EROSIONE ED ALTERAZIONE: MODELLI, TASSI, MISURE - A cura di Stefano FURLANI, a.a. 2019-2020 - Moodle@Units
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IN QUESTA LEZIONE Processi che demoliscono le rocce quando queste vengono in contatto con fluidi o con sforzi meccanici sulla loro superficie Il profilo di alterazione Processi che fratturano la roccia Processi che alterano la roccia Quantificazione degli sforzi e trasferimenti di massa associati alla degradazione ed all’erosione
DEGRADAZIONE ED EROSIONE La degradazione (weathering) riguarda i processi di alterazione della roccia che avvengono in situ e si divide in d. chimica, d. meccanica e d. biologica L’erosione (erosion) riguarda la rimozione del materiale precedentemente alterato o la rimozione ad opera dell’agente rimovente
I processi di degradazione sono normalmente estremamente più lenti dei processi di erosione, che possono essere anche molto veloci in occasione di eventi eccezionali; I tassi sono molto variabili a seconda del tipo di rocce o suoli presenti
FRATTURAZIONE La produzione di frammenti di dimensioni ridotte si chiama triturazione (comminution): Frammenti piccoli sono più facilmente trasportabili; I materiali fratturati sono meno resistenti del materiale integro; Le fratture forniscono facili vie di penetrazione per acqua ed aria, controllando il flusso di acqua nel sottosuolo; Fratturazione e frammentazione aumentano la superficie esposta totale, aumentando quindi la superficie a disposizione per i processi di alterazione chimica e biologica
SUPERFICIE ESPOSTA Se partiamo da un cubo 10 cm x 10 cm x 10 cm e lo suddividiamo in 8 miliardi di clasti, aumentiamo la superficie reattiva di 4 ordini di grandezza
STRESS TERMICO Le rocce, quando scaldate, si espandono. L’espansione non – uniforme della roccia o dei minerali che la costituiscono produce sforzi. Quando gli sforzi eccedono la Figueiredo et al. (2008) resistenza dei materiali, allora le Disintegrazione dei granuli rocce si spaccano. (granular disintegration), che Solitamente questi produce rocce spigolose sforzi sono confinati Separazione dei frammenti nei primi centimetri (spallation), che produce blocchi dalla superficie. arrotondati
RELAZIONE VOLUME-TEMPERATURA Coefficiente di espansione volumetrica termica α = 1/V (dV/dT)p V = volume, T= Temperatura, p= costante di pressione α varia da 1 a 10 x 10-6 °C-1 Per una roccia con α = 10 x 10-6 °C-1, una massa rocciosa di 1 m si allungherà di 1 mm.
EFFETTI SULLA ROCCIA Se tutta la roccia è omogenea e si espande e contrae uniformemente, non ci sono grossi danni; Solitamente però non funziona così: l’espansione termica viaria da minerale a minerale. Molti minerali sono anisotropici nelle proprietà dell’espansione termica. Inoltre la temperatura all’interno della roccia non è uniforme. Il risultato è che si produce stress termico
ESPANSIONE TERMICA CALCITE Quarzo (Hall et al. 2008): α = 7,7 x 10-6 °C-1 K-1 (asse c) α = 13,3 x 10-6 °C-1 K-1 (asse a) Calcite (Siegesmund et al. 2008): α = 26 x 10-6 °C-1 K-1 (asse c) α = -6 x 10-6 °C-1 K-1 (asse a) Nelle rocce comuni, il quarzo ha il più alto coefficiente di espansione termica, il feldspato di calcio il più basso (Lane, 1994)
CICLI GIORNALIERI I cicli giornalieri di riscaldamento/raffred damento non- uniforme sono causati dall’insolazione, modulati dal tempo Furlani e Cucchi (2008) meteo e dalla stagione disintegrano la roccia, attraverso il distaccamento dei singoli minerali (Gomez-Heras et al., 2006). Es. durante gli incendi
TASSI DI RISCALDAMENTO/RAFFREDDAMENTO Gradienti (dT/dt)>2°C/min portano a danneggiamento irreversibile delle rocce (Yatsu, 1988); Es, fuoco che scalda la superficie rocciosa di oltre 100°C per 30 min, ma anche l’insolazione giornaliera può eccedere il numero di Yatsu (esempio il passaggio di una nube). Anche la scabrezza della roccia (roughness) può causare effetti di ombreggiamento e quindi insolazione differenziale, come anche l’albedo, ecc.
La profondità di penetrazione dell’onda termica nella roccia è legata a due fattori: (1) la scala temperale del ciclo termico, varia da secondi ad anni (es. fulmine o cicli climatici). Per variazioni cicliche, le variazioni (es. giornaliere) possono essere approssimate a delle sinusoidi; T=T0+Tampe-z/z*sin(2πt/P) –(z/z*)) T ad ogni profondità z in ogni istante t (2) l’indice di diffusività termica della roccia (varia al massimo di qualche ordine di grandezza).
FOLGORITI
Fluttuazioni di temperatura della superficie rocciosa sull’ordine dei 30°C si riducono a 5°C a 0.4 m di profondità; Es: se teniamo la diffusività costante a 1 mm2/s (ragionevole per la maggior parte delle rocce): z* per 15 min di perturbazione sarà 17 mm, per 1 giorno sarà 0,17 m, per 1 anno sarà 3.2 m, Possiamo aspettarci sforzi termici a causa del passaggio di nuvole o incendi (qualche decina di millimetri), cicli diurni (qualche decimetro), cicli annuali (qualche metro).
CRIOCLASTISMO Il congelamento può rappresentare una significativa causa di frattura delle rocce; L’acqua si espande di circa l’11% in volume quando diventa ghiaccio, ma questo non è la principale causa di crioclastismo, in quanto il sistema geomorfico non è chiuso; L’acqua può infatti muoversi all’interno delle fratture nella roccia; L’acqua gela più facilmente nelle fratture aperte, ed è particolarmente efficace a temperature tra -3 e -10 °C. A temperature più basse, la viscosità effettiva dell’acqua aumenta, riducendo l’acqua trasportata alla lente di ghiaccio in accrescimento
CARATTERISTICHE DEL CRIOCLASTISMO NELLE ROCCE Il ciclo annuale è più efficiente rispetto alle variazioni giornaliere, in quanto c’è più migrazione di acqua nell’ammasso roccioso (Walder e Hallet, 1986) Hales e Roering (2005) hanno dimostrato che la maggior parte della produzione di ghiaioni su versanti acclivi avviene in una banda di elevazione che corrisponde ad un range di temperatura che sta nella finestra termica.
SFORZI TERMICI IN PROFONDITÀ E’ il caso dei cunei poligonali di ghiaccio, che si formano quando il suolo ghiacciatosi spezza secondo un pattern rettilineo con spaziatura dell’ordine di circa 10 m durante episodi freddi protratti nel tempo: Lord Howe (Alaska)
ALTRI PROCESSI DI FRATTURAZIONE Aloclastismo (in ambienti aridi, sulla costa) Alterazione biologica da radici (legata al ciclo di vita della pianta). Questo tipo di alterazione riflette la necessità della pianta di ancorarsi al suolo per contrastare vento e processi di creeping. Durante gli eventi ventosi, il suolo vicino alla base degli alberi di muove
FRATTURE E RESISTENZA DELLE ROCCE Le rocce fratturate sono meno resistenti della roccia intatta. COME QUANTIFICARE LA RESISTENZA? Esistono numerose classificazioni sulla resistenza delle rocce, la maggior parte per scopi ingegneristici (Beniawski, 1973; Barton, et al., 1974). Selby (1980) ha sviluppato una classificazione per problemi legati all’evoluzione del territorio
CLASSIFICAZIONE DI SELBY (1980)
La classificazione di Selby (1980) considera la resistenza misurata della roccia intatta, stato dell’alterazione, movimento dell’acqua ed il numero, orientazione, dimensioni, continuità e riempimento delle fratture Questa classificazione empirica da molta importanza alla resistenza della roccia intatta
Moore et al. (2003) sostiene che l’orientazione delle fratture è l’unico parametro di controllo sull’arretramento dei versanti, mentre elevazione, aspetto, pendenza e lunghezza del versante non sono correlati a questo tipo di erosione
ALTERAZIONE CHIMICA DELLE ROCCE
ALTERAZIONE CHIMICA Le rocce sulla superficie terrestre sono esposte all’alterazione chimica. I minerali possono essere alterati producendo suoli bruno-rossastri, grotte, caliche bianche. Queste trasformazioni sono fondamentali perché: In qualche caso rappresenta la forma primaria di erosione, e può penetrare in profondità attraverso le fratture; L’alterazione chimica modifica le proprietà fisiche delle rocce. La precipitazione di gesso, silice o carbonato può cementare il suolo; L’alterazione chimica dei silicati è parte del ciclo del carbonio che controlla la CO2; Può essere osservata dal punto di vista delle proprietà della fase solida (mineralogia, porosità) nel regolite, o da una prospettiva dei materiali sciolti rilasciati in soluzione.
PH - CARBONATI L'acqua pura scioglie poco il carbonato di calcio (16 mg/l); l'acqua in contatto con l'atmosfera contiene disciolta una piccola quantità di CO2 sufficiente ad aumentare la solubilità del carbonato ci calcio (70 mg/l a 0oC, e 50 mg/l a 15oC); sotto una copertura vegetale o sotto la neve, l'acqua si arricchisce ancor più di CO2, e può disciogliere fino ad alcune centinaia di mg/l di carbonato di calcio.
PH - SILICATI La maggior parte dei silicati si dissolvono a tassi più alti con pH alti e bassi, a tassi inferiori con pH neutri (4-8) Wang et al. (2018)
CARSISMO E CLIMA Regioni fredde: il gelo inibisce la corrosione carsica superficiale per parecchi mesi l'anno. Però sotto la neve si formano sacche d'aria ricche di anidride carbonica che rende l'acqua di fusione più aggressiva; clima temperato: la corrosione è frenata dall'aumento della temperatura, ma è favorita dalla presenza di vegetazione; regioni calde e secche: la corrosione superficiale è ostacolata dall’alta temperatura e dalla scarsa copertura vegetale. In queste regioni la corrosione profonda è possibile poichè le acque di condensazione sono molto più fredde sottoterra che in superficie; regioni calde tropicali: la corrosione è intensa in superficie ed in profondità, a causa principalmente della vegetazione.
CONTROLLO BIOLOGICO Anche le piante e microbi influenzano i tassi di alterazione (Taylor et al., 2009). Gadd, Nature Microbiology (2017)
Cosa si trova sopra la roccia? IL PROFILO DI DEGRADAZIONE
IL PROFILO DI DEGRADAZIONE/ALTERAZIONE Il profilo di degradazione rappresenta la struttura fisica in cui avvengono i processi di alterazione Si tratta della zona di passaggio tra l’atmosfera e la roccia non alterata; E’ una zona fondamentale per molti processi di versante;
Le rocce si trovano progressivamente esposte a processi di degradazione che producono materiali che vanno dalle rocce alterate ai suoli Le rocce vengono a trovarsi nella zona di reazione (ai processi di alterazione) a causa dei processi erosivi, più che alla tettonica che muove verso l’alto le rocce rispetto ad un datum (geografico)
IL PROFILO DI ALTERAZIONE Le rocce portate in superficie sono posizionate in una zona reattiva nella quale avvengono una serie di processi di alterazione
Il regolite è lo strato di roccia alterata al massimo grado Tre strati all’interno del regolite. Dal basso: Fratture nella roccia Saprolite, meno alterato del livello sottostante (non è stato sottoposto a sforzi) Regolite mobile (suolo. Può essere organizzato in strati. Il materiale si muove sia orizzontalmente che verticalmente
PARAMETRI: 1 SFORZO Cambio di volume rispetto al volume della roccia madre, la roccia si frantuma è aumenta in volume1 Varia tra 0 e 3=300% Le fratture cambiano l’orientazione delle rocce nel profilo. 1calcolato sulla base della concentrazione di Zr, un elemento non intaccato dai processi di alterazione (εZr, W).
PARAMETRI: 2 MOBILITÀ DEL MATERIALE Le parti «reattive» più profonde del profilo sono date dalle fratture ad alto angolo, principalmente di origine tettonica; Verso l’alto, le fratture sono via via più ossidate, con macchie ed aloni. Sopra il primo strato, le rocce sono ancora intatte, ma completamente ossidate; La densità delle fratture poi aumenta verso l’alto Profilo di equilibrio in (saprolite), e la loro a) rocce stratificate orientazione diventa parallela b) omogenee alla superficie.
SPESSORE ED ETÀ DEI PROFILI Lo spessore del profilo di degradazione pu dare informazioni qualitative sull’età del profilo stesso Su affioramenti in roccia, il bedrock inalterato può essere presente già in superficie, e le fratture sono l’unica manifestazione dell’alterazione; In altre aree, i profili possono essere spessi decine di metri ed i processi di alterazione possono aver lavorato per milioni di anni, in particolare se i tassi di erosione sono bassi.
DENTRO IL PROFILO: LA ZONA CRITICA Si definisce zona critica tutto ciò che si trova tra il top della copertura vegetale alla base della falda; In questa zona, l’interazione tra roccia, aria, acqua ed organismi controlla i nutrienti e la struttura dell’ambiente (Bratnley et al., 2007); Il profilo di alterazione rappresenta la struttura fisica di questa zona in cui avvengono i processi di alterazione
La maggior parte dei minerali in questa zona si trovano in disequilibrio con le soluzioni circolanti nel profilo, innescando quindi processi di alterazione
LO STRATO SUPERIORE: IL SUOLO l'insieme di processi fisici, chimici e biologici che portano alla formazione di un suolo, nel corso del tempo, a partire dal cosiddetto substrato pedogenetico (sapropel), è detto pedogenesi; Per la formazione di un suolo non è sufficiente l’alterazione dei minerali delle rocce, dal momento che la differenza tra un suolo e un accumulo di sedimento non pedogenizzato è la presenza di sostanza organica mescolata alla componente minerale; Interviene anche l'azione di una componente biologica.
Effetto sui materiali del Processo Descrizione suolo Eluviazione Traslocazione Asportazione di materia da uno strato di suolo Illuviazione Traslocazione Deposizione di materia in uno strato di suolo Dilavamento Sottrazione Allontanamento in soluzione di materiali Arricchimento Aggiunta Aggiunta di materiale al suolo Erosione superficialeSottrazione Asportazione di materiale dalla superficie del suolo Cumulazione Aggiunta Deposizione di materia alla superficie del suolo Decarbonatazione Traslocazione Rimozione del carbonato di calcio da uno o più orizzonti di suolo Carbonatazione Traslocazione Deposizione di carbonato di calcio in uno o più orizzonti di suolo Salinizzazione Traslocazione Accumulo di sali solubili (solfati, cloruri) in uno o più orizzonti di suolo Desalinizzazione Traslocazione Rimozione di sali solubili da uno o più orizzonti di suolo Alcalinizzazione Traslocazione Aumento della percentuale di ioni sodio nel complesso di scambio PROCESSI Dealcalinizzazione Traslocazione Rimozione di ioni sodio da un orizzonte natrico Movimento meccanico di particelle tra orizzonti, con la produzione di Lisciviazione Traslocazione orizzonti distinti, eluviale e illuviale Rimescolamento biologico o fisico dei materiali del suolo, con Pedoturbazione Traslocazione SULLA omogeneizzazione del profilo Traslocazione Rimozione per via chimica dell'alluminio, del ferro e della sostanza Podzolizzazione Trasformazione organica con accumulo residuale di silice in uno strato eluviato SUPERFICIE Rimozione per via chimica della silice con accumulo residuale di Traslocazione Desilicizzazione ferro, alluminio e minerali inalterabili, con possibile formazione di Trasformazione croste e strati induriti Decomposizione Trasformazione Alterazione di materiali, sia minerali che organici (SUOLO) - Sintesi Trasformazione Genesi di composti complessi, sia minerali che organici Aggiunta Iscurimento di un orizzonte minerale di suolo per mescolamento con Melanizzazione Trasformazione sostanza organica umificata Schiarimento di un orizzonte di suolo per rimozione della sostanza PEDOGENESI Leucinizzazione Trasformazione organica Lettieramento Aggiunta Accumulo di residui, sia vegetali che animali, alla superficie del suolo Umificazione Trasformazione Produzione di humus a partire da materiale organico grezzo Paludizzazione o Trasformazione Accumulo di sostanza organica in sedimenti profondi (torba) impaludamento Trasformazioni nella sostanza organica (evoluzione verso composti umici stabili) in seguito all'instaurarsi di condizioni di maggiore Maturazione Trasformazione ossigenazione (ad esempio dopo cessazione di condizioni di saturazione idrica) Mineralizzazione Trasformazione Decomposizione della sostanza organica fino a ioni minerali Liberazione del ferro in seguito all'alterazione dei minerali primari, Brunificazione sua dispersione e successiva ossidazione e idratazione. Con livelli di Traslocazione Rubefazione ossidazione e idratazione crescenti, si producono nel suolo colori Trasformazione Ferruginazione bruni (brunificazione), rosso-bruni (rubefazione) e rossi (ferruginazione). Riduzione del ferro, in condizioni di saturazione idrica, con produzione Gleyzzazione Traslocazione di suoli con colori smorti (grigio-blu, grigio-verde) alternati a (gleificazione) Trasformazione screziature vivaci Classificazione di Buol (1980) Allentamento Trasformazione Aumento del volume dei pori, per attività di pedofauna, radici, lisciviazione di particelle, effetti fisici Diminuzione del volume delle porosità, per collasso, compattazione o Indurimento Trasformazione riempimento di vuoti per illuviazione
FUNZIONI DI PRODUZIONE DELLA REGOLITE MOBILE
EFFETTI Nel tempo, i processi di degradazione trasformano la roccia in saprolite e suolo; C’è un bilanciamento tra perdita in massa del bedrock e creazione del regolite
Il limite più importante nel profilo di alterazione è il contatto tra la roccia sana e il regolite
DA ROCCIA A REGOLITE Affinché il materiale sia trasportato verso il basso del versante, il materiale disponibile deve essere di dimensioni adatte ai processi di trasporto (Anderson e Humphrey, 1989); Ci sono modelli che spiegano le modalità di mobilizzazione del materiale verso la zona di reazione; Il punto cardine non è la trasformazione chimica o la fratturazione meccanica, ma il trasporto del materiale. Il confine identifica la profondità alla quale i processi di trasporto operano sulla base del bedrock, dell clima e della vegetazione.
Ci sono due modelli per spiegare la produzione di regolite mobile: Dietrich (1995) ha proposto che la produzione di regolite mobile cala esponenzialmente con l’aumento della profondità. Carson e Kirkby (1972) propongono il modello a «gobba», con un massimo ad una determinata profondità
DENUDAZIONE E MODALITÀ DI MISURA
Il weathering interessa tutti quei processi che fratturano e dissolvono la roccia, producendo strati di roccia alterata o regolite. COME POSSIAMO MISURARE I TASSI DI ALTERAZIONE?
DENUDAZIONE La denudazione (denudation) è il processo erosivo di rottura e rimozione delle rocce dalla superficie della Terra; rappresenta il logorio del terreno ad opera del weathering, dell’erosione, dell’acqua e del ghiaccio in movimento e delle onde. La denudazione è il risultato di processi sia endogeni che esogeni; I processi endogeni sollevano la superficie e la espongono la crosta ai processi esogeni; La denudazione coinvogle tre tipi di processi: 1. Weathering (alterazione, degradazione) 2. Mass wasting (deposizione di materiali altrove) 3. Erosion (erosione)
PERDITA DI MASSA La denudazione connota una perdita di massa; La massa è persa sia in termini di sedimenti che di materiali disciolti Etot = Ediss + Epart (denudazione totale specifica) Più facile misurarla in termini di carico fluviale Monitoraggio del materiale rimosso dai corsi d’acqua;
Le particelle solide dominano il trasporto dalle montagne agli oceani I fiumi trasportano circa 4 volte più materiale sotto forma di particolato (5277x106 T/anno) che in forma sciolta (1383x106 T/anno); Questi dati non comprendono il materiale trasportato sul fondo perché più difficile da misurare, quindi il particolato totale è ancora più alto.
QUALE DEI DUE TIPI DI CARICHI (SOLIDO O SCIOLTO) PREVALE? Carico sedimentario e di materiali sciolti dei principali fiumi nel mondo (Summerfield, 1991)
TASSO DI DENUDAZIONE MEDIO TOTALE Il tasso di denudazione medio totale è la somma del carico sospeso e disciolto diviso per l’area di drenaggio e la densità della roccia (media=2650 kg/m3) e si aggira su 129 µm/anno (0,129 mm/anno); Il rapporto tra carico sciolto e particellato varia notevolmente a seconda del fiume (es. tra 0.02 a 11.3); La maggior parte dei fiumi con carico sciolto/particellato >1 si trovano nell’Artico (a causa di bassa pendenza e paludi della tundra) Il Fiume Giallo ed il Rio delle Amazzoni portano circa il 50% del carico sospeso totale
Il Fiume Giallo ed il Rio delle Amazzoni portano circa il 50% del carico sospeso totale Wittmann et al. (2011) Encyclopedia Britannica
CARICO SOLIDO DEI FIUMI ADRIATICI I fiumi piccoli, in particolare quelli che nascono su terreni montani, scaricano quantità sproporzionate di sediment agli oceani; Siccome i fiumi più piccolo sono più soggetti agli eventi catastrofici, essi tendono a scaricare i loro sedimenti in periodi di tempo molto brevi, ad esempio durante le piene; L’impatto dei piccolo fiumi di montagna è particolarmente evidente sulle coste, come in Adriatico, dove il 75% dei 145 milioni di tonnellate del carico sedimentario proviene da fiumi con bacini con aree minori di 7000 km2 (Milliman et al., 2016). Milliman et al. (2016)
TASSI DI MICROEROSIONE
THE MICRO EROSION METER (MEM) The micro erosion meter allows to collect from 1 to 3 measure for each station Measures must be collected for many years
THE TRAVERSING MICRO EROSION METER (TMEM) Many measuring points can be obtained for each station A statistical analysis of erosion rates can be carried out Data canbe directly downloaded to the laptop
THE AUTOMATIC MICRO EROSION METER (AMEM) • It is completely authomatized • Hundreds of data can be obtained in few time • Data can be collected also on vertical or sub- vertical surfaces
THE LASER SCANNER
COASTAL PROCESSES • The littoral zone is interested both by marine processes and subaerial processes • Subaerial processes decrease toward the sea, while marine and, on the contrary, marine processes increase DE WAELE & FURLANI (2013) – Treatise on Geomorphology
COASTAL VS SUBAERIAL LOWERING RATES From FURLANI et al. (2009) - Geomorphology
LOWERING RATES IN THE MID-TIDAL ZONE 1,2 m MSL FURLANI & CUCCHI (2013) - Marine Geology
INLAND RATES AND COASTAL RATES From De Waele & Furlani (2013) – Treatise on Geomorphology
VARIAZIONI GIORNALIERE • Le variazioni di quota, sull’ordine del centesimo di millimetro, sono legate alle variazioni giornaliere di temperatura e unidità • Le variazioni microtopografiche sono maggiori con temperature maggiori FURLANI et al. (submitted)
TRANSPORT-LIMITED EROSION Questa condizione proposta da Carson e kirkby (1972) è definita come lo stato dove i tassi di erosione dipendono solamente dai tassi dei processi di trasporto del materiale; Non si considerano i tassi di alterazione Il focus riguarda esclusivamente la capacità dei processi di trasporto per la quantificazione dei tassi (rates) e delle modalità (pattern) di evoluzione del territorio
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