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Geology is the Way

Forme di fondo: ripples e dune

increspature nella sabbia

Increspature di sabbia, o ripples, formatisi sulla costa di Broad Bay a First Landing State Park, Virginia, Stati Uniti. Foto di vastateparkstaff via wikipedia.

I ripples, le dune, le antidune sono tutte forme di fondo, strutture che si formano nella sabbia quando viene spostata dall’acqua o dal vento. Le forme di fondo si trovano pressoché ovunque sul nostro pianeta. È molto comune osservare delle increspature ondulate nella sabbia – dette ripples – in acque poco profonde vicino alle spiagge o sulle sponde di un fiume. E i deserti, sono anch’essi comunemente coperti da grosse dune di sabbia, a loro volta costellate da increspature di sabbia più piccole, tutte strutture prodotte dal vento. Tutte queste strutture hanno un forte potenziale di preservazione e possono preservarsi nelle rocce sedimentarie, sia come ripple marks fossili, visibili sulla superficie degli strati, o, più comunemente, sotto forma di stratificazione incrociata, strati e lamine inclinati che rappresentano sezioni attraverso forme di fondo che migravano nel passato.

Uno dei principi fondamentali della geologia è che il presente è la chiave del passato. Nel caso delle forme di fondo, questo significa che possiamo studiare le forme di fondo che si formano attualmente sul nostro pianeta per capire come apparivano gli ambienti sedimentari del passato, grazie alle strutture che sono preservate nelle rocce sedimentarie. In particolare, le forme di fondo raccontano in modo accurato qual era la direzione e l’intensità delle correnti che agivano sui sedimenti nel passato.

Che cosa sono i ripples?
I ripples, in italiano chiamati increspature nella sabbia, sono strutture ondulatorie prodotte da una corrente (acqua o vento) sulla superficie di un sedimento sabbioso. In geologia esistono diversi tipi di ripples: ripples o ripple marks a scala di alcuni centimetri, megaripples più alti di 5 cm, e dune di sabbia, che sono strutture grandi, alte diversi metri fino a decine di metri. Tutte queste strutture sono in generale note come forme di fondo, perché si formano sul fondo di un bacino al contatto tra un sedimento e l’aria o l’acqua. Quando i ripples (o altre forme di fondo) sono prodotte da una corrente unidirezionale, la loro forma è asimmetrica, con un lato più ripido e uno meno acclive. Al contrario, le correnti oscillatorie, le onde, producono spesso ripples simmetrici.
Le forme di fondo si possono formare solo nella sabbia o in sedimenti ricchi in sabbia perché i sedimenti fangosi, a grana più fine, vengono trasportati in sospensione dall’acqua e dal vento, mentre la sabbia viene trasportata perlopiù per saltazione o trascinamento all’interfaccia tra l’acqua (o l’aria) e il sedimento. Questo crea un’interazione tra la corrente e il sedimento sottostante che modella la superficie del sedimento, producendo forme che sono controllate dalla velocità della corrente, la profondità, la granulometria, e la direzione del flusso. Diversi tipi di forme di fondo si formano al variare di questi parametri.

dune di sabbia coperte da ripples

Dune di sabbia coperte da increspature più piccole (ripples). Death Valley, California, Stati Uniti. Foto di Jeff Sullivan.

Formazione dei ripples asimmetrici
I ripples asimmetrici si formano al contatto tra l’aria/l’acqua e il sedimento trascinato da una corrente unidirezionale. Gli stadi iniziali della formazione dei ripples non sono ben compresi. In generale, l’erosione del sedimento forma una superficie non piana con piccole depressioni e rilievi, che disturbano il flusso della corrente. La corrente accelera dove sono presenti i rilievi ed inizia a spingerli in avanti: presto queste strutture iniziano a migrare raggiungendo una forma stabile con una caratteristica lunghezza d’onda (distanza fra la cresta di un ripple e quella successiva) che dipende dalla velocità della corrente. Può suonare semplice, in linea di principio, ma la descrizione matematica dei ripples è tutt’altro che semplice! I ripples sono strutture che si auto-organizzano e, quando iniziano a formarsi in un sedimento, raggiungeranno una geometria, forma, altezza caratteristiche in funzione delle condizioni fisiche a cui si sono formati.

Formazione dei ripples asimmetrici

La forma stabile dei ripples prodotta da una corrente unidirezionale è caratterizzata da uno stoss side (lato sopravento), meno inclinato e pendente in direzione opposta rispetto alla corrente, e un lee side (lato sottovento), più acclive ed inclinato a favore del flusso. Il lee side è di solito inclinato all’angolo critico di riposo del sedimento. Il sedimento viene spinto in avanti erodendo lo stoss side del ripple e ridepositandolo sul lee side, dove la rapida espansione del flusso permette la deposizione del sedimento. Il lee side si accresce con del nuovo sedimento che discende dalla cresta del ripple o viene deposto dal flusso inverso (o di ritorno) della corrente che si forma nelle depressioni fra ripples successivi. Ecco un video di Michael Calzi che mostra il processo di migrazione dei ripples:

Ecco invece un esempio con dei ripples eolici:

La struttura interna dei ripples è caratterizzata da lamine del foreset che pendono nella direzione del flusso e sono quindi utili indicatori di paleocorrente quando si osservano ripple marks fossili o la stratificazione incrociata preservata nelle rocce. Lamine minori si possono formare anche parallelamente allo stoss side ma la loro preservazione è difficoltosa perché sono soggette ad erosione. I ripples possono infine mostrare lamine sul bottom set (parallele alla base) o una terminazione tangenziale delle lamine del foreset alla base del ripple. Queste strutture si formano perché il flusso di ritorno può depositare una lamina orizzontale di fronte al ripple o perché la sabbia che discende dalla cresta del ripple può rotolare oltre il lee side nella depressione fra due ripples consecutivi. Ad ogni modo, queste strutture si trovano solo alla base del ripple e sono quindi utili indicatori di polarità delle rocce sedimentarie, quando si ha a che fare con sequenze inclinate o deformate.

Dai ripples ai megaripples e al fondo piano
Il parametro principale che controlla le forme di fondo è la velocità della corrente. La corrente deve dapprima raggiungere una velocità critica, oltre la quale il movimento delle particelle del sedimento è possibile. Quando la velocità critica viene raggiunta, il sedimento inizia a muoversi per trazione e i ripples iniziano a formarsi.

 

Regimi di flusso

Le prime strutture che si formano sono piccoli ripples ondulatori con un’altezza di alcuni centimetri. All’aumentare della velocità della corrente, si formano i megaripples. I megaripples sono strutture a scala metrica con altezza maggiore di 5 cm e grande lunghezza d’onda che possono essere coperti da ripples più piccoli. La struttura interna dei megaripples è identica a quella dei ripples.

A velocità più elevate, la corrente è così rapida da non permettere più la formazione dei ripples e producendo un fondo piano, su cui i granuli di sabbia si muovono per trazione. In sedimentologia, questo marca la transizione tra il cosiddetto regime di flusso inferiore e il regime di flusso superiore. La struttura sedimentaria che si forma a queste condizioni è una laminazione piano parallela. Un’altra struttura che si forma nel regime di flusso superiore sono le antidune, forme di fondo molto piccole che, contrariamente ai ripples, migrano in direzione opposta alla direzione della corrente. Non ci sono antidune fossili note nel record geologico perché il potenziale di preservazione di queste strutture è estremamente basso.

Formazione delle dune
Duna di sabbia in formazione attorno ad un ostacolo

Le dune sono significativamente più grandi dei ripples ma la loro struttura interna e modalità di migrazione non è differente. Dune molto grandi sono comuni nei deserti, dove possono crescere praticamente indisturbate in altezza, al contrario dei ripples che si sviluppano in acqua, la cui altezza è controllata dalla profondità. Un altro ambiente che tipicamente presenta dune sono le spiagge, nella porzione più interna, dove il vento rielabora la sabbia deposta dai processi costieri. Gli stadi iniziali di formazione delle dune sono legati alla presenza di ostacoli, come massi o piante. Quando il vento che trasporta la sabbia incontra un ostacolo, i vettori di flusso si rompono e si separano, producendo un locale flusso turbolento con aree dove la sabbia viene rimossa ed altre dove invece viene depositata. Eventualmente, il processo produce un piccolo accumulo di sabbia attorno all’ostacolo, che diventa il nucleo della duna. Una volta che questo accumulo si è formato, come per i ripples, la duna inizia a migrare mentre la sabbia viene erosa dallo stoss side e depositata sul lee side, spingendo la duna in avanti.

dune embrionali

Stadi iniziali di formazione di dune, iniziate dalla deposizione di sabbia nel lato sottovento di ostacoli (vegetazione). Foto di Hugh Venables.

Geometria di ripples e dune
La geometria delle creste dei ripples dipende fortemente dalla velocità della corrente e la profondità dell’acqua in cui si formano.

Geometria dei ripples

In generale, i ripples con creste rettilinee sono più stabili a basse velocità della corrente o a profondità relativamente più elevata. Sono prodotti comunemente anche dal vento. I ripples rettilinei (o, a scala più grande, dune) sono legati alla formazione di stratificazione incrociata planare. A velocità di flusso più elevate o profondità più bassa, le creste dei ripples diventano progressivamente più sinuose, quindi a catenaria (a forma di catena flessibile fissata a dei pali, come la lettera greca ω) e, infine, altamente irregolari (linguoidi, a forma di lingua, o lunati, a forma di luna nascente). La differenza fra i ripples linguoidi e quelli lunati sta nell’orientazione della concavità, opposta alla direzione della corrente nei ripples linguoidi o a favore di essa nei ripples lunati. I ripples irregolari producono depositi caratterizzati da stratificazione incrociata concava. A velocità di flusso più elevate o profondità ancora minori, i ripples non si possono formare e la forma di fondo dominante è il fondo piano che produce una laminazione piano parallela.

formazione della stratificazione incrociata planare

Formazione di stratificazioni incrociate planari per migrazione di ripples rettilinei. La freccia indica la direzione della corrente. Modificato da Reineck & Singh, 1975.

formazione della stratificazione incrociata concava

Formazione di stratificazione incrociata concava causata dalla migrazione di ripples con creste irregolari. La freccia indica la direzione della corrente. Modificato da Reineck & Singh, 1975.

Ripples asimmetrici

Ripples asimmetrici sulla sabbia in un canale di retro spiaggia, con forme transizionali da ripples rettilinei a ripples sinuosi e a catenaria. Florida, Stati Uniti. Foto by James St. John.

ripples linguoidi

Ripples linguoidi nella sabbia dell’estuario del fiume Urdaibai (Paesi Baschi, Spagna). Foto di Kol35.

Ripple marks

Ripple marks asimmetrici in arenaria a grana fine. Triassic inferiore, Groenlandia Nord-Orientale. Foto di SSP Division European Geosciences Union.

Ripples romboidi
La geometria e la forma dei ripples è fortemente influenzata non soltanto dalla velocità, ma anche dalla profondità dell’acqua che li produce. I ripples romboidi sono ripples molto piccoli con altezza limitata (pochi mm) prodotti in acque molto poco profonde (alcuni mm fino ad alcuni cm). Sono comuni sulle spiagge, dove si formano quando le onde riescono a superare la berma (la piccola altura che separa la battigia dalla parte più interna della spiaggia), producendo un piccolo flusso laminare sulla sabbia.

ripples romboidi

Ripples romboidi su sabbie carbonatiche. Isola di San Salvador, Bahamas. Foto di James St. John.

Ripples da moto ondoso
Le forme di fondo descritte sopra sono tutte prodotte da correnti unidirezionali, vento o acqua che si muovono nella stessa direzione. Sulla Terra, esistono poi corrente oscillatorie o bidirezionali, le onde che muovono l’acqua alternativamente in due direzioni opposte. Questo movimento oscillatorio produce dei ripples simmetrici o ripples da modo ondoso, dacché il sedimento viene trascinato in una direzione e poi in quella opposta. Le creste dei ripples da moto ondoso possono essere appuntite (a chevron) o arrotondate e sono orientate parallelamente al fronte delle onde (un altro utile indicatore di paleocorrente). In sezione, i ripples da onda producono una laminazione incrociata caratterizzata da lamine immergenti alternativamente in direzioni opposte e superfici curve con basi ondulatorie.

Formazione dei ripples da moto ondoso

Formazione di laminazioni incrociate associate a ripples simmetrici da moto ondoso, prodotti da correnti oscillanti. Modificato da Reineck & Singh, 1975.

Ecco un video di jctkao che illustra la formazione dei ripples da moto ondoso:

La forma simmetrica permette di distinguere facilmente i ripples da moto ondoso da quelli da corrente unidirezionale. Ciononostante, i ripples da moto ondoso possono pure avere una forma asimmetrica in situazioni in cui una delle due correnti che li genera è più forte (di solito la corrente diretta verso terra). In questo caso, i ripples da moto ondoso possono essere riconosciuti grazie alla presenza di biforcazioni ben sviluppate delle creste, visibili in pianta. Il video qui sopra illustra molti ripples da onda con biforcazioni.

ripples simmetrici da moto ondoso

Ripples da moto ondoso simmetrici nella Baia di Chabahar (Makran Iraniano). Le biforcazioni delle creste sono ben visibili. Foto di Ali Mohammadi.

Ripples complessi
Negli ambienti attuali, le correnti cambiano in velocità e direzione, i fronti delle onde possono avere orientazione variabile nel tempo e i venti possono spazzare la sabbia in direzioni diverse. I ripples (e le strutture fossili che lasciano) sono sensibili a queste variazione. Nel record geologico, è possibile trovare traccia di questi cambiamenti come strutture a stratificazione incrociata più o meno complesse. È perciò necessario fare attenzione quando si cerca di ricostruire le paleocorrente dall’analisi di ripples e stratificazioni incrociate fossili!

mal di testa da ripples

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Riferimenti bibliografici
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Vedi anche
Features from the Field – Ripple Marks.
Ripples – seddepseq.co.uk

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Tessiture
Strutture Sedimentarie
Fossili
Rocce Sedimentarie
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