Dottorato in Scienze della Terra - XX ciclo San Giovanni Valdarno 17 dicembre 2008 Caratterizzazione elettrica di depositi argillosi di origine glaciale, marina ed idrotermale attraverso indagini in situ ed in laboratorio Tutor: Chiar. mo Prof. Luigi Carmignani Co-Tutor Tutor: Prof. Fabio Mantovani Tesi di dottorato di: Tommaso Colonna Laboratorio di Geofisica Università degli studi di Siena via Vetri Vecchi, 34, 52027 San Giovanni Valdarno (AR) www.geotecnologie.unisi.it colonna3@unisi.it
SOMMARIO Impostazione dei rilievi geoelettrici in situ nelle 3 aree test: riferimenti geografici caratteri geologici pianificazione delle indagini Risultati delle indagini geoelettriche in situ per i 3 depositi argillosi Analisi mineralogica e geotecnica dei depositi argillosi L approccio sperimentale in laboratorio mediante il modello fisico ridotto: distribuzione dei valori di resistività vs contenuto idrico identificazione della risposta elettrica per i 3 depositi risposta elettrica a diverse profondità determinazione del contenuto idrico su diverse scale di indagine Conclusioni e prospettive
Depositi di origine glaciale RIFERIMENTI GEOGRAFICI Depositi di origine marina Depositi di origine idrotermale N N N 200 km 100 km 100 km Brianza (MI) circa 40 Km a Nord di Milano Nurra (SS) circa 4 Km a Sud di Pozzo S. Nicola (SS) Gallura N-W N W (SS) circa 3 Km a Nord-Est di S. Maria la Palma
Depositi di origine glaciale Lenti di sabbia Argille e argille limose CARATTERI GEOLOGICI Depositi di origine marina Conglomerati Argille con varia % di quarzo Depositi di origine idrotermale Conglomerati Argille bentonitiche ~ 30 m 20-50 m 35-50 m Conglomerati di origine fluviale tipiche colline ferrettizzate depositi glaciali molto eterogenei conglomerati di origine fluviale cementati in spessi banchi Arenarie Basamento Metamorfico (filladi) ritiro del mare (messiniano) morfologia erosiva riempita da sedimenti alluvionali paleosuoli di circa 10 m di spessore asportazione dei paleosuoli e formazione di argille per laterizi Vulcaniti Basamento granitico apertura di bacini (sistemi di faglie) deposizione di vulcaniti (miocene) chiusura da parte dei conglomerati processo di alterazione idrotermale (bentoniti)
Il quadripolo TOMOGRAFIA ELETTRICA Il dispositivo di misura Il modello di resistività elettrica
DEPOSITI DI ORIGINE GLACIALE PIANIFICAZIONE DELL INDAGINE presenza di numerosi sondaggi esporativi Georesistivimetro ad elettrodi: Rilievo 1 Rilievo 2 Rilievo 3 Rilievo 4 : 315 m spaziatura 5 m : 126 m spaziatura 2 m : 252 m spaziatura 4 m : 63 m spaziatura 1 m Georesistivimetro ad accoppiamento capacitivo (OhmMapper): Area 2 6 linee parallele: 45 m spaziatura linee: 1,5 m copertura totale: 337.5 m 2 Area 1 5 linee parallele: 40 m spaziatura linee: 1,5 m copertura totale 240 m 2 Area 3 4 linee parallele: 20 m spaziatura linee: 2 m copertura totale: 120 m 2
DEPOSITI DI ORIGINE MARINA PIANIFICAZIONE DELL INDAGINE Georesistivimetro ad elettrodi lunghezza variabile da 126 a 630 m ST6 Nurra settentrionale progettata in relazione a: evidenze morfologiche evidenze minerarie Cava di argilla N ST4 ST1 100 km ST5 ST2 Nurra centro-meridionale ST3 N ST7 ST8 100 km Cava di argilla da laterizi
DEPOSITI DI ORIGINE IDROTERMALE PIANIFICAZIONE DELL INDAGINE Georesistivimetro ad elettrodi progettata in relazione a: assetto tettonico evidenze minerarie Cava di bentonite dismessa Rilievo 1 Rilievo 3 Rilievo 1 : 378 m spaziatura el. 6 m Rilievo 2 Rilievo 2 : 441 m spaziatura el. 7 m Cava di bentonite Cava di granito Rilievo 3 : 470 m spaziatura el. 10 m
DEPOSITI DI ORIGINE GLACIALE RESISTIVITÁ ELETTRICA: SCALA DI VALORI Scala univoca di rappresentazione Stratigrafie e Tomografie Calibrazione dei risultati con le stratigrafie Interpretazione dei modelli di resistività Litologie Range di resistività (Ωm) Argille (acqua dolce) 10 120 Argille (acqua salata) 1-1010 Sabbia (da bagnata a asciutta) 100 1000 Limi 10-80 (Telford, W.M., 1990) (Mussett A. E., Khan M. A., 2003)
DEPOSITI DI ORIGINE GLACIALE Rilievo 4 Confronto dati stratigrafici RISULTATI Georesistivimetro ad elettrodi Rilievo 3 Interpretazione geologica Georesistivimetro ad accoppiamento capacitivo (OhmMapper) Sezioni Piante Modelli 3D Area 1
DEPOSITI DI ORIGINE MARINA RESISTIVITÁ ELETTRICA: SCALA DI VALORI Litologie Range di resistività (Ωm) Arenarie 60-10 4 Argille (acqua dolce) 10 120 Argille (acqua salata) 1-1010 Quarziti 2* 10 4 e oltre Filladi 10-10 4 (Mussett A. E., Khan M. A., 2003)
DEPOSITI DI ORIGINE MARINA RISULTATI Rilievo ST1CDW Spaziatura: 2 m Lunghezza: 126 m Profondità: circa 25 m Coperture conglomeratiche Substrato arenaceo alterato Depositi argillosi Depositi argillosi Substrato arenaceo alterato Rilievo ST3ABW Spaziatura: 5 m Lunghezza: 315 m Profondità: circa 55 m
DEPOSITI DI ORIGINE IDROTERMALE RESISTIVITÁ ELETTRICA: SCALA DI VALORI Litologie Range di resistività (Ωm) Argille (acqua dolce) 10 120 Argille (acqua salata) 1-1010 Graniti 300 10 4 e oltre Quarziti 2* 10 4 e oltre (Mussett A. E., Khan M. A., 2003)
DEPOSITI DI ORIGINE IDROTERMALE RISULTATI Rilievo DP1 Spaziatura: 6 m Lunghezza: 378 m Profondità: circa 55m Rilievo DP3 Spaziatura: 10m Lunghezza: 470 m Profondità: circa 80 m
APPROCCIO IN LABORATORIO Diffrattometria a raggi X Modello fisico ridotto Prove di laboratorio su terre Sperimentazione di misure di resistività alla scala del campione 1-16 17-32
ANALISI MINERALOGICA Depositi di origine glaciale Depositi di origine marina Depositi di origine idrotermale Quarzo SiO 2 Clinoclorite Mg 3 Mn 2 AlSi 3 AlO 10 Muscovite KAl 2 Si 3 AlO 10 Quarzo SiO 2 Muscovite KAl 2 Si 3 AlO 10 Caolinite Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 Tosudite (Montmorillonite) NaO 3 Al 6 (Si,Al) 8 O 20 (OH) 10 4H2O Valutazione [1] CEC (meq( meq/100g) Bassa < 10 Media 10-20 Alta >20 Minerale CEC (meq( meq/100g) Montmorillonite Tosudite [2] [2] [3] [4] 80 80-150 Clorite [4] 10-40 Caolinite [3] [4] 0-15 La diffrattometria a raggi X ha confermato i risultati attesi! [1] L.F. Goldberg; E. Arduino, La valutazione della fertilità in Chimica del suolo, Pàtron, p. 522 [2] Elio Passaglia. Zeoliti zeolititi e loro applicazioni, pp. 9. Università di Modena e Reggio Emilia, Dipartimento di Scienze della Terra. [3] S. Battaglia, L. Leoni; F. Sartori (2004). Determinazione della capacità di scambio cationico delle argille attraverso l'analisi in fluorescenza X di pasticche di polvere Atti della Società Toscana Scienze Naturali, Memorie, Serie A 109: 103-113. [4] Belsito et al. Op. cit., p. 261.
Parametri alla condizione C 0 Contenuto H 2 0 PROVE DI LABORATORIO SU TERRE Depositi di origine glaciale Depositi di origine marina Depositi di origine idrotermale Densità 1.24 g/cm 3 1.21 g/cm 3 1.24 g/cm 3 500 ml 8.4% 750 ml 1000 ml 1250ml 1500ml 1750ml 2000ml 2250ml 2500ml 3.9 % 4.7 % 18.2 % 10.7% 13.0% 15.2% 17.5% 19.8% 22.1% 24.4% 26.6% 7.4% 8.7% 10.1% 11.4% 12.8% 14.1% 15.4% 25.6% 29.3% 32.9% 36.7% 40.4% 44.0% 47.7% 51.4% 55.1% Assunzioni Assenza di evaporazione Assenza di perdite dalla base del modello Deposito omogeneo Deposito isotropo
Limiti di consistenza PROVE DI LABORATORIO SU TERRE Depositi di origine glaciale Depositi di origine marina Depositi di origine idrotermale Limite liquido Limite plastico 36.8 % 31.1 % 74.7 % 20.1 % 19.2 % 46.6 % Origine del deposito Ip Indice di plasticità Ic Indice di consistenza Glaciale 16.7 2.0 Marina 11.9 2.2 Idrotermale 28.1 2.0 Ip contenuto percentuale di minerali argillosi sensibilità alle variazioni di contenuto d acqua
MODELLO FISICO RIDOTTO - PIANIFICAZIONE Condizione C 0 + Dati tecnici rilievi MODELLO FISICO RIDOTTO lunghezza distanza interelettrodica numero elettrodi di misura 31 cm 1 cm 32 numero di letture 354 metodo di acquisizione blocchi utilizzati per l inversione Dipolo-dipolo (n=2) 211 livelli del modello 11 punti utilizzati per l inversione 354 Distinguere la risposta elettrica dei 3 depositi Controllare ρ al variare del contenuto idrico per i 3 depositi Rapportare le evidenze geoelettriche dello studio ai risultati mineralogici e geotecnici Contenuto idrico 500 ml + 750 ml + 1000 ml +.
Indagine in situ OBIETTIVO? Indagine in laboratorio Depositi di origine glaciale Depositi di origine marina Depositi di origine idrotermale Depositi di origine glaciale Depositi di origine marina Depositi di origine idrotermale Le misure di resistività in laboratorio, confortate da misure diffrattometriche e fisico-meccaniche, permettono di caratterizzare meglio i depositi argillosi su scala di situ?
Pseudosezione Resistività apparente misurata MISURE DI RESISTIVITÁ IN LABORATORIO: RISULTATI 25.0 20.0 Frequenza errori strumentali Frequenza incertezze strumentali Pseudosezione Resistività apparente calcolata Frequenza (%) 15.0 10.0 5.0 0.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Dev. Standard Dev. standard (%) (%) Modello di resistività Frequenza (%) (%) 30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 di resistività Distribuzione valori di resistività 0.0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 ρ ρ (Ωm) Frequenza (%) (%) Frequenza errori - Inversione Frequenza incertezze - inversione 40.0 35.0 30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 Dev. Dev. Standard standard (%) Frequenza Frequenza (%) (%) 80.0 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 dei per profondità Profondità 0 m Distribuzione valori di resistività - profondità Profondità 0.1 m 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ρ (Ωm) ρ (Ω m) Profondità 0 m Profondità 0.2 m Profondità 0.3-0.5 m Profondità 0.01 m Profondità 0.02 m Profondità 0.03-0.05 m
DEP. DI ORIGINE MARINA - MODELLO FISICO RIDOTTO Condizione w: w 12.76% 14.09% 15.43% 11.42% 10.08% 7.41% 8.75% = 4.7 % Distribuzione dei valori di resistività Incremento 500ml 750ml 1000ml 1250ml 1500ml 1750ml 2000ml Modello di resistività
DEP. DI ORIGINE IDROTERMALE MOD. FISICO RIDOTTO Condizione w: C 0 55.10% 32.99% 25.62% 44.04% 47.73% 51.41% 36.67% 40.36% 29.30% = 18.2 % Distribuzione dei valori di resistività Incremento 500ml 750ml 1000ml 1250ml 1500ml 1750ml 2000ml 2250ml Modello di resistività 2500ml
DEP. DI ORIGINE GLACIALE - MODELLO FISICO RIDOTTO Condizione w: C13.00% 26.65% 22.10% 19.83% 24.38% 10.73% 15.28% 17.55% 0 8.45% = 3.9 % Distribuzione dei valori di resistività Incremento 500ml 750ml 1000ml 1250ml 1500ml 1750ml 2000ml 2250ml Modello di resistività 2500ml
RISPOSTA ELETTRICA DEI 3 DEPOSITI Misure di resistività in laboratorio - Modello fisico ridotto 60 50 Frequenza dei valori di resistività - 1500 ml Depositi di origine marina Frequenza (%) 40 30 20 10 Depositi di origine idrotermale Depositi di origine glaciale 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ρ (Ωm)
RISPOSTA ELETTRICA DEI 3 DEPOSITI Misure di resistività in situ 20 18 16 Frequenza dei valori di resistività - Situ Depositi di origine marina Frequenza (%) 14 12 10 8 6 4 Depositi di origine idrotermale Depositi di origine glaciale 2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ρ (Ωm)
COMPARAZIONE DELLA RISPOSTA ELETTRICA Misure in laboratorio Misure in situ 60 Frequenza dei valori di resistività - 1500 ml 20 Frequenza dei valori di resistività - Situ 50 18 16 Frequenza (%) 40 30 20 10 Frequenza (%) 14 12 10 8 6 4 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ρ (Ωm) Dep. Di origine glaciale Dep. Di origine marina Dep. Di origine idrotermale 2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ρ (Ωm) Dep. di origine glaciale Dep. di origine marina Dep. di origine idrotermale Buona correlazione tra le distribuzioni dei valori di resistività in situ ed in laboratorio. Le distribuzioni in situ ed in laboratorio permettono di distinguere i 3 diversi depositi argillosi.
RISPOSTA ELETTRICA - PROFONDITÀ 500ml 2000ml Depositi di origine glaciale Frequenza (%) 20.0 18.0 16.0 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 Distribuzione dei valori di resistività per profondità Profondità 0 m Profondità 0.01 m Profondità 0.02 m Profondità 0.03-0.05 m Frequenza (%) 40.0 35.0 30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 Distribuzione dei valori di resistività per profondità Profondità 0 m Profondità 0.01 m Profondità 0.02 m Profondità 0.03-0.05 m 2.0 5.0 0.0 10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 ρ (Ω m) 0.0 10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 ρ (Ω m) 60.0 Distribuzione dei valori di resistività per profondità Profondità 0 m Profondità 0.1 m 80.0 Distribuzione dei valori di resistività per profondità Profondità 0 m Profondità 0.1 m Depositi di origine marina Frequenza (%) 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 Profondità 0.2 m Profondità 0.3-0.5 m Frequenza (%) 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 Profondità 0.2 m Profondità 0.3-0.5 m 0.0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ρ (Ω m) 0.0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ρ (Ω m) Depositi di origine idrotermale Frequenza (%) 50.0 45.0 40.0 35.0 30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 Distribuzione dei valori di resistività per profondità Profondità 0 m Profondità 0.01 m Profondità 0.02 m Profondità 0.03-0.05 m Frequenza (%) 100.0 90.0 80.0 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 Distribuzione dei valori di resistività per profondità Profondità 0 m Profondità 0 m Profondità 0.1 m Profondità 0.2 m Profondità 0.03-0.05 m Profondità 0.01 m Profondità 0.02 m Profondità 0.03-0.05 m 0.0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 ρ (Ω m) 0.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ρ (Ω m)
ρ(ω m) - mediana 160 140 120 100 80 60 40 20 RISPOSTA ELETTRICA - PROFONDITÀ Depositi di origine glaciale - Valori di resistività per profondità 0 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 Step di incremento di w (ml) 0 cm 1 cm 2 cm 0.3-0.53 5 cm si osserva in che punto si ha la stabilizzazione dei valori di resistività ρ(ω m) - mediana Depositi di origine idrotermale - Valori di resistività per profondità 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 Step di incremento di w (ml) 0 cm 1 cm 2 cm 0.3-0.53 5 cm ρ(ωm) - mediana 14 12 10 8 6 4 2 0 Considerando la massima profondità del volume indagato (3-5 cm) Depositi di origine marina - Valori di resistività per profondità 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 Step di incremento di w (ml) 0 cm 1 cm 2 cm 0.3-0.5 3 5 cm Indice della capacità del deposito di farsi attraversare dall acqua acqua
STUDIO DI ρ IN RELAZIONE AL CONTENUTO D ACQUA (w) Depositi di origine idrotermale - Resistività vs Contenuto idrico 12 ρ (Ωm) - mediana 10 8 6 4 2 0 0 10 20 30 40 50 60 w (%) ρ= q+ m logw Nielsen (1972) Seyfried (1993) Archie (1942) Gupta and Hanks (1972) Tratto AB: per limitati contenuti idrici, valori di ρ elevati Tratto BC: punto nodale, brusca variazione della risposta elettrica Tratto CD: stabilizzazione dei valori di ρ
DETERMINAZIONE DI w SU DIVERSE SCALE D INDAGINE Frequenza (%) 25 20 15 10 5 0 Dep. di origine idrotermale - Frequenza valori di resisitvità 0 10 20 30 40 50 Per un determinato w si ha un best fit tra: curva relativa al rilievo in situ curva relativa al rilievo in laboratorio. Resistività (Ωm) 500ml (in laboratorio) 1DP (in situ Gallura) 2DP 2P (in situ Gallura) Trend di resistività in relazione agli incrementi di w (Modello fisico ridotto) mediana dei valori di ρ (indagini in situ) livello di w presente al momento della misura
CONCLUSIONI La diffrattometria a raggi X e le prove di laboratorio su terre hanno permesso una precisa caratterizzazione dei 3 depositi argillosi. In situ l indagine ha permesso un individuazione chiara dei depositi argillosi. In laboratorio l indagine elettrica dei 3 depositi è stata seguita e controllata al variare del contenuto idrico. In laboratorio l indagine elettrica ha permesso di studiare la risposta elettrica in funzione della profondità. Le indagini in situ e in laboratorio hanno messo in luce una chiara e distinta caratterizzazione dei 3 depositi. A partire dall indagine in situ si è proposto un sistema di determinazione del contenuto idrico attraveso un controllo della risposta elettrica in laboratorio.
PROSPETTIVE ρ (Ωm) - mediana 12 10 8 6 4 2 0 Depositi di origine idrotermale - Resistività vs Contenuto idrico 0 10 20 30w e 40 50 60 w (%) w e limite di contenuto idrico in corrispondenza del quale mutano le proprietà chimico-fisiche dei depositi w t Limite di contenuto idrico al di sotto del quale il terreno non permette uno scambio significativo di calore mod. di Kersten
SONDE PER ACQUA DI FALDA
Grazie per l attenzione. l