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PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) 1 Cap. 3 CENNI SUI METODI MAGNETICI.

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1 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) 1 Cap. 3 CENNI SUI METODI MAGNETICI

2 2 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Principi di base parametro misurato: intensità (totale o gradiente) e/o direzione del campo geomagnetico locale. misure: metodo passivo con cui si analizzano le perturbazioni al normale andamento del campo geomagnetico naturale. informazioni desunte: individuazione di corpi magnetizzati ed indicazioni sulle loro caratteristiche.

3 3 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Magnetizzazione 1) moto orbitale degli elettroni attorno al nucleo simile al moto dei protoni allinterno del nucleo; 2) moto di spin degli elettroni Il comportamento magnetico dei materiali e legato alla capacità di allinearsi dei singoli m e alla loro somma vettoriale. Tale comportamento è associato alla presenza di alcuni minerali quali la magnetite e la pirrotina. Si osserva una dipendenza lineare tra la concentrazione di magnetite (Fe3O4) e la suscettivita magnetica k. -e momo msms Spiega il magnetismo macroscopico ed è associata con i circuiti di correnti atomiche generate da due meccanismi principali:

4 4 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Magnetizzazione indotta e rimanente magnetizzazione indotta La magnetizzazione indotta Ji decade a zero se il materiale è posto in un ambiente libero da campo magnetico esterno. Tuttavia, alcuni materiali (ferromagnetici) presentano una certa magnetizzazione anche in assenza di campo esterno (magnetizzazione rimanente Jr). Si considera la magnetizzazione totale come somma delle due magnetizzazioni. Limportanza relativa della magnetizzazione rimanente rispetto alla magnetizzazione indotta è espressa dal rapporto di Koenigsberger Q.

5 5 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Isteresi Magnetica Listeresi magnetica esprime quanto un corpo (un materiale) si possa magnetizzare per effetto di un campo magnetizzante. Il ciclo di isteresi mostra il valore della magnetizzazione di saturazione e quello della magnetizzazione rimanente.

6 6 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) CMT: variazioni temporali a)variazioni di origine interna: causate da migrazione dei poli, deriva dei continenti, fluttuazione della rotazione terrestre (secolari, continue seppur non regolari) (fino a 100 nT/anno) b) variazioni di origine esterna: 1.pulsazioni (con periodo dell'ordine dei secondi); 2.baie (con periodo di qualche ora); 3.semidiurne; 4.diurne o solari; 5.lunari (con periodo di 27 giorni); 6.dovute alle macchie solari (con lo stesso periodo con cui si presentano le macchie solari; 7.tempeste magnetiche;

7 7 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Proprietà magnetiche della materia Magnetizzazione per induzione: La relazione tra magnetizzazione e campo esterno può essere considerata lineare nel campo di valori (relativamente bassi) in cui si situa il valore del campo magnetico terrestre. Per mezzi isotropi, in cui la relazione è la medesima in ogni punto, si ha: dove k è in relazione con la permeabilità magnetica: dove: J i - magnetizzazione indotta; k - suscettività magnetica (adimensionale); - permeabilità assoluta del mezzo 0 - permeabilità nel vuoto

8 8 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) suscettività magnetica gli ampi range di variazione della suscettività sono una delle cause di ambiguità interpretativa dei dati magnetici e possono rendere complesso anche il modelling.

9 9 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Proprietà magnetiche della materia Magnetizzazione per induzione: a)materiali ferromagnetici: sono materiali (cobalto, nikel, ferro) che in presenza di un campo magnetico esterno presentano un elevato valore di magnetizzazione, non linearmente proporzionale al campo esterno e che si conserva anche dopo la soppressione di questo. b)Dal punto di vista microscopico si può schematizzare il comportamento dei materiali ferromagnetici come se i dipoli elementari si organizzassero in regioni (domini) con momento magnetico concorde.

10 10 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Proprietà magnetiche della materia Magnetizzazione rimanente a)magnetizzazione termorimanente: (temperatura di Curie da 100 °C a 700°C) b)magnetizzazione isoterma: termica ma sotto Curie c) magnetizzazione viscosa: campo inducente per lunghi periodi d) magnetizzazione anisteretica: zone di impatto dei fulmini e) magnetizzazione chimica: nascono allinterno del corpo sostanze magnetiche f) magnetizzazione da sedimentazione

11 11 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Proprietà magnetiche della materia magnetizzazione totale:

12 12 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Campo magnetico terrestre componenti del vettore campo F – vettore campo H – componente orizzontale Z – componente verticale I – inclinazione D - declinazione alle nostre latitudini F vale circa nT ed ha inclinazione di circa 60°.

13 13 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Cosa si misura

14 14 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Cosa si misura

15 15 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Cosa si misura eseguendo misure dalla superficie si ottiene il grafico dellanomalia magnetica che viene poi correlato con la natura, la profondità e le dimensioni del corpo che lha provocata.

16 16 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Strumentazione inclinometri e declinometri bilance magnetiche magnetometri a passaggio di flusso (Fluxgate) magnetometri a protoni (PPM) magnetometri a pompaggio ottico

17 17 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Magnetometro a protoni Misura lintensità del campo senza fornire indicazioni riguardo la direzione (danno F). Le misure necessitano di un breve transitorio (alcuni s). Le nuove versioni Overhauser arrivano a 10 mis/s. Precisione di misura 0. 1 nT. schematizzazione della precessione nucleare

18 18 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Assetti di misura

19 19 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) gradiometro Le misure gradiometriche non risentono delle variazioni temporali e consentono di discriminare oggetti superficiali e di piccole dimensioni.

20 20 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Il magnetometro a pompaggio ottico Il magnetometro non è che una delle molteplici e svariate applicazioni che utilizzano il fenomeno del trasferimento energetico legato al passaggio degli elettroni da un livello energetico ad un altro (vd. ad esempio, i masers ed i lasers). Il pompaggio ottico può essere definito come una tecnica di sovrapopolazione di un livello energetico di una particolare specie atomica.

21 21 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Principio operativo del pompaggio ottico Al livello H compete invece un energia di gran lunga superiore e la transizione G1, G2- H richiede una energia elettromagnetica (fotone). Nello stato standard gli elettroni occupano i livelli G1 ed G2, tra i quali il salto energetico è molto piccolo le probabilità di trovare gli atomi in G1 ed G2 sono uguali. Consideriamo per semplicità un atomo ipotetico i cui elettroni orbitino su tre livelli energetici

22 22 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Irradiando il corpo campione con un raggio dal quale, previo filtraggio, è stata eliminata la banda spettrale G 2 H, gli atomi con elettroni corrispondenti al livello G 1 saranno in grado di assorbire l'energia e passare al livello H, mentre gli atomi in G 2 non verranno eccitati. Irradiando il corpo campione con un raggio dal quale, previo filtraggio, è stata eliminata la banda spettrale G 2 H, gli atomi con elettroni corrispondenti al livello G 1 saranno in grado di assorbire l'energia e passare al livello H, mentre gli atomi in G 2 non verranno eccitati. Dal livello H, che è uno stato eccitato e quindi instabile, gli elettroni decadono ritornando allo stato fondamentale (non eccitato) Dal livello H, che è uno stato eccitato e quindi instabile, gli elettroni decadono ritornando allo stato fondamentale (non eccitato) Quando avviene il decadimento la probabilità di ritrovare gli elettroni in G 1 ed G 2 è uguale ma, una volta ricaduti su G 1 questi verranno rimossi per eccitazione fotonica e riportati in H; ne risulta una sovrapopolazione di G 2. Quando avviene il decadimento la probabilità di ritrovare gli elettroni in G 1 ed G 2 è uguale ma, una volta ricaduti su G 1 questi verranno rimossi per eccitazione fotonica e riportati in H; ne risulta una sovrapopolazione di G 2.

23 23 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Poichè in questo processo selettivo G 1 risulta crescentemente spopolato, l' energia di assorbimento sarà minore e il corpo campione sarà più trasparente al passaggio del raggio incidente. Poichè in questo processo selettivo G 1 risulta crescentemente spopolato, l' energia di assorbimento sarà minore e il corpo campione sarà più trasparente al passaggio del raggio incidente. Nella fase, definito stato pompato, in cui tutti gli atomi si ritrovano in corrispondenza di G 2 il passaggio di luce attraverso detto corpo campione è massimo. Se si distrugge lo stato pompato, il corpo campione ridiventa opaco ed il ciclo si ripete. Nella fase, definito stato pompato, in cui tutti gli atomi si ritrovano in corrispondenza di G 2 il passaggio di luce attraverso detto corpo campione è massimo. Se si distrugge lo stato pompato, il corpo campione ridiventa opaco ed il ciclo si ripete.

24 24 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Il sensore consta di tre parti principali assemblate lungo un comune asse ottico e poste entro il cilindro del sensore ottico: 1)Lampada (Rb, Cs) 2) Cella di assorbimento contenente alkali vapor (Cs o Rb) corrrispondente al materiale costituente la lampada 3) Diodo fotosensibile

25 25 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Tramite un avvolgimento che circonda la cella di assorbimento, si genera un campo magnetico che distrugge lo stato otticamente pompato; in questa fase lassorbimento della cella è massimo e la corrente di output del diodo è minima. Non appena viene distrutto, il pompaggio ottico si ripristina, causando linizio di un nuovo ciclo. La luce generata dalla lampada al cesio entra nella cella di assorbimento contenente vapori di cesio. Il vapore di cesio viene eccitato e si verifica la transizione dai livelli relativi allo stato standard a quelli otticamente pompati. In queste condizioni lassorbimento della cella è minimo e di conseguenza il diodo fotosensibile percepisce la massima intensità luminosa a cui corrisponde la massima intensità di corrente;

26 26 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Lintero sistema può essere considerato in oscillazione con la corrente di uscita del diodo fotosensibile che varia sinusoidalmente alla Frequenza di Larmor ν. La Frequenza di Larmor è proporzionale allintensità del campo magnetico ambiente F. La costante di proporzionalità che mette in relazione la Frequenza di Larmor ν con il c.m.t. è il rapporto giromagnetico degli elettroni ( ). F = 2 ν /

27 27 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Logistica in situ Secondo gli obiettivi dellindagine le misure vengono eseguite lungo profili o su mappe con griglie regolari. Lintervallo di campionamento dipende dalla risoluzione voluta e va definito in fase di progettazione delle indagini. Se non si eseguono misure gradiometriche è necessario tornare ad intervalli di tempo circa regolari su una stazione base per registrare la variazione temporale. Particolari attenzioni devono essere rivolte alle potenziali fonti di disturbo, eventualmente indotte dalloperatore. Il grid

28 28 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Limiti e disturbi La necessità di misurare variazioni del campo magnetico molto piccole strumenti molto sensibili. Le misure sono fortemente disturbate non solo dalla presenza di oggetti metallici in prossimità dellarea di misura (recinzioni metalliche e strutture) ma anche da tutte le fonti di inquinamento elettromagnetico, quali linee elettriche, ferrovie, macchinari industriali, ecc... In generale, è pressoché impossibile eseguire misure affidabili in ambienti urbani che si presentano talmente rumorosi da rendere impossibile il corretto funzionamento della strumentazione. Unaltra precauzione necessaria è legata alla variazione temporale del campo che in particolari condizioni meteorologiche (temporali) ed atmosferiche (tempeste magnetiche) sono troppo repentine e troppo elevate per consentire leffettuazione delle misure.

29 29 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Elaborazione dati correzioni: a) variazione diurna: o si eseguono misure in una stazione base ad intervalli di tempo regolari e si sottrae allandamento del campo misurato dalla stazione mobile e plottato in funzione del tempo landamento misurato alla stazione base, oppure si eseguono misure di gradiente verticale del campo (si fa cioè la differenza tra due letture contemporanee eseguite a due altezze diverse). b) correzione per la latitudine: è necessario tenere conto di questa variazione qualora lestensione del sondaggio sia di diversi chilometri. In generale si può considerare una variazione di circa 6 nT/km. c) correzione topografica: nel caso di topografie particolarmente irregolari può essere necessario riportare le misure ad un piano di riferimento; la procedura è spesso automatizzata nei software di interpretazione.

30 30 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Elaborazione dati rappresentazione su mappe e profili: Dopo le correzioni i dati vengono rappresentati o su mappe o su profili. Questa fase è talvolta sufficiente e fornisce le informazioni cercate. Oltre alle correzioni è spesso necessario ripulire i dati da disturbi, rumore, misure errate. Questa operazione può essere condotta con procedure di filtraggio digitale con filtri monodimensionali sui profili e bidimensionali sulle mappe. Le tecniche di trattamento dellimmagine possono venire applicate per meglio mettere in evidenza le anomalie imputabili agli obiettivi del sondaggio.

31 31 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Interpretazione qualitativa rappresentazione su mappe e profili: Ampiezza e lunghezza donda dellanomalia sono correlabili con le caratteristiche e la posizione delle sorgenti.

32 32 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Interpretazione qualitativa rappresentazione su mappe e profili:

33 33 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Interpretazione qualitativa - localizzazione

34 34 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Interpretazione dati anomalie corpi semplici: campo inducente: F=60000 nT I=60°, D=0° corpo: sfera raggio=1m prof.=3m k= 0.05

35 35 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Interpretazione dati anomalie corpi semplici: campo inducente: F=60000 nT I=60°, D=0° corpo: dicco verticale largh.=50m k= 0.05

36 36 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Interpretazione dati modellazione: Esistono algoritmi che date: 1.le dimensioni dei corpi; 2.le profondità dei corpi; 3.i contrasti di suscettività; sono in grado di calcolare landamento dellanomalia prodotta in superficie e permettono di valutare lapplicabilità del metodo in fase progettuale e/o di interpretare i risultati.

37 37 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Interpretazione dati inversione: Esistono algoritmi che, tramite processi iterativi, a partire dai dati sperimentali, risalgono alla distribuzione della suscettività magnetica in sezioni (2D o 2.5D) al di sotto dei profili. Come in tutti i problemi inversi esistono ambiguità connesse alla non unicità della soluzione.

38 38 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Interpretazione dati inversione:

39 39 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) Interpretazione quantitativa rappresentazione 3D dopo inversione:

40 PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) 40 F I N E


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