CENNI SUI METODI ELETTROMAGNETICI Cap. 6 CENNI SUI METODI ELETTROMAGNETICI PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Generalità La maggior parte dei metodi di rilevamento elettromagnetici (EM) viene usata per bersagli simili a quelli dei rilevamenti di resistività, perché entrambi reagiscono a variazioni della resistività (o della conducibilità) del sottosuolo. La differenza principale è che i metodi EM «inducono» flussi di corrente nel sottosuolo, di solito senza usare elettrodi. Molti metodi EM possono quindi essere usati in rilevamenti sia da aerei sia a terra. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) I metodi EM sono particolarmente utili in rilevamenti del terreno quando lo strato superficiale ha resistività molto alta - come la sabbia asciutta o il terreno gelato - che impedisce agli elettrodi di stabilire il collegamento elettrico con strati sottostanti più conduttori. Al contrario, uno strato superficiale molto conduttore limita la penetrazione molto di più ai rilevamenti e-m che a quelli di resistività. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

Concetti fondamentali Induzione elettromagnetica I metodi elettromagnetici (EM) si usano, come quelli di resistività, prevalentemente per studiare le variazioni della resistività sotterranea, ma si basano su principi fisici diversi, il più importante dei quali è l'induzione elettromagnetica. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) La Figura (a ) mostra schematicamente un sistema EM. Una bobina (con molti avvolgimenti) forma un trasmettitore a cui un alimentatore porta corrente alternata. Ciò produce attorno a essa un campo magnetico - il campo primario - sia sopra sia sotto il terreno e anche attraverso il corpo bersaglio. Poiché il campo primario si alterna - cioè, inverte la direzione con regolarità e uniformità (Fig. b) - produce nel bersaglio un campo magnetico che cambia nello stesso modo PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Quando un campo magnetico passante per un conduttore elettrico (come un corpo mineralizzato) cambia, provoca, o induce, una corrente alternata che scorre nel conduttore. A sua volta, questa corrente indotta produce il proprio campo magnetico alternato - il campo secondario - che può essere scoperto in superficie, rivelando così la presenza del minerale. Di solito questo campo secondario viene rivelato dalla corrente che induce in una bobina ricevente. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Quindi, un modo per trovare il bersaglio è quello di fare traverse in superficie con le due bobine (trasmittente e ricevente): quando sono vicine al bersaglio, il ricevitore mostra un segnale dovuto alla corrente indottavi dal campo del bersaglio stesso. Nel rilevamento EM si sfrutta la conducibilità anziché la resistività. La conducibilità σ è semplicemente il reciproco della resistività, σ = 1/ρ, e si misura in siemens/m (S/m). PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

Fattori che incidono sul segnale Per interpretare i risultati di un rilevamento EM, occorre sapere in che modo il segnale nel ricevitore dipende dal materiale, dalla forma e dalla profondità del corpo bersaglio e dalla posizione delle bobine trasmittente e ricevente, che corrispondono approssimativamente al ruolo degli elettrodi di corrente e di potenziale nel rilevamento di resistività. Per semplificare, facciamo conto che il bersaglio sia un circuito ad anello. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) La dimensione della corrente indottavi dal campo del trasmettitore, in ogni istante, dipende da: 1) - il numero di linee del campo magnetico che attraversa il circuito, 2) - la velocità di cambiamento di questo numero; 3) - il materiale del circuito. Maggiore è la conducibilità di questo, più forte è la corrente, il che spiega perché il metodo si usi per scoprire corpi conduttori. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Il numero di linee che attraversa il circuito è detto flusso magnetico e dipende da: - la forza del campo magnetico nel circuito (Fig. a); - l'area del circuito (Fig. b); - l'angolo che fa il circuito con il campo (Fig. c). PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

Equazioni per l’induzione EM Occorre spiegare che cosa determina la corrente indotta nel bersaglio e quindi quale segnale produce. Primo, sostituiremo il bersaglio con un circuito che è più facile da definire (vedi Fig). Il numero di linee del campo prodotto dal trasmettitore che passano attraverso la bobina bersaglio è il flusso magnetico Φ. Esso dipende (come già visto) dal campo magnetico, dall'angolo che fa con la bobina e dall'area della bobina, nonché dal numero di spire dell’avvolgimento: Φ = campo magn. x cos θ x area x num. spire PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Quando il flusso che attraversa la bobina cambia, produce una tensione (differenza di potenziale) nel circuito, detta forza elettromotrice (f.e.m.), ε. Il suo valore è uguale alla velocità di cambiamento del flusso: ε = - (d Φ/ dt) PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

Legge di Faraday dell'induzione elettromagnetica Siccome la velocità di cambiamento del flusso è massima quando il campo sta cambiando da diretto a invertito, o viceversa (vedi fig.), la corrente indotta è massima quando la corrente e il campo del trasmettitore sono uguali a zero, e viceversa. La velocità del cambiamento aumenta con la frequenza dell'alternanza della corrente. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Questa f.e.m. indotta tende a far scorrere la corrente nel circuito ma, la corrente mentre si alterna produce un flusso variabile che a sua volta produce una f.e.m. che tende far diminuire la velocità di cambiamento della corrente. Questa autoinduzione agisce come una resistenza ed aumenta con la frequenza. La quantità di flusso autoprodotto dal bersaglio dipende dalla corrente ma anche dalla geometria, dimensione e forma. Il rapporto tra flusso e corrente è detto autoinduttanza. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Riassumendo: Il campo che attraversa il circuito generato dal trasmettitore dipende dalla dimensione e dal numero di spire della bobina trasmittente, da quanta corrente scorre e anche da quanto è distante dal bersaglio. Il campo che attraversa il ricevitore, dovuto alla corrente indotta nel bersaglio, dipende da quanti spire ha e da quanto dista dallo stesso. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Di questi svariati fattori alcuni dipendono dallo strumento - la combinazione: trasmettitore, ricevitore e loro distanza - e alcuni dal bersaglio - la sua dimensione, la sua forma, la sua profondità e la sua conducibilità. Più profondo e piccolo è il bersaglio, più è debole il campo magnetico che produce al ricevitore e, se è tabulare, la sua orientazione ne influenzerà il flusso. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Per scoprire bersagli deboli si può rendere più potente il trasmettitore (per es. una bobina o una corrente più grandi) e più sensibile il ricevitore (per es., più avvolgimenti), ma ci sono limitazioni pratiche di dimensione e di peso. Si può far alternare più rapidamente la corrente del trasmettitore per aumentare la velocità di variazione del flusso, ma ciò può limitare la penetrazione del segnaIe magnetico. Le frequenze del ciclo vanno da centinaia a decine di migliaia di hertz (cicli/s). Molti di questi fattori vengono scelti dal produttore dello strumento altri da chi lo utilizza (distanza tra trasmettitore e ricevitore, frequenza o entrambe). PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Un sistema EM Sistema mobile trasmittente/ricevente (Slingram) Nel rilevamento EM si usano molti tipi di strumenti con diverse varianti per ognuno di essi: ne descriviamo solo uno. Il tipo di strumento noto spesso col nome svedese Slingram presenta la disposizione che si vede in figura; ha il ricevitore e il trasmettitore collegati con un cavo e la distanza tra di loro viene mantenuta costante mentre vengono mossi assieme lungo una traversa. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Come mostra la Figura, il campo magnetico del trasmettitore attraversa il ricevitore (e anche il bersaglio), per cui il campo magnetico al ricevitore ha due origini: il campo primario del trasmettitore e quello secondario prodotto dal bersaglio, di solito di gran lunga il più piccolo dei due. Per annullare la corrente indotta dal campo primario, il cavo proveniente dal trasmettitore fornisce al ricevitore una corrente che neutralizza la corrente indotta. L'annullamento è esatto soltanto se le bobine trasmittente e ricevente sono tenute alla stessa distanza e con lo stesso orientamento. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Negli strumenti più piccoli di questo tipo le bobine trasmittente e ricevitore sono tenute da una struttura rigida (vedi Fig. a, b). In strumenti grandi, con le bobine a distanza di 10 m o più, questa soluzione non è tanto pratica e le bobine debbono essere posizionate con cura in ogni stazione (Fig. c). PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

Prospezione elettromagnetica Conduttivimetro EM34 PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) La dimensione del campo secondario viene data di solito come percentuale del campo primario. In alternativa, alcuni strumenti sono tarati in modo da leggere la conducibilità apparente, cioè la conducibilità che avrebbe un sottosuolo uniforme che desse la stessa lettura (è l'inverso della resistività apparente). PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Se il bersaglio è costituito da una lastra sottile verticale, come, per esempio, una vena di minerale, la sua anomalia è come nella Fig.a. Non vi è segnale quando il trasmettitore è direttamente sopra il bersaglio (Fig. b), perché il suo campo magnetico non lo attraversa da un lato all'altro (cioè non vi è flusso attraverso la bobina), (e neppure quando il ricevitore è sopra un corpo tabulare, dato che il campo secondario, essendo orizzontale, non passa per il ricevitore stesso). Il segnale è massimo quando è il punto mediano delle bobine a trovarsi al di sopra del bersaglio (Fig. c): esso è negativo perché il campo primario e quello secondario che attraversano il ricevitore hanno direzioni opposte ad ogni istante. Se la lastra è inclinata, il profilo è asimme­trico (Fig. e). PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Perché lo strumento sia sensibile a bersagli più profondi, si aumentano sia la distanza tra le bobine sia la corrente del trasmettitore (può essere necessario anche ridurre la frequenza). Ripetendo il profilo su un intervallo di distanze delle bobine, è possibile scoprire variazioni di conducibilità, sia verticalmente sia lateralmente, e si può tracciare una pseudosezione, come nei rilevamenti di resistività. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Non essendo collegate al terreno, le bobine possono essere usate in rilevamenti dall'aereo (o montate alle estremità delle ali) o con il trasmettitore e il ricevitore trasportati in un « uccello» appeso sotto un elicottero. Questo procedimento offre numerosi vantaggi, come la velocità e il basso costo di esecuzione del rilevamento, in particolare quando si devono coprire aree grandi e accidentate, e la possibilità di fare contemporaneamente e allo stesso costo altri rilevamenti aerei come quelli magnetici e radiometrici. La riduzione di segnale dovuta alla distanza in più può essere parzialmente compensata usando bobine e correnti grandi. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

ESECUZIONE DELLE INDAGINI EM Analogamente a quanto visto per la geoelettrica lo studio può essere condotto attraverso: profili EM sondaggi EM. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Il profilo EM serve per investigare la variazione della conducibilità nella direzione orizzontale (a spessore pressoché costante) con lo scopo di localizzare conduttori, inomogeneità nella resistività e nella costruzione di mappe geologiche. Le misure vengono effettuate lungo il profilo a intervalli regolari in cui la sorgente può rimanere fissa oppure muoversi con il ricevitore. Ciò porterà a ottenere anomalie che morfologicamente sono diverse ma che sono interpretabili in modo coerente. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Profondità di indagine In teoria il campo EM dovrebbe essere presente a tutte le profondità con valori che diventano sempre più piccoli, in pratica la profondità di investigazione dipende da diversi fattori: noise, intensità del segnale, frequenza, sensibilità e precisione dello strumento. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) La stima della profondità raggiungibile con metodi EM nel dominio della frequenza può essere fatta sulla base della “skin depth” data dalla relazione: fd = 2 /  0  per un semispazio omogeneo, e con  conducibilità elettrica, 0 permeabilità magnetica e  frequenza. Se si considerano  e 0 indipendenti da , la skin depth è definita come la profondità alla quale la componente magnetica è ridotta di 1/e (o del 37%) rispetto al valore in superficie. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

GENERALITA’ SULLA RIFLESSIONE RADAR Il metodo di prospezione superficiale denominato GEORADAR è un sistema di indagine basato sulla propagazione e riflessione di onde elettromagnetiche nel sottosuolo. Dal punto di vista concettuale esso è molto semplice è può essere accostato alla riflessione sismica (Fig. 6.8). PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Il segnale trasmesso nel terreno, della durata di 2-3-ns, è costituito da un impulso la cui frequenza centrale può variare da 10 MHz fino a 1000 MHz circa. Il segnale, nella sua propagazione nel sottosuolo, viene riflesso dalle superfici di discontinuità presenti e successivamente registrato in forma analogica o digitale, dopo un campionamento di bassa frequenza e restituito sotto forma di variable area wiggle o scan line (Fig. 6.9). PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRINCIPI FISICI FONDAMENTALI Velocità di propagazione Le proprietà elettromagnetiche dei materiali sono strettamente relazionate alla loro composizione e al contenuto in acqua. Ambedue questi fattori dominano la velocità di propagazione e l’attenuazione delle onde EM nei mezzi naturali. In questo contesto la velocità è relazionata a quella del vuoto (c) modificata principalmente dalla costante dielettrica () relativa. In materiali con basso assorbimento di segnale la velocità può essere cosi espressa: V = c / r La velocità di propagazione delle onde EM in diversi mezzi è riportata in Tab. 6.1. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Attenuazione del segnale Dagli algoritmi che regolano la propagazione degli impulsi elettromagnetici nel sottosuolo si evince che il segnale subisce una attenuazione funzione della frequenza (Tab. 6.2). In termini di perdita o più correttamente di assorbimento del segnale altri fattori entrano in gioco, come si può osservare nello schema di Fig. 6.10. La penetrazione, pertanto, sarà tanto maggiore quanto più bassa è la frequenza del segnale solo e soltanto a parità a parità delle caratteristiche fisiche del mezzo. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Coefficiente di riflessione Le riflessioni dell'impulso EM si verificano sia in corrispondenza di variazioni litologiche che in corrispondenza delle caratteristiche fisico-chimiche delle stesse strutture. Per poter osservare una riflessione devono crearsi le condizioni di contrasto che potremmo definire come impedenza EM per analogia a quanto avviene nella riflessione sismica. In questo caso l’impedenza sarà data da Z = r. Il potere risolutivo del sistema è funzione della lunghezza d'onda del segnale. Si ammette, in particolare, che possano essere distinti due orizzonti la cui distanza sia dell'ordine della metà della lunghezza d'onda del segnale. Pertanto a parità di velocità di propagazione, la risoluzione sarà tanto maggiore quanto minore è la lunghezza d'onda e perciò quanto maggiore è la frequenza. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

CENNI SULLA STRUMENTAZIONE Le apparecchiature attualmente in commercio consentono di filtrare il segnale in ricezione dopo il campionamento in bassa frequenza. Ciò permette da un lato di eliminare i disturbi ad alta frequenza e dall'altro di evidenziare segnali relativi a strutture profonde rispetto a quelle più superficiali. Infatti nelle prime, a causa dell'assorbimento differenziale con la frequenza, prevarranno le basse frequenze nelle seconde sarà presente un maggior contenuto in alta frequenza. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

Prospezione elettromagnetica Georadar (GPR) Approximate Depth with GSSI Antenna 1.5 GHz to 18" 900 MHz to 3' 400 MHz to 10' 200 MHz to 25' 100 MHz to 50' lower frequencies available PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) The SIR System-10B is a versatile, multi-channel, digital GPR system.

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) La frequenza centrale degli impulsi, e di conseguenza il tipo di antenne, deve essere scelta in base all'obiettivo dell'indagine considerando che il potere risolutivo sarà tanto maggiore quanto più la frequenza è elevata e che la profondità di investigazione aumenterà con il diminuire di essa. Inoltre il potere risolutivo varia con la resistività dei materiali e la profondità di investigazione. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PROFONDITA’ DI INVESTIGAZIONE E INTERPRETAZIONE La profondità di investigazione del sistema dipende dalla conducibilità elettrica e dal contenuto in acqua degli strati. Generalmente la profondità di penetrazione risulta compresa tra 3-10 m, ma prospezioni fino a 20 m sono possibili in condizioni ideali. L'evoluzione dell'apparecchiatura, soprattutto per quanto attiene l'efficacia delle antenne sta spostando il limite d'indagine verso profondità maggiori. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Pur trattandosi di segnali EM, i criteri di approccio all'elaborazione del segnale sono del tutto simili a quelli della sismica di prospezione. Anche il prodotto finale: la sezione georadar, presenta caratteristiche simili a quella sismica e quindi l'interpretazione utilizza praticamente gli stessi criteri di valutazione. Fermo restando però che le proprietà fisiche in gioco sono di natura diversa. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche) Molti aspetti del successo di questo tipo di indagine sono legate anche all’enorme progresso compiuto nel trattamento del segnale. Questo fatto assieme alla possibilità di applicare approcci CDP forniscono immagine del sottosuolo dove la risoluzione e la correlazione sono comparabili se non superiori a quelle derivate dalla sismica ad alta risoluzione. PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)

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