Geologia di base con laboratorio

Corso di geologia con laboratorio

Uso dei dati geologici puntuali e loro correlazione

La stratigrafia di una perforazione fornisce un dato geologico puntuale. Prendiamo un esempio: mettiamo il caso di condurre una perforazione e di trovare il limite tra due formazioni A e B. Tale limite sarebbe delineato, dal sondaggio in questione, da un punto. Noi sappiamo però che per un punto possono passare infinite rette. Che cosa vuol dire? Vuol dire che per conoscere l'andamento del limite è necessario conoscere almeno 2 punti così che per due punti passi una e una sola retta, il nostro limite. Adesso in un profilo monodimensionale conoscere un punto sarebbe sufficiente, ma in un profilo bidimensionale è necessario conoscere l'andamento di questo limite.

Nel caso in cui il limite in questione si trovi in affioramento, non è necessario fissare con un altro sondaggio un altro punto. Ovviamente un profilo bidimensionale fatto su una realtà in 3D può offrire delle varianti: cosa significa? A seconda di dove si ricostruisca un profilo potremo avere risultati diversi, come nell'esempio sotto.

Uso dei dati bidimensionali e loro correlazione

Da qui capiamo bene che non sempre un profilo bidimensionale riesce a chiarire quali sono le formazioni e i rapporti geometrici esistenti nel sottosuolo. È il caso dello spessore di una formazione. Lo spessore di una formazione può essere di due tipi:

• Spessore Reale: che rappresenta il reale spessore dello strato, dato che il sondaggio condotto incontra strati verticali.
• Spessore Apparente: che rappresenta uno spessore degli strati che non è quello reale. Ciò accade quando gli strati in questione non hanno una geometria verticale per cui nel momento in cui si conduce il sondaggio può succedere che lo spessore reale sia maggiore o minore di questo.

In geologia, spessore reale, o potenza di uno strato o di una serie, è la distanza tra le superfici inferiore e superiore di una stratificazione, misurata normalmente alle superfici stesse; se la distanza viene considerata lungo una direzione non coincidente con la normale allo strato si ha lo spessore apparente, che è sempre maggiore di quello reale. Si chiama spessore verticale di un'unità lo spessore misurato lungo la verticale entro una perforazione; coincide con lo spessore reale solo nel caso di una stratificazione orizzontale.

La formula che lega i due spessori è la seguente: H = H_app * cos(i)_reale dove i è l'angolo che si forma tra la linea che demarca lo spessore reale e la linea che demarca lo spessore apparente.

Giacitura degli strati e loro rappresentazione

Cominciamo col definire che cos'è uno strato; informalmente diremo: “Quantità di materia omogenea disposta uniformemente su una superficie”

Dal punto di vista della geologia invece si parla di strato quando si ha a che fare con rocce di natura sedimentaria, rocce che con la loro deposizione danno vita a queste specifiche strutture: “Uno è la più piccola unità di una roccia sedimentaria depositatasi sotto le stesse condizioni fisiche. Gli strati sono separati fra loro da superfici di non deposizione (dette piani di strato o anche giunti di strato o di stratificazione) o da superfici che testimoniano l'improvviso cambiamento dei parametri sedimentari”.

Lo strato, per definizione, è delimitato superiormente (ossia al tetto) e alla sua base (ossia al letto) da superfici temporalmente istantanee e dunque isocrone; esso può essere considerato una vera e propria unità cronostratigrafica informale. Lo strato può essere internamente omogeneo o oppure al suo interno possono essere evidenti laminazioni o variazioni verticali di granulometria dei suoi costituenti. Di uno strato può essere misurata la "potenza" (ovvero il suo spessore), cioè la distanza misurata perpendicolarmente tra le due superfici limite, e la sua "giacitura", ossia la sua orientazione nello spazio rispetto al nord e al piano orizzontale.

La giacitura, misurabile usando la bussola da geologo, è caratterizzata da tre elementi:

• L'inclinazione ossia l'angolo che la superficie dello strato forma con un piano orizzontale (l'angolo viene misurato lungo la linea di massima pendenza). Uno strato orizzontale ha inclinazione pari a zero gradi, uno verticale inclinazione pari a 90 gradi;
• L'immersione (o esposizione) ossia la direzione geografica verso cui lo strato si immerge; normalmente viene misurata come l'angolo, proiettato su di un piano orizzontale, tra l'azimut e la linea di massima pendenza misurato in senso orario;
• La direzione dello strato: ossia l'orientamento della retta perpendicolare all'immersione.

Dove trovare e come scrivere una giacitura?

Le sezioni geologiche sono un dato molto importante e presente all'interno delle carte geologiche che altro non sono che spaccati che ci permettono di vedere come i nostri strati e le nostre formazioni sono disposte all'interno del sottosuolo (quindi possiamo immaginare che la carta geologica è la torta e che la sezione geologica costituisce la fetta di torta tagliata che ci permette di vedere la disposizione degli strati all'interno della torta). Abbiamo anche le colonne stratigrafiche, gli schemi strutturali (schemi in cui si evidenziano le deformazioni tettoniche come pieghe e faglie), ecc. Come faccio a rappresentare una tridimensionalità reale in una carta geologica?

Questa giacitura potrebbe essere presa in due modi differenti: si può riportare la direzione tipo N50°E (perché con questo tipo di scrittura sto utilizzando in un'ipotetica rosa dei venti soltanto l'emisfero est, cioè riporto in questo valore angolare solo valori che vanno da 0 a 180° nell'emisfero est), oppure posso andare ad utilizzare il suo complementare: N230° (50°+180°).

Quello che si fa in campagna è che prima si stabilisce verso dove immerge il piano considerato (in questo caso o Nord ovest o Sud est, nel caso specifico a Sud Est) poi sempre con la bussola vado a posizionarla in modo opportuno e vado a calcolare, con il clinometro, il valore dell'angolo rispetto all'orizzontale. In questo caso potrebbe essere 30° quindi la giacitura finale completa sarà: N50°E30°SE

Inoltre, si può utilizzare anche la regola della mano destra; con questa regola questa giacitura la dovrei riscrivere in un altro modo: mettendo il pollice verso dove immerge il piano e il polso mi dice il valore che devo utilizzare per la direzione (se immergesse verso nord ovest la chiamerei N230°).

Ricostruzione di geometrie planari in sottosuolo: le isoipse strato

Per un disegno efficace nello spiegare l'altimetria del terreno si ricorre alle curve di livello, isoipse. Una curva di livello è, appunto, una linea curva che collega punti del terreno che hanno la stessa quota. La rappresentazione del terreno che si ha usando le curve di livello si chiama piano a curve di livello. La differenza tra la quota dei punti di una curva di livello e la quota di quelli di una curva vicino è costante e si chiama equidistanza. Equidistanza e scala di una carta sono generalmente legate. In una Carta Tecnica Regionale in scala 1:10.000 le curve di livello hanno equidistanza 10 metri. In una restituzione aerofotogrammetrica di un Comune in scala 1:2.000, le curve di livello hanno equidistanza 2 m. Si considera quindi un’equidistanza pari alle migliaia della scala. Con le dovute eccezioni. Questa immagine spiega quello che fanno le curve di livello:

Le curve di livello hanno il grande vantaggio di darti informazioni rapide e immediate sull’andamento del terreno, senza necessità di calcoli ed elaborazioni, come nel caso dell’analisi di un piano quotato. Sono particolarmente efficaci dove il terreno è fortemente accidentato ed acclive. Ecco perché:

• Curve di livello molto vicine indicano un terreno a forte pendenza.
• Curve di livello diradate rappresentano un tratto pianeggiante.
• Curve di livello concave indicano un avvallamento.
• Curve di livello convesse indicano un dosso o un crinale.

Nell’immagine qui sopra c’è un pendio ripido nella parte sinistra/alta dell’immagine, c’è un pendio meno acclive nella parte bassa, c’è una valle dove le curve formano una “V” rovesciata ed un po’ inclinata e c’è una vetta intorno alla quota 430 m s.l.m. Più o meno nel centro della mappa, alla quota 350 m, c’è un’area pianeggiante, tipo “terrazzamento”. La linea che scende in basso dalla cima si chiama displuvio (è un crinale), mentre la linea che passa per i punti più bassi della valle si chiama anche espluvio. La linea che unisce un punto di una curva di livello con quella sottostante con cui forma un angolo retto è la linea di massima pendenza. In questo modo puoi disegnare facilmente la linea di massima pendenza di un versante.

Interpolazione altimetrica

Quando si localizza un punto su una cartografia e questo sta proprio su una curva di livello allora la sua quota è nota. Però non tutti i punti stanno sulle curve di livello, anzi. Per sapere con precisione la quota di un punto, si possono sfruttare le curve di livello e si applica un processo di interpolazione altimetrica.

• Si prende l’equidistanza delle curve di livello (qui sotto è 5 metri);
• Si traccia un segmento che unisca ortogonalmente le due curve e passi per il punto M di cui vuoi conoscere la quota secondo la linea di massima pendenza;
• Si misura il segmento AB e il tratto d.

Con la proporzione tra i triangoli rettangoli simili: x: e = d:D da cui si ricava x= (e*d)/D. Si trova il valore della quota di M aggiungendo il valore di x alla Quota di A.

Come si ricostruisce una geometria planare tramite isoipse

Per poter calcolare l’inclinazione di uno strato o di un contatto bisogna trovare un punto ove il limite o contatto attraversa due isoipse in due diversi punti: in quel punto bisogna segnare i due punti appartenenti a un'isoipsa e i due punti appartenenti all’altra isoipsa. Così facendo bisogna tracciare due rette passanti per i due punti e misurare la loro distanza. Dopo di ché bisogna costruire un grafico in cui in ordinate metto il dislivello tra le due isoipse (25,50 etc.) e in ascisse metto la distanza. Così facendo unisco i punti che ho segnato nel grafico e vado a tracciare un triangolo rettangolo di cui vado a misurare l’angolo con il goniometro.

Le isoipse strato indicano la direzione degli strati; l'immersione è nel verso in cui le isoipse strato decrescono di quota. Il rapporto Dh/Ds è la pendenza dello strato mentre l'arcotangente di questo rapporto indica l'angolo di inclinazione.

Limiti geologici

Un limite geologico tra due formazioni, così come qualsiasi elemento geologico lineare, è una curva che definisce l'intersezione tra una superficie e la topografia. Nelle successioni sedimentarie indeformate, le rocce si sovrappongono con un ordine ben preciso che rispecchia l'ordine di deposizione, in cui le rocce inferiori sono più vecchie di quelle superiori ed il contatto tra formazioni rappresenta un limite geologico. I corpi rocciosi sono "oggetti" tridimensionali che hanno uno sviluppo ben determinato nel sottosuolo. Essi non si sviluppano indefinitamente nel sottosuolo, ma hanno delle geometrie ben precise che riflettono la geometria di deposizione e la successiva deformazione occorsa nella storia geologica.

Attraverso l'analisi dell'andamento dei limiti in superficie e la disposizione delle rocce è possibile ricostruire la geometria delle rocce nel sottosuolo e ricavare informazioni sulla storia geologica. Un andamento vario, che si diversifica da punto a punto in carta, non si riferisce a variazioni della geometria della superficie a cui appartiene, ma dipende dalla topografia che la modella, determinando così la forma del limite. Ogni volta che il limite si trova in corrispondenza di una dorsale o di un'incisione cambia direzione. Il limite mostra un flesso concavo, più o meno aguzzo, in corrispondenza di dorsali ed una “V” in senso opposto in corrispondenza delle valli. Quando appartiene ad una superficie orizzontale, il limite è parallelo alle isoipse, ricalcando fedelmente la loro forma.

Il limite può essere quindi di tre tipi:

• Orizzontale o sub-orizzontale;
• A Franapoggio maggiore o minore del pendio;
• A Reggipoggio;

Limite orizzontale

Il limite è orizzontale, come già detto prima, quando ricalca fedelmente l'andamento delle isoipse topografiche. Allorché discosti da queste di poco, il limite sarà comunque considerato come sub-orizzontale. Generalmente, in carta, un limite orizzontale è distinguibile anche grazie al modo in cui si presenta: spesso infatti attorno alla formazione sub-orizzontale si trova una formazione, che sta sotto, che la circonda completamente, dando l'impressione che la formazione in questione sia sospesa ed evitando completamente che si possa supporre un limite a franapoggio maggiore del pendio.

Limite a franapoggio maggiore del pendio

Un piano si dice a franapoggio quando la sua immersione ha lo stesso verso di quella del pendio. Il franapoggio può essere più inclinato del pendio quando l'angolo di inclinazione è maggiore di quello del pendio. Il limite formato da un piano a franapoggio più inclinato del pendio è contrario all’andamento delle isoipse.

Limite a franapoggio minore del pendio

Un piano si dice a franapoggio quando la sua immersione ha lo stesso verso di quella del pendio. Il franapoggio può essere meno inclinato del pendio quando l'angolo di inclinazione è minore di quello del pendio. Il limite formato da un piano a franapoggio meno inclinato del pendio accentua la forma delle isoipse.

Limite a reggipoggio

Un piano si dice a reggipoggio quando la sua immersione ha verso opposto a quella del pendio. Il limite formato da un piano a reggipoggio segue le isoipse attenuandole.

Inclinazione Reale e Apparente

In una sezione geologica una formazione appare con il suo spessore vero, ridotto ovviamente alla scala della sezione, solo se questa è orientata parallelamente all'immersione degli strati o, che è lo stesso, perpendicolarmente alla loro direzione. In tutti gli altri casi lo spessore apparente è maggiore di quello reale. Questo deriva dalla considerazione che, nel caso generale di non parallelismo tra immersione degli strati e traccia dello spaccato, anche l'inclinazione degli strati in sezione è apparente, scostandosi tanto più dal valore reale quanto maggiore è l'angolo tra il tracciato (la linea di profilo) e l'immersione degli strati. Quando queste due direzioni sono tra loro ortogonali, la giacitura è in apparenza orizzontale.

Che cos’è l’inclinazione apparente? “È un’inclinazione minore di quella reale perché non misurata lungo immersione”

Perché? Perché se io il profilo lo faccio perfettamente ortogonale alla direzione, quindi lungo immersione, allora sto rappresentando un'inclinazione reale ma se la traccia del mio profilo discosta di un angolo diverso da 90° rispetto alla mia direzione la lineazione che rappresento lungo il mio profilo non è la stessa di quella rappresentata prima perché sarà sicuramente meno inclinata. Appena mi sposto obliquamente rispetto all’immersione per raggiungere lo stesso dislivello dovrò percorrere una maggiore distanza e quindi la situazione è quella rappresentata sotto: il primo triangolo rappresenta l’angolo di inclinazione apparente che sarà sicuramente minore rispetto all’angolo di inclinazione reale rappresentato nel secondo triangolo. Quindi quella che andrò a rappresentare nel mio profilo geologico non sarà l’inclinazione misurata con la bussola in campagna, ma sarà un'inclinazione reale. Anzi, se io mi muovessi con il mio profilo parallelamente alla direzione troverei sempre inclinazione 0°, quindi incontrerei sempre lo stesso strato.

L'inclinazione è infatti definita come rapporto tra la variazione in quota e la variazione di lunghezza ovvero: Δy/Δx. Immaginiamo di sezionare un piano inclinato: se la traccia della sezione è perpendicolare alla direzione del piano, l'inclinazione che si ottiene è quella reale mentre se la traccia della sezione è obliqua rispetto alla direzione del piano, sarà minore di quella reale, è viene detta apparente. Questo si ha perché nella sezione obliqua il Δx sarà maggiore e quindi il rapporto prima citato tenderà man mano a diminuire.

Trasformazione dell'inclinazione apparente in inclinazione reale

Il metodo grafico premette l'utilizzo di un abaco che permette di ricavare velocemente questo valore: Se per esempio ho una giacitura che mi dice che l’inclinazione è di 43-45° e io realizzo un profilo con la direzione x-x’ (questo profilo non sarà lungo l’immersione ma formerà un angolo di 35° rispetto alla direzione di questo strato); quindi nel mio profilo io darò un'inclinazione non di 43° ma di 28°, che sarà un'inclinazione apparente. In questi abachi abbiamo a sinistra l’inclinazione reale, quindi i miei 43°, a destra viene rappresentato l’angolo tra la direzione e la sezione degli strati, nel mio caso 35°, dopo di che la terza scala, con una retta congiungente le due scale precedenti, ci indicherà l’inclinazione apparente; nel caso specifico abbiamo 28° di inclinazione. Durante la realizzazione di sezioni geologiche che giacciono su piani non perpendicolari