Corso di laurea: Scienze geofisiche Programmazione per l'A.A. 2016/2017

1) Errori nelle misure
Errori come incertezze di misura-­‐Strumenti di misura e incertezze di lettura-­‐Stima migliore di una misura -­‐Cifre significative-­‐Discrepanza-­‐Compatibilità fra misure-­‐Confronto tra valori misurati e accettati-­‐ Errori Relativi-­‐Propagazione degli errori -­‐ Errori sistematici e casuali-­‐ Media e deviazione standard-­‐Deviazione standard della media-­‐Istogrammi e distribuzioni-­‐ Distribuzione limite-­‐Distribuzione di Gauss-­‐Limite di confidenza al 68%-­‐La distribuzione di Poisson e sue proprietà-­‐ Metodo dei minimi quadrati-­‐Test del χ2

2) Concetti fisici fondamentali
Il nucleo e i suoi costituenti-­‐Massa del protone e massa del neutrone-­‐Massa dei nuclei-­‐ Nomenclatura: numero di massa, numero atomico-­‐Isotopi, isobari e isotoni-­‐ Dimensioni e densità nucleari-­‐Energia di legame (Binding energy, BE) per nucleone-­‐Formula semiempirica delle masse-­‐Stabilità dei nuclei-­‐Radioattività e decadimenti: legge del decadimento radioattivo-­‐Decadimento alfa-­‐Decadimento beta-­‐Decadimento gamma-­‐Fissione spontanea

3) Metodi di datazione
Introduzione ai metodi di datazione-­‐Radioisotopi-­‐Spettrometria di Massa (MS)-­‐Metodi di datazione e range temporali-­‐Metodo del Radiocarbonio-­‐Metodo Potassio-­‐Argon (K-­‐Ar)-­‐ Metodo Argon-­‐Argon (Ar-­‐Ar)-­‐Metodo Uranio-­‐Torio-­‐Piombo-­‐Tracce di fissione-­‐ Termoluminescenza (TL)-­‐Luminescenza stimolata otticamente (OSL)-­‐Electronic Spin Resonance (ESR)

Testi consigliati
J.R. Taylor “Introduzione all’analisi degli errori”, Zanichelli
W.S.C. Williams “Nuclear and Particle Physics”, Oxford Science Publications
M.A. Geyh, H. Schleicher “Absolute age determination”, Springer-­‐Verlag
M.J. Aitken “Science-­‐based dating in archaeology”, Longman Archaeology Series
G. Bendiscioli “La datazione con il Carbonio-­‐14”, Springer-­‐Verlag

- Introduzione alla Geodinamica, scopi e applicazioni, definizioni.
- La deformazione fragile. Faglie e fratture. Il modello di Anderson. Il modello di Riedel. Le zone di taglio.
- La deformazione duttile delle rocce. Condizioni fisiche nelle quali si produce la deformazione duttile.
- La deformazione duttile eterogenea. Le pieghe.
- La deformazione duttile omogenea. Le tettoniti.
- Il contesto della Tettonica delle placche.
- Le dorsali oceaniche e i rift continentali.
- Faglie Trasformi e trascorrenti.
- Zone di Subduzione.
- Catene montuose e orogenesi.
- Implicazioni della tettonica delle placche.
- Le placche nello spazio di velocità.

- J. Mercier, P. Vergely, Tettonica – Lezioni di Geologia Strutturale, Pitagora Ed.
- P. Kearey, F.J. Vine, Tettonica Globale, Zanichelli Ed.
- A.W. Bally, R. Catalano, J. Oldow, Elementi di Tettonica regionale, Pitagora Ed.
- A. Cox, R.B. Brian Hart, La tettonica delle placche, meccanismi e modalità, Zanichelli Ed.

- Introduzione alla Geodinamica, scopi e applicazioni, definizioni.
- La deformazione fragile. Faglie e fratture. Il modello di Anderson. Il modello di Riedel. Le zone di taglio.
- La deformazione duttile delle rocce. Condizioni fisiche nelle quali si produce la deformazione duttile.
- La deformazione duttile eterogenea. Le pieghe.
- La deformazione duttile omogenea. Le tettoniti.
- Il contesto della Tettonica delle placche.
- Le dorsali oceaniche e i rift continentali.
- Faglie Trasformi e trascorrenti.
- Zone di Subduzione.
- Catene montuose e orogenesi.
- Implicazioni della tettonica delle placche.
- Le placche nello spazio di velocità.

- J. Mercier, P. Vergely, Tettonica – Lezioni di Geologia Strutturale, Pitagora Ed.
- P. Kearey, F.J. Vine, Tettonica Globale, Zanichelli Ed.
- A.W. Bally, R. Catalano, J. Oldow, Elementi di Tettonica regionale, Pitagora Ed.
- A. Cox, R.B. Brian Hart, La tettonica delle placche, meccanismi e modalità, Zanichelli Ed.

La tettonica attiva nello studio dei processi geodinamici, Tettonica globale, strutture tettoniche attività sismica e vulcanica, Domini tettonici di tipo collisionale, di subduzione, rift continentali, Meccanismi di deformazione fragile e duttile, Tettonica e geomorfologia (principali Indici geomorfici), Principi di geodesia, Geodinamica del Mediterraneo, modelli di studio di aree tettonicamente attive esempio della Sicilia orientale.

- Active Tectonics Earthquakes, Uplift, and Landskape Edward A. Keller, Nicholas Pinter;
- Tectonic Geomorphology D.W. Burbank, R.S. Anderson
- Guida Alla Fotointerpretazione Pitagora Editrice Bologna
- Bibliografia relativa a studi di aree caratterizzate da processi tettonici attivi

DISTRIBUZIONE DEL VULCANISMO SULLA TERRA

VULCANISMO INTRAPLACCA
• Distribuzione di “hot-spots” sulla Terra
• Strutture degli “hot-spots” e modelli di risalita
• Evoluzione e fasi di crescita di edifici tipo-Hawaii
• Strutture e morfologie in vulcani tipo-Hawaii (camere magmatiche, zone di rift, caldere sommitali)
• Cicli di “inflation - deflation”
• Strutture e morfologie in vulcanismo intraplacca continentale (esempi di Yellowstone e Eifel)
• Variazioni composizionali dei magmi intraplacca (oceanica e continentale): serie magmatiche, trends di differenziazione
• Caratteristiche delle sorgenti e processi in camera magmatica da elementi in tracce e rapporti isotopici Sr-Nd-Pb
• Modelli di origine del magma in ambiente intraplacca

VULCANISMO DI DORSALE OCEANICA
• Distribuzione dorsali
• Stratigrafia dei fondi oceanici
• Dorsali ad espansione lenta, intermedia e veloce: strutture e morfologie
• Eruzioni surtseyane e sub-glaciali (esempi Islanda)
• Variazioni composizionali dei magmi di dorsale (lente e veloci): serie magmatiche, trends di differenziazione
• N-MORB, T-MORB e E-MORB: distinzione da elementi in tracce e rapporti isotopici Sr-Nd
• Modelli di origine del magma (N-MORB, T-MORB, E-MORB) in ambiente di dorsale
• Esempi di concentrazioni di H2O e CO2 nei magmi
• Struttura delle camere magmatiche e processi
• Prodotti ed eruzioni del vulcanismo subacqueo

VULCANISMO IN ZONE DI RIFT CONTINENTALE
• Distribuzione
• Modelli di rifting
• Tipologie di eruzioni ed edifici
• Composizione dei prodotti

VULCANISMO IN ZONE DI SUBDUZIONE
• Distribuzione delle zone di subduzione ed eruzioni storiche
• Formazione del magma in ambiente di subduzione
• Tipi di zone di subduzione (Marianne- e Chile-type)
• Eruzioni e prodotti
• Variazioni composizionali dei magmi in zone di subduzione (Marianne- e Chile-type): serie magmatiche, trends di differenziazione
• Processi in camera magmatica
• Caratteristiche delle sorgenti da elementi in tracce e rapporti isotopici Sr-Nd-Pb-Be-B

VULCANISMO DELL’ETNA
• Inquadramento geodinamico e modelli di formazione dell’Etna
• Successione stratigrafica e dell’attività vulcanica
• Stili eruttivi
• Principali lineamenti tettonici nell’area etnea
• Caratteri petrografici e geochimici dei prodotti
• Caratteristiche della sorgente da elementi in traccia e rapporti isotopici
• Processi in camera magmatica da attività recente
• Stili eruttivi anomali nel record recente (2001-2009)

VULCANISMO DELL’ARCO EOLIANO
• Inquadramento geodinamico, strutturale e sismico dell’Arco Eoliano
• Morfologie degli edifici
• Strutture e morfologie che caratterizzano le porzioni emerse degli edifici vulcanici Eoliani
• Caratteri geochimici dei prodotti (elementi maggiori e in tracce, rapporti isotopici Sr-Nd)
• Modelli per l’origine del vulcanismo Eoliano (arco – plume)

• Gill R. (2010). Igneous rocks and processes. Wiley-Blackwell, 428 pp.
• Guest J., Cole P., Duncan A., Chester D. (2003). Volcanoes of Southern Italy. Published by the Geological Society, 284 pp.
• Parfitt E.A., Wilson L. (2008). Fundamentals of physical volcanology. Blackwell Publishing, 230 pp.
• Schmincke H.U. (2004). Volcanism. Springer, 324 pp.
• Sigurdsson H. (2000). Encyclopedia of Volcanoes. Academic Press - Elsevier, 1417 pp.

Proprietà fisiche dei magmi. Richiami di struttura dell'interno della Terra. Caratteri fisici dei magmi. Formazione e risalita di magmi. Processi fisici nelle camere magmatiche. Trasporto di magma in condotti vulcanici. Flussi di lava. Fenomeni sismici, deformativi, gravimetrici, magnetici quali precursori di eruzioni. Caratteristiche di un precursore. Obbiettivi di una previsione. Bilancio energetico di un vulcano:Energia termica. Energia potenziale. Energia cinetica (terremoti e tremore). Energia di deformazione. Casi storici su eruzioni recenti dell’Etna.

Vulcanologia – Scandone e Giacomelli – Liguori Editore

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.

• Rischio sismico e Pericolosità sismica, Vulnerabilità degli edifici, Esposizione, Vulnerabilità dei sistemi.
• Valutazione Pericolosità sismica: approccio deterministico, approccio probabilistico.
• Stima probabilistica della pericolosità (determinismo storico, probabilismo storico, probabilismo sismotettonico, probabilismo non-poissoniano, previsione sismica).
• Statistica e Processi stocastici applicati alla valutazione della pericolosità sismica: (M-f, Strain-release, Periodi di ritorno, Metodo di Cornell e di Magri et al.), Criteri di valutazione del Terremoto di Progetto.
• Microzonazione sismica, scenari di pericolosità, geologia locale e valutazione condizioni del terreno.
• Comportamento non lineare e dissipativo dei terreni, Risposta sismica ideale e reale di un terreno.
• Effetti dovuti a eterogeneità, presenza di irregolarità geometriche e topografiche, presenza di strutture tettoniche e cavità.
• Valutazione risposta locale: Metodi analitici e Metodi semplificati.
• Metodo di Medvedev, Fattore di Amplificazione Dinamica D.A.F., Microtremori, Tecnica di Nakamura, Rapporti spettrali (HVNR, HVSR, H/Href), Modellazioni. Esempi di macro e micro zonazione sismica.
• Esercitazione su tecniche di campionatura ed elaborazione segnali sismici.
• Esercitazione su uso programmi EERA, DEEPSOIL per modellazione risposta locale.
• Differenze tra Geofisica di campagna e Geofisica delle aree urbane e problematiche relative. Metodologie geofisiche utilizzabili in aree urbane per la caratterizzazione delle proprietà dei terreni presenti. Metodologie geofisiche tradizionali e innovative. Tecniche invasive e non-invasive.
• Richiami delle proprietà meccaniche ed elettromagnetiche dei terreni.
• Campi di applicabilità, limiti e potenzialità delle principali metodologie geofisiche utilizzabili in aree urbane.
• Metodi sismici: Cross-hole test, Down-hole test, Cono sismico, Suspension logging test, Sismica a Riflessione e Rifrazione, metodologie SASW, MASW, FTAN, H/V, Tomografia sismica, Refraction Microtremor analysis.
• Esercitazione su prospezioni MASW e Refraction Microtremor.

- G. Lombardo (2009) GEOFISICA DELLE AREE URBANE Aracne Editrice, Roma.
- G. Lanzo, F. Silvestri (1999) RISPOSTA SISMICA LOCALE. Argomenti di Ingegneria Geotecnica 10, Edizioni Hevelius.
- C. Mancuso (1996) MISURE DINAMICHE IN SITO. Argomenti di Ingegneria Geotecnica 4, Edizioni Hevelius.