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TOMMASO COLONNA (1)

CARATTERIZZAZIONE ELETTRICA DI DEPOSITI ARGILLOSI

DI ORIGINE GLACIALE, MARINA ED IDROTERMALE

ATTRAVERSO INDAGINI IN SITU ED IN LABORATORIO

Abstract - TOMMASO COLONNA - Electrical characterization of glacial, marine and hydrothermal

clay deposits by surveys in situ and in laboratory.

Electrical resistivity method is one of the most effective survey to identify superficial clay

deposits: it is widely used for mining and environmental research. The physical-chemical cha-

racterization of this type of deposits is a theme of theoretical and applied research that has

recently found considerable relevance in many industrial sectors linked to the market for bricks,

ceramics, cosmetics, fertilizer and nursery.

The clay minerals have peculiar physical-chemical features as the micrometric size of cry-

stals (involving considerable ability to water absorbing), ion exchange and fixation of cations.

Clay minerals have secondary genesis in rocks and may be derived by chemical alteration of

siliceous magmatic rocks (in acid or alkaline environment), by deposition from hydrothermal

solutions and by low-grade metamorphism (in the case of chlorites). The formation of clay as

clastic sediments like soils, carry out by rocks run-off containing clay minerals with the concen-

tration of fine sediment, after a long transport mainly in water (lake, sea or lagoon environment).

This approach is aimed to make a characterization of electrical resistivity of three types of

clay deposits with different genesis: from X-ray diffraction samples measurements and electrical

resistivity measurements by a reduced physical model, we study the main physical-chemical

parameters affecting electrical response of the clay deposits during a tomographic measurement

in situ, realized at the time of sampling. The clay levels in different sites were identified in 2D

resistivity models and have been interpreted by a lithologic-compositional point of view, de-

pending on their glacial, marine and hydrothermal origin.

The purpose of research is the study of electrical resistivity as a function of water content

and mineralogical composition of clay to the sample scale, aimed to obtain practical information

for a more precise and detailed interpretation of electrical tomography.

Mus. civ. Rovereto Atti del Workshop in geofisica 5 dicembre 2008 79-99 2009

(1) Centro di GeoTecnologie - Università di Siena - Via Vetri Vecchi 34, I-52027 - San Giovanni Valdar-

no (AR) - colonna3@unisi.it.

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The models developed seek to fulfil the conditions of geological setting that includes the

lithology of this study, focusing on a large scale and basing on a statistical analysis of resistivity

measurements. Using the same methodology and instrumental approach (laboratory and situ)

made it possible to develop a better lecture key to the complex problem of natural variability of

the resistivity values by statistical analysis of data obtained from a standard inversion process.

Key words: Resistivity models, Electrical tomography, Physical reduced model, Statistical anal-

ysis, Water content.

Riassunto - TOMMASO COLONNA - Caratterizzazione elettrica di depositi argillosi di origine gla-

ciale, marina ed idrotermale attraverso indagini in situ ed in laboratorio.

Il metodo della resistività elettrica è uno dei metodi più efficaci nell’individuazione dei

depositi argillosi superficiali: esso è impiegato diffusamente sia per valutazioni ambientali che

per ricerche minerarie. La caratterizzazione fisico-chimica di questa tipologia di depositi è og-

getto di ricerca teorica ed applicata che ha trovato recentemente notevole impulso in numerosi

settori industriali legati al mercato dei laterizi, della ceramica, della cosmesi, dei fertilizzanti e

della vivaistica.

I minerali argillosi hanno caratteristiche fisico-chimiche peculiari, quali la dimensione mi-

crometrica dei cristalli che comportano notevoli capacità di assorbimento d’acqua, scambio io-

nico e fissazione di cationi. La genesi dei minerali argillosi nelle rocce è secondaria e può avveni-

re per alterazione chimica (in ambiente acido o alcalino) di rocce magmatiche silicee, per depo-

sizione da soluzioni idrotermali e per metamorfismo di basso grado (nel caso delle cloriti). La

formazione dell’argille come sedimenti clastici sciolti, come suoli, avviene per dilavamento di

rocce contenenti minerali argillosi, con la concentrazione del sedimento fine, a seguito di un

lungo trasporto prevalentemente in acqua, in ambienti lacustri, marini, lagunari.

Nel presente lavoro ci si propone di effettuare una caratterizzazione della resistività elettri-

ca di tre tipologie di depositi argillosi aventi diversa genesi: partendo da misure di diffrattome-

tria a raggi X su campioni e di resistività elettrica su un modello fisico ridotto, si studiano i

principali parametri fisico/chimici che influiscono sulla risposta elettrica dei depositi argillosi

durante una misura tomografica in situ, che è stata realizzata al momento del prelievo dei cam-

pioni. Gli spessori argillosi presenti nei diversi siti sono stati individuati nei modelli 2D di resi-

stività e sono stati interpretati in chiave litologico-composizionale a seconda della loro origine

glaciale, marina e idrotermale.

La finalità della ricerca consiste nello studio della resistività elettrica in funzione del conte-

nuto idrico e della composizione mineralogica delle argille alla scala del campione, così da avere

informazioni direttamente spendibili in una più precisa e dettagliata interpretazione delle tomo-

grafie elettriche.

I modelli sviluppati, pertanto, cercano di rispettare le condizioni al contorno dell’assetto

geologico che comprende la litologia di interesse privilegiando un inquadramento su grande

scala basandosi su un’interpretazione statistica delle misure di resistività. L’utilizzo dello stesso

approccio metodologico e strumentale in laboratorio ed in situ ha permesso di mettere a punto

una miglior chiave di lettura del complesso problema della variabilità naturale dei valori di resi-

stività mediante l’analisi statistica dei dati ottenuti da un processo di inversione standard.

Parole chiave: Modelli di resistività, Tomografie elettriche, Modello fisico ridotto, Analisi stati-

stica, Contenuto idrico.

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1. INTRODUZIONE

Il presente lavoro si propone di affrontare, per via sperimentale, il complesso

problema della variabilità naturale dei valori di resistività di mezzi argillosi di

diversa origine. Le cause che stanno alla base di questa variabilità sono da ricer-

care nei diversi contesti geologici in cui i depositi si sono formati, nelle differenti

proprietà geotecniche e nelle caratteristiche chimico-fisiche dei minerali costi-

tuenti.

Molteplici studi dimostrano come le indagini di resistività elettrica rappre-

sentino indiscutibilmente uno dei metodi di prospezione più funzionali per l’in-

dividuazione dei livelli argillosi nel sottosuolo: in questo studio verrà effettuata

una caratterizzazione della resistività elettrica di depositi argillosi di origine gla-

ciale, marina ed idrotermale, facendo riferimento a tre aree di studio distinte e

predisposte agli scopi della ricerca. Attraverso misure di diffrattometria a raggi

X e prove geotecniche su terre, si studieranno i principali parametri che incido-

no sulla risposta ottenuta da misure tomografiche in situ, durante le quali è stato

effettuato il prelievo dei campioni. Attraverso una sperimentazione di misure di

resistività elettrica eseguita su un modello fisico ridotto, ci si propone di analiz-

zare in che misura i dati di laboratorio, confortati da misure diffrattometriche e

fisico-meccaniche, permettono di caratterizzare in modo più efficiente i depositi

argillosi su scala di situ.

Lo studio viene basato innanzitutto su conoscenze geologiche approfondite

e mirate agli obiettivi che l’indagine geofisica deve raggiungere: sotto questo aspet-

to si è ritenuto importante mettere in luce le principali caratteristiche geologico-

morfologiche delle tre aree indagate, definendo le scelte operative e le fasi di

pianificazione dei rilievi.

Con questi presupposti verranno presentati i risultati delle indagini in situ

nelle tre aree comprendenti i depositi di diversa origine, utilizzando per tutte lo

stesso approccio. A partire dai dati di resistività apparente e da quelli ottenuti

dal processo di inversione, si è impostato uno studio statistico finalizzato alla

successiva comparazione con i risultati dello stesso approccio applicato sui dati

di resistività ottenuti in laboratorio. In particolare si sono studiate le frequenze

(%) dei valori di resistività all’interno dell’intero dataset, le frequenze delle in-

certezze strumentali e le frequenze delle incertezze relative al processo di inver-

sione.

L’approccio di laboratorio prevede due fasi distinte: da una parte verranno

illustrati i risultati ottenuti dall’analisi diffrattometrica a raggi X, fondamentali ai

fini della caratterizzazione chimico-fisica, dall’altra saranno esposte le evidenze

della caratterizzazione geotecnica dei depositi argillosi indagati.

Partendo dalle evidenze così ottenute si imposterà lo studio su modello fisi-

co ridotto: una volta fissati i parametri comuni di questo studio e conoscendo il

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livello di contenuto idrico iniziale (Condizione C0), si realizzeranno modelli di

resistività in laboratorio con incrementi regolari fino al raggiungimento di un

livello tale da impedire il proseguimento dell’immissione d’acqua. I dataset otte-

nuti da questi modelli saranno analizzati con lo stesso approccio statistico utiliz-

zato per le tomografie realizzate in situ.

2. RIFERIMENTI GEOGRAFICI, CARATTERI GEOLOGICI E PIANIFICAZIONE

DELLE INDAGINI NELLE 3 AREE TEST

I depositi argillosi di origine glaciale, marina ed idrotermale sono stati localiz-

zati in tre aree contraddistinte da evidenze bibliografiche e caratteri geologici noti,

che ne hanno permesso un’ottima attendibilità e predisposizione agli scopi di que-

sto lavoro. In quest’ottica sono state distinte tre aree test ideali per pianificare ed

impostare i rilievi geoelettrici in situ. La localizzazione geografica e la relativa sche-

matizzazione geologico-stratigrafica delle tre aree è riportata in Fig 1.

L’area relativa ai depositi argillosi di origine glaciale si trova in provincia di

Milano nella zona della Brianza ed è circondata dalle tipiche colline moreniche

‘ferrettizzate’, caratterizzate dal classico colore rosso-bruno, tipo mattone. Si ri-

conoscono tre fondamentali classi litostratigrafiche: una sommitale caratterizza-

ta dai Depositi glaciali, una intermedia caratterizzata dall’Unità del Ceppo e alla

massima profondità dei dati disponibili troviamo l’Unità Villafranchiana.

È possibile schematizzare lo strato di nostro interesse come segue: i Depositi

glaciali, molto eterogenei per definizione, sono composti da uno spessore frattu-

rato di circa 30 m di argilla e argilla limosa intercalati da lenti di sabbia (falde

sospese). L’Unità del Ceppo comprende conglomerati di origine fluviale, forte-

mente cementati in spessi banchi, che passano in determinate zone a ghiaie e

sabbie. Al di sotto dei conglomerati, oltre i 45-50 m di profondità dal p.d.c., si

collocano le Argille marine dell’Unità Villafranchiana. L’indagine geoelettrica è

stata pianificata attraverso quattro profili realizzati mediante georesistivimetro

classico a 64 elettrodi (ABEM Terrameter - Sweden) con lunghezza variabile tra

63 e 315 m, e tre aree mappate utilizzando la strumentazione OhmMapper (Ge-

ometrics - USA).

I depositi argillosi di origine marina sono stati indagati in due aree distinte in

provincia di Sassari (Nurra settentrionale e Nurra centro-meridionale).

Da un punto di vista cartografico la Nurra settentrionale fa riferimento alla

Carta Tecnica Regionale in scala 1:10000 (sezioni 440160 e 458040) ed alla carta

topografica alla scala 1:25000 (foglio n. 440 sez. 2 «Pozzo San Nicola» e foglio n.

458 sez. 1 «Palmadula»). Durante il sopralluogo svolto il giorno 3 settembre

2007 si è rilevata, in quasi tutta l’area da indagare, una fascia argillitica franca

sovrastata da uno strato di alluvioni canalizzate costituite perlopiù da conglome-

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rati fango-sostenuti di spessore variabile; sotto tale fascia è presente il substrato

costituito da arenarie di cemento ematitico (Buntsandstein). All’interno dell’area

di lavoro sono inoltre presenti alcune cave di argilla e discariche di RSU. In que-

sto contesto si inseriscono le misure di resistività realizzate. L’area è stata indaga-

ta mediante 8 profili di resistività di lunghezza variabile tra 126 e 315 m median-

te georesistivimetro classico a 64 elettrodi (ABEM Terrameter - Sweden). Consi-

derati i target da raggiungere (spessore dei conglomerati, profondità ed estensio-

ne dei livelli argillosi) si è scelto di elaborare ed interpretare le misure realizzate

con array Schlumberger; vista la maggior sensibilità dell’array Wenner nell’indi-

viduare possibili stratificazioni orizzontali, in due casi (ST1AB e ST1CD) sono

stati effettuate entrambe le acquisizioni.

La Nurra centro-meridionale fa riferimento alla Carta Tecnica Regionale in

scala 1:10000 (sezione 458120). Il sopralluogo effettuato nel maggio 2008 ha

permesso di osservare un quadro geologico caratterizzato da una serie di faglie

Fig. 1 - Aree di lavoro per i tre depositi argillosi a diversa origine: Brianza (circa 40 km a nord di

Milano - depositi di origine glaciale), Nurra (circa 4 km a sud di Pozzo S.Nicola - SS - Depositi di

origine marina), Gallura N-W (circa 5 km a nord-est di Trinità d’Agultu - SS - Depositi di origi-

ne idrotermale).

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sinistre trascorrenti che formano bacini, al cui interno si ha notevole presenza di

sedimenti miocenici (depositi argillosi). Si è verificata l’esistenza di una com-

pressione generale NE-SW, con bacini caratterizzati da riempimento miocenico.

I depositi in questione risultano situati al limite miocene-oligocene. Il detrito

proveniente dal basamento metamorfico (prevalentemente filladi), ha formato

delle conoidi molto ricche in argilla, dovute ad alterazioni chimiche tipiche di un

clima caldo umido di tipo tropicale. L’aspetto morfologico dell’area rispecchia

totalmente queste caratteristiche. Il basamento è costituito dalle arenarie del

Buntsandstein, la copertura invece è formata da filladi e quarziti scistose di età

cambriana. Considerati gli obiettivi dell’indagine (profondità e sviluppo laterale

dei depositi argillosi al di sotto dei conglomerati superficiali) e considerata l’espe-

rienza delle indagini pregresse nella zona settentrionale (livelli argillosi preva-

lentemente sub-orizzontali), si è deciso di realizzare 2 profili di resistività di lun-

ghezza 630 m con array Wenner, vista la maggior predisposizione all’individua-

zione di possibili stratificazioni orizzontali.

L’area di lavoro relativa ai depositi argillosi di origine idrotermale fa riferi-

mento alla Carta Tecnica Regionale in scala 1:10000 (sezione 426160 «Porto

Leccio»). Trattandosi di un’indagine mirata all’individuazione delle argille ben-

tonitiche, si è scelto di localizzare gli stendimenti all’interno di un’area che pre-

sentasse due caratteristiche fondamentali: da una parte vi era la necessità di otte-

nere una calibrazione del metodo su target conosciuti e attendibili, dall’altra si è

cercato di circoscrivere le caratteristiche strutturali predisposte alla presenza di

cospicui spessori dei depositi oggetto di studio. Questi ultimi, infatti, sono in

genere rinvenibili prevalentemente lungo faglie o fratture: è risultato perciò de-

terminante scegliere una macrozona, caratterizzata da importanti spessori di de-

positi bentonitici a cavallo di una faglia, associati a minori quantità in corrispon-

denza di un vasto sistema di fratture prossimo all’area indagata. L’assetto geolo-

gico di base è caratterizzato da estesi affioramenti del basamento ercinico, carat-

terizzato da graniti e granodioriti, su cui poggiano direttamente i depositi argil-

losi bentonitici di origine idrotermale. Questi sono generalmente ricoperti da

spessori variabili di conglomerati. Gli affioramenti di granito sono presenti so-

prattutto nel settore meridionale dell’area di lavoro che presenta una morfologia

fortemente condizionata dalle evidenze tettoniche e di fratturazione. L’area è

stata indagata mediante georesistivimetro classico a 64 elettrodi (ABEM Terra-

meter - Sweden) con 3 rilievi di lunghezza variabile tra 378 e 470 m, in relazione

alle caratteristiche morfologiche e logistiche dei siti. Considerata la geologia e

l’assetto strutturale dell’area indagata, caratterizzata da probabile presenza di

discontinuità e costituita da un basamento potenzialmente fratturato, si è deciso

di utilizzare per i tre rilievi un array tipo Dipolo-dipolo.

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3. RISULTATI DELLE INDAGINI IN SITU

L’acquisizione in situ di misure di resistività apparente e l’utilizzo di due

georesistivimetri (accoppiamento galvanico e capacitivo) hanno permesso di rac-

cogliere oltre 1800 letture per ognuna delle tre aree test, ben definite geologica-

mente in precedenza. L’applicazione di processi di inversione standard ha per-

messo di ottenere 33 modelli bidimensionali e 3 modelli tridimensionali di resi-

stività, individuando con buona affidabilità i volumi di depositi argillosi di origi-

ne glaciale, marina ed idrotermale. In Fig. 2 sono riportati tre modelli di resistivi-

tà rappresentativi dei depositi indagati. In particolare il Rilievo 3 (depositi di

origine glaciale), il rilievo ST1CDW (depositi di origine marina) ed il rilievo

DP1 (depositi di origine idrotermale).

Sono stati scelti due modelli di resistività rappresentativi per ogni deposito

indagato: a partire da questi modelli è stata determinata la frequenza (%) delle

incertezze strumentali in termini di deviazione standard (%), la frequenza (%)

delle classi di valori di resistività ed infine la frequenza (%) delle incertezze do-

vute al processo di inversione in termini di deviazione standard (%). In Fig. 3

sono riportati i risultati di questo studio statistico per il rilievo ST1CDW relati-

vo ai depositi di origine marina.

Per i tre depositi studiati, a fronte di incertezze strumentali limitate (general-

mente inferiori all’1%), si osservano percentuali di deviazione standard maggio-

ri riferite alle incertezze in fase di inversione. La frequenza dei valori di resistivi-

tà nel range caratteristico dei depositi di origine glaciale risulta piuttosto irrego-

lare, sintomo di una considerevole eterogeneità del deposito. I depositi di origi-

ne marina ed idrotermale presentano invece una frequenza di valori di resistività

maggiore nell’intervallo compreso tra 0 e 30 m.

4. CARATTERIZZAZIONE MINERALOGICA E GEOTECNICA DEI DEPOSITI ARGILLOSI

Il prelievo di campioni indisturbati di depositi di origine glaciale ed idroter-

male ed il prelievo direttamente da affioramento di depositi di origine marina,

hanno permesso di impostare una caratterizzazione mineralogica mediante la

tecnica di diffrattometria a raggi X. I depositi di origine glaciale presentano come

minerali costituenti Quarzo, Muscovite e Clinoclorite. I depositi di origine mari-

na presentano Quarzo, Muscovite e Caolinite. Infine, i depositi di origine idro-

termale, presentano come principale costituente il minerale Tosudite. Per questi

minerali, dopo una caratterizzazione delle principali proprietà fisico-chimiche, è

stato possibile reperire in letteratura i range di valori che indicano la capacità di

scambio cationico (CEC): i minerali dei depositi di origine glaciale presentano

CEC medio-alta (10-40 meq/100g), i minerali dei depositi di origine marina pre-

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Fig. 3 - Studio a partire dai dati di resistività apparente acquisiti in situ relativi a Depositi di

origine marina (Rilievo ST1CDW). Frequenza (%) dei valori di deviazione standard (A), fre-

quenza (%) delle classi di valori di resistività mediante istogrammi (B), frequenza (%) delle dev.

standard in fase di inversione (C).

Fig. 2 - Modelli di resistività ottenuti mediante indagini in situ. Rilievo 3 (Depositi di origine

glaciale), lunghezza 252 m, spaziatura elettrodica 4 m e profondità indagata circa 40 m, array

Schlumberger (n=3). Rilievo ST1CDW (Depositi di origine marina), lunghezza 126 m, spaziatu-

ra elettrodica 2 m e profondità indagata circa 22 m, array Wenner. Rilievo DP1 (Depositi di origine

idrotermale), lunghezza 378 m, spaziatura elettrodica 6 m e profondità indagata circa 55 m, array

Dipolo-dipolo.

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sentano CEC bassa (0-15 meq/100g) ed infine il minerale costituente i depositi

di origine idrotermale presenta CEC alta (80-150 meq/100g).

A partire dai campioni prelevati in situ sono state eseguite le seguenti prove

di classificazione: misura contenuto d’acqua, misura della densità umida, misura

della densità dei grani a secco e determinazione dei limiti di consistenza (limite

liquido e limite plastico). Il contenuto d’acqua è stato misurato per determinare

il dato di input (Condizione C0) relativo alle successive misure di resistività elet-

trica su modello fisico ridotto. Attraverso tre misurazioni successive, utilizzando

un forno a 105 °C per l’essiccamento, sono stati ottenuti i seguenti valori: depo-

siti di origine glaciale 3.93%, depositi di origine marina 4.74% e depositi di

origine idrotermale 18.25%. La misura di densità, eseguita utilizzando una fu-

stella di tara 71.55 g e volume 84.78 cm3 ha permesso di ottenere i seguenti valo-

ri: depositi di origine glaciale 1.24 g/cm3, depositi di origine marina 1.21 g/cm3 e

depositi di origine idrotermale 1.24 g/cm3. La misura di densità dei grani è stata

effettuata mediante picnometro ad elio, apportando l’opportuna correzione per

considerare l’effetto della CEC dei minerali argillosi presenti nei depositi. La

precedente analisi mineralogica ha permesso di conoscerne i minerali costituen-

ti. Sono stati misurati i seguenti valori di densità dei grani: depositi di origine

glaciale 2.66 g/cm3, depositi di origine marina 2.76 g/cm3 e depositi di origine

idrotermale 2.35 g/cm3. Per ogni deposito sono stati determinati i limiti di consi-

stenza. Il limite liquido è risultato 36.8% per i depositi di origine glaciale, 31.1%

per i depositi di origine marina e 74.7 % per i depositi d origine idrotermale. Il

limite plastico è risultato 20.1% per i depositi di origine glaciale, 19.2% per i

depositi di origine marina e 46.6 % per i depositi d origine idrotermale. Ciò ha

permesso di determinare i relativi indici di consistenza e plasticità classificando i

tre depositi in relazione al diagramma di Casagrande. I depositi di origine glacia-

le presentano indice di consistenza 2.0 e indice di plasticità 16.7 e sono classifica-

bili come argille a media plasticità, i depositi di origine marina presentano indice

di consistenza 2.2 e indice di plasticità 11.9 e sono classificabili come argille a

medio-bassa plasticità, infine i depositi di origine idrotermale presentano indice

di consistenza 2.0 e indice di plasticità 28.1 e sono classificabili come argille or-

ganiche.

5. REVISIONE DEI RISULTATI GEOELETTRICI MEDIANTE UN APPROCCIO SPERIMENTALE

IN LABORATORIO

Per conoscere meglio le caratteristiche di propagazione della corrente all’in-

terno di un volume omogeneo ed isotropo, si è ritenuto fondamentale effettuare

degli studi in laboratorio su modelli fisici ridotti appositamente costruiti. Que-

sto approccio è finalizzato ad una stima più rigorosa della resistività elettrica

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propria dei materiali e permette di studiarne il comportamento al variare di de-

terminati parametri. Il modello è costituito da un «container» di vetro di dimen-

sioni 25.5 x 44.3 x 28.3 cm (Fig. 4). Il volume in esso contenuto, pari a circa

31969 cm3, rappresenta la sede su cui variare il target oggetto di studio. Come

modello è stato scelto un parallelepipedo, riempito opportunamente, in modo

da garantire un’adeguata resistenza in corrispondenza delle pareti e di minimiz-

zare effetti di conduzione elettrica ai bordi, con la finalità di poter conoscere le

caratteristiche resistive del nostro oggetto di studio.

Fig. 4 - Set completo per misure di resistività elettrica su modello fisico ridotto.

Per ciascun deposito indagato sono stati elaborati modelli di resistività a parti-

re da un contenuto d’acqua iniziale (condizione C0). Si è proceduto per step suc-

cessivi incrementando dalla superficie 500 ml d’acqua ed acquisendo i dati di resi-

stività apparente. Per ogni deposito si è realizzato il numero massimo di modelli

fino al raggiungimento di un livello di contenuto d’acqua tale da impedire il prose-

guimento degli incrementi. In particolare, per i depositi di origine glaciale ed idro-

termale si è arrivati allo step relativo ai 2500 ml complessivi, mentre per i depositi

di origine marina si è arrivati allo step relativo ai 2000 ml. Il valore di conducibilità

dell’acqua immessa nel modello è stata misurata mediante una sonda multipara-

metrica inoltre, per ogni deposito, si è determinato la proporzione tra frazione fine

(diametro dei grani < 1 mm) e frazione grossa (diametro dei grani e» a 1 mm). La

misura è stata eseguita passando al setaccio un campione rappresentativo di depo-

sito ed effettuando la pesatura delle due frazioni ottenute.

L’acquisizione delle misure di resistività apparente è stata effettuata utiliz-

zando la massima configurazione disponibile supportata dal modello fisico ri-

dotto: sono stati impiegati 32 elettrodi con spaziatura interelettrodica di 1 cm.

Ciò ha permesso di indagare fino ad una profondità massima di circa 5.5 cm

rispetto alla superficie superiore del volume indagato. I dati comuni ad ogni

modello di resistività sono raccolti in Tab. 1.

Una volta definite le caratteristiche dei depositi argillosi e fissate le specifiche

tecniche dei rilievi, si assume che il modello fisico ridotto sia dotato delle se-

90

guenti proprietà: assenza di evaporazione, assenza di perdite dal settore inferiore

del modello, mezzo indagato omogeneo ed isotropo. Con questi presupposti i

dati misurati ed elaborati permettono di controllare la resistività elettrica al va-

riare del contenuto idrico per i 3 depositi, distinguerne la risposta elettrica ed

infine rapportare le evidenze geoelettriche dello studio ai risultati mineralogici e

geotecnici. In sintesi, l’obiettivo principale è quello di determinare se le misure

di laboratorio, confortate da misure diffrattometriche e fisico-meccaniche, per-

mettono di caratterizzare meglio i depositi argillosi su scala di situ.

Prima di ogni modello di resistività sono state realizzate le pseudosezioni di

resistività apparente e misurata, in modo tale da ottenere un quadro completo del

processo di inversione effettuato. Lo studio dei modelli in relazione alla distribu-

zione dei valori di resistività mostra con estrema chiarezza, al variare del contenuto

idrico, l’evoluzione dei risultati ottenuti partendo da una condizione C0 fissata. In

Fig. 5 è riportata la sequenza determinata per i depositi di origine marina con

contenuto idrico iniziale pari a 4.7%, step di incremento d’acqua pari a 1500 ml e

livello di contenuto idrico al momento della misura pari a 12.8 %.

A partire dai dati di resistività apparente è stata studiata la frequenza (%) dei

valori di deviazione standard (%) (Fig. 6-A). Sono stati successivamente studiate

le distribuzioni dei valori di resistività ottenuti da un processo di inversione stan-

dard, utilizzando 211 blocchi: si è individuata la frequenza (%) delle classi di valo-

ri di resistività mediante istogrammi (Fig. 6-B). La qualità di un processo di inver-

sione è determinata dallo scarto esistente tra i valori di resistività apparente calco-

lata e i rispettivi valori di resistività apparente osservata: anche per questo parame-

tro è stata studiata la frequenza (%) per ogni modello di resistività (Fig. 6-C). Infi-

ne si è studiata, mediante istogrammi, la frequenza (%) delle classi di valori di

resistività in corrispondenza di 4 profondità rispetto alla superficie superiore del

volume indagato: 0 cm, 0.1 cm, 0.2 cm e lo spessore compreso tra 0.3 e 0.5 cm

(Fig. 6-D).

Dati tecnicirilievi geoelettrici su modello fisico ridotto

lunghezza 31 cm

distanza interelettrodica 1 cm

numero elettrodi di misura 32

numero di letture 354

metodo di acquisizione Dipolo-dipolo (n=2)

blocchi utilizzati per l’inversione 211

livelli del modello 11

punti utilizzati per l’inversione 354

Tab. 1 - dati tecnici relativi ai modelli di resistività ottenuti da modello fisico ridotto.

91

Fig. 5 - Studio dei modelli ottenuti dal modello fisico ridotto in relazione alla distribuzione dei

valori di resistività per depositi di origine marina.

92

Fig. 6 - Studio a partire dai dati di resistività apparente relativi a Depositi di origine marina, su

modello fisico ridotto, con contento idrico pari a 12.76 % (step incrementale 1500 ml). Frequen-

za (%) dei valori di deviazione standard (A), frequenza (%) delle classi di valori di resistività

mediante istogrammi (B), frequenza (%) delle dev. standard in fase di inversione (C), frequenza

(%) delle classi di valori di resistività per 4 profondità di riferimento (D).

6. CONCLUSIONI

Le misure geoelettriche effettuate in laboratorio su modello fisico ridotto

hanno rappresentato un metodo affidabile ed efficace per una valutazione a po-

steriori dell’attendibilità delle misure in situ: la configurazione del modello non

ha presentato problemi di misura ed ha permesso di studiare la resistività elettri-

ca dei depositi alla scala del campione.

A partire dai dati analizzati, facendo riferimento ai valori relativi ad ogni step

di incremento, è stata studiata la separazione tra la media, la mediana e la moda:

si osserva che tale separazione diminuisce con l’incremento del contenuto idri-

co. La distribuzione risulta fortemente asimmetrica per bassi contenuti idrici e

diventa meno asimmetrica per elevati contenuti idrici, in ogni caso la distribu-

zione non può essere considerata «centrale». Alla luce di queste osservazioni,

per questo studio utilizziamo come valore rappresentativo la mediana, al fine di

descrivere i modelli omogenei ed isotropi che caratterizzano l’approccio su mo-

dello fisico ridotto.

93

6.1 Analisi delle incertezze strumentali

Le frequenze (%) delle incertezze strumentali registrate in situ sono state

rapportate alle incertezze registrate durante l’acquisizione su modello fisico ri-

dotto. Per le incertezze strumentali relative ai depositi di origine glaciale regi-

strate in situ, la mediana risulta variabile 0.11 e 0.20%, mentre per quelli regi-

strati su modello fisico ridotto la mediana risulta variabile tra 0.06 e 0.18%. Per

i valori relativi ai depositi di origine marina registrati in situ la mediana risulta

variabile tra 0.22 e 0.68%, mentre per quelli registrati su modello fisico ridotto

la mediana risulta variabile tra 0.06 e 0.18%. Infine, per i valori relativi ai depo-

siti di origine idrotermale registrati in situ la mediana risulta variabile tra 0.32 e

1.02%, mentre per quelli registrati su modello fisico ridotto la mediana risulta

variabile tra 0.22 e 0.33%.

6.2 Analisi delle incertezze in fase di inversione

Le frequenze (%) delle incertezze determinate durante l’applicazione del

processo di inversione per le tomografie in situ sono state rapportate alle incer-

tezze registrate durante l’acquisizione su modello fisico ridotto. Per le incertezze

strumentali relative ai depositi di origine glaciale registrate in situ, la mediana

risulta variabile 5.15 e 6.95%, mentre per quelli registrati su modello fisico ridotto

la mediana risulta variabile tra 1.61 e 11.72%. Per i valori relativi ai depositi di

origine marina registrati in situ la mediana risulta variabile tra 3.69 e 10.72%, men-

tre per quelli registrati su modello fisico ridotto la mediana risulta variabile tra

1.38 e 1.89 %. Infine, per i valori relativi ai depositi di origine idrotermale regi-

strati in situ la mediana risulta variabile tra 9.49 e 11.27%, mentre per quelli

registrati su modello fisico ridotto la mediana risulta variabile tra 1.40 e 6.57%.

6.3 Comparazione delle distribuzioni di valori per i 3 depositi

Le distribuzioni dei valori di resistività per i tre depositi possono essere stu-

diate a partire dai dataset appartenenti ai rilievi in situ: risulta evidente una netta

distinzione se si prende in considerazione la mediana per ogni rilievo ma si os-

servano anche sovrapposizioni di valori tra quelli caratteristici dei depositi di

origine marina e quelli di origine idrotermale. Lo studio effettuato a partire dai

rilievi su modello fisico ridotto, in relazione agli incrementi regolari di contenu-

to d’acqua, consente di mettere in luce le seguenti evidenze: ad ogni livello di

contenuto idrico non si notano variazioni dei rapporti reciproci tra valori di de-

positi diversi. In particolare i depositi di origine glaciale risultano sempre più

elevati e, una volta raggiunti livelli massimi di saturazione, si attestano in un

range compreso tra 40 e 50 m. I depositi di origine marina ed idrotermale mo-

94

strano una mediana con comportamento analogo in relazione agli incrementi di

contenuto idrico, ma con valori sempre leggermente più elevati per i depositi di

origine idrotermale (questi ultimi sono variabili tra 4 e 11 m mentre quelli di

origine marina sono variabili tra 3 e 6 m). I valori tendono a collimare con

contenuti idrici elevati, superiori a 1750-2000 ml rispetto al contenuto iniziale.

L’evidenza maggiore si è riscontrata prendendo in considerazione la variazione

di distribuzione in relazione agli incrementi di contenuto idrico: si è potuto con-

statare che i valori caratteristici dei depositi di origine glaciale subiscono una

notevole diminuzione entro i primi incrementi di contenuto d’acqua (da 500 a

1000 m) mentre i valori caratteristici degli altri due depositi subiscono una

flessione poco rilevante se relazionata alla precedente.

Infine si è studiata la distribuzione dei valori di resistività per i modelli otte-

nuti dal modello fisico ridotto (Fig. 7) per uno stesso contenuto idrico (livello

1500 ml). Al fine di effettuare una comparazione con questi, si è effettuato lo

stesso studio per i modelli di resistività ottenuti dai rilievi in situ (Fig. 8).

In linea generale è possibile osservare un’interessante concordanza tra l’an-

damento delle curve di distribuzione per i due approcci: non solo vengono ri-

spettate le distribuzioni generali, ma risultano assolutamente assimilabili anche i

rapporti reciproci tra i valori dei tre depositi.

Queste evidenze, oltre a confermare la validità dell’approccio con modello

fisico ridotto, permettono di conferire ai rilievi in situ un’attendibilità assai ele-

vata. Si ritiene pertanto che lo studio combinato possa essere di grande utilità

per la discriminazione dei depositi oggetto di studio.

6.4 Indice di plasticità – contenuto idrico – resistività elettrica

L’indice di plasticità per un deposito argilloso indica, oltre al contenuto di

minerali argillosi, la sensibilità del deposito alle variazioni di contenuto d’acqua.

Sulla base di risultati ottenuti dalla classificazione determinata attraverso i limiti di

consistenza, ci si attende una maggior sensibilità per i depositi di origine marina ed

una minor sensibilità per i depositi di origine idrotermale. Osservando le frequen-

ze (%) relative alle classi di distribuzione di valori di resistività, è possibile rilevare

una sostanziale concordanza in termini di risposta elettrica agli incrementi di con-

tenuto idrico: i depositi di origine marina sembrano subire le maggiori variazioni

nella distribuzione anche con minimi incrementi di contenuto d’acqua, mentre i

depositi di origine idrotermale mostrano lievi e graduali variazioni.

6.5 Risposta elettrica alle varie profondità con incremento di contenuto idrico

La risposta elettrica in relazione agli incrementi regolari di contenuto d’ac-

qua è stata studiata, per ogni deposito, analizzando i valori di resistività a 4 diver-

95

Fig. 8 - Frequenza dei valori di resistività per i tre depositi relative ai rilievi in situ (Rilievo 3,

ST1CDW e DP1).

Fig. 7 - Frequenza dei valori di resistività per i tre depositi relative ai rilievi su modello fisico

ridotto (step incrementale di contenuto idrico 1500 ml).

96

Fig. 9 - Valori di resistività in relazione alle varie profondità di investigazione per i Depositi di

origine galciale (A), Depositi di origine marina (B) e Depositi di origine idrotermale (C).

97

se profondità dalla superficie del volume indagato su modello fisico ridotto (Fig.

9 A-B-C). Le profondità di riferimento sono 0 cm (livello superficiale), 0.1 cm,

0.2 cm e lo spessore compreso tra 0.3 e 0.5 cm. Considerando i depositi di origi-

ne glaciale è possibile osservare, per tutte le profondità, una netta diminuzione

dei valori di resistività in corrispondenza del passaggio tra i 500 ml ed i 1000 ml,

per poi raggiungere una stabilizzazione dei valori fino al massimo contenuto

d’acqua (2500 ml). Per i depositi di origine marina si nota questa netta diminu-

zione dei valori con un contenuto d’acqua più limitato: la diminuzione più im-

portante si registra infatti in corrispondenza del passaggio tra i 500 ml ed i 750

ml. I risultati dello studio permettono di osservare inoltre che i livelli più profon-

di sono caratterizzati da una diminuzione più marcata dei valori di resistività

rispetto ai livelli più superficiali. I depositi di origine idrotermale mostrano una

forte omogeneità alle minime profondità: i valori risultano costanti e sempre in-

feriori ai 7 m. Per quanto riguarda le profondità maggiori si osserva un perfet-

to sincronismo nel comportamento alla profondità di 0.2 e 0.3-0.5: mentre per la

prima si ha una netta diminuzione in corrispondenza del passaggio tra 500 e 750

ml, per la seconda, una diminuzione analoga si registra tra 750 ml e 1000 ml

proseguendo una diminuzione progressiva fino ai 1500 ml. Per una valutazione

qualitativa della sensibilità dei tre depositi alla variazione di contenuto idrico e

per una valutazione grossolana della capacità del deposito di lasciarsi attraversa-

re dall’acqua, è stato possibile osservare il comportamento dei valori di resistivi-

tà in corrispondenza del livello più profondo: questi mostrano un comporta-

mento simile nei tre depositi, con una diminuzione progressiva fino allo stabiliz-

zarsi. Ciò che cambia è il valore di contenuto d’acqua in corrispondenza del

quale avviene questa stabilizzazione: per i depositi glaciali ciò si registra per un

contenuto d’acqua di 1750 ml oltre a quello iniziale, per i depositi marini un

contenuto d’acqua di 1000 ml ed infine per i depositi di origine idrotermale un

contenuto d’acqua di 2000 ml. Queste considerazioni permettono di concludere

che i depositi di origine marina tendono a lasciarsi attraversare dall’acqua con

maggior facilità, mentre i depositi di origine idrotermale raggiungono un livello

di saturazione massimo con una maggior quantità di acqua immessa.

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