ALTRI SISTEMI PER LA GEOFISICA APPLICATA Il nostro gruppo ha inoltre a disposizione per eventualmente integrare le prospezioni sismiche:  Side Scan Sonar- GeoAcoustics a doppia frequenza 110-410 KHz; Side Scan Sonar EG&G frequenza 100-500 KHz. Magnetometro marino a precessione protonica GEOMETRICS 866+856AX Gradiometro magnetico Marine Magnetics SEAQUEST

Morfologia e costituzione dei fondali: Side Scan Sonar (GeoAcustics Ltd) doppia frequenza (110-410 KHz) Sensore o "tow-fish" che viene trainato dall’ imbarcazione e l’unità di controllo. L’immagine del fondale può essere osservata o su uno schermo oppure su un supporto di carta. Massima profondità d’indagine di 1000 metri.

RILIEVI MAGNETICI con Magnetometro marino a protoni Geometrics 856AX-866 Sistema Magnetometro a protoni marino costituito da: [1] Consolle di misura Geometrics G856AX [2] Bobina di collegamento tra il Sensore con cavo marino da 60 mt [3] Sensore Marino Geometrics G866AX

Gradiometro Magnetico SEA QUEST in grado di rilevare lievi anomalie magnetiche naturali ed artificiali causate da :residuati,oggetti,sostanze sui fondali.

Le configurazioni possibili di Sea Quest

IL GRADIOMETRO MAGNETICO IN FASE DI ACQUISIZIONE DATI SEA QUEST –GRADIOMETRO MAGNETICO

Pilotina Benetau 7,60”LIGAM” Laboratorio di Indagini Geofisiche in Ambiente Marino In cantiere durante la fase di attrezzaggio del laboratorio di bordo

Ed in mare pronta all’ esecuzione di una campagna costiera

Unità operativa

F.Giordano-Geofisica marina e trattamento dei segnali

1.1- METODI ELETTROACUSTICI L’ esplorazione dei fondali marini e delle strutture geologiche è una delle principali attività geofisiche svolte da alcuni decenni sia per ricerche di tipo speculativo sia per ricerche finalizzate alla individuazione di giacimenti petroliferi. Il rilievo batimetrico ad alta risoluzione ed a gran dettaglio è stato attuato soltanto quando sono stati resi disponibili per gli oceanografi gli apparati elettroacustici realizzati inizialmente per scopi militari. Più recenti, invece, sono le applicazioni dei metodi elettroacustici all’archeologia subacquea, tali metodi hanno il vantaggio di ricoprire un'ampia area (sistemi sonar per lo studio dei fondali, trattati nella sezione 2.2), di essere non invasivi e di fornire anche informazioni su eventuali reperti sommersi (sistemi sparker per lo studio dei sub-fondali, trattati nella sezione 2.3).

2.1. Introduzione all’elettroacustica subacquea 2.1.1. Il suono in acqua Il suono è un'agitazione del mezzo prodotta e propagata da vibrazioni delle particelle di cui il mezzo stesso è composto. Dal punto di vista meccanico può essere considerata come il trasferimento del movimento di una molecola alla successiva attraverso i loro legami elastici: l’esistenza di un mezzo materiale elastico è il presupposto per la propagazione del suono: nel vuoto, infatti ove non esiste materia l'energia acustica non può propagarsi. Una forza applicata ad un elemento del volume di un fluido determina un'accelerazione ed una tensione nell’elemento stesso che dipendono dal valore della forza applicata e dalle proprietà elastiche del mezzo: l’energia totale impegnata nel fenomeno è la somma dell'energia cinetica del movimento delle particelle e dell'energia potenziale della tensione interna.

Un corpo vibrante come un diaframma (Figura 2. 1 Un corpo vibrante come un diaframma (Figura 2.1.a) crea, in successioni spaziali e temporali, regioni di compressione e di rarefazione dovute rispettivamente al moto in avanti e all'indietro della lamina. Nella prima regione si determina una sovra-pressione, mentre nella seconda una depressione, queste variazioni vanno riferite al valore che la pressione aveva in ognuna di queste regioni prima che la lamina entrasse in vibrazione.

Lo spostamento alternativo delle molecole durante i cicli di compressione e rarefazione, si manifesta nella stessa direzione lungo la quale si propaga l'energia: la vibrazione si propagherà perciò per onde longitudinali e con velocità finita in quanto esiste un certo ritardo nello spostamento delle particelle presenti in un punto del mezzo rispetto a quelle che le precedono (Figura 2.1.b). La velocità di propagazione della onda lega la rappresentazione dei fenomeni nel tempo (fissato il punto di osservazione come in un fìlm) a quella nello spazio (fissato il tempo come in una foto). Nella rappresentazione temporale la distanza fra due punti dell'onda sinusoidale che hanno una differenza di fase pari a T è il periodo (Figura 2.1.c), e ovviamente nella scala dello spazio la stessa distanza corrisponde alla lunghezza d'onda ; il rapporto fra la lunghezza d'onda ed il periodo è il valore Figura 2.1 ‑ a) propagazione delle onde da un diaframma vibrante; b) onde longitudinali in un fluido e onde composite in un solido; c) propagazione dell'onda: ampiezza e periodo.

Indicando con f a frequenza dell’onda, cioè il numero delle oscillazioni contenute in un secondo che corrisponde all’inverso del periodo, la velocità di propagazione può essere quindi espressa dalla formula: Al meccanismo della propagazione sono associate due diverse velocità; una è la velocità dipendente dall'intensità della pressione agente con la quale le particelle del mezzo elastico oscillano intorno alla posizione di riposo, e l'altra è la velocità con la quale l'energia sonora si propaga nel mezzo. La velocità di propagazione dell'energia dipende strettamente dalla natura del mezzo sia esso liquido o solido. Infatti nei liquidi è:

Considerando che la velocità di propagazione del suono nell' acqua è circa 1500 m/s, abbiamo che per f =1 Hz, la lunghezza d' onda è 1500 metri, mentre per f=200KHz essa è 0.75 cm. La maggior parte dei Sonar lavora tra i 10 ed i 100 KHz e poiché l' attenuazione dei segnali nei mezzi elastici dissipativi aumenta all' aumentare della frequenza, i Sonar a bassa frequenza sono quelli che raggiungono profondità maggiori. Il SONAR è lo strumento che viene utilizzato per le operazioni di batimetria in quanto rivela e misura la posizione del fondale rispetto alla posizione del suo trasduttore (che trasforma il pacchetto d' onda elettrico in una pacchetto d' onda in pressione e viceversa).

La velocità di propagazione dell'energia dipende strettamente dalla natura del mezzo sia esso liquido o solido. Infatti nei liquidi è: dove n = velocità delle onde di compressione nell’acqua. B = modulo di compressione del liquido o di elasticità di volume. r = densità ovvero il rapporto massa/volume. Le onde che si propagano nei liquidi ed in particolare nell'acqua sono di tipo compressionale, essendo zero la loro elasticità alle sollecitazioni trasversali.

Le onde che si propagano nei liquidi ed in particolare nell'acqua sono di tipo compressionale, essendo zero la loro elasticità alle sollecitazioni trasversali. In un mezzo reale lungo il percorso l'onda acustica subisce una progressiva riduzione di intensità in quanto parte della energia viene convertita in calore, che è definita “perdita per assorbimento”. Ciò accade perché la velocità dipende dalle caratteristiche del mezzo attraverso il quale viaggia l'onda acustica; in mare questa riduzione di energia cresce approssimativamente con il quadrato della frequenza ed è determinata dallo stato fisico del mezzo e dalla sua particolare composizione chimica (Figura 2.2). Figura 2.2 - Influenza della temperatura e della salinità sulla velocità dell'onda sonora in mare.

Infatti la velocità di propagazione delle onde acustiche in mare dipende dalla salinità, dalla temperatura (Figura 2.3) e dalla pressione.

2.2. Metodi e strumenti elettroacustici per l’esplorazione dei fondali Dagli anni 20 in poi si sono impiegati i SONAR (Sound Navigation And Ranging), realizzati per l'individuazione di sommergibili, per la rivelazione di branchi di pesci e per la determinazione della posizione dei fondali marini. Le frequenze acustiche di interesse in oceanografia sono comprese tra 1 Hz (una oscillazione al secondo) a centinaia di Kilohertz. Come già detto nel paragrafo precedente la frequenza di oscillazione f e la velocità di propagazione dell’ onda sono legate dalla relazione: dove è la lunghezza d' onda.

Esso periodicamente invia un pacchetto d' onda verso il fondale, il segnale riflesso dal fondale stesso, è ricevuto al tempo t, per cui la profondità del fondale risulta essere z =(v * t)/2 ove v è la velocità media di propagazione del suono nell’acqua. Negli strati superficiali la temperatura varia molto e quindi rappresenta il fattore predominante, invece la salinità ha importanza alle latitudini ove la temperatura è bassa e quasi uniforme. Quando non sono disponibili i valori della velocità alle varie profondità è sempre possibile, utilizzando dei bersagli artificiali a profondità nota, ricavare una curva di taratura. I trasduttori degli ecoscandagli devono essere immersi nell' acqua.

Quando non sono disponibili i valori della velocità alle varie profondità è sempre possibile, utilizzando dei bersagli artificiali a profondità nota, ricavare una curva di taratura. I trasduttori degli ecoscandagli devono essere immersi nell' acqua. Il rapporto tra la velocità del suono nell' acqua e nell' aria è circa 4.5, e questo sembrerebbe il motivo per cui pochissima energia sonora prodotta in aria riesce a penetrare sott'acqua, al contrario di quanto accade per l’energia luminosa che passa facilmente dall'aria all'acqua.In realtà per il suono bisogna considerare il coefficiente di riflessione r tra i due mezzi, inteso come perturbazione di pressione proveniente dall’aria che risulta essere pari a: r = (Zacqua- Zaria)/(Zacqua+Zaria) Le Z sono le impedenze acustiche, cioè il prodotto della densità per la velocità di propagazione del suono nel mezzo, sia esso acqua o aria.

Si ha che Quindi nel caso di un suono proveniente dall’aria, essendo la velocità del suono nell'aria 330 m/s ed essendo la densità dell’aria, in condizioni normali 1.2 Kg/m3, abbiamo: r = (15x10 5 - 400)/(15 x l05 + 400) ≈1 in tal caso il suono viene totalmente riflesso e non penetra in acqua. Se la perturbazione perviene all’ interfaccia acqua-aria, si verifica r=-1, quindi riflessione con cambiamento di fase.

Anche la precisione della localizzazione dei punti di scandaglio ha raggiunto una ottima accuratezza. Al posizionamento astronomico, eseguito con il sestante, è seguito quello radioelettronico a lungo range (Loran C .etc), quello a corto range (come Motorola, Microfix etc.) ed infine quello satellitare (G.P.S.: GIobal Positioning System). Quest' ultimo ha determinato un grande passo avanti poiché è un sistema a copertura spazio-temporale, quasi totale, realizzando una precisione sub-metrica della posizione geografica

II classico ecoscandaglio o Sonar (Sound Navigation and Ranging) è stato affiancato da un nuovo strumento gestito da computer : il Multibeam. Quest’ ultimo è praticamente un sonar a grande apertura di fascio (l’angolo di apertura del fascio emettitore è di 50°- 55° contro i 6°-11° dei normali ecoscandagli) in modo da poter coprire in ogni ciclo di misura una striscia di fondale abbastanza larga e trasversale alla navigazione, in ricezione riceve su fasci multipli di piccola apertura (2°). Questa prerogativa permette due realizzazioni importanti: la velocità di esplorazione di una area e la sua copertura totale, obiettivo questo molto dispendioso da raggiungere con il sonar. Con il Multibeam la ricostruzione del fondale procede in tempo reale con la prospezione ed è realizzata con ottimo dettaglio, la carta batimetrica è disponibile subito dopo con l' affiancamento delle varie strisce di fondale. Piccole asperità del fondale non

Per quanto attiene il potere risolutivo[1] di questi strumenti acustici, il massimo teorico è legato alla lunghezza d' onda l, corrispondente alla frequenza di lavoro dello strumento: [1] Per potere risolutivo di un sistema sonar, si intende la minima distanza che hanno due "bersagli " per essere individuati singolarmente.

All' incertezza sulla posizione del fondale e della sua morfologia concorrono: l’incertezza sul valore dalla velocità ed inoltre il fattore che ad un angolo solido W (espresso in radianti) di apertura del fascio che risulta essere uguale al rapporto tra la lunghezza d' onda ed il diametro del trasduttore, alla profondità h, l'eco riflessa dal fondale è relativa ad un’ area dello stesso approssimativamente pari a pR2 con R Quindi il segnale riflesso è da intendere come risposta dovuta alla energia rinviata dall' area predetta, quindi una sorta di media areale. In sede di restituzione dei dati e di determinazione della profondità è necessario tenere conto dell' azione combinata delle maree, delle correnti, del vento e della morfologia del fondo e della costa eventualmente presente.

La determinazione della marea astronomica, legata alla posizione della Luna e del Sole rispetto alla Terra è prevedibile, essendo perfettamente periodica, tramite il calcolo previsionale utilizzando le "Tavole di Marea'', è esauriente quando ci si trova in situazioni meteo-marine e morfologiche estremamente favorevoli. Vero è che le operazioni batimetriche di precisione normalmente si svolgono in situazioni di questo genere, ma comunque il livello marino può essere alterato di alcuni centimetri per l’ azione di correnti, del vento e dalla morfologia della costa.

E' necessario quindi, per ridurre l’indeterminazione sulla posizione del fondale, disporre di un mareografo in posizione vicina alla costa per poter registrare le variazioni di altezza della colonna d' acqua nel periodo delle operazioni.

Il sistema di rilievo della morfologia del fondale è il Side Scan Sonar o Sonar a fascio laterale. Questo è uno apparato Sonar panoramico avente un grande angolo di apertura prossimo ai 180°, in grado di fornire una restituzione grafica simile ad una foto aerea la cui "lettura" va fatta considerando che le zone che appaiono "chiare" sono quelle che hanno restituito energia acustica riflessa e che quindi corrispondono alle asperità. Un processore di segnale corregge gli 'errori' connessi con il tipo di ripresa del fondale.

Con queste metodologie è stato possibile individuare sia i Sea-Mount, cioè i rilievi accentuati ed isolati presenti sui fondali oceanici, sia piccole asperità di 1-2 metri che sono presenti su fondali piatti di anche 100 km di estensione. Incrementando l’energia delle sorgenti degli strumenti elettroacustici ed abbassando la frequenza del segnale trasmesso si riesce a realizzare la sua penetrazione al di sotto del fondale anche se la risoluzione in questo modo risulta minore.

Considerando che la deposizione dei materiali sui fondali è estremamente lenta e che è dello ordine di 0.1-10 mm in 1000 anni, una carota di perforazione della lunghezza di 1 metro contiene informazioni relative ad un periodo compreso tra 100.000 anni e 10 milioni di anni. Quindi una carota contiene informazioni che possono indicare l’avvenimento di eruzioni vulcaniche, di sedimentazioni sotto l' azione di correnti marine anche fluttuanti.

2.2.1. Il Sonar Single Beam A Daniel Colladon (fisico svizzero)si devono i primi esperimenti sulla propagazione del suono in acqua. Egli misurò per primo (nel 1826) la velocità del suono, trovando per le acque del lago di Ginevra alla temperatura di 0°C il valore di 1435 m/s, con uin errore dello 0,219 rispetto al valore oggi accettato di 1438 m/s. Il SONAR a fascio singolo o single beam misura il tempo di andata e ritorno di un segnale acustico tra il suo trasmettitore-ricevente (trasduttore che ha la funzione di trasmettitore e ricevitore in tempi differenti) ed un bersaglio che è quasi sempre il fondale marino. La profondità del fondale è pari alla metà del prodotto tra il tempo impiegato per la velocità:

In 1826, Jean-Daniel Colladen, a Swiss physicist/engineer and Charles-Francois Sturm, a mathematician, used an underwater bell in an attempt to calculate the speed of sound in the waters of Lake Geneva, Switzerland . In his experiment an underwater bell was struck simultaneously with ignition of gunpowder. The flash from the ignition was observed 10 miles away and compared with the arrival of the sound from the bell underwater heard through a trumpet-like device in the water. In spite of these crude instruments, they managed to determine that the speed of sound under water was 1435 metres/second, a figure not too different from what is known today.

Il SONAR a fascio singolo o single beam misura il tempo di andata e ritorno di un segnale acustico tra il suo trasmettitore-ricevente (trasduttore che ha la funzione di trasmettitore e ricevitore in tempi differenti) ed un bersaglio che è quasi sempre il fondale marino. La profondità del fondale è pari alla metà del prodotto tra il tempo impiegato per la velocità:

La profondità del fondale è pari alla metà del prodotto tra il tempo impiegato per la velocità: Dove è il tempo di andata e ritorno impiegato dal segnale e è la velocità di propagazione dello stesso nell’acqua. Per la profondità del fondale rispetto alla superficie dell’acqua z’ è necessario considerare se il trasduttore, che opera da trasmettitore e da ricevitore, è immerso di Dz (Figura 2.4): Figura 2.4 - Posizione del trasduttore. La profondità del fondale rispetto alla superficie della acqua è z’, è necessario infatti che il trasduttore è immerso (Dz).

Spettro di frequenza degli apparati elettroacustici subacquei

Figura 2.6 - Tre tipologie di CONSOLLE DI COMANDO di SONAR, da sinistra: SIMRAD EAP300, ecografo di alta classe, con stampante grafica dell’ andamento del fondale, frequenza di lavoro 100-200KHz, per grandi profondità (fino 1000 metri). Al centro: Raython 300 MZ, ecografo con stampante termica, 200 KHz , 300 metri di profondità. Infine, l’ ultimo a destra è un SONAR digitale SONARLITE che fornisce al PC collegato i dati di profondità senza visualizzazione dell’andamento del fondale.

Figura 2.8 - Trasmissione dell'impulso in un sistema sonar; a) struttura di un sistema sonar; b) forma dell’impulso trasmesso e del segnale eco visualizzalo sul display (da E.J.W Jones,1999)

Con il sonar la copertura totale di un’area è estremamente difficile e dispendiosa da raggiungere: per realizzarla è preferibile usare il Multibeam. Il potere risolutivo di un’onda acustica, inteso come la distanza minima tra due bersagli (oggetti acusticamente riflettenti) visibili distintamente, è dell’ordine di grandezza della lunghezza d’onda. Risulta importante, quindi la scelta della frequenza di lavoro in funzione delle dimensioni degli oggetti da rilevare. Se f = 1500 Hz, frequenza di lavoro del sonar, abbiamo, essendo n=1500 m/s ed 1 Hz = 1 secondo-1: lunghezza d’onda = Se f = 50.000 Hz , ovviamente d = 0.1m e così via. Altro fattore importante per il potere risolutivo è la larghezza del fascio d’onda emesso dal sonar. Un fascio conico stretto è l’ideale per fondali bassi ed uniformi,un fascio largo tende a fornire una informazione media sull’area illuminata (Figura 2.9).

Il segnale riflesso da un fondale inclinato può non essere captato dal ricevitore che coincide con il trasmettitore (a fascio stretto). (figura 2.10) Il sonar a fascio largo può captare echi laterali dovuti a bersagli non importanti.Il sonar è impiegato per la raccolta dei dati di profondità per la realizzazione di mappe dei fondali. Queste ultime sono costruite a partire da una serie di dati di profondità che vengono gestiti da opportuni programmi, che possono produrre carte batimetriche con isolinee di uguale profondità, ovvero carte tridimensionali. Il potere risolutivo dipende anche dalla larghezza del fascio emesso dal sonar (da E.J.W Jones,1999). Nel caso di fascio largo l’informazione fornita sarà relativa ad un’area di fondale maggiore quindi sarà meno dettagliatA.

Figura 2.10 - Esempio di registrazioni ottenute con un fascio largo ed un fascio stretto (da E.J.W Jones,1999).

LABORATORIO: VISITA/ACCESSO ALLO STRUMENTO RILIEVO BATIMETRICO PIANO DI NAVIGAZIONE ACQUISIZIONE DATI RESTITUZIONE CARTA BATIMETRICA