Università Mediterranea di Reggio Calabria

FACOLTA’ DI INGEGNERIAFACOLTA DI INGEGNERIA

Corso di

GEOLOGIA APPLICATA

Corso di

GEOLOGIA APPLICATA

Maria Clorinda Mandaglio

TESTI CONSIGLIATI

- Dispense del Corso

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

- Casati P. e Pace F. (2000). Scienze della Terra. Volume 2

TERMINOLOGIA

GEOLOGIAScienza 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

GEOMORFOLOGIAScienza che studia ed interpreta le formeforme della superficie terrestreScienza che studia ed interpreta le formeforme della superficie terrestre

GEOLOGIA APPLICATAS i h di i l i bl i di i i i d bi l hScienza 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

GEOLOGIA APPLICATA

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

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

Caratterizzazione geologica

Modello geologico Modello geotecnico

Modello di calcolo

Progetto

GEOLOGIA GEOLOGIA

STRUTTURA E COMPOSIZIONE DELLA TERRA

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

1= nucleo interno2= nucleo esterno2 nucleo esterno3= mantello inferiore 4= mantello superiore5= crosta

STRUTTURA ESTRUTTURA E COMPOSIZIONE DELLA TERRADELLA TERRA

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

INDIVIDUAZIONE DELLE DISCONTINUITÀ DELLA TERRA

g

km/s

)

utem

berg

sism

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Velo

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Dis

Zon

a

NucleoMantello

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

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

SISTEMA TERRA E SUA EVOLUZIONE

[da Pipkin et al., 2005]

Variazioni di temperatura all’interno della Terra => => correnti convettive nella astenosfera (reosfera ) =>

=> movimenti relativi fra le placche della crosta terrestre> movimenti relativi fra le placche della crosta terrestre => risalita di magma basaltico lungo le dorsali oceaniche => formazione di nuova crosta e allontanamento fra le placche

EVOLUZIONE DELLA CROSTA TERRESTRE

Posizione relativa dei

c.ca 220 Ma c.ca 190 Ma

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

c.ca 140 Ma c.ca 65 Ma

MOVIMENTI RELATIVI FRA PLACCHE MOVIMENTI RELATIVI FRA PLACCHE

AllontanamentoAllontanamento di due placchedi due placche (dorsali oceaniche) =>Allontanamento Allontanamento di due placchedi due placche (dorsali oceaniche) =>

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

Scontro Scontro fra due placchefra due placche continentalicontinentali =>

Allontanamento di due placcheAllontanamento di due placcheDorsali oceaniche: zone di accrescimento (fuoriuscita di materiale lungo

f tt d ll t t d ll l h i t i l l’ d llfratture ed allontanamento delle placche simmetrico lungo l’asse della dorsale)

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

=> Zone di subduzione (inflessione della placca oceanica e suo progressivo=> 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)=> loro progressivo innalzamento (e successivi processi di erosione).

FENOMENI ENDOGENI

Collegati al movimento delle placche (continentali oceaniche) allaCollegati 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 p p pdegli epicentri di terremoti recenti.

[da Bell, 1998]

FENOMENI ENDOGENI

� PLUTONI:d i d ll lidifi i di i ( l i iderivano 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 I PLUTONI

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

FENOMENI ENDOGENI

� VULCANI:derivano dalla fuoruscita in superficie di magmi: i magmi basici danno luogo a colate laviche (con modesta emissione di gas); i magmi acidi danno luogo in prevalenza ad eruzioni esplosive (con emissione di prodotti piroclastici).p p ( p p )

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 composte

Eruzioni lineari

Tipi di eruzioni - CENTRALIEruzioni laviche

La lava fluisce facilmente (basaltica), si espande e forma un

u o a c e

( ), pampio vulcano a forma di scudo con versanti poco acclivi.

Tipi di eruzioni - CENTRALI

Eruzioni piroclasticheBocche vulcaniche che espellono piroclasti i frammenti solidi si accumulanoBocche 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.

Tipi di eruzioni - CENTRALI

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

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 esplosivePIROCLASTI: prodotti vulcanici emessi nel corso di eruzioni esplosive.

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

Φ > 64 mmbombe (emesse allo stato liquido) bl hi ( i ll t t lid )blocchi (emessi allo stato solido)

64 mm ≤ Φ ≤ 2 mmlapilli

2 mm ≤ Φ ≤ 62 microncenere grossolana

Φ ≤ 62 micronΦ ≤ 62 microncenere fine

PRODOTTI ERUTTIVI

BASALTIBASALTI

FENOMENI ENDOGENI

I TERREMOTI

� 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.

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

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

Ipocentro o fuoco sismico: zona interna alla crosta terrestre in cui si origina lafrattura, con liberazione di energia.attu a, co be a o e d e e g a.

Epicentro: zona della superficie terrestre posta sulla verticale dell’ipocentro, dovearriva 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 caloregeneratrici di terremoti, e in parte sotto forma di calore.

TIPI DI TERREMOTI

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

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

- di CrolloCrollo, l’origine delle onde sismiche è dovuta alla cadutaimprovvisa di volte di caverne, di gallerie o anche di grandi falde

i i irocciose su versanti montuosi.

Si l i O d i i hSimulazione Onde sismiche

La rottura all’interno della terra libera energia sotto forma di onde elastiche, che vengono registrate dai sismografielastiche, che vengono registrate dai sismografi

Le onde sismicheLe onde sismiche

Le onde sismiche

Nell’ipocentro Nell’epicentroNell ipocentro Nell epicentro

Onde POnde S

Onde L

S tt i t d t f i t di i d t t di

Le onde sismiche

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

Onde POnde P, prime o di compressione, devono la ploro propagazione a successive fasi di compressione e dicompressione e dicompressione e di compressione e di espansione delle rocceespansione delle rocce, per cui le particelle vibrano avanti e indietro nella stessaavanti 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 provocadi taglio, la vibrazione provoca l’oscillazione delle particelle lungo un piano perpendicolare ll di i di ialla direzione di propagazione.

Si propagano soltanto nei solidi.

Onde POnde P Onde SOnde SMOTI DEL SUOLO

4 Vs = μ

δδ

+μ=

k34

VP

δ = densità

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

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

Le onde sismiche

Onde superficiali L

O dO d R l i hR l i h i t tt iOndeOnde RayleighRayleigh:: si trasmettono inqualsiasi mezzo e producono spostamentiretrogradi e di forma ellittica nel pianoverticaleverticale.

OndeOnde LoveLove:: producono spostamentiOndeOnde LoveLove:: producono spostamentiorizzontali, trasversali rispetto alladirezione di propagazione.

Strumenti di registrazioneSISMOGRAFI: strumenti costituiti da masse sospese per mezzo di molle che p prestano 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 diattorno 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 successivoLa registrazione del sismografo è un sismogramma, su cui si può leggere l arrivo successivodelle onde sismiche.

Si di i i if ibil ll l d l i di li l iù l i i di lSi distingue una prima parte riferibile alle sole onde longitudinali, le più veloci e quindi leprime 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 finaleo coda formata soltanto dalle onde lunghe prima quelle di Rayleigh e poi quelle di Loveo coda formata soltanto dalle onde lunghe, prima quelle di Rayleigh e poi quelle di Love.

Grandezze misurate

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

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

Il valore dell’energia effettivamente liberata da un terremoto si ricava dallamagnitudo mediante relazioni empiriche che variano a secondo delle areeag udo ed a e e a o e p c e c e va a o a seco do de e a eegeografiche e soprattutto geologiche. In Italia la relazione che si adopera è laseguente:

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 dellol i d l l h i ifi i l’ i i il è isconvolgimento del suolo che si verifica in tutta l’area in cui il terremoto è avvertito.

Grandezze misurate

Grandezze misurate

Accelerazione massima al suolo (Pga): parametro espresso come percentuale

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→ accelerografiorizzontaliorizzontali, le più pericolose per gli edifici. Strumenti di misura→ accelerografi

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

Scale di misura

La misura dell’intensità dei terremoti è basata su scale empiriche, suddivise in gradi did i l i di i i i d i li èdanneggiamento crescente, normalmente indicati con numeri romani, ognuno dei quali èindividuato 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, riferitiall’esperienza locale:

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

b – effetti sugli oggetti;

GradoGrado didi danneggiamentodanneggiamento

b effetti sugli oggetti;

c – effetti sulle costruzioni;

d – effetti sul suolo;d effetti sul suolo;

e – effetti sulle acque superficiali e sotterranee;

f – effetti geologici e geomorfologici.g g g g

Scale di Misura

MCSMCS

Effetti in superficie delle onde sismiche

Onde longitudinali (P): raggiungono la superficie terrestre, vengono rifratte dall’ariag ( ) gg g p , ge, se la loro frequenza è di un certo tipo, nel propagarsi nell’atmosfera danno luogo avibrazioni acustiche che sono la causa dei rumori e dei boati che talvolta vengonouditi quando si verificano i terremotiuditi quando si verificano i terremoti.

Onde trasversali (S): producono spostamento sia orizzontale che verticale dellasuperficie 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.energia termica.

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

Conseguenze dei terremoti

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

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

Conseguenze dei terremoti

2) Variazioni di pressione neutra2) Variazioni di pressione neutra: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 territoriosuolo e del territorio.

Effetti dei terremoti sulla superficie

Effetti dei terremoti sulle costruzioni

Effetti dei terremoti sulle costruzioni

Isosisme per il terremoto dell’Irpinia 1980

FenomeniFenomeni indottiindotti:: ii maremotimaremoti oo TsunamiTsunami

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

P t dPossono essere generate da:

- Eruzioni vulcaniche;

- Frane sottomarine;

Crolli di roccia in mare;- Crolli di roccia in mare;

- Forti Terremoti sottomarini (≥ 7 magnitudo Scala Richter).

FenomeniFenomeni indottiindotti:: ii maremotimaremoti oo TsunamiTsunami

1) Si sposta una grande massa d'acqua;

2) L t t d ll' i i t d l h2) 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 Un3) 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.

FenomeniFenomeni indottiindotti:: ii maremotimaremoti oo TsunamiTsunami

Distribuzione dei terremotiDistribuzione dei terremoti