Metodologie Elettromagnetiche per la Geofisica Richiami su suoli e rocce. Anno Accademico 2009/2010 Docente:Elena Pettinelli

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1 Metodologie Elettromagnetiche per la Geofisica Richiami su suoli e rocce Anno Accademico 2009/2010 Docente:Elena Pettinelli

2 Le rocce Per rocce si intendono aggregati di minerali cristallini, a volte con presenza di sostanze amorfe. Generalmente le rocce sono formate da minerali diversi e sono dette rocce composte od eterogenee ; più raramente sono formate da un solo minerale e sono quindi classificate come rocce semplici od omogenee. STRUTTURA E TESSITURA Con il termine struttura si indica la forma dei singoli minerali componenti una roccia, le loro dimensioni, il modo di aggregarsi e le reciproche relazioni. Con il termine tessitura si indica la disposizione su larga scala dei componenti nello spazio e si definiscono quegli aspetti determinati dalle orientazioni dei cristalli (insieme delle caratteristiche di una roccia a scala geologica).

3 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

4 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.

5 Le rocce il raffreddamento ed il consolidamento di un magma porta alla formazione di una roccia magmatica (intrusione plutonica - vulcanismo). movimenti tettonici portano poi in superficie questa roccia che viene sottoposta successivamente ad un'alterazione chimica e ad una disgregazione fisica da parte degli agenti atmosferici, con formazione di prodotti che vengono trasportati e depositati in particolari ambienti costituendo i sedimenti. La subsidenza consente l'accumulo dei sedimenti ed il carico dei sedimenti deposti porta alla litificazione (diagenesi) con formazione della roccia sedimentaria. Affioramento della roccia per regressione marina o movimenti tettonici. Quando la pressione e la temperatura superano un certo limite e sono associate a movimenti della crosta terrestre, hanno luogo trasformazioni strutturali e composizionali che portano alla formazione della roccia metamorfica. Infine nelle parti più profonde della crosta terrestre possono avvenire fenomeni di fusione parziale delle rocce (anatessi) con la formazione di nuovi magmi.

6 Le rocce sedimentarie Sono rocce costituite da materiali (detti sedimenti) provenienti dalla disgregazione, attraverso processi di varia natura, di rocce preesistenti FORMAZIONE DI UNA ROCCIA SEDIMENTARIA La formazione di una roccia sedimentaria può essere suddivisa in quattro fasi, che rappresentano il "ciclo sedimentario". - I fase: alterazione delle rocce preesistenti sulla superficie terrestre con formazione di detriti solidi e di sostanze in soluzione. - II fase: trasporto del materiale detritico e di quello in soluzione ad opera dei fiumi, dei venti, dei ghiacciai, ecc. - III fase: deposizione (sedimentazione) del materiale in ambienti diversi (continentale, marino, ecc.). La sedimentazione avviene per strati successivi. - IV fase: formazione della roccia (litificazione dei sedimenti) dovuta alla pressione esercitata da altri sedimenti che si accumulano via via sopra di essi. I processi nel loro insieme prendono il nome di diagenesi (processi diagenetici). Tutte le rocce sedimentarie hanno un corrispondente nei sedimenti attuali non litificati.

7 Le rocce sedimentarie Le rocce detritiche o clastiche derivano dal materiale trasportato in forma solida. Le rocce di precipitazione chimica e biochimica derivano dal materiale trasportato in soluzione.

8 Le rocce sedimentarie Compattazione dei sedimenti - diagenesi Cristallizazione di minerali in acque basse - Carbonati

9 Le rocce sedimentarie I conglomerati rappresentano il termine più grossolano; le dimensioni dei singoli elementi detritici (clasti) vanno da un minimo di 2 mm ad un massimo di 256 mm (scala di Wentworth). Corrispondono alle attuali ghiaie. Le arenarie rappresentano il termine intermedio; le dimensioni dei clasti sono comprese fra 2 e 0,062 mm. Corrispondono alle attuali sabbie. Le argille rappresentano il termine più fine; le dimensioni dei clasti sono al di sotto di 0,062 mm. Corrispondono agli attuali fanghi detritici.

10 Le rocce sedimentarie I calcari comprendono quelle rocce sedimentarie costituite quasi esclusivamente da calcite (carbonato di calcio). Possono essere presenti, in percentuali molto basse, altri minerali quali: quarzo, ortoclasio, ecc. Sono presenti anche termini di passaggio verso le argille (calcari marnosi, marne calcaree, marne propriamente dette) e le dolomie (calcari dolomitici, dolomie calcaree). Le dolomie contengono invece, in quantità preponderante, il minerale dolomite. Sono presenti tutti i termini di passaggio con i calcari. Le marne contengono una percentuale preponderante di argilla. Anche in questo caso sono presenti tutti i termini di passaggio con i calcari. Le evaporiti sono rocce formatesi in seguito alla precipitazione chimica del solfato di calcio, del cloruro di sodio e di altri sali di minore importanza, in bacini lagunari con climi caldi e aridi. Gesso

11 Le rocce magmatiche Sono rocce formatesi in seguito alla cristallizzazione di un magma. Il magma è un sistema chimico-fisico a molti componenti consistente di una fase liquida (fuso) e di un certo numero di fasi solide (cristalli) in sospensione; è quasi sempre presente una fase gassosa. Ordine di cristallizzazione dei minerali nel processo di raffreddamento

12 Le rocce magmatiche

13 Le rocce magmatiche

14 Le rocce metamorfiche Sono rocce che hanno subito modificazioni nella composizione mineralogica o nella struttura e nella tessitura in seguito a mutamenti di temperatura e pressione (metamorfismo). TIPI DI METAMORFISMO Si distinguono: metamorfismo regionale (su grandi estensioni), di contatto (localizzato presso corpi magmatici intrusivi), dinamico (localizzato presso fratture o faglie).

15 Le rocce metamorfiche Gnaiss Quarzite Marmo

16 Caratteristiche fisiche di suoli Composizione del suolo Triangolo della tessitura Tessitura del suolo Analisi meccanica

17 Caratteristiche fisiche di suoli Densità La densità è un parametro che varia molto tra i diversi tipi di rocce (mineralogia - porosità) δ = M kg talvolta g V m cm 3 3 Densità bulk (asciutta) Densità bulk naturale Densità bulk satura ρ = b W V g b ρ b = W g + W V b w ρ b = W + V g p w V b ρ dove: Wg è il peso dei grani Vb è il volume totale (bulk) del campione (volume dei pori + volume dei grani) dove: Wg è il peso dei grani Ww è il peso del fluido che riempie i pori Vb è il volume bulk dove: Wg è il peso dei grani Vp è il volume dei pori comunicanti ρ w è la densità dell acqua Vb è il volume bulk

18 Bulk density Bulk Density: indice di compattezza del suolo Il campione è fatto di grani solidi e di pori 1.33 g 1 cm di suolo Per calcolare la Bulk Density: Volume = 1 cm 3 Peso = 1.33 g Bulk Density = Bulk Density = Peso suolo Volume suolo Bulk Density = 1.33 g / cm 3

19 Caratteristiche fisiche di suoli Densità dei grani ρ = g W V dove: Wg è il peso dei grani Vg è il volume dei grani g g Peso specifico (g/cm 3 ) Montmorillonite Caolinite 2.6 Illinite 2.6 Quarzo 2.66 Ematite 5.2 Le rocce sedimentarie sono le meno dense: media 2.1± 0.3 g / cm Il contrasto di densità fra rocce sedimentarie adiacenti è raramente maggiore di 0.25 g/cm 3. Le rocce ignee sono più dense di quelle sedimentarie. δ 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) 3

20 Tipologie di mezzi porosi Porosità primaria e secondaria

21 Porosità Un 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: n Vg n = Vb V vuoti (%) = 100 V totale OVVERO: ρ b n = ρ g ρ g è la densità dei grani V g è il volume dei grani V b è il volume totale (bulk) del campione (volume dei pori + volume dei grani)

22 Porosità La porosità totale si può separare in due componenti: n tot =n p + n s dove n p èla porosità primaria che dipende dalla forma, dalle dimensioni e dalla geometria della parte rocciosa. N s èla porosità secondaria fatta sulle fessure e sui microcrak causati da forze meccaniche.

23 Porosità È possibile anche definire una porosità efficace come: n e = V V vuoti pori comunicanti

24 La porosità non è un buon indicatore del flusso

25 Impacchettamento cubico e porosità Simple Cubic Body-Centered Cubic Face-Centered Cubic n = 0.48 n = n = 0.26

26 Charbeneau, Ciclo idrologico

27 Distribuzione globale dell acqua 3% dell acqua e dolce - 97% oceani 1% dell acqua dolce in laghi, corsi d aqua e fiumi 29% dell acqua dolce mondiale è nelle falde

28 Cosa sono le falde? Non esostono fiumi sotterranei! Eccetto che nelle aree carsiche

29 Acquiferi Unità litologiche o serie di unità capaci di alimentare i pozzi Acquiferi confinati limitati da strati impermeabili (aquitard) Acquiferi non confinati limitati dalla tavola d acqua ed in equilibrio con la pressione atmosferica Acquiferi sospesi acquiferi di limitate dimensioni sospesi al di sopra degli acquiferi regionali a causa della litologia

30 Bedient et al., 1999.

31 L acqua nel suolo Un suolo è un mezzo formato generalmente da una fase solida, una liquida e una gassosa Acqua di costituzione Acqua di cristallizzazione Acqua di adsorbimento Acqua di capillarità Acqua di gravitazione

32 L acqua nel suolo Acqua 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 poiché entra a far parte dei legami di valenza secondari, ovvero quei legami che tengono unite molecole diverse. Acqua di adsorbimento I 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 0.1µ.

33 L acqua nel suolo Lo 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 Acqua capillare Attorno ai punti di contatto dei granuli parzialmente umidi aventi dimensioni superiori ai 2µ (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.

34 L acqua nel suolo L acqua di gravitazione (o acqua libera) occupa gli spazi tra le particelle, ma è libera di muoversi per effetto della gravità.

35 Suolo con differente contenuto d acqua Saturo I pori sono riempiti d acqua Acqua disponibile Pori Acqua aderente sulla superficie dei grani

36 Suolo con differente contenuto d acqua Punto di appassimento permanente Non c è più acqua aderente sulla superficie dei grani Suolo compattato Collasso dei pori

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