Laboratorio di Fisica Terrestre e dell’Ambiente Richiami...

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Laboratorio di Fisica Terrestre e dell’Ambiente

Richiami su suoli e rocce

Anno Accademico 2009/2010Docente:Elena Pettinelli

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Minerali

– Formazione naturale (not man-made)

– Inorganici

– Solidi che hanno una ben definita struttura chimica che conferisce loro proprietà fisiche uniche.

Laboratorio di Fisica Terrestre e dell’ambiente – lezione n.1

Dipartimento di Fisica “Edoardo Amaldi”

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Tetraedro di

silicio ed

ossigeno

(SiO4)

Tetraedro isolato

(Olivina)



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Arrangiamenti di tetraedri

Catena singola Catena doppia Strato

Pirosseno Anfibolo Mica



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Rocce

• Le rocce sono aggregati (misture) di minerali.

• In natura sono noti circa 4000 minerali ma la maggior parte delle rocce sono formate da qualche decina di questi minerali (minerali comuni).



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Rocce

• Generalmente le rocce sono formate da minerali diversi e sono dette rocce composte od eterogenee

• Più raramente da un solo minerale e sono quindi classificate come rocce semplici od omogenee.



Quarzo Anfibolite Feldspato

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Le rocce

Le rocce possono essere classificate secondo vari sistemi:

• in base alle proprietà fisico-meccaniche rocce coerenti, compatte, incoerenti, sciolte;

• in base alla composizione rocce monomineraliche, polimineraliche;

• in base all'origine rocce endogene cioè formatesi all'interno della Terra, rocce esogene cioè formatesi sulla superficie terrestre

• in base alla genesi



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Le rocce



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Le rocce



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Le rocce

rocce magmatiche o ignee formatesi per cristallizzazione di un magma.

rocce sedimentarie formatesi in seguito al deposito di materiale proveniente dalla degradazione di altre rocce.

rocce metamorfiche formatesi in seguito alla trasformazione di altre rocce sotto l'azione di agenti esterni quali pressione e temperatura.



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Le rocce magmatiche



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Le rocce magmatiche



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Il ciclo delle rocce



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Composizione del suolo



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Le proprietà fisiche del suolo sono influenzate dalle dimensioni

delle particelle

Classificazione sulla base della dimensione (USDA):

Suolo < 2 mm

Sabbia, 2 - 0.05 mm

Silt, 0.05 - 0.002 mm

Argilla, <0.002 mm

Composizione del suolo

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Triangolo della tessitura

Clay

SiltSandLoamy

Sand

Sandy Loam

Sandy Clay Loam

Silt LoamLoam

Clay LoamSilty Clay

Loam

SiltyClay

Percent S

iltPer

cent

Cla

y

Percent Sand

40

60

75

90

55

35

20

10

SandyClay

70 50 20



Tessitura: Tessitura: proporzioniproporzioni

relative relative delledelle varevare dimensionidimensioni

di di particelleparticelle cheche

compongonocompongono ilil suolosuolo

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Suolo argilloso

(tessitura fine)

Clay

Clay LoamSilty Clay

Loam

SiltyClay

40

60

55

SandyClay



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Suolo Loamy/Silty

(tessitura media)

Silt

Sandy Clay Loam

Silt LoamLoam

Silty ClayLoam

60

75

90

35

20

70 50 20



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Suolo sabbioso

(tessitura grande)

SandLoamy

Sand

Sandy Loam

20

10

70 50



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Caratteristiche fisiche di suoliDensità

La densità è un parametro che varia molto tra i diversi tipi di rocce (mineralogia - porosità)

3 3 talvolta

M kg g

V m cmδ = ⇒

Densità bulk (asciutta)

g

b

b

W

Vρ =

dove:Wg è il peso dei graniVb è il volume totale (bulk) del campione (volume dei pori + volume dei grani)

Densità bulk naturale

g w

b

b

W W

Vρ

+=

dove:Wg è il peso dei graniWw è il peso del fluido che riempie i poriVb è il volume bulk

Densità bulk satura

g p w

b

b

W V

V

ρρ

+=

dove:Wg è il peso dei graniVp è il volume dei pori comunicantiρρρρw è la densità dell’acquaVb è il volume bulk



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Sottosuolo compattatoDb ≈ 1.7 Mg/m3

Densità Bulk

Suolo organico

Db ≈ 0.8 Mg/m3

versus



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Caratteristiche fisiche di suoliDensità dei grani

g

g

g

W

Vρ =

dove:Wg è il peso dei graniVg è il volume dei grani

Peso specifico (g/cm3)

Montmorillonite 2.6÷2.8

Caolinite 2.6

Illinite 2.6

Quarzo 2.66

Ematite 5.2

Le rocce sedimentarie sono le meno dense:

Il contrasto di densità fra rocce sedimentarie adiacenti è raramente maggiore di 0.25 g/cm3.Le rocce ignee sono più dense di quelle sedimentarie. δδδδ cresce al diminuire del contenuto in silice.La densità delle rocce metamorfiche tende ad aumentare al diminuire dell’acidità e all’aumentare del grado di metamorfismo (grande variabilità)

3media 2.1 0.3 /g cm≈ ±



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PorositàUn suolo possiede una porosità che può essere parzialmente o

interamente riempita da una fase solida e/o gassosa. La porosità totale è definita come il rapporto tra il volume dei vuoti

(fase liquida e fase gassosa) e il volume totale:

vuoti

totale

100V

nV

= ⋅

1 100g

b

Vn

V

= − ⋅

1 100b

g

nρ

ρ

= − ⋅

OVVERO:

ρg è la densità dei graniVg è il volume dei grani

Vb è il volume totale (bulk) del campione (volume dei pori +

volume dei grani)



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Impacchettamento cubico e porosità

Simple Cubic Body-Centered Cubic Face-Centered Cubic

n = 0.48 n = 0. 26 n = 0.26



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Sabbia ben assortita

Macroporosità

Aggregati di argilla



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+ Flocculazione

Aggregazione

Porosità interna

Microporosità



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Tipi di porosità

Porosità primaria e secondaria



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PorositàLa porosità totale si può separare in due componenti:

ΦΦΦΦT=ΦΦΦΦ1+ΦΦΦΦ2

dove ΦΦΦΦ1 è la porosità primaria che dipende dalla forma, dalle dimensioni e dalla geometria della parte rocciosa.

ΦΦΦΦ2 è la porosità secondaria fatta sulle fessure e sui microcrakcausati da forze meccaniche.



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Porosità



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L’acqua nel suolo



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Distribuzione dell’acqua

• 3% of earth’s water is

fresh - 97% oceans

• 1% of fresh water in

lakes, streams, rivers

• 29% of the world’s

fresh water exists in

groundwater

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Che cos’è un acquifero?

• There are no underground rivers !

• Except maybe in karst

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Acquifero



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Acquifero

• Lithologic unit or collection of units capable of yielding water to wells

• Confined aquifer bounded above by aquitard

• Unconfined aquifer bounded by water table, and in pressure equilibrium with atmosphere

• Perched aquifers are suspended above regional aquifer due to local lithology

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Acquifero

• Typical aquifer rock types

– Sandstone

– Unconsolidated sediments

– Fractured or karstic limestone

– Fractured volcanics

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Bedrock Hydrogeology

• Hydraulic

Conductivity

of bedrock is

controlled by

– Size of fracture openings

– Spacing of fractures

– Interconnectedness of fractures

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L’acqua nel suolo

Acqua di costituzioneAcqua di cristallizzazioneAcqua di adsorbimento Acqua di capillarità

Acqua di gravitazione



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L’acqua nel suoloAcqua di costituzione e acqua di cristallizzazione

L’acqua di costituzione, si trova nei reticoli cristallini di alcuni materiali (ad esempio nelle argille) e per estrarla è necessaria un’elevata energia poiché entra a far parte dei legami di valenza primaria. L’acqua di cristallizzazione, si trova anch’essa nei reticoli cristallini, ma è necessaria una quantità minore di energia per estrarla poichéentra a far parte dei legami di valenza secondari, ovvero quei legami che tengono unite molecole diverse.

Acqua di adsorbimentoI minerali argillosi possiedono sulla loro superficie una distribuzione di carica elettrica negativa; il campo generato da tali cariche elettriche, agisce sulle molecole dipolari dell’acqua orientandole in modo che i due atomi di idrogeno si trovino dalla parte della distribuzione di carica negativa. L’acqua che si trova in questa condizione si chiama acqua adsorbita, e ha spessori di circa 0.1µµµµ.



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L’acqua nel suoloLo strato d’acqua posto nelle immediate vicinanze

della superficie del cristallo è caratterizzata da una consistenza tipica dello stato solido; all’aumentare della distanza la consistenza, passa

dallo stato plastico a quello fluido



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L’acqua nel suolo

Acqua capillare

Attorno ai punti di contatto dei granuli parzialmente umidi aventi dimensioni superiori ai 2µµµµ (come limi e sabbie) si fissano addensamenti di molecole di acqua, detta acqua di capillarità isolata. Se questo addensamento invece riempie completamente lo spazio tra i grani, allora si parla di acqua di capillarità continua.



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L’acqua nel suoloL’acqua di gravitazione (o acqua libera) occupa gli

spazi tra le particelle, ma è libera di muoversi per effetto della gravità.



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L’acqua nel suolo

• Contenuto d’acqua nel suolo

– Contenuto d’acqua in massa (θm)

– θm = frazione di massa d’acqua contenuta

– Mw = massa d’acqua evaporata (g)

(≥24 ore @ 105°C)

– Ms = massa del suolo anidro (g)



s

wm

M

M=θ

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• Contenuto volumetrico d’acqua (θv)

– θV = frazione del volume d’acqua contenuto– Vw = volume d’acqua– Vb = volume del campione di suolo

– Se saturo, θV = n– θV = As θm

– As = densità del suolo apparente = ρb/ρw(ρw = densità dell’acqua = 1 g/cm3)

– As = ρb numericamente quando le unità di misura usate sono g/cm3

• Profondità equivalente dell’acqua (d)– d = volume d’acqua per unità d’area = (θv A L) / A = θv L– d = profondità equivalente dell’acqua nello strato di suolo– L = spessore dello strato di suolo

θ v

w

b

V

V=

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Volumetric Water Content & Equivalent DepthVolumetric Water Content & Equivalent Depth

(g) (g)

(cm3)

(cm3)

Equivalent DepthEquivalent Depth

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ContenutoContenuto volumetricovolumetrico dd’’acquaacqua e e

profonditprofonditàà equivalenteequivalente

1 in.1 in.

0.50 in.0.50 in.

0.15 in.0.15 in.

0.20 in.0.20 in.

0.15 in.0.15 in.

Soil Solids (Particles): 50%Soil Solids (Particles): 50%

Total Pore Total Pore

Space: 50%Space: 50%

Very Large Pores: 15% Very Large Pores: 15%

(Gravitational Water)(Gravitational Water)

MediumMedium--sized Pores: 20% sized Pores: 20%

(Plant Available Water)(Plant Available Water)

Very Small Pores: 15% Very Small Pores: 15%

(Unavailable Water)(Unavailable Water)

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Effetto della tessitura del suolo sulla Effetto della tessitura del suolo sulla

capacitcapacitàà di ritenere acquadi ritenere acqua

Sabbia grossolanaSabbia grossolana Suolo argillosoSuolo argilloso

Acqua Acqua gravitaionalegravitaionale

CapacitCapacitàà di campodi campo

Acqua disponibileAcqua disponibile

Acqua non disponibileAcqua non disponibile

Suolo Suolo

anidroanidro

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