GEOLOGIA APPLICATA

Maria Clorinda Mandaglio

Università Mediterranea di Reggio Calabria

FACOLTA’ DI INGEGNERIA

Corso di

TESTI CONSIGLIATI

- Dispense del Corso

- Scesi L., Papini M., Gattinoni P. (2006). “Geologia applicata Il rilevamento geologico-tecnico”. Casa Editrice Ambrosiana

GEOLOGIA Scienza che studia la costituzione e la struttura della terracostituzione e la struttura della terra, nonché le cause che ne

hanno determinato e ne determinano l’evoluzione

GEOMORFOLOGIA Scienza che studia ed interpreta le forme esterneforme esterne della superficie terrestre

GEOLOGIA APPLICATA Scienza che studia e risolve i problemi di carattere ingegneristico ed ambientale che sorgono dall'interazioneinterazione fra componente geologica di un territorio ed attività umane

svolte su di esso

TERMINOLOGIA

Evidenzia le condizioni geologico-stratigrafiche ed idrogeologiche del sottosuolo (MODELLO GEOLOGICO-TECNICO) attraverso un piano articolato di indagini geologiche, geomorfologiche, geologico-strutturali, idrogeologiche, geofisiche

GEOLOGIA APPLICATA

Indagini in sito(geologiche, geomorfologiche, idrogeologiche, ecc.)

Caratterizzazione geologico- tecnica

Modello geologico-tecnico

Modello di calcolo

Progetto

Modello geotecnico

GEOLOGIA GENERALE GEOLOGIA GENERALE

MODELLO COSTITUTIVO DELLA TERRA

Formata nelle sue linee essenziali da: CROSTA (oceanica, continentale), MANTELLO (superiore, inferiore), NUCLEO (esterno, interno).

1= nucleo interno2= nucleo esterno3= mantello inferiore 4= mantello superiore5= crosta

STRUTTURA E COMPOSIZIONE DELLA TERRA

La struttura interna della Terra è stata ricostruita con metodi indiretti, il più diffuso è quello sismico che si basa sulla propagazione delle onde elastiche generate dai terremoti

INDIVIDUAZIONE DELLE DISCONTINUITÀ DELLA TERRA

Vel

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NucleoMantellosup. inf. est. int.

STRUTTURA E COMPOSIZIONE DELLA TERRA

Crosta e mantello superiore sono sede dei fenomeni geologici che interessano più direttamente le attività umane

Proprietà degli strati formanti la Terra

[da Attewell & Farmer, 1976]

MODELLO CINEMATICO

Mantello rigido + Crosta terrestre = LITOSFERAMantello rigido + Crosta terrestre = LITOSFERA

Mantello viscoelastico (parzial. fuso) = ASTENOSFERAMantello viscoelastico (parzial. fuso) = ASTENOSFERA

TETTONICA A PLACCHE

La litosfera (crosta + mantello rigido) è suddivisa in placche che possono coinvolgere contemporaneamente aree continentali e aree oceaniche, oppure solo le une o le altre

Variazioni di temperatura all’interno della Terra => => correnti convettive nell’astenosfera =>

=> movimenti relativi fra le placche litosferiche => => risalita di magma basaltico lungo le dorsali oceaniche

=> formazione di nuova crosta e allontanamento fra le placche

SISTEMA TERRA E SUA EVOLUZIONE

[da Pipkin et al., 2005]

EVOLUZIONE DELLA CROSTA TERRESTRE

Posizione relativa dei continenti in 4 periodi a partire dal Trias inferiore

c.ca 220 Ma c.ca 190 Ma

c.ca 140 Ma c.ca 65 Ma

MOVIMENTI RELATIVI FRA PLACCHE MOVIMENTI RELATIVI FRA PLACCHE

Allontanamento Allontanamento di placchedi placche (dorsali oceaniche) =>

Scontro Scontro fra placchefra placche (una continentale e una oceanica) =>

Scontro Scontro fra placchefra placche continentalicontinentali =>

Allontanamento di placcheAllontanamento di placche Dorsali oceaniche: zone di accrescimento (fuoriuscita di materiale lungo la

dorsale ed allontanamento delle placche simmetrico rispetto all’asse della dorsale. L’asse della dorsale non è continuo ma interrotto da faglie trasformi)

Scontro fra due placcheScontro fra due placche (continentale + oceanica)

Zone di subduzione (inflessione della placca oceanica e suo progressivo riassorbimento nel mantello) => formazione di fosse oceaniche (e successivi processi di sedimentazione)=> fusione e formazione di nuovo magma=> origine di terremoti profondi

Scontro fra due placcheScontro fra due placche (continentali)

Zone di obduzione (accavallamento fra due placche) => formazione di catene montuose (“orogenesi”), => loro progressivo innalzamento (e successivi processi di erosione).

FENOMENI ENDOGENI PRINCIPALI

Collegati al movimento delle placche (continentali, oceaniche), alla formazione e risalita di magmi verso la superficie terrestre ed ai processi orogenetici.

Comprendono:

PLUTONI

VULCANI

TERREMOTI

Relazioni tra le principali placche terrestri ed i fenomeni endogeni connessi ai loro movimenti relativi: posizione dei principali vulcani e degli epicentri di terremoti recenti.

[da Bell, 1998]

FENOMENI ENDOGENI

� PLUTONI:

derivano dalla solidificazione di magmi (prevalentemente a composizione acida) all’interno della crosta terrestre, sotto forma di grandi ammassi, accompagnati da un reticolo di filoni (dovuti alla solidificazione entro fratture) e circondati da un’aureola di rocce metamorfiche di contatto. Visibili solo dopo processi di erosione.

Rappresentazione schematica di un plutone granitico, con relativi filoni e porzione superiore asportata dai processi di erosione.

I PLUTONI

FENOMENI ENDOGENI

VULCANI: derivano dalla fuoruscita in superficie di magmi:

- magmi basici (contenuto in silice circa uguale al 45%, poco viscosi) danno luogo a colate laviche (con modesta emissione di gas); - magmi acidi (contenuto in silice maggiore del 65%, molto viscosi) danno luogo in prevalenza ad eruzioni esplosive (con emissione di prodotti

piroclastici).

I VULCANI

TIPI DI ERUZIONI

Eruzioni centrali

Cono vulcanico edificato per successive colate di lava emesse da una bocca centrale.

•Eruzioni laviche

•Eruzioni piroclastiche

•Eruzioni composte

Eruzioni lineari

Tipi di eruzioni - CENTRALI

La lava fluisce facilmente (basaltica), si espande e forma un ampio vulcano a forma di scudo con versanti poco acclivi.

Eruzioni laviche

Tipi di eruzioni - CENTRALI

Eruzioni piroclasticheBocche vulcaniche che espellono piroclasti, i frammenti solidi si accumulano e formano coni di scorie, il cui profilo è determinato dall’angolo massimo a cui i detriti sono stabili.

Eruzioni composteVulcano che emette sia lava sia piroclasti; si forma un cono composto o stratovulcano.

Tipi di eruzioni - CENTRALI

Tipi di eruzioni - LINEARI

La lava defluisce rapidamente dalle fessure e forma estesi strati invece di accumularsi edificando un cono vulcanico.

PRODOTTI ERUTTIVI

PIROCLASTI: prodotti vulcanici emessi nel corso di eruzioni esplosive.

Hanno nomi diversi a seconda della loro origine e delle loro dimensioni.

> 64 mmbombe (emesse allo stato liquido) blocchi (emessi allo stato solido)

64 mm 2 mmlapilli

2 mm 62 micron cenere grossolana

62 micron cenere fine

PRODOTTI ERUTTIVI

BASALTI

FENOMENI ENDOGENI

� TERREMOTI: movimenti del suolo dovuti a rotture e/o dislocazioni di grandi masse rocciose, a seguito di:

1) movimenti relativi fra le masse rocciose, 2) lento accumulo di energia, 3) rapida liberazione dell’energia sotto forma di onde sismiche.

I TERREMOTI

Volume di roccia che, sottoposto a tensione, si rompe dando luogo a scorrimento relativo lungo un piano di debolezza (piano di faglia).

La rottura ha inizio nell’ipocentro e si propaga lungo il piano di faglia, consentendo lo scorrimento relativo dei due lembi di faglia. Geometria della faglia e senso del movimento sono determinati dalla combinazione di sforzi tettonici a carattere locale e regionale.

Ipocentro o fuoco sismico: zona interna alla crosta terrestre in cui si origina la frattura, con liberazione di energia.

Epicentro: zona della superficie terrestre posta sulla verticale dell’ipocentro, dove arriva un insieme di onde di varia frequenza e velocità che fanno vibrare il terreno.

TEORIA DEL RIMBALZO ELASTICO

L’energia immagazzinata nelle rocce si libera in parte sotto forma di onde elastiche, generatrici di terremoti, e in parte sotto forma di calore.

TIPI DI TERREMOTI

- TettoniciTettonici, l’origine delle onde sismiche è provocata dal generarsi di faglie, sono i più importanti.

- VulcaniciVulcanici, la liberazione di onde sismiche è provocata dalla risalita delle masse magmatiche sotto la spinta dei gas.

- di CrolloCrollo, l’origine delle onde sismiche è dovuta alla caduta improvvisa di volte di caverne, di gallerie o anche di grandi falde rocciose su versanti montuosi.

Simulazione Onde sismiche

Le onde sismiche

La rottura delle rocce all’interno della terra libera energia sotto forma di onde elastiche (onde sismiche), che vengono registrate dai

strumenti chiamati sismografi

Le onde sismiche

Ipocentro (o fuoco)

Onde POnde S

Onde L

Epicentro

Sismogramma

Sismografo

Sono caratterizzate da un trasferimento di energia e non da un trasporto di massa.

Le onde sismiche

Onde POnde P, prime o di compressione, devono la loro propagazione a successive fasi di compressione e di compressione e di espansione delle rocceespansione delle rocce, per cui le particelle vibrano avanti e indietro nella stessa direzione in cui avviene la propagazione.

Si propagano in qualsiasi mezzo

Le onde sismiche

Onde SOnde S, seconde o trasversali o di taglio, la vibrazione provoca l’oscillazione delle particelle lungo un piano perpendicolare alla direzione di propagazione.

Si propagano soltanto nei solidi.

Vp =43

k

Vs =

= densità

Onde POnde P Onde SOnde S

= modulo di taglio Resistenza che oppongono le rocce alle forze che tendono a variare la formaforma

k = modulo di incompressibilità Resistenza che oppongono le rocce alle forze che tendono a variare il volumevolume

MOTI DEL SUOLO

k3

4

VP

Le onde sismiche

Onde Rayleigh:Onde Rayleigh: si trasmettono in qualsiasi mezzo e producono spostamenti retrogradi e di forma ellittica nel piano verticale.

Onde Love:Onde Love: producono spostamenti orizzontali, trasversali rispetto alla direzione di propagazione.

Onde superficiali L

Strumenti di registrazioneSISMOGRAFI: strumenti costituiti da masse sospese per mezzo di molle che

restano ferme per inerzia quando si verifica un terremoto, mentre una punta scrivente, fissata alla massa sospesa, segna i movimenti su un rullo di carta avvolto attorno a un cilindro in rotazione, solidamente ancorato al suolo e quindi capace di entrare in vibrazione contemporaneamente alle vibrazioni della terra stessa.

SismogrammiLa registrazione del sismografo è un sismogramma, su cui si può leggere l’arrivo successivo delle onde sismiche.

Si distingue una prima parte riferibile alle sole onde longitudinali, le più veloci e quindi le prime ad arrivare, una seconda parte formata dalle onde longitudinali e da quelle trasversali, una terza parte formata dalle onde longitudinali, trasversali e lunghe, e talvolta una parte finale o coda formata soltanto dalle onde lunghe, prima quelle di Rayleigh e poi quelle di Love.

La misura delle onde sismiche può avvenire in termini di energia rilasciata all’ipocentro (magnitudo M) oppure attraverso la stima degli effetti in superficie (intensità).

Magnitudo: grandezza collegata alla quantità di energia che le rocce possono accumulare prima di rompersi e all’area della frattura.

Il valore dell’energia effettivamente liberata da un terremoto si ricava dalla magnitudo mediante relazioni empiriche che variano a secondo delle aree geografiche e soprattutto geologiche. In Italia la relazione che si adopera è la seguente:

log E = 9,15 + 2,15 M

con E espressa in erg e M magnitudo delle onde di superficie.

Intensità sismica: Grado di danneggiamento delle strutture e dell’entità dello sconvolgimento del suolo che si verifica in tutta l’area in cui il terremoto è avvertito.

Grandezze misurate

Grandezze misurate

Grandezze misurate

Accelerazione massima al suolo (Pga): parametro espresso come percentuale dell’accelerazione di gravità (g) sulla superficie terrestre. Consente di stimare le forze che agiscono sulle strutture durante i terremoti, con particolare riferimento alle spinte orizzontaliorizzontali, le più pericolose per gli edifici. Strumenti di misura→ accelerografi

Per la valutazione della pericolosità sismica, riveste grande importanza la componente orizzontale della accelerazione massima al suolo

Grandezze misurate

Scale di misura

La misura dell’intensità dei terremoti è basata su scale empiriche, suddivise in gradi di danneggiamento crescente, normalmente indicati con numeri romani, ognuno dei quali è individuato da una serie di effetti che un certo terremoto provoca sulle persone, sugli oggetti, sulle costruzioni e sul territorio (dati macrosismici) (es. scala MCS).

Le varie scale di misura hanno in comune una serie di effetti caratteristici, riferiti all’esperienza locale:

a – effetti psichici e meccanici sugli uomini e sugli animali;

b – effetti sugli oggetti;

c – effetti sulle costruzioni;

d – effetti sul suolo;

e – effetti sulle acque superficiali e sotterranee;

f – effetti geologici e geomorfologici.

Grado di danneggiamentoGrado di danneggiamento

MCSMCS

Scale di Misura

Effetti in superficie delle onde sismiche

Onde longitudinali (P): raggiungono la superficie terrestre, vengono rifratte dall’aria e, se la loro frequenza è di un certo tipo, nel propagarsi nell’atmosfera danno luogo a vibrazioni acustiche che sono la causa dei rumori e dei boati che talvolta vengono uditi quando si verificano i terremoti.

Onde trasversali (S): producono spostamento sia orizzontale che verticale della superficie terrestre sono in grado di danneggiare le strutture.

Onde superficiali (R e L): provocano i danni maggiori a causa della loro ampiezza.

Le onde sismiche, allontanandosi dall’ipocentro, subiscono generalmente un assorbimento progressivo (attenuazione), causato dall’attrito interno delle rocce, che comporta la trasformazione dell’energia meccanica in energia termica.

Le onde sismiche, allontanandosi dall’ipocentro, subiscono “generalmente” un assorbimento progressivo (attenuazione)

1) Deformazioni1) Deformazioni::danni/distruzioni di: edifici (pubblici, privati);infrastrutture (strade, ferrovie); tubazioni interrate (es. oleodotti); altre opere antropiche (es. dighe).

=> rotture nel terreno e riattivazione di faglie; innesco di frane (es. crolli); innesco di valanghe; modifiche di corsi d’acqua; svuotamento/riempimento di laghi.

Conseguenze dei terremoti

2) Variazioni di pressione neutra2) Variazioni di pressione neutra: => livello delle falde idriche; portata/temperatura delle sorgenti; liquefazione dei terreni; innesco di frane (per liquefazione).

3) Tsunami:3) Tsunami: => distruzioni lungo le coste.

4) Conseguenze sociali, politiche, economiche4) Conseguenze sociali, politiche, economiche: => panico incontrollato; criminalità indotta; uso del suolo e del territorio.

Conseguenze dei terremoti

Effetti dei terremoti sulla superficie

Effetti dei terremoti sulle costruzioni

Effetti dei terremoti sulle costruzioni

Isosisme per il terremoto dell’Irpinia 1980

Fenomeni indotti: i maremoti o TsunamiFenomeni indotti: i maremoti o Tsunami

Sono onde lunghe che si propagano in acqua con periodo generalmente compreso fra 5 e 60 minuti.

Possono essere generate da:

- Eruzioni vulcaniche;

- Frane sottomarine;

- Crolli di roccia in mare;

- Forti Terremoti sottomarini ( 7 magnitudo Scala Richter).

Fenomeni indotti: i maremoti o TsunamiFenomeni indotti: i maremoti o Tsunami

1) Si sposta una grande massa d'acqua;

2) Lo spostamento dell'acqua si propaga progressivamente e crea onde lunghe (qualche centinaia di chilometri) e di grande durata (qualche decina di minuti);

3) La forza distruttiva dipende dall'altezza di colonna d'acqua sollevata. Un terremoto in pieno oceano può essere estremamente pericoloso, perché può sollevare e spostare tutta l'acqua presente al di sopra del fondale marino;

4) L’enorme massa d'acqua spostandosi in prossimità delle coste trova un fondale marino sempre più basso e tende a sollevarsi ulteriormente.

Ipocenter

Fenomeni indotti: i maremoti o TsunamiFenomeni indotti: i maremoti o Tsunami

Distribuzione dei terremoti