Corso di laurea magistrale in Scienze Geofisiche
Scheda dell’insegnamento di Geofisica della Terra Solida e Geotermia
Anno di corso 2° Periodo 1° semestre
Settore scientifico-disciplinare GEO/10
CFU 9
Eventuali propedeuticità: nessuna
Nome del docente: Maria Serafina Barbano
Obiettivi formativi:
Il corso ha l’obiettivo dichiarato di fornire le adeguate conoscenze e capacità di comprensione
della Geofisica della Terra Solida per la valutazioni di pericolosità e rischio sismico; la
classificazione sismica del territorio nazionale e la normativa sismica. Inoltre vuole proporre
anche un mezzo per il reperimento di georisorse alternative, come quelle geotermiche.
Risultati di apprendimento attesi:
- Conoscenza dei concetti di Geofisica della Terra Solida per definire struttura e dinamica
dell’interno della Terra.
- Conoscenza dei metodi Geofisici della Terra Solida per definire il modello globale della
tettonica a placche.
- Applicazione della Geofisica della Terra solida per la comprensione della geodinamica, di
modelli sismotettonici e sismogenetici. Analisi degli effetti dei terremoti; studio degli tsunami, e
metodi di paleosismologia per la valutazione della pericolosità sismica e per la mitigazione dei
rischi derivati.
- Conoscenze avanzate sui metodi di indagine per il reperimento e lo sfruttamento di risorse
geotermiche.
Programma del corso:
Gli argomenti e le metodologie trattati nei corsi di Fisica Terrestre, Sismologia e Geofisica
Applicata vengono sviluppati ed applicati alla definizione della struttura e dinamica della
Litosfera, del Mantello e del Nucleo e quindi al modello globale della tettonica a placche.
Viene dato un quadro complessivo delle applicazioni della Geofisica della Terra Solida per la
valutazione della pericolosità sismica e per la mitigazione dei rischi derivati e sui metodi di
ricerca e di utilizzazione dei fluidi geotermici. Attività geotermiche italiane e mondiali.
Metodi per la determinazione della costituzione e distribuzione delle masse all’interno della
Terra.
La Terra nel Sistema solare. Dinamica dei pianeti. Caratteristiche dei pianeti e origine del
Sistema solare. Rotazione terrestre. Momento angolare e di inerzia. Maree terrestri.
Cambiamenti della rotazione terrestre. Ridistribuzione della quantità di moto all’interno della
Terra e distribuzione delle masse al suo interno. Nutazioni libere e oscillazione di Chandler.
Precessione e nutazioni forzate. Ellitticità dinamica della Terra. Cicli climatici di Milankovitch.
Propagazione delle onde all’interno della Terra. Onde superficiali. Velocità di fase e di gruppo.
Dispersione delle onde superficiali.
Oscillazioni libere della Terra. Modi di vibrare della Terra: oscillazioni sferoidali e torsionali.
Applicazioni delle oscillazioni libere per la definizione del modello strutturale terrestre.
Teoria dei campi gravitazionale e magnetico. Campi potenziali. Equazione di Laplace in
coordinate cartesiane e sferiche. Soluzioni dell’equazione di Laplace.
Campo gravitazionale terrestre. Variazioni del campo. Rappresentazione in armoniche
sferiche. Sferoide e geoide. Accelerazione di gravità.
Campo magnetico terrestre; rappresentazione del c.m.t.; variazione del c.m.t.; origine del c.m.t.
Magnetizzazione delle rocce; ricostruzione dei poli magnetici; paleomagnetismo. Anomalie
magnetiche; interpretazioni delle anomalie magnetiche.
Il calore interno della terra: la radioattività come sorgente di calore, produzione di calore da
parte delle rocce; descrizione della struttura interna della terra; propagazione del calore
all'interno della terra (per conduzione, per convezione e per irraggiamento). Concetto di
temperatura, calore specifico e gradiente termico. Gradiente geotermico; costruzione della
curva geotermica basandosi su dati geofisici e petrologici.
Il flusso termico nei continenti: determinazione dei diversi contributi delle differenti sorgenti
di calore, determinazione dello strato granitico della crosta continentale, individuazione di
province geologicamente attive. Il flusso termico dei fondi oceanici: distribuzione dei flussi
termici e paragone con i flussi termici in aree continentali.
Comportamento dei materiali sottoposti a sforzo: corpi elastici, fluidi newtoniani, corpi
maxelliani. Comportamento fragile e duttile. Deformazione lenta: creep primario, secondario e
terziario. Flusso plastico, creep secondo la legge di potenza, creep per diffusione. Fattore di
attenuazione Q. Comportamento dei materiali della litosfera e del mantello.
Definizione della Litosfera. Metodi per la definizione della Litosfera.
Litosfera Oceanica: struttura della crosta oceanica e della Litosfera oceanica subcrostale. Stato
termico della Litosfera O. Modello litologico della Litosfera oceanica.
Struttura della Litosfera continentale. Crosta continentale normale. Variazioni e tipologie
della crosta continentale in vari ambienti geodinamici. Struttura della litosfera subcrostale.
Stato termico della litosfera continentale. Metodi per la determinazione della litosfera
continentale. Analisi dei parametri che variano in seguito alla deglaciazione: viscosità,
cambiamenti del livello del mare, anomalie gravimetriche. Variazione della rotazione
terrestre.
Il mantello sublitosferico. Natura dell’astenosfera. Proprietà del mantello. Metodi per il calcolo
della densità del mantello: equazione di Adams e Williamson, metodo di Montecarlo di Press.
Pressione, gravità, caratteristiche elastiche del mantello. Composizione mineralogica del
mantello.
Eterogeneità del mantello a scala regionale. Reologia del Mantello. Movimenti convettivi nel
Mantello. Sviluppo verticale della convezione. Evidenze geofisiche dei moti convettivi nel
mantello. Distribuzione areale delle celle convettive.
Transizione mantello-nucleo. Caratteristiche generali del nucleo. Transizione nucleo esternonucleo interno. Strato F. Composizione del nucleo. Stato termico del nucleo. Convezione nel
nucleo esterno e campo magnetico terrestre.
Forze che agiscono nelle placche litosferiche: forze che guidano e che resistono al movimento;
grandezze delle forze. Meccanismo di trascinamento. Meccanismo delle forze marginali.
Caratteristiche geofisiche dei differenti margini delle placche. Distribuzione degli sforzi nei
margini e meccanismi focali dei terremoti. Distribuzione del vulcanismo. Hot Spot.
Geodinamica dell’area mediterranea. Modelli geodinamici dell’area italiana. Distribuzione e
meccanismi focali dei terremoti nell’area italiana.
Classificazione sismica del territorio nazionale.
Definizione di rischio sismico: pericolosità, vulnerabilità, valore esposto. Metodi
deterministici e metodi probabilistici. Metodo dei valori estremi di Gumbel, Metodo di Cornell.
Calcolo della pericolosità dalle osservazioni al sito. Elementi per la definizione della
pericolosità sismica. Cataloghi dei terremoti. Parametrizzazione degli eventi storici. Leggi di
attenuazione. Modelli sismotettonici e sismogenesi: elementi utili per la definizione delle zone
sismogenetiche.
Effetti dei terremoti. Fenomeni diretti e indiretti.
Scale macrosismiche: dalla scala Rossi-Forel alle scale moderne: M.M., MCS, MSK, EMS 98.
Tipologie edilizie e vulnerabilità. Livelli di danno e percentuale di danneggiamento. Stima
dell’intensità. Applicazione all’area Italiana.
Effetti indiretti provocati dai terremoti: scenari di pericolosità sismica.
Paleosismologia: sismiti e paleosismiti. Categorie genetiche. Fagliazione superficiale, faglie
capaci e strutture sismogeniche. Esempi di utilizzo dei dati paleosismologici: l’area americana,
l’Italia.
Tsunami. Meccanismi di generazione degli tsunami. Propagazione degli tsunami. Run-up.
Magnitudo. Aree di distribuzione degli tsunami. Pacifico, Atlantico, area mediterranea. Il
rischio da tsunami in Italia. Gli tsunami in Sicilia nel 1693 e 1908.
Microzonazione sismica a posteriori (dai danni dei terremoti). Scenari sismici. Evoluzione
storica della città di Catania in conseguenza alle catastrofi naturali: eruzioni e terremoti.
Normativa sismica in Italia: cenni storici, normativa attuale.
Campi geotermici: condizioni geologico-strutturali per la loro esistenza, dinamica dei fluidi
geotermici e loro stato fisico, distribuzione delle temperature all'interno dello strato
produttivo e della copertura impermeabile, definizioni delle varie manifestazioni
geotermiche.
Tipologie di sistemi geotermici: sistemi ignei recenti, sistemi tettonici, sistemi
geopressurizzati, sistemi secchi. Flusso di calore, geoterme e ruolo dei sistemi magmatici.
Modelli concettuali dei sistemi geotermici: sistemi a vapore dominante, a liquido dominante.
Caratteristiche fisiche e chimiche dei fluidi idrotermali: gas, vapore e liquido. Manifestazioni
superficiali dei sistemi geotermici. Ruolo dell’assetto geologico strutturale nella definizione di
campi geotermici e nella delimitazione dei serbatoi. Metodi geologici, geofisici, geochimici per
le ricerche geotermiche.
Condizioni termodinamiche del vapore geotermico in fase di sfruttamento: espansione
isoentalpica, diagramma entalpia-entropia.
Sfruttamento delle risorse geotermiche: usi diretti e indiretti. Sistemi a bassa entalpia: usi
civili e industriali (es. in agricoltura e manifatturiero). Sistemi ad alta entalpia: produzione di
energia geotermoelettrica. Estrazione (pozzi), trasporto (vapordotti) e centrali geotermiche.
Tipologie di centrali. Esempi pratici della prospezione geotermica. Utilizzazione delle risorse
geotermiche.
Geotermia e ambiente: Cause di inquinamento. Rischi connessi allo sfruttamento dell’energia
geotermica. Esempi dai principali campi geotermici italiani e mondiali.
Attività didattiche integrative (escursione 3 ore; elaborazione al computer 4 ore)
Visita tecnica nel centro storico di Catania: osservazione dei principali interventi che hanno
portato fenomeni di vulnerabilità aggiunta sulle costruzioni. Osservazioni sugli edifici
preesistenti al terremoto del 1693 e alle stratificazioni della città.
Elaborazioni al computer: calcolo della pericolosità sismica; definizione di uno scenario di
danno da osservazioni di dati storici.
Durante le lezioni vengono forniti appunti, note didattiche e pubblicazioni utili a preparare il
corso.
Testi consigliati
Gasparini P., Mantovani M.S.M., 1981. Fisica della Terra solida. Liguori editori.
Lowrie W., 1997. Fundamentals of Geophysics. Cambridge University Press.
Fowler C.M.R., 1990. The Solid Earth. An introduction to Global Geophysics. Cambridge
University Press.
Kearey P., Frederick J.V., 1994. Tettonica Globale. Zanichelli editore.
Sommaruga C. e Verdini G. (1995). Geotermia. Principi, ricerca, produzione. NIS - La Nuova
Italia Scientifica, Roma, 189 pp.
Siti consigliati
Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia: http://www.ingv.it/
United States Geological Survey, USA: http://www.usgs.gov/
Seismological Society of America http://www.seismosoc.org/index.html
Energy & Geoscience Institute University of Utah: http://egi-geothermal.org/
Orario di ricevimento: Martedì e giovedì 11-13
Attività didattiche previste:
L’insegnamento prevede 63 ore di lezioni frontali che saranno integrate con esercitazioni
pratiche di terreno e esercitazioni al computer.
Metodi e criteri di valutazione dell’apprendimento:
L’esame finale si svolge in forma orale e può prevedere prove scritte o pratiche, sia in itinere che
nel corso degli appelli di esame, sugli argomenti trattati. Lo studente può anche preparare una
presentazione power point su un tema a sua scelta fra quelli del corso, durante la quale la
commissione porrà domande per valutare il grado di apprendimento dello studente.
L’esame scritto, se previsto, consiste in un test a domande aperte su gli argomenti del corso; la
prova pratica , se prevista, in un’elaborazione al computer di alcuni dei temi affrontati durante
le esercitazioni.
L’esame orale, consiste in un colloquio con la Commissione esaminatrice, durante il quale il
candidato dovrà esporre le conoscenze acquisite su due/ tre argomenti del corso. Durante
l’esame la commissione può chiedere precisazioni allo studente su quanto sta esponendo per
chiarire eventuali inesattezze o meglio esplicitare il tema che sta trattando.
Criteri per l’attribuzione del voto finale:
Se previsto, l’esame scritto e/o pratico questo concorrerà al voto finale con peso un terzo sulla
valutazione finale. Quest’ultima, tesa a valutare il grado di apprendimento dello studente, sarà
basata sulla capacità di esporre in forma orale correttamente i concetti acquisiti, mostrare
un'adeguata padronanza del metodo scientifico di indagine e delle tecniche di analisi dei dati; la
capacità di sviluppo e utilizzo degli strumenti fisici e matematici per le applicazioni allo studio,
monitoraggio e modellazione dei sistemi della Geofisica della terra Solida e Geotermia, sia per la
comprensione di questi fenomeni sia a fini applicativi; infine è richiesta un'adeguata conoscenza,
con riferimento al lessico disciplinare, dei principali vocaboli scientifici in lingua inglese.
