Cosa è e cosa studia la Geologia Strutturale, GS
La GS è nata negli anni ‘60 e nel tempo si è evoluta da disciplina puramente
descrittiva a materia quantitativa. Questo passo in avanti è stato fatto mediante
l’apporto di studi di meccanica del continuo, prove di laboratorio, sviluppo di
tecniche che hanno permesso l’osservazione della deformazione dei minerali
anche alla scala del reticolo cristallino.
(σ1-σ3)F=βρgz(1-λv)
Stra0(001)spazia09A
.
1
n
⎛ ⎞
ε
⎛ Q ⎞
σ 1 − σ 3 = ⎜⎜ ⎟⎟ exp⎜
⎟
⎜ A⎟
⎝ nRT ⎠
⎝ ⎠
Profili reologici ricostruiti con
equazioni che considerano le rocce
come un mezzo continuo.
Macchina biassiale che misura
l’attrito delle rocce a differenti
valori di sforzo e velocità di
scivolamento.
Immagine TEM
. con strati di talco
spaziati 9 A e delaminazione
interstrato prodotta dallo
scivolamento
StructuralGeologyofRocksandRegions,2nd
Edi8on(Hardcover)
byGeorgeH.Davis(Author),
StephenJ.Reynolds(Author)
StructuralGeology(Hardcover)
byRobertJ.Twiss(Author),
EldridgeM.Moores(Author)
hKp://www.see.leeds.ac.uk/structure/learnstructure/
Dove vogliamo arrivare: #1 interpretazione stereonets
Dove vogliamo arrivare: #2 descrizione geometria strutture, possibile
cinematica e meccanica
Dove vogliamo arrivare: #3 approfondire gli argomenti di seguito riportati.
1_a Intro
1_b Intro Faglie
1_c Intro Pieghe
2 Deformazione
3 Stress e Reologia
4 Faglie e Criteri Macroscopici di Fagliamento, CMF
5 Faglie e rocce di faglia
6 Faglie e Terremoti
Esercizi
Modalità di svolgimento esame: A) Rappresentazione ed interpretazione di dati
strutturali mediante stereonets e ricostruzione strutture in 3D.
W
S
N
S0loli0
E
FraKure
Modalità di svolgimento esame: B) Caratterizzazione geometrica ed
interpretazione di strutture secondarie.
P.es. riconoscere le strutture, i possibili processi deformativi e la loro
evoluzione nel tempo. Interpretazione delle possibili cause.
Modalità di svolgimento esame: C) una domanda su uno degli argomenti trattati
dove si andrà a riferire in maniera esaustiva.
1_a Intro
1_b Intro Faglie
1_c Intro Pieghe
2 Deformazione
3 Stress e Reologia
4 Faglie e Criteri Macroscopici di Fagliamento, CMF
5 Faglie e rocce di faglia
6 Faglie e Terremoti
Modalità di svolgimento esame: D) varie domande puntuali sugli argomenti
trattati.
1_a Intro
1_b Intro Faglie
1_c Intro Pieghe
2 Deformazione
3 Stress e Reologia
4 Faglie e Criteri Macroscopici di Fagliamento, CMF
5 Faglie e rocce di faglia
6 Faglie e Terremoti
Esercizi
Orario di ricevimento:
1) Lunedì 15-16, martedì 11-12 stanza 205 durante il corso;
2) Mandare un mail a [email protected] per appuntamento;
3) Mandare un mail a [email protected] con richiesta di
chiarimenti/spiegazioni;
4) Utilizzare Claroline
Scaricate il materiale didattico dalla
cartella documenti e link !
Scaricate gli esercizi dalla cartella
esercizi!
Durante il corso speriamo di fare una didattica più interattiva
possibile e pertanto voi studenti siete incoraggiati a fare
domande, proporre i vostri commenti e discutere degli argomenti
scientifici con gli altri.
Alcune linee guida che ritengo importanti per gli studi universitari:
• Pensate e quindi esistete;
• L’Università esiste per gli studenti e non per i professori che qui
insegnano, pertanto siate rispettosi ma allo stesso tempo
esigenti;
• Studiate per imparare, per diventare bravi e per acquisire una
professionalità e non per superare l’esame.
La GS si occupa dello studio delle strutture che sono il risultato di una
deformazione permanente e che quindi portano con sé informazioni chiave sulla
natura della deformazione. La formazione di oceani, di catene di montagne è il
risultato del piegamento, della rottura (a livelli + superficiali) o del fluire delle
rocce (a livelli + profondi). La rottura, il piegamento, il lento fluire delle rocce
producono delle strutture che possono essere utilizzate per ricostruire la
deformazione che le ha prodotte.
Le rocce sono soggette a vari tipi di deformazione. Si può avere una
deformazione di corpi rigidi (traslazione e rotazione) e una di corpi non rigidi
(dilatazione e distorsione).
Corpi rigidi: la forma e le dimensioni iniziali
sono mantenute. Le traslazioni e le rotazioni si
hanno lungo delle discontinuità dove viene
interrotta l’integrità della roccia, p. es. faglie,
superfici di strato, fratture, placche
litosferiche.
Rotazione e traslazione di clasti all’interno di
una cataclasite
Corpi non rigidi: la “strain analysis” si occupa
della deformazione dei corpi non rigidi
soggetti a dilatazione, ovvero alle variazioni di
volume sia positive che negative, e distorsione
ovvero variazione delle forma.
Uno studio di GS è paragonabile ad uno studio investigativo. Come per le altre
branche delle Scienze della Terra le nostre evidenze sono incomplete e bisogna
percorrere tutte le possibili vie investigative per ridurre le incertezze. P. es:
1) Si usano studi geofisici per caratterizzare le strutture al di sotto della
superficie terrestre
Faglia di Gubbio
in affioramento
FucoidiMarls(seismicprofile)
FucoidiMarls(outcrop)
Faglia di Gubbio in profondità
su di un profilo sismico
3km
2) Si fanno delle osservazioni dalla macro alla microscala e si cerca di integrare il
tutto in un unico modello
a) Scala regionale
b) Scala dell’affioramento
W
a
c) Scala microscopica
E
b
La tettonica estensionale all’Isola d’Elba è caratterizzata da un movimento tipo
top-to-the-east
3) Si fanno degli esperimenti di laboratorio, in condizioni che in parte
riproducono quelle della crosta o del mantello, e si studiano i comportamenti delle
rocce.
Macchina triassiale all’ Università di Liverpool, capace di
sviluppare una pressione di confinamento e dei fluidi fino a
250 MPa, equivalenti a 10 km di profondità.
Confining
pressure gauge
Pressure vessel
Pore pressure
gauge
Pore fluid and axial
load controllers
Transducer
amplifiers
Control PC
duttile
Pore pressure
generator
duttile
Fragile
Axial loading
system
De Paola et al., JGR 2009
4) Si utilizzano modelli basati sulle equazioni della meccanica del continuo per
ricavare informazioni sulle osservazioni fatte.
v=0.6vS
v=0.9vS
Faglia con pseudotachilite, PST, e vene di iniezione di PST
nella roccia incassante.
Il modello è coerente con l’asimmetria delle vene a
PST e dal modello si possono ricavare informazioni
sulla direttività di propagazione della frattura, la sua
velocità di propagazione e la sua energia di
fratturazione.
Di Toro et al., Nature 2005
v=21/2vS
Stato di sforzo tensile in
prossimità del tip di una frattura
durante la propagazione di un
terremoto (a, b, c, diverse velocità
di propagazione)
Geologia strutturale vs. tettonica
Queste discipline possono essere una stessa materia che è divisa solo dalla scala
delle osservazioni fatte sulle strutture geologiche. La geologia strutturale va
dalla scala nanometrica a quello regionale la tettonica dalla scala regionale a
quella globale.
Come già accennato la GS si occupa dello studio delle strutture che sono il
risultato di una deformazione permanente . Di queste strutture viene descritta
la geometria, analizzata la cinematica e la meccanica.
Geometria
Dove sono posizionate le strutture?
Quali sono le loro caratteristiche?
Come sono orientate nello spazio e una rispetto all’altra?
Quante volte le rocce si sono deformate?
W
E
4m
Imagine LIDAR della faglia dello Zuccale,
Isola d’Elba (Steve Smith).
Cinematica
Per capire i processi geologici si devono trovare delle spiegazioni alle
geometrie osservate. Comprendere la cinematica delle strutture significa
comprendere i movimenti che le hanno prodotte.
Shear stress
Meccanica
La meccanica delle strutture prende in considerazione le forze applicate, la
loro orientazione e come le rocce hanno reagito all’applicazione di queste
forze.
P2066L275100150
σn= 75 MPa
100 MPa
150 MPa
Displacement µm
100 µ/s
300 µ/s
30 µ/s
10 µ/s
3 µ/s
1 µ/s
Esperimenti su macchina biassiale
Il miglioramento delle conoscenze sui processi strutturali avviene mediante la
formulazione di modelli (geometrici, cinematici e meccanici) le cui previsioni vanno
confrontate e testate con le osservazioni.
OSS: è importante distinguere ciò che si conosce dall’osservazione delle
strutture geologiche esposte in affioramento da quello che si può ricavare da un
modello.
In principio una osservazione ben fatta rimane valida anche se il modello
utilizzato per interpretarla cambia.
P.es. Il fatto che la superficie terrestre ha una topografia ben accentuata con
catene di montagne nel 1500 era interpretato in un modello catastrofista. Le
stesse osservazioni a partire dagli anni ’60 vennero ben spiegate dalla tettonica a
zolle.
Modelli geometrici
Sono delle interpretazioni tridimensionali della distribuzione e dell’orientazione
delle strutture. Questi modelli sono ricostruiti tramite il rilevamento geologico strutturale ed i dati geofisici,
Ricostruzione della geometria di una faglia e
della distribuzione delle rocce di faglia mediante
Go-Cad. Elaborazione dati Andrea Bistacchi,
Università Bicocca Milano.
Ricostruzione della geometria della faglia di
Gubbio e Altotiberina mediante profili di sismica
a riflessione e dati di pozzo. Elaborazione dati
Andrea Lupattelli, Università di Perugia.
Modelli cinemetici
Si interessano del movimento del sistema studiato per andare dallo stato iniziale
indeformato a quello osservato o da uno stadio di deformazione a quello
successivo. Non si interessano di spiegare perché e come sia avvenuto un
movimento o delle proprietà fisiche del sistema.
Un buon esempio di modello cinematico è la tettonica a zolle.
Modelli meccanici
Si basano sulle nostre conoscenze sulla meccanica del continuo e sul
comportamento delle rocce quando sono sottoposte a delle forze. Con un modello
meccanico si può predire il tipo di deformazione di una roccia sottoposta a
determinate condizioni fisiche tipo forze e temperatura. Questi modelli sono
vincolati non solo dalla geometria della deformazione ma anche dalle condizioni
fisiche e dalle proprietà meccaniche delle rocce deformate.
