CARATTERIZZAZIONE ELETTRICA DI DEPOSITI ARGILLOSI DI ORIGINE GLACIALE, MARINA ED IDROTERMALE ATTRAVERSO INDAGINI IN SITU ED IN LABORATORIO

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1 Mus. civ. Rovereto Atti del Workshop in geofisica 5 dicembre 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 characterization 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 crystals (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 concentration 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, depending 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. ( 1 ) Centro di GeoTecnologie - Università di Siena - Via Vetri Vecchi 34, I San Giovanni Valdarno (AR) - colonna3@unisi.it. 79

2 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 analysis, Water content. Riassunto - TOMMASO COLONNA - Caratterizzazione elettrica di depositi argillosi di origine glaciale, 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 oggetto 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 micrometrica dei cristalli che comportano notevoli capacità di assorbimento d acqua, scambio ionico e fissazione di cationi. La genesi dei minerali argillosi nelle rocce è secondaria e può avvenire per alterazione chimica (in ambiente acido o alcalino) di rocce magmatiche silicee, per deposizione 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 elettrica di tre tipologie di depositi argillosi aventi diversa genesi: partendo da misure di diffrattometria 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 campioni. Gli spessori argillosi presenti nei diversi siti sono stati individuati nei modelli 2D di resistività 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 contenuto 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 tomografie 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 resistività mediante l analisi statistica dei dati ottenuti da un processo di inversione standard. Parole chiave: Modelli di resistività, Tomografie elettriche, Modello fisico ridotto, Analisi statistica, Contenuto idrico. 80

3 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 ricercare nei diversi contesti geologici in cui i depositi si sono formati, nelle differenti proprietà geotecniche e nelle caratteristiche chimico-fisiche dei minerali costituenti. Molteplici studi dimostrano come le indagini di resistività elettrica rappresentino indiscutibilmente uno dei metodi di prospezione più funzionali per l individuazione dei livelli argillosi nel sottosuolo: in questo studio verrà effettuata una caratterizzazione della resistività elettrica di depositi argillosi di origine glaciale, 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 incidono 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 analizzare 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 aspetto si è ritenuto importante mettere in luce le principali caratteristiche geologicomorfologiche 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 incertezze strumentali e le frequenze delle incertezze relative al processo di inversione. 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 fisico ridotto: una volta fissati i parametri comuni di questo studio e conoscendo il 81

4 livello di contenuto idrico iniziale (Condizione C 0 ), 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 ottenuti da questi modelli saranno analizzati con lo stesso approccio statistico utilizzato 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 localizzati in tre aree contraddistinte da evidenze bibliografiche e caratteri geologici noti, che ne hanno permesso un ottima attendibilità e predisposizione agli scopi di questo 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 schematizzazione 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 riconoscono tre fondamentali classi litostratigrafiche: una sommitale caratterizzata 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 fratturato 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, fortemente cementati in spessi banchi, che passano in determinate zone a ghiaie e sabbie. Al di sotto dei conglomerati, oltre i 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 (Geometrics - 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 e ) 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- 82

5 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 origine idrotermale). 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 questo contesto si inseriscono le misure di resistività realizzate. L area è stata indagata mediante 8 profili di resistività di lunghezza variabile tra 126 e 315 m mediante georesistivimetro classico a 64 elettrodi (ABEM Terrameter - Sweden). Considerati i target da raggiungere (spessore dei conglomerati, profondità ed estensione dei livelli argillosi) si è scelto di elaborare ed interpretare le misure realizzate con array Schlumberger; vista la maggior sensibilità dell array Wenner nell individuare 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 ). Il sopralluogo effettuato nel maggio 2008 ha permesso di osservare un quadro geologico caratterizzato da una serie di faglie 83

6 sinistre trascorrenti che formano bacini, al cui interno si ha notevole presenza di sedimenti miocenici (depositi argillosi). Si è verificata l esistenza di una compressione 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 esperienza delle indagini pregresse nella zona settentrionale (livelli argillosi prevalentemente sub-orizzontali), si è deciso di realizzare 2 profili di resistività di lunghezza 630 m con array Wenner, vista la maggior predisposizione all individuazione di possibili stratificazioni orizzontali. L area di lavoro relativa ai depositi argillosi di origine idrotermale fa riferimento alla Carta Tecnica Regionale in scala 1:10000 (sezione «Porto Leccio»). Trattandosi di un indagine mirata all individuazione delle argille bentonitiche, si è scelto di localizzare gli stendimenti all interno di un area che presentasse due caratteristiche fondamentali: da una parte vi era la necessità di ottenere 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 determinante scegliere una macrozona, caratterizzata da importanti spessori di depositi bentonitici a cavallo di una faglia, associati a minori quantità in corrispondenza di un vasto sistema di fratture prossimo all area indagata. L assetto geologico di base è caratterizzato da estesi affioramenti del basamento ercinico, caratterizzato da graniti e granodioriti, su cui poggiano direttamente i depositi argillosi bentonitici di origine idrotermale. Questi sono generalmente ricoperti da spessori variabili di conglomerati. Gli affioramenti di granito sono presenti soprattutto 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 Terrameter - 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. 84

7 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 raccogliere oltre 1800 letture per ognuna delle tre aree test, ben definite geologicamente in precedenza. L applicazione di processi di inversione standard ha permesso di ottenere 33 modelli bidimensionali e 3 modelli tridimensionali di resistività, individuando con buona affidabilità i volumi di depositi argillosi di origine glaciale, marina ed idrotermale. In Fig. 2 sono riportati tre modelli di resistività 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 dovute al processo di inversione in termini di deviazione standard (%). In Fig. 3 sono riportati i risultati di questo studio statistico per il rilievo ST1CDW relativo ai depositi di origine marina. Per i tre depositi studiati, a fronte di incertezze strumentali limitate (generalmente inferiori all 1%), si osservano percentuali di deviazione standard maggiori riferite alle incertezze in fase di inversione. La frequenza dei valori di resistività nel range caratteristico dei depositi di origine glaciale risulta piuttosto irregolare, sintomo di una considerevole eterogeneità del deposito. I depositi di origine 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 idrotermale 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 marina presentano Quarzo, Muscovite e Caolinite. Infine, i depositi di origine idrotermale, 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- 85

8 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, spaziatura 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. 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), frequenza (%) delle classi di valori di resistività mediante istogrammi (B), frequenza (%) delle dev. standard in fase di inversione (C). 86

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10 sentano CEC bassa (0-15 meq/100g) ed infine il minerale costituente i depositi di origine idrotermale presenta CEC alta ( 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 elettrica su modello fisico ridotto. Attraverso tre misurazioni successive, utilizzando un forno a 105 C per l essiccamento, sono stati ottenuti i seguenti valori: depositi 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 fustella di tara g e volume cm 3 ha permesso di ottenere i seguenti valori: depositi di origine glaciale 1.24 g/cm 3, depositi di origine marina 1.21 g/cm 3 e depositi di origine idrotermale 1.24 g/cm 3. 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 costituenti. Sono stati misurati i seguenti valori di densità dei grani: depositi di origine glaciale 2.66 g/cm 3, depositi di origine marina 2.76 g/cm 3 e depositi di origine idrotermale 2.35 g/cm 3. Per ogni deposito sono stati determinati i limiti di consistenza. 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 glaciale presentano indice di consistenza 2.0 e indice di plasticità 16.7 e sono classificabili 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 organiche. 5. REVISIONE DEI RISULTATI GEOELETTRICI MEDIANTE UN APPROCCIO SPERIMENTALE IN LABORATORIO Per conoscere meglio le caratteristiche di propagazione della corrente all interno di un volume omogeneo ed isotropo, si è ritenuto fondamentale effettuare degli studi in laboratorio su modelli fisici ridotti appositamente costruiti. Questo approccio è finalizzato ad una stima più rigorosa della resistività elettrica 88

11 propria dei materiali e permette di studiarne il comportamento al variare di determinati parametri. Il modello è costituito da un «container» di vetro di dimensioni 25.5 x 44.3 x 28.3 cm (Fig. 4). Il volume in esso contenuto, pari a circa cm 3, 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 minimizzare 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 partire da un contenuto d acqua iniziale (condizione C 0 ). Si è proceduto per step successivi incrementando dalla superficie 500 ml d acqua ed acquisendo i dati di resistività 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 proseguimento degli incrementi. In particolare, per i depositi di origine glaciale ed idrotermale 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 multiparametrica 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 deposito ed effettuando la pesatura delle due frazioni ottenute. L acquisizione delle misure di resistività apparente è stata effettuata utilizzando la massima configurazione disponibile supportata dal modello fisico ridotto: 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- 89

12 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. 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 variare 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, permettono 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 distribuzione dei valori di resistività mostra con estrema chiarezza, al variare del contenuto idrico, l evoluzione dei risultati ottenuti partendo da una condizione C 0 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 standard, utilizzando 211 blocchi: si è individuata la frequenza (%) delle classi di valori di resistività mediante istogrammi (Fig. 6-B). La qualità di un processo di inversione è determinata dallo scarto esistente tra i valori di resistività apparente calcolata e i rispettivi valori di resistività apparente osservata: anche per questo parametro è stata studiata la frequenza (%) per ogni modello di resistività (Fig. 6-C). Infine 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). 90

13 Fig. 5 - Studio dei modelli ottenuti dal modello fisico ridotto in relazione alla distribuzione dei valori di resistività per depositi di origine marina. 91

14 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 % (step incrementale 1500 ml). Frequenza (%) 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 posteriori dell attendibilità delle misure in situ: la configurazione del modello non ha presentato problemi di misura ed ha permesso di studiare la resistività elettrica 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 idrico. La distribuzione risulta fortemente asimmetrica per bassi contenuti idrici e diventa meno asimmetrica per elevati contenuti idrici, in ogni caso la distribuzione 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 modello fisico ridotto. 92

15 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 ridotto. Per le incertezze strumentali relative ai depositi di origine glaciale registrate in situ, la mediana risulta variabile 0.11 e 0.20%, mentre per quelli registrati 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 depositi 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 incertezze 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%, mentre 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 registrati 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 studiate 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 osservano 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 contenuto 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 depositi 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- 93

16 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 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 constatare 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 ottenuti 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 andamento delle curve di distribuzione per i due approcci: non solo vengono rispettate 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 elevata. 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 frequenze (%) relative alle classi di distribuzione di valori di resistività, è possibile rilevare una sostanziale concordanza in termini di risposta elettrica agli incrementi di contenuto 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 acqua è stata studiata, per ogni deposito, analizzando i valori di resistività a 4 diver- 94

17 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). Fig. 8 - Frequenza dei valori di resistività per i tre depositi relative ai rilievi in situ (Rilievo 3, ST1CDW e DP1). 95

18 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). 96

19 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 origine 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 diminuzione dei valori con un contenuto d acqua più limitato: la diminuzione più importante 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 profondi 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 inferiori ai 7 m. Per quanto riguarda le profondità maggiori si osserva un perfetto sincronismo nel comportamento alla profondità di 0.2 e : 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 attraversare dall acqua, è stato possibile osservare il comportamento dei valori di resistività in corrispondenza del livello più profondo: questi mostrano un comportamento simile nei tre depositi, con una diminuzione progressiva fino allo stabilizzarsi. 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. 7. BIBLIOGRAFIA ASTM INTERNATIONAL, Designation: D , Standard Test Method for Specific Gravity of Soil Solids by Gas Pycnometer. BOTTACCHI, M.C., MANTOVANI F., Principi di Fisica per la geoelettrica. CARMIGNANI L., Appunti di Geologia Applicata. CHRISTIANSEN A., AUKEN E., SØRENSEN K., JØRGENSEN F., JOHNSEN R., From resisti- 97

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