Basi di Tettonica delle Placche.
Forze, Sforzi e Deformazione. Elasticita' e deformazione elastica della litosfera.
Conduzione e produzione di calore.
Processi termici nella litosfera.
Introduzione a Python.
Metodo degli elementi finiti per risolvere problemi geodinamici.
Isostasia e flessione.
Subduzione.
Deformazione elastica e viscosa.
Turcotte & Schubert -Geodynamics - Cambridge University Press.
C. M. R. Fowler - The Solid Earth - Cambridge University Press
K.Stuwe - Geodynamics of the Lithosphere - Springer
Obiettivi Formativi
Il corso si propone di approfondire le conoscenze sulla dinamica interna
della Terra tramite una rassegna dei principali contesti deformativi e dei
meccanismi che li governano
Prerequisiti
Conoscenze di base di Geologia e Tettonica.
Metodi Didattici
Il corso è basato su lezioni frontali in aula con l’ausilio di presentazioni
power point. Inoltre sono svolte esercitazioni in classe sugli argomenti trattati di volta in volta.
Altre Informazioni
Frequenza al corso raccomandata
Modalità di verifica apprendimento
Valutazione delle esercitazioni in classe, presentazione a scelta dello studente e esame orale sugli argomenti svolti durante le lezioni
Programma del corso
Basi di Tettonica delle Placche:
- Introdurre/ricapitolare i concetti alla base della Teoria della Tettonica delle Placche.
- Introdurre/ricapitolare i tipi di margini delle placche
- Giunzioni triple
- Tecniche di ricostruzione di configurazione di placche.
Forze, sforzo, deformazione:
- Introdurre/ricapitolare i concetti di Forze. Distinguere tra forze di volume e forze di superficie
- Stress agenti e convenzione comune per riferirsi alle stress superficiali
- Introdurre stress in 2D; discutere su come cambiare i sistemi di coordinate per le stress e perché questo è importante; presentare come calcolare le stress principali
- Presentare gli stress in 3D e una terminologia comune per fare riferimento allo stress
- Misure di stress globali e regionali; Introdurre la misurazione dello stress e la loro importanza; rivedere le misurazioni dello stress globali e regionali
- Misurare lo stress e la deformazione; Introdurre alcuni metodi per misurare lo stress; distinguere tra misurazioni della resistenza della roccia e misurazioni della sollecitazione in situ nella crosta
- Introdurre i concetti di deformazione e come calcolare le quantità di deformazione
- Presentare i concetti di deformazione normale e di taglio e come vengono calcolate; Distinguere tra taglio puro e semplice
- Introdurre alcune misurazioni storiche della deformazione per il terremoto di San Francisco del 1906; Metodi di triangolazione per trovare la posizione di un punto sconosciuto usando la trigonometria;
- Moderna misurazione della deformazione; Presentare i concetti di base delle moderne misure di deformazione basate su dati spaziali
Elasticità e deformazione elastica della litosfera
- Concetti base di Elasticità; reologia nel sistema della Terra; esempi di elasticità nella Litosfera
- Introduzione al concetto di elasticità e come essa è formulata in termini di stress
- Discutere il comportamento elastico delle rocce sotto sollecitazione uniassiale
- Deformazione uniassiale: esempio di deformazione uniassiale nel contesto della sedimentazione
- Presentare le equazioni per il taglio puro e semplice in termini di sollecitazione in un mezzo elastico
- Presentare le equazioni per la variazione volumetrica nelle rocce sotto stress isotropo
Conduzione e produzione del calore
- Perché è importante comprendere il trasferimento di calore; presentano i principali meccanismi di trasferimento del calore nella litosfera
- Introdurre la conduzione del calore e come viene rappresentata matematicamente
- Discutere la produzione di calore radiogenico nella Terra, come varia e le implicazioni per i processi geodinamici
- Come calcolare le temperature della Terra in 1D, inclusa la conduzione e la produzione di calore
- Discutere la concentrazione di elementi che producono calore nella crosta continentale e come influenzano le temperature crostali
- Influenza della topografia: esempi delle variazioni 2D di temperatura sulla Terra come risultato della topografia superficiale
Introduzione a Python e come utilizzare la programmazione nella modellazione geodinamica
- Nozioni di base su Python
- Funzioni in Python
- Introduzione a Numpy, Matplotlib, Jupyter Notebook e SciPy
- For-Loop
- Dichiarazione condizionale (istruzione if)
- Esempi ed esercizi su semplici problemi di geodinamica: spessore della crosta, tensione semplice, punti di velocità relativa, massima distanza di taglio, macchia di spostamento su una faglia trascorrente
Processi termici nella litosfera
- Introdurre la dipendenza dal tempo nelle equazioni di scambio termico
- Esaminare alcuni esempi in cui la dipendenza dal tempo è una considerazione importante per il trasferimento di calore; diffusione caratteristica su scala temporale; evoluzione termica di un'intrusione magmatica
- Introdurre il trasferimento di calore per avvezione
- Esempi di soluzioni dell'equazione di avvezione-diffusione del trasferimento di calore in 1D
- Esempio dell'importanza del trasferimento di calore per avvezione: Avvezione per movimento di materiale solido (erosione e sedimentazione); Avvezione per circolazione di fluidi (flusso di acque sotterranee)
- Il numero di Peclet
- Struttura termica della litosfera in aree tettoniche attive: Sistemi montuosi tettonicamente attivi; zone di subduzione
Modellazione geodinamica:
- Panoramica su ciò che è necessario per risolvere le equazioni numericamente; perché dobbiamo usare soluzioni numeriche delle equazioni
- Il concetto di condizioni al contorno per la risoluzione numerica di equazioni in geodinamica
- Trasferimento di calore 1D nella litosfera risolto utilizzando la modellazione numerica
- Problemi geodinamici più complessi: trasferimento di calore 2D con topografia superficiale; proprietà del materiale spazialmente variabili; Proprietà del materiale dipendenti dalla temperatura
- Metodo delle differenze finite (FDM)
- FDM rispetto al tempo; Approssimazione delle derivate per ordine superiore
- Soluzione dell'equazione di diffusione del calore mediante FDM
Usare Python per risolvere FDM:
- FMD di base con Python
- Diffusione del calore 1D utilizzando python e FDM
- Avvezione del calore in 1D
Isostasia e Flessione
- Differenza fra compensazione isostatica e flessione
- Formazione di bacini per flessione
- Rigidità flessurale
- Spessore elastico effettivo e la sua relazione con topografia e gravita’.
Subduzione
- Tipi di subduzione
- Fossa, Avanarco, Arco, Retroarco
- Slab Roll-Back
- Accrezione ed erosione tettonica
- Teoria del Cuneo di Coulomb e dell’Angolo di rastremazione critico
- Paradosso dei sovrascorrimenti
- Teoria del Canale di subduzione
- Esumazione
Deformazione viscosa e plastica
- Introdurre i concetti di base della meccanica dei fluidi e dove essi si possono applicare nel contesto della Geodinamica
- Introduzione del concetto di “channel flow” e della forza che agisce su un canale 1D di larghezza fissa
- Calcolare la distribuzione della velocità all’interno di canale in 1D; flusso di Couette e di Poiseuille
- Esempi di channel flow nella Terra Solida: tettonica salina; subduzione; Flusso del canale astenosferico
- Deformazione plastica
- Presentare i principali meccanismi di deformazione della roccia e rivedere la deformazione elastica
- Introdurre un comportamento perfettamente plastico ed elastico-perfettamente plastico
- Introdurre l'attrito e la plasticità frizionale per le rocce
Deformazione viscosa e resistenza della litosfera
- Esamina la deformazione viscosa lineare
- Descrivere la deformazione viscosa non lineare
- Descrivere la deformazione viscosa lineare e nonlineare su scala atomica
- Forza della litosfera in termini di deformazione elastica, plastica e viscosa
- La litosfera di Brace-Goetze: a.k.a. il modello "jelly sandwich" per la litosfera
- Il modello di Brace-Goetze e il comportamento elastico