschi/GW. [vedi post]

calcare ooidico

Calcare ooidico costituito da granuli sferoidali (ooidi) circondati da cemento cristallino (luccicante e semi-trasparente). Questa roccia può essere classificata come un grainstone (Dunham) o una oosparite (Folk). Salem Limestone, Indiana, Stati Uniti. Foto © James St. John.

calcare stromatolitico

Calcare stromatolitico costruito dall’attività di feltri algali di cianobatteri che intrappolavano particelle di sedimento carbonatico, strato dopo strato. Questo è un esempio di boundstone (Dunham) o biolitite (Folk). Questa roccia può essere ulteriormente classificata come bindstone, seguendo Embry & Klovan. Wirrapowie Limestone, Cambriano inferiore, Australia. Foto © James St. John.

calcare fossilifero

Calcare fossilifero con fossili di brachiopodi, frammenti di trilobiti e crinoidi, calchi di bivalvi e briozoi. La maggior parte dei fossili non sono in contatto, perciò questa roccia può essere classificata come wackestone (Dunham) o biomicrite (Folk). Kope Formation, Ordoviciano Superiore. Kenton County, Kentucky, Stati Uniti. Foto © James St. John.

calcare micritico

La maggior parte dei calcari ha una grana troppo fine per osservare i loro componenti. Si tratta di calcari micritici (Dunham: mudstone; Folk: micrite). Mill Knob Member, Slade Formation. Kentucky, Stati Uniti. Foto © Jamest St. John.

calcare dismicritico

Dismicrite. Un calcare micritico con zone con cemento diagenetico. Larghezza: circa 9,9 cm. Nineveh Limestone, Permiano Inferiore. Monroe County, Ohio, Stati Uniti. Foto © James St. John.

Riferimenti bibliografici
Adams, A.E., & McKenzie, W.S. (1998). A color atlas of carbonate sediments and rocks under the microscope. Wiley, 1st edition.
Dunham, R. J. (1962). Classification of carbonate Rocks according to depositional texture. In: Ham, W. E. (ed.), Classification of carbonate Rocks: American Association of Petroleum Geologists Memoir, p. 108-121.
Flugel, E., & Flügel, E. (2004). Microfacies of carbonate rocks: analysis, interpretation and application. Springer Science & Business Media.
Folk, R.L. (1959). Practical petrographic classification of limestones: American Association of Petroleum Geologists Bulletin, v. 43, p. 1-38.
Folk, R.L. (1962). Spectral subdivision of limestone types, in Ham, W.E., ed., Classification of carbonate Rocks-A Symposium: American Association of Petroleum Geologists Memoir 1, p. 62-84.
James, N. P., & Jones, B. (2015). Origin of carbonate sedimentary rocks. John Wiley & Sons.
Murray, R. C. (1960). Origin of porosity in carbonate rocks. Journal of Sedimentary Research30(1), 59-84.
Scholle, P. A. & Ulmer-Scholle, D. S. (2003). A Color Guide to the Petrography of carbonate Rocks: AAPG Memoir 77, 474 p.
Scholle, P. A., Bebout, D. G., & Moore, C. H. (Eds.). (1983). Carbonate depositional environments: AAPG Memoir 33 (No. 33). AAPG.

        

Vedi anche
Limestone – Sandatlas.org
Dolomite rock – Sandatlas.org
SEPM Strata
Tulane – Carbonate Rocks
Limestone Cycle – School Movie on Chemistry

Risorse in Italiano
Geologia del Sedimentario. Tucker, 1953.
Rocce Sedimentarie. Tucker, 2010.
Lezioni di Geologia Stratigrafica. Bruno Accordi, 1984.

en_US English
Minerali Detritici e Autigenici
Tessiture
Strutture Sedimentarie
Fossili
Rocce Sedimentarie
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