Università Mediterranea di Reggio Calabria. Corso di GEOLOGIA APPLICATA. Maria Clorinda Mandaglio

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1 Università Mediterranea di Reggio Calabria FACOLTA DI INGEGNERIA Corso di GEOLOGIA APPLICATA Maria Clorinda Mandaglio

2 TESTI CONSIGLIATI - Dispense del Corso - Scesi L., Papini M., Gattinoni P. (2006). Geologia applicata Il rilevamento geologico-tecnico. g Casa Editrice Ambrosiana - Casati P. e Pace F. (2000). Scienze della Terra. Volume 2

3 TERMINOLOGIA GEOLOGIA Scienza che studia la costituzione e la struttura della terra, nonché le cause che ne hanno determinato e ne determinano l evoluzione GEOMORFOLOGIA Scienza che studia ed interpreta le forme della superficie terrestre GEOLOGIA APPLICATA Scienza che studia e risolve i problemi di carattere ingegneristico ed ambientale che sorgono dall'interazione fra componente geologica di un territorio ed attività umane svolte su di esso

4 GEOLOGIA APPLICATA Evidenzia le condizioni geologico-stratigrafiche ed idrogeologiche del sottosuolo (MODELLO GEOLOGICO) attraverso un piano articolato di indagini geologiche, geomorfologiche, geologico-strutturali, idrogeologiche, geofisiche Indagini in sito (geologiche, geomorfologiche, idrogeologiche, ecc.) Caratterizzazione geologica Modello geologico Modello geotecnico Modello di calcolo Progetto

5 GEOLOGIA

6 STRUTTURA E COMPOSIZIONE DELLA TERRA Formata nelle sue linee essenziali da: CROSTA (oceanica, continentale), MANTELLO (superiore, inferiore), NUCLEO (esterno, interno). 1= nucleo interno 2= nucleo esterno 3= mantello inferiore 4= mantello superiore 5= crosta

7 STRUTTURA E COMPOSIZIONE DELLA TERRA Crosta e mantello superiore sono sede dei fenomeni geologici che interessano più direttamente le attività umane

8 INDIVIDUAZIONE DELLE DISCONTINUITÀ DELLA TERRA Velocità delle onde sismiche (km/s) Zona di transizione Discontinuità di Gutemberg Mantello Nucleo

9 Proprietà degli strati formanti la Terra [da Attewell & Farmer, 1976]

10 MODELLO CINEMATICO Mantello rigido + Crosta terrestre = LITOSFERA Mantello viscoelastico (parzial. fuso) = ASTENOSFERA

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

12 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 => risalita di magma basaltico lungo le dorsali oceaniche => formazione di nuova crosta e allontanamento fra le placche

13 EVOLUZIONE DELLA CROSTA TERRESTRE Posizione relativa dei continenti in 4 periodi a partire dal Trias inferiore c.ca 220 Ma c.ca 190 Ma c.ca 140 Ma c.ca 65 Ma

14 MOVIMENTI RELATIVI FRA PLACCHE Allontanamento di due placche (dorsali oceaniche) => Scontro fra due placche (una continentale e una oceanica) => Scontro fra due placche continentali =>

15 Allontanamento di due placche Dorsali oceaniche: zone di accrescimento (fuoriuscita di materiale lungo fratture ed allontanamento t delle placche simmetrico i lungo l asse della dorsale)

16 Scontro 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

17 Scontro fra due placche (continentali) => Zone di obduzione (accavallamento fra due placche) => formazione di catene montuose ( orogenesi ), => loro progressivo innalzamento (e successivi processi di erosione).

18 FENOMENI ENDOGENI Collegati al movimento delle placche (continentali, oceaniche), alla formazione e risalita di magmi verso la superficie terrestre ed ai processi orogenetici. Comprendono: PLUTONI VULCANI TERREMOTI

19 Relazioni tra le principali placche terrestri ed i fenomeni endogeni connessi ai loro movimenti relativi: posizione dei principali vulcani e degli epicentri di terremoti recenti. [da Bell, 1998]

20 FENOMENI ENDOGENI PLUTONI: derivano 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.

21 I PLUTONI Rappresentazione schematica di un plutone granitico, con relativi filoni e porzione superiore asportata dai processi di erosione.

22 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).

23 I VULCANI

24 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 lineari

25 Tipi di eruzioni - CENTRALI Eruzioni laviche La lava fluisce facilmente (basaltica), si espande e forma un ampio vulcano a forma di scudo con versanti poco acclivi.

26 Tipi di eruzioni - CENTRALI Eruzioni piroclastiche Bocche 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.

27 Tipi di eruzioni - CENTRALI Eruzioni composte Vulcano che emette sia lava sia piroclasti; si forma un cono composto o stratovulcano.

28 Tipi di eruzioni - LINEARI La lava defluisce rapidamente dalle fessure e forma estesi strati invece di accumularsi edificando un cono vulcanico.

29 PRODOTTI ERUTTIVI PIROCLASTI: prodotti vulcanici emessi nel corso di eruzioni esplosive. Hanno nomi diversi a seconda della loro origine e delle loro dimensioni. Φ > 64 mm bombe (emesse allo stato liquido) blocchi (emessi allo stato t solido) 64 mm Φ 2 mm lapilli 2 mm Φ 62 micron cenere grossolana Φ 62 micron Φ 62 micron cenere fine

30 BASALTI PRODOTTI ERUTTIVI

31 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.

32 Volume di roccia che, sottoposto a tensione, si rompe dando luogo a scorrimento relativo lungo un piano di debolezza (piano di faglia). La rottura ha inizio nell ipocentro e si propaga lungo il piano di faglia, consentendo lo scorrimento relativo dei due lembi di faglia. Geometria della faglia e senso del movimento sono determinati dalla combinazione di sforzi tettonici a carattere locale e regionale.

33 Ipocentro ofuocosismico: zona interna alla crosta terrestre in cui si origina la frattura, a, conliberazione o e di energia. e Epicentro: zona della superficie terrestre posta sulla verticale dell ipocentro, dove arriva un insieme di onde di varia frequenza e velocità che fanno vibrare il terreno.

34 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 calore.

35 TIPI DI TERREMOTI - Tettonici, l origine delle onde sismiche è provocata dal generarsi di faglie, sono i più importanti. - Vulcanici, la liberazione di onde sismiche è provocata dalla risalita delle masse magmatiche sotto la spinta dei gas. -dicrollo, l origine delle onde sismiche è dovuta alla caduta improvvisa di volte di caverne, di gallerie o anche di grandi falde rocciose su versanti montuosi.

36 Simulazione Onde sismiche

37 La rottura all interno della terra libera energia sotto forma di onde elastiche, che vengono registrate dai sismografi Le onde sismiche

38 Le onde sismiche Nell ipocentro Nell epicentro epicentro Onde P Onde S Onde L

39 Le onde sismiche Sono caratterizzate t dauntrasferimento t di energia e non dauntrasporto t di massa. Onde P, prime o di compressione, devono la loro propagazione a successive fasi di compressione e di espansione delle rocce, per cui le particelle vibrano avanti e indietro nella stessa direzione in cui avviene la propagazione. Si propagano in qualsiasi mezzo

40 Le onde sismiche Onde S, seconde o trasversali o di taglio, la vibrazione provoca l oscillazione delle particelle lungo un piano perpendicolare alla direzione i di propagazione. Si propagano soltanto nei solidi.

41 Onde P MOTI DEL SUOLO Onde S V P = 4 μ + k 3 δ Vs = μ δ δ = densità μ = modulo di taglio Resistenza che oppongono le rocce alle forze che tendono a variare la forma k = modulo di incompressibilità Resistenza che oppongono le rocce alle forze che tendono a variare il volume

42 Le onde sismiche Onde superficiali L Onde Rayleigh: si trasmettonott in qualsiasi mezzo e producono spostamenti retrogradi e di forma ellittica nel piano verticale. Onde Love: producono spostamenti orizzontali, trasversali rispetto alla direzione di propagazione.

43 Strumenti di registrazione SISMOGRAFI: strumenti costituiti da masse sospese per mezzo di molle che restano 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 di entrare in vibrazione contemporaneamente alle vibrazioni della terra stessa.

44 Sismogrammi La registrazione del sismografo è un sismogramma, su cui si può leggere l arrivo successivo delle onde sismiche. Si distinguei una prima parte riferibile ibil alle sole onde longitudinali, li le più veloci equindi idile prime 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 finale o coda formata soltanto dalle onde lunghe, prima quelle di Rayleigh e poi quelle di Love.

45 Grandezze misurate La misura delle onde sismiche può avvenire in termini di energia rilasciata all ipocentro (magnitudo M) oppure attraverso la stima degli effetti in superficie (intensità). Magnitudo: grandezza collegata alla quantità di energia che le rocce possono accumulare prima di rompersi e all area area della frattura. Il valore dell energia effettivamente liberata da un terremoto si ricava dalla magnitudo mediante e relazioni ea empiriche e che ce variano a a secondo delle e aree aee geografiche e soprattutto geologiche. In Italia la relazione che si adopera è la seguente: 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 dello sconvolgimento del suolochesi verifica intuttal area incui il terremoto è avvertito.

46 Grandezze misurate

47 Grandezze misurate

48 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 orizzontali, le più pericolose per gli edifici. Strumenti di misura accelerografi Per la valutazione della pericolosità sismica, riveste grande importanza la Per la valutazione della pericolosità sismica, riveste grande importanza la componente orizzontale della accelerazione massima al suolo

49 Scale di misura La misura dell intensità dei terremoti è basata su scale empiriche, suddivise in gradi di danneggiamento crescente, normalmente indicati con numeri romani, ognuno dei quali è individuato 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, riferiti all esperienza locale: a effetti psichici e meccanici sugli uomini e sugli animali; Grado di danneggiamento b effetti sugli oggetti; c effetti sulle costruzioni; d effetti sul suolo; e effetti sulle acque superficiali e sotterranee; f effetti geologici g e geomorfologici. g

50 Scale di Misura MCS

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52 Effetti in superficie delle onde sismiche Onde longitudinali (P): raggiungono g la superficie terrestre, vengono rifratte dall aria e, se la loro frequenza è di un certo tipo, nel propagarsi nell atmosfera danno luogo a vibrazioni acustiche che sono la causa dei rumori e dei boati che talvolta vengono uditi quando si verificano i terremoti. Onde trasversali (S): producono spostamento sia orizzontale che verticale della superficie terrestre sono in grado di danneggiare le strutture. Onde superficiali (R e L): provocano i danni maggiori a causa della loro ampiezza.

53 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.

54 Le onde sismiche, allontanandosi dall ipocentro, subiscono generalmente un assorbimento progressivo (attenuazione)

55 Conseguenze dei terremoti 1) Deformazioni: danni/distruzioni di: edifici (pubblici, privati); infrastrutture (strade, ferrovie); tubazioni interrate (es. oleodotti); altre opere antropiche (es. dighe). => rotture nel terreno e riattivazione di faglie; innesco di frane (es. crolli); innesco di valanghe; modifiche di corsi d acqua; svuotamento/riempimento di laghi.

56 Conseguenze dei terremoti 2) Variazioni di pressione neutra: => livello delle falde idriche; portata/temperatura delle sorgenti; liquefazione dei terreni; innesco di frane (per liquefazione). 3) Tsunami: => distruzioni lungo le coste. 4) Conseguenze sociali, politiche, economiche: => panico incontrollato; criminalità indotta; uso del suolo e del territorio.

57 Effetti dei terremoti sulla superficie

58 Effetti dei terremoti sulle costruzioni

59 Effetti dei terremoti sulle costruzioni

60 Isosisme per il terremoto dell Irpinia 1980

61 Fenomeni indotti:i maremoti o Tsunami Sono onde lunghe che si propagano in acqua con periodo generalmente compreso fra 5 e 60 minuti. Possono essere generate da: - Eruzioni vulcaniche; - Frane sottomarine; - Crolli di roccia in mare; - Forti Terremoti sottomarini ( 7 magnitudo Scala Richter).

62 Fenomeni indotti:i maremoti o Tsunami 1) Si sposta una grande massa d'acqua; 2) Lo spostamento t 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'altezzaaltezza 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.

63 Fenomeni indotti:i maremoti o Tsunami

64 Distribuzione dei terremoti