Laboratorio di Fisica Terrestre Proprietà elettromagnetiche di suoli e

Metodologie Elettromagnetiche
per la Geofisica
Richiami su suoli e rocce
Anno Accademico 2009/2010
Docente:Elena Pettinelli
Le rocce
•
Per rocce si intendono aggregati di minerali cristallini, a volte con
presenza di sostanze amorfe.
•
Generalmente le rocce sono formate da minerali diversi e sono dette
rocce composte od eterogenee ; più raramente sono formate da un solo
minerale e sono quindi classificate come rocce semplici od omogenee.
STRUTTURA E TESSITURA
Con il termine struttura si indica la forma
dei singoli minerali componenti una roccia,
le loro dimensioni, il modo di aggregarsi e
le reciproche relazioni.
Con il termine tessitura si indica la
disposizione su larga scala dei componenti
nello spazio e si definiscono quegli aspetti
determinati dalle orientazioni dei cristalli
(insieme delle caratteristiche di una roccia
a scala geologica).
Metodologie Elettromagnetiche per la Geofisica – lezione n.2
Dipartimento di Fisica “Edoardo Amaldi”
Le rocce
Le rocce possono essere classificate secondo vari sistemi:
• in base alle proprietà fisico-meccaniche
rocce coerenti, compatte, incoerenti, sciolte;
• in base alla composizione
rocce monomineraliche, polimineraliche;
• in base all'origine
rocce endogene cioè formatesi all'interno della Terra, rocce
esogene cioè formatesi sulla superficie terrestre
• in base alla genesi
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Le rocce
rocce magmatiche o ignee formatesi per
cristallizzazione di un magma.
rocce sedimentarie formatesi in seguito al
deposito di materiale proveniente dalla
degradazione di altre rocce.
rocce metamorfiche formatesi in seguito alla
trasformazione di altre rocce sotto l'azione di
agenti esterni quali pressione e temperatura.
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Le rocce
•
il raffreddamento ed il consolidamento di
un magma porta alla formazione di una
roccia magmatica (intrusione plutonica vulcanismo).
•
movimenti tettonici portano poi in
superficie questa roccia che viene
sottoposta successivamente ad
un'alterazione chimica e ad una
disgregazione fisica da parte degli agenti
atmosferici, con formazione di prodotti che
vengono trasportati e depositati in
particolari ambienti costituendo i sedimenti.
•
La subsidenza consente l'accumulo dei
sedimenti ed il carico dei sedimenti deposti
porta alla litificazione (diagenesi) con
formazione della roccia sedimentaria.
Affioramento della roccia per regressione
marina o movimenti tettonici.
•
Quando la pressione e la temperatura
superano un certo limite e sono associate a
movimenti della crosta terrestre, hanno
luogo trasformazioni strutturali e
composizionali che portano alla formazione
della roccia metamorfica.
•
Infine nelle parti più profonde della crosta
terrestre possono avvenire fenomeni di
fusione parziale delle rocce (anatessi) con
la formazione di nuovi magmi.
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Le rocce sedimentarie
Sono rocce costituite da materiali (detti sedimenti) provenienti dalla
disgregazione, attraverso processi di varia natura, di rocce
preesistenti
FORMAZIONE DI UNA ROCCIA SEDIMENTARIA
La formazione di una roccia sedimentaria può essere suddivisa in quattro fasi,
che rappresentano il "ciclo sedimentario".
- I fase: alterazione delle rocce preesistenti sulla superficie terrestre con
formazione di detriti solidi e di sostanze in soluzione.
- II fase: trasporto del materiale detritico e di quello in soluzione ad opera
dei fiumi, dei venti, dei ghiacciai, ecc.
- III fase: deposizione (sedimentazione) del materiale in ambienti diversi
(continentale, marino, ecc.). La sedimentazione avviene per strati successivi.
- IV fase: formazione della roccia (litificazione dei sedimenti) dovuta alla
pressione esercitata da altri sedimenti che si accumulano via via sopra di essi.
I processi nel loro insieme prendono il nome di diagenesi (processi diagenetici).
Tutte le rocce sedimentarie hanno un corrispondente nei sedimenti attuali
non litificati.
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Le rocce sedimentarie
Le rocce detritiche o clastiche derivano dal materiale trasportato in
forma solida.
Le rocce di precipitazione chimica e biochimica derivano dal
materiale trasportato in soluzione.
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Le rocce sedimentarie
Compattazione dei
sedimenti - diagenesi
Cristallizazione di minerali
in acque basse - Carbonati
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Le rocce sedimentarie
I conglomerati
rappresentano il termine più
grossolano; le dimensioni dei
singoli elementi detritici
(clasti) vanno da un minimo
di 2 mm ad un massimo di
256 mm (scala di
Wentworth).
Le arenarie
rappresentano il termine
intermedio; le dimensioni
dei clasti sono comprese
fra 2 e 0,062 mm.
Corrispondono alle attuali
sabbie.
Le argille rappresentano il
termine più fine; le
dimensioni dei clasti sono
al di sotto di 0,062 mm.
Corrispondono agli attuali
fanghi detritici.
Corrispondono alle attuali
ghiaie.
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Le rocce sedimentarie
I calcari comprendono quelle rocce
sedimentarie costituite quasi
esclusivamente da calcite (carbonato di
calcio). Possono essere presenti, in
percentuali molto basse, altri minerali
quali: quarzo, ortoclasio, ecc.
Sono presenti anche termini di
passaggio verso le argille (calcari
marnosi, marne calcaree, marne
propriamente dette) e le dolomie
(calcari dolomitici, dolomie calcaree).
Le dolomie contengono invece, in quantità
preponderante, il minerale dolomite.
Sono presenti tutti i termini di passaggio
con i calcari.
Le marne contengono una percentuale
preponderante di argilla. Anche in questo
caso sono presenti tutti i termini di
passaggio con i calcari.
Le evaporiti sono rocce formatesi in
seguito alla precipitazione chimica del
solfato di calcio, del cloruro di sodio e di
altri sali di minore importanza, in bacini
lagunari con climi caldi e aridi.
Gesso
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Le rocce magmatiche
• Sono rocce formatesi in seguito alla cristallizzazione di un
magma.
• Il magma è un sistema chimico-fisico a molti componenti
consistente di una fase liquida (fuso) e di un certo numero di
fasi solide (cristalli) in sospensione; è quasi sempre presente
una fase gassosa.
Ordine di cristallizzazione
dei minerali nel processo di
raffreddamento
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Le rocce magmatiche
Le rocce magmatiche
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Le rocce metamorfiche
Sono rocce che hanno subito modificazioni nella composizione
mineralogica o nella struttura e nella tessitura in seguito a
mutamenti di temperatura e pressione (metamorfismo).
TIPI DI METAMORFISMO
Si distinguono:
metamorfismo regionale (su
grandi estensioni), di
contatto (localizzato presso
corpi magmatici intrusivi),
dinamico (localizzato presso
fratture o faglie).
Le rocce metamorfiche
Gnaiss
Quarzite
Marmo
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Caratteristiche fisiche di suoli
Composizione del suolo
Triangolo della tessitura
Tessitura del suolo
Analisi meccanica
Caratteristiche fisiche di suoli
Densità
La densità è un parametro che varia molto tra i diversi tipi di
rocce (mineralogia - porosità)
δ=
M
V
Densità bulk (asciutta)
ρb =
Wg
Vb
dove:
Wg è il peso dei grani
Vb è il volume totale
(bulk) del campione
(volume dei pori + volume
dei grani)
⇒
kg
m3
talvolta
Densità bulk naturale
ρb =
Wg + Ww
Vb
dove:
Wg è il peso dei grani
Ww è il peso del fluido
che riempie i pori
Vb è il volume bulk
g
cm3
Densità bulk satura
ρb =
Wg + V p ρ w
Vb
dove:
Wg è il peso dei grani
Vp è il volume dei pori
comunicanti
ρw è la densità dell’acqua
Vb è il volume bulk
Bulk density
Bulk Density: indice di compattezza del suolo
Il campione è
fatto di grani
solidi e di pori
1 cm di suolo
1.33 g
Per calcolare la Bulk Density:
Volume = 1 cm3
Bulk Density =
Peso = 1.33 g
Bulk Density =
Peso suolo
Bulk Density =
1.33
1
1.33 g / cm3
Volume suolo
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Caratteristiche fisiche di suoli
Densità dei grani
ρg =
Peso specifico (g/cm3)
Montmorillonite
2.6÷2.8
Caolinite
2.6
Illinite
2.6
Quarzo
2.66
Ematite
5.2
Wg
Vg
dove:
Wg è il peso dei grani
Vg è il volume dei grani
Le rocce sedimentarie sono le meno dense:
media
≈
2.1 ± 0.3 g / cm3
Il contrasto di densità fra rocce sedimentarie adiacenti è raramente
maggiore di 0.25 g/cm3.
Le rocce ignee sono più dense di quelle sedimentarie. δ cresce al diminuire
del contenuto in silice.
La densità delle rocce metamorfiche tende ad aumentare al diminuire
dell’acidità e all’aumentare del grado di metamorfismo (grande variabilità)
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Tipologie di mezzi porosi
Porosità primaria e secondaria
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Porosità
Un suolo possiede una porosità che può essere parzialmente o
interamente riempita da una fase solida e/o gassosa.
La porosità totale è definita come il rapporto tra il volume dei vuoti
(fase liquida e fase gassosa) e il volume totale:
Vvuoti
n(%) =
⋅100
Vtotale
OVVERO:
⎛ Vg
n = ⎜1 −
⎝ Vb
⎞
⎟ ⋅100
⎠
⎛ ρb
n = ⎜1 −
⎜ ρ
g
⎝
⎞
⎟⎟ ⋅100
⎠
ρg è la densità dei grani
Vg è il volume dei grani
Vb è il volume totale (bulk) del campione (volume dei pori +
volume dei grani)
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Porosità
La porosità totale si può separare in due componenti:
ntot=np+ ns
dove npè la porosità primaria che dipende dalla forma, dalle dimensioni e dalla
geometria della parte rocciosa.
Ns è la porosità secondaria fatta sulle fessure e sui microcrak causati da
forze meccaniche.
Porosità
È possibile anche definire una porosità efficace come:
ne =
Vvuoti
Vpori comunicanti
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La porosità non è un buon indicatore del flusso
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Impacchettamento cubico e porosità
Simple Cubic
n = 0.48
Body-Centered Cubic
n = 0. 26
Face-Centered Cubic
n = 0.26
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Ciclo idrologico
Charbeneau, 2000.
Distribuzione globale
dell’acqua
• 3% dell’acqua e dolce
- 97% oceani
• 1% dell’acqua dolce in
laghi, corsi d’aqua e
fiumi
• 29% dell’acqua dolce
mondiale è nelle falde
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Cosa sono le falde?
• Non esostono fiumi
sotterranei !
• Eccetto che nelle aree
carsiche
Acquiferi
• Unità litologiche o serie di unità capaci di
alimentare i pozzi
• Acquiferi confinati limitati da strati
impermeabili (aquitard)
• Acquiferi non confinati limitati dalla tavola
d’acqua ed in equilibrio con la pressione
atmosferica
• Acquiferi sospesi acquiferi di limitate
dimensioni sospesi al di sopra degli
acquiferi regionali a causa della litologia
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Bedient et al., 1999.
L’acqua nel suolo
Un suolo è un mezzo formato generalmente da
una fase solida, una liquida e una gassosa
Acqua di costituzione
Acqua di cristallizzazione
Acqua di adsorbimento
Acqua di capillarità
Acqua di gravitazione
L’acqua nel suolo
Acqua di costituzione e acqua di cristallizzazione
L’acqua di costituzione, si trova nei reticoli cristallini di alcuni materiali
(ad esempio nelle argille) e per estrarla è necessaria un’elevata
energia poiché entra a far parte dei legami di valenza primaria.
L’acqua di cristallizzazione, si trova anch’essa nei reticoli cristallini,
ma è necessaria una quantità minore di energia per estrarla poiché
entra a far parte dei legami di valenza secondari, ovvero quei
legami che tengono unite molecole diverse.
Acqua di adsorbimento
I minerali argillosi possiedono sulla
loro superficie una distribuzione di
carica elettrica negativa; il campo
generato da tali cariche elettriche,
agisce sulle molecole dipolari
dell’acqua orientandole in modo che
i due atomi di idrogeno si trovino
dalla parte della distribuzione di
carica negativa. L’acqua che si
trova in questa condizione si chiama
acqua adsorbita, e ha spessori di
circa 0.1µ.
L’acqua nel suolo
Lo strato d’acqua posto nelle immediate vicinanze
della superficie del cristallo è caratterizzata da
una consistenza tipica dello stato solido;
all’aumentare della distanza la consistenza, passa
dallo stato plastico a quello fluido
Acqua capillare
Attorno ai punti di contatto dei granuli parzialmente umidi aventi
dimensioni superiori ai 2µ (come limi e sabbie) si fissano addensamenti di
molecole di acqua, detta acqua di capillarità isolata. Se questo
addensamento invece riempie completamente lo spazio tra i grani, allora
si parla di acqua di capillarità continua.
L’acqua nel suolo
L’acqua di gravitazione (o acqua libera) occupa gli
spazi tra le particelle, ma è libera di muoversi per
effetto della gravità.
Suolo con differente contenuto d’acqua
Saturo
Acqua disponibile
I pori sono riempiti d’acqua
Pori
Acqua aderente
sulla superficie dei grani
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Suolo con differente contenuto d’acqua
Punto di appassimento
permanente
Non c’è più acqua aderente
sulla superficie dei grani
Suolo compattato
Collasso dei pori
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