Gian Piero Deidda. Geofisica Applicata

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Geofisica Applicata Piattaforma WEB per la geofisica applicata al campo ambientale e

geotecnico (metodi e applicazioni)

ELEMENTI DI SISMICA A RIFLESSIONE E GEORADAR Parte 1:

Principi fisici e Caratterizzazione dei materiali

Gian Piero Deidda

Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale e Architettura UNIVERSITÀ DI CAGLIARI

Cagliari, 15 Maggio 2015

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Metodi geofisici

?

Misurare direttamente delle grandezze fisiche (grandezze desiderate) che caratterizzano il sottosuolo: velocità sismiche, attenuazione, resistività, densità, ecc. ecc.

Ciò che vorremmo fare Ciò che possiamo fare

Misurare delle grandezze fisiche sulla superficie del suolo che abbiano qualche legame con le grandezze fisiche desiderate.

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Metodi sismici

?

Misurare direttamente i parametri (visco-)elastici dei materiali nel sottosuolo.


Misurare ampiezze e tempi di percorrenza delle onde sismiche sulla superficie del suolo.

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Metodi elettromagnetici

?

Misurare direttamente i parametri elettromagnetici costitutivi (conducibilità elettrica, permettività elettrica, permeabilità magnetica, ecc.) dei materiali del sottosuolo.


Misurare la resistività apparente, le ampiezze e i tempi di percorrenza delle onde elettromagnetiche.

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Un’onda sismica è uno stato “meccanico” di non-equilibrio, definibile da una grandezza fisica meccanica (sforzo, deformazione, spostamento, velocità, accelerazione, …), che si propaga da un punto all’altro di un mezzo (non il vuoto)

COS’È UN’ONDA SISMICA?

7


2a EQUAZIONE DI NEWTON

LEGGI COSTITUTIVE •  ELASTICITÀ

LINEARE

• VISCOELASTICITÀ LINEARE

Legge di Hooke

Legge di Hooke

Legge di Newton

Esem

pi

+

8

xx xy xz

xy yy yz

xz yz zz

xx xy xz

xy yy yz

xz yz zz

xx xy xz

xy yy yz

xz yz zz

xx xy xz

xy yy yz

xz yz zz

xx xy xz

xy yy yz

xz yz zz

xx xy xz

xy yy yz

xz yz zz

xx xy xz

xy yy yz

xz yz zz

xx xy xz

xy yy yz

xz yz zz

xx xy xz

xy yy yz

xz yz zz

xx xy xz

xy yy yz

xz yz zz

xx xy xz

xy yy yz

xz yz zz

xx xy xz xy yy yz xz yz zz

Tij

Cijkl

ekl

9 9

81

ELASTICITÀ LINEARE Legge di Hooke

9

LEGGE DI HOOKE GENERALIZZATA

Com

pone

nti d

i sf

orzo

nor

mal

e

Componenti di sforzo tangenziale

Parametri di Lamé

I parametri di Lamé sono caratteristici di ciascun materiale e ne definiscono completamente il comportamento in campo elastico

Materiali isotropi

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Modulo di Young

Modulo di compressibilità

Modulo di taglio

Rapporto di Poisson

Modulo di Lamè

MODULI ELASTICI – MATERIALI ISOTROPI

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Funzione di rilassamento (81 parametri viscoelastici)

Materiali viscoelastici isotropi

materiali viscoelastici

materiali elastici

VISCOELASTICITÀ LINEARE Relazione generalizzata Sforzi-deformazioni

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VISCOELASTICITÀ LINEARE Sfasamento tra Sforzi e deformazioni

t

T, γ

γ

T

t

T, γ

γ

T Materiale Viscoelastico

Materiale Elastico

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VISCOELASTICITÀ LINEARE Modulo di Viscoelasticità

Modulo Elastico Modulo Viscoso

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Non-equilibrio degli sforzi

Se in un punto di un mezzo materiale esiste un non-equilibrio (un gradiente) degli sforzi, allora questo stato di non-equilibrio si propaga

mediante onde a tutti gli altri punti del mezzo


Massa volumica Vettore spostamento

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Potenziale scalare dello spostamento


Potenziale vettoriale dello spostamento

Onde P

Onde S

Tipi di onde sismiche

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Dispersione intrinseca

Attenuazione intrinseca

COS’È UN’ONDA SISMICA? Dominio di frequenza – Equazione di Helmoltz

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Un’onda elettromagnetica è uno stato “elettromagnetico” di non-equilibrio, definibile da una grandezza fisica elettromagnetica (campo elettrico, campo magnetico, …) che si propaga da un punto all’altro di un mezzo (anche il vuoto)

COS’È UN’ONDA ELETTROMAGNETICA?

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LEGGE DI FARADAY

LEGGE DI AMPÈRE

LEGGE DI OHM

LEGGI COSTITUTIVE

LEGGE DI GAUSS (PER IL CAMPO ELETTRICO E)

LEGGE DI GAUSS (PER IL CAMPO MAGNETICO H)

1

2

3

4

6

5

7

EQUAZIONI DI MAXWELL

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EQUAZIONI DEI CAMPI EM

Campo elettrico Campo magnetico DOMINIO DEL TEMPO

DOMINIO DELLA FREQUENZA

PROPAGAZIONE DEI CAMPI EM IN UN MEZZO CONDUTTIVO

(CAMPI DIFFUSIVI) PROPAGAZIONE ONDULATORIA DEI CAMPI EM

(FREQUENZE > 10 MHZ – ONDE RADAR)

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Numero d’onda: k ONDE ELETTROMAGNETICHE

21

ONDE ELETTROMAGNETICHE

PARTE REALE DEL NUMERO D’ONDA

PARTE IMMAGINARIA DEL NUMERO D’ONDA

Numero d’onda: k

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Mezzo dielettrico (poco conduttivo) ONDE ELETTROMAGNETICHE

VELOCITÀ

COEFFICIENTE DI ATTENUAZIONE

QUANDO VUOTO

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Mezzo conduttivo ONDE ELETTROMAGNETICHE

QUANDO

VELOCITÀ

COEFFICIENTE DI ATTENUAZIONE

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Prof

ondi

tà (m

)

Distanza (m)

Sorgente

Propagazione delle onde: Ampiezza e tempi di percorrenza

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Pausa caffè

… solo virtuale!!!

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ELEMENTI DI SISMICA A RIFLESSIONE E GEORADAR Parte 2:

Acquisizione ed Elaborazione Dati

Geofisica Applicata Piattaforma WEB per la geofisica applicata al campo ambientale e

geotecnico (metodi e applicazioni)

Gian Piero Deidda

Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale e Architettura UNIVERSITÀ DI CAGLIARI

Cagliari, 15 Maggio 2015

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Duomo salino

SISMICA A RIFLESSIONE RICERCA PETROLIFERA

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SISMICA 3D SISMICA A RIFLESSIONE

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SISMICA A RIFLESSIONE

La Sismica a Riflessione è una tecnica di imaging geofisico. I segnali sismici generati sulla superficie del suolo e riflessi dalle interfacce che separano materiali con differenti caratteristiche ‘’elastiche’’ vengono captati in superficie, registrati in forma digitale, ed utilizzati per produrre un’immagine del sottosuolo che può essere interpretata geologicamente.

TECNICA DI ‘‘IMAGING’’

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Tx Rx

Il GPR è una tecnica di imaging geofisico. I segnali elettromagnetici generati sulla superficie del suolo e riflessi dalle interfacce che separano materiali con differenti caratteristiche ‘’elettriche’’ vengono captati in superficie, registrati in forma digitale, ed utilizzati per produrre un’immagine del sottosuolo che può essere interpretata geologicamente.

GROUND PENETRATING RADAR - GEORADAR TECNICA DI ‘‘IMAGING’’

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ECOGRAFIA ‘‘IMAGING’’ ACUSTICO

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h COEFFICIENTE DI RIFLESSIONE

SISMICA A RIFLESSIONE E GPR MODELLO CONVOLUZIONALE

t

*

RIFL

ETTI

VITÀ

TRACC

IA S

ISM

ICA

TRACC

IA R

ADAR

SEGNALE SORGENTE

Z = Impedenza acustica

Impedenza intrinseca

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Sismica a Riflessione multi-offset L’elaborazione e la ricomposizione geometrica dei segnali multi-offset producono un’immagine del sottosuolo che può essere interpretata geologicamente.

TECNICA DI ‘‘IMAGING’’

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Imaging sismico 2D: dalla Geologia alla Sezione Sismica

GEOLOGIA

RECORDS

AC

QU

ISIZ

ION

E


35

RECORDS

SEZIONE SISMICA

Ela

bora

zion

e

Imaging sismico 2D: dalla Geologia alla Sezione Sismica SISMICA A RIFLESSIONE

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Iperbole

DROMOCRONE

V h

S G

CDP

x CMP

PRINCIPI GENERALI

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CMP

CDP

PRINCIPI GENERALI CMP SORTING

Famiglia CMP

Registrazioni multi-offset (CSG)

CDP

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Il NMO è la differenza tra il tempo di arrivo di un segnale riflesso ad un offset x, t(x), e il tempo di andata e ritorno ad offset zero, T0. Per piccoli offsets esso può essere approssimato da

NORMAL MOVE OUT PRINCIPI GENERALI

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Senza correzione NMO Dopo correzione NMO

CMP

x = 0 Multi-Offset Zero-Offset

PRINCIPI GENERALI

40

CMP

CDP

Famiglia CMP

Common offset - bistatico

CDP

GPR – Acquisizione multi-offset

T R

T R

T R

T R

T R

T R

T T T T T T R R R R R R

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GPR – Acquisizione multi-offset Esempio multi-antenna

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“There are some areas where good data cannot be obtained. There are even areas where bad data cannot be obtained. However, in areas of good data, it is always possible to obtain bad or no data. Every area has its own character; thus, what works in some circumstances will not work everywhere. Therefore, it is desirable to design data acquisition parameters for obtaining the best quality data possible for the given objective.”

Determinazione dei parametri di acquisizione

From Steeples (1986)

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Lunghezza di registrazione Intervallo di campionamento Far-offset Near-offset Distanza tra i geofoni Tipo di stendimento … …

Selezione dei Parametri

Cosa vogliamo vedere?

Cosa ci occorre per vederlo?

Come ottenere ciò che ci occorre per vederlo?

Determinazione dei parametri di acquisizione

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Parametri di acquisizione - Sismica Lunghezza di registrazione

1.  La lunghezza (tempo) di registrazione deve essere abbastanza lunga per consentire di registrare, con sufficiente sicurezza, gli arrivi dall’interfaccia più profonda (considerando la massima distanza scoppio-ricevitore per tener conto del NMO).

2.  La lunghezza di registrazione determina anche la risoluzione spettrale:

Pertanto, quando si ha la necessità di eseguire un’analisi spettrale dettagliata, la lunghezza di registrazione deve essere sufficientemente grande.

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Intervallo di campionamento Δt

Teorema del Campionamento

In pratica

L’intervallo di campionamento deve essere sufficientemente piccolo affinché le massime frequenze attese vengano registrate senza aliasing temporale.

Parametri di acquisizione - Sismica

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Offset massimo

Il valore ottimale della massima distanza sorgente-ricevitore scaturisce da un compromesso che tiene conto di:

1.  Normal Move Out

2.  NMO stretching – Stiramento tracce per correzione NMO

3.  Riflessioni supercritiche


47

Offset massimo - NMO

Applicando la condizione:

Minimo valore di Xmax


48

Offset massimo - Stretching

Correzione NMO (desiderata)


49


Diverso NMO Correzione NMO

(reale)


50


Imponendo:


51


Stretch Muting

Diminuzione copertura CMP


52

Offset massimo – riflessioni supercritiche

Angolo di incidenza Offset


53

Offset minimo

Finestra ottimale


54

Spaziatura geofoni Δx

Teorema del Campionamento

La spaziatura tra i geofoni deve essere sufficientemente piccola affinché i massimi numeri d’onda (più propriamente, frequenze spaziali) attesi vengano registrati senza aliasing spaziale.


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Spaziatura geofoni Δx e ALIASING spaziale Parametri di acquisizione - Sismica

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Risoluzione

La risoluzione definisce la capacità di vedere separati due punti posti a piccola distanza l’uno dall’altro.

La risoluzione, distinta in risoluzione verticale e risoluzione laterale, dipende dalla lunghezza d’onda dominante, definita da:


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Risoluzione verticale

La risoluzione verticale, così come definita sopra, implica solamente la distinguibilità tra le ondine riflesse dal tetto e dal letto di uno strato sottile

Massima risoluzione verticale =

Parametri di acquisizione - Sismica te

mpo

fr

eque

nza

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Risoluzione laterale

Diametro Ia zona di Fresnel

Risoluzione laterale


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Parametri di acquisizione - Georadar Frequenza centrale dell’antenna – banda spettrale

Ampiezza (dB)

0 -‐3

Banda spettrale

La frequenza massima del segnale emesso è ben superiore alla frequenza centrale dell’antenna!!

In pratica

60

Parametri di acquisizione - Georadar Frequenza centrale dell’antenna

MHz

MHz

RISOLUZIONE DESIDERATA

LIMITAZIONE «CLUTTERING» (PICCOLE ETEROGENEITÀ)

SCELTA DELLA FREQUENZA CENTRALE

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Parametri di acquisizione - Georadar Lunghezza di registrazione

La lunghezza (tempo) di registrazione deve essere abbastanza lunga per consentire di registrare, con sufficiente sicurezza, gli arrivi dall’obiettivo (più profondo), considerando la massima distanza tra le antenne nel caso di acquisizione multi-offset.

Profondità dell’obiettivo

Velocità ipotizzata (o stimata)

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Parametri di acquisizione - Georadar Intervallo di campionamento temporale

Come nel caso della Sismica, discende dal teorema del campionamento.

In pratica:

63

Parametri di acquisizione - Georadar Intervallo di campionamento spaziale – Intervallo tra le tracce

Come nel caso della Sismica, discende dal teorema del campionamento.

[MHz]

[m]

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Parametri di acquisizione Modellizzazione - Esempio

V1 = 200

V3= 2000

7 m

3 m V2 = 1500

Basamento sotto copertura con falda

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Parametri di acquisizione Walkaway noise test – Test di rumore

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ELABORAZIONE DATI

L’elaborazione dei dati sismici a riflessione consiste nel “manipolare” le registrazioni (shot records) e presentarle in modo che possano essere interpretate geologicamente.

Gli obiettivi dell’elaborazione sono:

1- enfatizzare i segnali riflessi attenuando gli altri segnali (rumori), e

2- ricomporre geometricamente i segnali riflessi al fine di produrre una sezione sismica “zero-offset”, cioè come se fosse stata acquisita con sorgente e ricevitore nella stessa posizione

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ELABORAZIONE DATI

PREPROCESSING

GEOMETRICAL PROCESSING

WAVELET PROCESSING

IMAGE PROCESSING

FA

SI P

RIN

CIP

ALI

Conversione dei dati Geometria Editing delle tracce Attenuazione rumore CMP Sorting

Analisi di velocità e NMO Statiche residue CMP stacking

Deconvoluzione

Migrazione

Registrazioni Fasi di Elaborazione Immagine sottosuolo

Input Sistema Output

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Moveouts – Ritardi temporali

I moveouts tra una traccia e l’altra dipendono dalla combinazione di cause dinamiche and statiche:

Si definisce Moveout il ritardo temporale tra i segnali riflessi da uno stesso riflettore.

1- Normal Moveout (NMO), causato dalla diversa distanza tra sorgente e ricevitori;

2- Dip Moveout (DMO), causato dalla pendenza dei riflettori;

3- Variazioni topografiche (diverse quote di sorgenti e ricevitori);

4- Variazioni laterali di velocità nell’”aerato”

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Senza correzione NMO Dopo correzione NMO

CMP

x = 0

Correzione per NMO Multi-Offset Zero-Offset

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a)   Riflessione con NMO b)   Correzione con velocità troppo alta c)   Correzione con velocità troppo bassa d)   Correzione con velocità esatta

Correzione per NMO Procedura ‘Trial and error’

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Analisi di Velocità

L’analisi di velocità è una delle più importanti fasi nell’elaborazione dei dati sismici a riflessione.

Senza una buona analisi di velocità le riflessioni non vengono ben rappresentate sulla sezione Stack.

L’analisi di velocità è la fase di elaborazione che permette la stima delle velocità di stack delle riflessioni

L’analisi di velocità è essenzialmente una procedura di modellizzazione diretta di tipo trial-and-error.

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Spettri di velocità Funzioni di coerenza

Semblance

Somma

Covarianza Semblance CMP gather con e

senza iperboli interpretate

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Spettri di velocità Procedura (semi-) automatica

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Analisi di Velocità Georadar monostatico - Diffrazioni

Tem

po (n

s)

Tem

po (n

s)

Distanza (m) P

rofo

ndità

(m)

Pro

fond

ità (m

) h

B

A X

IPERBOLE DI DIFFRAZIONE

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Eseguita la correzione per NMO e applicate le correzioni statiche residue le tracce di una famiglia CMP vengono sommate producendo una singola traccia stack con un elevato rapporto segnale/rumore.

CMP Gather con NMO

CMP Gather senza NMO Traccia Stack

L’insieme di tutte le tracce stack, una per ogni posizione CMP, costituisce la Sezione Stack o Sezione Zero-Offset

CMP STACKING

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Posizione CMP

Velocità di stack (m/s)

Tem

po (s

)

Tem

po (s

)

Tem

po (s

)

Tem

po (s

)

Esempio di Sezione sismica con campo di velocità

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(300, 200)

(500, 300)

V=1500 m/s

Migration collapses diffracting hyperbolas and moves (migrates) the image of a reflecting interface in its true position

Perché la Migrazione?

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CMP stack

CRS stack

Il CRS stack utilizza più famiglie CMP per produrre una traccia stack e lo fa in modo automatico sulla base di tre funzioni di coerenza. Il risultato ha un più elevato rapporto segnale/disturbo.

La procedura standard CMP trasforma le famiglie CMP in una singola traccia stack.

•  Non necessita di un modello di velocità; •  Tre parametri (α, RNIP e RN) anziché la VNMO; •  Totalmente (o quasi) automatizzata

CRS STACK MIGLIORAMENTO ELABORAZIONE DATI

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CRS STACK CONFRONTO CMP -‐ CRS

80

Dati Sismici

GRID Elaborazione remota

Sezione Stack

Campo velocità

Risultati preliminari

Tras

mis

sion

e da

ti w

irele

ss Acquisizione dati

GRID COMPUTING CONTROLLO QUALITÀ E

OTTIMIZZAZIONE

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Campi di Applicazione Sismica a riflessione superficiale

Ingegneria Ambientale

Idrogeologia

Ingegneria Sismica e Geotecnica

•  Geometria dei corpi di discarica •  Topografia del basamento impermeabile •  Verifica degli spessori dei materiali di chiusura

•  Determinazione dei confini dell’acquifero •  Stima di alcuni parametri idrogeologici

(porosità, contenuto in fluidi, …)

•  Risposta sismica locale •  Caratterizzazione geotecnica dei terreni

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Campi di Applicazione Georadar

Ingegneria Ambientale

Idrogeologia

Ingegneria Geotecnica

•  Monitoraggio prove di portata •  Stima del contenuto in acqua dei suoli •  Analisi sedimentologica

•  Caratterizzazione di discariche •  Individuazione di fusti sepolti •  Monitoraggio dei flussi di contaminante

•  Caratterizzazione della fratturazione del bedrock •  Profondità del basamento

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L’individuazione delle riflessioni sulle registrazioni grezze è essenziale per un corretto e appropriato utilizzo della Sismica a Riflessione e del GPR. La capacità di riconoscere i limiti del metodo, di modificare i parametri di acquisizione, di cambiare strumentazione, o di decidere di terminare l’acquisizione è una caratteristica professionale che garantisce qualità.

Una sufficiente esperienza nell’apprezzare che i metodi geofisici non sempre funzionano e la buona fede nell’ammetterlo è fondamentale per un efficace utilizzo degli stessi nella caratterizzazione dei siti. Un’attenta valutazione delle caratteristiche del sito e degli obiettivi di interesse fornisce importanti informazioni sull’applicabilità del metodo, ma niente può sostituire un’attenta ed esperta analisi di un test sul campo (field walkaway test data).

La sismica a riflessione superficiale e il GPR non sempre funzionano!!!

OSSERVAZIONE IMPORTANTE

84

Anche nei casi in cui funziona, attenzione a … … ai falsi riflettori

85

Onda sonora “spatial aliased” Onda rifratta



86



87

Grazie per l’attenzione

ALIASING

ω1 ω2 ω3

ω1 < ω2 < ω3

Risposta Sismica Locale

La RISPOSTA SISMICA LOCALE è un insieme di modifiche in ampiezza, durata e contenuto in frequenza che un moto sismico, relativo ad una formazione rocciosa di base (il basamento), subisce attraversando gli strati di terreno sovrastanti fino alla superficie.

BASAMENTO

PERIODO DI RISONANZA

V1 H

V2

FUNZIONE DI TRASFERIMENTO ρ1

ρ2

FATTORE AMPLIFICAZIONE


PERIODO DI RISONANZA

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

IL PERIODO DI RISONANZA DI UN SITO PUÒ ESSERE STIMATO DIRETTAMENTE DALLA SEZIONE STACK


STIMA DEL RAPPORTO DI SMORZAMENTO D

Frequenza,

Y m = coeff. angolare

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0

0.1

0.2

0.3

0.4

Tem

po (s

)

0 6 9 -3 Offset (m)

Attenuazione anelastica

Caratterizzazione di un basamento fratturato T R

T R

Diffrazioni

R

T

Time slice

fratture fratture

fratture

2D

3D

Pozzo

Stima del contenuto in acqua dei suoli

Monitoraggio di un ‘pennacchio’ di DNAPL

Analisi sedimentologica in un delta

Gian Piero Deidda. Geofisica Applicata

Science

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