Le analisi di laboratorio
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Regione Lombardia Direzione Generale Territorio ed Urbanistica A cura di: Fabrizio Berra, Daria Mazzoccola, Enrico Sciesa, Dario Sciunnach con la collaborazione di Simonetta De Donatis e Nicola la Rovere Come nasce una carta geologica Analisi dei dati Raccolta dati Produzione della carta geologica Elaborazione Come nasce una carta geologica Le carte geologiche nascono attraverso un processo che prevede diverse fasi. 1) La prima fase consiste nella raccolta dei dati, da effettuare sul terreno con strumenti differenti. Gli strumenti fondamentali del geologo impiegato nella realizzazione di una carta geologica sono estremamente semplici: il martello, la bussola, il quaderno di campagna e la carta topografica sulla quale riportare le osservazioni sul terreno. A questi strumenti di base, si associano altri strumenti (per esempio le indagini geofisiche, i sondaggi ecc.), legati ad indagini più specifiche o indirizzati alla risoluzione di problemi particolari. 2) Una volta raccolti, i dati vengono poi organizzati ed integrati mediante analisi specifiche che vengono eseguite sui campioni significativi raccolti sul terreno. Le analisi principali sono quelle effettuate al microscopio ottico (analisi di sezioni sottili, per una prima caratterizzazione delle rocce oggetto di studio), le analisi paleontologiche (per datare le rocce sedimentarie), le analisi chimiche e geochimiche (per conoscere la composizione chimica e mineralogica delle rocce analizzate). Le analisi possibili sono innumerevoli e dipende dalle problematiche geologiche e dalle esperienze dei geologi identificare quelle più idonee in funzione del problema da affrontare. 3) Terminata questa fase, i dati di terreno e di laboratorio vengono elaborati per la produzione della carta. Le elaborazioni possono avvenire sia in modo classico che mediante l’uso di strumenti informatici. Nel corso degli ultimi anni, l’archiviazione informatica dei dati è diventata la regola: molte delle carte geologiche prodotte ultimamente sono legate a banche dati informatizzate e la produzione cartacea costituisce solo una delle possibili elaborazioni dei dati immagazzinati negli archivi elettronici. Raccolta dati Attività di terreno Fondamentale per la produzione di qualsiasi carta geologica e base per ulteriori indagini particolari Indagini geognostiche e geofisiche dirette a problemi particolari Attività di terreno Osservazione riconoscimento delle litologie e delle geometrie dei corpi rocciosi FOTO F. BERRA Mappatura trasferimento sulla carta topografica delle osservazioni effettuate tramite colori e simboli Campionamento prelievo di campioni per successive analisi L’attività di terreno La principale fonte di dati per la realizzazione di una carta geologica è l’osservazione diretta sul terreno effettuata dal geologo, con l’ausilio di pochi strumenti essenziali. L’attività di terreno è costituita da un minuzioso riconoscimento dei corpi rocciosi e dei terreni: il geologo percorre itinerari (pianificati in genere a tavolino, sulla base topografica e comunque soggetti a modifiche durante l’attività di rilevamento in funzione delle condizioni geologiche) per riportare sulla carta topografica le diverse unità presenti, costituendo l’embrione della carta geologica. Gli itinerari percorsi saranno più o meno ravvicinati in funzione della scala della carta da realizzare e delle problematiche geologiche da chiarire. La velocità del rilevamento dipende anche dalla difficoltà di accesso ai luoghi: in aree con viabilità limitata la maggior parte degli spostamenti avverrà a piedi, con necessità di tempi più lunghi rispetto a rilevamenti in aree ben servite da strade. In qualunque caso, i lunghi spostamenti a piedi e talvolta anche il superamento di significativi dislivelli costituiscono una componente costante dell’attività di rilevamento. Gli strumenti che il geologo deve portare con sè sono pochi: un martello (eventualmente uno scalpello, per le rocce) e/o una zappetta (per i terreni), una lente, la carta topografica (su cui riportare la geologia), matita e pastelli colorati, un quaderno per gli appunti, bussola ed altimetro. In genere il geologo si munisce anche di macchina fotografica e binocolo. Oltre a questi strumenti, di volta in volta il geologo potrà, in base alle tipologie di unità geologiche che presumibilmente incontrerà sul suo itinerario, attrezzarsi con altri strumenti, quali acido cloridrico diluito (per distinguere calcari e dolomie), tavole comparative (per caratterizzare con precisione unità geologiche), pala, etc. Durante il rilevamento geologico, i siti più significativi saranno oggetto di osservazioni più dettagliate e della raccolta di campioni, che saranno analizzati in una seconda fase. In base alle problematiche geologiche, sarà anche possibile identificare i luoghi dove effettuare altre analisi più dettagliate, che in genere richiedono strumenti tecnici appropriati (indagini geofisiche, geognostiche etc.). La qualità di una carta geologica risente in maniere fondamentale dell’esperienza del geologo rilevatore, che deve essere in grado di effettuare la maggior parte dei riconoscimenti delle unità geologiche direttamente sul terreno, utilizzando le analisi di laboratorio solo risolvere i problemi più complessi. Indagini geognostiche Per studi particolarmente dettagliati o per scopi specifici si possono effettuare perforazioni per osservare la stratigrafia delle rocce e le loro caratteristiche nel sottosuolo Perforazione FOTO D. MAZZOCCOLA Log di perforazione Sequenza di carote estratte Indagini geognostiche Per poter osservare le caratteristiche del sottosuolo è spesso necessario effettuare dei sondaggi con prelievo di materiale (“carote”). La realizzazione di sondaggi prevede l’uso di macchinari appositi, che rendono questo tipo di indagini piuttosto costose. Pertanto, la scelta di quali e quanti sondaggi effettuare deve sempre essere preceduta da una attenta analisi dei dati a disposizione, in modo da ubicare in maniera ottimale i siti dove eseguire i sondaggi. Oltre che le carote, tramite i sondaggi è possibile ottenere anche altre informazioni (soprattutto di carattere fisico) sulla natura del materiale attraversato dal sondaggio: attraverso speciali strumenti introdotti nel foro di sondaggio, è possibile misurare le risposte delle rocce e dei terreno a sollecitazioni elettriche e fisiche, ottenendo informazioni indirette sulle caratteristiche dei materiali presenti. I sondaggi sono fondamentali in aree dove i rilievi di superficie non consentono di ottenere informazioni univoche oppure per approfondire tematiche geologiche particolari che non potrebbero essere risolte senza la conoscenza del sottosuolo. I sondaggi vengono tipicamente utilizzati nelle fasi di indagine associate alle opere di ingegneria civile, quali gallerie, viadotti, dighe, etc. Indagini geofisiche Quando si vuole indagare più in profondità ci si avvale di metodi geofisici quali ad esempio la propagazione delle onde sismiche. La loro riflessione e rifrazione al contatto tra diverse litologie permette di ricostruire l’assetto strutturale delle rocce nel sottosuolo. Ricostruzione del sottosuolo Profilo sismico Il camion genera le onde sismiche tramite vibrazioni Indagini geofisiche Le indagini geofisiche permettono di trarre informazioni indirette sul sottosuolo, basandosi sui comportamenti fisici dei materiali presenti. Le indagini geofisiche sono di diversi tipi e vengono utilizzate di volta in volta in funzione delle difficoltà da affrontare e dei problemi da chiarire. Tra le indagini geofisiche più comuni sono da segnalare le indagini sismiche (a riflessione o rifrazione) che si basano sui tempi di percorrenza di onde energetiche (generate da esplosioni controllate o da vibrazioni) attraverso il sottosuolo, registrate da appositi strumenti (“geofoni”). Il principio su cui si basano queste indagini è che le onde sismiche si propagano a velocità diversa in mezzi a densità differente e quindi permettono di distinguere i vari corpi rocciosi. I profili sismici così ricavati permettono la ricostruzione delle geometrie di corpi geologici sepolti e sono tipicamente utilizzati per la ricerca del petrolio. Analogamente, altre indagini sono basate sulla propagazione di onde elettriche nel sottosuolo (indagini geoelettriche). Storicamente, le prime indagini geofisiche utilizzate sono quelle gravimetriche, che hanno fornito i dati per le prime ricostruzioni del sottosuolo. Le analisi Paleontologiche Foto aeree Petrografiche Laboratorio I campioni raccolti sul terreno possono essere sottoposti a vari tipi di analisi di laboratorio Chimiche Le analisi La prima analisi che un geologo deve effettuare durante le fasi di realizzazione di una carta geologica è rappresentata dalla lettura critica del materiale bibliografico esistente. Una attenta conoscenza degli studi già effettuati su una determinata area permette di ottimizzare sia l’attività di terreno, sia quella di analisi. I dati raccolti sul terreno (sia direttamente da geologo, sia mediante indagini apposite) vengono analizzati in laboratorio. Le analisi condotte su campioni significativi servono fondamentalmente a fornire informazioni più specifiche per risolvere problematiche emerse durante la prima fase di raccolta dei dati. La scelta delle analisi da effettuare è principalmente influenzata dal tipo di problema da risolvere e dal tipo di materiale da analizzare. I principali tipi di analisi effettuabili sui campioni raccolti sono costituiti da analisi al microscopio ottico (sezioni sottili), analisi chimiche ed analisi paleontologiche. Altri tipi di analisi (petrologiche, microscopio elettronico etc.) sono generalmente meno comuni. Oltre alle analisi sui campioni, possono essere effettuate analisi di fotografie aeree o di immagini da satellite. Non sempre le analisi sono in grado di fornire risultati interpretabili in maniera univoca: una singola analisi è in genere insufficiente ed il più delle volte è necessario effettuare una serie di analisi per ottenere un risultato affidabile. Questo ha una diretta conseguenza sui costi di questa fase. Per questo motivo, la scelta del tipo di analisi e del materiale da analizzare deve essere effettuata con cura, tenendo ben presente i possibili benefici di ogni analisi rispetto ai costi che essa comporta. Analisi di foto aeree Analisi di foto aeree Un utile strumento per lo studio del territorio è fornito dall’analisi delle fotografie aeree. La ripresa di foto aeree avviene mediante aerei appositi che raccolgono una serie di fotografie parzialmente sovrapposte lungo traiettorie di volo ben definite (ogni sequenza di fotografie lungo una traiettoria prende il nome di “strisciata”). Un insieme di strisciate copre poi in maniera completa il territorio da studiare. Le fotografie aeree vengono osservate con uno strumento apposito che si chiama stereovisore: sfruttando il fatto che due fotogrammi consecutivi sono in gran parte sovrapposti, questo strumento permette, tramite un sistema di specchi, di creare una illusione ottica e di osservare in maniera tridimensionale il territorio. In altre parole, gli occhi di chi usa tale strumento sono “obbligati” ad osservare ognuno un fotogramma, poiché i fotogrammi presentano immagini leggermente differenti dello stesso territorio permettendo una visione tridimensionale. L’analisi delle foto aree consente di integrare i dati di terreno con osservazioni a scala più ampia, fornendo informazioni su strutture geologiche che presentano evidenze morfologiche (faglie importanti, frane, depositi quaternari etc.). Recentemente l’analisi delle foto aeree è stata affiancata dall’analisi delle immagini da satellite (“telerilevamento”) che ultimamente consentono dettagli notevoli, con risoluzioni che raggiungono i pochi decimetri. Le analisi di laboratorio Sezioni sottili metamorfiche ignee sedimentarie Le sezioni sottili Lo studio dei campioni di roccia raccolti è spesso effettuato mediante analisi al microscopio. I campioni rocciosi vengono incollati ad un vetrino portaoggetto e portati ad uno spessore di circa 20 micron: in tal modo i campioni diventano trasparenti, e possono quindi essere osservati al microscopio a luce trasmessa. Gli ingrandimenti permettono poi di osservare i componenti di queste rocce (fossili, minerali ecc). Una caratteristica fondamentale dei microscopi da geologia è legata al fatto di utilizzare luce polarizzata: tale sistema permette di sfruttare le caratteristiche ottiche dei diversi componenti delle rocce. I minerali infatti presentano dei colori caratteristici (ben diversi dai colori naturali, come si può osservare in alcune delle immagini della diapositiva precedente) se osservati con luce polarizzata; ciò permette di identificarli con certezza, cosa che non sarebbe possibile con un microscopio normale. Nel caso di minerali opachi (cioè non trasparenti alla luce), lo studio avviene con un sistema detto a “luce riflessa”. In questo caso è la superficie lucida del campione da studiare che viene illuminata direttamente; l’osservazione dei vari colori assunti dai granuli di minerali a luce riflessa permette di riconoscere le diverse specie mineralogiche. Lo studio delle sezioni sottili permette inoltre, nel caso delle rocce sedimentarie, di riconoscere piccoli organismi fossili (microfossili) che spesso costituiscono parte integrante delle rocce e che ne permettono la datazione. Il riconoscimento dei componenti di una roccia è fondamentale per una sua corretta classificazione: per questo motivo, lo studio delle sezioni sottili è un elemento importante per riconoscere le varie rocce e, di conseguenza, per la loro distinzione a livello di cartografia geologica. Analisi paleontologiche Le analisi paleontologiche permettono di ottenere informazioni (età, ambiente di formazione etc.) attraverso lo studio di organismi diversi, alcuni dei quali sono qui rappresentati BRIOZOI CONODONTI POLLINI AMMONITI FORAMINIFERI RADIOLARI COCCOLITI Analisi paleontologiche La paleontologia è la branca delle scienze della terra che si occupa dello studio dei resti fossili di organismi antichi. I fossili dei vertebrati (rettili, pesci, mammiferi, etc.) si ritrovano con estrema rarità; sono molto più comuni i fossili di invertebrati (molluschi, brachiopodi, celenterati, etc.), microfossili (riconoscibili solo alla lente e determinabili al microscopio) e nannofossili (riconoscibili al microscopio solo a ingrandimenti superiori a 1000x), che possono arrivare a rappresentare i principali costituenti di alcuni tipi di rocce sedimentarie. Le analisi dei fossili richiedono una conoscenza accurata e vengono eseguite da specialisti (i paleontologi). I fossili sono preziosi per il geologo in quanto gli forniscono almeno due importanti indicazioni: l’ambiente in cui la roccia si è formata e l’età della roccia. La ricostruzione dell’ambiente è possibile se si paragona il fossile ad organismi attuali: è ragionevole presumere, ad esempio, che le Alghe Dasicladaceae del Triassico vivessero, come le corrispondenti Alghe Verdi attuali, in zone ben illuminate del fondale marino, a pochi metri di profondità, per poter compiere la fotosintesi clorofilliana. Le informazioni sull’età delle rocce derivano dal fatto che ogni forma fossile può essere assegnata ad un intervallo-tempo ben preciso prendendo come riferimento la scala biostratigrafica mondiale, che da oltre due secoli i paleontologi vanno costruendo ed arricchendo. In altri termini, il ritrovamento di un osso di dinosauro in una roccia sedimentaria ci dice che quella roccia non può essere più recente del Cretaceo perché alla fine del Cretaceo i dinosauri si sono estinti in modo apparentemente contemporaneo su tutto il pianeta. I limiti tra le gradi ere geologiche (Paleozoico, Mesozoico e Cenozoico) si basano proprio sui grandi eventi di estinzione seguiti dalla comparsa di nuovi organismi. La datazione paleontologica è spesso utilizzata come metodo di routine per distinguere unità direttamente sul terreno corpi rocciosi di età diversa. Le analisi di laboratorio Analisi chimiche Spettrometro di massa Analisi isotopiche Analisi chimiche La composizione chimica delle rocce e dei minerali che le costituiscono è spesso indicativa delle particolari condizioni (sia ambientali che geologiche) in cui le rocce stesse si sono formate. In geologia vengono utilizzati diversi tipi di analisi chimiche, condotte con strumenti differenti e finalizzate ad ottenere risultati diversi. Le analisi più utilizzate sono in genere quelle chimiche tradizionali, qualitative o quantitative, mirate a valutare gli elementi chimici presenti nelle rocce e quindi a fornirne la composizione. Molto utilizzate da una ventina di anni sono anche le analisi dei singoli minerali, analisi che permettono di entrare in griglie petrogenetiche che consentono di caratterizzarne le condizioni di pressione e temperatura in cui si è formata la roccia. Utili sono anche le analisi degli elementi in traccia, cioè degli elementi chimici (es. terre rare) presenti in piccole quantità all’interno della roccia e valutate per questo motivo in p.p.m. (parti per milione). Per effettuare analisi chimiche si utilizzano strumenti differenti, dai più semplici (per le analisi classiche) fino a strumenti molto complessi (microsonde elettroniche o ioniche, spettrometri, microscopi elettronici etc.). I risultati ottenuti sono espressi in percentuali dei vari ossidi presenti nella roccia. I metodi utilizzati per ricavarli e variano sovente per un medesimo campione; alcune apparecchiature moderne (es. microsonda elettronica) misurano con estrema precisione sono un numero limitato di ossidi e quindi gli altri elementi presenti vanno calcolati con differenti metodologie. Un tipo particolare di analisi chimiche è dato dalle analisi isotopiche. Molti elementi chimici sono costituiti da miscele di isotopi differenti, cioè di atomi con le stesse caratteristiche chimiche e fisiche (numero di protoni, numero di elettroni) ma diverso peso atomico (diverso numero di protoni). Gli isotopi possono essere instabili (cioè radioattivi) o stabili. Le analisi isotopiche permettono di ottenere due tipi essenziali di informazioni dallo studio delle rocce, dei minerali o dei fossili in esse contenuti: l’età di formazione (età assoluta) che si ricava dal rapporto tra alcuni isotopi radioattivi (es. uranio, torio, carbonio, potassio, etc.) e l’ambiente di deposizione e di trasformazione di alcuni sedimenti (es. ossigeno, carbonio, idrogeno, zolfo). L’elaborazione dei dati Carte Carte ee bibliografia bibliografia esistenti esistenti Risultati Risultati analisi analisi di di laboratorio laboratorio Foto Foto aeree aeree Geologia Geologia di di terreno terreno Indagini Indagini specifiche specifiche L’elaborazione dei dati Tutti i tipi di dati raccolti (dati di terreno più analisi di laboratorio) vengono elaborati al fine di ottenere un quadro coerente delle problematiche geologiche relative all’area in esame. I dati vengono in genere elaborati per categorie (es. composizione chimica dei campioni, contenuto fossilifero etc.) ottenendo una serie di informazioni distinte. Tutte le informazioni vengono poi aggregate in un sistema che non deve presentare incongruenze: nel caso emergessero contraddizioni sarà necessario cercare di risalire alle cause di questi problemi, verificando la correttezza delle analisi e della loro elaborazione. L’elaborazione dei dati può essere in parte eseguita con strumenti informatici, soprattutto per le elaborazioni statistiche o qualora si debbano effettuare interpolazioni tra dati puntiformi distribuiti su ampie aree. In ogni caso, la sintesi dei dati deve essere effettuata alla luce delle conoscenze acquisite dal geologo. Durante la realizzazione di una carta geologica può capitare di dover interpretare la geologia in aree dove i dati a disposizione sono molto scarsi, sia per la mancanza di affioramenti di roccia o di terreno, sia per altri motivi, quale l’impossibilità di effettuare analisi specifiche. L’elaborazione dei dati a disposizione non può, in questi casi, prescindere dalla conoscenza del contesto regionale e dalla sensibilità ed esperienza del geologo che deve proporre soluzioni congruenti con i dati disponibili e dedurre soluzioni geologicamente valide. La produzione della carta geologica Bozze colorate a mano Produzione informatizzata Inserimento dati in un archivio informatizzato (GIS) Produzione tipografica Interrogazione archivio Stampa da plotter La produzione della carta geologica La carta geologica, prodotto finale di tutte le attività finora descritte, è tipicamente rappresentata da una stampa tipografica, spesso accompagnata da un volume di riferimento (“note illustrative”) contenente spiegazioni e descrizioni non rappresentabili direttamente sulla carta. Tuttavia, recentemente si sta sempre più privilegiando l’uso di mezzi informatici. Nel corso degli ultimi anni sono nati dei sistemi di archiviazione dei dati che consentono non solo di disegnare a video tutti gli elementi geometrici che compongono la carta geologica, ma anche di associare a questi dati geometrici le loro coordinate geografiche, in modo che abbiano sempre un’esatta collocazione nello spazio, ed attribuire loro le informazioni che li caratterizzano, quali natura della roccia, stato di alterazione, etc. Queste banche dati sono inoltre “interrogabili”, cioè è possibile estrarre i dati richiesti mediante criteri di ricerca definibili dall’utente ed elaborarli attraverso metodi statistici. Questi sistemi di banche dati sono noti come GIS (Geographic Information System, sistemi informativi geografici). L’archiviazione elettronica dei dati geologici è sempre più utilizzata perché presenta una serie di vantaggi. Innanzitutto consente un facile accesso a dati che, in precedenza, erano conservati in una serie di documenti cartacei di difficile consultazione. Inoltre, i dati archiviati in modo informatizzato sono direttamente confrontabili tra di loro, rendendo possibile sovrapporre e paragonare dati geologici, urbanistici, di uso del suolo, della vegetazione, etc. di uno stesso territorio. Infine, i dati inseriti in questo sistema possono essere facilmente aggiornati ogni volta che nuove informazioni vengano rese disponibili, senza dover ridisegnare tutto daccapo. La possibilità di gestire in un solo sistema dati riferibili a tematiche diverse consente di ottenere ottimi risultati in diversi campi, quale quello della previsione della pericolosità e del rischio e della pianificazione territoriale. La produzione di una carta geologica con strumenti informatici presenta inoltre il vantaggio notevole di poter produrre sia stampe “classiche” sia carte tematiche, sfruttando la possibilità di interrogare il sistema estraendo solo i dati necessari.
