DIAGENEZA SEDIMENTELOR (proces postdepozitional)

DIAGENEZA SEDIMENTELOR (proces postdepozitional)

Dupa formarea sa, sedimentul este separat fata de mediul de depunere datorita acoperirii cu depozite mai noi. El este ingropat sub acestea si, desi supus unor presiuni litostatice crescande, este sediul unor circulatii de solutii cu compozitie variata. Ca urmare, el este consolidat (litificat), devenind o roca.Totalitatea acestor procese care au drept finalitate "litificarea" sunt controlate de factori exogeni si sunt de esenta fizico-mecanica sau fizico-chimica. Ansamblul acestor procese poarta numele de diageneza. Cu alte cuvinte diageneza poate fi definita si prin ansamblul transformarilor de natura compozitionala si structurala suferite de un depozit sedimentar. Limita "superioara" a diagenezei o constituie alterarea, iar limita "inferioara" metamorfismul. Intre aceste doua limite, totalitatea transformarilor de natura fizico-chimica sau biotica pe care le sufera sedimentele pentru a deveni roci, sunt de natura diagenetica.

1. Factorii diagenezei

a. Presiunea litostatica (la care se adauga si cea hidrostatica).

b. Temperatura.

c. Solutiile interstitiale.

a. Presiunea actioneaza pana la valorile care determina transformari de natura metamorfica (circa 10.000 m adancime). Presiunea litostatica rezulta din greutatea coloanei de sedimente si ea variaza pentru fiecare Km cu 250 - 300 bari. La circa 10.000 m, presiunea este aproximativ 4 - 5 Kbari, porozitatea sedimentelor fiind mai mica cu 10 %.

Presiunea hidrostatica corespunde greutatii coloanei de apa asupra unei suprafete si poate atinge 100 bari/1Km. Ea se exercita in special in pori si fisuri si catalizeaza procesul de solubilitate a mineralelor. Presiunea hidrostatica este influentata de gradientul geotermic care trece apa din stare lichida in vapori (220 atm si 350⁰ C reprezinta punctul critic, cand presiunea hidrostatica este mai mare decat presiunea litostatica).

b.Temperatura: este determinata de gradientul geotermic. Dupa 200⁰ incep transformarile metamorfice (aceasta valoare este discutabila in opinia unor cercetatori). Ridicarea temperaturii in mediul diagenetic determina solubilitatea gazelor in apa (CO₂,O₂), accelereaza viteza de desfasurare a reactiilor chimice si declanseaza transformari in starea solida (recristalizari).

ex. Opal (in 47 ani / 200⁰ C) T cuart

Opal (in 36000 ani / 100⁰ C) T cuart

Opal (in 180000 ani / 20⁰C) T cuart.

c. Solutiile interstitiale: au o compozitie variabila in functie de mediu (dulcicol, salin, hipersalin). Ele se pot contamina cu ape meteorice si/sau juvenile. Viteza lor de deplasare poate ajunge pana la 10 cm/zi sau in cazul difuziei ionice 1 cm/zi. De natura solutiilor interstitiale depinde "calitatea" produselor de neoformatie din sedimente.

2. Procese si produse de diageneza

Diageneza, asa cum s-a subliniat anterior este un proces fundamental si complex de formare a rocilor sedimentare. Din acest punct de vedere si nu numai, procesele care au loc si produsele lor sunt extrem de variate. In cele ce urmeaza vom prezenta, aspectele principale ale acestora.

2.1. Procese fizico-mecanice

Compactizarea

O stiva de sedimente acumulata intr-un bazin, tinde sa se taseze sub propria-i greutate sau sub greutatea sedimentelor acoperitoare. Compactizarea reprezinta un proces fizic, prin care se reduce volumul global al unui depozit sedimentar, micsorandu-se mult porozitatea acestuia. Reducerea de volum este progresiva si depinde de adancimea de ingropare si deci, de presiunea litostatica. Prin compactizare este afectata atat faza solida cat si cea lichida a unui sediment. Porozitatea poate fi redusa de la 70 - 80 % pana la 30 %. In sedimentele slab sortate, dupa tasare, fractiunea fina devine liant (matrice) al fractiunii grosiere.

Alte efecte ale compactizarii:

-formarea structurilor de intrepatrundere;

-formarea gliptomorfozelor (mulaje ale cristalelor idiomorfe diseminate in sediment si ajunse imprimate pe suprafata stratului).

2.2. Transformari in stare solida - au loc simultan cu tasarea sau dupa aceasta.

Neomorfismul reprezinta un complex de procese izochimice care au drept efect recristalizari, transformari polimorfe si cresteri de cristale. Prin recristalizare, agregatele cristaline instabile din punct de vedere termodinamic (cu dimensiuni foarte mici) trec in agregate cristaline stabile (energii libere mici, dimensiuni mari). Cele mai afectate de recristalizari sunt carbonatii, sulfatii, bioclastele.

Compusii naturali care au proprietati de polimorfism tind sa treaca la formele cele mai stabile. Cele mai frecvente apartin perechilor:

CaCO₃ - vaterit - aragonit - calcit;

SiO₂ - opal - calcedonie - cuart;

MnO₂ - wad - psilomelan - piroluzit.

Existenta a doua astfel de faze constituie o dovada de metastabilitate a sistemului.

Supracresterea este un proces specific cristalelor de cuart sau calcit, care, jucand rolul unui suport, stimuleaza blasteza (supracresterea) unor cristale de aceeasi natura si cu proprietati optice identice cu ale lor. Cristalele nou formate imbraca aspectul unor coroane de supracrestere in raport cu granulele centrale.

Diferentierea diagenetica este o forma de atingere a echilibrului intr-un sistem petrografic. Procesul consta intr-o migrare in stare solida a ionilor si poate fi accelerat de existenta unui mediu fluid. Se formeaza astfel concretiuni, sferule de silice la argile si calcare, de calcit la marne, de colofan la gresii etc..

Procese mediate de solutii

In prezenta apei, ca mediu de acumulare sau solutie interstitiala, sunt declansate procese postdepoztionale care provoaca litificarea sedimentelor sau modificarea compozitiei initiale.

Dizolvarea sub presiune este activa in timpul ingroparii progresive la contactul dintre granule. In prezenta unui film de apa, se dizolva compusii mobili si se intrepatrund granulele cu aceeasi compozitie minerala (ex. la 600 - 800 m adancime au loc contacte intre granulele de cuart si intre ooidele carbonatice).

Deshidratarea depozitelor umede. Se considera ca este umed acel depozit sedimentar ale carui particule solide (cristale sau teste minuscule) sunt complet sau aproape complet invaluite de apa libera. In aceasta categorie intra malurile (argiloase, carbonatice, sapropelice etc.). Exista doua mecanisme mai eficace de deshidratare:

1. Deshidratarea prin evaporarea apei (uscare), posibila doar la malurile care pot intra in conditii subaeriene: maluri aluvionare, lacustre, litorale, deltaice etc.. Prin evaporarea apei libere intergranulare, particulele solide se apropie, avand doua consecinte: cresterea fortelor de coeziune intergranulara si prin urmare cresterea rigiditatii sedimentului si scaderea volumului global al sedimentului, care, in final poate duce la craparea acestuia, daca evaporarea este rapida. De obicei apare o retea complicata de fisuri, care compartimenteaza sedimentul in corpuri mai mult sau mai putin columnare, cu baze poligonale (fig. F).

2. Deshidratarea prin tasare (compactizare). Tasarea este procesul de micsorare a volumului global al sedimentului prin scaderea porozitatii ca urmare a cresterii presiunii. Fenomenul de tasare se manifesta in toate sedimentele care sunt supuse ingroparii, asa cum sunt cele din bazinele marine cu sedimentare intensa si de lunga durata. Inaintea tasarii, porii sunt ocupati de apa bazinului, iar prin tasare apa este expulzata. Spre deosebire de evaporare, tasarea nu conduce la craparea sedimentului.

Cimentarea particulelor se realizeaza pe cale chimica in sedimente prin intermediul lichidelor interstitiale sau fluidelor cu concentratii ridicate in saruri. La un grad de supraconcentrare corespunzator unei anumite substante, aceasta se depune si devine ciment al particulelor terigene, al ooidelor si peloidelor, al bioclastelor (ex. gresii, calcare oolitice, unele calcare bioacumulate cu ciment de diverse naturi mineralogice: opal, calcit, gips, hidroxizi de Fe, identice cu a granulelor de care se leaga sau diferite).

Cimentarea presupune prin urmare inlocuirea invelisului de materie fluida sau de aer cu un altul solid, cristalin sau amorf. Substanta solida cu rol de ciment, nucleaza pe suprafata particulelor preexistente si se dezvolta in exterior, in spatiul porilor. Aceasta cimentare poate fi totala (porii sunt complet umpluti cu ciment) sau partiala. In functie de compozitia minerala, cimentul poate fi de o mare diversitate, ca de exemplu ciment carbonatic, ciment silicios, ciment oxidic etc.. La fel de divers este cimentul in ceea ce priveste configuratia sa: ciment de contact, ciment de pori, ciment bazal, fibroradiar (fig. G - Seclaman et al., 1999). Sedimentele litificate prin cimentare sunt denumite sedimente cimentate.

Asa cum s-a precizat mai sus, procesele care determina intarirea depozitelor mobile sunt in totalitate diagenetice. Totusi, diageneza nu se reduce numai la procese de litificare. In sedimentele care se conserva intr-un timp extrem de indelungat, ca urmare a variatiilor de temperatura, presiune si a conditiilor fluidului din pori, pot avea loc diverse reactii chimice, precipitari si dizolvari care, in final, schimba compozitia mineralogica a sedimentului si chiar compozitia chimica globala a acestuia. De pilda, in depozitele clastice, feldspatii pot fi inlocuiti cu filosilicati (mice), cuartul poate fi inlocuit de calcit etc.. La fel in depozitele carbonatice de tip recifal, calcitul poate fi inlocuit de dolomit si invers (asa cum veti vedea in cele ce vor fi prezentate mai jos). Mai mult decat atat, exista unele procese diagenetice care sunt opuse litificarii, asa cum sunt cele de dizolvare a cimentului, cele de alterare a epiclastelor rigide etc.. Cele mai complicate procese diagenetice par sa se manifeste in acele depozite acvatice care au trecut prin trei faze de evolutie:

1. acumularea in bazin, cand sedimentul este inca in contact nemijlocit cu apa;

2. ingroparea ca urmare a acoperirii de alte sedimente, mai noi;

3. exondarea, respectiv ridicarea spre suprafata a intregii stive de sedimente aviand ca finalitate aducerea depozitului sedimentar in conditia subaeriana.

In primele doua etape, cand sedimentul evolueaza de la presiuni mici la presiuni mari si temperaturi in acelasi mod, este o evolutie prograda. In ultima etapa evolutia este inversa, adica retrograda. In opinia unor geologi, diageneza cuprinde doar procesele prezente in evolutia prograda, pe cand cele care insotesc evolutia retrograda sunt considerate pur si simplu, degradari exogene (dezagregari si alterari). Alti geologi considera ca toate aceste aspecte sunt pur de natura diagenetica, cu exceptia celor metamorfice. Asa cum vom vedea mai departe, acestia impart diageneza in trei etape distincte, fiecare dintre ele cu particularitatile lor (Seclaman et al., 1999).

Cimentul poate fi:

- timpuriu (depus prin evaporarea fluidului din pori, sau in timpul circulatiei solutiilor in sisteme prealabile);

- tarziu (depus prin precipitare in sisteme inchise sau ca produs de substitutie a unor compusi primari).

Metasomatoza reprezinta substitutia unor compusi preexistenti - paleosomi, cu un compus nou - neosom; Substitutia are loc prin dizolvarea paleosomului si precipitarea imediata a neosomului.

In domeniul sedimentar, metasomatoza se desfasoara in conditii normale de temperatura si presiune. Substitutia poate fi totala, caz in care neosomul poate fi pseudomorfozat total (feldspatul plagioclaz trece in feldspat potasic -adular), sau poate fi partiala.

ex. Dolomitizarea calcarelor:

2CaCO₃ + Mg²⁺T Ca,Mg(CO₃)₂ + Ca²⁺ (se micsoreaza cu 13% volumul). Prin urmare se reduce volumul calcarelor datorita diferentei dintre raza ionica a Ca²⁺ si Mg²⁺.

ex. Silicifierea (in calcare, argile, fosforite);

Fosfatizarea (in calcare);

Piritizare, limonitizare.

Etapele diagenezei

Diageneza este un proces complex care cuprinde urmatoarele etape: sindiageneza, anadiageneza, epidiageneza. (fig. 50 - plansa XVII). Sindiageneza (singeneza) corespunde transformarilor sincrone sedimentarii in mediu subacvatic sau imediat dupa acumulare (pana la maxim 100 m ingropare). Ei ii corespunde un Eh variabil si un pH cuprins intre 5 si 8,5. In cadrul ei se produc, de regula, resolubilizari, reprecipitari, diferentieri diagenetice, autigeneze etc..

Anadiageneza (diageneza sedimentelor submerse) corespunde transformarilor care afecteaza sedimentele submerse in timpul ingroparii progresive si se manifesta intre 100 m si 10000 m (limita cu metamorfismul). In timpul acestei etape Eh-ul este totdeauna negativ, pH-ul alcalin, iar solutiile interstitiale au tendinta de a migra ascendent. Aici se manifesta toate procesele diagenetice: compactizari si recristalizari, cimentari si decimentari, autigeneze si substitutii metasomatice (dolomitizari, feldspatizari).

Epidiageneza (epigeneza) corespunde ansamblului de procese care se petrec in roci dupa litificare, in mediul subaerian. In timpul epigenezei Eh-ul este pozitiv, pH-ul este mic, fluidele au tendinta de a migra descendent.

Fata de alterare, cu care se poate confunda, procesele epidiagenetice conduc la rearanjari ale elementelor componente. Au loc dizolvari, decimentari, recristalizari si autigeneze (neoformari de oxizi si hidroxizi de Fe, Mn, gips, anhidrit), recristalizari agradante (cresterea dimensiunii cristalelor) specifice gresiilor si calcarelor in care apar diaclaze umplute cu calcit.

5. Tipuri genetice de depozite sedimentare

Corpurile de depozite sedimentare au diverse proprietati care reflecta conditiile naturale de formare a acestora, mai importante fiind urmatoarele:

a.      continutul litologic al depozitului, adica natura si proportia speciilor petrografice care alcatuiesc depozitul;

b.     structura corpului depozitional, respectiv modul de aranjare a rocilor componente, controlat de forma si dimensiunile litonilor. Rareori un corp depozitional este format dintr-o singura specie petrografica si numai in acest caz special, structura depozitului este una si aceeasi cu structura petrografica. De cele mai multe ori, corpul depozitional este eterogen, fiind format din mai multe corpuri petrografice - litoni;

c.      continutul fosilifer al depozitului. Fosilele sunt resturi ale organismelor vii (fauna sau flora) conservate in depozitul sedimentar: schelete externe, schelete interne, impresiuni, tesuturi vegetale etc.. Uneori, in depozitele sedimentare sunt conservate si urme ale activitatii animalelor (urme de pasi, urme de tarare pe fundul apelor, etc.) sau chiar resturi ale metabolismului organismelor vii. Exista numeroase specii care au trait exclusiv numai in mediul acvatic, asa cum sunt si altele care au trait in medii exclusiv continentale. Mai mult decat atat, exista flora si fauna fosilifera specifica unor conditii restrictive atat marine, cat si continentale, iar resturile acestora constituie asa numitele "fosile de facies". De exemplu, exista fauna exclusiv lacustra, dupa cum exista si o alta care a trait exclusiv in conditii de apa salina, fie in zone adanci (fauna benctonica), fie la mici adancimi, in conditii de luminozitate (cum este fauna recifala).

Dat fiind faptul ca depozitele sedimentare poarta amprenta proceselor generatoare si a conditiilor in care s-au format, s-a putut elabora o schema de clasificare genetica a acestora, relativ sigura. Principalele categorii genetice ale acestor depozite sunt prezentate in tabelul 1 (dupa Seclaman et al.,1999).

Tabelul nr. 1 - Principalele grupe de depozite sedimentare pe baza originii acestora

Nr. proces		Procesul generator dominant		Categoria genetica a depozitelor
	1A	DEGRADARE	DEZAGREGARE	SCOARTA DE DEGRADARE	SCOARTA  DE DEZAGREGARE
	1B		ALTERARE ± dizolvare		SCOARTA  DE ALTERARE
	2A	SEDIMENTAREA EPICLASTELOR	Sedimimentare hidrodina- mica fluviatila	DEPOZIT DETRITIC (EPICLASTIC)=sediment detritic	Aluviune fluviatila (sediment fluviatil)
	2B		Sedimimentare aerodinamica		Depozit eolian (sediment eolian)
	2C		Sedimimentare hidrodina- mica litorala		Depozit litoral (sediment litoral)
	2D		Sedimentare statica lacustra		Depozit lacustru (sediment lacustru)
	2E		Sedimentare statica marina		Depozit marin (sediment marin)
	3A	PRECIPITARE	Precipitarea abiotica prin evaporare	DEPOZIT DE PRECIPITARE	Depozit (sediment) evaporitic
	3B		Precipitarea abiotica in pesteri		Depozit speleal
	3C		Precipitarea biotica recifala		Depozit recifal (bioconstruit)
	3D		Precipitare biotica in teste si acumularea testelor		Depozit bioacumulat
	4A	ACUM. SI. TRANSF. SUBSTANTELOR ORGANICE	Acum. si transf. substantelor vegetale in conditii reducatoare	DEPOZIT ORGANIC	Depozit carbunos
	4B		Acum. si transf. substantelor vegetale si animale		Sapropel
	4C		Acum. si transf. substantelor vegetale si animale in conditii subaeruiene		Humus
	Proces mixt (1B + 4C)			Sol
	Proces mixt (1A + 4C)			Sol scheletic
	Proces mixt (2 + 4)			Depozit detritic fosilifer
	Proces mixt (2 + 3)			Depozit detritic fosilifer