Metodologie geofisiche per la caratterizzazione degli acquiferi. F. Accaino

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1 Metodologie geofisiche per la caratterizzazione degli acquiferi F. Accaino

2 Il metodo di indagine classico per la caratterizzazione idrogeologica di un sito è il campionamento diretto del terreno. Tuttavia, se l area studiata non è di piccole dimensioni, questo metodo risulta eccessivamente costoso ed estremamente invasivo. Per questo motivo le perforazioni sono spesso affiancate e precedute da indagini geofisiche indirette, le quali, in generale, permettono di analizzare grandi volumi di terreno con costi e tempi limitati rispetto alla perforazione

3 I METODI GEOFISICI SONO DEI METODI INDIRETTI NON INVASIVI CHE PERMETTONO DI OTTENERE INFORMAZIONI DEL SOTTOSUOLO: dal punto di vista elettrico dal punto di vista elettromagnetico dal punto di vista gravimetrico dal punto di vista sismico

4 IL METODO ELETTRICO I metodi geoelettrici misurano, mediante una serie di elettrodi infissi nel terreno, secondo diversi tipi di stendimenti, la resistività elettrica del terreno (ρ). La resistività del sottosuolo è controllata principalmente dai seguenti fattori: Composizione mineralogica porosità grado di saturazione dei pori salinità del fluido presente nei pori temperatura presenza di sostanze organiche (idrocarburi, solventi, ecc.) presenza di argilla fratturazione presenza di cavità Semplice e poco costosa, ma impraticabile per profondità d indagine elevate

5 COME FUNZIONA IL METODO ELETTRICO: Le misure di campagna Pseudosezione, resistività apparente Il risultato finale è il modello invertito, dove sono rappresentati valori di resistività vera

6 CAMPI MAGNETICI CON FREQUENZA VARIABILE Time-Domain Electro-Magnetic sounding (TDEM) Il metodo di indagine TDEM consiste nel ricostruire la distribuzione della resistività reale del sottosuolo a profondità medio elevate (fino a m). I trasmettitore invia nel terreno un onda quadra fase nulla che viene interrotta ogni secondo quarto di periodo (frequenza interruzione da 300 Hz a Hz in funzione della profondità d indagine). Con la bobina ricevente si misura il campo magnetico indotto, che dipende dalla distribuzione della resistività negli strati del sottosuolo al di sotto della spira. ingombro crescente con la profondità d indagine

7 GEORADAR Il metodo utilizza le onde elettromagnetiche. Caratteristiche principali sono alta risoluzione e bassa penetrazione. E un metodo veloce, a basso costo, che richiede una elaborazione molto semplice dei dati e porta a risultati simili a quelli della sismica. Viene essenzialmente utilizzato per la rilevazione di resti archeologici e per mappatura di strutture geologiche superficiali. Un caso particolare è l utilizzo del georadar per la determinazione dello spessore degli strati che compongono la calotta polare in Antartide. Infatti le onde elettromagnetiche si propagano ottimamente nel ghiaccio. I maggiori problemi di penetrazione si presentano nelle argille e nei terreni imbevuti d acqua.

8 Presenza di pietre Riflessioni dovute a forti cambi litologici

9 IL RILIEVO GRAVIMETRICO La prospezione gravimetrica ha lo scopo di rilevare le anomalie del campo gravitazionale terrestre causato dalle variazioni di densità dei corpi prossimi alla superficie terrestre. Si tratta di un metodo poco costoso ma solo qualitativo. E consigliabile utilizzarlo con altri metodi geofisici che aiutino a definire le geometrie del sottosuolo.

10 L energia elastica si propaga nella Terra dal punto di vista elastico LA SISMICA Il metodo di sismica a riflessione è il metodo geofisico più sviluppato, grazie al suo uso esteso nell esplorazione del petrolio e del gas naturale. e torna sotto forma di onde riflesse, trasmesse, rifratte, di cui conosciamo il tempo di percorso velocita di propagazione!

11 dal punto di vista elastico LE ONDE SISMICHE E LE PROPRIETA PETROFISICHE 1 componente MODELLO onde P MODELLO onde S 3 componenti Proprieta elastiche dei materiali Metodo costoso (sia in fase di acquisizione che di elaborazione dei dati), ma che permette di ottenere un immagine dettagliata del sottosuolo!

12 Apparecchiatura sismica: Sorgenti dal punto di vista elastico

13 Apparecchiatura sismica: dal punto di vista elastico i ricevitori

14 PROPAGAZIONE DELLE ONDE ELASTICHE NEL SOTTOSUOLO dal punto di vista elastico La geometria di acquisizione Le onde sismiche: informazioni sulla geometria e sulle proprieta petro-fisiche delle diverse strutture del sottosuolo

15 Eventi tipici in un record dal punto di vista elastico Onda diretta Onda rifratta Ground roll Rumore casuale Riflessioni

16 SISMICA A RIFRAZIONE Si utilizzano i tempi di arrivo delle onde rifratte (i primi arrivi negli scoppi) per determinare il campo di velocità sismico del sottosuolo. A un interfaccia l energia sismica viene in parte riflessa e in parte trasmessa agli strati sottostanti. La direzione di propagazione segue la legge di Snell, per cui all angolo critico si generano le cosiddette onde di testa che corrono lungo l interfaccia.

17 Time (s) TOMOGRAFIA DEI PRIMI ARRIVI Per ottenere informazioni accurate dai primi arrivi, l utilizzo dell inversione tomografica è senza dubbio il metodo migliore Distance (km)

18 SISMICA A RIFLESSIONE Questo metodo è in grado di fornire informazioni sulle strutture e sulle proprietà petro-fische. È un metodo molto utilizzato in esplorazione petrolifera, ma ultimamente, nonostante i costi notevolmente superiori agli altri metodi geofisici viene utilizzato anche in campo ambientale. L elaborazione del dato per ottenere l immagine del sottosuolo è complessa e lo scopo principale è quello di aumentare il rapporto segnale disturbo. Una classica sequenza di elaborazione può essere così riassunta: 1) Applicazione delle geometrie 2) Correzioni statiche 3) Correzione divergenza sferica 4) Recupero ampiezze surface consistent 5) Deconvoluzione 6) Filtraggio per rimuovere rumore coerente (ground roll) 7) Analisi di velocità 8) Normal move out 9) Stack

19 Applicazione delle geometrie Consiste nell associare a ogni record il numero di traccia, il numero dello scoppio e le coordinate di scoppi e ricevitori. Facendo questo ogni traccia può essere associata a un CMP Common Shot Common Mid Point

20 Correzioni statiche Nella sismica a riflessione a terra è indispensabile riportare scoppi e ricevitori a un piano di riferimento orizzontale. Le correzioni statiche devono considerare le variazioni laterali di velocità dell areato. Il campo di velocità viene definito utilizzando la tomografia sismica degli eventi rifratti.

21 Elaborazione delle ampiezze Spherical divergence correction t1 t2 L energia dallo scoppio si propaga sfericamente, e la densità di energia al tempi t2 è minore del tempo t1 La correzione per divergenza sferica vuole equalizzare la densità di energia ad ogni tempo di propagazione dell onda.

22 Elaborazione delle ampiezze Correzione delle ampiezze surface consistent Before After Questo passo dell elaborazione equalizza le energie sviluppate da ogni scoppio e il responso dei ricevitori, che può essere influenzato dai diversi accoppiamenti con il terreno

23 Incremento rapporto segnale disturbo Modello convolutivo: Supponiamo una propagazione verticale verso il basso di un onda piana. L ondina sorgente viaggia in profondità fino a quando incontra un interfaccia. Il coefficiente di riflessione associato con l interfaccia è rappresentato da uno spike. Il risultato della riflessione è l ondina sorgente scalata per il coefficiente di riflessione. X(t)=W(t)*e(t) +n(t) La Deconvoluzione Deconvoluzione E una procedura per ricostruire lo spike del coefficiente di riflessione. Con la deconvoluzione la risoluzione temporale nei tempi aumenta. Infatti possiamo vedere che nella figura in mezzo l interfaccia è meglio definita rispetto alla figura sottostante

24 Tipi di rumore Rumore coerente Propagazione di onde indesiderate Rumore casuale Non è ripetibile nel tempo Diventa più importante all aumenare dell offset scoppio-ricevitore

25 Ground roll Rumore coerente Onde guida Scattering del fondo mare o del cavo sismico Onda d aria Linee elettriche Multiple Accoppiamento dei geofoni Rumore casuale Vento Rumore causato da attività umane Onde del mare Rumore elettrico e strumentale

26 Incremento rapporto segnale disturbo Come si puo rimuovere il rumore coerente? Domain (x,t) (offset-cdp, time) Domain (f,k) 2D Fourier transform Domain (t,p) Radon and slant stack transform

27 Incremento rapporto segnale disturbo Esempio di applicazione filtro F-K A=ground roll C=guided waves B=back-scattered component of A D=reflections

28 x Signal-noise increase p Slant stack transform t t

29 Incremento rapporto segnale disturbo Filtri in frequenza Low cut filter High cut filter db db RUMORE CASUALE f2 f1 f1 f f2 f Pass-band filter db db f2 f1 f2 f3 f3 f4 f Notch filter f1 f4 f Può essere applicato anche un filtro variabile nel tempo

30 Incremento rapporto segnale disturbo Correzione normal move out t( x) 2 t 2 0 x v 2 2 Common Mid Point Common Mid Point (CMP) La differenza dei tempi di arrivo in due tracce è causato dal diverso offset scoppio ricevitore

31 Incremento rapporto segnale disturbo BEFORE AFTER NMO CORRECTION

32 Incremento rapporto segnale disturbo VNMO 2264 VNMO 2200m/s VNMO 2500 m/s Overcorrection Vcorr<vreal Undercorrection Vcorr>vreal

33 Incremeno rapporto segnale disturbo Velocity analysis DIX formula

34 Incremento rapporto segnale disturbo La migrazione puo essere definita come una deconvoluzione spaziale, dove il processo (la migrazione) riduce la riflessione di un punto in profondità da un iperbole a un punto Il volume sismico La migrazione porta gli eventi pendenti nella loro reale posizione in profondità e rimuove rumore come per esempio le diffrazioni. La migrazione aumenta la risoluzione spaziale

35 Incremento rapporto segnale disturbo Prima della migrazione

36 Incremento rapporto segnale disturbo Dopo la migrazione

37 secondo acquifero primo acquifero acquifero a 300 m 500 m 800 m Esempio sismica a riflessione in acquifero LA SISMICA A RIFLESSIONE PRODUCE IMMAGINI DEL SOTTOSUOLO E DEFINISCE LE PRINCIPALI CARATTERISTICHE DEGLI ACQUIFERI

38 Esempio sismica a riflessione in acquifero secondo acquifero primo acquifero 2D e 3D Geometrie delle diverse strutture del sottosuolo!

39 Esempio sismica a riflessione in acquifero 2D e 3D primo acquifero secondo acquifero 300 m 500 m Velocita di propagazione delle onde sismiche delle diverse strutture del sottosuolo! 800 m

40 INFORMAZIONI PETROFISICHE Esempio sismica a riflessione in acquifero

41 IN CONCLUSIONE Grazie ai metodi geofisici integrati possiamo conoscere in dettaglio le nostre risorse idriche e, quindi, proteggerle e utilizzarle in modo razionale!