Geodinamica Esterna

Riassunto geodinamica esterna e laboratorio – Molinaroli

Geodinamica esterna

Geodinamica esterna (GE, detta anche esodinamica, da “fuori” e “forza”) = studio processi caratteristici che determinano forme superficie terrestre, superficie limite sede di interferenza tra dinamica atmosfera, idrosfera, litosfera, biosfera, fenomeni meteorologici, ciclo litogenetico e biogeochimico, azione agenti atmosferici sulle rocce, interazione con componente biotica.

Studiate variazioni spaziali e temporali ambienti fisici per capire processi del passato, attuali e andamenti a lungo termine → attualismo: processi osservabili adesso sono gli stessi che hanno sempre agito nel passato.

Processi geodinamici = contribuiscono a modificare forma superficie terrestre:

• Endogeni: avvengono all’interno della Terra, creano il rilievo, attività → tettonica e vulcanica;
• Esogeni: superficie terrestre, riducono il rilievo, alterazione, erosione, trasporto, deposizione ad opera di aria, acqua, gravità, uomo (agenti modellamento).

Condizioni climatiche – temperatura, umidità e aridità – e presenza/tipo di vegetazione favoriscono alterazione ed erosione.

Ambiente evolve per interazione tra forze endogene (energia dall’interno della Terra) ed esogene (energia solare), con eventuale prevalenza dell’una o dell’altra nello spazio e tempo.

Ambiente biofisico influenzato da attività umana → concetto di vulnerabilità.

Paesaggio = insieme di caratteri (fisici, antropici, culturali) di un dato territorio; sue forme esteriori basate su fattori agenti nel territorio (naturali, umani).

Geomorfologia – processi geomorfologici

Geomorfologia (Gm): concetto simile a GE, scienza (empirica) che studia forme superficie terrestre, processi che le hanno create (Summerfield); interazioni tra processi a scale diverse. Fenomeni sempre diversi → no approccio sistematico.

Gm applicata anche a fondali marini: 70% superficie pianeta, forme e processi estremi → sviluppo disciplina separata (geologia marina). Curva ipsografica: superficie totale oceani > superficie totale rispetto terre emerse, profondità media oceani > altitudine media terre emerse (continente più elevato Antartide).

Concetti critici in Gm

• Agenti: ciò che agisce o ne ha il potere (acqua, ghiaccio, vento, uomo);
• Processi: passi progressivi con cui è raggiunto un fine (alterazione, erosione, trasporto, deposito);
• Sistemi: insiemi di parti formanti un tutto, ambienti (fluviale, glaciale, costiero, ecc);
• Clima: determina agenti dominanti;
• Tempo: evoluzione morfologie e paesaggi.

Motivazioni studio GE e Gm → cambiamenti climatici: cause, conseguenze, previsioni, soluzioni (es gestione rischi, ingegneria ambientale).

Forme e processi geomorfologici influenzati da storia paesaggio

• Prevale componente endogena → morfostrutture, in genere più estese e antiche, origine geodinamica interna (es colata lavica);
• Prevale esogena → morfosculture, più circoscritte e recenti, origine geodinamica esterna (es frana).

Cause modellamento forme superficie terrestre

• Condizioni climatiche:
  • Dirette: precipitazioni, temperature, ecc;
  • Indirette: vegetazione, pedogenesi (nascita suolo).
• Agenti modellamento: gravità, acqua, vento, uomo;
• Fattori strutturali:
  • Tettonica: dinamica (orogenesi), statica (fratturaz, fessuraz);
  • Litologia: composizione, coesione, fragilità, ecc.

Insiemi geomorfologici

• Gm climatica (o zonale): processi/forme esogeni risultanti da condizioni climatiche, es duna desertica, circo glaciale;
• Gm azonale e plurizonale: agenti modellamento, non legati a tipo clima, es frana, falesia;
• Gm strutturale: fattori strutturali (geologici), evoluzione e aspetto paesaggio, es dolina, scarpata di faglia.

Tempo: resistenza rocce a erosione dipende, a parità di altre cause, da durata processi che tendono a disgregarla/demolirla; considerare variabilità processi nel tempo (variaz climatiche).

Periodo di riferimento per Gm: Quaternario, formato da Pleistocene (1,8 Ma – 10mila af) e Olocene (10mila af – oggi) → geologi hanno riconosciuto anche Antropogene, cambiamenti riconducibili all’uomo. Serie periodi glaciali e interglaciali (Pleist), ultima glaciazione Wurm (75mila – 10mila af). Periodo attuale relativamente caldo (? incertezza), preceduto da uno relativ freddo (piccola età glaciale 1500-1800).

Stato di attività forme Gm

• Forme attive: prodotte da processi in atto all’epoca rilevamento o ricorrenti a ciclo breve (es stagionali);
• Quiescenti: esistono testimonianze (dirette, storiche) di funzionamento in sistema morfoclimatico attuale, non avendo esaurito loro evoluzione hanno possibilità di riattivarsi;
• Inattive: condizioni morfoclim diverse da attuali che hanno terminato loro evoluzione (relitte).

Processi geomorfologici (o morfodinamici) legati a dinamiche esogene:

• Erosione (es erosione marina falesia);
• Trasporto (es glaciale morena);
• Deposizione (es deposito carsico stalattite).

Forza: caratteristica ambiente esogeno/endogeno, favorisce alteraz rocce/minerali (acqua, organismi, ecc); resistenza: caratt rocce/minerali, condiziona risposta alle forze (es composiz chimico-fisica); entrambe relative, dinamiche, variabili → alterazione (concetto generico) si verifica solo se F > R.

Roccia esposta a atmosfera, idrosfera, biosfera: condizioni diverse da sua formazione → instabilità che porta a disgregazione fisica/meccanica o alterazione chimica/biochimica.

Disgregazione fisica

Disgregazione fisica: porta a frammentazione roccia (no modificaz chimica) dovuta a pressioni nella massa rocciosa create da cambiamento volume o struttura mineralogica, o da azione erosiva → prodotto: eluvio o regolite, detriti non consolidati e di varia dimensione.

• Crioclastismo: dovuto a presenza acqua e cicli gelo – disgelo quotidiani, acqua si insinua in fessure/vuoti roccia e congelando (aumento vol ∼10%) ne causa il frazionamento → frantumazione, desquamazione, disintegrazione granulare; formaz crioclasti. Gelività rocce: attitudine a rompersi per crioclastismo (dim/qtà vuoti, elasticità, permeabilità). Tipico di climi sub-polari marittimi, zone temperate montane.
• Termoclastismo: variazioni T causano dilatazione/contrazione roccia → frantumazione, dipende da coeff dilataz e anisotropia minerali, assorbim calore.
• Desquamazione/esfoliazione: rocce formate in profondità ad alte pressioni (ignee intrusive, plutoni) affiorano in superficie in seguito a sollevamento ed erosione strati sovrastanti → diminuz carico litostatico e stress in superficie, espansione roccia → fratture ∥ superficie roccia. Tipico di zone aride/desertiche: no vegetaz, forte escursione termica.
• Idroclastismo: attitudine ad assorbire acqua determina disgregazione rocce → rocce argillose si rigonfiano (minerali argillosi es caolinite, fillosilicati, struttura planare, capacità adsorbim molecole acqua); rocce siltose si frantumano (silt, granuli < 0,06 mm). Ambiente litorale marino.
• Aloclastismo: crescita cristalli sale da soluzioni iperconcentrate → fluidi salini penetrati nella roccia evaporano rilasciando cristalli che si espandono (solfato di sodio/magnesio, cloruro di calcio) sfaldando roccia e creando cavità. Ambienti aridi e costieri, vaschette di erosione, croste saline.
• Bioclastismo: azione di piante (radici attraverso roccia fratturata) e animali (escavazione).

Tasso alterazione: fratturazione roccia aumenta alterazione fisica o chimica; più alteraz porta ad aumento velocità della stessa → feedback positivo. Alterazione sferica: azione erosiva acqua arrotonda gli spigoli.

Alterazione chimica

Termodinamica: eq chimico, variaz energia reaz chimiche; cinetica: intensità, velocità reaz (dipendono da T). Come conseguenza roccia trasformata in suolo.

Resistenza minerali alteraz → serie di stabilità di Goldrich, opposta a serie di Bowen (primi min a cristallizzare subiscono alteraz veloce e viceversa).

• Idrolisi: reazione tra acqua e alcuni minerali feldspati, ortoclasio (alteraz argillosa o siallitica); reazione:
  + +2 KAlS i O 2 H O+ CO → AlHSi O · 2 H O+ K C O 4 Si O3 8 2 4 2 2 3 2
  ortoclasio caolinite
  potassa silice
  Acqua entra in struttura caolinite, K e Si in sostanze disciolte.
  Clima caldo-umido: silicati decomposti completamente → silice disciolta, ossido alluminio Al O depositato sul posto (alteraz alluminosa)._{2 3}
• Soluzione/dissoluzione: CO₂ può sciogliersi in acqua formando acido carbonico H CO_{2 3}, che attacca carbonati (calcite CaCO₃ e dolomite CaMg(CO₃)₂) trasformandoli in bicarbonati, solubili (Ca(HCO₃)₂ e CaMg(HCO₃)₄).
  T acqua: fredda scioglie più CO₂, calda scioglie più carbonati. Formaz cavità di dissoluzione.
• Introduz composti da combustione (SO₂, NO₂): reagiscono con acqua e ossigeno formando acidi, es an. solforosa: piogge acide.
  2 S O H O+O 2 S O
  2 2 2 4
• Ossidazione: reaz tra ossigeno in atmosfera/acqua e minerali ricchi di ferro, produz di ossidi e idrossidi; rocce alterate presentano coloraz rossastra (ruggine, vernice del deserto). Reazione:
  +O +4 FeSi O →2 F e O 4 Si O
  3 2 2 3 2
  pirosseno ematite silice disciolta

Impatti biologici/biochimici

• Diretti: redox da batteri, sostituzione cationi, soluzione, chelazione → produz composti chelati (simili a chele/artigli) che formano legame attorno ioni metallici, più comuni acidi umici e fulvici;
• Indiretti: mescolamento suolo, produz acidi organici e CO₂, strati organici a protez superficie (suolo).

Tutti tipi organismi responsabili alteraz, più importanti i micro-organismi: archea, batteri (procarioti), protozoi, funghi, alghe (eucarioti).

Licheni e muschi: crescono su roccia essenzialmente nuda creando microambiente chimico più umido, ciò favorisce degradazione fisica e chimica strato superficiale roccia.

Alterazione e clima, diagr di Strakhov: profondità alterazione roccia alterata nelle diverse zone climatiche, maggiore foresta tropicale (difficile osservare roccia madre, inalterata), minore deserto subtropicale.

Grafico tipologia alteraz in base a T media e piovosità annuale: > T e piovosità (basso a sx) → > alteraz chimica (foresta tropicale); < T e piovosità (alto a dx) → alteraz fisica (ghiacci).

Pedologia

Pedologia: studio composizione, genesi, modificazioni del suolo dovuti a fattori biotici e abiotici. Nasce nel 1800, scienziati russi Dokucaev (teorema metamorfosi terreno) e Vinogradskij (microbiologia suolo). USA: organismi scientifici tutela del suolo, Soil Survay e Soil Conservation Service → Soil Taxonomy.

Perché studiare suolo: risorsa fondamentale prodotta dall’ambiente, convergenza regni animale, vegetale, minerale; pedosfera interagisce con tutti comparti ambientali: idrosfera, biosfera, atmosfera e litosfera. Funzioni principali: habitat organismi, filtro biologico (trattiene inquinamento, acqua di falda pulita), scambiatore gas, contenitore informaz, sede attività umane; collegato ad ambiente in cui è collocato (es drenaggio, fertilità). Occupa solo 10% terre emerse ospitali → risorsa limitata, difficile da rinnovare, va tutelato e protetto (Carta europea del suolo, Strasburgo 1972).

Def suolo (ST): corpo naturale tridimensionale formato da componenti solida (minerali, sostanza organica), liquida (acqua con sali disciolti) e gassosa, localizzato su superficie terre emerse, caratterizzato da presenza orizzonti facilmente distinguibili (diversi colori), originati per addizione, rimozione, traslocaz, trasformaz energia/materia e/o da capacità di sostenere vita piante. Limite superiore: aria, acque basse, piante/materiale vegetale non ancora decomposto. Inferiore: difficile da individuare, roccia compatta o materiale privo di segni attività biologica (classificaz: si considera 2 m).

Orizzonti principali

• O: sostanza organica lettiera ± decomposta o torba, sost organica evoluta; frazione minerale in piccola %;
• A: sost organica umificata e minerale;
• E: eluviale, perdita argilla, Fe, Al ed accumulo residuale sabbia, limo, minerali resistenti ad alterazione (quarzo); colore più chiaro;
• B: illuviale, accumulo argilla, Fe, Al, humus, carbonati, gesso, silice;
• C: sedimenti freschi o alterati, roccia madre (regolite); poco influenzato da pedogenesi;
• R: roccia madre, non sempre visibile.

Formazione suolo

Dokucaev (1898): suoli sono corpi naturali indipendenti, il cui profilo risultante da unica combinazione fattori climatici, litologici, biologici. Funzione di Jenny (1941): (clS=f, o, r, p, t, …) qualsiasi proprietà suolo data da clima, organismi, rilievo, roccia madre (parent material), tempo e altri fattori interesse locale.

• Clima: piovosità (acqua: alteraz, dissoluz, traslocaz, apporti/perdite), T (influenza velocità reaz chimiche, presenza organismi), umidità, vento, irraggiamento solare. Classificaz di Koppen: “formule climatiche” in base a T, precipitazioni e loro regime annuo → A climi umidi tropicali, B aridi, C mesotermici umidi, D microtermici boreali, E polari; altre sigle in base presenza e grado aridità (Italia: Cs/Cf mesotermico umido con stagione arida estiva o assente).
• Organismi: decomposiz roccia → alteraz chimica, apporto sostanza organica (batteri, funghi, piante), rimescolamento terreno (animali), bonifica, disboscamento ecc (uomo).
• Rilievo: quota, esposizione, pendenza influenzano relazioni suolo-acqua, drenaggio, profondità falda, erosione, condiz microclimatiche, sviluppo vegetazione → plateau suoli conservati, versante erosi, pendio abb evoluti, piana alluvionale giovani.
• Parent material: rocce sedimentarie, magmatiche, metamorfiche; roccia madre + substrato pedogenetico = roccia madre alterata, deriva da disgregaz roccia sottostante, materiale autoctono o alloctono (morene, trasp eolico).
• Tempo: più veloce di tempo geologico, valore medio sviluppo 178 anni per cm, orizzonte A ∼100 anni, B 300-100k anni; primi orizz formati A e C (suolo giovane), poi tra questi il B di materiale alterato (adolescente), da cui si separa l’E (maturo), infine il B subirà progressiva cementazione (adulto e senile).

Principali fattori che rallentano formaz suolo: scarse piogge, T fredde, elevata erosione, elevato contenuto carbonati, argilla e quarzo, roccia compatta; accelerano: abbondanti piogge, T calde, ridotta erosione, ridotte pendenze, roccia madre permeabile e non consolidato.

Processi fisici

• Disgregaz fisica e biologica, erosione (maggiore perdita suolo in aree non ricoperte da vegetazione), salinizzazione (già trattati);
• Lisciviazione: acqua scorre per gravità nel suolo trasportando cationi e anioni presenti in soluzione circolante; più lisciviabili Na+, Cl-, S-, NO₃-, SO₄^2-; meno lisciviabili K+, Ca²⁺, Mg²⁺;
• Mobilizzazione argilla: meteorica asporta particelle argilla da orizzonte eluviale (impoverito di argilla) depositandole in orizzonte illuviale sottostante (ricco di argilla).

Processi chimici

• Alterazione chimica, calcificaz/decalcificazione (già trattati);
• Accumulo sostanza organica: residui piante, animali, microorganismi in vari stadi decomposiz → funzioni: trofiche, incremento flora microbica, sintesi e liberaz nutrienti; strutturali, sviluppo aggregati, aumento porosità, ritenzione idrica e lavorabilità; reattività chimica, aumento capacità scambio cationico.

Fasi:

• Umificazione: da sost organica a humus → idrolisi enzimatica, formazione di composti semplici; trasformazione, aumento reattività chimica; polimerizzazione, formaz micelle umiche con caratteri colloidali;
• Mineralizzazione: batteri demoliscono humus liberando ioni/elementi.

Fasi formazione suolo

1. Degradazione fisica, chimica e biochimica rocce;
2. Formazione detriti superficiali (regolite);
3. Organismi pionieri (licheni e muschi) colonizzano strato regolite e lo arricchiscono di sostanze organiche;
4. Insediamento vegetali più evoluti che esercitano ulteriore azione disgregatrice (radici);
5. Suolo maturo (succ orizzonti, vedi sopra).

Caratteristiche suolo, fisiche

• Colore Munsell Color System, basato su: hue = colore dominante (tinta), value = luminosità relativa (quantità luce riflessa), chroma = tono (grado di intensità o saturazione);
• Contenuto in scheletro: particelle roccia > 2 mm (2 mm – minuto – 7,5 cm – medio – 15 cm – grossolano – 25 cm – pietre – 50 cm – roccia), influenza notevolmente caratteristiche funzionali (capacità idrica, di infiltrazione, scorrimento superficiale acque ed erosione, fertilità);
• Tessitura: quantità sabbia (0,05-2 mm), limo (0,002-0,05 mm), argilla (< 0,002 mm); valutazione sensoriale in sito (sabbia = ruvida, limo = setosa, argilla = appiccicosa) e valutaz in laboratorio (metodo setacciatura e pipetta, prima eliminata sostanza organica con acqua ossigenata); triangolo USDA con % 3 componenti suoli franchi: 35-55% sabbia, 25-45% limo, 10-25% argilla.
  • Suoli argillosi (> contenuto argilla): > capacità scambio cationico, minima capacità assorbimento acqua;
  • Sabbiosi (> contenuto sabbia): > erodibilità, max capacità assorbimento acqua;
• Struttura: aggregazione particelle terrose, disposizione spaziale aggregati (ped) e singole particelle; suolo può essere sciolto/incoerente/ma