GEOFISICA DELLA TERRA SOLIDA E GEOTERMIA CON LABORATORIO

Non obbligatorio ma consigliato il superamento degli esami di Metodi matematici e sismologia Alcuni degli argomenti trattati richiamano concetti sviluppati in queste materie

La frequenza al corso è obbligatoria per almeno il 70 % delle lezioni. Si suggerisce tuttavia di frequentare la maggior parte delle lezioni, perchè in aula vengono richiamati anche concetti di base che non sono strettamente del programma ma propedeutici alla comprensione degli argomenti trattati.

Il corso ha l’obiettivo dichiarato di fornire le adeguate conoscenze e capacità di comprensione della Geofisica della Terra Solida per la caratterizzazione della dinamica e della struttura interna della Terra e per 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.

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 esterno-nucleo 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.

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.

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.

Le domande riguardano tutto il corso e sono tese a verificare la comprensione che lo studente ha acquisito su:

- concetti di Geofisica della Terra Solida per definire struttura e dinamica dell’interno della Terra.
- 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, per la definizione 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.
- metodi di indagine per il reperimento e lo sfruttamento di risorse geotermiche.