Strutture sedimentarie nei depositi da surge

Le strutture sedimentarie nei depositi da surge possono essere pre-deposizionali, quando la loro formazione è influenzata dalla topografia, come il riempimento di depressioni e canali. 

Strutture sin-deposizionali si formano durante la sedimentazione e includono le forme ondulate (dune) e la stratificazione incrociata al loro interno, nonché la formazione di strati massivi e strati planari. 

Le strutture post-deposizionali comprendono tutte quelle deformazioni provocate da eventi posteriori alla sedimentazione, come le strutture da impatto per la caduta di elementi balistici (bomb sags) e il sovrascorrimento degli strati delle dune indotto da flussi successivi. 

In molti depositi da surge, è stata riconosciuta una variazione delle strutture sedimentarie sin-deposizionali con la distanza dal cratere: i depositi prossimali sono prevalentemente ondulati, con strutture a dune e laminazioni incrociate; quelli a media distanza sono prevalentemente di tipo massivo e in quelli distali prevalgono gli strati planari.

Formazione delle strutture a dune

Le strutture ondulate (ripples, dune e antidune) si trovano in molti depositi anche non di origine vulcanica. I primi studi sono stati fatti dai sedimentologi sui depositi di correnti sottomarine (torbiditi) e fluviali. 

Nei flussi torbiditici sottomarini, i ripples si formano per la pressione del flusso che deforma il substrato su cui scorre in un'alternanza, nel senso della corrente, di creste e depressioni lunghe poche cm o al massimo qualche decina di cm (megaripples).

Se la velocità del flusso aumenta, si formano increspature più grandi (dune) e, se aumenta ulteriormente, le dune diventano instabili e il fondo può tornare piatto. A velocità ancora maggiori, il fondo si increspa di nuovo e si formano delle antidune, alte fino a 1 m e lunghe fino a 6-7 m, simmetriche in sezione trasversale.

Le antidune possono essere fisse o mobili. Quando sono mobili migrano sopracorrente (regressive), con erosione sul lato a valle e deposito su quello a monte. Se la velocità della corrente continua a crescere, dopo questo punto non si formano più strutture. Se rallenta gradualmente, la sequenza si ripete all'incontrario, dalla fase a fondo piano, instabilità, formazione di dune e ripples.

Nelle correnti di torbida e in quelle fluviali, la fase durante la quale si formano dune e ripples coincide con un regime di flusso inferiore o sub-critico, mentre quella in cui le strutture vengono distrutte corrisponde al passaggio ad un regime di flusso superiore o super-critico.

Se vi è sedimentazione durante la fase di transizione tra regime di flusso inferiore e superiore, i granuli si distribuiscono in nastri e lamine piane e si forma un deposito a strati piano-paralleli.

Il regime di flusso è identificato in base ad un numero critico detto numero di Froude (Fr):

Fr=U/(gh)1/2

in cui U è la velocità e h la profondità del flusso. Con Fr<1 vi è un regime di flusso inferiore (sub-critico) e si formano strutture tipo dune e ripples. Quando Fr>=1 si ha un regime di flusso superiore (super-critico) e si verifica lo sviluppo di antidune.

I termini dune e antidune sono stati in passato utilizzati per depositi torbiditici e piroclastici come se fra i processi sedimentari subacquei o fluviali e quelli delle correnti piroclastiche vi fosse una perfetta analogia.

Al contrario, il confronto tra i due tipi di flussi è molto approssimativo, dato che le torbiditi sono correnti di fango che scorrono nell'acqua, mentre i surge consistono in granuli trasportati in un mezzo molto meno denso dell'acqua.

Nelle torbiditi la stratificazione incrociata all'interno delle dune è sempre a alto angolo, in quanto si forma per passivo scivolamento degli strati di granuli sul lato sottocorrente della duna. Nei depositi da surge, invece, l'angolo della stratificazione incrociata è spesso di molto inferiore all'angolo di riposo e questo fatto suggerisce che la formazione di dune non avvenga in condizioni di flusso a basso regime.

E' probabile che nei surges le dune si formino da flussi ad alta velocità e che la stratificazione incrociata a basso angolo dipenda dal fatto che i granuli si sedimentano sopra un substrato ondulato a basso rilievo a causa dell'alto sforzo di taglio.

In un sistema a due fasi gas-solido (surge secchi), il processo di formazione delle dune è paragonabile a quello eolico. Nei surge umidi i processi sedimentari sono poco confrontabili con altri, in quanto il sistema è trifase (gas-solido-acqua o vapore) e la presenza di umidità provoca fenomi di aggregazione delle particelle.

Inoltre, le ampie variazioni granulometriche, da ceneri a lapilli, spesso trovate all'interno in un singolo set di lamine di prodotti piroclastici, sono ricollegabili a un flusso meno stazionario di quello torbiditico. 

Forma e geometria delle dune

La forma delle dune può essere simmetrica o asimmetrica e l'asimmetria può essere sviluppata nel senso della corrente (sottocorrente) oppure in quello opposto (sopracorrente).

Le creste delle dune sono perpendicolari alla direzione del trasporto e la loro disposizione nei depositi può essere utilizzata per individuare l'andamento del flusso. Una successione verticale di dune può mostrare una migrazione delle creste sia sopra che sottocorrente. Sono definite progressive le dune che migrano sottocorrente, regressive quelle che migrano sopracorrente e stazionarie quelle senza evidenti migrazioni.

La direzione della migrazione è collegata a differenti gradi di temperatura e di umidità del surge: le strutture progressive si formano da surge caldi e secchi e quelle regressive da correnti umide e fredde, indipendentemente dal regime di flusso.

Le dune progressive possono essere di tre tipi (A1, A2 e B). Quando il tasso di sedimentazione è elevato, gli strati incrociati interni alla duna hanno una disposizione simile a quella che si trova nei depositi di altri processi sedimentari (tipo A1).

Le dune stazionarie (tipo F) hanno creste che migrano sia sotto che sopracorrente e si formano da surges con temperature vicine al punto di condensazione o di ebollizione dell'acqua. Quelle regressive corrispondono ai tipi C D E. In questo schema, le aggregazioni di particelle, indicanti la presenza di umidità, si trovano solo nei depositi con dune stazionarie e regressive. 

In alcuni depositi le dune variano da regressive a progressive con la distanza, probabilmente per una variazione di velocità del flusso. Quando la corrente accelera si formano le dune regressive e quando rallenta si formano quelle progressive.

Sono state riconosciute anche strutture progressive ricche di lapilli accrezionali e strutture regressive prive di forme di accrezione, ma formate da clasti grossolani. E' quindi possibile che, in certi casi, dune di entrambi i tipi, progressivo e regressivo, si formino da un singolo surge, sia esso di tipo umido che di tipo secco al variare del regime di flusso nel momento della deposizione.

La migrazione delle dune si verifica in uno spazio molto variabile, da chilometri a pochi metri o, a volte, la formazione dei due differenti tipi di strutture può essere quasi contemporanea. Questo suggerisce che la variazione nel regime di flusso avvenga anche su piccola scala, probabilmente indotta da ondulazioni o canali formati dal surge stesso. Anche le dune, una volta formatesi, possono essere causa di una variazione nella velocità del flusso sufficiente a produrre la migrazione delle creste.

Strutture chute-and-pool

Quando un flusso incontra uno scivolo (chute) può accelerare fino a diventare instabile e turbolento. All'estremità dello scivolo, il flusso rallenta e sottocorrente si forma una conca (pool).

Il passaggio dalla zona inclinata alla formazione della conca è detto salto idraulico. La capacità di trasporto del flusso lungo lo scivolo è elevata ma, dove aumenta la profondità, la velocità diminuisce, la competenza del flusso viene drasticamente ridotta e la sedimentazione diventa abbondante. 

Le strutture di chute-and-pool consistono in forme simili a dune con laminazioni interne ad alto angolo nel lato sopracorrente (backset).