Appunti parte Geologia (Geologia applicata)

Capitolo 1 – Geologia

FONDAMENTI DI GEOLOGIA GENERALE

MODELLO COSTITUTIVO DELLA TERRA

TERRA: sferoide con raggio medio 6370 km

Struttura non omogenea:

3

- Densità media 55 kN/m 3

- Densità rocce superficiali 20-30 kN/m

INDAGINE GEOLOGICA 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

SCALA DEI TEMPI GEOLOGICI

MODELLO COSTITUTIVO DELLA TERRA

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

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 CROSTA: spessore da pochi km a 60 km

MANTELLO: mantello superiore e inferiore, spessore totale circa

2900 km

NUCLEO: nucleo esterno e interno, spessore totale 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 La velocità delle onde sismiche varia con la profondità in

funzione della densità del mezzo che le attraversa

LITOSFERA: crosta terrestre e

spessore di mantello di circa 60

km rigido (mantello litosferico)

ASTENOSFERA: rimanente parte

del mantello superiore con

comportamento viscoelastico

CROSTA OCEANICA: spessore di circa 6-7 km,

composizione: sedimenti fini e basalti

CROSTA CONTINENTALE: spessore variabile da 20 a 60 km

(massimo sotto catene montuose), composizione variabile TETTONICA A PLACCHE

Litosfera divisa in circa 15 placche che

variano forma e posizione a causa di

correnti convettive all’interno

dell’astenosfera dovute a differenze di

temperatura che provocano il

movimento passivo delle placche tra

loro

DERIVA DEI CONTINENTI: spostamenti

subiti dai continenti nel passato e che

subiscono attualmente

Wegner indicò come evidenza

geologica della deriva dei continenti la

distribuzione, nel tardo Paleozoico

(Permiano), dei depositi glaciali e delle

piante fossili conosciute

collettivamente come Successione di

Gondwana (in onore tribù Gond

dell’India centrale, la cui regione

contiene molti di questi fossili)

Antiche piante terrestri e depositi

glaciali a loro associati si trovano solo

in Sud America, Africa, India, Australia

e Antartide, che occupavano la parte

meridionale della Pangea (dal greco

“tutta la Terra”)

La direzione delle strie

glaciali conservate sui

continenti nelle rocce in

posto mostra la direzione del

movimento dei ghiacciai

durante il Permiano

(Successione di Gondwana);

(a) le direzioni delle strie

sono spiegate con

l’unificazione dei continenti

e con una calotta glaciale su

un Polo Sud situato in

corrispondenza dell’attuale

Sud Africa;

(b) strie glaciali

(Australia) formate nel

Permiano (più di 200 milioni

di anni).

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 zone di obduzione.

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 scaldata

su di un fornello

Convezione (a) in una pentola su di un fornello;

(b) nel mantello, con rimescolamento

dell’intero mantello;

(c) un modello alternativo di convezione del

mantello che interessa più strati, ipotesi

probabilmente più verosimile rispetto ad (a) 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 migliaia o pochi milioni di anni

accade che i poli magnetici si scambiano

reciprocamente le loro posizioni. Si definisce

“normale” l’attuale campo magnetico ed

“inverso” quello di altre epoche.

Le rocce magmatiche effusive

registrano il campo magnetico, a

seguito dell’allineamento di minerali

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

lava.

Si arrivò alla conclusione che se

l’espansione dei fondi oceanici fosse

effettivamente avvenuta, in questi si

sarebbero dovuti registrare strisce di

anomalie magnetiche con

distribuzione simmetrica rispetto alla

dorsale.

È stato effettivamente dimostrato che

vi sono state 170 inversioni negli

ultimi 76 milioni di anni.

Le inversioni del campo magnetico

sono avvenute periodicamente

lasciando un magnetismo “fossile”

nelle rocce dei fondali oceanici

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:

- processo di SUBDUZIONE. Una delle placche (oceanica) si inflette sotto l’altra e viene riassorbita dal mantello.

- processo di OBDUZIONE. Due placche continentali non possono essere subdotte, avendo densità simile, quindi si

accavallano l’una sull’altra. Si ha il processo di OROGENESI.

Il processo di subduzione 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’espansione

dei fondi oceanici nelle dorsali medio-

oceaniche crea nuova crosta oceanica, la

subduzione la distrugge. ZONE DI SUBDUZIONE: una delle placche si inflette

sotto l’altra e viene riassorbita dal mantello. 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) (Es.

Giappone).

2. ARCO-CORDIGLIERA: placca oceanica che immerge

sotto placca continentale (Es. Cordigliera delle

Ande).

In entrambi i casi si formano le fosse oceaniche, zone molto

profonde dove si accumulano sedimenti

ZONE DI OBDUZIONE: due placche continentali non possono essere subdotte, avendo densità simile; quindi, si

accavallano l’una sull’altra

OROGENESI: insieme dei processi che portano alla formazione delle catene montuose

MARGINI A SCORRIMENTO LATERALE

A causa dell'attrito e del comportamento rigido le placche 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 Capitolo 2 – Geologia

FENOMENI ENDOGENI

ATTIVITA' 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 circa)

- MAGMA DEGLI ARCHI (arco-

fossa e arco-cordigliera):

originatosi in profondità per

fusione placche convergenti.

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 a temperatura

maggiore, formano più frequentemente vulcani.

Distribuzione dei vulcani attivi della Terra lungo i margini continentali e nei

punti caldi. Da notare l'evidente "Anello di Fuoco" attorno all'Oceano

Pacifico, che contiene 900 (66%) dei vulcani potenzialmente attivi del

mondo. I restanti 450 si trovano nella fascia Mediterranea (zone di

subduzione) e lungo i centri di espansione delle dorsali medio – oceaniche

(margini divergenti).

GIACITURA ROCCE MAGMATICHE

PLUTONI: Corpi magmatici di grandi dimensioni, viscosi per la loro composizione acida.

Estensione areale: fino a centinaia di km

Plutone granitico, con ricostruzione ideale della parte asportata dall'erosione. Sono

rappresentati schematicamente

I FILONI: propaggini di corpi magmatici insinuate in fenditure diroccia incassante

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 caratterizzate 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 (prodotti piroclastici)

TIPI DI EDIFICI VULCANICI

I diversi tipi di edifici vulcanici si differenziano in funzione del tipo di

magma (basico o acido), della sua temperatura e della tensione di

vapore

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 dà 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 appoggiato al suolo.

Per lo più originati negli oceani, i vulcani a scudo si trovano in

Islanda, nelle Isole Galapagos e nelle Hawaii

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 ceneri, scorie e lava.

Esempi: Vesuvio, Fujiama (Giappone), Monte Rainier (USA),

San Cristobal (Nicaragua) VULCANI A CALDERA: un tipo particolare di stratovulcano è il vulcano a caldera, generato

da un rapido svuotamento 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;

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

MANIFESTAZIONI VULCANICHE PARTICOLARI

PIROCLASTI: insieme di ceneri, polveri, lapilli, ecc. 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:

- 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.

3) per 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.

MANIFESTAZIONI VULCANICHE

INDICE DI ESPLOSIVITÀ VULCANICA (VEI:

Volcanic Explosivity Index): ha valori compresi

tra 0 e 8 a seconda del volume del materiale

emesso, della quota raggiunta dallo stesso e

della durata dell'eruzione.

La scala di "CLASSIFICAZIONE" associa la

specifica eruzione con un vulcano ben

conosciuto che ha mostrato lo stesso tipo di

attività.

La scala di "DESCRIZIONE" impiega aggettivi

simili a quelli usati nei titoli di giornali per

definire l'eruzione.

(Eruzione Monte St. Helens (USA) del 1980:

indice 4 ed eruzione definita da esplosiva a

catastrofica)

Plinio il Vecchio: storico e naturalista romano che morì durante l’eruzione del Vesuvio del 79 d.C.: prima di morire fu testimone di una grande

colonna di cenere con testa a forma di fungo o di incudine che si innalzava dalla cima del Vesuvio. Tale colonna è stata definita “colonna Pliniana”.

In realtà, il termine “Pliniano” si riferisce a Plinio il Giovane (cosiddetto per distinguerlo dallo zio Plinio il Vecchio) che descrisse l’eruzione in due

lettere a Tacito. Colonne Pliniane si sono formate all’inizio dell’eruzione del Monte St. Helens nel 1980 ed al Monte Pinatubo nel 1992.

PERICOLOSITA' VULCANICA

I vulcani come pericoli di origine naturale sono tra i primi posti in

termini 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

PREVISIONE: capacità di riconoscere quando e dove

accadrà un'eruzione vulcanica.

Esempio: Osservatorio dei Vulcani Hawaiani

monitora le deformazioni che possono preludere ad

un evento vulcanico.

Il riempimento della camera magmatica provoca un

rigonfiamento, quindi un aumento graduale di

pendenza dei fianchi che può essere misurato con

precisione ed un graduale aumento della sismicità.

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.

PERICOLOSITA’ VULCANICA IN ITALIA

In Italia 10 vulcani attivi:

• Colli Albani

• Vesuvio

• Campi Flegrei

• Ischia

• Procida

• Etna

• Stromboli

• Lipari

• Vulcano

• Pantelleria TERREMOTI

Dovuti a improvvise rotture o dislocazioni

di grandi masse rocciose della litosfera

sottoposte a sforzi continuati oltre il loro

limite di deformazione elastica.

La rottura 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 700 km.

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

Ciclo di accumulo – deformazione – rilascio dell’energia per una faglia trascorrente, secondo la teoria del rimbalzo elastico di Reid.

Nell’istante della rottura (c), l’energia viene rilasciata sotto forma di onde sismiche che si irradiano in tutte le direzioni. (e)

Spostamento di 2.5 m di una staccionata causato dall’attività della faglia di San Andrea nel 1906, California.

ONDE SISMICHE

- 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.

SISMOGRAMMA: 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.

Dati di 3 STAZIONI: permettono di risalire all'epicentro

SISMOGRAFI

SCALA MERCALLI (1902)

I. Non avvertito

II. Avvertito solo da poche persone in quiete

III–IV. Avvertito da persone al chiuso

V–VI. Avvertito da tutti; caduta di piatti, danni a comignoli e ciminiere

VII. Tutti fuggono all’aperto, danni a agli edifici di scadente progettazione

VIII. Danni lievi ad edifici ben costruiti; danni importanti a strutture mal costruite

IX. Danni notevoli ad edifici specificatamente progettati; edifici spostati rispetto alle fondazioni

X. Distruzione di gran parte degli edifici in muratura ed alcuni di quelli di legno

XI. Ben poche strutture rimangono in piedi; ponti distrutti, rotaie piegate

XII. Distruzione totale

CARTA DELLE AREE ISOSISME (O ISOSISTE) SCALA RICHTER (1935)

Definizione della Magnitudo:

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: lungo le

zone di contatto tra placche diverse.

Aree più facilmente soggette a sismi:

- Dorsali medio-oceaniche: terremoti

poco profondi

- Fosse oceaniche: sistemi archi insulari

(es. Giappone)

- Fosse tettoniche continentali: rift

valley (Africa), California

- Catene montuose recenti: Himalaya,

ecc.

DISTRIBUZIONE DEI TERREMOTI IN ITALIA

- Sicilia nord-orientale

- Arco calabro

- Appennino

- Settore nord-orientale

RISCHIO SISMICO

• Scuotimento

• Effetti sismici locali (amplificazione, liquefazione, ...)

• Frane sismo-indotte

TSUNAMI

(onde di maremoto)

PREVENZIONE

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 (comunale)

SITUAZIONI GEOLOGICHE PERICOLOSE in relazione alle

costruzioni

A: Edificio 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, D, E: Edifici costruiti su terreni con caratteristiche

meccaniche diverse: si possono creare cedimenti

differenziali che possono indurre il crollo

F, G, H, I: Edifici costruiti su materiali con

caratteristiche geomeccaniche sfavorevoli o su

situazioni in frana

LIQUEFAZIONE DINAMICA: incremento delle

pressioni interstiziali in terreni granulari saturi

Capitolo 3 – Elementi di Geologia

I MINERALI DELLE ROCCE: RICONOSCIMENTO, PROPRIETÀ TECNICHE, UTILIZZI

MINERALI

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

Struttura cristallina del cloruro di sodio (salgemma)

PROPRIETA' FISICHE DEI MINERALI

ABITO CRISTALLINO (forma geometrica): ogni minerale ha una configurazione

esterna propria e distinta, oltre che una ben definita disposizione interna degli

atomi Forme di alcuni minerali:

(a) cubo (salgemma),

(b) dodecaedro (granato);

(c) ottaedro (diamante, fluorite);

(d) prisma esagonale (quarzo)

3

DENSITÀ: rapporto tra la sua massa e l’unità di volume (kN/m ). In base alla densità, i vari minerali si distinguono in:

3

- LEGGERISSIMI: <20 kN/m (opale, zolfo, ambra)

3

- LEGGERI: 20-30 kN/m (quarzo, calcite, dolomite, salgemma gesso, grafite, ortoclasio, plagioclasi, talco,

muscovite, serpentino)

3 (anidrite, diamante, corindone, olivina, granato, orneblenda, biotite)

- PESANTI: 30-