Appunti Geologia applicata

Geologia: La Terra

Densità/peso specifico delle rocce superficiali

Densità delle rocce superficiali: da 1.8 a 3 kg/dm³. La temperatura delle rocce è circa uguale alla temperatura media dell'aria.

Gradiente geotermico

La temperatura aumenta di circa 3° ogni 100 m di profondità in assenza di acqua fluente nelle rocce; se scorre acqua, l'aumento è di 1° ogni 100 m. L'analisi del gradiente termico è fondamentale, ad esempio in una montagna per capire se, dove si vuole costruire una galleria, c'è presenza di acqua fluente, poiché abbassa notevolmente la temperatura.

Geotermia a bassa entalpia

Per circa 15-20 m di profondità, la temperatura del suolo è costante con la temperatura media dell'aria. Con la geotermia si riesce a riscaldare o raffreddare grazie all'acqua nel sottosuolo, senza l'utilizzo di altre fonti. Questo avviene grazie alle pompe di calore, dispositivi in grado di scambiare calore tra una fonte di energia e un ambiente a temperature diverse; ad esempio, è in grado di portare l'acqua da 8°-12° a 35°-40°.

Tipologie di impianti

• Circuito chiuso: Posizione dell'impianto in orizzontale con profondità 1-3 m o verticale con una sonda geotermica in una perforazione apposita o mediante l'utilizzo dei cosiddetti pali energetici. Rendimento basso.
• Circuito aperto: Impianto composto da 2 pozzi (1 preleva l'acqua a monte e l'altro la scarica dopo averla usata, a valle); ha un maggiore rendimento.

Oltre all'incremento dell'efficienza energetica si risparmia energia primaria, si riduce l'emissione di CO₂ e, se provvisti di pannelli fotovoltaici, si ha una produzione totalmente a costo zero.

Per leggi regionali non si può mettere in collegamento l'acquifero superiore e quello inferiore, perché l'acqua in quello superiore è leggermente inquinata mentre l'acqua nell'acquifero inferiore è pura. I due acquiferi sono separati da uno strato di roccia impermeabile.

I sismi o terremoti

Tettonica a placche

La crosta terrestre galleggia su uno strato di roccia fusa (magma) che ha un moto convettivo provocato dalle diverse temperature al suo interno. Questo moto provoca spostamenti della crosta terrestre e delle varie placche. Si avranno quindi zone in cui le placche tendono a scontrarsi e zone in cui tendono a staccarsi.

Sisma

È il prodotto della brusca liberazione dell'energia accumulata da una roccia sottoposta a sforzo. Ciò provoca:

• Onde P (prime): Onde longitudinali, di compressione e dilatazione, veloci e non percepibili.
• Onde S (seconde): Onde sussultorie, provocano la totalità dei danni.

Altri elementi sono:

• Faglia: Frattura lungo la quale c'è stato movimento.
• Ipocentro: Punto in cui c'è la faglia ed è il punto di liberazione dell'energia.
• Epicentro: Punto sulla superficie corrispondente alla verticale dell'ipocentro.

La maggior causa dei sismi è l'acqua, perché scorrendo nell'ammasso roccioso lubrifica la faglia favorendo i terremoti. Esistono varie scale per le intensità dei sismi; la più usata è la scala Mercalli-Cancani-Seaborg: è una scala dei danni prodotti da un sisma con gradi che variano da 1 a 12.

I sismografi misurano le scosse sismiche, vengono posti in zone senza rumori di fondo. I dati rilevati vengono inviati con segnali satellitari alle centrali di controllo che, interpolando i dati, sono in grado di determinare epicentro, ipocentro e magnitudo del sisma. Bastano 3 stazioni in teoria; da ciascuna si determina la distanza in base al tempo che impiegano le onde ad arrivare e tracciando delle circonferenze si rintraccia l’epicentro. Per la magnitudo, ci sono grafici appositi in cui correlando la distanza sismografo-epicentro e ampiezza massima dell’oscillazione, si rileva la magnitudo.

Problemi legati a un sisma

• Vittime;
• Fenomeno di amplificazione del segnale: la scossa si amplifica a causa dei differenti tipi di terreni; può capitare che anche a grandi distanze venga avvertita una scossa fortissima, dovuto al fatto che nella zona dell’ipocentro c’era una fascia di terreno a granulometria fine che ha amplificato il segnale;
• Frane: possono interessare centri molto importanti, acquedotti, gasdotti, ponti, ecc.;
• Movimenti verticali;
• Tsunami;
• Collasso di dighe;
• Incendi e fuoriuscita di materiali tossici;
• Liquefazione dei terreni: I terreni composti da sabbie sature, durante uno shock sismico, possono trasformarsi in sabbie liquefatte a causa di una ridistribuzione dei grani all’interno del terreno. L’acqua di ritenzione viene liberata e si forma una pellicola tra i grani rendendo così il terreno totalmente liquido e privo di proprietà geomeccaniche; se siamo su un pendio si verifica una frana. Se una casa è stata costruita su questo tipo di terreno, dopo un sisma si potrebbe abbassare più o meno omogeneamente e la sabbia fuoriesce dai lati. Il rimedio potrebbe essere quello di togliere l’acqua o fare delle ottime sottofondazioni.

(Per capire se la sabbia sia pulita o sporca: se buttata in acqua, essa rimane trasparente la sabbia è pulita, viceversa no).

Il territorio italiano dal 2003 è diviso in 4 categorie in modo decrescente, in base al grado di sismicità. La suddivisione è a livello comunale ed è effettuata in base ai fenomeni passati. In base alla classe di rischio ciascun comune dovrà sottostare a determinate normative specialmente per l'edilizia.

Età delle rocce

Basandoci sui sedimenti e in particolare sui fossili rinvenuti all’interno delle rocce, possiamo datare all’incirca l’età della roccia che stiamo analizzando. Generalmente le rocce sono stratificate per anno, da giovani a vecchie. In generale, le rocce più giovani si trovano al di sopra delle rocce vecchie.

Relazione età delle rocce- caratteristiche geomeccaniche

• Depositi quaternari: Rocce sciolte, pseudocoerenti plastiche (argille scadenti), successivamente rocce lapidee molto dure prodotte dai vulcani; giacitura orizzontale e deformazione nulla; ghiaia, sabbia.
• Depositi terziari: Rocce pseudocoerenti consolidate (argille pressate), semicoerenti; giacitura blandamente inclinate e deformazione blanda; ghiaia, sabbia, arenaria, marna e gesso.
• Mesozoiche/paleozoiche: Rocce lapidee (graniti, scisti, gneiss, calcari), giacitura molto variabile e deformazione elevata. (In Puglia direttamente rocce del terziario)

Deformazioni delle rocce

Deformazione plastica

Avviene in migliaia di anni, sollecitazione su rocce plastiche.

Deformazione fragile o rigida

(Faglie) sollecitazione su rocce fragili. Faglie: porzioni di ammasso roccioso che ha subito un certo movimento con spaccatura; lungo le fratture scorrerà acqua. Distinguiamo tre tipi di faglie:

• Inversa: Fenomeno di compressione, le rocce di faglia prima lapidee, si sgretolano sotto gli sforzi e contengono acqua.
• Diretta: Movimenti distensivi, separazione che genera meno problemi dal punto di vista ingegneristico.
• Trascorrente: Movimento opposto, orizzontale e parallelo alla linea di faglia.

Rigetto: Movimento relativo tra faglie.

Specchio di faglia: Superficie lungo cui si è verificata la frattura, viene anche definito piano di faglia; facile da riconoscere perché sono di tipologie di rocce differenti.

A seconda del tipo di faglia in superficie avremo diversi fenomeni, ad esempio se abbiamo una faglia inversa avremo la formazione di una valle. In tali zone però c’è un forte fenomeno di erosione da parte dell’acqua, perché le rocce sono piuttosto fratturate e dunque l’acqua riesce ad infiltrarsi agevolmente nell’ammasso roccioso!

Di solito non c’è mai una singola faglia ma tutta una serie di faglie secondarie che dipendono dalla principale. Graben: Insieme di faglie che generano un abbassamento. Horst: Insieme di faglie che generano un innalzamento.

Fornello: Collasso in galleria che provoca una depressione in superficie.

Fratture: Discontinuità che non ha subito spostamento.

Fratture da detensionamento: Fratture di neoformazione molto aperte e che tendono ad aprirsi, si riconoscono perché sono parallele al versante della valle che si è formata. Sono zone molto scarse dal punto di vista geomeccanico, dunque è consigliato evitare opere ingegneristiche in tali zone. Se devo fare una galleria, la faccio quanto più internamente all’ammasso.

Zone alterate: Diverso tipo di roccia nello stesso luogo, indica la presenza di una circolazione idrica.

Zone cataclastiche: Zone provocate da faglie molto pronunciate di scala molto piccola, presentano una fratturazione molto intensa. Le rocce cataclastiche vengono spesso sfruttate per ricavare inerti per applicazioni edili.

Zone milonitiche: Zone delle faglie dove lo stress è molto concentrato, sono rocce pressoché polverizzate e se impregnate d’acqua formano un materiale denso ma fluido come ad esempio il fango. Essendo sature d’acqua potrebbero fungere da diga sotterranea e dietro al loro strato il livello di falda potrebbe essere molto più alto! Pericolosissime perché se dietro la roccia l’acqua è molto alta e sto scavando una galleria, quando attraverso la zona milonitica oltre ad avere enormi problemi di stabilità, vengo investito da un getto d’acqua con una pressione fortissima!

Deformazioni plastiche: le pieghe

• Anticlinale: Convessità verso l’alto, forma strutture di rilievo in superficie, presenza di molte fratture; potrebbero esserci camere di gas al loro interno.
• Sinclinale: Convessità verso il basso, forma strutture di vallate in superficie; se uno degli strati è impermeabile avremo la formazione di una zona satura a una quota completamente diversa da quella misurata in altre zone limitrofe.

Nucleo: Roccia molto pressata, in caso di scavi in prossimità di essi ci possono essere delle decompressioni molto pericolose che generano schegge.

Thrust: Zone in cui una zolla si inabissa sotto l’altra zolla che invece vi passa sopra; sono zone molto rischiose perché abbiamo deformazioni delle rocce molto spinte.

Giacitura delle rocce

Possiamo avere rocce massicce e rocce stratificate; lo studio si basa:

• Sulle osservazioni delle rocce affioranti;
• Lo studio delle carote;
• Sulle osservazioni in sotterraneo.

Misura della giacitura di una roccia: si misura l’immersione (rispetto al nord) attraverso una bussola e l’inclinazione (rispetto al piano orizzontale) attraverso l’inclinometro. Si misura in senso orario.

Rapporti tra strati e topografia

• Strati orizzontali: Seguono l’andamento delle isoipse.
• Strati verticali: Sono perpendicolari alle isoipse.
• Strati a reggipoggio: Sono inclinati in modo da opporsi a un facile scorrimento degli strati.
• Strati a franapoggio: Sono inclinati parallelamente al versante e favoriscono lo scivolamento degli strati.

È sempre consigliato costruire in situazioni di reggi poggio!

Tipi di contatto delle rocce

Sono superfici di debolezza.

• Stratificato: Il piano di discontinuità può provocare frane se siamo in condizioni di franapoggio e se c’è acqua che lubrifica il piano (viene indicato con una linea nera), ad esempio se abbiamo uno strato di arenaria (permeabile) su uno strato di argilla (impermeabile), l’acqua penetra fino a raggiungere l’argilla e scorre tra i due strati creando una patina che fa scivolare l’arenaria.
• Tettonico: Si indica con una linea rossa ed è molto pericolosa per tutti i vari problemi visti prima.
• Superfici di discontinuità (stratificato): Contatti a grande scala tra terreni di diversa unità geologica, indicano una zona con caratteristiche strutturali molto diverse e che possono avere gravi problemi come frane, venute d’acqua, ecc. Tipico esempio è quello di una vallata formata per una faglia inversa in cui si depositano dei sedimenti alluvionali; in tale zona se facciamo un bacino di raccolta delle acque avremo l’acqua che fugge, perché filtra al di sotto dei sedimenti nella roccia fratturata.

I minerali

Le rocce sono aggregati di minerali:

• Roccia eterogenea: Ad esempio il granito (1/3 quarzo, minerale più duro nel campo ingegneristico).
• Roccia omogenea: Calcare, …

Rocce

• Ignee (raffreddamento di fusi magmatici):
  • Plutoniche (raffreddamento lentissimo a profondità elevate, es. granito).
  • Vulcaniche (raffreddamento rapido e superficiale, es. basalto).
  • Ipoabissali.
  • Piroclastiche (vulcaniche).
• Sedimentarie (diagenesi di sedimenti di diverse origini):
  • Residuali.
  • Detritiche.
  • Chimiche.
  • Organiche.
• Metamorfiche (metamorfismo di rocce preesistenti).

Diagenesi: cambiamento chimico-fisico subito da un sedimento dopo la sua deposizione.

Classificazione tecnica delle rocce

La classificazione è basata sul grado di coesione degli elementi che compongono la roccia.

• Rocce coerenti o lapidee: Elementi molto uniti fra loro, portanza elevata, ottime caratteristiche geomeccaniche a meno di zone cataclastiche o milonitiche.
• Rocce incoerenti o sciolte: Elementi liberi fra loro, portanza media (dipende dall’età), sabbie, ghiaie fini.
• Rocce semicoerenti: Caratteristiche intermedie tra le prime e le seconde, rocce formatesi da cementazione per deposito di CaCO₃ nelle sabbie (arenarie e conglomerati).
• Rocce pseudocoerenti: Coerenti da asciutte, non coerenti se si saturano d’acqua (argille).

Indice RQD (Rock Quality Designation)

Indica in % la qualità delle rocce attraverso un’indagine di carotaggio o inclinometrica. Una volta estratta la carota si calcolano i tratti di roccia compatta superiori a 10 cm e si sommano; il risultato si divide per l’altezza totale della carota che moltiplicata per 100 ci fornisce la %: se <25%: scarsissime, se >90%: eccellenti.

Angolo di attrito interno

È una caratteristica propria delle rocce pseudocoerenti e sciolte. Un esempio pratico di questo significato fisico può essere compreso versando il materiale su una superficie orizzontale; il materiale si disporrà secondo una forma conica. L'angolo descritto dalla generica retta che congiunge il vertice alla base con il piano orizzontale è l'angolo di resistenza al taglio. Questa proprietà riveste particolare importanza nell'ambito della geotecnica, in quanto rappresenta un importante mezzo per conoscere le caratteristiche meccaniche dei terreni.

Classificazione delle rocce in base alla natura

Rocce magmatiche

• Intrusive o plutoniche: Magma che avvicinatosi alla superficie si è raffreddato lentamente, sono rocce in cui si individuano molti cristalli di quarzo, quindi sono estremamente dure. Se c’è fratturazione spesso è solo superficiale. Tra queste rocce troviamo il granito che in climi caldo-umidi tende a disgregarsi, erodersi e trasformarsi in detriti. Dunque, sopra la roccia dura possiamo trovare uno strato di roccia disgregata, i sabbioni granitici, che possono contenere grandi quantità di acqua. Grazie alla sua estrema durezza e proprietà meccaniche eccezionali (massiccio, bassa porosità, bassa permeabilità) il granito viene utilizzato per molte opere edili, sia in forma grezza che in forma lucidata; se al suo interno sono presenti minerali ferrosi nel tempo macchiano il granito vistosamente; il suo peso medio è circa 2.7 t/m³.
• Vulcaniche: Sono molto abbondanti anche in zone in cui sono assenti i vulcani. Sono rocce formatesi dal rapido raffreddamento della lava fuoriuscita dal vulcano. Se il raffreddamento è davvero veloce si formano i porfidi (leggermente simili al granito, scarsa porosità, molto rugosi, usati nei centri storici e per pavimentazioni antiscivolo). Altre rocce sono: la pomice (molto leggera), il basalto (completamente senza pori, molto dura). In queste rocce c’è molta presenza di arsenico (la quantità di As che può essere presente nell’acqua da sorgenti di roccia vulcanica è 10 mg/l).
• Piroclastiche: I frammenti espulsi dal vulcano durante l’eruzione sono detti piroclasti, essi a seconda delle dimensioni si suddividono in: polveri (d<0.06), ceneri, lapilli e blocchi (d>64mm). Una volta depositati questi piroclasti si formano dei depositi detti piroclastici. I frammenti raggiungono il suolo seguendo una traiettoria balistica. I frammenti più fini possono essere trasportati dalle correnti d’aria anche a km di distanza. Attività vulcanica: la lava si divide in fluida o viscosa; in prossimità dei vulcani possiamo trovare dei paesaggi caratterizzati da strati di lava raffreddati (roccia lapidea con conseguente assenza di vegetazione) e depositi sedimentari di piroclasti (tende al pianeggiante con conseguente presenza di vegetazione). Sono zone dotate di un’ottima facilità di costruzione perché le rocce magmatiche hanno un’ottima resistenza meccanica, anche se hanno un comportamento pseudocoerente dovuto alla fascia di discontinuità tra le rocce laviche. Possiamo inoltre avere colate basaltiche: molto fluide, esplosive e quindi molto pericolose e un’attività di caldera: collasso della camera magmatica per svuotamento con successiva formazione di un lago. Un tipo di roccia molto usata in edilizia è il tufo vulcanico. Lahar: sono colate di fango, il materiale fuoriuscito si fonde con la neve che satura la lava generando colate di fango. (Sud America)

Rocce sedimentarie

Nella formazione di queste rocce distinguiamo 3 fasi fondamentali:

1. Fase di erosione;
2. Fase di trasporto;
3. Fase di sedimentazione.

Vengono divise a seconda della granulometria in:

• Silt o limo e argille (particelle): d<0.06mm;
• Sabbie