Appunti di Geologia applicata/Geomorfologia

Corso di laurea triennale

Ingegneria civile e edile per la sostenibilità

GEOLOGIA

APPLICATA

Docente: Riccardo Fanti, Tofani

Anno accademico 2023-2024 1

GEOLOGIA

Modello costitutivo della terra

Terra: sferoide con raggio 6370 km

Ha una struttura non omogenea:

- Densità media 55 3

/

- Densità delle rocce superficiali 20/30 3

/

Indagine geologia diretta: limitata solo alla parte superficiale, pertanto la struttura interna

della Terra è nota in base a metodi indiretti, in particolare in base allo studio della

propagazione delle onde elastiche generate dai terremoti.

longitudinali (P): moto delle particelle nella stessa direzione delle onde; si propagano

→Onde

sia nei solidi che nei fluidi.

trasversali (S): moto particelle perpendicolare alla direzione di propagazione delle

→Onde

onde; si propagano solo nei solidi, con velocità inferiore alle onde P.

Le onde percorrono traiettorie concave e ritornano in superficie: in base ai tempi intercorsi ed

alle distanze percorse, è stato possibile calcolare le velocità nei vari strati, le quali sono

funzione della densità dei materiali attraversati, ricavando così un modello costitutivo della

Terra.

La velocità delle onde sismiche varia con la profondità in funzione della densità del mezzo

che le attraversa.

- CROSTA: spessore che va da pochi

chilometri a 60 km:

Oceanica: spessore di circa 6-7

o km .

1

Continentale: spessore variabile da

o 20 a 60 km .

2

- MANTELLO: mantello superiore e inferiore,

spessore totale di circa 2900 km.

- NUCLEO: nucleo esterno e interno,

spessore totale di circa 3470 km.

Discontinuità:

- Mohorovicic (Moho): separa crosta e

mantello;

- Gutenberg: separa mantello e nucleo.

Individuazione delle discontinuità basata su

variazioni delle caratteristiche di propagazione

delle onde sismiche.

Composizione: sedimenti fini e basalti.

1 Composizione: variabile.

2 2

Litosfera: crosta terrestre e spessore di mantello di circa 60 km.

Astenosfera: rimanente parte del mantello superiore con comportamento viscoelastico.

La tettonica delle placche

Deriva dei continenti: spostamenti subiti dai continenti nel passato e che subiscono

attualmente.

Correnti convettive risalgono in corrispondenza delle dorsali oceaniche. Poiché non si ha

accrescimento del volume della terra, esistono zone in cui si ha compensazione: zone di

subduzione o obduzione. 3

La maniera più efficace per liberare calore dall’interno della Terra è mediante il

rimescolamento convettivo di roccia nel mantello, come avviene in una pentola riscaldata su

un fornello.

Dorsali oceaniche: la fuoriuscita di materiale in corrispondenza delle dorsali oceaniche

determina un progressivo fenomeno di espansione degli oceani (strisce di diversi colori: aree

con la stessa età).

I geofisici hanno scoperto che ogni qualche centinaio di migliaio di anni accade che i poli

magnetici si scambiano reciprocamente le loro posizioni. Si definisce “normale” l’attuale

campo magnetico e “inverso” quello di altre epoche.

Le rocce magmatiche effusive registrano il campo magnetico, a seguito dell’allineamento di

materiali contenenti ferro che si ha quando una lava raffreddandosi forma una roccia

all’interno del campo magnetico terrestre: i minerali si comportano come minuscoli aghi di

una bussola naturale e registrano la direzione del polo nord magnetico che esisteva al

momento della solidificazione della leva.

Si arrivò alla conclusione che se l’espansione dei fondi oceaici era effettivamente avvenuta,

in questi si dovevano registrare strisce di anomali magnetiche con distribuzione simmetrica

rispetto alla dorsale. E’ statio effettivamente dimostrato che vi sono state 170 inversioni negli

ultimi 76 milioni di anni.

Confini e margini tra le placche: 4

Margini divergenti: le placche si

allontanano e lo spazio che viene a

crearsi viene riempito da nuovo

materiale effusivo proveniente dal

mantello.

Margini convergenti: le placche si avvicinano e si ha

distruzione di crosta terrestre. Ci possono essere

due situazioni:

- Processi di SUBDUZIONE: una delle placche

(oceanica) si inflette sotto l’altra e viene

riassorbita dal mantello;

- Processi di OBDUZIONE: due placche

continentali non possono essere subdotte,

avendo densità simile, quindi si accavallano

l’una sull’altra. Si ha processo di orogenesi.

Subduzione: processo che consiste nello sprofondamento del fondo oceanico e dello spesso

strato di rocce sottostanti verso l’interno del pianeta. Questo processo può scatenare

terremoti violentissimi e produrre il magma che alimenta la catena di vulcani in prossimità del

margine della massa continentale in sovrascorrimento. Mentre l’esplosione dei fondi oceanici

nelle dorsali medio-oceaniche crea nuova crosta oceanica, la subduzione la distrugge.

Le zone di subduzione possono essere di due tipi:

1) Arco-fossa: placca oceanica che immerge sotto una placca formata da zona

continentale (arco magmatico) e zona oceanica (bacino retroarco) .

3

Es. L’arcipelago giapponese

3 5

2) Arco-cordigliera: placca oceanica che immerge sotto placca continentale. Sia in

queste che nei sistemi arco-fossa, le fosse oceaniche sono zone molto profonde dove

si accumulano sedimenti.

Obduzione: due placche continentali non possono essere subdotte, avendo densità simile,

quindi si accavallano l’una sull’altra. OROGENESI

→ 6

Margini a scorrimento: a causa dell’attrito e del comportamento rigido delle placche che

non scivolano in modo continuo l’una sull’altra, accumulano energia elastica sui margini che

viene rilasciata istantaneamente (teoria del rimbalzo elastico). La zona di scorrimento si

chiama faglia.

LEZIONE 2

Attività vulcanica

A seguito di variazioni di temperatura e pressione, le rocce in profondità possono fondere e

trasformarsi in magmi, i quali possono risalire in superficie dando origine a vulcani. In base

all’origine, si possono distinguere 3 categorie di magmi:

Magma subcrostale: originatosi nel mantello superiore ad elevata temperatura

▪ (1200 °C).

Magma intracrostale: originatosi nella crosta continentale a temperature

▪ inferiori (500 °C).

Magma degli archi (arco-fossa, arco-cordigliera): originatosi in profondità per

▪ fusione placche convergenti.

In base alla composizione, si possono distinguere 3 categorie di magmi:

Magma acido: contenuto in Silice ( ) maggiore del 65% (magma molto viscoso).

▪ 2

Magma intermedio: contenuto in Silice tra il 52% ed il 65%.

▪ 7

Magma basico: contenuto in Silice inferiore al 52%, generalmente circa uguale al 45%

▪ (poco viscoso).

In base alla posizione, i magmi si possono formare in:

Aree oceaniche: magmi basici (basalti) provenienti da fusione mantello (subcrostali).

▪ Aree continentali: magmi basici (basalti) subcrostali o magmi acidi (graniti) di origine

▪ intracrostale.

Aree di arco e di cordigliera: magmi intermedi (andesiti) provenienti da crosta oceanica

▪ riassorbita dal mantello a grandi profondità.

I magmi possono risalire in superficie dando luogo al vulcanismo ed alle rocce effusive

oppure risalire e solidificare sotto la superficie, dando luogo ai plutoni e alle rocce intrusive. I

magmi acidi e basici possono dar luogo ad entrambe le manifestazioni, ma essendo i magmi

acidi più viscosi e a temperature inferiori, formano più frequentemente plutoni. Al contrario i

magmi basici, più fluidi a temperatura maggiore, formano più frequentemente vulcani.

Figura 1: distribuzione dei vulcani attivi della Terra lungo i margini continentali e nei punti caldi.

Giacitura rocce magmatiche

Plutoni: corpi magmatici di grandi dimensioni, viscosi per la loro composizione acida.

Estensione areale: fino a centinaia di km. 8

Vulcani: i magmi che fuoriescono in superficie come lave formano gli apparati vulcanici. Tipo

di edificio vulcanico: dipende da tipo di magma e modalità di eruzione:

- Magmi basici (fluidi): eruzioni caratterizzati da colate laviche lente di temperatura

elevata ed emissione tranquilla di gas.

- Magmi acidi (viscosi): meno caldi, solidificazione rapida e possibile ostruzione del

condotto, con successive eruzioni di tipo esplosivo .

4

Tipi di edifici vulcanici

Vulcani a scudo: si formano per emissione tranquilla di lave fluide, a basso contenuto in

silice, da un’apertura o condotto centrale. La lava si raffredda e da origine ad un basalto, la

più comune roccia vulcanica. Il profilo dei vulcani a scudo è blandamente convesso verso

l’alto, come quello di uno scudo rovesciato.

Stratovulcani: attività vulcaniche effusive ed esplosive tra loro associate costruiscono gli

stratovulcani, talora definiti come coni compositi, perché sono costituiti da livelli sia di

materiale piroclastico che di lava. Sono stratificati (da cui il nome), dato che sono costituiti da

un’alternanza di livelli di cenere, scorie e lava.

Vulcani a caldera: un tipo particolare di stratovulcani è il vulcano a caldera, generato da un

rapido svuotamento della camera magmatica e sprofondamento di una zona anulare intorno

alla bocca eruttiva detta caldera.

Stadi di sviluppo di una caldera:

A) Il magma riempie completamente la camera magmatica;

B) Fenomeno eruttivo;

C) Il tetto del serbatoio sprofonda nella camera magmatica originando la caldera;

Prodotti piroclastici.

4 9

D) Quando l’attività eruttiva è cessata, la caldera può essere occupata da un lago.

Manifestazioni vulcaniche particolari

Piroclastici: insieme di ceneri, polveri, lapilli che possono accompagnare una attività

vulcanica esplosiva e che, una volta depositati, danno origine ai depositi piroclastici.

Meccanismi di deposizione:

1) Per caduta gravitica;

2) Per colata;

3) Per ondata basale;

Ignimbrite: flusso di emulsione trifase (gas, liquidi e solidi in sospensione) molto caldo

prodotto da eruzione esplosiva.

Nube ardente: flusso di emulsione bifase (gas e solidi in sospensione) prodotta da eruzione

esplosiva ma meno calda dell’ignimbrite.

Ondata basale: flusso di emulsione bifase (acqua e solidi in sospensione) prodotta dal

contatto tra lava in risalita e acqua di falda che produce violente esplosioni, generando un

cratere vulcanico detto maar.

Pericolosità vulcanica

I vulcani come ricoli di origine naturale sono tra i primi posti in termine di perdite di vite

umane. Esistono vari tipi di pericoli connessi alle diverse attività vulcaniche. Alcuni pericoli,

come i lahars (colate di fango di origine vulcanica) ed altri tipi di frane, possono verificarsi

anche quando il vulcano non è in eruzione.

Previsione delle eruzioni: capacità di riconoscere quando e dove accadrà un’eruzione

vulcanica. Le eruzioni avvengono dopo episodi di marcato rigonfiamento e continuano fino a

quando il magma si è esaurito. Poche ore prima dell’inizio dell’eruzione il serbatoio si sgonfia

rapidamente mentre il materiale fuso si apre la strada verso la superficie.

Contemporaneamente si instaura uno scuotimento persistente del terreno definito tremore

vulcanico.

I terremoti sono dovuti a improvvise rotture o dislocazioni di grandi masse rocciose della

litosfera sottoposte a sforzi continuati oltre il loro limite di deformazione elastica. Rottura 10

avviene in corrispondenza di un volume di roccia. Per convenzione si individua un punto

preciso dal quale partono i primi impulsi: fuoco o ipocentro.

Fuoco (ipocentro): punto in cui avviene la rottura iniziale, lungo la faglia. La profondità varia

da pochi km a 700km.

Epicentro: punto in superficie situato sulla verticale passante per il fuoco.

Le onde sismiche si distinguono in:

Onde longitudinali (P o di compressione): moto delle particelle nella stessa direzione

▪ di propagazione delle onde; si propagano sia nei solidi che nei fluidi.

Onde trasversali (S o di taglio): moto particelle perpendicolare alla direzione di

▪ propagazione delle onde; si propagano solo nei solidi, con velocità inferiore alle onde

P.

Onde di Love: onde superficiali che si sviluppano solo in presenza di uno strato a

▪ bassa velocità e non si trasmettono nei fluidi; spostamenti orizzontali e trasversali

rispetto alla direzione di propagazione.

Onde di Rayleigh: onde superficiali che determinano spostamenti ellittici delle

▪ particelle il cui moto avviene nel piano verticale e con verso retrogrado rispetto alla

direzione di propagazione.

Movimento del terreno al passaggio delle onde

sismiche:

a) Le onde P comprimono ed espandono il

terreno;

b) Le onde S spostano il terreno in tutte le

direzioni perpendicolari alla direzione di

avanzamento delle onde stesse. In figura

è riportato solo il movimento orizzontale.

c) Le onde di superficie creano ondulazioni

superficiali che sono il risultato della

combinazione tra movimenti ellittici

retrogradi delle onde di Rayleigh e quelli

delle onde di Love, che muovono il terreno

trasversalmente e orizzontalmente

rispetto alla loro direzione di

propagazione.

Il sismogramma è il risultato delle registrazioni

delle onde sismiche ottenute con i sismografi.

Dai sismogrammi si può risalire alla distanza

dell’epicentro in base alle differenze dei tempi di

arrivo tra onde P ed S: tali differenze aumentano

al crescere delle distanze. Dai dati di 3 stazioni è possibile risalire all’epicentro per

triangolazione.

Scala Mercalli

Assume valori compresi tra 1 e 12 e prende in considerazione le conseguenze che un

determinato terremoto ha sugli elementi antropici e sugli esseri umani. 11

Scala Richter

Definiamo la magnitudo come il logaritmo in base 10 della massima ampiezza dell’onda

sismica (in millesimi di millimetro) registrata su di un sismografo standard ad una distanza di

100km dall’epicentro del sisma.

Distribuzione dei terremoti

La distribuzione dei terremoti si ha lungo le zone di contatto tra le diverse placche. Le aree più

facilmente soggette a sismi sono:

- le dorsali medio-oceaniche: terremoti poco profondi.

- fosse oceaniche: sistemi archi insulari.

- fosse tettoniche continentali: esempio la Rift Valley.

- catene montuose recenti: Himalaya.

In Italia sono definite varie classi di rischio sismico a seconda della particolare localizzazione

territoriale.

I rischi dei terremoti per le strutture sono quello di scuotimento, effetti sismici locali e frane

sismo-indotte.

Prevenzione dei terremoti

Conoscenze di base necessarie: distribuzione faglie presenti nell’area in esame, condizioni

suolo, probabilità di frane, subsidenza o fluidificazione nel sottosuolo.

Base per queste osservazioni:

Carte geologico-strutturali: descrizione struttura geologica e faglie attive nel

▪ Quaternario.

Carte dei depositi superficiali: tipo e spessore materiale superficiale.

▪ Carte dell’intensità sismica: intensità di terremoti in epoche storiche.

▪

Si possono ricavare:

- Carte di macrozonazione sismica: divisione in zone omogenee rispetto al pericolo di

eventi sismici.

- Carte di microzonazione sismica: divisione in aree a maggior rischio a livello locale.

Microzonazione sismica

Gli studi di microzonazione sismica consistono nella valutazione della pericolosità sismica

locale attraverso l’individuazione di zone del territorio caratterizzate da comportamento

omogeneo. Tali studi hanno pertanto una ricaduta fondamentale nella pianificazione

territoriale, permettendo di classificare il territorio in differenti porzioni in base al

comportamento atteso a seguito di un evento sismico. Le microzone sono individuate e

caratterizzate secondo tre categorie:

• Zone stabili, ovvero zone dove non si ipotizzano effetti locali di rilievo;

• Zone stabili suscettibili di amplificazioni locali, ovvero zone dove sono attese

amplificazioni del moto sismico dovute alla litostratigrafia e alla morfologia locale.

• Zone suscettibilità di instabilità, ovvero zone dove gli effetti sismici attesi e

predominanti sono riconducibili a deformazioni permanenti del territorio. 12

Sono stati determinati tre livelli di approfondimento per gli studi di microzonazione sismica,

con complessità ed impegno crescenti:

Livello1: consiste nella raccolta e nell’elaborazione di dati preesistenti allo scopo di

suddividere il territorio in microzone con comportamento sismico qualitativamente

omogeneo. Tale livello di analisi risulta propedeutico per i successivi livelli di

approfondimento, producendo come principale risultato la Carta delle microzone omogenee

in prospettiva sismica.

Livello 2: in questo livello vengono condotti degli approfondimenti conoscitivi per le

incertezze nel Livello 1 e viene associato alle microzone omogenee l’elemento quantitativo,

espresso come fattore di amplificazione Fa, con metodi semplificati. Il risultato di questo

livello di approfondimento è la Carta di microzonazione sismica.

Livello 3: rappresenta il livello di maggiore approfondimento che viene realizzato nelle zone

stabili suscettibili di amplificazioni locali, nei casi di situazioni geologiche e geotecniche

complesse. Il prodotto di questo livello è la Carta di microzonazione sismica con

approfondimenti su tematiche o aree particolari.

Situazioni geologiche pericolose in relazione alle costruzioni

A. Edifici sul ciglio di una scarpata: esso oscillando può crollare al piede della stessa.

B. Edificio al piede di una scarpata: può essere esposto a crolli di roccia.

C. Edifici costruiti su terreni con caratteristiche meccaniche diverse; si possono creare

cedimenti differenziali che possono indurre il crollo.

D. Edifici costruiti su materiali con caratteristiche geomeccaniche sfavorevoli o su

situazioni in frana.

E. Liquefazione dinamica: incremento delle pressioni interstiziali in terreni granulari

saturi.

LEZIONE 3

I minerali

Sono sostanze naturali, solide, con una composizione chimica definita ed una struttura

cristallina (impalcatura di ioni e atomi fissa e caratteristica per ciascun minerale).

Struttura del reticolo cristallino: disposizione interna degli atomi.

Proprietà fisiche dei minerali

Abito cristallino: ogni minerale ha una configurazione esterna propria e distinta, oltre che una

ben definita disposizione interna degli atomi.

Densità: rapporto tra la sua massa e l’unità di volume (/ ). In base alla densità, i vari

3

minerali si distinguono in:

- Leggerissimi: (opale, zolfo, ambra)

3

< 20 /

- Leggeri: (quarzo, calcite, dolomite)

3

20 − 30 /

- Pesanti: 30-50 (anidrite, diamante, corindone)

3

/

- Molto pesanti: (ematite, magnetite, pirite)

3

50 − 100 / 13

- Pesantissimi: (oro, argento platino, mercurio)

3

> 100 /

Durezza: resistenza che un minerale oppone alla scalfitura.

Scala di Mohs (basata sul principio che ogni termine scalfisce il precedente ed è scalfito dal

successivo).

1. Talco

2. Gesso : rigabili con l’unghia

3. Calcite

4. Fluorite : rigabili con il temperino

5. Apatite

6. Ortoclasio : rigabili con difficoltà dal temperino

7. Quarzo

8. Topazio

9. Corindone

10. Diamante : non rigabili con il temperino (rigano il vetro)

Minerali non silicati

QUARZO

5

2

Sfaldatura/frattura: frattura concoide

Durezza: 7

Proprietà ottiche: da trasparente a translucido , color

6

vitreo o incolore o lievi colorazioni (viola,

rosa, ecc.) dovuto ad impurezze.

Utilizzo: vetri, smalti, ottica di precisione,

abrasivo, refrattario.

CALCITE

3

Sfaldatura/frattura: Sfaldatura secondo facce romboedro

Durezza: 3

Proprietà ottiche: Trasparente, colore variabile (incolore,

banco, rosa

Utilizzo Ottica, edilizia, molti impieghi industriali

DOLOMITE ( )

3 2

Sfaldatura/frattura: Sfaldatura secondo facce romboedro

Durezza: 4

Proprietà ottiche: Trasparente o traslucida, colore

variabile (incolore, bianca, rosa,

giallastra)

Calcedonio, agata, ametista, citrino, capel venere, quarzo rosa. All’interno di un classico Granito c

5

i sono 3 minerali: il quarzo, fespati (minerale silicato), biorite (minerale silicato).

Lascia passare la luce ma non permette di distinguere nettamente i contorni delle cose poste dietro di esso.

6 14

Utilizzo Edilizia (cemento, malta) e metallurgia

SALGEMMA

Sfaldatura/frattura: Sfaldatura in cubi

Durezza: 2.5

Proprietà ottiche: da trasparente a translucido, colore

variabile (prevalentemente bianco).

Utilizzo Industria alimentare e chimica

GESSO ( )2

4 2

Sfaldatura/frattura: Sfaldabile in lame e scagliette

Durezza: 2

Proprietà ottiche: trasparente, colore bianco, grigio,

giallastro, bruno

Utilizzo Edilizia

ANIDRITE

4

Sfaldatura/frattura: Sfaldabile secondo coppie di facce

parallele

Durezza: 3

Proprietà ottiche: Da trasparente a traslucida, colore

grigio, bianco o azzurro

GRAFITE

Sfaldatura/frattura: Perfettamente sfaldabile in lamine

Durezza: 1

Proprietà ottiche: Opaca, nera

DIAMANTE

Sfaldatura/frattura: Perfetta sfaldatura ottaedrica

Durezza: 10

Proprietà ottiche: trasparente, colore variabile: incolore,

giallastro, verde, nero, bruno, grigio

CORINDONE 7

2 3

Sfaldatura/frattura: non sfalda ma si frattura secondo

superfici piane

Durezza: 9

Proprietà ottiche: da trasparente a translucido a

semiopaco, colore variabile: rosso,

azzurro, giallo, verde.

EMATITE

2 3

Sfaldatura/frattura: priva di sfaldatura

Rubino, zaffiro

7 15

Durezza: 5.5

Proprietà ottiche: opaca, colore nero o rosso

Utilizzo È il più diffuso minerale di ferro. E’ usato

nell’industria dei coloranti.

MAGNETITE 2′′′

′′

4

Sfaldatura/frattura: Priva di sfaldatura, frattura secondo

superfici piane

Durezza: 6

Proprietà ottiche: opaca, nera

PIRITE

2

Sfaldatura/frattura: difficilmente sfaldabile

Durezza: 6.5

Proprietà ottiche: Opaca, colore giallo

Minerali silicati