Le deformazioni delle rocce

Distingui tra deformazione elastica, plastica e fragile, e indica quale delle tre è reversibile al cessare dello sforzo.

Che cos'è lo sforzo in geologia? Nomina i tre tipi (compressivo, distensivo e di taglio) e una struttura tipica generata da ciascuno.

Sottoposte allo stesso sforzo compressivo, alcune argilliti si piegano mentre una quarzite si rompe in diaclasi. Spiega quali proprietà di ciascuna roccia e quali condizioni esterne (temperatura, pressione, rapidità della deformazione) favoriscono ciascun comportamento.

In un laboratorio di geodinamica si sottopongono provini cilindrici identici di calcare a tre prove di deformazione triassiale:

• Prova A: a $400\ ^\circ\text{C}$ e $400\ \text{MPa}$ (equivalenti a circa $15\ \text{km}$ di profondità), deformato a una velocità molto lenta di $10^{-14}\ \text{s}^{-1}$ (velocità tettonica tipica).

• Prova B: alla stessa temperatura e pressione di confinamento della prova A, ma deformato bruscamente a $10^{-3}\ \text{s}^{-1}$.

• Prova C: a velocità lenta ($10^{-14}\ \text{s}^{-1}$), ma a $40\ ^\circ\text{C}$ e $25\ \text{MPa}$ (condizioni di $1\ \text{km}$ di profondità).

1. a) Prevedi in modo motivato il tipo di deformazione (fragile o duttile) che subirà il provino in ciascuna prova e disegna schematicamente la curva sforzo-deformazione attesa per le prove A e C.
2. b) Giustifica a livello meccanico perché un aumento drastico della velocità di deformazione (prova B) modifica la risposta della roccia anche se rimane in condizioni profonde di alta temperatura e pressione.
3. c) Nelle zone di subduzione si registrano terremoti fragili a profondità superiori a $60\ \text{km}$, dove pressione e temperatura dovrebbero impedire la frattura. Formula un'ipotesi motivata basata sul ruolo dei fluidi interstiziali (pressione dei pori) per spiegare questa anomalia.

Che cos'è una piega anticlinale e che cos'è una sinclinale? Indica dove si trovano i materiali più antichi in ciascuna: nel nucleo o nei fianchi?

Definisci gli elementi di una piega: cerniera, fianchi e piano assiale. Che cosa indica l'orientazione del piano assiale sulla simmetria della piega?

Che differenza c'è tra una piega simmetrica e una asimmetrica? Che cosa indica la vergenza di una piega sul senso della compressione?

In una sezione del terreno si osservano due strutture tettoniche numerate: la struttura 1 presenta una curvatura con convessità verso l'alto e la struttura 2 presenta una curvatura con concavità verso l'alto. Indica quale numero corrisponde a una piega anticlinale e quale a una sinclinale, e spiega il criterio che hai usato per distinguerle.

Negli Appalachi, i nuclei degli anticlinali formano valli e le sinclinali coronano le cime. Spiega questa inversione del rilievo a partire dall'erosione differenziale sulle rocce fratturate della cerniera dell'anticlinale.

In una prospezione geologica per il tracciato di un tunnel, la cartografia rivela che lungo una valle lineare gli strati immergono di $40^\circ$ in direzioni opposte allontanandosi dall'asse della valle; i fossili rinvenuti sul fondo della valle appartengono al Triassico, mentre sulle cime circostanti appartengono al Giurassico.

1. a) Determina la struttura tettonica che sta sotto la valle e giustifica perché la topografia attuale rappresenta un caso di rilievo invertito (inversione del rilievo).
2. b) Spiega il meccanismo di erosione differenziale che ha permesso al nucleo della struttura, originariamente la zona strutturalmente più elevata, di trasformarsi in una depressione (combe anticlinale), indicando il ruolo della fratturazione nella cerniera.
3. c) Se si progetta di scavare il tunnel perpendicolarmente all'asse della valle a $100\ \text{m}$ di profondità sotto il suo fondo, prevedi due difficoltà geomeccaniche o idrogeologiche che il gruppo tecnico incontrerà attraversando la zona di cerniera.

Spiega la differenza tra una faglia e una diaclasi. In quale delle due c'è spostamento relativo dei blocchi?

Che cos'è una faglia normale e sotto quale tipo di sforzo si produce? Fai un esempio di struttura associata alla distensione crostale.

In una faglia si distinguono il blocco sollevato e il blocco ribassato. Spiega come si riconoscono sul terreno a partire dallo spostamento degli strati.

Nella stessa immagine della sezione, individua le due faglie numerate e ragiona su quale sia normale e quale inversa in base allo spostamento relativo dei loro blocchi. Quale tipo di sforzo, distensivo o compressivo, ha prodotto ciascuna?

Distingui tra faglia inversa e sovrascorrimento, e spiega perché entrambe le strutture implicano un accorciamento della crosta. Quale inclinazione ha di solito il piano di un sovrascorrimento?

In una sezione, il tetto di uno strato di calcare appare spostato di $120\ \text{m}$ in verticale da una faglia. Spiega che cos'è il rigetto di una faglia e di quali informazioni aggiuntive avresti bisogno per conoscere lo spostamento totale se la faglia avesse anche una componente di direzione.

Le diaclasi facilitano l'estrazione di blocchi nelle cave, ma riducono la qualità della roccia ornamentale. Spiega entrambe le affermazioni e ragiona sul perché una roccia molto diaclasata non serve per ottenere grandi pezzi.

Un blocco ribassato tra due faglie normali forma una fossa tettonica (graben), e il blocco sollevato tra di esse, un horst. Spiega quale regime di sforzi li genera e fai un esempio di ciascuna struttura.

Nella relazione preliminare di un'opera civile sulla sezione geologica dell'immagine si afferma che: «Le faglie si sono originate prima in regime distensivo e, successivamente, un episodio compressivo ha piegato sia gli strati sia le faglie preesistenti».

1. a) Confuta in modo fondato l'ipotesi della relazione: analizza la geometria delle strutture osservabili nell'immagine e indica quali principi di cronologia relativa tale interpretazione contraddice.
2. b) Ricostruisci con ragionamento la sequenza temporale dei processi che hanno modellato questo settore (sedimentazione, deformazioni tettoniche ed erosione).
3. c) Deduci e giustifica come è cambiato il regime degli sforzi tettonici (o le condizioni fisiche di deformazione) tra il momento in cui si sono generate le pieghe e il momento in cui hanno agito le faglie che le tagliano.

Studi geodetici mediante GPS e interferometria radar (InSAR) in un tratto di $30\ \text{km}$ della faglia di Alhama de Murcia indicano che i blocchi ai due lati si spostano a una velocità relativa di $1,5\ \text{mm/anno}$. Tuttavia, i sensori situati esattamente sulla traccia in superficie registrano velocità nulla da più di 400 anni e la microsismicità è appena presente.

1. a) Applica la teoria del rimbalzo elastico per spiegare lo stato meccanico di quel settore della faglia e giustifica perché la prolungata assenza di terremoti non implica sicurezza, ma un aumento della pericolosità.
2. b) Calcola lo spostamento accumulato che rimane elasticamente bloccato dopo 400 anni e confronta l'effetto meccanico della sua liberazione istantanea con quello di un settore che si muove per scorrimento asismico continuo (creep).
3. c) Se in un altro segmento della stessa faglia si misurano $1,5\ \text{mm/anno}$ di scorrimento superficiale continuo accompagnato da microsismi quasi impercettibili, deduci in modo motivato quale dei due segmenti presenta il maggior rischio di originare un terremoto distruttivo a breve o medio termine.

Sul fronte di una cava affiora un piano di faglia inclinato di $60^\circ$ verso ovest che mette a contatto due blocchi (blocco occidentale e blocco orientale). Si registrano le seguenti osservazioni:

1. Il blocco orientale contiene uno strato guida di calcare a $10\ \text{m}$ di profondità, mentre nel blocco occidentale lo stesso strato compare a $35\ \text{m}$.

2. Sul piano di attrito si osservano strie parallele alla linea di massima pendenza e gradini di faglia la cui asperità al tatto si avverte facendo scorrere la mano verso il basso sul blocco orientale.

3. Gli strati del blocco occidentale si incurvano verso l'alto man mano che si avvicinano alla frattura.

1. a) Determina in modo motivato quale dei due blocchi è il tetto e quale il letto della faglia a partire dall'inclinazione del piano.
2. b) Interpreta gli indicatori cinematici (gradini e curvatura degli strati) e deduci il movimento relativo dei blocchi.
3. c) Un tecnico afferma che la faglia è normale «perché lo strato di calcare è più basso nel blocco occidentale». Confuta o sfuma la sua conclusione analizzando la coerenza tra lo spostamento netto osservabile e gli indicatori cinematici dinamici (trascinamenti e strie).

Nel rilevare una colonna geologica si osserva una ripetizione stratigrafica: Marne (Cretaceo) $\rightarrow$ Arenarie (Paleocene) $\rightarrow$ Calcari (Eocene) $\rightarrow$ Marne (Cretaceo) $\rightarrow$ Arenarie (Paleocene) $\rightarrow$ Calcari (Eocene). Il contatto intermedio tra i calcari inferiori e le marne superiori è una superficie netta inclinata di $30^\circ$ che taglia obliquamente gli strati.

1. a) Formula due ipotesi geologiche diverse per giustificare tale ripetizione: una strutturale basata su un accidente tettonico e una stratigrafica basata su una piega coricata erosa.
2. b) Progetta tre verifiche sul campo (criteri di polarità sedimentaria, microstrutture sul piano di contatto e datazione relativa del contatto rispetto agli strati) che permettano di stabilire quale delle due ipotesi sia quella corretta.
3. c) Se la polarità sedimentaria in entrambe le sequenze è orientata verso il tetto (verso l'alto) e sulla superficie di contatto si trova una breccia tettonica con strie che indicano inclinazione verso la base, concludi quale tipo concreto di struttura geologica ha agito e deduci il regime tettonico responsabile.

In una banda di deformazione crostale larga $300\ \text{m}$ che attraversa un massiccio granitico si osserva la seguente transizione:

• Verso il nucleo della banda, il granito originario passa a una roccia a grana finissima con bandatura continua, granuli di quarzo stirati dinamicamente e feldspati ruotati (milonite).

• A taglio e frantumazione di tale milonite compaiono piani di frattura netti con brecce angolose e polvere di roccia priva di coesione e di orientazione cristallina (cataclasiti).

1. a) Analizza i meccanismi di deformazione minerale dominanti nella milonite rispetto alla cataclasite e deduci in quale regime crostale (duttile o fragile) si è formata ciascuna.
2. b) Giustifica quali informazioni fornisce la sovrapposizione nello stesso affioramento di cataclasiti su miloniti riguardo alla storia di sollevamento (esumazione) e all'evoluzione termica di quel blocco orogenico.
3. c) Se l'analisi cinematica dei porfiroclasti della milonite indica taglio inverso (compressivo), ma le strie sui piani cataclastici indicano movimento normale (distensivo), elabora una ricostruzione geodinamica motivata dell'evoluzione tettonica di quella zona di faglia.

Il terremoto di Lorca del 2011 ebbe una magnitudo momento moderata ($M_w\ 5,1$) ma causò 9 morti e gravi danni (intensità VIII), mentre il terremoto del 2010 sulla costa di Granada, di magnitudo molto maggiore ($M_w\ 6,3$), provocò appena lievi danni materiali.

1. a) Giustifica fisicamente la disparità di danni tra i due eventi a partire dal rapporto tra magnitudo, profondità focale (distanza ipocentrale) e accelerazione massima del suolo.
2. b) A Lorca, gli edifici situati su sedimenti alluvionali quaternari subirono danni nettamente maggiori di quelli fondati su substrato roccioso coeso a breve distanza. Spiega questo fenomeno analizzando la velocità di propagazione, l'ampiezza e l'attenuazione delle onde sismiche (effetto di sito).
3. c) A partire da questi dati, argomenta perché un piano di pianificazione territoriale che classifichi il rischio sismico basandosi esclusivamente sulla distanza dalle faglie attive sia insufficiente, e indica quali fattori geologici complementari devono essere inclusi nelle mappe di microzonazione sismica.