GEOLOGIA APPLICATA - Dispense PDF

GEOLOGIA APPLICATA Andrea Maiorino Sommario 1. LA STRUTTURA DEL PIANETA TERRA................................................................................................ 5 CROSTA TERRESTRE..........................................................................................................

GEOLOGIA APPLICATA Andrea Maiorino Sommario 1. LA STRUTTURA DEL PIANETA TERRA................................................................................................ 5 CROSTA TERRESTRE....................................................................................................................... 5 2. MINERALI E ROCCE........................................................................................................................ 6 2.1. MINERALI................................................................................................................................ 6 Formazione dei minerali.............................................................................................................. 6 Proprietà dei minerali.................................................................................................................... 6 Classi di minerali: SILICATI.......................................................................................................... 6 Classi di minerali: CARBONATI.................................................................................................... 7 Classi di minerali: SOLFATI.......................................................................................................... 7 Classi di minerali: FOSFATI.......................................................................................................... 7 Classi di minerali: SOLFURI......................................................................................................... 7 Classi di minerali: OSSIDI............................................................................................................ 7 2.2. ROCCE.................................................................................................................................... 7 2.1.1. TIPOLOGIE DI ROCCE........................................................................................................ 7 2.1.2. CICLO LITOGENETICO....................................................................................................... 8 2.1.3. Differenze tra roccia e terra................................................................................................ 8 2.1.4. STRUTTURA E TESSITURA DELLE ROCCE............................................................................ 8 2.1.5. GRANULOMETRIA............................................................................................................. 8 2.1.6 NOMENCLATURA DEI TERRENI........................................................................................... 9 2.1.7. CLASSIFICAZIONE LAPIDEI................................................................................................ 9 2.3. MAGMATISMO E ROCCE MAGMATICHE.................................................................................... 9 2.3.1. ROCCE IGNEE................................................................................................................... 9 2.3.2 ROCCE VULCANICHE......................................................................................................... 9 2.3.3 DIAGRAMMA DI STRECKEISEN QAPF................................................................................. 10 2.3.4. CLASSIFICAZIONE ROCCE IGNEE.................................................................................... 10 2.3.5. MAGMATISMO................................................................................................................. 10 2.3.6. CRISTALLIZZAZIONE FRAZIONATA.................................................................................... 10 2.3.7. CURVA DI SOLIDUS......................................................................................................... 10 2.3.8. MAGMATISMO DI DORSALE............................................................................................. 11 2.3.9 MAGMATISMO OROGENICO............................................................................................. 11 2.3.10. MAGMATISMO INTRA-PLACCA....................................................................................... 11 2.4 ROCCE E AMBIENTI SEDIMENTARI.......................................................................................... 11 2.4.1 CICLO LITOGENETICO...................................................................................................... 11 1  2.4.2 BACINI SEDIMENTARI....................................................................................................... 12 2.4.3 AMBIENTI SEDIMENTARI................................................................................................... 12 2.4.4 TRASPORTO E DEPOSITO IN AMBITO FLUVIALE................................................................. 12 2.4.5 TRASPORTO E DEPOSITO IN AMBITO GLACIALE................................................................. 13 2.4.6 TRASPORTO E DEPOSITO IN AMBITO MARINO................................................................... 13 2.4.7 DIAGENESI....................................................................................................................... 13 2.4.8 CLASSIFICAZIONE DELLE ROCCE SEDIMENTARIE............................................................. 13 2.5 METAMORFISMO E ROCCE METAMORFICHE........................................................................... 14 2.5.1 RUOLO DELLA TEMPERATURA.......................................................................................... 14 2.5.2 RUOLO DELLA PRESSIONE............................................................................................... 14 2.5.3 TIPI DI METAMORFISMO e TERMINOLOGIA........................................................................ 14 3. GEOLOGIA APPLICATA................................................................................................................. 15 3.1. CENNI STORICI ORIGINE DELLA TERRA E STRUTTURA............................................................ 16 3.2 CENNI DI TEORIA DELLA TETTONICA DELLE PLACCHE............................................................ 16 3.2.1 TEORIA DELLA TETTONICA A ZOLLE.................................................................................. 16 3.2.2 MARGINI DELLE ZOLLE..................................................................................................... 17 3.2.3 ZONE DI SUBDUZIONE..................................................................................................... 17 3.2.4 ZONE DI OBDUZIONE....................................................................................................... 18 3.2.5 OROGENESI..................................................................................................................... 18 3.2.6 DORSALI OCEANICHE...................................................................................................... 18 4. VULCANESIMO E TERREMOTI....................................................................................................... 18 4.1 VULCANESIMO....................................................................................................................... 18 4.1.1 VULCANI ATTIVI ITALIANI.................................................................................................. 18 4.2 TERREMOTI......................................................................................................................... 19 4.2.3. TERREMOTI TETTONICI.................................................................................................... 19 4.2.4 ONDE SISMICHE.............................................................................................................. 19 4.2.5 INTENSITÀ E GRANDEZZA DEI TERREMOTI........................................................................ 20 4.2.6 SISMOMETRO.................................................................................................................. 21 5 MECCANICA DELLE ROCCE.......................................................................................................... 21 5.1. FATTORI GEOLOGICI SULLE PROPRIETÀ FISICO-MECCANICHE DELLE ROCCE........................ 21 5.2 FATTORI ANTROPICI................................................................................................................ 22 5.3. FATTORI NATURALI CHE MODIFICANO LE PROPRIETÀ............................................................. 22 5.4 CARATTERISTICHE DEGLI AMMASSI ROCCIOSI........................................................................ 22 5.5 ROCCE INTATTE...................................................................................................................... 22 2  5.5.1 PROPRIETA’ ROCCE INTATTE............................................................................................. 22 5.5.2 STRUMENTI DI MISURAZIONE........................................................................................... 23 5.5.3 POINT LOAD TEST............................................................................................................. 24 5.5.4 CLASSIFICAZIONE GENERALE DELLE ROCCE PER ORIGINE.............................................. 24 5.5.5 CLASSIFICAZIONE DELLE ROCCE IN BASE A RESISTENZA A COMPRESSIONE.................... 25 5.5.6 CLASSIFICAZIONE DELLE ROCCE IN BASE ALL’ALTERAZIONE............................................ 25 5.6. CLASSIFICAZIONE AMMASSI ROCCIOSI RQD......................................................................... 26 5.7. FOCUS CARATTERIZZAZIONE MECCANICA DELLE ROCCE INTATTE......................................... 27 5.7.1 GRANDEZZE FONDAMENTALI E CARATTERISTICHE COMUNI ALLE PROVE......................... 28 5.7.2 PROVA DI COMPRESSIONE SU PROVINI CILINDRICI.......................................................... 28 5.7.3 PROVE DI CREEP.............................................................................................................. 30 5.7.4 PROVA BRASILIANA.......................................................................................................... 30 6 AMMASSI ROCCIOSI..................................................................................................................... 31 6.1 CARATTERIZZAZIONE AMMASSI ROCCIOSI.............................................................................. 31 6.1.1 INDAGINE SUGLI AMMASSI ROCCIOSI.............................................................................. 31 6.1.2 DEFINIZIONE DELLE DISCONTINUITÀ............................................................................... 31 6.1.3 PARAMETRI DI DESCRIZIONE DELLE DISCONTINUITÀ........................................................ 31 6.1.4 FOCUS SCABREZZA......................................................................................................... 33 6.1.5 RESISTENZA GIUNTI......................................................................................................... 33 6.1.6 PROPRIETÀ MECCANICHE DEI GIUNTI.............................................................................. 33 6.1.6.1 SUPERFICI PIANE MOHR-COULOMB.............................................................................. 33 6.1.7 PROPRIETÀ MECCANICHE DEI GIUNTI SCABRI MODELLO DI PATTON................................ 34 6.1.7 PROPRIETÀ MECCANICHE DEI GIUNTI SCABRI MODELLO DI LADANY E ARCHANBAULT..... 34 6.1.8 PROPRIETÀ MECCANICHE DEI GIUNTI SCABRI MODELLO DI BARTON CHOUBEY............... 34 6.1.9 INDICI DI QUALITÀ DELL’AMMASSO ROCCIOSO................................................................ 35 6.2 CLASSIFICAZIONE AMMASSI ROCCIOSI.................................................................................. 35 6.2.1 CLASSIFICAZIONE DI DEERE............................................................................................ 35 6.2.2 CLASSIFICAZIONE DI DEERE MILLER................................................................................ 36 6.2.3 CLASSIFICAZIONE DI BENIAWSKI E ROMANA.................................................................... 36 6.2.4 CLASSIFICAZIONE DI BARTON.......................................................................................... 37 CLASSIFICAZIONE GSI (Geolocical Strenght Index).................................................................... 38 CRITERIO DI ROTTURA DI HOEK E BROWN PER GLI AMMASSI ROCCIOSI.................................... 39 7 MECCANICA DEL CONTINUO........................................................................................................ 39 LEGAMI COSTITUTIVI RAPPORTI STRESS STRAIN (Comportamento delle rocce sottoposte a stress) 40 3  LEGAME ELASTICO................................................................................................................... 40 LEGAME VISCOSO.................................................................................................................... 41 LEGAME PLASTICO................................................................................................................... 41 LEGAME ELASTO-PLASTICO...................................................................................................... 42 LEGAME VISTO-PLASTICO ALLA BINGHAM................................................................................ 42 LEGAME VISCO-ELASTICO ALLA MAWELL................................................................................. 42 LEGAME VISCO ELASTICO DI KELVIN VOIGT.............................................................................. 42 STATI TENSIONALI IN SITO............................................................................................................ 42 TENSIONI LITOSTATICHE........................................................................................................... 43 MECCANISMI DEFORMATIVI......................................................................................................... 43 MODELLI DI STRESS BEHAVIOR (LEGAMI COSTITUTIVI O CRITERI DI RESISTENZA)......................... 44 INVILUPPI DI ROTTURA............................................................................................................. 44 RESISTENZA DI PICCO E RESISTENZA RESIDUA......................................................................... 46 ANISOTROPIA........................................................................................................................... 46 CRITERIO DI ROTTURA DI HOEK E BROWN................................................................................ 47 TERRENI.......................................................................................................................................... 48 CLASSIFICAZIONE TERRENI......................................................................................................... 49 PROPRIETÀ DEI TERRENI.............................................................................................................. 49 PROPRIETÀ DEI SINGOLI GRANULI............................................................................................ 49 PROPRIETÀ DEGLI AGGREGATI.................................................................................................. 49 INDAGINI GEOGNOSTICHE.......................................................................................................... 51 INDAGINI DIRETTE........................................................................................................................ 51 SONDAGGI MECCANICI............................................................................................................ 51 METODI DI PERFORAZIONE....................................................................................................... 52 SONDAGGI MECCANICI A PERCUSSIONE................................................................................. 52 METODO DI CIRCOLAZIONE DIRETTA........................................................................................ 54 METODO DI CIRCOLAZIONE INDIRETTA..................................................................................... 54 STABILIZZAZIONE DEI FORI....................................................................................................... 55 4 1. LA STRUTTURA DEL PIANETA TERRA La struttura del nostro pianeta può essere classificata in due modi principali: divisione in base alla composizione e divisione in base alla reologia. Divisione in base alla composizione: tre strati Crosta, Mantello e Nucleo. Divisione in base alla reologia: sempre tre strati Litosfera, Astenosfera e Mesosfera. I tre strati sono divisi dalle tre discontinuità fondamentali: - la discontinuità di Mohorovicic: che divide la crosta dal mantello. - la discontinuità di Gutenberg: che divide mantello dal nucleo esterno. - la discontinuità di Lehmann che divide Il nucleo esterno da quello interno. La temperatura e la pressione determina quello che è lo stato della materia se solido o fuso e la sua struttura atomica, la curva che determina il gradiente geotermico è detta Geoterma. Il gradiente geotermico è pari a circa 30°/km nella maggior parte della crosta continentale. Alla base della litosfera la geoterma passa al di sopra del punto di fusione delle rocce del mantello. La rapida risalita del gradiente indica che il calore viene trasportato attraverso la litosfera per conduzione mentre all’interno del mantello per convezione. La conduzione avviene quando gli atomi agitati si urtano tra di loro traferendo calore da una regione calda ad una fredda. CROSTA TERRESTRE La crosta terrestre rappresenta solo lo 0.4 % della massa totale del pianeta e può essere divisa in crosta continentale e crosta oceanica, la prima è più antica della seconda con rocce di quasi 4 miliardi di anni principalmente silicatiche ricche in ferro e Magnesio, la seconda invece più giovane è formata da rocce silicatiche ricche in alluminio e silicio. La crosta finisce con la MOHO (la discontinuità di Mohorovicic), ovviamente non termina in modo netto ma si adatta attraverso il principio dell’Isostasia equilibrio gravitazionale tra crosta e mantello litosferico. Isostasia: a rilievi alti corrispondono radici ugualmente alte in profondità radici delle montagne, erodendosi le montagne si alleggeriscono appesantendo i fondali dei bacini per sedimentazione spingendo verso il basso e quindi facendo risalire le rocce vicine creando nuovi rilievi un ciclo di equilibrio in sintesi. MANTELLO Esso rappresenta l’84 % del volume della terra ed è costituito da rocce silicatiche ultramafiche (peridotiti). Esso è diviso in mantello superiore e mantello inferiore, il primo fino a 680 km di profondità. NUCLEO Il nucleo è identificato dalla discontinuità di Gutenberg, la differenza tra mantello è nucleo è nella composizione difatti il nucleo è formato principalmente da ferro metallico. Il nucleo scende fino a 6370 km di profondità diviso in nucleo interno (solido), ed esterno (liquido). A 5200 km c’è la discontinuità di Lehman che divide nucleo interno ed esterno. 5 2. MINERALI E ROCCE 2.1. MINERALI Un minerale è una sostanza solida e cristallina, reperibile in natura, inorganica, con una composizione chimica specifica e che non può essere scissa in componenti più piccoli per mezzo di attrezzature meccaniche. Formazione dei minerali I minerali si formano attraverso processi di cristallizzazione a partire da un gas o da un liquido accrescendo un solido, gli atomi si distribuiscono in maniera precisa nel solido cristallino. Si parte quindi da un singolo cristallo per arrivare al minerale che è diviso da facce precise dette facce cristalline, l’esterno è la rappresentazione della struttura interna del minerale. Due sono i principali processi di cristallizzazione: per raffreddamento (abbassamento repentino della temperatura di un magma) o per evaporazione (di una soluzione). Caso particolare è quello, ad esempio, del polimorfismo del carbonio, legami deboli formano grafite mentre legami forti formano il diamante. Proprietà dei minerali Le principali proprietà dei minerali sono: - la durezza: misura la facilità con il quale un minerale viene scalfito, usata per stimare la resistenza meccanica o l’abrasività della roccia. Dipende molto dai legami chimici e dalla loro forza. - la sfaldatura: misura la tendenza di un minerale a rompersi lungo facce parallele. Ovviamente anch’essa dipende dalla forza dei legami chimici ma in modo inversamente proporzionale. - La frattura: rottura non piana e irregolare lungo la quale il minerale si rompe se sottoposto a sforzi, i piani di frattura sono chiamati anche paini di clivaggio. Ci sono tre tipi di frattura: concoide (su superfici lisce e curve), terrosa (minuscoli grani sulla superficie), fibrosa (superficie cosparsa di fibre). - La lucentezza: indica la capacità di riflettere la luce di un minerale, può essere metallica (assorbe totalmente la luce risultando opaca), non metallica (più o meno trasparenti) - Il colore: conseguenza diretta della luce, poco attendibile, difatti alcuni minerali hanno colorazioni tipiche mentre altri variano. Per caratterizzarlo si esegue lo striscio caratterizzando il colore della polvere rilasciata. Classi di minerali: SILICATI QUARZO: minerali più comune della crosta terrestre circa il 12% del volume esso si trova nelle rocce magmatiche e sedimentarie. Grande resistenza meccanica, componente di sabbie e limi. Utilizzi: fabbricazione vetro, cemento, abrasivo taglio pietre e sabbiatura. FELDSPATI: principalmente Ortoclasio e Plagioclasio. Essi costituiscono il 60% delle rocce magmatiche. Utilizzati molto per la produzione di materiali ceramici, contrasta il ritiro igrometrico. FERRO MAGNETICI: Olivina principalmente, materiali più comune delle rocce magmatiche. Colore giallo verdastro componente principale delle peridotiti. 6 MICHE: Biotite, chiamata anche mica nera, presente nei graniti e nelle rocce metamorfiche come gli gneiss e nelle rocce sedimentarie detritiche. SERPENTINI: Talco e Asbesto Bianco (amianto). ARGILLE: definisce sia una famiglia di minerali sia i sedimenti non consolidati non composti da questi minerali. Fillosilicati idrati: Ilite (tipica di ambienti sedimentari) caolinite (fabbricazione di ceramica) e smectite (se presente nel terreno può causare deformazioni alle fondazioni degli edifici). Classi di minerali: CARBONATI CALCITE e DOLOMITE: formazione di rocce sedimentarie come i calcari, le dolomie e i marmi. La calcite deriva dalla trasformazione nel tempo di gusci di molluschi, utilizzata per la fabbricazione della calce del cemento portland. Essa è soggetta a fenomeni di dissoluzione da parte delle acque meteoriche, le dolomiti ne risentono di meno. Classi di minerali: SOLFATI GESSO e ANIDRITE: Poco presenti nella terra. Le rocce formate da gesso creano notevoli problemi ingegneristici come lo sprofondamento delle cavità a causa della sua solubilità. Ritardanti di presa nel cemento. Classi di minerali: FOSFATI APATITE: fertilizzanti e detersivi. Classi di minerali: SOLFURI PIRITE: si ossida se esposta all’aria producendo acido solforico che attacca cementi e metallo se presente in grande quantità. Classi di minerali: OSSIDI EMATITE: quando si striscia color sangue. 2.2. ROCCE La roccia è un aggregato naturale di minerali legati tra loro da forze di coesione a carattere permanente. Le rocce sono formate da uno o più fenomeni geologici. Tre settori principalmente si occupano dello studio di esse: la Mineralogia, la Petrografia e la Petrologia. La prima studia quella che è la struttura e la composizione dei minerali. La petrografia sì della descrizione approfondita dei vari tipi di rocce. La petrologia invece studia quello che è stato il processo di genesi delle rocce, ovvero gli ambienti dove esse vengono create e le trasformazioni subite nel tempo. 2.1.1. TIPOLOGIE DI ROCCE Le rocce si classificano in base alla loro formazione, composizione e struttura. Formazione: - Rocce ignee o magmatiche: cristallizzazione a partire da un fuso magmatico - Rocce sedimentarie: precipitazione da una soluzione, litificazione. - Rocce metamorfiche: ricristallizzazione di rocce esistenti 7 2.1.2. CICLO LITOGENETICO Il raffreddamento brusco del magma dà vita alle rocce magmatiche che sono di dei tipi: effusive (il raffreddamento avviene all’esterno della crosta), intrusive (il raffreddamento avviene all’interno della crosta). Le rocce effusive possono subire dei degradamenti meteorici, ad esempio, e subire quindi erosione, i materiali di erosione accumulandosi vanno a formare attraverso il processo di litificazione quelle che sono le rocce sedimentarie. Queste ultime all’interno della crosta subendo degli aumenti di temperature e pressione formano le rocce metamorfiche che superando la temperatura di fusione si ritrasformano in magma completando il ciclo e ripartendo. Le rocce magmatiche intrusive possono riaffiorare in superficie attraverso il sollevamento causato dalla tettonica delle placche. 2.1.3. Differenze tra roccia e terra. La roccia lapidea o ammasso roccioso è un aggregato naturale a struttura continua di particelle minerali, legate da elevata coesione, che viene mantenuta anche dopo immersione in acqua ed è caratterizzata da elevate proprietà meccaniche. Mentre quando si parla di roccia sciolta o terreni si parla di un aggregato discontinuo di granuli di minerali, con proprietà meccaniche inferiori a quelle della roccia madre. 2.1.4. STRUTTURA E TESSITURA DELLE ROCCE La struttura delle rocce va ad evidenziare le stesse dotto il punto di vista mesoscopico mentre la tessitura nella scala microscopica evidenzia quella che è la struttura mineralogica della roccia. 2.1.5. GRANULOMETRIA La granulometria misura quelli che sono i granuli di cui sono composti i sedimenti ordinandoli in classi dimensionali secondo scale di riferimento convenzionali, come la classificazione di Udden-Wentworth o la classificazione del MIT (Massachusetts Institute of Technology). La granulometria può essere individuata sia per via secca (vagliatura al setaccio) che per via umida (analisi per sedimentazione con densimetro). La vagliatura al setaccio consiste nel prendere un campione rappresentativo di roccia disgregata ed essiccata che si fa passare per setacci con maglie via via sempre più piccoli, infine si pesa quello che è il materiale rimanente così da vedere la percentuale di materiale rimasto rispetto al totale. Attraverso la vagliatura è possibile ricostruire la curva granulometrica del terreno. 8 2.1.6 NOMENCLATURA DEI TERRENI Nella nomenclatura dei terreni il nome principale è quello della componente con maggiore percentuale successivamente si aggiunge il prefisso con sé la frazione è tra il 25 e il 50%, il suffisso osa se la frazione è tra il 10 e il 25% e debolmente con suffisso osa se la percentuale è tra il 5 e il 10%. Es: Sabbia con Limo Argillosa debolmente Ghiaiosa. 2.1.7. CLASSIFICAZIONE LAPIDEI Basata su norma UNI le rocce si dividono in marmi, graniti, travertini e pietre: - Il marmo è una roccia cristallina compatta lucidabile di questa categoria fanno parte anche le dolomie i calcari le brecce calcaree lucidabili, gli alabastri e le serpentiniti. - Il granito è anch’esso cristallino compatto e lucidabile più duri di marmi sulla scala di Mohs a questa categoria appartengono anche rocce magmatiche intrusive come dioriti e le corrispondenti effusive ma anche alcune rocce metamorfiche come gli gneiss. - Il travertino è una roccia calcarea sedimentaria con struttura vacuolare. - La pietra è una roccia da costruzione non lucidabile che si divide in altre due sottocategorie: o Rocce tenere e/o poco compatte: rocce sedimentarie come arenarie calcareniti. o Rocce dure e/o compatte: pietre a spacco naturale come ardesie e quarziti, ma anche vulcaniti e basalti. 2.3. MAGMATISMO E ROCCE MAGMATICHE 2.3.1. ROCCE IGNEE Le rocce ignee o magmatiche si formano per cristallizzazione di un magma, come già detto esse si dividono in: - Le rocce ignee effusive: si ottengono quando il magma si raffredda rapidamente, sono caratterizzate da grana fine e vetrosa. - Le rocce ignee intrusive: si formano quando il magma penetra nelle masse rocciose della crosta terrestre e si raffredda lentamente, queste hanno una grana più grossolana. 2.3.2 ROCCE VULCANICHE Le rocce vulcaniche si dividono in: - Lave: formatesi con la brusca diminuzione della pressione in ambiente esterno alla crosta terrestre esse si ottengono tramite degassamento del magma. - Rocce piroclastiche: formatesi altresì con eruzioni più violente scagliando piroclasti liberi e ceneri vulcaniche (più piccole e vetrose). Ci sono anche le bombe (con forma aereodinamica e più grandi). Tutte queste rocce sedimentandosi formano le piroclastiti o tufi vulcanici. - Pomice: schiuma vetrosa ricca di vescicole, cavità formate dal rilascio posticipato di gas, densità molto bassa, ed isolamento termico ed acustico molto buono. - Ossidiana: pasta vetrosa solida e densa data dal raffreddamento rapido che non consente agli atomi di distribuirsi in modo ordinato, formando cos’ questo vetro naturale a struttura amorfa. 9 Nelle dorsali oceaniche c’è creazione di nuova crosta oceanica, tramite i moti convettivi del mantello e tramite migrazione delle croste tettoniche, questo magma si raffredda repentinamente formando appunto le ossidiane con struttura amorfa. 2.3.3 DIAGRAMMA DI STRECKEISEN QAPF È un diagramma per la classificazione delle rocce ignee effusive ed intrusive. La somma delle componenti della roccia dovrà restituire il 100%. Ai quattro spigoli abbiamo le varie componenti: A (feldspati alcalini, P(plagioclasio), Q(quarzo), F(feldspatoidi). È impossibile avere quarzo e feldspatoidi insieme. 2.3.4. CLASSIFICAZIONE ROCCE IGNEE Esse si classificano in base al quantitativo di silicio: - Ultramafiche: bassissimo contenuto di silicio