La petrologia sedimentària és aquella branca de la petrologia que tracta els dipòsits sedimentaris, és a dir, dels cossos de materials sòlids que s’acumulen a la superfície terrestre o a les proximitats d’aquesta (a baixes pressió i temperatura) en diferents ambients sedimentaris i d’aquells que es transformen en roques sedimentàries gràcies a l’ocurrència d’uns processos geològics determinats

Les roques sedimentàries són les roques formades per l’acumulació i posterior litificació de materials sòlids anomenats partícules sedimentàries o sediments. En general aquestes partícules es generen per la meteoritzció, erosió, transport i deposició de roques preexistents. La meteorització és aquell conjunt de processos mecànics, fisicoquímics i biològics d’alteració i esmicolament de la roca superficial, el mineral, el sòl o el sediment sota l’acció dels agents atmosfèrics on es dona una disgregació i destrucció completa o parcial dels minerals originals i llur reemplaçament per un mineral secundari on alguns elements són lixiviats en dissolució i altres romanen.

Suposem per exemple la meteorització d’un granit. El quars romandria com a grans de quars, el feldspat potàssic (ortosa) es transformaria en minerals de les argiles, sent el potassi rentat en solució, igualment amb el feldspat càlcic (plagiòclasi) on els ions de sodi i calci serien incorporats en solució i els minerals màfics es transformarien en minerals de les argiles, òxids de ferro i el potassi i el magnesi es dissoldrien.

Meteorització d’un granit. Extret dels apunts de l’assignatura Petrologia sedimentària (Llicenciatura en geologia, Universitat de Barcelona)

Quan les partícules sedimentàries provenen de l’erosió de roques preexistents es diu que tenen un origen clàstic. Altres orígens per a les roques sedimentàries són: biogènic (fragments de parts dures d’organismes), bioquímic (precipitació química desencadenada per l’acció dels organismes), orgànic, químic i volcànic. Quan aquestes partícules es depositen sense un transport previ es consideren autòctones i si hi ha transport al·lòctones.

Tal i com pot deduir-se, les roques sedimentàries són un conjunt molt heterogeni que per a poder-les classificar cal entendre en quin ambient sedimentari es va produir l’acumulació i com es va passar de partícules sedimentàries a roques, és a dir, la litificació.

Ambient sedimentari

Un ambient sedimentari és una àrea de la superfície de la Terra caracteritzada per un conjunt de factors que controlen les particularitats dels sediments que s’hi acumulen. Aquests factors poden ser: a) físics, com ara la geometria (dimensions, pendent), el fluid present (aire, aigua) i si aquest es mou; b) químics, com ara la temperatura afectant la velocitat d’algunes reaccions químiques i la solubilitat dels minerals, la salinitat, el pH (per exemple, els medis bàsics limiten la precipitació dels carbonats) i el poder redox del medi; c) biològics, com ara la presència d’éssers vius amb exoesquelet o la seva activitat en medis aquàtics estancats, ja que determina la concentració de H₂O i CO₂.

Cal tenir en compte que la sedimentació es produirà quan el medi no sigui prou energètic com per a que la capacitat erosiva del fluid present prevalgui sobre la taxa de sedimentació.

Els geòlegs poden inferir el tipus de medi sedimentari i els factors que van controlar la sedimentació gràcies a l’estudi de les fàcies dels sediments o roques i a l’anàlisi de les seqüències estratigràfiques. Les fàcies són el conjunt de característiques d’uns estrats, com per exemple la mida de gra, la disposició o ordenació dels clasts, la potència dels estrats, el color, parques o superfícies erosives, ets. Per altra banda, una seqüència estratigràfica inclou un conjunt més gran d’estrats i les tendències generals permeten identificar canvis en un medi o transicions d’un a un altre. Per exemple, una seqüència de medi deltaic granocreixent suggereix una regressió de la línia de costa (baixada del nivell del mar), mentre que si és granodecreixent indica una transgressió (invasió del mar cap a terra).

Amb tot això, els ambients sedimentaris es divideixen en tres grans grups: continentals, transició o marins. En el primer grup hi ha els glacials, periglacials, desèrtics, de ventall al·luvial, fluvial, lacustre i palustre; en el segon els estuaris, el deltaic i litoral; i en el darrer la plataforma marina, el talús i l’abissal. A continuació es descriu cada ambient posant èmfasi en els factors que determinen les característiques del sediment que s’hi diposita.

• Ambient glacial i periglacial

Aquest ambient es caracteritza pel gel com a fluid de transport. Els sediments associats són heteromètrics amb clasts angulosos polits i amb estries que presenten molt mala selecció. S’acumulen en morenes i les roques que en resulten són conglomerats i bretxes. També es formen varves glacials que són intercalacions de sediments fins resultat de l’estacionalitat de la congelació de l’aigua dels llacs

• Ambient desèrtic

És un ambient caracteritzat per la manca de vegetació, fet que juga un paper clau en la poca sustentació del material i per tant una gran erosió i transport d’aquest. El fluid que hi intervé són masses d’aire en moviment que permet la formació de ripples, i dunes de diferents mides i formes. La orientació de els dunes en el registre sedimentari permet conèixer la direcció del vent, ja que per exemple les dunes transversals són perpendiculars a la direcció del vent. Si la direcció és canviant es formen dunes en forma de croissant anomenades barkhanes, longitudinals si el vent és bidireccional o en forma d’estrella si ve de moltes direccions diferents

• Ambient fluvial

Es caracteritza per la capacitat d’erosió, transport i sedimentació de cada riu. L’acumulació dels sediments es produeix quan l’aigua no és prou energètica per moure les partícules sedimentàries. Hi ha diferents tipus de dipòsits associats a un ambient fluvial: de terrassa, de barra, de canal i de plana d’inundació. Cadascun d’ells presenta fàcies particulars i permet reconstruir l’ambient originari

• Ambient de ventall al·luvial

La ruptura del pendent d’un riu provoca una pèrdua de capacitat de transport que fa que els sediments s’acumulin al peu de la muntanya, formant el que s’anomena ventall al·luvial. En ell, els sediments es distribueixen en l’espai de manera que hi ha una disminució de la mida de gra cap a les parts distals del ventall. Segons la naturalesa de l’avinguda al·luvial (mida dels sediments, quantitat d’aigua, etc) aquestes poden anomenar-se debris flow o mud flow.

• Ambient lacustre

Són els ambients característiques de conques endorreiques on el tipus de sediment present depèn de l’àrea font. Per exemple, en ambients extremadament àrids hi ha llacs salins o el carbonat de calci precipita quan les condicions químiques i biològiques ho permeten. A més, s’hi poden acumular detritus distribuïts de groller a fi cap al centre del llac fins per decantació o altres per corrents de turbidesa.

• Ambient palustre

Són aquells associats a pantans o en general a aigües estancades de poca profunditat. Es caracteritzen per una abundant vida vegetal i un fons anaeròbic. D’aquests condicionants en resulten llims i argiles amb restes vegetals. La litificació d’aquests sediments pot donar lloc al carbó

• Ambients de transició

La sedimentació en aquests ambients depèn de l’agent modelador que predomini: l’onatge, les marees o els rius. Quan predomina l’onatge es formen platges controlades per la deriva litoral, que és el transport de sediments d’acord amb la direcció de l’onatge. Els sediments característics són sorres i graves homomètriques amb fragments de parts dures d’organismes marins.

Es distingeixen tres zones: a) el shoreface, sempre cobert d’aigua on es formen sorres amb laminació paral·lela, b) el foreshore, que s’inunda amb marea alta i hi ha laminació creuada, i c) el backshore, que s’inunda amb episodis de tempesta. A més, per darrere del darrer hi ha una zona on es formen dunes eòliques semblants a les de l’ambient desèrtic. En aquests ambients quan l’onatge és molt energètic es formen illes barreres que delimiten lagoons on s’hi acumulen dipòsits fins.

Quan predomina la força de les marees s’acumulen argiles laminades per inundació i sorres amb laminació creuada amb cicles de 28 avingudes. També hi ha zones pantanoses o estancades on en assecar-se precipiten sals.

Finalment si hi predominen els aports fluvials es formen deltes en la desembocadura dels rius. En un delta s’hi troben molts tipus de dipòsits diferents: de canal que tenen una base erosiva i una seqüència granodecreixent, i de plana d’inundació on s’hi acumulen fins i de pèrdua de gradient que pren una morfologia i distribució de sediments semblant a la dels ventalls al·luvials.

• Ambient de plataforma continental

La profunditat d’aquests ambients pot arribar fins als 200m per sota el nivell del mar. Com que en part hi arriba llum segons la turbidesa de l’aigua (zona fòtica), hi viuen éssers vius. L’aport de sediments fluvials i d’altres punts de la plataforma determina la formació de plataformes siliciclàstiques caracteritzades per sorres i argiles. En aquestes plataformes l’activitat biològica no és gaire important.

En cas contrari, s’acumulen sediments carbonatats, formats principalment per les restes dels éssers vius amb esquelet calcari o per altres processos fisicoquímics. Un factor important és la temperatura de l’aigua (depèn de la latitud i dels corrents marins), ja que el carbonat es dissol a baixes temperatures. Actualment les plataformes carbonatades en formació es troben entre latituds 30ºN i 30ºS.

• Ambients pelàgics

La plataforma continental acaba mar endins en el talús, que és una zona amb pendent que uneix la plataforma amb la plana abissal (3000m per sota del nivell del mar). En aquests ambients la sedimentació és siliciclàstica, ja que el carbonat es troba dissolt degut a la baixa temperatura de l’aigua en aquestes zones. Es depositen materials en suspensió o dels esquelets de diatomees i radiolaris (composició silícica) o per la deposició de turbidites, que són sorres i argiles transportades per corrents de turbulència o per inestabilitats del talús i que presenten una seqüència anomenada de Bowma que els és característica.

La litogènesis

La litogènesi és la conversió d’un sediment dipositat de nou, inconsolidat, en una roca sòlida i coherent, implicant processos simultanis, lleugerament posteriors o molt posteriors a la deposició. Aquesta conversió succeeix durant la diagènesi, més àmplia, i que inclou tots els canvis físics, químics i biològics que sofreix un sediment després de la seva deposició inicial, durant i després de la litificació, excloent l’alteració superficial i el metamorfisme

Els processos propis de la litificació són:

• Cimentació: és la precipitació dels minerals presents en els fluids intersticials de les porositats (en general calcita, sílice, etc.). Aquest procés dona coherència al sediment, ja que solda
• Compactació: reducció del volum de sediment per culpa de l’augment de càrrega (en l’enterrament) on es redueix la porositat i s’expulsa part del fluid intersticial que l’omplia
• Cristal·lització: reorganització dels elements en el material amorf
• Recristal·lització: reordenació dels minerals en canviar la pressió i la temperatura (ex. l’aragonita d’estructura ròmbica passa a calcita, trigonal)
• Metasomatisme a baixa temperatura: canvis mineralògics associats a canvi químic (ex. la calcita es reemplaça per dolomita perquè hi ha aport de magnesi)
• Hidratació i deshidratació: pèrdua de les molècules d’aigua en els minerals hidratats (ex. el guix passa a anhidrita)
• Bescanvi iònic: procés que experimenten les argiles que per culpa del dèficit de càrregues, atrapen o alliberen ions

Característiques de les roques sedimentàries

Les roques sedimentàries representen el 70% de la superfície de la Terra però són molt diferents entre elles degut al gran número d’ambients on es formen i els processos relacionats. Poden estar formades per 7 components:

• cristall: cristall natural homogeni amb composició química definida i estructura ordenada
• clast: detritus procedent de l’esmicolament de roques preexistents, de mides variables, que pot ser monomineral o fragment de roca
• porositat: volum ocupat pels intersticis presents en una roca o sòl
• fòssil: evidència de restes de vida del passat que s’han preservat en la roca
• ciment: matèria mineral que ha precipitat químicament dins d’una porositat preexistent
• component orgànic: constituent sòlid procedent de la transformació de matèria orgànica
• fluid: constituent que es troba en estat líquid o gasós com l’aigua o el petroli

A l’hora de descriure una roca caldrà explicar les relacions entre els components present, ja que en general no hi són tots alhora, és a dir, descriure la textura. Un dels aspectes que es tenen en compte és el de matriu, que són tots aquells detrits d’una mida d’ordre de magnitud clarament inferior als clasts i que es troba ocupant l’espai entre aquests. En les roques de composició carbonatada la matriu rep el nom de micrita

L’origen de les partícules també és divers i pot ser: a) clàstic, si procedeixen de l’erosió de roques preexistents, b) biogènic, fragments de parts dures d’organismes, c) bioquímic, precipitació química gràcies a l’acció d’organismes, d) orgànic, e) químic, precipitació química, o f) volcànic. A més, pot ser que abans de dipositar-se hagi patit un transport (lateral) i per tant són al·lòctones, o no (autòctones).

Classificació de les roques sedimentàries

Tal i com s’ha dit les roques sedimentàries són molt diferents entre sí i per tant s’usa la combinació de dos criteris per a agrupar-les i després poder-les classificar, el genètic i el composicional. Segons el criteri genètic es classifiquen en: a) detrítiques, b) biogèniques, bioquímiques i orgàniques, c) químiques i d) volcàniques

Dins del segon i tercer grup i seguin el criteri composicional s’hi troben: les carbonatades, els cherts, els fosfats i els carbons; i les evaporites i les ferruginoses, respectivament

• Roques detrítiques

L’aspecte textural més important a l’hora de classificar les roques detrítiques és la mida de gra. Per fer-ho es pren de referència l’escala granulomètrica Uden-Wentworth que diferencia mides en base a potències de dos. Els quatre grans grups de mida de sediment són >2mm, grava; 2-1/16mm sorra; 1/16-1/256 llim; i <1/256 argila. Tenint en compte aquestes mides hi ha tres grups de roques: les rudites, les arenites i les lutites (aquest grup comprèn les roques on la mida de gra és llim i argila). Per a anomenar les roques dins d’aquests grups es tindrà en compte també: a) la morfologia dels grans (arrodoniment, esfericitat), b) la forma de la superfície dels grans (presència de fractures, polida o mate, etc.), i c) la fàbrica que és la disposició i orientació en l’espai dels grans, incloent la orientació, el contacte entre ells, l’empaquetament i el suport).

Escala Udden-Wentworth. Extret dels apunts de l’assignatura Petrologia sedimentària (Llicenciatura en geologia, Universitat de Barcelona)

• Rudites: el primer que cal fer per a classificar-les és diferenciar entre els grans arrodonits (conglomerats) o anguloses (bretxes). Un cop fet això, la classificació és acceptada és la de PettiJohn (1975) que té en compte criteris genètics. Diferencia entre:
  • epiclàstiques, on els grans procedeixen d’una roca preexistent i es divideixen entre extraformacionals si han partit un transport des de l’àrea font o intraformacionals si provenen de la mateixa conca de sedimentació
  • volcàniques, si el sediment és provinent de vulcanisme explosiu
  • tectòniques quan els grans s’originen a la zona de falla activa
  • de col·lapse, quan estan associades a la dissolució de materials, generalment evaporites
  • d’impacte meteorític
• Arenites: per a classificar-les cal determinar el percentatge de matriu que tenen. Si és superior al 15% s’anomenen grauvaques. Si és inferior s’usa el criteri composicional:
  • quarsoarenites: més del 95% dels grans són de quars
  • arenita quarsosa: té entre 95-75% de quars
  • arenita feldspàtica: dels grans que no són quars, més de la meitat són de composició feldspàtica
  • arenita lítica: dels grans que no són quars, més de la meitat són fragments de roca

Classificació de les arenites. Extret dels apunts de l’assignatura Petrologia sedimentària (Llicenciatura en geologia, Universitat de Barcelona); Pettijohn (1975)

• Lutites: representen més de la meitat de les roques sedimentàries i estan formades per quars i minerals de les argiles. Quan els grans són de mida llim, la roca s’anomena limolita i si són mida argila, argila. Si contenen carbonat de calci se les anomena margues.

• Roques carbonatades (biogèniques, bioquímiques i orgàniques)

Són roques constituïdes per calcita, dolomita i aragonita. La sedimentació carbonatada depèn de: a) l’activitat tectònica associada a l’aport de detrits, ja que si ambdós són alts, no hi ha presència d’organismes, i b) de l’equilibri de l’equació CaCO₃+H₂CO₃(–H₂O+CO₂)–Ca+2HCO₃, on el CaCO₃ precipita a temperatures altes. Segons això, plataformes marines properes als tròpics i/o somes són ambients molt adequats per a la precipitació del carbonat.

Les roques carbonatades en general són d’origen marí, però també se’n formen en llacs i com a travertins. El carbonat acostuma a ser fragments esquelètics d’organismes o no esquelètics, com ara oòlits, pisòlits, etc. Un altre origen molt important és la precipitació inorgànica del carbonat dissolt en aigua.

Inicialment es classificaven per mida de gra, però actualment s’usa la classificació de Dunham’s (1962) que té en compte:

• Que la textura sigui identificable, sinó és una roca carbonatada cristal·lina
• Que els components originals no estiguin lligats, sinó és un boundstone
• Que tingui micrita (fang), sinó és un grainstone
• Que sigui matriu-suportat (pel fang), sinó és un packstone
• El percentatge dels grans, si és inferior al 10% és un mudstone i si és superior un wackestone

Classificació de les roques carbonatades. Extret dels apunts de l’assignatura Petrologia sedimentària (Llicenciatura en geologia, Universitat de Barcelona); Dunham (1962)

• Roques silícies (cherts) i fosfatades (biogèniques, bioquímiques i orgàniques)

En els dos casos es formen o bé per acumulació de restes d’organismes o bé químicament durant la diagènesi. Els cherts s’anomenen espongiolites si són restes d’esponges silícies, radiolantes, si són restes de radiolaris, i diatomites si són restes de diatomees. En els tres casos els organismes tenen un esqueles silícic). Les roques fosfatades tenen el seu origen en l’acumulació de restes de vegetals, excrements (guano) o esquelets de peixos.

• Matèria orgànica i carbons (biogèniques, bioquímiques i orgàniques)

El seu origen és l’acumulació de matèria orgànica. Hi ha dos grans tipus

• Carbó: roca enriquida en carboni per acció bacteriana, que pot formar-se en ambients marins somers o palustres. Segons el seu contingut en carboni es diferencien en: a) turbes (60%), lignits (70%), hulles (77%) i antracita (91%)
• Petroli: roca enriquida en carboni i hidrogen originàriament formada per l’acumulació de restes de plàncton. Per a que es formi petroli es necessita que la roca hagi sofert un procés de maduració concret

• Evaporites (químiques)

Es formen per precipitació química per la saturació de sals en aigua. La seqüència teòrica de precipitació dels minerals en aigua marina és: carbonats, sulfats, (guix), halita i altres sals potàssiques (silvita i carnal·lita).

La saturació es pot produir en llacunes costeres, llacs interiors i mars interiors. En tots els casos és necessari que hi hagi una connexió amb mar obert que permeti el reompliment de la conca, ja que sinó no s’aconseguirien seqüències potents d’aquestes roques. Per exemple, per a que es dipositin 300m d’halita cal que s’evaporin 23 km de profunditat d’aigua de mar.

• Ferruginoses (químiques)

Són les roques formades per minerals del ferro que precipiten per processos químics, Poden mostrar bandes o estar formades per oòlits ferruginosos

• Vulcanoclàstiques

Roques formades per partícules volcàniques, bé per la precipitació de fragments expulsats per un volcà o per un flux piroclàstic. En aquest darrer cas es formen ignimbrites.