Geofisica Applicata Scienze Geologiche LM -UNIFE Geoelettrica AA N. Abu Zeid

Transcript

1 Geofisica Applicata Scienze Geologiche LM -UNIFE Geoelettrica AA N. Abu Zeid

2 Il metodo geoelettrico parte 2

3 Metodo geoeletttrico attiva: Tecnica Ohmex: utilizza elettrodi impolarizzabili per la misura della d.d.p. Schema della metodologia Ohmexe tipica anomalia di un punto di rottura (grafico in basso a destra-coordinate anomalia: X=96m, Y=3/3.5 e 8 m). Telo impermeabile foro nel telo due anomalie (fori nel manto impermeabili messo sotto il corpo dei rifiuti). La causa è dovuta all incremento della densità di corrente mvolt Discarica di Silea, loc. S.Elena (TV) 3.0±0.5m 8.0±0.5m Distanza (m) X=96 m - linea n. 97 Operativamente occorre allestire un quadripolo dove gli elettrodi di corrente (circuito di energizzazione, AB) siano, uno (A) all interno del lotto del quale si vuole verificare la tenuta idraulica, e l altro (B) al di fuori della stesso; per quanto riguarda gli elettrodi di potenziale (MN), occorre spostarsi all interno dell area di indagine secondo una maglia regolare dalle dimensioni adeguate, generalmente 1m x 1m. 3

4 Metodo geoeletttrico attiva: Tecnica Ohmex: utilizza elettrodi impolarizzabili per la misura della d.d.p. Esempi difetti individuati con questa tecnica spessore membrana: 2 mm 4

5 Proprietà elettriche ed elettromagnetiche? Tecniche geoelettromagentiche Quelli per i quali la presenza di fluidi nel sottosuolo modificain maniera misurabile la rispettiva proprietà fisica. Le proprietà più influenzate sono: la resistività elettrica, la polarizzabilità, la permittività dielettrica 5

6 Conduzione elettriche nei sedimenti: Tipo di conduzione: elettrolitica sedimenti asciutti sedimenti saturi (fluidi) (porosi e permeabili) conduzione elettrolitica 6

7 Principali proprietà fisiche: riassunto Resistività elettrica (1/conduttività) sono evidenziate con sfondo grigio 7

8 Valori di resistività dei minerali La conduzione elettrica in materiale isolante (dielettrico), grazie all applicazione di un campo elettromagnetico, si verifica che gli elettroni ed il nucleo si spostano dalla loro posizione di equilibrio creando dei piccoli dipoli elettrici permettendo così al mezzo di condurre correnti elettriche. L entità della polarizzabilità «P» dei materiali dielettrici dipende da due proprietà fisiche: (1) permeabilità magnetica e (2) permittività dielettrica. p.es. la maggiore parte dei minerali più comuni che comprendono: - Silicati, solfati e carbonatisono caratterizzati da valori di resistività compresi tra 10 6 e Ohm.m; anche il giaccio è un ottimo isolante

9 Valori di resistività tipici, ma non assoluti Il valore più basso di resistività (acqua iperalina): 0.2 Ohm.m (Mar Morto, Giordania) Acqua del mare: 0.7 Ohm.m (Canale Grande, Venezia, Italia, 2008) 9

10 Resistività (Ohm.m) Proprietà fisica: resistività elettrica sedimenti incoerenti (granulometria, Biella et al., 1979) Proprietà fisica: resistività elettrica in funzione della temperatura e della salinità (equivalente concentrazione NaCl) 10

11 Valori di resistività del fluido acqua acqua pura soluzione NaCl acqua salata (35%) pioggia Saturazione NaCl 100% 10% 1% Iper-salina salina salmastra dolce Log(resistività, Ohm.m) Freezee Cheery,

12 Conducibilità elettronica: La ρ decresce con l aumento significativo della % di metalli, si parla di depositi massivi di minerali % % % % % 12

13 Conducibilità elettrolitica: Resistività +++ Fluido acqua non saturo 13

14 Conduzione elettrica (elettrolitica) La conduzione è di tipo ionico che rappresenta il meccanismo dominante nei sedimento porosi. La resistività è funzione di. resistività rocce - fattori 1. Porosità 2. Salinità 3. Grado di saturazione 4. Frazione argillosa 5. Temperatura 6. Minerali metallici Correzione del valore della resistività in funzione della temperatura (ρ t ).!! se il terreno è ghiacciato la corrente non si propaga. ρ = aρ w Φ m S n 14

15 Resistività e porosità: La legge di Archie (1942): w m S n Litotipo Porosità % Fattore di cementazione (m) Coefficiente (a) Sabbie sciolte Sabbie scarsamente cementate arenarie Calcari compatti Calcari microcristallini graniti < S: saturazione, n~2, ρw: resistività elettrica dell acqua (1/EC)=10000/EC(uS/cm) 0.5 a 2 litologia 1.3 m 2.5 tortuosità: forma dei pori e compattazione Saturazione S and n 2

16 La legge di Archie-1: F Permeabilità millidarcy w w m 16

17 La legge di Archie-2: Il rapporto resistività Risorsa/resistività serbatoio Contente solo acqua permette con l uso del grafico determinare il grado di saturazione Quindi indirettamente la stima del volume della risorsa conoscendo la porosità efficace e la geometria del serbatoio S% (acqua) f ρ petrolio/gas / ρ camp.sat. acqua camp.satura - n acqua 17

18 La legge di Archie-3: tortuosità L : percorso reale fluido L: percorso apparente Analogia con il flusso di cariche 18

19 Litologia resistività granuli (0.5-1) m: fattore di forma m: fattore di cementazione m: esponente di porosità «m» è funzione di: 1. Geometria dei pori 2. Compattazione 3. Composizione 4. Resistività del materiale di cementazione Considerato il punto 1 «F» è legato Alla tortuosità del mezzo 19

20 Resistività e porosità: La legge di Archie-4: altre formule per arenarie, Calcari ed argilliti (?) Arenarie: Chevron F = 1.45 φ 1.54 Arenarie: Phillips F = 1.13 φ 1.73 Arenarie: Humble standard 0.62 F = 2.15 φ Arenarie: Humble semplificata Calcari fini F F = = 1 2 φ φ Argilliti: (shale) Fattore di formazione F = φ φ Rocce carbonatiche compatte F = φ

21 Fattore di formazione Vs Argilla (%) contenuta in sedimenti argillosi Limite massimo della % d argilla (10%) per l utilizzo della legge di Archie possibile applicazione tuttavia sono sito specifico; richiedono taratura CEC: 0.65 Resistività Porosità: 30% Resistività fluido: 15 Ohm.m Resistività (Ohm.m) CEC: 0.85 CEC: 0.45 Contenuto di Argilla (%) Contenuto di Argilla (%) Boru s, 2000 Sen etal., 1988; Maulem 21 & Friedman, 1991

22 CEC minerali argillosi sabbia argilla CEC=0 CEC > 0 Sostituzione di Si con Al è la causa della carica negativa Ed a causa di questa sostituzione il minerale può adsorbire i cationi tipo Ca+2, Mg+2, K+1 Questa capacità è espressa dal valore CEC 22

23 CSC minerali argillosi La capacità di scambio cationico (spesso abbreviata con CSC) è la quantità di cationi scambiabili, espressa in milliequivalentiper 100 grammi (meq/100g), che un materiale, detto scambiatore, dotato di proprietà di adsorbimento può trattenere per scambio ionico. Lo scambio ionico rappresenta uno dei principali meccanismi con cui il terreno trattiene e mette a disposizione delle piante e dei microrganismi elementi quali il calcio, il magnesio, il potassio, l'azoto ammoniacale, perciò la CSC è un indice della potenziale fertilità chimica del terreno. CSC: Unit di misura meq/100g Caolinite 9 Smectite 100 Illite 25 Materiale organico: 250 meq/100g (ph 8.5) 23

24 Fattore di formazione Vs granulometria da usare con cautela limo Sf S_grossa Ghiaia Granulometria (micrometro) TNO, 1976; Ecknis, 1934)/Olanda 24

25 Fattore di formazione vs. Resistività fluido: Sabbia LS/S_fine argilla Resistività dell acqua (Ohm.m) Il grafico dimostra un fatto molto importante e cioè è possibile distinguere tra Argilla satura di acqua salata e sabbia satura di acqua salata grazie al picco contrasto, misurabile tramite misure di superficie o in foro, di resistività elettrica grazie alla modalità tomografica di misura della resistività 25

26 L eterogeneità del sottosuolo località Mezzogoro (Ferrara) Sondaggio GL8,5 Sondaggio GL8 30 metri Sabbia marina D C B A A: argille organiche in acqua dolce B: limi e argille in acqua salmastra C: sabbie marine D: sedimenti alluvionali pre-olocenici La sezione geoelettrica (ERT) di resistività con interpretazione litologica dimostra quanto è stato discusso nella diapositiva precedente sulla possibilità di distinguere tra sedimenti fini saturi di acqua salata e sedimenti granulari interessati dal fenomeno della salinizzazione

27 Geoelettrica: anomalia di resistività o firma geoelettrica misurabile dipende dal contrasto di resistività tra il bersaglio ed il materiale circostante. Nell esempio sotto abbiamo tre casi: 1) bersaglio resistivo 2) bersaglio conduttivo e bersaglio non discriminato (cioè assenza di contrasto di resistività) ❶ ❷ ❸ falda falda falda 27

28 Polarizzazione Indotta PI 28

29 Polarizzazione Indotta (IP): è un fenomeno elettrico che viene stimolato dalla circolazione di corrente elettrica in un mezzo saturo. Causato dall accumulo di cariche. Tale fenomeno può essere misurato in termini di: - nel dominio del tempo caricabilità [M] = figura sotto, - nel dominio della frequenza PEF, oppure ancora come differenza di fase caricabilità [M] 29

30 Polarizzazione Indotta: parametro= Caricabilità[M]: valori orientativi di alcuni minerali e rocce di interesse economico M >>> M <<< 30

31 forma d onda: quadra segnale trasmesso d.d.p. misurato o ricevuto Frequenze dei segnali utilizzati (ρ a2 :0.1 Hz (1 Hz) ρ a1 :10(Hz) 31

32 Polarizzazione indotta: Metal Factor MF e PFE La polarizzazione indotta e la sua intensità dipende dalla resistività dei materiali, al fine di ridurre l effetto della variazione della resistività Marshall e Madden (1959) hanno proposto l utilizzo del MFespresso dalla seguente equazione: Mhos/cm S/cm Polarizzazione Indotta: parametro= [MF]: valori orientativi di alcuni minerali di interesse economico 32

33 Polarizzazione Indotta: parametro= [MF]: valori orientativi di alcuni materiali 33

34 Polarizzazione Indotta: parametro= [MF]: DD assiale Esempio applicativo: individuazione giacimento mineralizzato pseudosezione di resistività apparente pseudosezione di PI (PFE) pseudosezione di PI (MF) Interpretazione geologica (solfuri) (A) sterile (B) economico (>5%) (C) meno economico (<5%) (A) (B) (C) 34

35 Polarizzazione Indotta: parametro fase Dominio della frequenza (in radianti) Frequenza 1 Hz A titolo d esempio i valori di fase dei solfuri possono raggiungere valori assoluti dell ordine di 200 mrad che corrisponde a valori elevati di PFE 35

36 Polarizzazione Indotta: M: caricabilità (in ms/mv/v/%) - fase (in radianti) I charging time ( a) time Caricabilità (chargeability) (ms) V t : curva di scarica(mvolt) V 0 : voltaggio di carica (volt) t 1,t 2 : finestra di intergrazione V V0 voltage decaying curve Vt t1 t2 time (a) dominio del tempo (b) Domino della frequenza (PFE e fase) ( b) 36

37 Il metodo geoelettrico Fine parte 2