CENNI SUI METODI SISMICI Cap. 4 CENNI SUI METODI SISMICI PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) GENERALITA’ La prospezione sismica si fonda sul principio che le onde elastiche viaggiano nel sottosuolo a differente velocità attraverso i diversi litotipi e subiscono sulle superfici di discontinuità i fenomeni di : riflessione, rifrazione, diffrazione. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Le metodologie sismiche si basano sulla tecnica di generare onde in un punto del terreno e di rilevarne i tempi di arrivo, mediante opportuni sensori (geofoni) in altri punti situati in superficie. In questo modo, attraverso lo studio del tempo percorso e quindi delle velocità, si può risalire alla disposizione geometrica e alle caratteristiche elastiche dei litotipi presenti al di sotto della zona d’indagine. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) A seconda che si utilizzino le onde riflesse o le onde rifratte si hanno due metodi di prospezione sismica: a riflessione a rifrazione. Entrambi i metodi, ampiamente utilizzati nello studio della crosta terrestre e nella ricerca degli idrocarburi, in tempi più recenti sono stati impiegati anche nella risoluzione di problemi ambientali quali l’individuazione della tavola d’acqua (falda acquifera), di zone fratturate ritenenti scorrimenti idrici, di cavità e di pozzi di perforazione. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

CENNI SULLE PROPRIETA’ DELLE ONDE ELASTICHE Quando viene applicata una forza ad un corpo elastico (“stress”) o quando essa viene improvvisamente annullata, la deformazione corrispondente (“strain”) si propaga come un’onda elastica. Nella propagazione della sollecitazione intervengono un certo numero di parametri elastici (Fig. 3.1). PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Esistono due tipi principali di onde elastiche: le onde interne e le onde di superficie Nel primo caso, un mezzo elastico può essere soggetto a due tipi di deformazione: di compressione/dilatazione e di taglio. Da qui il nome alle onde corrispondenti. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Nelle onde di compressione/dilatazione o onde P (primarie) le particelle del mezzo si spostano nella direzione di propagazione dell’onda, implicando alternativamente una espansione ed una contrazione del mezzo. Nelle onde di taglio o onde S (secondarie) il movimento delle particelle è perpendicolare alla direzione di propagazione dell’onda. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Oltre alle onde interne esistono onde che viaggiano solo sulla superficie libera di un solido elastico. Le onde di superficie dette onde di Rayleigh (3) e onde di Love (4) (vd.Fig.) hanno una velocità più bassa rispetto alle onde P ed S. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Quando un’onda sismica incontra il confine di separazione di due mezzi elastici la sua energia viene in parte riflessa ed in parte trasmessa (rifratta) nel secondo mezzo (vd. Fig.) PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) La frazione di energia dell’onda che viene riflessa da un’interfaccia che separa due mezzi dipende dal contrasto di “impedenza acustica” del mezzo e dall’angolo di incidenza dell’onda all’interfaccia. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Nell’applicazione dei metodi sismici ai problemi geologici la più importante proprietà delle rocce risulta essere la velocità di propagazione, in particolare quella delle onde P, che sono le più veloci e quindi le prime ad essere registrate. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) La velocità delle onde sismiche è funzione della densità del materiale costituente le rocce e delle sue proprietà elastiche. Nel caso delle onde P e delle onde S essa varia in ragione diretta con le proprietà elastiche (prevalenti) e inversamente alla radice quadrata della densità; fattori come porosità, presenza di fratture, contenuto di fluidi e composizione dei materiali rocciosi incidono molto sul valore della densità e comportano quindi variazioni di velocità. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Le velocità sismiche vengono studiate con lo scopo di identificare i materiali presenti nel sottosuolo. Entro certi limiti le informazioni relative alla velocità possono essere attribuite a un particolare tipo di roccia: in generale, le rocce ignee mostrano un intervallo di variazione molto più contenuto ristretto rispetto alle rocce sedimentarie e a quelle metamorfiche (vd. Tab.). PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) SISMICA A RIFLESSIONE Da oltre 80 anni, l’industria petrolifera utilizza il metodo sismico a riflessione nella ricerca di idrocarburi. Le risorse investite ed i progressi nella strumentazione hanno portato ad un’enorme sviluppo di questa tecnica, tanto che negli anni ottanta si è cominciato ad applicarla in campi diversi e per obiettivi sempre più superficiali. Da allora si sono realizzati nuovi sismografi e computers che hanno permesso l’acquisizione e l’elaborazione dei dati sismici a riflessione a costi sempre più bassi in numerose applicazioni di interesse ingegneristico ed ambientale. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Il principio di funzionamento del metodo sismico a riflessione è abbastanza semplice. Una sorgente sismica posizionata sulla superficie del suolo, o in piccoli fori, immette nel terreno energia meccanica che si propaga in esso mediante onde sismiche. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRINCIPI GEOMETRICI DELLA RIFLESSIONE Consideriamo una singola interfaccia orizzontale che separa due formazioni rocciose a caratteristiche elastiche diverse (vd. Fig.) PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

t = (SA + AG)/ V = 2 (h² + x²/ 4) / V (3.1) Sia S il punto di scoppio, in G (geofono) arriva l’onda riflessa dopo aver compiuto il percorso SAG. Se h è la profondità dello strato in cui si propaga l’onda di velocità V, il tempo t che essa impiega per arrivare nel punto G di ascissa x (SG = x), sarà dato da : t = (SA + AG)/ V = 2 (h² + x²/ 4) / V (3.1) equivalente alla forma: t²V² - x² - 4h² = 0 (3.2) che è l’equazione di un’iperbole e rappresenta i tempi di arrivo dell’onda ai vari geofoni in funzione della loro distanza dal punto di scoppio. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) t²V² - x² - 4h² = 0 Lo spessore dello strato h si ricava ponendo x = 0 nell’equazione precedente: h = Vt0/2 (3.3) dove t0 indica il tempo di arrivo dell’onda ad un geofono posto nel punto di scoppio. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) L’incremento T tra il tempo t ed il tempo t0 è chiamato NMO: normal move out (letteralmente “spostamento normale”) Il normal move out è importante per riconoscere se si tratta di una riflessione oppure no; se infatti i tempi rilevati dalle registrazioni non corrispondono alla funzione iperbolica della distanza si può escludere di essere in presenza di una superficie riflettente. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) ACQUISIZIONE DEI DATI Sorgenti Sismiche. La fase di acquisizione dei dati è la più importante e deve essere adeguatamente progettata al fine di ottenere buoni risultati in un sondaggio sismico. La scelta della sorgente sismica in un’indagine a bassa profondità viene affrontata ponderando diversi fattori, tra cui il costo, la ripetitività, l’efficienza e, non ultimo, la sicurezza. Le sorgenti di energizzazione del terreno possono essere divise in tre categorie: esplosivi, cannoncini sismici, percussioni. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) L’esplosivo è la fonte di energizzazione più efficace: una carica di dinamite viene fatta esplodere in un perforo appositamente eseguito ad una profondità dettata dallo scopo dell’indagine. Questo tipo di sorgente per le difficoltà connesse al suo utilizzo è ormai esclusiva della prospezione industriale. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) I fucili sismici (cannoncini sismici ) consentono di “sparare” cartucce speciali direttamente nel terreno. Si ottengono impatti rapidi ma di energia limitata. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Il terzo metodo, meno costoso, consiste nel percuotere con una mazza una piastra (vd.Fig.) posta sul terreno o facendo cadere una massa sospesa da una determinata altezza. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) L’energia richiesta nelle varie indagini dipende da: situazione geologica e geomorfologica, qualità dei geofoni, range dinamico del sismografo, regolazione dei filtri profondità degli obiettivi da indagare. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) E’ essenziale, nella prospezione sismica, conoscere con estrema precisione l’istante di scoppio, esso infatti rappresenta il tempo di riferimento per il calcolo dei tempi di arrivo delle onde alle posizioni occupate dai vari geofoni. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Geofoni. I geofoni sono trasduttori molto sensibili in grado di convertire i movimenti del terreno in un segnale elettrico la cui ampiezza è proporzionale alla velocità del movimento stesso. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) I tipi più utilizzati sono essenzialmente due: geofono elettromagnetico a bobina mobile (vd Fig.), costituito da un anello magnetico in cui è posta una bobina sostenuta da una lamina elastica. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Quando l’onda sismica giunge al geofono, il magnete tende a muoversi con il terreno mentre la bobina si comporta da elemento inerte rispetto ad esso; in essa viene indotta una f.e.m. proporzionale alla velocità di spostamento del terreno. Affinché la bobina si comporti da elemento inerte occorre che la frequenza propria del geofono sia inferiore alla frequenza di oscillazione del terreno. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) L’altro tipo è dato dal geofono piezoelettrico, basato su una nota proprietà dei cristalli che, sottoposti a compressione o trazione, manifestano, sulle facce perpendicolari ad un’asse, cariche elettriche di segno opposto, generando così un campo elettrico. Tale geofono è costituito da una pila di cristalli piezoelettrici e di piastre metalliche sovrastata da una massa inerte; essa tende ad alzarsi (o ad abbassarsi) a causa di un innalzamento (o abbassamento) del suolo dovuto all’arrivo dall’onda sismica. In questo caso si misurano variazioni di pressione proporzionali all’accelerazione del terreno. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Amplificatori e filtri. Il debole segnale di uscita dei geofoni viene amplificato e filtrato in modo da eliminare i possibili disturbi. L’unità di amplificazione è preceduta da un filtro il cui scopo è quello di eliminare o quanto meno ridurre i disturbi (vento, traffico, moto ondoso, ecc) che possono generare ulteriori vibrazioni del terreno. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Registratori. I segnali provenienti dai geofoni, filtrati ed amplificati, vengono visualizzati e registrati per le analisi successive. La registrazione può essere analogica o digitale su supporto magnetico . PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Catena di misura Acquisitore Circuito di sincronizzazione Cavi trasmissione segnali Trasduttori G1 G2 G12 G13 G23 G24 Sorgente PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Parametri di acquisizione. I parametri di acquisizione da considerare in un’indagine sismica a riflessione sono: durata della registrazione, intervallo di campionamento, tipo di sorgente e di ricevitore, distanza sorgente-ricevitore, intervallo tra i ricevitori, tipo di stendimento e configurazione dei filtri. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

ELABORAZIONE DEI DATI E SEZIONI SISMICHE I tempi di arrivo registrati, per poter essere confrontati, devono essere corretti da alcuni effetti dovuti alle irregolarità del terreno. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Le due cause maggiori di irregolarità sono rappresentate da : - differenza di altezza tra i singoli punti di scoppio e i geofoni - presenza di uno strato superficiale eterogeneo in cui le onde presentano un valore basso (anomalo) di velocità (“strato areato”) Si tratta quindi di ridurre i dati ad uno stesso piano di riferimento, collocando idealmente sullo stesso piano i punti di scoppio e i geofoni, e di tenere conto dell’incidenza dello strato areato sui tempi di arrivo. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) L’elaborazione dei dati sismici a riflessione ha come obiettivo finale la realizzazione di una sezione sismica, a partire da un insieme di registrazioni sismiche, che fornisca un’immagine completa del sottosuolo ai fini dell’interpretazione geologica A questo scopo vengono utilizzati diversi strumenti di elaborazione tra i quali i filtraggi in frequenza, in velocità e inversi, il muting, la migrazione, ecc.. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

LA SISMICA A RIFRAZIONE Il metodo a rifrazione differisce da quello a riflessione soprattutto per l’utilizzo di maggiori distanze sorgente-geofono essendo in gioco onde (rifratte) che necessitano condizioni particolari per essere individuabili. Si può infatti affermare che le rifratte osservate compiono un cammino prevalentemente orizzontale. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) A causa della grande distanza attraversata, la frequenza del segnale rifratto tende ad essere più bassa che quella osservabile nella riflessione. Nella maggioranza dei lavori che si basano sulla rifrazione, sono registrati solo i primi arrivi delle onde P. Il metodo a rifrazione è particolarmente adatto per il riconoscimento di generiche coperture del basamento in aree di cui è praticamente sconosciuta la geologia subsuperficiale. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

Caso di due strati con interfaccia orizzontale Consideriamo il caso di due strati, con velocità sismiche V1 e V2 (V2>V1), con superficie di separazione piana ed orizzontale. Indichiamo con h la potenza del primo strato (vd Fig. ). PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Il tempo impiegato dall’onda diretta per percorrere la distanza SG è: t = SG/V1=x/V1 (3.5) Indicando con x la distanza di un geofono G dal punto di scoppio S. La (3.5) è l’equazione di una retta passante per l’origine, che è la dromocroma (linea tempo-percorso) delle onde dirette: 1/V1 ne è la pendenza. Tra tutte le rifratte che passano dal primo mezzo al secondo seguendo la legge di Snell: sen i /sen r = V1 /V2 solo una, quella con angolo critico ic, rispetta la condizione: sen ic = V1/V2 infatti per r = 90°, sen r = 1. Queste sono le rifratte che tornano in superficie nel tempo minimo, tale da diventare “primi arrivi” a una certa distanza. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Il tempo di percorso dell’onda rifratta sotto angolo critico, è tr = SA/ V1+AB/ V2+BG/ V1= = 2SA/ V1+AB/ V2 = 2h/ V1cos ic + x-2htang ic/ V2 (3.6) In definitiva (con gli opportuni passaggi ! ): tr = x/ V2+2h/ V1 cos ic (3.7) PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) tr = x/ V2+2h/ V1 cos ic (3.7) La precedente è l’equazione di una retta, la dromocroma delle onde rifratte, di pendenza 1/V2. L’intersezione con l’asse dei tempi ha per ordinata, come si ricava dalla stessa ponendo x = 0: ti = 2h/ V1 cos ic (3.8) il tempo ti viene chiamato tempo intercetto. Nel punto di ascissa xc le onde rifratte arrivano contemporaneamente alle dirette: il punto C, intersezione delle due dromocrome, è detto punto angolare o di ginocchio. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) tr = x/ V2+2h/ V1 cos ic (3.7) Nella (3.7) le grandezze da conoscere sono: la potenza h, le velocità V1 e V2 e l’angolo ic. Le velocità V1 e V2 sono i reciproci dei coefficienti angolari delle due dromocrome, e l’angolo ic = arcsen V1/V2. Lo spessore può essere calcolato come: Nel primo caso lo si fa utilizzando t0 che è la proiezione sull'asse dei tempi della retta relativa alla V2 . Nel secondo caso lo si fa utilizzando la xc che è la proiezione sull'asse delle distanze del punto gomito. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

Strumenti di campagna nella sismica a rifrazione L’equipaggiamento e la strumentazione per la sismica a rifrazione non sono molto diverse da quelle della sismica a riflessione. Le differenze consistono essenzialmente nelle distanze, notevolmente maggiori, dei geofoni dal punto di scoppio, il che implica forti cariche, molto maggiori che nella sismica a riflessione. Gli esplosivi sono la sorgente predominante ma non esclusiva. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Un’altra differenza sta nella frequenza propria dei geofoni: quella dei geofoni a rifrazione è più bassa in quanto più basse sono le frequenze delle vibrazioni del suolo (essendo quelle più alte assorbite a mano a mano che aumenta la distanza). PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

Riduzione dei dati e sezioni interpretative I dati vengono corretti in modo da riferirli ad una unica superficie di livello. Per calcolare la profondità si utilizzano spesso, soltanto i primi impulsi, perché consentono una più precisa misura dei tempi di arrivo ai geofoni. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Le onde rifratte si individuano più facilmente delle riflesse e si distinguono da queste perché le riflesse hanno un andamento ad iperbole, mentre le dirette e le rifratte danno luogo ad segmenti rettilinei (vedi Fig.). Le dirette e le rifratte arrivano ai geofoni prima delle riflesse (riferendoci naturalmente allo stesso orizzonte e agli stessi geofoni). PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Vari sono i metodi per determinare la profondità al di sotto del punto di scoppio, misurate secondo la verticale per questi. Per quanto riguarda la velocità, questa viene ricavata immediatamente dalle dromocrome, se il target è orizzontale. Se è inclinato si ricavano invece solo velocità apparenti, per cui occorre eseguire i profili coniugati con energizzazioni agli estremi della linea di geofoni. L’elaborazione analitica è più complessa ma rispetta comunque le leggi che sono state illustrate solo per il caso di rifrattore orizzontale. PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

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