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PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
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Cap. 6Cap. 6
CENNI SUI METODI CENNI SUI METODI ELETTROMAGNETICIELETTROMAGNETICI
2PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
GeneralitàGeneralità
La maggior parte dei metodi di rilevamento elettromagnetici (La maggior parte dei metodi di rilevamento elettromagnetici (EMEM) viene usata per ) viene usata per
bersagli simili a quelli dei rilevamenti di resistività, perché entrambi reagiscono a bersagli simili a quelli dei rilevamenti di resistività, perché entrambi reagiscono a
variazioni della resistività (o della conducibilità) del sottosuolovariazioni della resistività (o della conducibilità) del sottosuolo. .
La differenza principale è che La differenza principale è che i metodi EM «inducono» flussi di corrente nel i metodi EM «inducono» flussi di corrente nel
sottosuolo, di solito senza usare elettrodisottosuolo, di solito senza usare elettrodi. Molti metodi EM possono quindi essere . Molti metodi EM possono quindi essere
usati in rilevamenti sia da aerei sia a terra. usati in rilevamenti sia da aerei sia a terra.
3PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
I metodi EM sono particolarmente utili in rilevamenti del terreno quando I metodi EM sono particolarmente utili in rilevamenti del terreno quando lo strato lo strato
superficiale hasuperficiale ha resistività molto altaresistività molto alta - come la sabbia asciutta o il terreno gelato - che - come la sabbia asciutta o il terreno gelato - che
impedisce agli elettrodi di stabilire il collegamento elettrico con strati sottostanti più impedisce agli elettrodi di stabilire il collegamento elettrico con strati sottostanti più
conduttori. conduttori.
Al contrario, uno strato superficiale molto conduttore limita la penetrazione molto di Al contrario, uno strato superficiale molto conduttore limita la penetrazione molto di
più ai rilevamenti e-m che a quelli di resistività.più ai rilevamenti e-m che a quelli di resistività.
4PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Concetti fondamentaliConcetti fondamentali
Induzione elettromagneticaInduzione elettromagnetica
I metodi elettromagnetici (EM) si usano, come quelli di resistività, prevalentemente I metodi elettromagnetici (EM) si usano, come quelli di resistività, prevalentemente
per studiare le variazioni della resistività sotterranea, ma si basano su principi fisici per studiare le variazioni della resistività sotterranea, ma si basano su principi fisici
diversi, il più importante dei quali è diversi, il più importante dei quali è l'induzione elettromagnetical'induzione elettromagnetica. .
5PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
La Figura (a ) mostra schematicamente un sistema La Figura (a ) mostra schematicamente un sistema
EM.EM.
UnaUna bobina bobina (con molti avvolgimenti) forma un (con molti avvolgimenti) forma un
trasmettitoretrasmettitore a cui un alimentatore porta corrente a cui un alimentatore porta corrente
alternata. alternata.
Ciò produce attorno a essa un campo magnetico - il Ciò produce attorno a essa un campo magnetico - il
campo primariocampo primario - sia sopra sia sotto il terreno e - sia sopra sia sotto il terreno e
anche attraverso il corpo bersaglio. anche attraverso il corpo bersaglio.
Poiché il campo primario si alterna - cioè, inverte la Poiché il campo primario si alterna - cioè, inverte la
direzione con regolarità e uniformità (Fig. b) - direzione con regolarità e uniformità (Fig. b) - produce produce
nel bersaglio un campo magneticonel bersaglio un campo magnetico che cambia nello che cambia nello
stesso modostesso modo
6PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Quando un campo magnetico passante per un conduttore elettrico (come un corpo Quando un campo magnetico passante per un conduttore elettrico (come un corpo
mineralizzato) mineralizzato) cambia, cambia, provoca, o induce, una provoca, o induce, una corrente alternata che scorre nel corrente alternata che scorre nel
conduttore. conduttore.
A sua volta, questa corrente indotta produce il proprio campo magnetico alternato - il A sua volta, questa corrente indotta produce il proprio campo magnetico alternato - il
campo secondariocampo secondario - che può essere scoperto in superficie, rivelando così la - che può essere scoperto in superficie, rivelando così la
presenza del minerale. presenza del minerale.
Di solito Di solito questo campo secondario viene rivelato dalla corrente che induce in una questo campo secondario viene rivelato dalla corrente che induce in una
bobina riceventebobina ricevente. .
7PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Quindi, un modo per trovare il bersaglio è quello di fare traverse in superficie con le Quindi, un modo per trovare il bersaglio è quello di fare traverse in superficie con le
due bobine (trasmittente e riceventedue bobine (trasmittente e ricevente): quando sono vicine al bersaglio, il ricevitore ): quando sono vicine al bersaglio, il ricevitore
mostra un segnale dovuto alla corrente indottavi dal campo del bersaglio stesso. mostra un segnale dovuto alla corrente indottavi dal campo del bersaglio stesso.
Nel rilevamento EM si sfrutta la conducibilità anziché la resistività. La Nel rilevamento EM si sfrutta la conducibilità anziché la resistività. La conducibilità conducibilità σσ
è semplicemente il reciproco della resistività, è semplicemente il reciproco della resistività, σσ = = 1/1/ρρ, , e si misura in e si misura in siemens/m siemens/m
(S/m).(S/m).
8PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Fattori che incidono sul segnale
Per interpretare i risultati di un rilevamento EM, occorre sapere Per interpretare i risultati di un rilevamento EM, occorre sapere in che modo il in che modo il
segnale nel ricevitore dipende dal materialesegnale nel ricevitore dipende dal materiale, dalla , dalla formaforma e dalla e dalla profondità profondità del corpo del corpo
bersaglio e dalla bersaglio e dalla posizioneposizione delle bobinedelle bobine trasmittente e ricevente, che corrispondono trasmittente e ricevente, che corrispondono
approssimativamente al ruolo degli elettrodi di corrente e di potenziale nel approssimativamente al ruolo degli elettrodi di corrente e di potenziale nel
rilevamento di resistività. rilevamento di resistività.
Per semplificare, facciamo conto che il bersaglio sia Per semplificare, facciamo conto che il bersaglio sia un circuito ad anelloun circuito ad anello. .
9PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
La dimensione della La dimensione della corrente indottavi dal campo del trasmettitorecorrente indottavi dal campo del trasmettitore, in ogni istante, , in ogni istante,
dipende da: dipende da:
1) - il 1) - il numero di lineenumero di linee del campo magnetico che attraversa il circuito, del campo magnetico che attraversa il circuito,
2) - la 2) - la velocità di cambiamentovelocità di cambiamento di questo numero; di questo numero;
3) - il 3) - il materiale del circuitomateriale del circuito. Maggiore è la conducibilità di questo, più forte è la . Maggiore è la conducibilità di questo, più forte è la
corrente, il che spiega perché il metodo si usi per scoprire corpi conduttori.corrente, il che spiega perché il metodo si usi per scoprire corpi conduttori.
10PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Il numero di linee che attraversa il circuito Il numero di linee che attraversa il circuito
è detto è detto flusso magneticoflusso magnetico e dipende da: e dipende da:
- la - la forza del campo magneticoforza del campo magnetico nel nel
circuito (Fig. a); circuito (Fig. a);
- - l'area del circuitol'area del circuito (Fig. b); (Fig. b);
- - l'angolo che fa il circuito con il campol'angolo che fa il circuito con il campo
(Fig. c). (Fig. c).
11PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Equazioni per l’induzione EMEquazioni per l’induzione EM
Occorre spiegare che cosa determina la corrente indotta Occorre spiegare che cosa determina la corrente indotta
nel bersaglio e quindi quale segnale produce. nel bersaglio e quindi quale segnale produce.
Primo, sostituiremo il bersaglio con un circuito che è più Primo, sostituiremo il bersaglio con un circuito che è più
facile da definire (vedi Fig).facile da definire (vedi Fig).
Il numero di linee del campo prodotto dal trasmettitore Il numero di linee del campo prodotto dal trasmettitore
che passano attraverso la bobina bersaglio è il flusso che passano attraverso la bobina bersaglio è il flusso
magnetico magnetico ΦΦ. .
Esso dipende (come già visto) dal campo magnetico, Esso dipende (come già visto) dal campo magnetico,
dall'angolo che fa con la bobina e dall'area della bobina, dall'angolo che fa con la bobina e dall'area della bobina,
nonché dal numero di spire dell’avvolgimento:nonché dal numero di spire dell’avvolgimento:
ΦΦ = campo magn. x cos = campo magn. x cos θθ x area x num. spire x area x num. spire
12PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Quando il flusso che attraversa la bobina Quando il flusso che attraversa la bobina cambia, cambia, produce una tensione (differenza di produce una tensione (differenza di
potenziale) nel circuito, detta forza elettromotrice (f.e.m.), potenziale) nel circuito, detta forza elettromotrice (f.e.m.), εε. .
Il suo valore è uguale alla velocità di cambiamento del flusso: Il suo valore è uguale alla velocità di cambiamento del flusso:
εε = - (d = - (d ΦΦ/ dt)/ dt)
13PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Legge di Faraday dell'induzione elettromagneticaLegge di Faraday dell'induzione elettromagnetica
Siccome la Siccome la velocità di cambiamento del velocità di cambiamento del
flussoflusso è massima quando il campo sta è massima quando il campo sta
cambiando da diretto a invertito, o viceversa cambiando da diretto a invertito, o viceversa
(vedi fig.), la corrente indotta è massima (vedi fig.), la corrente indotta è massima
quando la corrente e il campo del quando la corrente e il campo del
trasmettitore sono uguali a zero, e viceversa. trasmettitore sono uguali a zero, e viceversa.
La velocità del cambiamento aumenta con la La velocità del cambiamento aumenta con la
frequenza dell'alternanza della correntefrequenza dell'alternanza della corrente. .
14PRECORSO(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 Questa f.e.m. indotta tende a far scorrere la corrente nel circuito ma, la corrente mentre si
alterna produce alterna produce un flusso variabile che a sua volta produce una f.e.m. che tende far diminuire la un flusso variabile che a sua volta produce una f.e.m. che tende far diminuire la
velocità di velocità di cambiamento cambiamento della corrente. della corrente.
Questa Questa autoinduzioneautoinduzione agisce come una resistenza ed aumenta con la frequenza. agisce come una resistenza ed aumenta con la frequenza.
La quantità di flusso autoprodotto dal bersaglio La quantità di flusso autoprodotto dal bersaglio dipende dalla corrente ma anche dalla dipende dalla corrente ma anche dalla
geometria, dimensione e forma.geometria, dimensione e forma.
Il rapporto tra flusso e corrente è dettoIl rapporto tra flusso e corrente è detto autoinduttanza autoinduttanza..
15PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Riassumendo:Riassumendo:
Il campoIl campo che attraversa il circuito generato dal che attraversa il circuito generato dal trasmettitore dipende dalla dimensione trasmettitore dipende dalla dimensione
e dal numero di spire della bobina trasmittente, da quanta corrente scorre e anche da e dal numero di spire della bobina trasmittente, da quanta corrente scorre e anche da
quanto è distante dal bersaglio. quanto è distante dal bersaglio.
Il campo che attraversa il ricevitore, dovuto alla corrente indotta nel bersaglio, Il campo che attraversa il ricevitore, dovuto alla corrente indotta nel bersaglio,
dipende da quanti spire ha e da quanto dista dallo stessodipende da quanti spire ha e da quanto dista dallo stesso..
16PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Di questi svariati fattori alcuni Di questi svariati fattori alcuni dipendono dallo strumentodipendono dallo strumento - la combinazione: - la combinazione:
trasmettitore, ricevitore e loro distanza - e alcuni trasmettitore, ricevitore e loro distanza - e alcuni dal bersagliodal bersaglio - la sua dimensione, la - la sua dimensione, la
sua forma, la sua profondità e la sua conducibilità. 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 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. ricevitore e, se è tabulare, la sua orientazione ne influenzerà il flusso.
17PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Per scoprire Per scoprire bersagli debolibersagli deboli si può rendere più potente il trasmettitore (per es. una si può rendere più potente il trasmettitore (per es. una
bobina o una corrente più grandi) e più sensibile il ricevitore (per es., più 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. avvolgimenti), ma ci sono limitazioni pratiche di dimensione e di peso.
Si può far alternare più rapidamente la corrente del trasmettitore per aumentare la Si può far alternare più rapidamente la corrente del trasmettitore per aumentare la
velocità di variazione velocità di variazione del flusso, ma ciò può limitare la penetrazione del segnaIe del flusso, ma ciò può limitare la penetrazione del segnaIe
magnetico. magnetico.
Le frequenze del ciclo vanno da centinaia a decine di migliaia di hertz (cicli/s).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 Molti di questi fattori vengono scelti dal produttore dello strumento altri da chi lo
utilizza (distanza tra trasmettitore e ricevitore, frequenza o entrambe).utilizza (distanza tra trasmettitore e ricevitore, frequenza o entrambe).
18PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Un sistema EMUn sistema EM
Sistema mobile trasmittente/ricevente Sistema mobile trasmittente/ricevente
(Slingram)(Slingram)
Nel rilevamento EM si usano molti tipi di strumenti Nel rilevamento EM si usano molti tipi di strumenti
con diverse varianti per ognuno di essi: ne con diverse varianti per ognuno di essi: ne
descriviamo solo uno.descriviamo solo uno.
Il tipo di strumento noto spesso col nome svedese Il tipo di strumento noto spesso col nome svedese
SlingramSlingram presenta la disposizione presenta la disposizione che che si vede in si vede in
figura; figura; ha il ricevitore e il trasmettitore collegati con ha il ricevitore e il trasmettitore collegati con
un cavo e la distanza tra di loro viene mantenuta un cavo e la distanza tra di loro viene mantenuta
costante mentre vengono mossi assieme lungo una costante mentre vengono mossi assieme lungo una
traversa.traversa.
19PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Come mostra la Figura, il campo magnetico del trasmettitore attraversa il ricevitore (e Come mostra la Figura, il campo magnetico del trasmettitore attraversa il ricevitore (e
anche il bersaglio), per cui anche il bersaglio), per cui il campo magnetico al ricevitore ha due origini: il campo il campo magnetico al ricevitore ha due origini: il campo
primario del trasmettitore e quello secondario prodotto dal bersaglio, di solito di gran primario del trasmettitore e quello secondario prodotto dal bersaglio, di solito di gran
lunga il più piccolo dei due. lunga il più piccolo dei due.
Per annullare la corrente indotta dal campo primario, il cavo proveniente dal Per annullare la corrente indotta dal campo primario, il cavo proveniente dal
trasmettitore fornisce al ricevitore una corrente che neutralizza la corrente indottatrasmettitore fornisce al ricevitore una corrente che neutralizza la corrente indotta. .
L'annullamento è esatto soltanto se le bobine trasmittente e ricevente sono tenute alla L'annullamento è esatto soltanto se le bobine trasmittente e ricevente sono tenute alla
stessa distanza e con lo stesso orientamento.stessa distanza e con lo stesso orientamento.
20PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Negli strumenti più piccoli di questo Negli strumenti più piccoli di questo
tipo le bobine trasmittente e ricevitore tipo le bobine trasmittente e ricevitore
sono tenute da una sono tenute da una struttura rigidastruttura rigida
(vedi Fig. a, b). (vedi Fig. a, b).
In strumenti grandi, con le In strumenti grandi, con le bobine a bobine a
distanza di 10 m o piùdistanza di 10 m o più, questa , questa
soluzione non è tanto pratica e le soluzione non è tanto pratica e le
bobine debbono essere posizionate bobine debbono essere posizionate
con cura in ogni stazione (Fig. c). con cura in ogni stazione (Fig. c).
21PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Prospezione elettromagneticaProspezione elettromagnetica
Conduttivimetro EM34Conduttivimetro EM34
22PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
La dimensione del La dimensione del campo secondario viene data di solito come percentuale del campo secondario viene data di solito come percentuale del
campo primario. campo primario.
In alternativa, In alternativa, alcuni strumenti sono tarati in modo da leggere la conducibilità alcuni strumenti sono tarati in modo da leggere la conducibilità
apparente,apparente, cioè la conducibilità che avrebbe un sottosuolo uniforme che desse la cioè la conducibilità che avrebbe un sottosuolo uniforme che desse la
stessa lettura (è l'inverso della resistività apparente).stessa lettura (è l'inverso della resistività apparente).
23PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Se il bersaglio è costituito da una lastra sottile verticale, come, Se il bersaglio è costituito da una lastra sottile verticale, come,
per esempio, una vena di minerale, la sua anomalia è come per esempio, una vena di minerale, la sua anomalia è come
nella Fig.a. nella Fig.a.
Non vi è segnale quando il trasmettitore è direttamente sopra Non vi è segnale quando il trasmettitore è direttamente sopra
il bersaglioil bersaglio (Fig. b), perché il suo campo magnetico non lo (Fig. b), perché il suo campo magnetico non lo
attraversa attraversa da un lato all'altro (cioè non vi è flusso attraverso la da un lato all'altro (cioè non vi è flusso attraverso la
bobina), (e neppure quando il ricevitore è sopra un corpo bobina), (e neppure quando il ricevitore è sopra un corpo
tabulare, dato che il campo secondario, essendo orizzontale, tabulare, dato che il campo secondario, essendo orizzontale,
non passa per il ricevitore stesso). non passa per il ricevitore stesso).
Il segnale è massimo quando è il punto mediano delle bobine Il segnale è massimo quando è il punto mediano delle bobine
a trovarsi al di sopra del bersaglioa trovarsi al di sopra del bersaglio (Fig. c): esso è negativo (Fig. c): esso è negativo
perché il campo primario e quello secondario che attraversano perché il campo primario e quello secondario che attraversano
il ricevitore hanno direzioni opposte ad ogni istante. Se la il ricevitore hanno direzioni opposte ad ogni istante. Se la
lastra è inclinata, il profilo è asimme trico (Fig. e). lastra è inclinata, il profilo è asimme trico (Fig. e).
24PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Perché lo strumento sia sensibile a Perché lo strumento sia sensibile a bersagli più profondi, si aumentano sia la bersagli più profondi, si aumentano sia la
distanza tra le bobine sia la corrente del trasmettitoredistanza tra le bobine sia la corrente del trasmettitore (può essere necessario anche (può essere necessario anche
ridurre la frequenza). ridurre la frequenza).
Ripetendo il profilo su un intervallo di distanze delle bobine, è possibile scoprire 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 variazioni di conducibilità, sia verticalmente sia lateralmente, e si può tracciare una
pseudosezione,pseudosezione, come nei rilevamenti di resistività. come nei rilevamenti di resistività.
25PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Non essendo collegate al terreno, Non essendo collegate al terreno, le bobine possono le bobine possono
essere usate in rilevamenti dall'aereoessere usate in rilevamenti dall'aereo (o montate alle (o montate alle
estremità delle ali) o con estremità delle ali) o con il trasmettitore e il ricevitore il trasmettitore e il ricevitore
trasportati in un « uccello» appesotrasportati in un « uccello» appeso sotto un elicottero. sotto un elicottero.
Questo procedimento offre numerosi vantaggi, come Questo procedimento offre numerosi vantaggi, come
la la velocità e il basso costovelocità e il basso costo di esecuzione del di esecuzione del
rilevamento, in particolare quando si devono coprire rilevamento, in particolare quando si devono coprire
aree grandi e accidentate, e la possibilità di fare aree grandi e accidentate, e la possibilità di fare
contemporaneamente e allo stesso costo altri contemporaneamente e allo stesso costo altri
rilevamenti aerei come quelli magnetici e radiometrici. rilevamenti aerei come quelli magnetici e radiometrici.
La La riduzione di segnale dovuta alla distanza in più riduzione di segnale dovuta alla distanza in più
può essere parzialmente compensata usando bobine può essere parzialmente compensata usando bobine
e correnti grandi. e correnti grandi.
26PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
ESECUZIONE DELLE INDAGINI EMESECUZIONE DELLE INDAGINI EM
Analogamente a quanto visto per la geoelettrica lo studio può essere condotto Analogamente a quanto visto per la geoelettrica lo studio può essere condotto
attraverso:attraverso:
profili EMprofili EM
sondaggi EMsondaggi EM..
27PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Il Il profilo EMprofilo EM serve per investigare la variazione della conducibilità nella direzione serve per investigare la variazione della conducibilità nella direzione
orizzontale (a spessore pressoché costante) con lo scopo di localizzare conduttori, orizzontale (a spessore pressoché costante) con lo scopo di localizzare conduttori,
inomogeneità nella resistività e nella costruzione di mappe geologiche.inomogeneità nella resistività e nella costruzione di mappe geologiche.
Le misure vengono effettuate lungo il profilo a intervalli regolari in cui la sorgente può Le misure vengono effettuate lungo il profilo a intervalli regolari in cui la sorgente può
rimanere fissa oppure muoversi con il ricevitore. rimanere fissa oppure muoversi con il ricevitore.
Ciò porterà a ottenere anomalie che morfologicamente sono diverse ma che sono Ciò porterà a ottenere anomalie che morfologicamente sono diverse ma che sono
interpretabili in modo coerente.interpretabili in modo coerente.
28PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Profondità di indagineProfondità di indagine
In teoria il campo EM dovrebbe essere presente a tutte le profondità con valori che 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 diventano sempre più piccoli, in pratica la profondità di investigazione dipende da
diversi fattori: diversi fattori: noise, intensità del segnale, frequenza, sensibilità e precisione noise, intensità del segnale, frequenza, sensibilità e precisione
dello strumento.dello strumento.
29PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
La stima della profondità raggiungibile con metodi EM nel dominio della frequenza può La stima della profondità raggiungibile con metodi EM nel dominio della frequenza può
essere fatta sulla base della “essere fatta sulla base della “skin depthskin depth” data dalla relazione:” data dalla relazione:
fdfd = = 2 / 2 / 0 0
per un semispazio omogeneo, e con per un semispazio omogeneo, e con conducibilità elettrica, conducibilità elettrica, 00 permeabilità magnetica e permeabilità magnetica e
frequenza. Se si considerano frequenza. Se si considerano e e 00 indipendenti da indipendenti da , la skin depth è definita come la , la skin depth è definita come la
profondità alla quale la componente magnetica è ridotta di profondità alla quale la componente magnetica è ridotta di 1/e1/e (o del 37%) rispetto al valore (o del 37%) rispetto al valore
in superficie. in superficie.
30PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
GENERALITA’ SULLA GENERALITA’ SULLA RIFLESSIONE RADARRIFLESSIONE RADAR
Il metodo di prospezione superficiale Il metodo di prospezione superficiale
denominato denominato GEORADARGEORADAR è un sistema è un sistema
di indagine basato sulla propagazione di indagine basato sulla propagazione
e e riflessione di onde elettromagnetiche riflessione di onde elettromagnetiche
nel sottosuolonel sottosuolo. Dal punto di vista . Dal punto di vista
concettuale esso è molto semplice è concettuale esso è molto semplice è
può essere accostato alla riflessione può essere accostato alla riflessione
sismica (Fig. 6.8).sismica (Fig. 6.8).
31PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Il segnale trasmesso nel terreno, della durata di Il segnale trasmesso nel terreno, della durata di 2-3-ns2-3-ns, è costituito da un impulso la , è costituito da un impulso la
cui frequenza centrale può variare da cui frequenza centrale può variare da 10 MHz fino a 1000 MHz10 MHz fino a 1000 MHz circa. circa.
Il segnale, nella sua propagazione nel sottosuolo, viene riflesso dalle superfici di Il segnale, nella sua propagazione nel sottosuolo, viene riflesso dalle superfici di
discontinuità presenti e successivamente registrato in forma analogica o digitale, discontinuità presenti e successivamente registrato in forma analogica o digitale,
dopo un campionamento di bassa frequenza e restituito sotto forma di dopo un campionamento di bassa frequenza e restituito sotto forma di variable area variable area
wigglewiggle o o scan linescan line (Fig. 6.9). (Fig. 6.9).
32PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
PRINCIPI FISICI FONDAMENTALIPRINCIPI FISICI FONDAMENTALI
Velocità di propagazioneVelocità di propagazione
Le proprietà elettromagnetiche dei materiali sono strettamente relazionate alla loro Le proprietà elettromagnetiche dei materiali sono strettamente relazionate alla loro
composizione e al contenuto in acqua. Ambedue questi fattori dominano la velocità di 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 propagazione e l’attenuazione delle onde EM nei mezzi naturali. In questo contesto la
velocitàvelocità è relazionata a quella del è relazionata a quella del vuotovuoto ( (cc) modificata principalmente dalla costante ) modificata principalmente dalla costante
dielettricadielettrica ( () ) relativarelativa. In materiali con basso assorbimento di segnale la velocità può . In materiali con basso assorbimento di segnale la velocità può
essere cosi espressa:essere cosi espressa:
V = c / V = c / rr
La velocità di propagazione delle onde EM in diversi mezzi è riportata in La velocità di propagazione delle onde EM in diversi mezzi è riportata in Tab. 6.1Tab. 6.1..
33PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Attenuazione del segnaleAttenuazione del segnale
Dagli algoritmi che regolano la propagazione degli impulsi elettromagnetici nel Dagli algoritmi che regolano la propagazione degli impulsi elettromagnetici nel
sottosuolo si evince che il segnale subisce una sottosuolo si evince che il segnale subisce una attenuazione funzione della frequenzaattenuazione funzione della frequenza
(Tab. 6.2). (Tab. 6.2).
In termini di perdita o più correttamente di assorbimento del segnale In termini di perdita o più correttamente di assorbimento del segnale altri fattorialtri fattori
entrano in gioco, come si può osservare nello schema di Fig. 6.10.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 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.segnale solo e soltanto a parità a parità delle caratteristiche fisiche del mezzo.
34PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Coefficiente di riflessioneCoefficiente di riflessione
Le riflessioni dell'impulso EM si verificano sia in corrispondenza di Le riflessioni dell'impulso EM si verificano sia in corrispondenza di variazioni variazioni
litologichelitologiche che in corrispondenza delle che in corrispondenza delle caratteristiche fisico-chimichecaratteristiche fisico-chimiche delle stesse delle stesse
strutture. Per poter osservare una riflessione devono crearsi le condizioni di contrasto strutture. Per poter osservare una riflessione devono crearsi le condizioni di contrasto
che potremmo definire come che potremmo definire come impedenza EMimpedenza EM per analogia a quanto avviene nella per analogia a quanto avviene nella
riflessione sismica. In questo caso l’impedenza sarà data da riflessione sismica. In questo caso l’impedenza sarà data da Z = Z = rr..
Il potere risolutivo del sistema è funzione della Il potere risolutivo del sistema è funzione della lunghezza d'ondalunghezza d'onda del segnale. Si del segnale. Si
ammette, in particolare, che possano essere distinti due orizzonti la cui distanza sia 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 dell'ordine della metà della lunghezza d'onda del segnale. Pertanto a parità di
velocità di propagazione, velocità di propagazione, la risoluzione sarà tanto maggiore quanto minore è la la risoluzione sarà tanto maggiore quanto minore è la
lunghezza d'onda e perciò quanto maggiore è la frequenza.lunghezza d'onda e perciò quanto maggiore è la frequenza.
35PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
CENNI SULLA STRUMENTAZIONECENNI SULLA STRUMENTAZIONE
Le apparecchiature attualmente in commercio consentono di filtrare il segnale in Le apparecchiature attualmente in commercio consentono di filtrare il segnale in
ricezione dopo il campionamento in bassa frequenza. ricezione dopo il campionamento in bassa frequenza.
Ciò permette da un lato di eliminare i disturbi ad alta frequenza e dall'altro di 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 evidenziare segnali relativi a strutture profonde rispetto a quelle più superficiali. Infatti
nelle prime, a causa dell'assorbimento differenziale con la frequenza, prevarranno le nelle prime, a causa dell'assorbimento differenziale con la frequenza, prevarranno le
basse frequenze nelle seconde sarà presente un maggior contenuto in alta basse frequenze nelle seconde sarà presente un maggior contenuto in alta
frequenza.frequenza.
36PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Prospezione elettromagneticaProspezione elettromagnetica
Georadar (GPR)Georadar (GPR)
Approximate Depth with GSSI Approximate Depth with GSSI AntennaAntenna
1.5 GHz1.5 GHz to 18"to 18"
900 MHz900 MHz to 3'to 3'
400 MHz400 MHz to 10'to 10'
200 MHz200 MHz to 25'to 25'
100 MHz100 MHz to 50'to 50'
lower frequencies available lower frequencies available
The SIR System-10B is a versatile, multi-channel, digital GPR system.
37PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
La frequenza centrale degli impulsi, e di conseguenza La frequenza centrale degli impulsi, e di conseguenza il tipo di antenneil tipo di antenne, deve essere , deve essere
scelta in base all'obiettivo dell'indagine considerando che scelta in base all'obiettivo dell'indagine considerando che il potere risolutivo sarà il potere risolutivo sarà
tanto maggiore quanto più la frequenza è elevata e che la profondità di investigazione tanto maggiore quanto più la frequenza è elevata e che la profondità di investigazione
aumenterà con il diminuire di essa. aumenterà con il diminuire di essa.
Inoltre Inoltre il potere risolutivo varia con la resistività dei materiali e la profondità di il potere risolutivo varia con la resistività dei materiali e la profondità di
investigazioneinvestigazione..
38PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
PROFONDITA’ DI INVESTIGAZIONE E INTERPRETAZIONEPROFONDITA’ DI INVESTIGAZIONE E INTERPRETAZIONE
La profondità di investigazione del sistema dipende dalla La profondità di investigazione del sistema dipende dalla conducibilità elettrica e dal conducibilità elettrica e dal
contenuto in acquacontenuto in acqua degli strati. degli strati.
Generalmente la profondità di penetrazione risulta compresa tra Generalmente la profondità di penetrazione risulta compresa tra 3-10 m3-10 m, ma , ma
prospezioni fino a 20 m sono possibili in condizioni ideali.prospezioni fino a 20 m sono possibili in condizioni ideali.
L'evoluzione dell'apparecchiatura, soprattutto per quanto attiene l'efficacia delle L'evoluzione dell'apparecchiatura, soprattutto per quanto attiene l'efficacia delle
antenne sta spostando il limite d'indagine verso profondità maggiori.antenne sta spostando il limite d'indagine verso profondità maggiori.
39PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Pur trattandosi di segnali EM, i criteri di approccio Pur trattandosi di segnali EM, i criteri di approccio all'elaborazione del segnale sono all'elaborazione del segnale sono
del tutto simili a quelli della sismica di prospezione.del tutto simili a quelli della sismica di prospezione.
Anche il prodotto finale: la Anche il prodotto finale: la sezione georadarsezione georadar, presenta caratteristiche simili a quella , presenta caratteristiche simili a quella
sismica e quindi l'interpretazione utilizza praticamente gli stessi criteri di valutazione. 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.Fermo restando però che le proprietà fisiche in gioco sono di natura diversa.
40PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
Molti aspetti del successo di questo tipo di indagine sono legate anche all’enorme Molti aspetti del successo di questo tipo di indagine sono legate anche all’enorme
progresso compiuto nel trattamento del segnale. progresso compiuto nel trattamento del segnale.
Questo fatto assieme alla possibilità di applicare approcci CDP forniscono immagine Questo fatto assieme alla possibilità di applicare approcci CDP forniscono immagine
del sottosuolo dove la risoluzione e la correlazione sono comparabili se non superiori del sottosuolo dove la risoluzione e la correlazione sono comparabili se non superiori
a quelle derivate dalla sismica ad alta risoluzione.a quelle derivate dalla sismica ad alta risoluzione.
41PRECORSO(Sistemi acquiferi nella fascia costiera:indagini geofisiche)
F I N EF I N E