Piroclastite

Piroclastitele sunt roci alcatuite predominant din material vulcanogen derivat din eruptii vulcanice contemporane procesului de sedimentare. Cantitatea de material vulcanogen rezultat (tefra) este dependenta de tipul de eruptie, care la randul ei este conditionata de tipul de magma si respectiv de configuratia tectonica. Tefra acumulata imediat dupa eruptie are putine sanse de supravietuire daca nu este rapid acoperita de alte sedimente si scoasa din contextul proceselor exogene. Alterarea exogena a tefrei este foarte rapida, in cativa ani un sediment arenitic putand ajunge la dimensiuni lutitice prin hidroliza silicatilor instabili la temperaturile scazute si abundenta apei specifice mediului exogen.

Caracteristici granulometrice

Tefra este impartita din punct de vedere granulometric in trei clase principale (Fisher, 1966):

cenusa, φ < 2mm

lapili φ = 2-64mm

blocuri si bombe φ > 64mm

Distributia acestor categorii granulometrice fata de centrul de eruptie este conditionata de tipul de eruptie si de mecanismele de transport, insa in general fractiile mai grosiere sunt caracteristice zonelor proximale, iar cele mai fine zonelor distale. In cazul eruptiilor cu coloane de eruptie foarte inalte, dispersia areala a cenusei vulcanice poate sa fie foarte mare, la distante de mii de km departare.

Caracteristici morfometrice

Particulele piroclastice fine (cenusa) sunt in general angulare deoarece transportul lor este dominant in suspensii unde ciocnirile sunt rare. Morfologia fragmentelor lapilice este mult mai diversa. Adesea sunt prezente morfologii sferoidale rezultate prin acretia concentrica a unor lamine de cenusa in jurul unor particule datorita tensiunilor superficiale exercitate de pelicule de apa sau datorita fortelor de atractie electrostatica. Astfel de particule sunt denumite lapili acretionati. Ei vor prezenta o structura interna caracteristica cu nucleu central si lamine concentrice. Daca nu poseda o astfel de structura, insa au totusi o morfologie sferica si marginal o densitate mai mare a cenusii acretionate, poarta numele de lapili armorati.

Morfologia bombelor reflecta efecte de deformare plastica in timpul deplasarii balistice a fragmentelor de lava incandescenta. Frecvent ele sunt elipsoidale, sferoidale, fusiforme rasucite sau chiar aplatizate ca urmare a impactului cu solul. Suprafata lor externa este rugoasa si prezinta adesea crapaturi radiare (ca o coaja de paine) datorita racirii diferentiate, mai accentuata in zonele marginale. Blocurile sunt fragmente angulare, cu comportament rigid in timpul eruptiei, ele pot fi formate din fragmente de lava mai veche sau roci din substrat.

Caracteristici compozitionale

Tefra, fiind materialul ejectat direct de vulcani, va reflecta compozitia magmei sursa si procesele pe care aceasta le-a suferit in timpul eruptiei. Daca magma continea atat topitura silicatica cat si cristale deja formate (fenocristale), in timpul eruptiei vor rezulta vitroclaste, cristaloclaste si chiar litoclaste.

Vitroclastele sunt fragmente de sticla vulcanica (material silicatic amorf) cu structura compacta, fluidala sau veziculata. Gradul de veziculare al vitroclastelor reflecta compozitia in elemente volatile a magmei. Vitroclastele intens veziculate si cu compozitie bogata in SiO₂ (magma acida) se numesc poncii iar cele provenite din magme bazice, scorii. Ponciile si scoriile produc prin spargere vitroclaste cu suprafete externe concave. Fragmentele de sticla rezultate prin racirea brusca a lavelor fierbinti, fie in contact cu apa fie in contact cu o alta suprafata rece vor fi lipsite de suprafete concave si sunt denumite uneori hialoclaste.

Cristaloclastele sunt cristale sau fragmente de cristale provenite din fenocristalele existente in topitura (Q, Fk, Plg, Px, Bi, Amf, Ol). Acestea sunt in general idiomorfe si prezinta frecvent zonalitati.

Litoclaste sunt fragmente de roca cu origini diferite: lava consolidata (caz in care constituie componentii principali); roca vulcanica din eruptii anterioare (constituind componentii accesorii sau enclavele); roca non-vulcanica din substrat (componenti accidentali sau xenolite).

Structuri sedimentare tipice piroclastitelor

Diageneza piroclastitelor

Majoritatea componentilor minerali ai produselor piroclastice sunt instabili din punct de vedere termodinamic, in conditiile de temperatura si presiune de suprafata. In plus, depozitele piroclastice au porozitati si permeabilitati initiale foarte mari, ceea ce permite o buna circulatie a apei. In aceste conditii sedimentele piroclastice sunt usor alterabile in conditii exogene rezultand argilizari si zeolitizari.

Principalele transformari diagenetice ale piroclastitelor sunt: aplatizarea vitroclastelor in timpul curgerilor piroclastice rezultand fiame paralele cu stratificatia, compactarea (cu spargeri in situ a vitroclastelor veziculate daca nu a avut loc o cimentare timpurie), cimentarea (in general cu ciment silicios si calcitic), recristalizarea sticlei in timp sau ca efect al temperaturii de ingropare (devitrificare si zeolitizare), neoformatii de clorit si caolinit pe seama mineralelor argiloase anterior formate, neoformatii albitice, epidotice, hematitice si carbonatice.

Elemente de petrogeneza a piroclastitelor

Clastogeneza asociata proceselor vulcanice:

Eruptiile magmatice

Acestea sunt datorate separarii fazelor fluide si solide de cea gazoasa (exsolutie, dezamestec). Adancimea la care se produce dezamestecul este functie de continutul in volatile si de tipul de magma. In timpul ascensiunii magmei,    scaderea presiunii produce prima faza de exolutie = exsolutia de decompresie cand nucleeaza mici vezicule in topitura care duc la cresterea instantanee a vascozitatii topiturii. Aceasta faza mai poarta numele si de "prima fierbere". A doua faza de dezamestec are loc cand separarea volatilelor este aproape completa iar topitura devine partial solidificata = exolutia de cristalizare. In acest moment presiunea de vapori este maxima si determina spargerea lavei generandu-se piroclastele. In acest moment are loc eruptia amestecului de gaze si piroclaste sub forma de coloana de eruptie. Coloana de eruptie poate fi inalta intre 1-45km si cu o morfologie in forma de ciuperca datorita expandarii ei la intrarea in stratosfera. In prima parte, dinamica particulelor din coloana de eruptie este controlata de fortele de inertie, apoi de curentii de convectie generati datorita diferentelor de temperatura intre gaze, piroclaste si atmosfera iar in partea superioara a coloanei de euptie, transportul este preluat de catre curentii atmosferici.

Eruptii freatomagmatice si freatice

Acestea sunt eruptii datorate interactiunii magmei fierbinti cu apa (freatica, lac, ocean, gheata). Ele sunt controlate de presiunea hidrostatica (P_hd) si de raportul volumetric apa/topitura silicatica (R). Astfel, o eruptie subacvatica va duce la o clastogeneza semnificativa daca presiunea hidrostatica este mai mica decat o presiun critica. In bazinele cu apa dulce aceasta presiune (P_hd=216 bar) se atinge la aproximativ 2100m adancime iar in bazinele oceanice (P_hd=315 bar) se atinge la 3150m.

R< 0.2 clastogeneza nesemnificativa data de eruptii de aburi fierbinti = eruptii freatice

R ≈ 0.3 clastogeneza maxima eruptii freatomagmatice (coloane de eruptie joase)

R >> 0.3 clastogeneza nesemnificativa (transfer de energie termica)

Efecte in sedimentele asociate: fluidizari (dike-uri clastice, peperite)

Efecte in lave: pilow-like, load-cast-like, hyaloclastite, pseudocratere, curgeri piroclastice

Procese autoclastice

interactiunea lava fierbinte cu o suprafata rece => stres termic, contractii, clastogeneza

efecte: hialoclastite, brecie autoclastica

Eruptii Pliniene

Rezulta din lave acide (riolite, dacite, trahite) bogate in elemente volatile, cu temperaturi cuprinse intre 750-1000°C. Formeaza coloane de eruptie foarte inalte (4-45km), bogate in gaze eliberate cu viteze foarte mari (supersonice) fapt ce duce la dispersii ale

cenusei pe suprafete mari. Eruptia dureaza max. 4 zile. Sunt denumite asa dupa naratorul Plinius cel tanar, care a inortalizat eruptia Vezuviului din anul 79, cea care a acoperit Pompeiul.

Eruptii Hawaiene

Rezulta din magme bazaltice, foarte fluide, sarace in gaze care genereaza mai ales curgeri de lave, fantani de lava, bombe, lapili si scorii.

Eruptii Stromboliene

Rezulta din magme bazaltice mai bogate in gaze care se acumuleaza progresiv generand eruptii pulsatorii cu bombe, lapili, cenusa scoriacee.

Eruptii Vulcaniene (Vulcano 1888-1890)

Sunt eruptii freatomagmatice, scurte, insa puternic explozive care genereaza coloane de eruptie negre (alcatuite din aburi si cenusa).

Sistematica piroclastitelor

Dupa criteriul granulometric: 1 = tuf ; 2 = lapilit; 3 = aglomerat/brecie vulcanica

Sisteme depozitionale specifice

1. Eruptii in mediu subaerian:

Depozitele de cadere (fall deposits) (fig. 4.9a) - alcatuite din materialul ejectat prin eruptii piroclastice sau freatomagmatice dintr-un centru de eruptie (volcanic vent). Clastele fierbinti ejectate, impreuna cu elementele volatile expandeaza formand coloane de eruptie. Dupa un moment de expansiune radiara, coloana de eruptie poate fi dirijata de curentii atmosferici care pot transporta clastele pe distante mari formand astfel depozite cu grosimi mici, fin granulare si cu sortare buna.

Depozitele de curgeri piroclastice (flow deposits) sunt rezultate prin colapsul coloa-nei de eruptie (fig. 4.9b) cand amestecul de claste fierbinti si gaze fluidizate (cu densitate mare) curge gravita­tional si canalizat pe depresi­unile topografice pre-existente. Racirea amestecului dupa oprirea curgerii, duce la sudarea clastelor, rezultand tufurile sudate, sau ignimbritele (cand rezulta dintr-o lava acida). Sunt depozite slab sortate, pot prezenta granoclasare normala in baza si granocla­sare inversa spre top (datorita concentrarii clastelor veziculate mari si usoare).

Depozite de val piroclastic (surge deposits) provin din curgeri turbulente cu densi-tate mica si viteze mari de deplasare (fig. 4.9c, fig 4.10a,b,c). Ele pot fi initiate de eruptiile freatomagmatice radiare, caz in care curgerile sunt umede si cu temperaturi scazute. Se pot asocia curgerilor piroclastice (base surge deposits). In acest caz depozitele sunt proximale dar subtiri si neregulate, compuse din litoclaste mai vechi la care se adauga subordonat particule juvenile grosiere, totul cu o sortare slaba. Structurile sunt unidirectinale cu laminatie ondulatorie.

Curgerile maloase = lahar sunt curgeri gravitationale antrenate de apa, asemana­toare curgerilor piroclastice (compozitional si structural), fiind uneori un facies distal al acestora (fig. 4.9 b). Se deosebesc prin gradul mai mare de rotunjime al clastelor, proportia mai mare de matrice fina si avand tempera­turi scazute nu prezinta sudari sau alte efecte termice. Se pot forma in timpul eruptiilor sau independent de acestea prin remobilizarea materi­alului piroclastic neconsoli­dat.

2. Eruptii in mediu subacvatic:

Efectele eruptiilor subacvatice sunt controlate de presiunea hidrostatica (si deci de adancimea la care a avut loc activitatea vulca­nica).

Hialoclastitele (hyaloclastites) - La adancimi mari, in zonele oceanice de rift sau vulcanism intra­placa, se formeaza preponderent curgeri de lave tip pillow adesea insotite de brecii vulca­nice si depozite alcatuite din frag­mente fine de sticla bazica (sideromelan) = hialoclastite. Astfel de secvente sunt frecvent asociate cu depozite sedimentare pelagice (fig. 4.11).

Turbidite cineritice (ash turbidites) - La adancimi mici ale coloanei de apa, pot fi ejectate canti­tati mari de tefra in apa, parte din acesta se va intoarce pe fundul bazinului generand curgeri gravitationale in masa, asemanatoare turbidi­telor. Particulele puternic veziculate (ponciile) se ridica la suprafata apei, plutind antrenate de curentii de suprafata pana se depun pe tarm. Particulele fine raman mult timp in suspensii si pot fi dispersate de curenti.

3. Eruptii in zonele insulare:

Caracteristicile zonelor insulare sunt date de eruptii in mediu subaerian combinate cu transportul materialului piroclastic spre mediile subacvatice invecinate. O distributie idealizata a carcteristicilor faciale ale unei astfel de situatii poate fi urmarita in fig. 4.12.

Caracteristicile topiturilor silicatice

Elementele volatile in topituri:    H₂O si CO₂ (bazalte)

Continutul in volatile afecteaza: vascozitatea (μ), temperatura de topire, temperatura de solidificare, natura eruptiei vulcanice.