Lezioni di petrografia applicata 2008
R. Bugini - L. Folli

ROCCE SEDIMENTARIE

  INDICE
 
 

Introduzione: le rocce e il loro impiego in architettura

   

I minerali

   

Le rocce

   

Rocce magmatiche o ignee

   

Rocce sedimentarie

   

Rocce metamorfiche

   

Criteri di impiego delle pietre da costruzione

   

Lavorazione delle pietre da costruzione

   

Le pietre impiegate nell'architettura milanese e lombarda

   

Caratteristiche delle pietre da costruzione

   

Alterazioni macroscopiche dei materiali lapidei

   

Tecniche analitiche

   

Materiali lapidei artificiali - Malte

   

Materiali lapidei artificiali - Ceramiche

   
Catalogo fotografico    


COPERTINA
  

   

DEFINIZIONE
Sono rocce costituite da materiali (detti sedimenti) provenienti dalla disgregazione, attraverso processi di varia natura, di rocce preesistenti.

FORMAZIONE DI UNA ROCCIA SEDIMENTARIA
La formazione di una roccia sedimentaria può essere suddivisa in quattro fasi, che rappresentano il "ciclo sedimentario".
- I fase: alterazione delle rocce preesistenti sulla superficie terrestre con formazione di detriti solidi e di sostanze in soluzione.
- II fase: trasporto del materiale detritico e di quello in soluzione ad opera dei fiumi, dei venti, dei ghiacciai, ecc.
- III fase: deposizione (sedimentazione) del materiale in ambienti diversi (continentale, marino, ecc.). La sedimentazione avviene per strati successivi.
- IV fase: formazione della roccia (litificazione dei sedimenti) dovuta alla pressione esercitata da altri sedimenti che si accumulano via via sopra di essi. I processi nel loro insieme prendono il nome di diagenesi (processi diagenetici).
Tutte le rocce sedimentarie hanno un corrispondente nei sedimenti attuali non litificati.

I FASE DEL PROCESSO SEDIMENTARIO
Quando una qualsiasi roccia entra in contatto con l'atmosfera iniziano i processi di alterazione. Tali processi possono essere di tipo fisico, chimico e biologico.
I processi fisici causano la disintegrazione della roccia senza però modificarne la composizione chimica e mineralogica (es.: temperatura, erosione ghiacciai, abrasione vento).
I processi chimici portano a cambiamenti nella composizione della roccia e nelle sue proprietà con perdita dei caratteri originari (es.: carsismo, piogge acide).
I processi biologici hanno una notevole influenza sull'alterazione favorendo sia i fenomeni fisici che i fenomeni chimici (es.: licheni, muschi, alghe).
Si tenga presente che i tre processi agiscono quasi sempre contemporaneamente, soprattutto nei climi umidi come quello dell'Italia settentrionale.
Come conseguenza dell'alterazione si formano: i detriti, costituiti da minerali primari residui (cioè i costituenti originali della roccia) e da minerali secondari (minerali argillosi a granulometria molto fine) derivati dai primari in seguito a processi chimici, ed il materiale in soluzione (ioni alcalini, alcalino-terrosi, ecc.).

II FASE DEL PROCESSO SEDIMENTARIO
Il trasporto del materiale detritico avviene per gravità (frane, colate, ecc.) o ad opera delle acque continentali (fiumi), delle correnti marine, dei ghiacciai, del vento. Il trasporto del materiale in soluzione avviene ad opera delle acque.
L'azione di trasporto produce un arrontondamento degli spigoli negli elementi detritici (clasti), una classazione del materiale (suddivisione in base all'omogeneità delle dimensioni), una orientazione preferenziale (in presenza di clasti in forma allungata). La durata del trasporto influisce sulla forma degli elementi detritici (sempre più sferica o a contorni arrotondati man mano che ci si allontana dal luogo di origine), sulle dimensioni (sempre minori), sulla composizione mineralogica (maturità: un sedimento è considerato maturo quando contiene solo minerali stabili, resistenti cioè all'alterazione come il quarzo, ed ha quindi subìto un lungo trasporto).
Quando l'alterazione avviene in posto, senza cioè trasporto dei materiali, si ha la formazione di un suolo.

III FASE DEL PROCESSO SEDIMENTARIO
La sedimentazione può essere meccanica, chimica, biochimica.
La sedimentazione meccanica riguarda il materiale detritico e si differenzia in base all'ambiente in cui avviene (marino, fluviale, glaciale, ecc.); essa è legata alla perdita della capacità di trasporto del mezzo (acqua, vento, ghiaccio) per diminuzione di energia (ad esempio all'ingresso di un fiume nel mare, la corrente subisce una brusca diminuzione di velocità che favorisce la sedimentazione dei detriti trasportati - delta del Po).
La sedimentazione chimica riguarda il materiale trasportato in soluzione per variazioni intervenute nel mezzo (aumento di temperatura, assenza di moto, ecc.).
La sedimentazione biochimica riguarda ancora il materiale trasportato in soluzione (ad esempio il carbonato di calcio) che può essere fissato da organismi acquatici (molluschi, brachiopodi, coralli, foraminiferi) per la formazione del proprio guscio. I gusci, dopo la morte degli animali, si depositano e si accumulano nei bacini sedimentari.
Caratteristica della sedimentazione è la disposizione dei materiali in strati successivi, ciascuno riconducibile ad un singolo episodio sedimentario. Le differenze composizionali e/o strutturali tra gli strati dipendono dalla variazione nella composizione del materiale trasportato, dalla variazione della velocità di sedimentazione, ecc.

IV FASE DEL PROCESSO SEDIMENTARIO
Immediatamente dopo la sedimentazione ha inizio la diagenesi, cioè quell'insieme di processi chimici e fisici che portano alla formazione della vera e propria roccia (litificazione) implicando mutamenti di composizione e di tessitura. La temperatura che si può raggiungere durante la diagenesi è inferiore ai 200°C (a temperature superiori si parla già di metamorfismo).
I processi diagenetici si distinguono, in ordine cronologico, in processi iniziali e processi tardivi. I processi iniziali hanno luogo dal momento della sedimentazione fino a un modesto seppellimento, in questa fase può essere molto intensa l'azione batterica; i processi tardivi hanno luogo durante un seppellimento più profondo. La durata complessiva dei processi diagenetici è pari ad alcune decine di milioni di anni.
Si distinguono diversi processi nel corso della diagenesi. La compattazione è dovuta al peso dei sedimenti sovrastanti, provoca la fuoriuscita delle acque interstiziali e l'avvicinamento dei singoli grani. La ricristallizzazione coinvolge alcuni minerali instabili presenti nel sedimento. La dissoluzione e la sostituzione interessano alcuni minerali che possono disciogliersi o essere rimpiazzati da altri minerali; è questo un processo molto importante nella formazione di rocce di precipitazione chimica (trasformazione della calcite in dolomite - dolomitizzazione). La precipitazione di nuovi minerali nello spazio fra i grani del sedimento è detta autigenesi; se la precipitazione è abbondante si ottiene la cementazione del sedimento stesso.

CLASSIFICAZIONE

Si distinguono due gruppi: le rocce detritiche e le rocce di precipitazione chimica e biochimica. La differenza è basata sui diversi modi di trasporto e di sedimentazione dei materiali.
Le rocce detritiche o clastiche derivano dal materiale trasportato in forma solida; le rocce di precipitazione chimica e biochimica derivano dal materiale trasportato in soluzione.
La suddivisione non è naturalmente netta e sussistono termini intermedi o di origine non univoca.
Lo schema della classificazione genetica delle rocce sedimentarie è riportato in figura 9.

Figura 9 – Schema di classificazione genetica delle rocce sedimentarie

ROCCE DETRITICHE O CLASTICHE
Si suddividono in quattro gruppi: conglomerati, arenarie, argille, tufi (figura 10).

Figura 10 – Suddivisione delle rocce sedimentarie detritiche o clastiche

- I conglomerati rappresentano il termine più grossolano; le dimensioni dei singoli elementi detritici (clasti) vanno da un minimo di 2 mm ad un massimo di 256 mm (scala di Wentworth). Corrispondono alle attuali ghiaie.
I processi diagenetici principali sono la compattazione, la precipitazione di minerali che porta alla cementazione del sedimento (cementi calcitici o cementi silicei) e la dissoluzione sotto pressione.
La composizione mineralogica può essere molto varia rispecchiando naturalmente quella del bacino di provenienza del materiale.
Con il termine breccia si fa riferimento a quei conglomerati i cui clasti non hanno subìto trasporto ed hanno mantenuto quindi gli spigoli vivi; esse hanno origine da crolli e frane.
I conglomerati sono diffusi in tutto l'Appennino.

- Le arenarie rappresentano il termine intermedio; le dimensioni dei clasti sono comprese fra 2 e 0,062 mm. Corrispondono alle attuali sabbie.
I processi diagenetici sono gli stessi descritti a proposito dei conglomerati.
I principali componenti delle arenarie sono: quarzo, ortoclasio, fillosilicati.
Quando predomina la calcite (clasti calcarei) si ha la cosiddetta "calcarenite", roccia che viene classificata fra i calcari (esempio: pietre di Viggiù e Saltrio).
Utilizzando un diagramma triangolare con ai vertici quarzo, ortoclasio e fillosilicati, avremo la suddivisione in areniti, arcose e grovacche (figura 11).

Figura 11 - Suddivisione delle arenarie


Arenite: assoluta prevalenza di quarzo (circa 90%), cemento siliceo, clasti ben arrotondati (hanno subìto un lungo trasporto) e con buona sfericità. Si tratta di sedimenti maturi con buona classazione. Il colore è generalmente biancastro.
Sono frequenti nelle serie sedimentarie più antiche (era Paleozoica); in Italia sono presenti in Piemonte sottoforma di quarziti (areniti metamorfosate).
Arcose: elevata percentuale di ortoclasio; i clasti sono immersi in una matrice fine con cemento costituito dagli stessi minerali. Bassa maturità e media classazione. Il colore è rossastro.
Sono frequenti nelle serie sedimentarie (periodo terziario) della Svizzera (molassa).
Grovacca: elevata percentuale di matrice fine argillosa con cemento calcareo; composizione mineralogica variabile con numerosi frammenti di rocce. Scarsa maturità e classazione; clasti angolosi (hanno subìto breve trasporto) e con bassa sfericità. Il colore è grigio scuro.
In Italia sono diffuse nell'Appennino e in Lombardia (periodo Cretacico).

- Le argille rappresentano il termine più fine; le dimensioni dei clasti sono al di sotto di 0,062 mm. Corrispondono agli attuali fanghi detritici.
Il processo diagenetico principale è la compattazione: la porosità dei fanghi argillosi prima del seppellimento è assai elevata (70-90% in volume); sotto un carico di mille metri, la porosità si riduce al 30%. Oltre a questo processo meccanico di compattazione sono importanti i processi di natura chimica che consistono in adsorbimenti e scambi ionici.
Le argille sono costituite quasi esclusivamente da fillosilicati (minerali argillosi o minerali delle argille) prodotti dall'alterazione di altri minerali silicati e assumono una tessitura parallela alla stratificazione (orientazione preferenziale dei minerali). Altri componenti sono quarzo, ortoclasio e miche, presenti però solo nella frazione più grossolana.
I minerali argillosi hanno dimensioni estremamente ridotte (qualche millesimo di millimetro); i principali sono: montmorillonite, illite, caolinite.
Sono trasportati in sospensione nelle acque e, viste le loro dimensioni, la sedimentazione è favorita dal fenomeno della flocculazione per cui, in determinate condizioni chimico-fisiche delle acque, si formano dei grumi (micelle) che sedimentano più facilmente delle singole particelle.
Tra le argille si distinguono quelle residuali (rimaste cioè sul luogo di formazione) e quelle trasportate; queste si differenziano a seconda dell'ambiente di deposizione.
Tra le argille residuali è importante il "ferretto" delle Prealpi lombarde, derivato dall'alterazione di depositi glaciali.
Le argille trasportate sono diffuse in tutto l'Appennino.
Le argille non possono essere impiegate come materiale da costruzione, ma impastate con acqua e poi essiccate al sole o in fornace costituiscono i laterizi e le terrecotte.

- I tufi rappresentano un gruppo a parte rispetto alle appena descritte rocce detritiche. Essi sono considerati rocce sedimentarie poiché subiscono il processo di messa in posto e successivamente tutti i processi diagenetici che portano alla litificazione; ciò che li differenzia è la loro origine legata alle eruzioni vulcaniche esplosive. Questo tipo di eruzioni vulcaniche è accompagnato da emissioni di gas che conferiscono loro il carattere esplosivo. Il prodotto di tali eruzioni viene denominato tephra. Questo termine include tutti i materiali lavici lanciati in aria e in parte solidificati come frammenti di varie dimensioni: blocchi (dimensioni superiori a 64 mm), lapilli (da 64 a 2 mm) e ceneri (inferiori a 2 mm). Questi frammenti, smistandosi nel tragitto aereo, formano depositi di aspetto stratificato in modo regolare. Quando prevalgono i blocchi, si parla di brecciole; quando prevalgono i lapilli si parla di tufi; quando prevalgono le ceneri si parla di cineriti.
Interessanti, dal nostro punto di vista, perché impiegati nell'edilizia, sono i tufi laziali (peperino laziale) e campani e la pozzolana . I primi, di colore grigio, giallo, bruno punteggiato di nero, sono molto diffusi nell'edilizia romana e napoletana. Il secondo, una cinerite trachitica incoerente dei Campi Flegrei, è utilizzato nella preparazione di malte idrauliche.

ROCCE DI SEDIMENTAZIONE CHIMICA E BIOCHIMICA
Si suddividono in tre gruppi: calcari, dolomie, evaporiti (figura 12).

Figura 12 – Suddivisione delle rocce sedimentarie chimiche e biochimiche

- I calcari comprendono quelle rocce sedimentarie costituite quasi esclusivamente da calcite (carbonato di calcio). Possono essere presenti, in percentuali molto basse, altri minerali quali: quarzo, ortoclasio, ecc.
Sono presenti anche termini di passaggio verso le argille (calcari marnosi, marne calcaree, marne propriamente dette) e le dolomie (calcari dolomitici, dolomie calcaree).
I processi diagenetici principali sono la cementazione, la trasformazione neomorfica, la dissoluzione, la compattazione e la dolomitizzazione. La cementazione è il processo diagenetico principale che porta alla formazione della roccia compatta attraverso la precipitazione dei cristalli nelle cavità del sedimento; la trasformazione neomorfica indica un processo di sostituzione e ricristallizzazione (ad esempio la trasformazione di aragonite in calcite); la dissoluzione è il risultato del passaggio nei pori di acque sottosature rispetto alla fase carbonatica presente; la compattazione ha luogo durante il seppellimento; la dolomitizzazione è dovuta alla precipitazione di dolomite.
I calcari propriamente detti hanno origine da un processo chimico o biochimico: il primo è costituito da una precipitazione diretta di carbonato di calcio (fenomeno più sensibile in zone con acque calde), il secondo dalla rimozione degli ioni calcio e degli ioni carbonato dalle acque marine soprastare da parte di organismi, come i molluschi, che li utilizzano per formare il proprio guscio.
Esistono anche rocce di origine detritica, le cosiddette calciruditi, calcareniti e calcilutiti, la cui composizione è principalmente calcitica e la cui origine è del tutto simile a quella descritta a proposito delle rocce clastiche (conglomerati, arenarie, argille). L'azione disgregante si è svolta a danno di rocce calcaree già esistenti dando luogo a clasti calcarei di varie dimensioni, cementati successivamente da cristalli di calcite. In questo caso prevale un criterio di classificazione mineralogico (predominanza di calcite) su quello genetico. La pietra di Viggiù è un esempio in Lombardia.

- Le dolomie contengono invece, in quantità preponderante, il minerale dolomite. Sono presenti tutti i termini di passaggio con i calcari.
Si distinguono dolomie primarie (molto rare) e dolomie secondarie. Le prime si sono formate durante la fase iniziale della diagenesi di sedimenti calcarei in bacini di scarsa profondità con clima caldo e sono caratterizzate da una tessitura cristallina con elementi da 0,1 a 1 mm. Le seconde si formano per processi non tutti ancora ben chiariti, quello ritenuto più affidabile deriva da una sostituzione della dolomite alla calcite avvenuta durante i processi diagenetici tardivi a causa dell'apporto di magnesio da parte delle eventuali acque circolanti. La pietra di Angera è un esempio in Lombardia.

- Le marne contengono una percentuale preponderante di argilla. Anche in questo caso sono presenti tutti i termini di passaggio con i calcari.
Si tratta di rocce di colore variabile (grigio, rosso, verde, bianco o variegato) sottilmente stratificate e spesso addirittura scagliose. Per questa loro caratteristica sono del tutto inutilizzabili come pietra da costruzione. La frazione argillosa le rende invece adatte alla fabbricazione di leganti idraulici e di cementi di tipo Portland. In Lombardia sono presenti formazioni geologiche costituite interamente da marne e calcari marnosi come le “marne del Pizzella” (Varese) o quelle del “Buchenstein” (val Camonica) del Triassico; le marne bergamasche del “Sass de la Luna” (Cretacico); la “Scaglia lombarda” (Eocene) o le “Marne di monte Piano” dell’Appennino pavese. In molti casi esse sono utilizzate nell’industria del cemento Portland.
In Italia esistono altre formazioni marnose utilizzate nella fabbricazione dei leganti: il cosiddetto Alberese (ora indicato come Complesso di Canetolo), calcari marnosi dell’Eocene diffusi nell’Appennino toscano, e i calcari marnosi della “Formazione di Casale Monferrato” (Eocene), utilizzati nella preparazione del primo cemento Portland italiano (seconda metà del XIX secolo).

CLASSIFICAZIONE DI CALCARI E DOLOMIE
Esistono tre sistemi di classificazione. Il primo, più semplice, è basato sulla granulometria e copmrende: calcirudite (dimensione dei grani superiore a 2 mm), calcarenite (fra 2 mm e 0,062 mm) e calcilutite (inferiore a 0,062 mm).
Per superare le imprecisioni di un sistema basato su caratteri macroscopici, sono state proposte le classificazioni di Folk (1962) e di Dunham (1962).

CLASSIFICAZIONE DI FOLK. In un calcare o in una dolomia, Folk distingue, su basi composizionali, gli ortochimici (prodotti di precipitazione chimica che non hanno subìto trasporto) e gli allochimici (frammenti di composizione calcitica che hanno subìto trasporto).
Tra i componenti ortochimici si distingue la calcite (fango) microcristallina (1-5 micrometri) e la calcite spatica (10 micrometri). In un calcare o in una dolomia essi costituiscono la massa di fondo o matrice.
Tra gli allochimici si distinguono: gli intraclasti (frammenti irregolari), le ooliti (corpuscoli tondeggianti a struttura concentrica originati da deposizione di veli calcitici intorno ad un nucleo detritico; il deposito di veli di calcite avviene per rotolamento del nucleo in un fango calcareo di precipitazione chimica in mari con acque basse e calde), i fossili (parti di gusci o gusci interi di organismi), i pellets (frammenti di forma elissoidale). In un calcare o in una dolomia essi sono immersi nella matrice.
In generale, calcari e dolomie sono costituiti da ortochimici e da allochimici, ma esistono rocce costituite solo dai componenti ortochimici.
Sulla base della natura degli ortochimici la classificazione comprende due serie ognuna delle quali è a sua volta suddivisa in quattro tipi a seconda dei diversi allochimici presenti (indicati con un prefisso di poche lettere: intra=intraclasto, oo=oolite, bio=fossile, pel=pellet).
In presenza di calcite microcristallina (identificate dal suffisso "micrite") si distinguono: intramicrite, oomicrite (rara), biomicrite e pelmicrite. Testimoniano un ambiente con moto medio o intermittente delle acque.
In presenza di calcite spatica (identificate dal suffisso "sparite") si distinguono: intrasparite, oosparite, biosparite e pelsparite. Testimoniano un ambiente con forte moto delle acque.
Le rocce con sola calcite microcristallina sono dette micriti. Testimoniano un ambiente privo di moto e di apporti esterni.
Termini più complessi sono intrabiomicrite, oopelsparite, intraoomicrite.
Le rocce calcaree composte solo da resti fossili sono dette biolititi.

CLASSIFICAZIONE DI DUNHAM. Dunham distingue, su basi strutturali, quattro tipi diversi di calcari: grainstone, caratterizzati da assenza di matrice (l'equivalente di bio-oosparite); packstone, i cui grani sono in contatto fra loro e la matrice è micritica (l'equivalente di biomicrite); wackestone, i cui grani galleggiano in una matrice micritica (l'equivalente di biomicrite); mudstone, dove predomina la matrice micritica.
In Italia i calcari e le dolomie sono molto diffusi. Tutte le Prealpi sono costituite da formazioni calcaree o dolomitiche; le prime sono riferite ai periodi Giurassico e Cretacico, le seconde al Triassico.

- Un cenno a parte meritano i travertini e gli alabastri. I primi si sono formati in ambiente fluviale da acque ricche di carbonato di calcio, racchiudono spesso resti vegetali e sono ricchi di cavità. I secondi derivano dalla precipitazione di carbonato di calcio in ambienti sotterranei molto tranquilli (grotte) ed hanno struttura zonata. Travertini (travertino deriva dal nome con cui gli antichi romani indicavano la pietra che cavavano a Tivoli: lapis tiburtinus) sono diffusi in Toscana e nel Lazio, mentre gli alabastri sono presenti nel Carso.

- Le evaporiti sono rocce formatesi in seguito alla precipitazione chimica del solfato di calcio, del cloruro di sodio e di altri sali di minore importanza, in bacini lagunari con climi caldi e aridi.
In campo architettonico hanno grande importanza i depositi di solfato di calcio (gesso e anidrite); altri usi hanno invece i depositi di cloruro di sodio (salgemma).
Il gesso (solfato di calcio biidrato) si presenta in formazioni ben stratificate con intercalazioni di argille, spesso con cristalli grossolani (selenite).
In Lombardia gessi ed anidridi sono presenti nelle formazioni triassiche della val Camonica e della val Trompia; in Italia è caratteristica la formazione "gessoso-solfifera" (del periodo terziario) che affiora nell'Appennino emiliano-romagnolo ed in Sicilia.
L'impiego del gesso come pietra da costruzione è limitato all'Emilia ed alla Sicilia, mentre l'impiego come legante nelle malte e negli stucchi è molto diffuso. In quest'ultimo caso il gesso viene macinato e cotto a temperatura di circa 160 °C e poi mescolato con acqua in determinate proporzioni dando luogo al fenomeno della "presa".
L'anidrite (solfato di calcio anidro) è presente in lenti nelle formazioni del periodo triassico della Lombardia; tipico il colore grigiastro molto simile a quello del marmo "bardiglio". L'anidrite tende a trasformarsi in gesso non appena entra in contatto con l'acqua o con l'umidità atmosferica. Ha avuto limitato impiego nel rivestimento di interni.