Corso di Geologia Applicata: Tettonica e stratigrafia

Università degli Studi di Firenze

INA AS + FLORENTIN UDIORUM +U IVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Scuola di Ingegneria Corsi di laurea triennale in Ingegneria Ambientale | Ingegneria Civile ed Edile per la Sostenibilità Corso di Geologia Applicata Elementi di Geologia Capitolo 5 Tettonica e stratigrafia TINA STUDIORUM ERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE DST Dipartimento di Scienze della Terra

Geologia Strutturale

Geologia strutturale: studia la distribuzione tridimensionale delle rocce in relazione alla loro storia deformativa

Deformazioni delle rocce

Deformazioni delle rocce di due tipi:

• Fragile: fratture, faglie
• Duttile (plastico): pieghe

Stress

Stress è la forza esercitata su un oggetto (ha le dimensioni di una pressione)

Stress di confinamento

Stress di confinamento (pressione di confinamento) (ov), si verifica quanto le rocce sono sottoposte a carico litostatico (accumulo di sedimenti). E associato a fenomeni di diagenesi e metamorfismo regionale.

Ov = PrgZ

Original dimension of rock (a) Confining pressure Confining pressure is equal from all sides, reduces volume without deformation

Dove pr è la densità delle rocce, g è l'accelerazione di gravità e z è lo spessore delle rocce soprastanti

Processi tettonici

Processi tettonici: generalmente orientati orizzontalmente.

Stress compressivo è comune nei margini di placca convergenti

Stress estensionale (talvolta chiamato tensionale) è comune nei margini di placca divergenti

Tectonic compression Tectonic compression deforms rock and shortens the distance between two points (b) Extensional stress Extensional stress fractures rock and lengthens the distance between two points (c) Shear stress Stress di taglio agisce Acts in parallel but opposite directions parallelamente ma con verso opposto. (d)

Misura dello stress

Stress è la misura dell'intensità della forza per unità di area. L'unità di misura dello stress è il Pascal (Pa, dove 1 Pa = 1 Nm-2).

Si definisce Stress Normale (o) se la forza che agisce è perpendicolare all'area su cui agisce

F = = - A

dove F è la forza in Newton (N) e A è l'area in metri quadri (m2).

Si definisce Stress di taglio (o shear stress) (t) se la forza è parallela all'area su cui agisce

= F A

Deformazione e Strain

Strain: è il cambio di dimensioni che subisce una roccia soggetta ad uno sforzo

8 = AL L

AL AL 8% = 1 × 100

Dove L è la lunghezza originale e AL è il cambio di lunghezza

Strain angolare

Strain: è il cambio di dimensioni che subisce una roccia soggetta ad uno sforzo (in questo caso angolare)

Y = = tan y

F y 25 4

Stress e Deformazione

Fattori di controllo

I fattori che controllano la risposta del materiale in risposta allo stress sono:

• La natura del materiale
• La temperatura
• La pressione
• Il tempo di applicazione

Comportamento elastico

Comportamento elastico: proporzionalità diretta tra stress applicato e strain osservato (Legge di Hooke). Il materiale torna alla sua forma originale se non viene applicato stress (coefficiente di proporzionalità: Modulo di Young)

Comportamento visco-elastico: come il comportamento elastico ma con un "ritardo" tra la rimozione dello stress e il ritorno alla forma originale

Non-linear elastic Linear elastic o = Es

Stiff (granite) o = Es E Compliant (shale) E

Comportamento duttile

Comportamento duttile. Per duttilità si intende la capacità di un materiale di deformarsi in modo diffuso ed uniforme

Strain hardening Peak stress = strength Strain softening Residual strength

Fratture

FRATTURE Generalmente tutte le rocce presentano una certa fratturazione. Fratture s.l. o diaclasi: quando non è presente uno spostamento significativo dei due lati (labbra della frattura)

Fratture estensionali

Una frattura estensionale si forma in risposta allo stress normale

Non c'è scorrimento parallelo al piano della frattura (no shear stress)

Due tipologie principali:

• Fratture da tensione (tension fractures), che si generano in risposta a stress tettonico (associate a pieghe e faglie) o a stress dovuto a movimenti di frana
• Idro-fratturazione, dovuto alla fratturazione del materiale ad opera della pressione dei fluidi nelle rocce (molto frequenti nei reservoir geologici -> idrocarburi o geotermia)

Faglie

Una faglia è una frattura dove è presente movimento parallelo alla superficie di faglia (in risposta allo stress di taglio), con evidenti segni di dislocazione. Spostamento di orizzonti stratigrafici (strati di roccia che vengono rotti e spostati)

Terminologia delle faglie

Rigetto: entità dello spostamento Specchio: piano di faglia quando è lisciato

Faglie verticali: labbra simmetriche

Faglie inclinate: Si distinguono:

• tetto (t): faccia rivolta verso il basso (parte che si trova sopra la faglia)
• muro (m): faccia rivolta verso l'alto (parte che si trova sotto la faglia)

m t t m

Tipi di faglie

Faglie dirette o normali: tetto abbassato rispetto al muro

Faglie inverse: tetto sollevato rispetto al muro

m Faglia diretta t Faglia inversa t m

Faglie dirette: distensione, inclinazione elevata (>45° )

Faglie inverse: compressione, inclinazione bassa (<45° )

Distensione: faglie dirette B A C Compressione: faglie inverse

Faglie trascorrenti: movimento orizzontale predominante

A B Faglie trascorrenti. A: destra (quando un osservatore posto su uno dei due blocchi e guarda l'altro oltre la faglia ed esso risulta spostato verso destra); B: sinistra (viceversa).

Esempi di faglie

FAGLIE Blocco originario Con la faglia di compressione si ha accorciamento crostale Con la faglia di distensione si ha estensione crostale - Esempi di faglie: le frecce indicano le direzioni degli spostamenti lungo il piano di faglia.

Scarpata di faglia Estensione (a) Faglia diretta

O SAKARFAGLIE Compressione (c) Faglia inversa

Taglio

Sistemi di faglie

Sistemi di faglie: associazioni di faglie dirette o inverse.

Faglie a gradinata: associazione distensiva più semplice, costituita da faglie vicarianti (faglie per le quali alla diminuzione di rigetto in una si affianca un aumento in quella contigua)

Sistemi horst e graben o fossa tettonica: associazioni di faglie dirette che si formano in genere a seguito di inarcamenti della crosta

Graben Graben ! Horst Horst

Pieghe

PIEGHE Deformazioni tipiche di rocce stratificate (non in rocce cristalline) dovute a compressione. P Gore 1976

Tipi di pieghe

A) Anticlinale: piega convessa verso l'alto con al nucleo formazioni più antiche B) Sinclinale: piega concava verso l'alto con al nucleo formazioni più giovani

Nucleo dell'anticlinale Fianco Piano assiale Asse Nucleo della sinclinale Anticlinale Sinclinale Piega completa nel suo sviluppo teorico e come si presenta a seguito di fenomeni erosivi. Al nucleo dell' anticlinale affiorano le rocce più antiche e viceversa per la sinclinale

C) Flessura (o Monoclinale) e Piega a ginocchio: piegatura che raccorda due pacchi di rocce stratificate ad andamento orizzontale.

Flessura o monoclinale (A): lieve pendenza Piega a ginocchio (B): strati rovesciati

A B

Forme di pieghe

FORME DI PIEGHE Piega asimmetrica rovesciata: un fianco supera la verticale

Piega asimmetrica coricata: piano assiale suborizzontale

Vergenza: senso di rovesciamento

anticlinale anticlinale vergenza A sinclinale B C D E A) vergenza; B) piega simmetrica; C) piega asimmetrica; D) piega asimmetrica rovesciata; E) piega asimmetrica coricata

Pieghe e Faglie

PIEGHE - FAGLIE Pieghe anticlinali associate a faglie inverse.

3 1 3 1 Sistema di pieghe - faglie in rocce fragili: l' accentuazione di un' anticlinale rovesciata può portare alla rottura della piega in più blocchi . . .

Evoluzione piega-faglia

PIEGHE - FAGLIE Rocce più plastiche: si ha dapprima un assottigliamento e poi la rottura

2 Evoluzione di una piega-faglia in rocce plastiche per evoluzione di un' anticlinale rovesciata sottoposta a compressione

Sovrascorrimenti e Falde di Ricoprimento

SOVRASCORRIMENTI E FALDE DI RICOPRIMENTO Corpi traslati orizzontalmente su distanze variabili da pochi km a centinaia di km e delimitati inferiormente da una superficie di rottura (piano di scorrimento).

Sovrascorrimento: movimento di limitata entità e quando è chiaramente individuabile la zona di origine del blocco sovrascorso

A2 A1 A B A: sovrascorrimento 'radicato' passante lateralmente a piega rovesciata (A1) e diritta (A2); B: sovrascorrimento sradicato 7

Principi di Tettonica

Falda di ricoprimento: movimento di vaste proporzioni e quando non è più riconoscibile la zona di origine del blocco sovrascorso

A B A: Rappresentazione schematica di una falda di ricoprimento; B: falda formatasi a partire da un' originaria piega-faglia inversa.

Tettonica e crosta

(a) Continental crust India Sediments and sedimentary rocks on continental rise and slope Oceanic crust Tibet Lithosphere (b) Trench Subduction complex Forearc basin Volcano Rising magma Zone of melting Asthenosphere

(c) Folds and thrust faults in sedimentary rocks Volcanism ceases when India begins to underthrust (d) Initial thrust

Principi di Stratigrafia

STRATIGRAFIA: parte della Geologia che studia la successione delle rocce sedimentarie secondo l'ordine di deposizione.

Rocce sedimentarie: studiate sulla base di due criteri:

• Litologico: unità litostratigrafiche
• Cronologico: unità geocronologiche

Unità Litostratigrafiche

UNITA' LITOSTRATIGRAFICHE Formazione: unità litostratigrafica fondamentale, caratterizzata da omogeneità litologica o alternanza di 2 o più litotipi

Formazione C: Arenaria Limite Formazione B: Alternanza di arenarie e argilliti Limite Formazione A: Calcare

UNITA' LITOSTRATIGRAFICHE Limiti di formazione: definiti in corrispondenza di cambiamenti litologici, indipendentemente dall' età

VI Formazione C V Limite formazioni IV Linee tempo Formazione B III Limite formazioni Formazione A I

UNITA' LITOSTRATIGRAFICHE Membri: unità litostratigrafiche minori (all' interno di Formazioni)

Gruppo: unione di due o più Formazioni con qualche affinità

Nome formazione: dalla località in cui affiora con migliore e più completa esposizione, oppure dalla tradizione

Esempi: Calcare di Esino, Formazione di Monte Morello, Rosso Ammonitico, Maiolica