Aspetti geologici, morfo-strutturali, geotecnici e geomeccanici del colle di Volterra

Riassunto Il presente lavoro di Tesi si è posto l’obiettivo di acquisire nuovi dati geologico-strutturali, geotecnici e geomeccanici, integrati da analisi in remote sensing, del colle su cui si erge la città di Volterra (Pisa), utili nel quadro dei problemi di stabilità che da tempo affliggono l’area. Il colle è costituito da una successione stratigrafica marina pliocenica immergente verso nord-est di 5-10° e così costituita: alla base affiora la Formazione delle Argille Azzurre che sfuma, con passaggio graduale, alla Formazione delle Argille sabbiose e sabbie delle Case Cafaggiolo; sopra di esse, con contatto netto e marcato, affiora la Formazione delle Sabbie a Flabellipecten, intercalate superiormente da banchi e strati di Calcari arenacei. La morfologia del rilievo è fortemente condizionata dalla natura litotecnica dei materiali: in presenza di sabbie e dei calcari arenacei si ha un’elevata inclinazione del pendio, che diminuisce all’aumentare della frazione fine (limo e argilla). E’ proprio l’assetto giaciturale di questi litotipi (sabbie soprastanti le argille) una delle cause predisponenti principali che dà luogo al fenomeno tuttora in atto delle Balze di Volterra, nel settore nord-occidentale della città. Peraltro, anche i bordi di altre parti del colle sono spesso caratterizzati da frane di crollo e ribaltamento, mentre nelle aree in cui i versanti sono meno acclivi, costituiti da litotipi prevalentemente argillosi, si sviluppano movimenti gravitativi di colata o di scorrimento. Per questa sua “fragilità territoriale”, Volterra fu inserita nei 48 centri abitati instabili compresi nell’Atlante dei Centri Abitati Instabili della Regione Toscana realizzato nell’ambito Progetto SCAI (Studio dei Centri Abitati Instabili) del Gruppo Nazionale per la Difesa dalle Catastrofi Idrogeologiche (GNDCI) del CNR. Per soddisfare gli scopi del presente lavoro di Tesi sono state eseguite molteplici indagini di carattere multidisciplinare: attraverso un nuovo rilevamento geologico e geologico-strutturale di campagna è stata elaborata una carta geologica-geomorfologica alla scala 1:5.000 finalizzata ad individuare situazioni strutturali predisponenti la stabilità del rilievo; analisi granulometriche effettuate su cinque campioni prelevati durante il rilevamento all’interno delle formazioni delle Argille azzurre e delle Sabbie a Flabellipecten hanno permesso di approfondire la conoscenza sulle loro caratteristiche granulometriche, e classificarli come “limi con argilla sabbiosi” e “sabbie limose”, rispettivamente. Alcuni dati geotecnici sono stati acquisiti anche sulla Formazione dei Calcari arenacei, pur rappresentata da modesti affioramenti, che hanno permesso di ricavare valori di angolo di attrito e coesione dell’ordine di circa 35,0-39,5° e 3,0-3,45 kg/cmq, rispettivamente. Le analisi geometriche e cinematiche dei vari sistemi di discontinuità riscontrati negli ammassi rocciosi in affioramento hanno inoltre stabilito una generale assenza di cinematismi di tipo planare, cuneiforme e ribaltamento. Infine, ad ulteriore integrazione in relazione ai problemi di stabilità dell’area, sono stati elaborati e analizzati dati interferometrici InSAR, relativi agli anni 2019 e 2020, al fine di rilevare eventuali spostamenti del terreno nel tempo; i risultati di questa analisi non sembrano evidenziare particolari criticità, anche se maggiori approfondimenti sono necessari, sia in relazione al breve periodo analizzato, sia alla scala di lavoro utilizzando satelliti in banda X che permettono una risoluzione maggiore con taglia del pixel inferiore a 30 m. Nel complesso, questo lavoro di Tesi aggiunge informazioni utili alla comprensione di alcuni meccanismi; peraltro, l’impossibilità di acquisire dati più dettagliati ad esempio nell’area delle Balze, a causa della pericolosità dell’area, non ha permesso di perfezionare le conoscenze su alcune situazioni di instabilità note. Il problema della stabilità nella zona di Volterra, come è evidente dalla cartografia esistente e dalle numerose testimonianze storiche, esiste e non è da sottovalutarsi; diverse aree del territorio sono caratterizzate da movimenti gravitativi, per cui risulta indispensabile approfondire ulteriormente le conoscenze, attuare strategie di monitoraggio e adottare provvedimenti per la riduzione della pericolosità e la mitigazione del rischio. Abstract The objective of this thesis is to acquire new data of a geological nature, morphological-structural, geotechnical and geomechanically, integrated with remote sensing analysis, of the area of Volterra hill (Pisa). These data are useful in the context of the stability problems that have afflicted the area for years. The Volterra hill is a Pliocene marine sedimentary succession dipping 5-10° NE, and composed from bottom to top by: the “Argille azzurre” (clays), at the base of the hill, gradually mixing with the “Argille sabbiose e sabbie delle Case Cafaggiolo” lying; on top on these, then followed an abrupt a layer of “Sabbie a Flabellipecten” (sands) interspersed with pews and layers of “Calcari arenacei”. The morphological characteristics of Volterra hill are strongly influenced by the lithotecnical nature of the hill slopes: the presence of the sands and limestones causes a high slope angle of the hill sides which decreases as the fine fraction of the silty and clay products increases. The succession of the layers (sand on top of clays) gives rise to the classic erosional features known as “Balze di Volterra” currentrly occuring in the north-western area of Volterra. However, on the sides of the hill as well there have been several episodes of falls and topples, while the slightly steep slopes area, made of clayey lithotypes, is constantly developing gravity flows and slide movements. Because of this fragility, Volterra was part of the 48 most precarious inhabited towns in Tuscany reported by the Atlante of the unstable towns (“Atlante dei Centri Abitati Instabili”, SCAI Project of the Gruppo Nazionale della Difesa dalle Catastrofi Idrogeologiche (GNDCI), part of the CNR). In order to achieve the goal of my thesis, i have worked with multiple multidisciplinary investigations: through a geological and structural mapping leading to the preparation of a new geological-geomorphological map on scale 1:5.000 needed to identify structural situations predisposing the stability of the hill; particle-sized analysis on five samples collected on sites of the Argille azzurre and Sabbie a Flabellipecten, allowing to identify geotechnical characteristics of the two types, and classify them as “silt with sandy clays” and “clayey sands”. Some geotechnical data have been acquired also on Calcari arenacei (limestones), in way to obtain angle of internal friction and cohesion values of 35-39,5° and 3,0-3,45 kg/cmq respectively. The geometrical and kinematic analysis that i have done of the discontinuous systems have resulted with an absence of kinematic motions of planar, wedge-shaped and overturning. At last, as a further integration in context to the stability problems of the area, InSAR interferometric data were processed and analysed, relating to the years 2019 and 2020, in way to detect any displacements of the ground over time; the results of this analysis don’t seem to highlight particular criticalities, even if more studies are necessary, both in relation to the short period analysed, and to the scale of work using band X satellites that allow a better spatial result and a pixel size of less than 30 m. Overall, this thesis adds useful information to the understanding of some mechanisms; however, the impossibility of acquiring more data, for example in the area of the Balze due to the dangerousness of the area, didn’t allow to improve the knowledge on some know instability situations. The problem of stability in the Volterra area exists and, as is evident from the existing cartography and from the numerous historical testimonies, it shouldn’t be underestimated; different areas of the territory are characterized by gravitational movements, for which it is essential to study in deep the knowledge, implement monitoring strategies and adopt measures for the reduction of danger and risk mitigation