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Geology is the Way

Rocce Carbonatiche

rocce carbonatiche Giaredo

Strati bianchi di rocce carbonatiche (prevalentemente calcari) segnano l’ingresso degli Stretti di Giaredo (Pontremoli – Zeri, Italia). Foto © Samuele Papeschi/GW.

Le rocce carbonatiche sono rocce sedimentarie costituite da minerali carbonatici primari. I carbonati più comuni in queste rocce sono i polimorfi del carbonato di calcio CaCO3, calcite and aragonite, ed il carbonato doppio di calcio e magnesio [CaMg(CO3)2], la dolomite. Una roccia carbonatica costituita da carbonato di calcio è un calcare, mentre una costituita prevalentemente da dolomite è una dolomia. Un’altra roccia carbonatica comune, contenente un miscuglio di calcite a grana fine e fango di origine terrigena, è la marna. Le rocce carbonatiche sono il secondo gruppo di rocce sedimentarie più comuni sulla Terra dopo quelle terrigene e sono prodotte dall’accumulo di fossili, l’attività di organismi o per altri processi inorganici – ma comunque tutti legati a carbonati disciolti e acqua.

Origine dei sedimenti carbonatici
Il carbonato di calcio si ritrova disciolto in acque dolci e salate. Il calcio deriva dalla degradazione di minerali contenenti calcio nelle rocce, come il plagioclasio, ed è presente in acqua in forma di ioni Ca2+. La CO2 atmosferica si discioglie in acqua producendo H2CO3 (acido carbonico), un acido debole, secondo la reazione:

CO2(gas) + H2O(liquido) ⇌ H2CO3

H2CO3 si dissocia in acqua come ioni carbonato [CO32-] e bicarbonato [HCO3]:

H2CO3 ⇌ H+ + HCO3
HCO3 ⇌ H+ + CO32-

La precipitazione di carbonato di calcio [CaCO3] dall’acqua è, quindi, bilanciata dalla reazione:

Ca2+ + 2HCO3⇌ CaCO3 + H2CO3

La precipitazione di dolomite [CaMg(CO3)2] da una soluzione acquosa è controllata da una reazione simile. Il magnesio è un altro ione comune in acqua che, come il calcio, deriva dall’alterazione di minerali come l’olivina:

Ca2+ + Mg2+ + 4HCO3 ⇌ CaMg(CO3)2 + 2H2CO3

La dissoluzione di calcite e dolomite è, quindi, controllata dall’acidità dell’acqua, ovvero da quanta CO2 atmosferica è disciolta in acqua: più acido carbonico è presente e più aggressiva è l’acqua nei confronti dei carbonati. La CO2 è un gas, quindi la sua solubilità è favorita da basse temperature (le molecole di CO2 si muovono più lentamente e si disciolgono più facilmente), alte pressioni (che favoriscono la dissoluzione di una fase gassosa in acqua), o semplicemente perché c’è più CO2 atmosferica (motivo per cui le scogliere coralline carbonatiche tropicali stanno soffrendo per le emissioni di CO2). Di conseguenza, la solubilità dei carbonati è favorita da basse temperature, alte pressioni, o contenuti elevati di CO2 in acqua. Al contrario, alte temperature, basse pressioni, o qualsiasi processo che causi una riduzione della CO2 disciolta, favoriscono la precipitazione dei carbonati dall’acqua. In natura, il bilanciamento tra dissoluzione e precipitazione è controllato sia da processi inorganici che organici. In particolare, molte forme di vita marina sono responsabili per la formazione della vasta maggioranza delle rocce carbonatiche, dal momento che molti organismi producono gusci o parti scheletriche di carbonati o causano la precipitazione di carbonato come sottoprodotto delle loro attività.

Precipitazione organica dei carbonati
I carbonati sono comuni nell’acqua di mare e gli organismi marini hanno imparato ad utilizzare il carbonato di calcio per costruire gusci o altre parti scheletriche. Invertebrati come bivalvi, gasteropodi, cefalopodi, brachiopodi (“conchiglie”), echinidi (ricci di mare), crinoidi (gigli di mare), asteroidi, ofiuridi (stelle di mare), anellidi (vermi segmentati) e molti altri taxa producono parti dure costituite da uno o entrambi i polimorfi del carbonato di calcio (calcite o aragonite), ma la maggior parte dei carbonati marini sono prodotti da microorganismi con guscio carbonatico (nannoplancton), come foraminiferi e coccolitoforidi. Le scogliere coralline sono costruzioni di rocce carbonatiche prodotte da organismi costruttori di scogliera, non solo coralli, ma anche briozoi e cianobatteri (stromatoliti). La precipitazione dei carbonati è favorita da acque calde e, per questo motivo, le scogliere coralline si trovano oggigiorno in mari tropicali e subtropicali. I dettagli di come gli organismi riescano a fissare i carbonati non sono ben compresi, ma si sa che usano una gran varietà di proteine capaci di favorire la precipitazione di cristalli di calcite e aragonite e controllare la loro direzione di crescita.

sabbia carbonatica

Sabbia carbonatica con abbondanti frammenti di coralli, echinoidi, molluschi e foraminiferi rosa. Depositi di sabbie carbonatiche si trasformano in rocce carbonatiche durante il seppellimento e la diagenesi. Vista: 32 mm. Foto © Siim Sepp.

Fotosintesi
Organismi fotosintetici che vivono in acqua usano la luce solare per convertire la disciolta in molecole organiche, rilasciando ossigeno (O2) come prodotto di scarto. La diminuzione di COdisciolta causa la precipitazione di carbonati che finiscono con l’incrostare organismi fotosintetici come alghe, piante e cianobatteri. L’incrostazione di colonie di cianobatteri (feltri algali) costruisce formazioni stratificate di calcare note come stromatoliti e concrezioni arrotondate dette oncoidi. Questi organismi inoltre, crescendo, intrappolano particelle di carbonati derivanti dall’ambiente circostante.

calcare stromatolitico

Le stromatoliti sono prodotte dall’attività di colonie di cianobatteri. Wirrapowie Limestone, Cambriano Inferiore, Australia. Foto © James St. John.

Precipitazione (e dissoluzione) inorganica di carbonati
Ooidi
Le bianche sabbie delle spiagge tropicali, come le Bahamas o le Maldive, sono costituite da ooidi, concrezioni sferiche di carbonato di calcio con un diametro massimo di 2 mm. In aree tropicali, le acque sono spesso sature di carbonato di calcio. Gli ooidi nucleano su di un piccolo nucleo, che può essere costituito da qualsiasi piccolo oggetto solido, come un frammento di conchiglia o un granulo di quarzo. Quando il nucleo dell’ooide è trasportato dalle onde, la diminuzione istantanea di pressione causa la precipitazione di carbonato di calcio, tipicamente sotto forma di aragonite che può successivamente ricristallizzare come calcite. Il processo è ripetuto dall’azione delle onde e porta alla formazione di diversi strati concentrici attorno al nucleo originale. Quando gli ooidi raggiungono delle dimensioni di circa 2 mm, le onde non sono più in grado di trasportarli in sospensione, e il processo si arresta.

sabbia ad ooidi

Sabbia ad ooidi da Cancún, Yucatán, Messico. Vista 5 mm. Foto © Siim Sepp.

ooid grainstone

Ooidi sezionati in una sezione sottile di un grainstone ooidico (un tipo di calcare). N//. Larghezza: 7 mm. Foto © Alessandro Da Mommio.

Pisoidi
I pisoidi sono simili agli ooidi ma molto più grandi: si tratta di concrezioni concentriche di carbonati che possono raggiungere diversi centimetri di diametro. La loro formazione è legata ad oscillazioni periodiche della tavola d’acqua all’interno di un sedimento in aree saturate da carbonato di calcio. Ogni volta che la superficie della tavola d’acqua si muove, essa deposita una piccola lamina di carbonato di calcio sui granuli di un sedimento. Il processo è stagionale e può continuare indefinitamente, finché la porosità del sedimento non viene riempita dalla crescita dei pisoidi. Un altro ambiente dove i pisoidi si formano sono le grotte, dove concrezioni di carbonato di calcio si possono depositare sui granuli trasportati dall’acqua o in brecce carsiche.

pisoidi di aragonite

Calcare con pisoidi di aragonite, la cui struttura interna è ben visibile in questa sezione lucidata. Karlovy Vary, Repubblica Ceca. Foto © Johannes Baier.

Carsismo e grotte
Gli ambienti carsici si trovano ovunque esistano affioramenti di rocce carbonatiche esposte in superficie ed offrono un notevole esempio di come sia sottile l’equilibrio fra dissoluzione e precipitazione dei carbonati a condizioni ambientali. La pioggia che cade sui carbonati contiene CO2 atmosferica disciolta che attacca progressivamente le rocce carbonatiche. La dissoluzione dei carbonati è un processo selettivo che avviene più velocemente dove le acque ristagnano, come in piccole pozze, o laddove l’acqua riesce ad infiltrarsi nei carbonati, come lungo delle fratture. L’infiltrazione di acque meteoriche aggressive in carbonati fratturati allarga progressivamente le fratture, aumentando il volume di acque acidiche che si infiltrano in profondità, portando infine allo sviluppo di sistemi di grotte. Una volta che l’acqua raggiunge delle cavità sotterranee, dei carbonati possono precipitare, producendo concrezioni di grotta come stalattiti e stalagmiti. Le stalattiti e le stalagmiti si formano da goccioline d’acqua che, sgocciolando nelle grotte, rilasciano CO2 quando cadono e quando colpiscono il suolo, a causa della perdita istantanea di pressione, causando la precipitazione di carbonati dall’acqua, goccia dopo goccia.

paesaggio carsico del The Burren

The Burren (Irlanda): un tipico ambiente carsico. La vegetazione è sparsa perché tutta l’acqua finisce in fratture allargate dalla dissoluzione del carbonato e quindi in ambienti carsici sotterranei. Foto © Samuele Papeschi/GW.

Grotta Antro del Corchia

Le colonne si formano quando stalattiti e stalagmiti si incontrano. Antro del Corchia, Levigliani, Italia. Foto © Samuele Papeschi/GW.

Travertini
I travertini sono rocce carbonatiche prodotte dalla precipitazione inorganica di carbonato in sorgenti calde e acque dolci. Le sorgenti calde derivano da acque profonde che sono rilasciate da sistemi geotermici (o da altri sistemi profondi) e che possono contenere elevate quantità di CO2 disciolta (rilasciata ad esempio da intrusioni ignee in raffreddamento). Quando queste acque raggiungono l’atmosfera, rilasciano rapidamente la gran parte della CO2 disciolta, causando la precipitazione rapida dei carbonati dall’acqua. I depositi di travertino incrostano le rocce e i suoli circostanti e possono intrappolare organismi, producendo calchi di fossili, comunemente di foglie.

Mammoth Terraces travertino

I Mammoth Terraces (Yellowstone, Wyomning) sono formazioni di travertino prodotti dalla precipitazione di carbonati da acque calde. Foto © Frank Schulenburg.

Identificazione delle rocce carbonatiche
Il calcare si riconosce facilmente perché produce la seguente reazione effervescente in contatto con l’HCl.

CaCO3 +2HCl⇌ CO2+ H2O+CaCl2

La dolomia non reagisce ad una soluzione di HCl diluita in acqua al 10%, ma può reagire se la soluzione viene messa a contatto con una polvere di dolomia o se si usa una soluzione più concentrata (intorno al 30%). Sia la dolomia che il calcare possono produrre forme carsiche sul terreno. L’alterazione della dolomia, inoltre, produce spesso polveri giallastre-ocracee, dal momento che queste rocce contengono un po’ di ankerite, che rilascia ossidi di ferro quando si altera. Le marne producono una reazione con l’HCl, la cui intensità diminuisce all’aumentare del contenuto di fango silicatico mischiato con la calcite. Le marne sono facilmente riconoscibili perché i fillosilicati (fango) insolubili rimangono come residuo dopo la reazione con l’HCl. Inoltre, le marne possono mostrare la caratteristica fissilità tipica delle peliti, dovuta al contenuto di minerali argillosi.

reazione del calcare all'acido

Reazione fra calcare e acido cloridrico. Crediti: wikimedia.commons.

calcare con frattura concoide

Se colpite, le rocce carbonatiche mostrano la caratteristica frattura concoide. Calcare Massiccio. Avane, Pisa, Italia. Foto © Samuele Papeschi/GW.

dolomia

Campione di dolomia dal Siluriano dell’Ohio. Pike County, Ohio, Stati Uniti. Le dolomie e i calcari appaiono simili ma il test dell’acido permette di distinguerli. Foto © James St. John.

affioramento di marne

Le marne sono rocce sedimentarie miste contenenti carbonati e materiale silicoclastico (argilla). Notare la forte fissilità, dovuta alla presenza di minerali argillosi. Argille a Palombini. Capo Vita, Isola d’Elba. Foto © Samuele Papeschi/GW.

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Bibliografia
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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
Rocce Carbonatiche – Alexstrekeisen.it
Atlante delle Rocce Sedimentarie al Microscopio (Adams – McKenzie – Guilford; Zanichelli)
Rocce sedimentarie, guida alla descrizione sugli affioramenti rocciosi (Tucker, 2010).
Introduzione allo Studio delle Rocce Carbonatiche (Bosellini, 1991).

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