Metodi e strumenti elettroacustici per l’esplorazione sismica dei sottofondali – SISMICA A RIFLESSIONE Come già considerato per il SONAR, se trasmettiamo un segnale sonoro in modo che venga riflesso dal fondale marino e misuriamo il tempo impiegato dall’onda sonora per ritornare fino a noi, possiamo calcolare la profondità del fondale stesso, ammesso di conoscere la velocità di propagazione nell’acqua delle onde sonore. Se usiamo una sorgente sonora potente e una frequenza bassa, parte dell’energia penetra nel fondo ed è riflessa dal limite tra uno strato di sedimento ed un altro. Su questo principio si basa il metodo del profilo sismico marino, sviluppato originariamente dagli oceanografi ed in seguito perfezionato per le ricerche petrolifere.

Un profilo sismico assomiglia ad un profilo geologico, ma anche se, con le dovute attenzioni, lo si può usare come sezione, non è una sezione geologica vera e propria. L’asse orizzontale misura il tempo impiegato dalla nave e di conseguenza la distanza percorsa. La scala verticale dà il ritardo con cui viene ricevuta l’eco e quindi indirettamente la profondità. Per ottenere le distanze sull’ asse orizzontale basta conoscere la posizione della nave istante per istante, ma per convertire in profondità i ritardi dell’eco occorre conoscere la velocità del suono nei sedimenti presenti. La conversione può essere complessa e costosa in termini di tempo, spesso si usano profili di velocità piuttosto che formule o valori numerici. Se vogliamo conoscere la natura e l’età degli strati riflettenti dobbiamo, naturalmente perforare ed estrarre una carota. L’eco è rimandato in genere da superfici che un tempo erano il fondale marino; ciascun riflettore rappresenta quindi di solito un singolo istante di tempo. Figura 2.20 - I depositi sotto la superficie dei fondali marini si possono studiare con i profili sismici, inviando impulsi sonori che sono riflessi dal fondo e dalle varie superfici riflettenti degli strati profondi. La registrazione (in basso) restituisce il grafico del tempo di ritorno dell’eco riferito alla scala dei tempi, e si può interpretare quasi come se fosse una sezione geologica (da T. H. Van Handel,1995).

Figura 2.21 - Le superfici riflettenti di un profilo sismico sono di solito antichi fondali marini. Il punto più alto di ciascuna superficie indicata dalla freccia, mostra quindi il livello del mare all’epoca in cui si è formata. Quando il livello del mare si è alzato, ogni limite di formazione sedimentaria si è formato un po’ più in alto di quello precedente(in alto); quando è rimasto stazionario, i limiti successivi si sono spostati verso il mare, e i loro punti più alti sono ad un livello fisso(al centro), un abbassamento del livello del mare porta ciascun limite ad essere più basso del precedente(in basso). In questo modo i grafici delle riflessioni sismiche dei margini continentali ci permettono di determinare le variazioni del livello marino (da H. Van Handel,1995).

Di conseguenza dai profili sismici si può ricavare la serie delle passate trasgressioni e regressioni del mare. A volte le caratteristiche della riflessione ci danno elementi utili a comprendere la natura dei sedimenti dei vecchi fondali marini e delle variazioni eustatiche collegate a quelle climatiche. I depositi costieri infatti, hanno un aspetto diverso da quelli costituitisi in acque profonde. Nella Figura 2.22 vengono riportate le curve dell’innalzamento del livello del mare negli ultimi 15.000 anni, riferiti quindi alla preistoria e alla storia delle civiltà. Figura 2.22 - Al termine dell’ultimo periodo glaciale, il ghiaccio si è sciolto e il livello del mare si è innalzato. La nostra conoscenza dell’innalzamento del livello del mare lascia ancora adito a dubbi, come mostrano le curve riprodotte in figura. Ciascuna delle curve annovera i suoi sostenitori e i suoi oppositori (da T. H. Van Handel,1995).

LE VARIAZIONI DEL LIVELLO MARINO DVD dell’ INGV(durata 36’)

Per indagini che interessano da qualche metro a centinaia di metri al di sotto del fondale, esistono vari sistemi aventi frequenze di lavoro meno elevate dei sistemi appena visti ma energia molto più grandi. Il Sub–bottom Profiler è in realtà un grosso sonar a bassa frequenza (alcuni KHz) e riesce a penetrare per qualche metro nei fondali marini sciolti. L’Uniboom (Figura 2.23) e lo Sparker sono alimentati tramite un gruppo elettrogeno che provvede a caricare un banco di capacità che su comando scarica la sua energia elettrica sul trasduttore. Il ciclo di sparo o “fire rate ” varia tra alcuni secondi per fondali profondi, ad alcune decine di millisecondi nel caso di piccole profondità.

UNIBOOM EG&G E’ possibile simulare vari diametri L' Uniboom ha penetrazioni fino a 100 metri nel sottofondale, con risoluzione dell' ordine dei decimetri. Lo Sparker ha penetrazione maggiore in dipendenza del tipo e dell’energia disponibile. L’ Uniboom è un sistema elettromeccanico a repulsione, al passaggio di una forte corrente in una bobina a spirale, un piatto metallico viene violentemente allontanato da essa e fornisce una forte pressione impulsiva all’acqua circostante. Vi è implosione di acqua nel volume lasciato vuoto nella zona superiore al disco. E’ possibile simulare vari diametri del pistone con FG_piston

Nel processo viene generata un' onda d' urto a bassa frequenza (rispetto all' Uniboom), si ottengono così grandi penetrazioni in quanto l' attenuazione di un’ onda in un mezzo è tanto maggiore quanto più elevata è la sua frequenza di oscillazione (la perdita di energia per attrito dipende dalla velocità di oscillazione delle particelle del mezzo; le particelle hanno una velocità elevata se la frequenza è elevata). Figura 2.24 - Sezione Uniboom rilevata nel 1993 lungo una rotta molto vicino alla linea di costa di fronte il centro abitato di Arco Felice. Il primo orizzonte, sotto una sottile copertura, corrisponde ad una stratificazione estremamente regolare che suggerisce la presenza di una pavimentazione artificiale (handmade ) appoggiata al fondale. Si intravedono inoltre due strutture sporgenti, anch’esse imputabili a costruzioni antropiche. La posizione del profilo corrisponde all’antica via Erculaenea, che collegava Puteoli a Baia (da F.Giordano 1995).

SPARKER Lo Sparker è costituito da una gabbia metallica recante all’interno gli elettrodi. Stabilendo un forte potenziale, una elevata corrente impulsiva scorre nell’acqua di mare tra la gabbia e gli elettrodi provocando la vaporizzazione dell' acqua stessa per effetto Joule e quindi una bolla di vapore il cui volume cresce velocemente. Al termine della scarica elettrica la bolla implode. In realtà la bolla subisce una serie di oscillazioni del proprio volume con tendenza decrescente fino ad estinguersi.

Il S.a.M. 96 Recentemente da parte del nostro gruppo di ricerca è stato sviluppato un trasduttore Sparker (SAM96) (Figura 2.25) ad altissima risoluzione con durata dell’ impulso acustico molto più breve adatto ai bassi fondali e per l'ottima risoluzione alle ricerche archeologiche. Figura 2.25 – Foto del trasduttore S.a.M. 96 in cui sono visibili i 96 piccoli elettrodi (bianchi) allineati che realizzano una ottima direttività e risoluzione del sistema.

La Figura 2.26 rappresenta l’immagine acustica di una sezione di fondale ottenuta con il sistema energizzante di tipo Sparker SAM96 e con il sistema di elaborazione e restituzione D_Seismic anch'esso sviluppato dalla nostra unità di ricerca (Giordano,2003). Le immagini sono la trasposizione grafica di matrici numeriche. Esse possono essere quindi elaborate al fine di ottenere particolari informazioni per mezzo di algoritmi computazionali. Una elaborazione alla quale si ricorre spessissimo è quella nel miglioramento del rapporto segnale utile/rumore, che consiste essenzialmente nell’attenuare il rumore. Altre elaborazioni permettono,per esempio il riconoscimento facilitato di alcuni “target” di maggior interesse, quali i reperti archeologici. Le figure rappresentano rispettivamente l’immagine acustica del fondale ripreso dal S.S.S. e quelle di una sezione acustica ottenuta con il sistema di tipo Sparker SAM96 e di D_Seismic. Figura 2.26 - Schermata del software D_Seismic corrispondente ad una sezione acustica del sottofondale marino di Ischia. Nella sezione non si individua nessun reperto archeologico, come in Figura 2.24, ma bensi strutture geologiche e vulcanologiche

Figura 2.27 - Sistema D_Seismic con rappresentazione su schermo e corrispondente stampa del profilo

Figura 2.28 - Schermata a blocchi di un sistema controllato dal software D_Seismic

2.4.1 Simulazioni per l'interpretazione di profili sismici Si è realizzata la simulazione della propagazione di un segnale acustico in una determinata stratificazione, è stato possibile riprodurre l'andamento di tali segnali il più simile possibile a quelli reali, così da facilitare il lavoro sul campo nel riconoscimento di eventuali reperti sommersi (murature, relitti, etc.) in considerazione delle loro risposte acustiche. Per ottenere i profili sismici sintetici è stato da noi realizzato un apposito software (SinWave in Matlab) dati riguardanti: velocità del suono (m/s) attraverso i vari strati; densità (kg/m^3) di ciascuno strato; spessore (m) degli strati stessi. Questo software esegue l’operazione di convoluzione tra la “firma” (cioè un dato impulso) corrispondente allo strumento specifico (UNIBOOM-SPARKER-MULTITIP)e la stratificazione restituendo un segnale come se provenisse dalla riflessione. Innanzitutto, è stato ottenuto l'andamento del segnale (Figura 2.29) per un fondale naturale considerando la stratificazione riportata nella Tabella 2.4:

Tabella 2.4 - Stratificazione del fondale privo di reperti. Velocità m/s Densità Kg/m^3 Spessore m Acqua di mare 1500 1000 7 Layer 1 Sabbia 1400 1300 2 Layer 2 Sabbia compatta 3 Layer 3 Sabbia più compatta 1600 20 Tabella 2.4 - Stratificazione del fondale privo di reperti. Figura 2.29 - Risposta acustica del fondale naturale privo di reperti; l’asse orizzontale in millisecondi tiene conto del tempo totale di andata e ritorno del segnale del fondo (TWT – Two Way Time)

Velocità m/s Densità Kg/m^3 Spessore m Acqua di mare 1500 1000 7 Layer 1 Sabbia 1400 1300 2 Layer 2 Muratura in laterizio 2000 1700 3 Layer 3 Sabbia più compatta 1600 20 Tabella 2.5 - Stratificazione del fondale in presenza di una muratura costituita da laterizio ricoperta da sedimento. Figura 2.30 - Risposta acustica del fondale in presenza di una muratura in laterizio ricoperta da sedimento.

Velocità m/s Densità Kg/m^3 Spessore m Acqua di mare 1500 1000 7 Layer 1 Sabbia 1400 1300 2 Layer 2 Muratura in tufo 3 Layer 3 Sabbia più compatta 1600 20 Tabella 2.7 - Stratificazione del fondale in presenza di una muratura costituita da tufo ricoperta da sedimento. Figura 2.32 - Risposta acustica del fondale in presenza di una muratura in tufo ricoperta da sedimento.

Tabella 2.6 - Stratificazione del fondale in presenza Velocità m/s Densità Kg/m^3 Spessore m Acqua di mare 1500 1000 7 Layer 1 Muratura in laterizio 2000 1700 3 Layer 2 Sabbia compatta 1400 1300 2 Layer 3 Sabbia più compatta 1600 20 Tabella 2.6 - Stratificazione del fondale in presenza di una muratura costituita da laterizio non ricoperta da sedimento. Figura 2.31 - Risposta acustica del fondale in presenza di una muratura in laterizio non ricoperta da sedimento.

Lo spessore dell’acqua di mare, in questi casi considerati è di 7 metri ed indica la profondità a cui è posta la struttura in esame; per lo spessore del layer interessato dalla presenza della struttura muraria è stato considerato sia lo spessore della struttura stessa che si eleva dal fondo sia lo spessore delle fondamenta; per i successivi layer sono stati inseriti spessori ipotetici.

RAFFRONTO TRA I CASI VISTI PRECEDENTEMENTE

La differente altezza dei picchi (nei segnali) è legata al salto di impedenza, che è data dal prodotto tra la velocità e la densità: Più grande è questo prodotto, maggiore è la variazione di impedenza. Avremo, quindi, picchi più alti, di segno positivo o negativo, laddove è maggiore la variazione di impedenza. Il segno del picco dipende dal coefficiente di riflessione r (in pressione che è il parametro misurato dagli idrofoni), che è dato da: I pedici 1 e 2 indicano rispettivamente il mezzo dal quale la perturbazione proviene e quello verso il quale va. Nei profili relativi alla presenza di murature la differenza è evidente soprattutto nella prima parte del segnale che rappresenta la struttura considerata, cioè i resti di murature costituite da laterizio o da tufo. Essendo il tufo ed il laterizio di differente composizione, ed avendo infatti differenti velocità del suono e differenti densità pur avendo in questo caso il medesimo spessore, si nota che l’ampiezza del segnale in corrispondenza del tufo e del laterizio varia. La diversa ampiezza è dovuta ad una variazione di impedenza, che come già detto, è uguale al prodotto della velocità del suono nello strato per la densità del medesimo strato, e quindi avendo il tufo ed il laterizio velocità e densità diverse, presenteranno anche un differente valore di impedenza. È stato possibile simulare anche l'andamento di un profilo sismico in presenza di un relitto ligneo. Anche in questo sono state considerate due tipi di stratificazioni distinte riportate in Tabella 2.9 e Tabella 2.10 con le quali sono stati ottenuti rispettivamente i profili sismici di Figura 2.34 e Figura 2.35.

Velocità m/s Densità Kg/m^3 Spessore m Acqua di mare 1500 1000 7 Layer 1 Sabbia 1400 1300 2 Layer 2 Relitto 800 2000 3 Layer 3 Sabbia più compatta 1600 20 Tabella 2.9- Stratificazione del fondale in presenza di un relitto ricoperto da sedimento Figura 2.34 - Risposta acustica del fondale in presenza di un relitto ricoperto da sedimento

Velocità m/s Densità Kg/m^3 Spessore m Acqua di mare 1500 1000 7 Layer 1 Relitto 800 2000 3 Layer 2 Sabbia 1400 1300 2 Layer 3 Sabbia più compatta 1600 20 Figura 2.35 - Risposta acustica del fondale in presenza di un relitto non ricoperto da sedimento.

Figura 2.36– Schema dell’inviluppo medio dei segnali sintetici della risposta acustica ottenuti in relazione alla stratificazione considerata.

Tali inviluppi, partendo dalla risposta acustica del fondale, sono stati tracciati grazie al software di elaborazione grafica Corel Draw 12, con il quale è stato possibile ricalcare le “creste” di ciascun segnale (Figura 2.37) e riportare cosi ciascun inviluppo nello schema di Figura 2.36. Figura 2.37 – Dimostrazione di come sono stati ottenuti gli inviluppi dalla risposta acustica del fondale. A titolo di esempio viene riportata la costruzione di un solo inviluppo, ma lo stesso procedimento è stato utilizzato per ciascun segnale acustico.

APPLICAZIONI DELLA SISMICA A RIFLESSIONE nella GEOFISICA MARINA FASE DI CAMPAGNA IN MARE o di DIGITALIZZAZIONE IN LABORATORIO(DB analogici) ACQUISIZIONE con DSeismic TVG FILTRAGGIO FASE DI PLAYBACK CREAZIONE IMMAGINI GEOREFERENZIATE INTERPRETAZIONE GEOFISICA TRATTAMENTO IMMAGINI INTERPRETAZIONE GEOLOGICA