Interactions between grain size and composition of sediments: two examples

Two contrasting case studies of sediment and detrital mineral composition are investigated in order to outline interactions between chemical composition and grain size. Modern glacial sediments exhibit a strong dependence of the two parameters due to the preferential enrichment of mafic minerals, especially biotite, in the fine-grained fractions. On the other hand, the composition of detrital heavy minerals (here: rutile) appears to be not systematically related to grain-size, but is strongly controlled by location, i.e. the petrology of the source rocks of detrital grains. This supports the use of rutile as a well-suited tracer mineral for provenance studies. The results further suggest that (i) interpretations derived from whole-rock sediment geochemistry should be flanked by grain-size observations, and (ii) a more sound statistical evaluation of these interactions require the development of new tailor-made statistical tools to deal with such so-called two-way compositions

A Log-linear model of grain size influence on the geochemistry of sediments

Sediment composition is mainly controlled by the nature of the source rock(s), and chemical (weathering) and physical processes (mechanical crushing, abrasion, hydrodynamic sorting) during alteration and transport. Although the factors controlling these processes are conceptually well understood, detailed quantification of compositional changes induced by a single process are rare, as are examples where the effects of several processes can be distinguished. The present study was designed to characterize the role of mechanical crushing and sorting in the absence of chemical weathering. Twenty sediment samples were taken from Alpine glaciers that erode almost pure granitoid lithologies. For each sample, 11 grain-size fractions from granules to clay (ø grades <-1 to >9) were separated, and each fraction was analysed for its chemical composition. The presence of clear steps in the box-plots of all parts (in adequate ilr and clr scales) against ø is assumed to be explained by typical crystal size ranges for the relevant mineral phases. These scatter plots and the biplot suggest a splitting of the full grain size range into three groups: coarser than ø=4 (comparatively rich in SiO2, Na2O, K2O, Al2O3, and dominated by “felsic” minerals like quartz and feldspar), finer than ø=8 (comparatively rich in TiO2, MnO, MgO, Fe2O3, mostly related to “mafic” sheet silicates like biotite and chlorite), and intermediate grains sizes (4≤ø <8; comparatively rich in P2O5 and CaO, related to apatite, some feldspar). To further test the absence of chemical weathering, the observed compositions were regressed against three explanatory variables: a trend on grain size in ø scale, a step function for ø≥4, and another for ø≥8. The original hypothesis was that the trend could be identified with weathering effects, whereas each step function would highlight those minerals with biggest characteristic size at its lower end. Results suggest that this assumption is reasonable for the step function, but that besides weathering some other factors (different mechanical behavior of minerals) have also an important contribution to the trend. Key words: sediment, geochemistry, grain size, regression, step function

Contribució al coneixement de variables geoambientals en l'àmbit de la Costa Brava (Girona)

La tesi doctoral desenvolupada, emmarcada dins del camp de les Ciències Ambientals, aplica la Geologia Ambiental orientada al coneixement dels processos i recursos geològics de cara a la planificació i a l'ordenació del territori. Com a zona d'estudi s'ha seleccionat la Costa Brava meridional, concretament tota l'àrea litoral compresa per les conques hidrogràfiques de l'Aubi, riera de Calonge, Ridaura, riera de Tossa i riera de Lloret (75 km de línia de costa i una extensió de 291 km2). Aquest treball, amb l'aptitud integradora dels conceptes i mètodes propis de les Ciències Geològiques i Ambientals, s'ha proposat com a objectius globals l'anàlisi de la qualitat i del comportament físic i químic dels materials terrestres en front les accions humanes i de la seva utilització com a recursos; l'estudi dels processos naturals i de la influència que puguin tenir sobre l'home o bé els efectes que aquest pot causar sobre aquells, i per últim, com a derivació dels anteriors, el disseny i aplicació d'instruments de tipus preventiu en la gestió del territori; és a dir, la planificació dels usos del territori. Amb la filosofia de recerca basada en que els factor geològics són uns elements d'ajuda per a la visió integral d'un territori, s'han estudiat diferents variables geoambientals procurant traduir el coneixement del medi en informació apta per a la presa de decisions sobre l'ús i preservació d'aquest àmbit litoral. Els Sistemes d'Informació Geogràfica (SIG) han estat clau per a la visió sistèmica del territori, per a la integració de les diferents variables geoambientals, així com per a la producció cartogràfica temàtica i final. Pel que fa als processos geològics, lligats a la dinàmica fluviotorrencial, s'han cartografiat les principals àrees d'actuació així com analitzat els factors que inicien, afavoreixen o magnifiquen la seva ocurrència. S'han estudiat les accions denudatives, els processos de transport-sedimentació i amb l'estudi integrat d'aquests processos i formes resultants s'han identificat unitats territorials caracteritzades per un comportament geomòrfic uniforme. En quant a l'anàlisi dels recursos geològics s'ha aprofundit en el coneixement dels recursos hídrics subterranis, les roques industrials i els georecursos litorals. Pel que fa als primers s'ha centrat en la delimitació de les principals unitats i subunitats aqüíferes, així com en acotar les geometries i principals característiques hidràuliques. Pel que fa als àrids i roques de construcció l'objectiu fonamental ha estat la delimitació cartogràfica d'aquells materials que per les seves propietats fisicoquímiques són potencialment aptes per als usos indicats. Finalment s'ha fet una recerca orientada a l'estudi de factors que limiten o condicionen el potencial geoturístic d'aquesta àrea litoral, concretament en els penya-segats i les platges. Les principals aportacions d'aquesta tesi doctoral es poden emmarcar en l'àmbit regional i fenomenològic, aspectes clau en la gestió i planificació territorial. Pel que fa al primer, destaquem l'aportació de dades geoambientals a nivell cartogràfic en relació a variables litoestructurals, de processos dinàmics com de recursos geològics. Des del punt de vista de l'àmbit fenomenològic destaquem la interacció de les variables estudiades a nivell de conca hidrogràfica, com són, entre d'altres, les relacions existents entre les diferents formacions aqüíferes; la possible participació de les aigües subterrànies en la resposta hidrològica del sistema fluviotorrencial, o la problemàtica derivada de l'antropització de la sorra de la platja com a conseqüència d'abocaments de terres i residus inerts als marges de les rieres.