LM-4 Architettura Laboratorio di pianificazione della città e del paesaggio Modulo Geomorfologia del Paesaggio Prof. Carlo Bisci. 03 Geologia tecnica

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1 Scuola di Architettura e Design Eduardo Vittoria LM-4 Architettura Laboratorio di pianificazione della città e del paesaggio Modulo Geomorfologia del Paesaggio 03 Geologia tecnica

2 Geologia Rocce e Terre Dal punto di vista applicativo, i materiali geologici possono essere due grandi categorie: rocce - aggregato naturale di particelle minerali tenute insieme da notevoli e permanenti forze coesive. Sono dette anche rocce litoidi e costituiscono il substrato geologico (o substrato roccioso); la loro formazione è derivata dai processi endogeni o esogeni della lunga storia geologica. terre - aggregato naturale di particelle minerali che è possibile separare mediante leggere azioni meccaniche, come ad esempio l agitazione in acqua. Sono dette anche rocce sciolte e appartengono alla più breve storia geomorfologica, derivando in genere dai prodotti di alterazione delle rocce litoidi.

3 Geologia Classificazione genetica delle rocce Le rocce sono in genere classificate sulla base dei loro processi genetici: rocce magmatiche, derivano dal consolidamento dei magmi all interno della crosta terrestre (intrusive) o alla sua superficie (effusive); rocce sedimentarie, derivano della deposizione e cementazione di detriti e/o frammenti organici, con o senza deposizione chimica; rocce metamorfiche, derivano dalla modificazione di rocce sottoposte a grandi pressioni e/o temperature.

4 Geologia Classificazione delle rocce

5 Geologia Terre Le terre sono rappresentate da diverse categorie di depositi superficiali, così chiamati in quanto rappresentano l interfaccia tra crosta terrestre e atmosfera, detti anche materiali di copertura, visto che obliterano il substrato roccioso cui sono sovrapposti; Derivando dalla alterazione chimica o disgregazione fisica di rocce vengono anche identificati, meno frequentemente, come alteriti. Gli spessori sono estremamente variabili: sui versanti, i cui settori più ripidi e/o sommitali mostrano spesso il substrato geologico in affioramento, dai centimetri ai metri (più raramente, fino a qualche decametro); aumentano significativamente nei fondivalle fluviali o glaciali, fino a raggiungere anche diverse centinaia di metri nelle maggiori depressioni tettoniche.

6 Geologia Terre - Classificazione Le classificazioni delle terre si basano su criteri diversi: catteristiche sedimentologiche; rapporti con il substrato geologico; processi genetici. Le classificazioni sedimentologiche analizzano gli aspetti granulometrici (ghiaia, sabbia ecc.) e morfologici (clasti arrotondati, a spigoli vivi, sfericizzati ecc.) dei componenti e i loro rapporti stratigrafici; sono di grande interesse pratico perché ad essi sono legate le principali caratteristiche fisico-meccaniche e idrogeologiche.

7 Geologia Terre - Classificazione Le classificazioni si basano su criteri diversi: catteristiche sedimentologiche; rapporti con il substrato geologico; processi genetici. L analisi dei rapporti tra le formazioni superficiali e il substrato geologico, permette di riconoscerne due categorie di depositi: materiali derivanti dalla decomposizione della sottostante roccia, rimasti in sito (eluvium o depositi eluviali); materiali che non hanno un rapporto genetico diretto con la roccia sulla quale poggiano (colluvium o depositi colluviali).

8 Geologia Terre - Classificazione Le classificazioni si basano su criteri diversi: catteristiche sedimentologiche; rapporti con il substrato geologico; processi genetici. La classificazione genetica delle terre è quella maggiormente usata; viene adottata quando nei caratteri sedimentologici dei depositi si riconoscono assetti tali da poterne stabilire con sufficiente sicurezza l agente principale di erosione trasporto - deposizione (acqua, neve, ghiaccio, gelo, moto ondoso, vento, gravità, uomo ecc.).

9 Geologia Terre - Classificazione Un altra importante differenziazione è quella relativa all uso pratico dei termini: terra (sensu stricto), riferito a depositi superficiali a granulometria prevalentemente fine (sabbie, limi, argille); detrito, riferito a depositi di versante a prevalente granulometria grossolana.

10 Geologia Terre - Classificazione Classificazione delle terre in campagna o in cantiere (AGI, 1977)

11 Geologia Assetto strutturale Il comportamento meccanico delle rocce dipende anche, in misura particolarmente significativa, dagli effetti prodotti in esse dalle sollecitazioni tettoniche che ne hanno modificato gli originari assetti geometrici e la loro compattezza (assetto strutturale e assetto tettonico). Infatti, le rocce, come ogni altro materiale, in seguito ad una sollecitazione si deformano e raggiungono nuove condizioni di equilibrio, diverse a seconda delle specifiche caratteristiche reologiche dei singoli litotipi.

12 Geologia Tipo di comportamento In base alla risposta alle sollecitazioni, si distinguono: comportamento fragile, tipico di una roccia a elevata resistenza (che decade rapidamente raggiunto il carico di rottura); comportamento duttile, proprio dei litotipi di medio-bassa resistenza, dove raggiunto il carico di rottura la roccia subisce vistose deformazioni prima di arrivare a rottura. Ricorrono con grande frequenza anche comportamenti misti (fragileduttile); inoltre la stessa roccia può presentare l uno, l altro o entrambi i tipi di comportamento, a seconda delle condizioni di pressione e/o di temperatura e/o della durata della sollecitazione.

13 Geologia Strutture geologiche - Pieghe Le pieghe, di dimensioni e geometrie differenti, sono le forme più tipiche del comportamento duttile.

14 Geologia Strutture geologiche - Faglie I piani di taglio - corrispondenti a faglie dirette o inverse o a sovrascorrimenti - rappresentano i più evidenti elementi strutturali prodotti dal comportamento fragile.

15 Geologia Forme tettoniche Le morfologie associate alle faglie sono generalmente forme tettoniche, ma spesso hanno un carattere più localizzato e ancor più spesso si combinano con altri agenti per generare forme complesse.

16 Geologia Proprietà tecniche di terre e rocce È possibile operare una significativa semplificazione, raggruppando le unità formazionali (omogenee per età, ambiente genetico ecc.) in unità lito-tecniche (omogenee per litotipo). I parametri caratteristici di queste ultime mostrano campi di variazione piuttosto ampi; ciò nonostante, le generalizzazioni sono senz altro accettabili quando le analisi sono rivolte alla definizione di scenari evolutivi su area vasta. Determinazioni puntuali dei parametri sono invece indispensabili quando gli studi si riferiscono ad un area ristretta (sito) o sono finalizzati alla progettazione di opere di ingegneria. A parità di composizione litologica, un fattore determinante è dato dall assetto, che può essere massivo, stratificato o scistoso (in ordine decrescente di resistenza).

17 Geologia Proprietà tecniche di terre e rocce Peso specifico (ps) e peso di volume (ϒ) Il peso specifico è un parametro fisico caratteristico di ogni materiale (liquido, solido o aeriforme). Per i solidi, però, bisogna tenere conto della possibile presenza o meno di vuoti nel corpo del materiale; la distinzione è di importanza essenziale nel caso dei materiali geologici, dove i vuoti (pori, fratture e fessure) ricorrono quasi sistematicamente con frequenza estremamente variabile. Nelle valutazioni tecniche si adotta, pertanto, il peso di volume: ovvero il peso dell unità di volume, in cui i vuoti concorrono a determinare quest ultimo. A seconda che i vuoti siano occupati da aria o riempiti da acqua, si distingue il peso di volume secco dal peso di volume saturo. Viene definito grado di compattezza il rapporto tra peso di volume e peso specifico; il valore sarà prossimo all unità nelle rocce più compatte e inferiore ad uno, anche di molto, nelle rocce con significativa presenza di vuoti.

18 Geologia Proprietà tecniche di terre e rocce Contenuto d acqua Rocce e terre possono contenere acqua; in particolare, possono essere riconosciuti tre tipi di acqua nei materiali geologici: - Acqua gravifica (che può essere drenata per pura gravità); - Acqua capillare (che rimane nelle discontinuità di dimensioni capillari e può essere estratta dalle radici o tramite centrifugazione leggera); - Acqua pellicolare (strato sottilissimo che rimane dopo leggera centrifugazione per tensione superficiale) - Acqua igroscopica (che rimane anche dopo forte centrifugazione essendo legata elettrochimicamente al materiale solido, può essere eliminata solo ad alte temperature).

19 Geologia Proprietà tecniche di terre e rocce Imbibizione e assorbimento Qualsiasi matrice rocciosa, per quanto compatta, se immersa in acqua per un sufficiente periodo di tempo se ne imbeve più o meno. Prove sperimentali mostrano differenti coefficienti di imbibizione (Kv) Kv = (P P) / V (dove: P = peso dopo imbibizione, P = peso secco, V = volume campione), Tali valori sono di ordine millesimale, per le rocce magmatiche o metamorfiche massive (granito, marmo ecc.); centesimale o decimale, per le rocce sedimentarie (calcari marnosi, arenarie, travertino, tufi vulcanici). Se una roccia a contatto con acqua o con terreno umido è in grado di assorbire acqua per capillarità, il processo viene chiamato assorbimento (sensu stricto).

20 Geologia Proprietà tecniche di terre e rocce Colore e coefficiente di dilatazione Il colore della roccia riveste notevole importanza per il suo eventuale uso ornamentale e per gli effetti scenici prodotti sul paesaggio dai suoi affioramenti. Inoltre, il colore chiaro o scuro controlla, rispettivamente, il minore o maggiore assorbimento della radiazione solare e quindi il differente riscaldamento della roccia. L associazione di questa proprietà al coefficiente di dilatazione, specifico di ogni roccia o più precisamente dei minerali componenti, realizza all interno della stessa roccia (o tra corpi rocciosi a contatto) tensioni in grado di produrre fratture (vedi termoclastismo).

21 Geologia Proprietà tecniche di terre e rocce Durezza La durezza delle rocce determinata con lo sclerometro è poco attendibile, data l eterogeneità sia delle particelle minerali che le compongono che dei leganti che le tengono unite. Più attendibile è la determinazione desunta dalle dimensioni dell impronta lasciata su di un campione di roccia da una sfera di acciaio premutavi contro a pressione nota. Viene però adottata anche una classificazione empirica basata su criteri pratici legati alla lavorabilità del materiale: rocce tenere; semidure; dure; durissime

22 Geologia Proprietà tecniche di terre e rocce Durevolezza e Resistenza al logoramento Dalla durezza dipendono anche: -durevolezza - resistenza complessiva opposta dalla roccia all insieme dei già citati processi di disgregazione o di alterazione, che può essere quantizzata (a titolo puramente indicativo) in indici di durevolezza ottenuti da prove di laboratorio che tendono a riprodurre le condizioni naturali in cui si realizzano i processi di meteorizzazione; - resistenza al logoramento misura la resistenza opposta dal materiale litoide a processi abrasivi e la sua caratterizzazione è di una certa utilità quando il materiale è destinato alla pavimentazione stradale, mentre il parametro è di scarso significato morfogenetico.

23 Geologia Proprietà tecniche di terre e rocce Resistenza a compressione semplice La prova di laboratorio di più largo uso è quella atta a determinare la rottura per schiacciamento di un provino di roccia di sezione nota, libero di dilatarsi, cui è applicato un carico di rottura (carico massimo applicato durante la prova). Il rapporto tra quest ultimo e la sezione del provino esprime il carico di rottura unitario, ovvero la resistenza unitaria σ = F/A (kg/cm2)

24 Geologia Proprietà tecniche di terre e rocce Resistenza a trazione Un corpo sollecitato a trazione tende ad allungarsi. Come nella prova precedente, il rapporto tra la forza necessaria per portare a rottura il provino e la sezione dello stesso fornisce la resistenza a trazione. Il rapporto tra resistenza a compressione e resistenza a trazione presenta un valore medio di circa 35, con minimi e massimi generalmente compresi tra 10 e 50. Pertanto, si può affermare con sicurezza che le rocce resistono molto meglio alle sollecitazioni di compressione che a quelle di trazione.

25 Geologia Proprietà tecniche di terre e rocce Resistenza a taglio La sollecitazione è di solo taglio quando essa provoca nel campione solo variazione di forma ma non di volume. Nella pratica, la sollecitazione di taglio è sempre associata a sollecitazioni minori di flessione. La resistenza al taglio è espressa da due parametri: - la coesione c (kg/cm2); -l angolo di attrito interno (φ in gradi). Questi sono determinati dalla ripetizione di più prove nelle quali una forza (scomposta in due vettori paralleli e di verso contrario) è capace di attivare lo scorrimento tra due superficie piane adiacenti (sottoposte a carico ortogonale noto, ma variato da prova a prova), che si può realizzare lungo una discontinuità di neoformazione o utilizzando una discontinuità preesistente.

26 Geologia Proprietà tecniche di terre e rocce Resistenza a taglio La resistenza al taglio (t) di un terreno è controllata dalle azioni reciproche tra le particelle che lo compongono, specialmente dallo scorrimento tra esse. Essa è: - proporzionale alla forza normale tra i corpi (p); - indipendente dalle loro dimensioni. Nei terreni granulari: t = p * tg(φ) Nelle argille al contatto tra i corpi si sviluppano forze di adesione (coesione - c) che contribuiscono alla resistenza al taglio, pertanto t = c + p * tg(φ)

27 Geologia Proprietà tecniche di terre e rocce Resistenza a flessione La sollecitazione a flessione si realizza quando un corpo è sottoposto all azione di una coppia di forze giacente sul piano longitudinale passante per il suo baricentro. La rottura del provino, appoggiato alle estremità e caricato al centro, si realizza per rottura a compressione del settore concavo e per rottura a trazione di quello convesso.

28 Geologia Proprietà tecniche di terre e rocce Resilienza Resistenza a carichi applicati in modo molto rapido (resistenza agli urti). Parametro non usato in geologia applicata, ma molto usato in meccanica. Resilienza di territorio, ambiente, paesaggio (usato nella pianificazione).

29 Geologia Proprietà tecniche di terre e rocce Resilienza Resistenza a carichi applicati in modo molto rapido (resistenza agli urti). Parametro non usato in geologia applicata, ma molto usato in meccanica. Resilienza di territorio, ambiente, paesaggio (usato nella pianificazione).

30 Geologia Alterazione o decomposizione Si parla di matrice rocciosa riferendosi a una porzione sana o con micro discontinuità, mentre il termine ammasso roccioso si riferisce a un insieme interessato da grandi discontinuità tettoniche e/o stratigrafiche (piani di faglia, scistosità, giunti di strato ecc.). La decomposizione (o alterazione) di una roccia è legata a diversi fattori, quali: gli stessi sforzi tettonici che hanno prodotto le dislocazioni principali; Il raffreddamento dei magmi; fenomeni gravitativi; processi fisici o chimici connessi con agenti esogeni.

31 Geologia Fratturazione - tettonica Le discontinuità prodotte dalla tettonica sono le più diffuse ed intense; interessano infatti la generalità dei corpi rocciosi e ne pervadono l intero ammasso o gran parte di esso. Basandosi sulla distanza (d) tra le due pareti di una frattura, questa viene chiamata: chiusa (d 0.5 mm); beante (0.5 mm < d 10 mm); aperta (d > 10 mm).

32 Geologia Fratturazione da raffreddamento Le discontinuità prodotte dal rapido raffreddamento dei magmi sono rappresentate da fessurazione (colonnare, prismatica, a lastre verticali ecc.), che si realizza nelle rocce effusive per effetto della contrazione termica dei magmi legata alla loro veloce consolidazione.

33 Geologia Fratturazione gravitativa Discontinuità analoghe a quelle prodotte dalla tettonica, anche se meno intense, estese e profonde (di ordine metrico o decametrico, raramente ettometrico) possono essere prodotte dall azione della gravità. Si tratta di fratture correlate con la direzione dei pendii: parallele (o blandamente oblique), corrispondono a sollecitazioni da trazione o compressione, rispettivamente nelle zona di corona e al piede di movimenti di massa ortogonali, poste ai bordi dei fenomeni gravitativi, sono associate alle sollecitazioni di taglio prodotte nella zona di interfaccia tra massa in movimento e massa stabile.

34 Geologia Fratturazione La corretta conoscenza della disposizione spaziale (lunghezza, profondità, apertura, spaziatura, orientamento ecc.) e della genesi delle fratture e di altre discontinuità (piani di strato, scistosità ecc.), permette di definire con buona approssimazione forma e dimensioni dei poliedri generati dall intersezione tra detti piani e di prevederne le possibili cinematiche in caso di messa in movimento. Si tratta di conoscenze di importanza fondamentale nelle analisi territoriali finalizzate alla messa in sicurezza dei pendii e, più in generale, per ogni tipo di intervento nelle aree potenzialmente instabili (ovvero, tutte tranne le pianure) o sismicamente attive, nonché in aree che possono alimentare una falda acquifera.

35 Geologia Processi morfogenetici - Alterazione

36 Geologia Processi morfogenetici - Alterazione fisica Si tratta di processi clastici (dal greco kλαστός = rotto, spezzato), che portano alla frammentazione meccanica della roccia per effetto di agenti morfogenetici esogeni. Forma e dimensioni dei clasti dipendono dalle caratteristiche mineralogico-petrografiche, dalla porosità e dalla eventuale fratturazione (o stratificazione, laminazione o scistosità) già presente nelle rocce. Processi: Esfoliazione (perdita di pressione in superficie); Crioclastismo (cicli di gelo e disgelo); Termoclastismo (cicli di dilatazione e contrazione termica); Essiccamento (contrazione per perdita di acqua); Haloclastismo (crescita di cristalli di sale nelle discontinuità); Bioclastismo (azione di piante e/o animali).

37 Geologia Processi morfogenetici - Esfoliazione

38 Geologia Processi morfogenetici - Crioclastismo

39 Geologia Processi morfogenetici - Termoclastismo

40 Geologia Processi morfogenetici - Essiccamento

41 Geologia Processi morfogenetici - Haloclastismo

42 Geologia Processi morfogenetici Alterazione chimica I processi di alterazione chimica, generalmente legati alle acque, sono più attivi in aree calde e umide. I principali sono: Ossidazione, in ambiente ricco di O2, alcuni elementi possono passare a una forma ossidata (es. da Fe bivalente a Fe trivalente); Riduzione, in ambiente povero di ossigeno, può avvenire l inverso; Soluzione, ovvero scioglimento di sali solubili in acqua (eventualmente acida); Idratazione, introduzione di acqua nel reticolo cristallino che si espande Idrolisi, attacco da parte di ioni H+ alle strutture cristalline di silicati, con modificazione del tipo di minerale

43 Geologia Processi morfogenetici Ossidazione

44 Geologia Processi morfogenetici Idrolisi L idrolisi dei silicati viene operata dagli ioni H + e OH - Questo processo causa profonde modificazioni fino a creare minerali differenti: -argille (alterazione siallitica) -prodotti residuali privi di silicio (alterazione allitica)

45 Geologia Processi morfogenetici Soluzione carsica

46 Geologia Processi morfogenetici Soluzione carsica Soprattutto: Gesso Salgemma

47 Geologia Processi morfogenetici Soluzione carsica Il calcare non è solubile, ma reagendo con acqua carica di anidride carbonica (ovvero acido carbonico) si trasforma in bicarbonato acido di calcio, solubile

48 Geologia Processi morfogenetici Soluzione carsica

49 Geologia Processi morfogenetici Soluzione carsica La concentrazione dell acido carbonico dipende dalla temperatura perché la solubilità dell anidride carbonica aumenta al diminuire della temperatura

50 Geologia Processi morfogenetici Meteorizzazione Meteorizzazione (weathering): insieme di processi fisici e chimici di alterazione e disgregazione

51 Geologia Suolo L interfaccia atmosfera-litosfera, ovvero il tetto delle terre o delle rocce, è pressoché sistematicamente marcata dalla presenza di materiali geologici che hanno subito ulteriori e ben più complesse trasformazioni chimiche e fisiche di quelle descritte in precedenza, frammisti a materia organica derivante dall attività di batteri e organismi animali e vegetali e dall azione di acqua e gravità (pedogenesi) Questo insieme complesso forma un sottile livello (da pochi cm a qualche metro) a elevata porosità (50% circa) capace di immagazzinare acqua, aria e gas: il suolo.

52 Geologia Suolo Un suolo è caratterizzato da diverse proprietà, quali: - Granulometria o Tessitura - Struttura - ph - Colore - Stratificazione

57 Geologia Suolo Le caratteristiche dei suoli dipendono da un insieme di fattori, i principali dei quali sono: - Clima (temperatura, precipitazioni ecc.) - Litologia del substrato - Vegetazione - Morfologia locale - Posizione orografica La frazione organica, che costituisce una piccola percentuale dell intero volume, è data da organismi animali e vegetali vivi e dai loro resti non ancora soggetti ad evidenti processi di decomposizione. La decomposizione del materiale organico operata essenzialmente da microrganismi, porta alla formazione dell humus (sostanza organica parzialmente decomposta). Le condizioni termo-pluviometriche rappresentano il vero motore della pedogenesi, in quanto alla temperatura è direttamente proporzionale l intensità dei processi biochimici responsabili delle trasformazioni del materiale organico mentre la piovosità determina l entità del dilavamento.

58 Geologia Suolo Le caratteristiche dei suoli dipendono da un insieme di fattori, i principali dei quali sono: - Clima (temperatura, precipitazioni ecc.) - Litologia del substrato - Vegetazione - Morfologia locale - Posizione orografica Le caratteristiche mineralogico-petrografiche del substrato determinano la tipologia e l abbondanza dei diversi elementi a disposizione dei processi pedogenetici, e quindi la composizione chimica e le caratteristiche dei suoli.

59 Geologia Suolo Le caratteristiche dei suoli dipendono da un insieme di fattori, i principali dei quali sono: - Clima (temperatura, precipitazioni ecc.) - Litologia del substrato - Vegetazione - Morfologia locale - Posizione orografica La vegetazione influisce in molti modi sulla pedogenesi (fratturazione operata dalle radici, suzione di acqua e ioni in soluzione, rilascio di fogliame e ramoscelli che vanno a formare l humus ecc.) A sua volta, la vegetazione dipende fortemente non solo dalle caratteristiche climatiche, ma anche dallo stesso suolo.

60 Geologia Suolo Le caratteristiche dei suoli dipendono da un insieme di fattori, i principali dei quali sono: - Clima (temperatura, precipitazioni ecc.) - Litologia del substrato - Vegetazione - Morfologia locale - Posizione orografica La morfologia della superficie topografica condiziona lo sviluppo del suolo in quanto ad essa è strettamente connessa la circolazione superficiale e profonda dell acqua, nonché la stabilità dei granuli rispetto alla gravità. Avremo quindi: suoli potenti su superfici sub orizzontali; sui pendii acclivi, invece, il tasso di erosione del suolo connesso ai processi di ruscellamento o ad altri processi di erosione è, di norma, superiore al suo tasso di accrescimento alla base.

61 Geologia Suolo Le caratteristiche dei suoli dipendono da un insieme di fattori, i principali dei quali sono: - Clima (temperatura, precipitazioni ecc.) - Litologia del substrato - Vegetazione - Morfologia locale - Posizione orografica La posizione orografica influisce anch essa sulla pedogenesi, dato che i materiali tendono a essere asportati dalle aree sommitali (dove avremo suoli più sottili) e accumularsi nelle aree depresse (dove si avranno i maggiori spessori).