Geologia applicata - Appunti

Geologia

Capitolo 1: Elementi e minerali

Elementi

Elementi: sostanze semplici che non possono essere suddivise con i metodi consueti della chimica. Gli elementi più abbondanti sulla crosta terrestre sono: ossigeno (unico anione), silicio, alluminio, ferro, calcio, magnesio, sodio e potassio. Numero di coordinazione: numero di anioni che, per ragioni di spazio, possono stare attorno ad un determinato catione. In particolare, visto che ossigeno e silicio sono nettamente più abbondanti degli altri elementi e hanno caratteristiche elettriche compatibili, è naturale trovare diffusissimo il gruppo dei silicati.

Minerali

Minerali: sostanze naturali, in genere cristalline e inorganiche, che hanno una ben definita composizione chimica, oppure un ben definito campo di composizione chimica (vicarianza) e determinate proprietà fisiche. N.b. in alcuni casi esistono minerali amorfi, senza reticolo cristallino. Il gruppo di minerali più abbondante è costituito dai silicati, con cella elementare SiO₄. Diversi modi in cui la cella si associa dà vita ai sottogruppi:

• Nesosilicati (olivina)
• Sorosilicati
• Ciclosilicati
• Inosilicati a catena semplice (pirosseni)
• Inosilicati a catena doppia
• Fillosilicati (miche, argille)
• Tettosilicati (quarzo)

Descrizione e riconoscimento dei minerali

1. Analisi ottica delle sezioni sottili
2. Analisi chimica dei minerali
3. Microscopio elettronico

Proprietà fisiche dei minerali

• Colore
• Lucentezza
• Sfaldatura
• Durezza: la durezza di un minerale indica la sua resistenza alla scalfitura, e viene espressa secondo una scala qualitativa, nota come scala di Mohs, in 10 termini. Ogni termine della scala scalfisce il precedente ed è scalfito dal successivo. Di particolare significato applicativo è il quarzo (durante uno scavo bisogna stare attenti che non ci sia quarzo o minerali di durezza superiore; in tal caso si avrebbe bisogno di un'attrezzatura "al diamante" e ovviamente il prezzo di questa è molto elevato, oppure si potrebbe usare un'attrezzatura al vidia, lega molto dura. Importante è dunque porsi il problema geologico).
• Solubilità all'HCl diluito al 5%
• Forma cristallina

Rocce

Rocce: materiali naturali costituiti dall'aggregazione di uno o più minerali tra loro legati da forze di coesione che non possono essere vinte da modeste sollecitazioni meccaniche, né dal contatto con l'acqua anche se prolungato. In base alla loro genesi si dividono in:

• Ignee o magmatiche: derivano dalla solidificazione di masse fuse.
• Sedimentarie: si formano spesso a seguito di una serie di fenomeni come disgregazione e alterazione di rocce preesistenti uniti a trasporto e sedimentazione.
• Metamorfiche: derivano dalla trasformazione di rocce preesistenti che avviene all'interno della crosta terrestre in condizioni di elevate pressioni e temperature.

Capitolo 2: Le rocce ignee

Le rocce ignee derivano dalla solidificazione di un magma silicatico (fluido) che cristallizza formando una serie di minerali. In base a dove ha luogo la cristallizzazione rispetto alla superficie terrestre, abbiamo rocce:

• Effusive
• Ipoabissali
• Intrusive

Le modalità di solidificazione dei magmi sono regolate secondo un ordine preciso noto come serie di Bowen:

N.b. un altro meccanismo di solidificazione del magma è rappresentato dalla differenziazione magmatica (effetto gravità).

Tessitura delle rocce ignee

• Olocristallina
• Vetrosa
• Porfirica

Descrizione del campione a mano

La descrizione e la successiva classificazione delle rocce ignee normalmente viene svolta con l'analisi di dettaglio di sezioni sottili. La descrizione si basa su:

• Tessitura
• Descrizione minerali costituenti
• Granulometria: equigranulari, inequigranulari fine, grana media, grossolana
• Colore (% minerali scuri presenti): roccia leucocrata (0-35%), roccia mesocrata (35-65%), roccia melanocrata (65-90%), roccia ultramafica (90-100%)
• Eventuale alterazione dei minerali o dell'intera roccia

Classificazione delle rocce ignee

Per classificare le rocce ignee si impiega il metodo proposto da A. Streckeisen e adottato dall’International Union of Geological Sciences, che consiste nell’impiego di alcuni diagrammi triangolari suddivisi in campi a ciascuno dei quali corrisponde un nome litologico. I diagrammi hanno ai vertici alcuni silicati comuni.

Rocce intrusive e rocce effusive ultramafiche

Giacitura delle rocce ignee:

• Corpi maggiori: batoliti
• Corpi di dimensioni ridotte: ammassi
• Batoliti + ammassi: plutone
• Dicchi, dimensioni molto minori: filoni, filonistrato (un tipo particolare di roccia filoniana: la pegmatite), sill, neck

Prodotti dell'attività vulcanica

• Gas vulcanici
• Lave (caratteristiche diverse a seconda della composizione chimica e temperatura, lave fluide e lave viscose)
• Piroclasti sono i frammenti eiettati durante le eruzioni vulcaniche: bombe o blocchi, lapilli

In base alle dimensioni vengono distinti in: ceneri, polveri. La stessa terminologia serve anche per indicare i depositi piroclastici incoerenti, mentre quando i piroclasti depositati vanno a costituire i depositi coerenti abbiamo i piroclastici e tra questi: brecce piroclastiche e tufi.

• Juvenili
• Litici
• Cristalli

Lave, depositi piroclastici e piroclastici normalmente si accumulano, più o meno vicini ai centri eruttivi in vasti corpi tabulari di diverso spessore con struttura stratiforme.

Capitolo 3: Degradazione

Processi di degradazione

• Fisici
• Chimici

Il tipo di processo che si instaura, la velocità e l’entità delle trasformazioni dipendono per lo più da due fattori:

• Caratteristiche fisico-meccaniche delle rocce
• Condizioni climatiche del sito

In generale:

• Elevate temperature favoriscono l'alterazione chimica.
• Forti variazioni di temperatura favoriscono processi fisici.

Processi elementari di disgregazione fisica

La disgregazione fisica porta alla formazione di frammenti di dimensioni variabili (detti clasti) della roccia di partenza. I più importanti processi di disgregazione fisica:

1. Crioclastismo: processo per il quale la roccia si scompone in porzioni a seguito delle sollecitazioni conseguenti alla solidificazione dell’acqua nelle fratture presenti in essa. Formazione di crioclasti. N.B. Cicli e gelività.
2. Termoclastismo: le continue variazioni di temperatura a cui sono soggette le rocce in affioramento producono dilatazioni e contrazioni dei minerali che le costituiscono. Risultato dell'esposizione è un indebolimento e la conseguente rottura dei contatti tra minerale e minerale. Formazione di termoclasti.
3. Idroclastismo: le variazioni di contenuto d’acqua in alcuni tipi di rocce indeboliscono i legami della stessa portando alla sua disgregazione. Formazione di idroclasti.
4. Aloclastismo: nell'acqua è sempre presente una data quantità di sali. Essa si infiltra nelle fessure, depositandosi, il quale durante la sua crescita porta ad esercitare una pressione in grado di ampliare le fessure. Formazione aloclast.
5. Bioclastismo: lo sviluppo dell’apparato radicale arboreo nelle fratture preesistenti porta all’espansione delle stesse. Formazione bioclasti.
6. Diminuizione della pressione litostatica: la diminuizione della pressione agente su una roccia, conseguente all'asportazione della roccia soprastante, provoca una dilatazione che si manifesta in parte con un comportamento elastico del materiale roccia ed in parte con la produzione di nuove fratture nell'ammasso roccioso. Il risultato è in ogni caso un indebolimento delle masse rocciose e sui versanti, una maggiore predisposizione a fenomeni franosi.

Processi elementari di alterazione chimica

N.B. i silicati si alterano con maggiore o minore facilità in modo direttamente proporzionale alla loro temperatura di cristallizzazione. Principali processi di alterazione chimica:

• Soluzione
• Idratazione
• Idrolisi
• Carbonatazione
• Ossidazione
• Azione biochimica
• Azione antropica

Il trasporto e la deposizione dei prodotti dell’alterazione

Dai processi di decomposizione chimica abbiamo la formazione di alcuni prodotti tipici come:

• Ioni in soluzione
• Minerali delle argille: dopo trasporto e sedimentazione vanno a costituire i terreni coesivi, le argille.
• Residui minerali: dopo trasporto e sedimentazione vanno a costituire i terreni granulari.

L’azione del trasporto viene svolta prevalentemente da gravità unita all’azione dell’acqua corrente, dei ghiacciai e del vento. I prodotti della degradazione in assenza di trasporto e sedimentazione costituiscono l' eluvio (regolite).

Classificazione granulometrica delle terre (secondo A.G.I.)

• Nome della frazione più abbondante con 25-50% - oso 10-25%
• Debolente - oso 5-10%
• Con tracce <5%

Capitolo 4: Rocce sedimentarie

Formazione delle rocce sedimentarie

Si formano sulla superficie terrestre o a piccola profondità, per un insieme di processi di trasformazione che porta allo stato di roccia depositi inorganici ed organici che si sono accumulati progressivamente.

Diagenesi

• Costipamento: provocato dalla pressione data dal peso dei terreni accumulatesi successivamente a quelli in trasformazione.
• Cementazione: nei vuoti presenti tra i grani, circola acqua ricca di ioni che trovano condizioni adatte al loro deposito. Si formano dunque minerali che legano i grani trasformandoli in roccia.
• Ricristallizzazione: i minerali costituenti il deposito si trasformano, con accrescimento dei singoli minerali di partenza che vengono così a legarsi fra loro.

Descrizione delle rocce sedimentarie

Può avvenire esaminando il campione a mano, ma un contributo essenziale viene dato da SEM e analisi di sezioni sottili.

Rocce sedimentarie

• Terrigene
• Organogene
• Chimiche

Rocce terrigene

Formazione: diagenesi di una terra, a sua volta formatasi per degradazione di una roccia preesistente, per trasporto dei prodotti della degradazione e infine per sedimentazione degli stessi.

Distinzione: vengono distinte sulla base delle dimensioni dei clasti che le costituiscono:

• Conglomerati: granulometria ruditica
• Arenarie: granulometria arenitica
• Siltiti e argilliti: granulometria lutitica

N.B. distinzione conglomerato\breccia. Classificazione: diagramma triangolare basato sulla quantità percentuale di clasti >2mm, compresi tra 2mm e 0.06mm e <0.06mm. La descrizione deve tener conto della classificazione mineralogica dei grani. Bisogna descrivere:

• Grado di arrotondamento
• Grado di sfericità

Possono presentare elevato grado di porosità (espressa come rapporto percentuale tra volume vuoti e volume parte solida). Possono presentare diverse strutture: (le strutture influenzano il comportamento meccanico della roccia e forniscono informazioni sull’ambiente e processi di deposizione)

• Stratificazione: presenza di porzioni tabulari di roccia sovrapposte le une alle altre, può essere obliqua o parallela
• Selezione: roccia costituita da clasti aventi più o meno la stessa dimensione
• Gradazione: variazione progressiva delle dimensioni medie dei clasti all’interno di uno stesso strato
• Impronte: dovute al movimento dell’acqua
• Bioturbazioni: dovute all’attività di organismi viventi al momento della deposizione

Rocce organogene

Bioclastiche: formatesi per l’accumulo di parti minerali di animali morti, costituite da carbonato di calcio; l’accumulo di parti vegetali in particolare lungo le paludi costiere porta invece alla formazione della torba che per successiva diagenesi diverrà carbone.

Biocostruite: formate dal progressivo accrescimento delle scogliere coralline, nelle quali coralli etc fissano nella loro continua crescita carbonato di calcio formando una struttura tridimensionale solida.

• 3 tipi di scogliera: barriere, frangenti, atolli

Questi ultimi, in particolare, si formano inizialmente come scogliere marginali intorno ad edifici vulcanici che poi col tempo sprofondano mentre i coralli accrescendosi in verticale restano in prossimità della superficie formando il caratteristico anello circolare. Non presentano stratificazioni!

Rocce chimiche

Si formano per precipitazione chimica diretta di sali, eventualmente favorita dall’azione di batteri. Le rocce più comuni di questo tipo sono i carbonati e i solfati, tali depositi si formano nei pressi di ambienti marini e prendono il nome di evaporiti. Variazioni cicliche del livello del mare, del contenuto salino etc hanno invece favorito la formazione di depositi di piattaforma. N.B. la mescolanza tra deposito calcareo ed uno argilloso porta alla formazione delle marne.

Ambienti di formazione delle rocce sedimentarie

Gli ambienti di formazione delle rocce sedimentarie sono in netta prevalenza marini e costieri.

Travertino

Roccia che si forma per continua deposizione di carbonato di calcio da parte di acque dolci ricche di ioni di calcio e ioni bicarbonato, la deposizione avviene su rive, cascate. Presentano una struttura stratificata, possono presentare fossili di animali marini.

Capitolo 5: Tettonica e geologia strutturale

Dinamismo della crosta terrestre

La teoria formulata da Wegener nel 1912 è in grado di spiegare tutte le grandi forme e processi che interessano la superficie terrestre, come la presenza di strutture allungate, posizione degli ipocentri dei terremoti e la forma reciproca di alcuni margini continentali. I margini delle varie placche si trovano quindi in movimento gli uni rispetto agli altri e tali movimenti possono essere ricondotti a tre schemi fondamentali:

• Allontanamento: sostanzialmente lungo le catene vulcaniche medio oceaniche
• Convergenza: con affossamento di una placca sotto l’altra
• Scorrimento laterale: tra due margini si ha quando le forze che tendono a muovere le placche agiscono in direzione sostanzialmente parallela all’andamento dei margini

Deformazioni e rotture nelle rocce

La geologia strutturale studia le modalità con cui le rocce rispondono a determinate sollecitazioni naturali e le strutture che ne derivano. Il comportamento di una roccia è più o meno fragile o duttile in funzione di:

• Tipo di materiale
• Pressioni agenti: maggiori sono le pressioni di confinamento, maggiore è il campo di comportamento duttile di una roccia, dunque a profondità maggiori possono avvenire più facilmente deformazioni.
• Temperatura: maggiore è il gradiente geotermico, maggiore è il comportamento duttile.
• Presenza di fluidi: la presenza di sostanze allo stato fluido circolanti favorisce il comportamento duttile.

Pieghe

Distorsioni continue di una roccia dovute all’applicazione di forze che non portano alla rottura della stessa. Il processo più comune è dovuto a sforzi tettonici agenti in direzioni pressoché orizzontali.

Parti fondamentali:

• Linea di cerniera
• Piano assiale
• Nucleo
• Fianchi

Forma:

• Antiforme: convessità verso l’alto
• Sinforme: convessità verso il basso
• Neutra: convessità posta di lato

I piegamenti sono maggiormente evidenti nelle sedimentarie stratificate. Si parla, relativamente all’età degli strati che le compongono di:

• Anticlinale
• Sinclinale

Vergenza: inclinazione del piano assiale verso il fianco coricato. Nel corso del processo deformativo si possono generare nella roccia strutture particolari che si ripetono sistematicamente:

• Foliazioni
• Lineazioni
• Clivaggio (presenza di discontinuità meccaniche disorientate)

Fratture

Gli sforzi agenti su una roccia possono portare in determinate condizioni alla rottura della stessa. Se sul piano di rottura non avviene scorrimento tangenziale ma solo una separazione si parla di frattura (=giunto =fessura). I giunti si formano ad esempio all’interno di colate laviche durante il loro raffreddamento. I giunti possono formarsi in una roccia (in particolare sedimentarie) anche per l’accumulo di sollecitazione verticale conseguente al progressivo seppellimento da parte di nuovi sedimenti che si accumulano in superficie. Sempre nelle sedimentarie in via di diagenesi il seppellimento può dare luogo ad un innalzamento della pressione idraulica che porta alla formazione di giunti.

Faglie

Quando la rottura lungo una superficie è accompagnata da uno scorrimento reciproco delle due parti di roccia, si ha una faglia. Si formano prevalentemente dove le condizioni di temperatura e pressione non sono particolarmente elevate. Di una faglia si possono distinguere:

• Piano di faglia (superficie più o meno regolare di rottura della roccia)
• Rigetto (è un vettore! Indica entità, direzione e verso dello spostamento che due punti della roccia tra loro a contatto hanno subito dopo la formazione della faglia; può essere obliquo o verticale)
• Tetto e letto: porzione sovrastante e sottostante il piano di faglia.

In direzione degli sforzi agenti sulla massa rocciosa che portano alla sua rottura ed al movimento reciproco delle due parti si...