Subsidenza come analizzarla con Loadcap
Di recente, è stato pubblicato sulla rivista scientifica Marine and Petroleum Geology un articolo dal titolo “Alternative methods for calculating compaction in sedimentary basins” i cui autori sono Martiìn-Martìn M. and Robles-Marìn P..
In questo articolo gli autori hanno proposto metodi alternativi per il calcolo della compattazione nei bacini sedimentari ed, in particolare, hanno suggerito l’utilizzo del software Loadcap.
Sulla base di ciò, Geostru Company ha voluto approfondire il concetto di subsidenza, documentarsi sull’importanza dello studio di tale fenomeno e osservare come la compattazione dei sedimenti all’interno dei bacini sedimentari possano essere spiegati da uno dei nostri software: Loadcap.
Cos’è la subsidenza
La subsidenza è un fenomeno associato alla variazione verticale verso il basso della superficie terrestre (Whittaker and Reddish, 1989; Marker, 2013), dovuto alla compattazione dei materiali, che può essere generato da cause naturali (evoluzione lenta) o artificiali (manifestazione in tempi brevi).
La compattazione dei sedimenti e la conseguente subsidenza sono processi fondamentali nei bacini sedimentari.
L’importanza dei bacini sedimentari
I bacini sedimentari sono regioni formate a causa della subsidenza a lungo termine tettonicamente indotta, in cui i sedimenti accumulati raggiungono considerevoli spessori che possono essere preservati per periodi di tempo geologici relativamente lunghi (Einsele 2000; Miall 2000; Allen and Allen, 2013; Lee et al., 2019).
Questi bacini sono di grande importanza, non solo dal punto di vista della ricerca scientifica, ma anche per il loro potenziale di risorse economicamente sfruttabili (Allen and Allen, 2013; Bjorlykke, 2014; Lee et al., 2019).
Per comprendere la struttura interna di un bacino, vengono studiati ed analizzati i sedimenti di riempimento (infilling sediment) considerando la petrografia, il profilo stratigrafico, le facies deposizionali e le relazioni con faglie e deformazioni strutturali che fanno parte dell’architettura del bacino. Ciò deriva principalmente dall’interazione tra il volume e la granulometria dell’apporto sedimentario (sediment supply) e dalla distribuzione spaziale (accomodation) dello stesso (Fig.1) che è controllata dalla subsidenza e fenomeni di sollevamento tettonico, variazioni eustatiche e compattazione (Allen and Allen, 2013; Lee et al., 2019).
Fig.1 – Sketch of a sedimentary basin; red arrows show the subsidence due to sedimentary loading (Lee et al.2019, modified).
Come effettuare l’analisi di subsidenza
La struttura stratigrafica attuale (ad es. età, spessore, litologia) di un bacino di riempimento sedimentario non mostra lo spessore originario di ogni strato sedimentario a causa dell’effetto della compattazione (Van Hinte, 1978).
Pertanto, per effettuare l’analisi di subsidenza, è importante risalire agli spessori originari degli strati che hanno subito compattazione e ciò è possibile farlo mediante la tecnica di decompattazione.
La tecnica di decompattazione ha lo scopo di ricavare gli effetti progressivi della compattazione dei sedimenti ripristinando lo spessore di uno strato in qualsiasi momento ad una certa profondità nel passato (Allen and Allen, 1990; Fig.2).
Fig. 2 – Time-depth diagram. A) The time-depth model refers to the present framework without considering the compaction effect of underlying layers thicknesses (dotted red line depicts the sediment accumulation; red arrow shows backward path without compaction); B) Decompaction of each stratigraphic unit: restoring of thickness of the compacted layers through time (the direction path of decompaction is shown by the red arrow; the red line represents the total subsidence); C) comparison between A e B curves trend; D) 3D rapresentation of scheme B (red line depicts the total subsidence curve).
Questa tecnica si basa sull’equazione (1) che tiene conto dell’andamento della porosità in funzione della profondità (porosity-depth relation trend; Rubey and Hubbert 1959) che mostra come la porosità decresce esponenzialmente con la profondità (e.g. Van Hinte, 1978; Schmoker and Halley 1982; Bond and Kominz 1984).
Equazione (1): ϕ_( N) =porosità attuale; 〖 ϕ〗_0 = porosità originaria; c = costante litologica; z=attuale profondità di seppellimento.
Pertanto, per valutare la subsidenza totale, è necessario ripristinare lo spessore originale correlato allo spessore attuale come mostrato nell’equazione (2).
Equazione (2): T_0=spessore originario; ϕ_N=porosità attuale; ϕ_0= porosità originale; T_N= spessore attuale.
Perché Loadcap
Loadcap è un software per il calcolo dei cedimenti dei terreni sottoposti ad un sovraccarico in cui è possibile ottenere, oltre ai dati numerici/quantitativi, anche rappresentazioni grafiche.
In particolare, Loadcap-Carico limite e cedimenti è un software per il calcolo della capacità portante e cedimenti di fondazioni su terreni sciolti e rocciosi secondo vari metodi (Terzaghi, Meyerhof, Hansen, Vesic, Brinch-Hansen, Richards et al., Meyerhof and Hanna, 1978) per il calcolo dei fattori di capacità portante in zona sismica. Tra i cedimenti presenti nel software vi sono quelli: i) Elastici (Timoshenko e Goodier), ii) Edometrici, Schmertmann, Burland e Burbidge, iii) post-sismici (Idriss and Boulanger, Pradel, Yasuhara and Andersen). Loadcap consente di effettuare, inoltre, la verifica a liquefazione con il Metodo di Seed e Idris (1971) e di svolgere analisi di suolo rinforzato con geogriglie (mediante calcolo di incremento capacità portante, deformazione nei rinforzi, sforzo di trazione per effetto membrana). Il software consente inoltre di: inserire una eventuale presenza di falda; effettuare analisi in termini di tensioni totali ed efficaci; visualizzare il bulbo delle tensioni e dei cunei di rottura in 2D e 3D; calcolare lo stato tensionale indotto da carichi esterni in un qualsiasi punto.
Prendendo in considerazione quanto sopra descritto, dunque, è possibile utilizzare Loadcap (generalmente usato per studi geotecnici) per scopi geologici come per effettuare, ad esempio, il calcolo della compattazione relativa all’analisi della subsidenza (es. Martiìn-Martìn e Robles-Marìn, 2020).
Bibliografia
Allen P.A. and Allen J.R., 2013 – Basin analysis: principles and application to petroleum play assessment. Wiley-Blackwell, Oxford.
Bjorlykke, K., 2014 – Relationships between depositional environments, burial history and rock properties. Some principal aspects of diagenetic processes in sedimentary basins. Sediment. Geol. 301, 1–14.
Einsele G, 2000 – Sedimentary basins. Evolution, facies, and sediment budget. Springer, Berlin.
Lee E.Y., Novotny J. and Wagreich M., 2019 – Subsidence Analysis and Visualization: For Sedimentary Basin Analysis and Modelling. Springer Publishing Company, Incorporated, 1st edition.
Leeder M, 2011 – Sedimentology and sedimentary basins: from turbulence to tectonics. Wiley, Chichester.
Marker B.R., 2013 – Land Subsidence. In Bobrowsky P.T. (eds) Encyclopedia of Natural Hazards. Ecncyclopedia of Earth Sciences Series. Springer, Dordrecth.
Martìn-Martìn M. and Robles-Marìn, 2020 – Alternative methods for calculating compaction in sedimentary basins. Marine and Petroleum Geology 113.
Miall AD, 2000 – Principles of sedimentary basin analysis. Springer, Berlin.
Van Hinte, J.E., 1978 – Geohistory analysis: application of micropaleontology in exploration geology. AAPG (Am. Assoc. Pet. Geol.) Bull. 62, 201–222.
Whittaker B.N and Reddish D.J., 1989 – Subsidence: Occurrence, Prediction and Control. In Developments in Geotechnical Engineering, 56, ElsevierScience.
