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Dottorato Regionale di Ricerca in Scienze della Terra – XXX Ciclo
RELAZIONE DI FINE TRIENNIO
Dottorando: Michele D’Ambrosio
Tutore: Prof. Filippo Catani
ANALISI DEI TERRENI DI COPERTURA AI FINI DELL’IMPIEGO IN MODELLI DI
PREVISIONE DELLE FRANE SUPERFICIALI
Analysis of slope deposits for applications in the modelling of shallow mass movements
Obiettivo della Tesi
L'obiettivo principale di questa tesi di dottorato è quello di fornire un insieme omogeneo di dati riguardanti le principali proprietà dei suoli e dei depositi, necessario per definire le loro caratteristiche geotecniche e idrologiche, attraverso una vasta campagna di indagini in situ e misure di laboratorio.
Questi tipi di dati, in un contesto regionale, sono utili per: i) determinare gli intervalli di variazione dei parametri geotecnici e idrogeologici che controllano i meccanismi di innesco delle frane, ii) successivamente individuare le aree dei siti di studio in cui dovrebbero sorgere situazioni di rischio idrogeologico critico. I dati ottenuti sono stati studiati al fine di valutare le relazioni esistenti tra i diversi parametri e la litologia del bedrock. L’obiettivo finale è fornire vincoli per i modelli fisici volti a prevedere le frane superficiali indotte da precipitazioni.
Attività svolta e principali risultati
Nella prima fase del progetto è stata effettuata un’accurata analisi bibliografica finalizzata a reperire dati già esistenti in letteratura sulle proprietà geotecniche e idrologiche delle coperture della Regione Toscana. A partire da questi dati e analizzando quindi la tipologia degli stessi, è stata messa a punto una procedura di campionamento e analisi con la quale è stata effettuata un’estensiva campagna di indagini geotecniche in situ e di laboratorio, ripetuta per ogni sito investigato e su punti diversi, rappresentativi delle principali tipologie di terreno riscontrabili in Toscana.
I siti all’interno del territorio toscano sono stati selezionati in base alle caratteristiche fisiografiche (quota e pendenza), alla localizzazione di fenomeni franosi (progetto DIANA, Casagli et al., 2013a,b) e alle caratteristiche geo-litologiche del substrato affiorante (progetto CARG), tenendo in considerazione anche la disposizione dei siti di indagine esistenti e ricavati dalla letteratura (Figura 1).
Per ogni sito di indagine, sono state condotte le seguenti analisi, ad una distanza di pochi metri l’una dall’altra: • Registrazione della posizione geografica mediante GPS e documentazione fotografica delle
caratteristiche del sito (morfologia e vegetazione);
• Misura dei parametri di resistenza al taglio del terreno tramite apparecchio di taglio in foro (“Borehole Shear Test”, BST);
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• Misura della permeabilità satura (K-sat) tramite il permeametro a carico costante Amoozemeter; • Prelievo di un’aliquota di circa 3 kg di campione per le prove di laboratorio.I campioni raccolti in situ (prelevati direttamente dal foro scavato per le misure BST) sono stati analizzati in laboratorio per definire un’ampia serie di parametri e le principali proprietà indice per caratterizzare in maniera più completa i terreni. In particolare sono state svolte:
• Analisi granulometrica e classificazione dei terreni (determinazione della curva granulometrica per setacciatura e sedimentazione);
• Determinazione delle principali proprietà indice (contenuto d’acqua naturale wn, peso di volume naturale γ e secco γd);
• Determinazioni dei limiti di Atterberg (limite liquido LL e limite plastico PL, e dell’indice di plasticità IP);
• Prove di taglio diretto (determinazione dell’angolo di attrito interno ɸ’ e della coesione c’ efficaci) su campioni selezionati.
Figura 1 Distribuzione spaziale dei punti di indagine in Toscana, associata alle classi litologiche.
Da una prima analisi dei risultati delle prove, è emerso che i principali fattori esterni che influenzano le misure effettuate sono il tipo di substrato, dal punto di vista geologico e litologico, ed il tipo di uso del suolo. Analizzando le distribuzioni granulometriche, si può affermare che i terreni analizzati sono prevalentemente
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delle sabbie con limo con una minore frazione di componente ghiaiosa e argillosa (Fig. 2). I parametri di resistenza al taglio si sono dimostrati piuttosto variabili e difficilmente relazionabili alla granulometria, poiché dovuti a diversi stati di saturazione del terreno, funzione della suzione matriciale. Queste consistenti diversità hanno fatto sì che il contributo della coesione apparente sia stato piuttosto differente da sito a sito.Figura 2 Diagramma ternario delle abbondanze di ghiaia, sabbia, limo e argilla nei campioni analizzati; in aggiunta viene riportato il “centro” delle distribuzioni granulometriche.
Una parte di questi dati è stata utilizzata per effettuare un test con il modello di previsione delle frane denominato HIRESSS. Il modello HIRESSS (High REsolution Slope Stability Simulator) (Rossi et al., 2013) è un simulatore distribuito fisicamente basato di stabilità dei versanti per l’analisi dell’innesco di frane superficiali in tempo reale su larga scala. Il modello fisico si compone di due parti: una idrologica e una geotecnica. La parte idrologica riceve i dati delle precipitazioni come input dinamico e calcola la pressione interna come perturbazione al modello di stabilità geotecnica, che fornisce i risultati in termini di fattore di sicurezza (Fs). Oltre alle precipitazioni, i dati di input del modello sono costituiti da pendenza, parametri geotecnici e idrologici (coesione efficace, angolo di attrito, peso di volume secco, conducibilità idraulica, valore iniziale di saturazione del terreno, indice di dimensione dei pori, pressione dell’acqua, porosità e contenuto di acqua residua) e spessore del suolo (di seguito DTB, profondità del bedrock), calcolato con il modello GIST descritto in Catani et al. (2010). L’area test corrisponde alle provincie di Prato-Pistoia-Lucca, per un’area di circa 3100 km2 e 59 punti di indagine selezionati. Per la simulazione sono stati utilizzati dati di precipitazione
corrispondenti all’evento del 24/10/2010-26/10/2010, con valori massimi di 250mm.
La validazione qualitativa (Fig. 3) ha dimostrato che una caratterizzazione dettagliata dei parametri dei suoli e la loro spazializzazione possono aumentare la capacità del modello di previsione per identificare correttamente le aree con maggiore potenziale di instabilità durante l'evento meteorico. L'utilizzo di dati reali raccolti in situ come input per il modello HIRESSS fornisce risultati migliori rispetto all'utilizzo dei dati della letteratura in termini di prevedibilità del meccanismo di instabilità del pendio.
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Figura 3 Simulazione con HIRESSS.L’ultima parte del progetto, ha riguardato l’integrazione di ulteriori dati ed analisi sui terreni, effettuati questa volta in Valle d’Aosta, con lo scopo di analizzare più tipologie di depositi ed investigare differenti contesti geomorfologici. In questa area, sono stati selezionati 12 punti di indagine (Fig. 4), seguendo gli stessi criteri adottati durante le prime fasi di campionamento.
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Figura 4 Distribuzione spaziale dei punti di indagine nella zona di allerta B in Valle d’Aosta, associata alle classi litologiche. L’attività prevista è stata articolata nelle seguenti fasi:• Selezione dell’area test e definizione dell’arco temporale di analisi del modello HIRESSS; • Definizione e predisposizione dei parametri di input del modello;
• Caratterizzazione geotecnica dei terreni nell’area di studio attraverso la realizzazione di prove geotecniche di laboratorio e in-situ;
• Applicazione del modello HIRESSS nell’area di test;
• Analisi e validazione dei risultati con particolare attenzione all’analisi delle false e mancate allerte in modo da identificare e quantificare il beneficio dell’utilizzo di HIRESSS per la previsione delle frane superficiali.
I dati geotecnici sono stati spazializzati sulla base del tipo di bedrock litologico in modo da ottenere dati spazialmente distribuiti per il modello HIRESSS.
Congiuntamente è stato valutato, dove necessario, il contributo della vegetazione alla stabilità dei versanti, sia in termini di aumento di coesione del terreno dovuto all’apparato radicale, sia in termini di precipitazione intercettata.
I terreni analizzati nei 12 punti di indagine sono risultati principalmente composti da sabbia e ghiaia, con contenuti molto variabili di limo (Fig. 5).
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Figura 5 Curve granulometriche dei campioni analizzati.I dati raccolti contribuiscono a generare mappe di input di parametri per HIRESSS (dati statici) (Fig. 6). Al fine di migliorare il calcolo originale del modello, è stato preso in considerazione anche il contributo della coesione radicale sulla base della mappa vegetazione e valori di letteratura.
L’applicazione del modello è stata effettuata in back-analysis, al fine di valutare l'affidabilità del modello attraverso la convalida dei risultati con gli eventi di frana che si sono verificati durante il periodo tra il 2008 e il 2009.
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Le simulazioni mostrano un miglioramento notevole dell'affidabilità dei risultati rispetto all'uso dei parametri di letteratura (Fig. 7).Figura 7 Mappe di probabilità d’innesco del modello HIRESSS dell’evento nominato 26 maggio 2008 e punti di segnalazione dei dissesti avvenuti durante tale evento, a) 24 maggio 2008, b) 25 maggio 2008, c) 26 maggio 2008, d) 27 maggio 2008, e) 28 maggio 2008, f) 29 maggio 2008, g) 30 maggio 2008, h) 31 maggio 2008.
Prendendo in considerazione il primo evento, i risultati mostrano che la probabilità d’innesco risulta inferiore al 25% per i primi quattro giorni (dal 24 al 27 maggio 2008) in tutte le aree comunali incluse nella Zona B (Fig. 7 a, b, c, d). A partire dalla notte del 27 maggio fino alla mattina del 28 maggio un primo evento meteorico ha colpito la Valle d’Aosta. Successivamente, soprattutto nella Zona B, intense piogge sono avvenute nel primo pomeriggio e sera della giornata del 29 maggio nella quale si registrano i massimi valori di precipitazione intorno o superiori ai 100 mm, sul settore orientale di Gressoney-Saint-Jean e Champorcher. I risultati del modello simulano bene questo passaggio, infatti, come si può notare nelle mappe di probabilità d’innesco di frane nei giorni 28 maggio 2008 e 29 maggio 2008, si registra un sostanziale aumento della probabilità con massimi valori intorno al 90% in tutta la parte orientale della Zona B (Fig. 7 e, f).
Da queste simulazioni è stata dimostrata una buona correlazione dal punto di vista temporale e abbastanza dal punto di vista spaziale del modello HIRESSS rispetto agli eventi reali. Per migliorare la validazione spaziale, è necessario aumentare il numero di dati di partenza per ottenere, mediante l'interpolazione, un modello il più vicino possibile alla realtà.
Periodo di ricerca all’estero
Nel corso dell’ultimo anno di dottorato, è stato svolto un periodo di ricerca all’estero della durata di 3 mesi presso la Sejong University di Seoul, in Corea del Sud, sotto la supervisione del Prof. Hyuck-Jin Park. Durante questo periodo, sono state eseguite ulteriori simulazioni sulla prima area di studio investigata nei primi due anni. Le nuove simulazioni sono state eseguite con due modelli deterministici differenti: TRIGRS (Baum et al.
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2002) e SHALSTAB (Dietrich and Montgomery, 1998), che si avvalgono di un modello idrologico di tipo semplificato per l’analisi del regime delle pressioni neutre, e dello schema di pendio indefinito per la valutazione delle condizioni di stabilità.L’applicazione dei due modelli alla prima area di studio si è avvalsa dei dati derivanti dalla caratterizzazione geotecnica dei depositi di versante effettuata durante i primi due anni di indagini in situ e in laboratorio. Per la sola simulazione con SHALSTAB, sono stati utilizzati inoltre tre differenti modelli per il calcolo degli spessori dei depositi: il modello GIST (Catani et al. 2010), e due modelli proposti da Saulnier et al. (1997) denominati S-model e Z-model, che correlano lo spessore dei suoli con la pendenza del versante (slope) e le quote rispettivamente. I risultati delle simulazioni sono mostrate in Figura 8 e Figura 9.
Figura 8 Risultato della simulazione con TRIGRS sotto forma di mappa di probabilità di instabilità.
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Riferimenti bibliografici
Baum R.L., Savage W.Z. and Godt J.W. (2002) TRIGRS - A FORTRAN program for transient rainfall infiltration and grid-based regional slope-stability analysis. Open-file Report 02-424. U.S Department of the Interior, US Geological Survey, 38 pp.
Casagli N., Catani F., Tofani V., Rosi A., Tanteri L., Tacconi C., (2013)a DIANA - Dati interferometrici per l’analisi ambientale: frane e subsidenza. Prodotto 1: Rapporto Finale, 89 pp. Casagli N., Catani F., Tofani V., Rosi A., Tanteri L., Tacconi C., (2013)b DIANA - Dati interferometrici per l’analisi ambientale: frane e subsidenza. Prodotto 2: Rapporto Finale, 93 pp.
Catani, F., Segoni, S., and Falorni, G. (2010) An empirical geomorphology-based approach to the spatial prediction of soil thickness at catchment scale, Water Resour. Res., 46, W05508, doi:10.1029/2008WR007450.
Dietrich W.E., Montgomery D., (1998) SHALSTAB: a digital terrain model for mapping shallow landslide potential. NCASI (National Council of the Paper Industry for Air and Stream Improvement) Technical Report, February.
Rossi G., Catani F., Leoni L., Segoni S. and Tofani V. (2013) HIRESSS: a physically based slope stability simulator for HPC applications. Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 13, 151-166.
Saulnier G. M., Beven K., and Obled C. (1997) Including spatially variable effective soil depths in TOPMODEL, J. Hydrol., 202, 158–172, doi:10.1016/S0022-1694(97)00059-0.
LISTA COMPLETA DI PUBBLICAZIONI NEI TRE ANNI DI DOTTORATO
➢ Jang J.Y., D’Ambrosio M., Park H.J., Hong S.K., (2017) Landslide susceptibility analysis using Fuzzy Point Estimate Method and physically based model in Toscana area of Italy. Proceedings of KSEG 2017 Spring Conference / April 6 - 7, 2017
➢ D’Ambrosio M., Tofani V., Rossi G., Salvatici T., Tacconi Stefanelli C., Rosi A., Masi E. B., Pazzi V., Vannocci P., Catani F., Casagli N. (2017) Application of regional physically-based landslide early warning model: tuning of the input parameters and validation of the results. EGU General Assembly 2017, At Vienna, Volume: Vol. 19, EGU2017-13712, 2017
➢ Tofani V., Bicocchi G., Rossi G., Segoni S., D’Ambrosio M., Catani F., Casagli N. (2017). Soil characterization for shallow landslides modeling: a case study in the Northern Apennines (Central Italy). Landslides, February 2017, Volume 14, pp 1-16 – DOI: 10.1007/s10346-017-0809-8
➢ Pazzi V., Tanteri L., Bicocchi G., D'Ambrosio M., Caselli A., Fanti R. (2016). H/V measurements as an effective tool for the reliable detection of landslide slip surfaces: Case studies of Castagnola (La Spezia, Italy) and Roccalbegna (Grosseto, Italy). Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C, October 2016 – DOI: 10.1016/j.pce.2016.10.014 – ISSN: 1474-7065.
➢ D’Ambrosio M., Tofani V., Bicocchi G., Tacconi Stefanelli C., Catani F. (2016). Assessment of geotechnical and hydrological properties of hillslopes by means of on site and laboratory tests: a case study in Tuscany (central Italy). Rend. Online Soc. Geol. It., Volume: 41, Conference paper: AIGA 2016, Pages: 297-300 - DOI: 10.3301/ROL.2016.152
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➢ Bicocchi G., D’Ambrosio M., Rossi G., Rosi A., Tacconi Stefanelli C., Segoni S., Nocentini M., Vannocci P., Tofani V., Casagli N., Catani F. (2016). Geotechnical in situ measures to improve landslides forecasting models: A case study in Tuscany (Central Italy) Landslides and Engineered Slopes. Experience, Theory and Practice, Volume 2, 2016, Pages 419-424 - ISBN: 978-1-138-02988-0➢ Tofani V., Bicocchi G., Rossi G., D'Ambrosio M., Catani F., Casagli N. (2016). Soil characterization for landslide forecasting models: a case study in the Northern Apennines (Central Italy). In book: Advancing Culture of Living with Landslides, June 2017, pp.381-388 - DOI: 10.1007/978-3-319-53498-5_44
➢ Pazzi V., Tanteri L., Bicocchi G., Caselli A., D'Ambrosio M., Fanti R. (2016). H/V technique for the rapid detection of landslide slip surface(s): assessment of the optimized measurements spatial distribution. In book: Advancing Culture of Living with Landslides, June 2017, pp.335-343 - DOI: 10.1007/978-3-319-53498-5_38
➢ Bicocchi G., D’Ambrosio M., P. Vannocci, M. Nocentini, C. Tacconi-Stefanelli, E. B. Masi, S. Carnicelli, V. Tofani, F. Catani (2015). Preliminary assessment of the factors controlling the geotechnical and hydrological properties in the hillslope deposits. In: 17th Iamg Congress Proceeding - Freiberg (Germany), September 2015, Pp. 865-874 - ISBN: 978-3-00-050337-5.
In preparation or in review:
➢ Salvatici T., Tofani V., Rossi G., D’Ambrosio M., Tacconi Stefanelli C., Masi E.B., Rosi A., Pazzi V., Vannoci P., Petrolo M., Catani F. and Casagli N. (2018) Regional physically-based landslide early warning model: soil parametrization and validation of the results. Nat. Hazards Earth Syst. Sci. Discuss., https://doi.org/10.5194/nhess-2017-425, in review.
➢ Bicocchi G., D’Ambrosio M., Tacconi-Stefanelli C., Tofani V., Vannocci P., Casagli N., Lavorini G., Trevisani M., Catani F. (2018) Characterization of hillslope deposits for regional landslide prediction modeling. Engineering Geology, submitted.
➢ D’Ambrosio M., Pazzi V., Tanteri L., Agostini A., Catani F., Casagli N. (2018) RE.DI.: a new tool to estimate the GBInSAR data real displacement vector. In prep.
Presentazione orale a convegno internazionale
“Application of regional physically-based landslide early warning model: tuning of the input parameters and validation of the results.” EGU General Assembly 2017, Vienna, 22-29 aprile 2017. Volume: Vol. 19, EGU2017-13712, 2017
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RENDICONTO DELLE ATTIVITÀ FORMATIVE
1° anno
➢ CORSO “Methods for landslide risk assessment and mitigation” – Prof. Oldrich Hungr (12 ore), 3-4-5/11/2014 Firenze
o ESCURSIONE finale - Corso Prof. Oldrich Hungr, 06/11/2015 San Leo (RN)
➢ SEMINARIO “Geomorphological investigation in Perù” - Dr. Vít Vilímek (2 ore), 18/11/2014 Firenze ➢ CONVEGNO “Tutela dell'Ambiente e Crisi Economica” - AIDAmbiente, 26/03/2015 Firenze
➢ SEMINARIO “Reflections on the residual strength of clays with special reference to bedding-controlled landslides” - Prof. Eddie Bromhead (2 ore), 26/03/2015 Firenze
➢ SEMINARIO “Dissesto geologico, lavoro, nuovo modello di sviluppo” - DST-UNIFI CGIL-FLC (4 ore e 30 min), 31/03/2015 Firenze
➢ SEMINARIO “Landslide Prediction and Early Warning” - Italy-Korea Joint Seminar (7 ore), 20/04/2015 Firenze
o ESCURSIONE finale - Italy-Korea Joint Seminar, 21/04/2015 Brisighella (RA)
➢ SEMINARIO “Occupation Slopes – Belo Horizonte City” - Prof. Antonio Ananias De Mendonça e Prof. Ecidinéia Pinto Soares de Mendonça (2 ore), 23/04/2015 Firenze
➢ CONVEGNO “Adattamento climatico, rischio idrogeologico e pianificazione urbanistica” - 24/04/2015 Firenze
➢ SEMINARIO “Discrete Fracture Network (DFN) Modelling: From Data Collection to Geomechanical Applications” – Prof. Davide Elmo (2 ore), 23/06/2015 Firenze
➢ SEMINARIO “ENGINEERING GEOLOGY DAY @ DICAM”, (3 ore e 30 min)26/06/2015 Bologna ➢ CORSO “Georeferenziazione di documenti cartografici ed aereofotografici in ambiente GIS” -
Prof.ssa Maria Cristina Salvatore (8 ore), 23/09/2015 Pisa
➢ CORSO “GIS Open Source per le Applicazioni Geologiche e Ambientali” – Prof. Filippo Catani (16 ore), 25-28/09/2015 Firenze
➢ CORSO “Introduzione alla Statistica” - Dott. Matteo Aleardi (8 ore), 06/10/2015 Pisa
➢ CORSO “Introduzione all'uso di MATLAB” – Dott. Andrea Tognarelli (18 ore), 26-27-28-29/10/2015 Pisa
2° anno
➢ CONVEGNO “X Convegno dei Giovani Ricercatori di Geologia Applicata 2016” – 18-19/02/2016 Bologna
➢ SEMINARIO ”If you can keep your head... (Rudyard Kipling, 1985)” – Prof. Eddie Bromhead (2 ore), 07/04/2016
➢ CORSO “Stratigrafia Sequenziale” – Prof. Marco Benvenuti (2 CFU), Maggio 2016 Firenze
➢ SEMINARIO ”Quantitative risk assessment of natural slopes” – Dott. Renato Macciotta (2 ore), 21/06/2016 Firenze
➢ SEMINARIO ”Managing Slope Stability Issues In Open Pit Mines: Case Studies” - Dott. Kostas BOTSIALAS (2 ore), 07/07/2016 Firenze
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3° anno
➢ CORSO “Formazione generale e specifica per lavoratori in materia di sicurezza e salute sul lavoro” – (1 CFU - 8 ore) 22 maggio 2017 Firenze
➢ CORSO “Le superfici di spianamento; significato, genesi, evoluzione ed utilizzi applicativi” – Prof. Mauro COLTORTI (0,5 CFU – 4 ore) 13 luglio 2017 Dipartimento di Scienze Fisiche, della Terra e dell'Ambiente dell'Università di Siena
➢ CORSO “Le carte geotematiche in ambiente GIS” – Prof. Daniele NANNINI (2 CFU – 16 ore), 18-19 e 24 luglio 2017 Dipartimento di Scienze della Terra dell’Università di Pisa
➢ SEMINARIO “Slope Stability Analysis Program – Programma di calcolo per l’analisi della stabilità dei pendii” – Prof. Lorenzo BORSELLI (2.5 ore), 10/11/2016 Dipartimento di Scienze della Terra dell’Università di Firenze
➢ SEMINARIO “Surface Processes in Mountain Environments” - Dott.ssa Sara SAVI (2 ore), 11/11/2016 Dipartimento di Scienze della Terra dell’Università di Firenze
➢ SEMINARIO “Subsidenza e frane in Messico. Dove siamo?” - Dott. Victor M. H. MADRIGAL (2 ore), 15/12/2016 Dipartimento di Scienze della Terra dell’Università di Firenze
➢ SEMINARIO “La difesa del suolo in Italia: problematiche tecniche e normative” - Dott. Francesco PEDUTO (2 ore), 28/04/2017 Dipartimento di Scienze della Terra dell’Università di Firenze
➢ SEMINARIO “Progettazione geologica etica e sostenibile: l’esperienza di #ITALIASICURA” - Dott. Gian Vito GRAZIANO (2.5 ore), 04/05/2017 Dipartimento di Scienze della Terra dell’Università di Firenze
➢ SEMINARIO “Geomorfositi e Geoturismo in Romania” - Dott.ssa Mihaela VERGA (2.5 ore), 10/05/2017 Dipartimento di Scienze della Terra dell’Università di Firenze
➢ GIORNATA STUDIO “Strumenti innovativi di indagine e di monitoraggio per l’analisi e la modellazione geologica e geotecnica” (4 ore) 19/06/2017 Aula Magna Rettorato dell’Università di Firenze
➢ SEMINARIO “The landslide story from Wenchuan earthquake region, China” – Proff. Xuanmei FAN & Yonghong LUO (2 ore), 26/09/2017 Dipartimento di Scienze della Terra dell’Università di Firenze
