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Geology is the Way

Correnti torbiditiche e torbiditi

Esempio di architetture deposizionali associate a correnti torbiditiche e debris flows. Crediti: Mikesclark (wikimedia.org)

Le correnti torbiditiche sono flussi gravitativi sottomarini innescati dallo scivolamento di sedimenti su un piano inclinato. Sono fenomeni tipici di ambiente marino profondo, in prossimità di scarpate continentali, ma si possono verificare anche in laghi e ambienti costieri o essere legate a sedimentazione in ambienti profondi vicini a piattaforme carbonatiche. La loro formazione richiede la presenza di accumuli importanti di sedimenti poco consolidati in prossimità di una scarpata, ad esempio vicino ad una foce deltizia. Una volta innescate, le correnti torbiditiche sono in grado di distribuire milioni di metri cubi di sedimenti sul fondale marino per decine fino a centinaia di km sul fondale marino, formando delle conoidi sottomarine. Il prodotto litificato di una corrente torbiditica è una torbidite, ovvero uno strato gradato più grossolano alla base e a granulometria più fine alla sommità (conglomerati e arenarie grossolane fino a peliti).

Che cosa sono le correnti torbidiche?
Le correnti torbidiche si originano quando sedimenti clastici ricchi in acqua sono destabilizzati, per esempio da una frana sottomarina, ed iniziano a muoversi verso il basso lungo una scarpata in ambiente sottomarino. Mentre il sedimento scivola sul fondale marino, incorpora acqua e perde progressivamente coesione, divenendo un miscuglio di acqua e sedimenti sospesi che si muovono assieme in un flusso di densità. Forse, il modo migliore per capire cos’è una corrente torbidica è osservarne una ricreata in laboratorio (fonte: Western Washington University):

Come si può vedere, le correnti torbidiche sono diverse da altri movimenti gravitativi come frane, che si arrestano quando il pendio (e quindi l’effetto della gravità) finisce. Le correnti torbiditiche sono flussi di densità mosse dalla differenza di densità fra la sospensione turbolenta di acqua e sedimento e la circostante acqua marina. Per questa ragione possono viaggiare sul fondale marino per decine e centinaia di km a velocità fra 10 e 30 km/h prima di fermarsi. Una storia interessante che ha permesso anni dopo di comprendere l’esistenza di questi fenomeni è legata al terremoto di magnitudo M 7.1 che colpì il Terranova il 18 Novembre del 1929. Dopo il terremoto, i cavi del telegrafo sul fondo dell’Atlantico iniziarono ad essere tranciati, uno dopo l’altro, per le successive 13 ore e 17 minuti, fino a centinaia di km di distanza dall’epicentro del sisma. All’epoca, i geologi ipotizzarono che questo fosse dovuto a una faglia che continuava a propagarsi. Oggi sappiamo che il terremoto aveva innescato una frana sottomarina che aveva prodotto una corrente torbiditica che, viaggiando sul fondale dell’Atlantico, aveva interrotto tutte le comunicazioni via cavo. Potete leggere questa storia in dettaglio su Earth Magazine.

Log sedimentario di una torbidite che mostra la classica sequenza di Bouma (ridisegnato a partire da Bouma, 1962).

Torbiditi e sequenza di Bouma
Le torbiditi sono state descritte per la prima volta sul terreno da Arnold H. Bouma (1962), che definì quella che noi oggi chiamiamo sequenza di Bouma in successioni sedimentarie di mare profondo. Bouma riconobbe che molti degli strati che stava studiando mostravano degli intervalli caratteristici con strutture omogenee. In particolare, riconobbe cinque intervalli distinti dalla base al tetto della torbidite:

A – intervallo gradato con particelle da ghiaia a sabbia prive di ogni struttura, che inizia con una superficie erosionale
B – arenaria con stratificazione piano-parallela
C – arenaria con laminazione incrociata e convoluta
D – silt e peliti laminate
E – peliti da laminate a omogenee

L’interpretazione di questa struttura è legata al progressivo decremento di velocità delle torbiditi mentre viaggiano sul fondale marino. Quando la corrente torbiditica non è più abbastanza veloce da mantenere tutto il suo carico sedimentario in sospensione turbolenta, i grani più grossolani iniziano a depositarsi in massa generando il primo livello gradato (A). Sabbie più fini continuano a muoversi per trazione mentre c’è ancora una corrente attiva che sta rallentando: questo produce dapprima un livello a laminazione piano parallela (B), quindi strutture da laminazione incrociata da ripples e climbing ripples (C). Silt e fango laminati (D) si depositano quando il flusso è ormai molto lento e vicino ad arrestarsi. Infine, il livello E si deposita quando la corrente è terminata e le particelle di fango rimaste sospese in acqua iniziano a decantare lentamente. Per questo motivo, mentre i livelli da A a D rappresentano un singolo evento che si verifica nel giro di qualche ora, il livello E contiene sia il fango deposto dalla coda della torbidite che la lenta sedimentazione pelagica di fango dalla colonna d’acqua che avviene tra un evento torbiditico e il successivo. L’architettura così formata mostra una generale sequenza fining upward, con sedimenti che sono progressivamente più fini verso il tetto come risultato del graduale decremento di velocità ed energia del flusso.

Sequenza gradata (fining-upward) di arenaria, che passa da sabbia grossolana, in basso, a sabbia fine al tetto (livello A di Bouma). Cala del Leone, Quercianella, Italia. Foto Samuele Papeschi/Geology is the Way.

Livelli di Bouma A, B, C, & D in una torbidite dalla formazione Cretacica di Pigeon Point, Pescadero Beach, California, Stati Uniti. Foto di Mikesclark.

Torbidite con base gradata (A), livello laminato (B), e laminazione convoluta al tetto (C). La base della torbidite è il livello scuro vicino alla parte inferiore dell’immagine, dove sono visibili delle strutture di carico. Cozy Dell Formation, Eocene. Tapatopa Mountains, Ventura Co., California, Stati Uniti. Foto di Mikesclark.

Sequenza di Bouma completa fotografata nelle torbiditi del Devoniano Superiore del Rheinisches Schiefergebirge, che mostra stratificazione gradata con al tetto laminazione convoluta. (Nehden formation, cava Becke-Oese, Menden, Arnsberg, Germania). Foto di Jo Weber.
Dettaglio della transizione da livello B (laminazione piano parallela) al livello C (laminazione convoluta) nella serie di Bouma. Foto Samuele Papeschi/Geology is the Way.

Tipi di flussi torbiditici e depositi associati. Ridisegnato da Mulder & Alexander (2001).

Altri tipi di torbiditi
Le torbiditi in natura mostrano una gran varietà di strutture oltre alla serie di Bouma. In primo luogo, la serie di Bouma stessa può essere incompleta, dal momento che alcune classi granulometriche possono essere assenti e non sviluppare i livelli associati. Più in generale inoltre, le misture di acqua e sedimenti possono produrre una vasta gamma di flussi di densità con diversa viscosità e meccanismo che permettono il movimento della mistura. Infine, le torbiditi possono evolvere incorporando più acqua mentre si muovono e questo causa variazioni laterali di facies e strutture.

I debris flows (che non sono flussi torbiditici) sono flussi coesivi in cui i sedimenti si muovono sospesi in una matrice sabbiosa/fangosa, il che produce depositi massivi, caotici e poco organizzati. Quando un certo quantitativo d’acqua inizia ad essere presente nel sedimento in movimento, l’acqua si infiltra tra i granuli riducendo la resistenza della matrice e rendendo il flusso non coesivo. Correnti ad alta densità come i flussi iperconcentrati e concentrati sono sostenuti dalla spinta al galleggiamento e dalle interazioni granulo-granulo. La loro viscosità relativamente elevata non permette lo sviluppo di sequenze di Bouma, dal momento che le varie granulometrie non sono completamente libere di separarsi all’interno del flusso. I flussi iperconcentrati sono ancora caotici e poco organizzati, mentre flussi concentrati possono mostrare strati gradati (fino ad un certo punto), con livelli a laminazione piano parallela e incrociata al tetto, anche se la separazione delle varie classi granulometriche non è perfetta. Le correnti torbiditiche in senso stretto sono flussi a bassa densità che possono sviluppare sequenze di Bouma o flussi di tipo surge (quando sono sedimenti molto fini sono disponibili), dal momento che il contenuto d’acqua elevato permette ai sedimenti di organizzarsi e muoversi più liberamente, mentre sono in sospensione turbolenta.

Debrite: un deposito caotico costituito da blocchi in una matrice fangosa. Questo accumulo è prodotto da debris flow. Black Mill Bay. Isola di Luing, Scozia. Foto di Anne Burgess via Geograph.uk.

Spesso deposito di flusso concentrato che mostra una sequenza laminata di arenaria a grana grossa alla base che passa ad arenarie massive al tetto. Le superfici ondulate sono dish structures, prodotte da successiva deformazione (liquefazione) del sedimento. Talara, Perù. Foto di Zoltan Sylvester via wikimedia.org.

Dettaglio della base di un flusso di densità concentrato, che mostra una grossolana gradazione da conglomerato (base) ad arenaria (tetto). Granuli di ghiaia sono ancora mescolati con la sabbia. Il contatto con le argilliti (interstrato E) della torbidite sottostante è ben visibile. Cala del Leone, Quercianella, Italia. Foto Samuele Papeschi/Geology is the Way.

Questo strato, prodotto da un flusso di densità iperconcentrato, non mostra alcuna gradazione. I granuli di ghiaia sono ancora ben mescolati con particelle della granulometria della sabbia. L’accoppiamento con le sottostanti arenarie a grana fine è forse il risultato di amalgamazione. Foto Samuele Papeschi/Geology is the Way.

Arenaria poco classata che contiene ancora granuli di ghiaia. Flusso di densità concentrato da Cala del Leone, Quercianella, Italia. Foto Samuele Papeschi/Geology is the Way.

Torbiditi ed erosione
Correnti torbiditiche e flussi di densità associati mostrano comunemente delle superfici erosionali alla base. Questo avviene perché le correnti, che viaggiano sul fondale marino a velocità sostenuta, hanno energia sufficiente per erodere gli strati sottostanti. Le peliti interstrato (livello E di Bouma) sono spesso vittime di processi erosivi e rip-up clasts di argilliti e siltiti, strappati dal fondale, possono essere incorporate nello strato sovrastante. Canali e troncature erosionali possono svilupparsi alla base delle torbiditi, il che porta a complesse architetture deposizionali caratterizzati da strati di arenarie amalgamate.

Contatto erosionale: la torbidite al tetto ha eroso il livello sottostante. La troncatura erosionale è ben visibile. Cala del Leone, Quercianella, Italia.
Amalgamazione tra due strati di arenaria, separati da un contatto erosionale. Cala del Leone, Quercianella, Italia.
Riempimenti di canale e complesse strutture di amalgamazione in più strati di torbiditi. Quanti strati ci sono? Cala del Leone, Quercianella, Italia. Nota: molti clay chip (o soft clast o rip-up clasts) sono ben visibili.

Soft-sediment deformation
Dal momento che le torbiditi depositano sedimenti saturi in acqua, la successiva compattazione del sedimento in roccia causa espulsione d’acqua verso l’alto. La presenza di sequenze di sabbia (permeabile) e fango (impermeabile) forma delle barriere per l’acqua che cerca di fuoriuscire dal sedimento e che finisce così per accumularsi al tetto della torbidite. È qui che il sedimento, saturo in acqua, inizia a liquefarsi e le strutture sedimentarie originarie vengono distorte. La laminazione convoluta che si trova così frequentemente al tetto delle torbiditi ne è un esempio ed è il risultato della ‘distorsione’ di originarie lamine incrociate o piano-parallele. Altre strutture comuni sono dish, flame, e ball-and-pillow structures.

Deformazione sinsedimentaria da liquefazione (flame structures) in torbiditi dal SE della Spagna. Foto di Dan Hobley via wikimedia.

Dish structure in torbidite dalla California Settentrionale. Foto di Zoltan Sylvester via wikimedia.org.

Riferimenti bibliografici
Bouma, A. H. (1962). Sedimentology of some flysch deposits. Agraphic approach to facies interpretation168.
Lowe, D. R. (1982). Sediment gravity flows; II, Depositional models with special reference to the deposits of high-density turbidity currents. Journal of sedimentary research52(1), 279-297.
Mulder, T., & Alexander, J. (2001). The physical character of subaqueous sedimentary density flows and their deposits. Sedimentology48(2), 269-299.
Mutti et al. (2003). Deltaic, mixed and turbidite sedimentation of ancient foreland basins. Marine and Petroleum Geology, 20(6-8), 733-755.

        

Risorse in Italiano
Torbiditi – Alexstrekeisen.it
Atlante delle Rocce Sedimentarie al Microscopio. Zanichelli.
Rocce Sedimentarie – Tucker.

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