Prospezioni geologiche

Transcript

1 2.2 Prospezioni geologiche Fotointerpretazione, telerilevamento, cartografia digitale, cartografia integrata Introduzione In questa sezione descriveremo il forte e rapido impatto esercitato, soprattutto negli ultimi due decenni del 20 secolo, dalle tecnologie spaziali e informatiche sulle attività di esplorazione e di sviluppo degli idrocarburi sia in terra che in mare. Per ricercare ed estrarre dal sottosuolo gli idrocarburi è indispensabile la conoscenza dettagliata della geologia, della geografia e dell oceanografia. Occorre ricostruire l evoluzione geologica di una regione non solo per stabilire se nel suo sottosuolo esistano rocce madri, sepolte a una profondità tale da consentire la formazione di idrocarburi, e rocce serbatoio, ma anche per determinare se sono presenti strutture che hanno consentito la migrazione e l intrappolamento degli idrocarburi. La topografia e la geografia di superficie sono importanti sia per gli aspetti logistici relativi all esplorazione geofisica e alla perforazione sia nelle fasi successive di produzione, costruzione di pipeline e infrastrutture di superficie. Se oggi la nostra conoscenza di gran parte della superficie e degli oceani della Terra ha raggiunto un così alto grado di sviluppo, si deve soprattutto ai rilevamenti dettagliati eseguiti nel corso della seconda metà del 20 secolo, impiegando tecnologie prima aerotrasportate e poi spaziali. Questa attività continua a essere svolta con sistemi ancora più sofisticati montati a bordo di veicoli spaziali e con l uso generalizzato di tecniche di cartografia computerizzata che ha ormai sostituito le vecchie mappe stampate e le fotografie. Nel 19 secolo e all inizio del 20, rilevamenti regionali di questo tipo non esistevano e fino a non molto tempo fa, disponevamo di mappe topografiche digitali degli altri pianeti più precise di quelle terrestri. Sviluppi ancora più recenti, relativi, in particolare, all uso dello spazio e agli straordinari progressi compiuti nella produzione di potenti microcomputer, hanno esercitato un influenza ancora più profonda sull evoluzione delle scienze della terra. Oggi, veicoli spaziali orbitanti trasmettono dati geograficamente corretti agli operatori a terra, i quali possono interpretare con computer portatili il loro complesso contenuto spettrale, per mappare le strutture, la litologia e persino la mineralogia. I satelliti orbitanti rilevano le manifestazioni di superficie degli idrocarburi naturali e le variazioni del campo gravitazionale terrestre sugli oceani, mentre i satelliti del Global Positioning System (GPS) consentono ai geologi di determinare con grande precisione la loro posizione sul terreno. Fotogeologia La fotogeologia, che consiste nell interpretazione geologica di fotografie aeree, si è sviluppata nel periodo tra le due guerre mondiali, rivelandosi un metodo di rilevamento efficace e rapido. In quel periodo furono sviluppate macchine fotografiche di grande formato (pellicola di cm), con cui si ottenevano coppie stereoscopiche sovrapposte di fotografie aeree in bianco e nero, successivamente interpretate con uno stereoscopio a specchio che permetteva ai geologi di osservare il terreno in tre dimensioni. Grandi aree di terreno di cui fino ad allora non esistevano mappe dettagliate furono rilevate in questo modo soprattutto in Africa e in Asia, per iniziativa delle ex potenze coloniali, e negli Stati Uniti d America. I rilevamenti aerei erano eseguiti in particolare per scopi topografici (nelle aree più remote, la mancanza di buone mappe topografiche costituiva un serio ostacolo per qualsiasi tipo di sviluppo socio-economico). Tuttavia, i geologi ben presto si resero conto del fatto che differenti litologie e tipi di rocce subivano un processo di erosione diverso e caratteristico a seconda degli ambienti geografici e 185

2 ESPLORAZIONE PETROLIFERA climatici, condizione che consentì di realizzare mappe geologiche molto accurate e dettagliate con un minimo lavoro sul terreno. La visione stereoscopica (o in 3D) è utile soprattutto perché aiuta l interprete a riconoscere le diverse morfologie del terreno, a mappare il reticolato idrografico (che spesso riflette i tipi di roccia sottostanti), la stratificazione, la direzione e l inclinazione geologiche, così come i rigetti delle faglie. Si procedette così per la prima volta al rilevamento dettagliato della geologia delle principali regioni produttrici di petrolio del mondo, come, per esempio, i monti Zagros in Iran, i bacini interni del Nord America e le strutture giganti dell Algeria. Oggi, come vedremo più avanti, la fotogeologia è stata ormai in gran parte sostituita dall interpretazione delle immagini satellitari, e la visione stereoscopica ha ceduto il passo alle tecniche Digital Elevation Models (DEM) per la rappresentazione e visualizzazione 3D, rese possibili dalla grafica computerizzata. Tuttavia, le basi per l interpretazione delle immagini satellitari rimangono le stesse della fotogeologia: un accurata analisi visiva condotta da esperti geologi con una buona conoscenza del terreno. Un altro grande vantaggio della fotogeologia, e soprattutto dei successivi sviluppi registrati con le immagini da satellite, è l ampia visione d insieme fornita da queste tecniche rispetto a ciò che si può realizzare lavorando a terra. Esse non si limitano ad accelerare il lavoro di rilevamento geologico, ma consentono ai geologi di compiere osservazioni al di là dell immediata area di interesse spesso, per esempio, le rocce madri non affiorano all interno del bacino preso in esame, ma a una certa distanza da quest ultimo, a volte al di là dei confini politici del paese e consentono di osservare grandi strutture, a volte difficili o impossibili da individuare a distanza ravvicinata sul terreno. La fotografia aerea e la fotogrammetria, tenuto conto del fatto che si sono sviluppate in un periodo in cui non esistevano ancora i computer, divennero procedimenti molto sofisticati e accurati attraverso i quali si potevano ottenere mappe topografiche dettagliate. Per combinare tra loro le fotografie come tasselli di un mosaico ed eliminare le distorsioni derivanti dal processo fotografico, furono impiegati ingegnosi metodi ottici, meccanici e fotografici. Durante la Seconda Guerra Mondiale, quando la ricognizione aerea divenne uno strumento di informazione strategico di capitale importanza, questi metodi furono ulteriormente sviluppati. Nello stesso periodo, iniziarono a emergere nuove tecniche di fotografia a colori, incluse le pellicole all infrarosso per l individuazione delle mimetizzazioni, e la tecnologia radar, due strumenti che si sarebbero rivelati estremamente importanti nei successivi sviluppi spaziali della ricognizione geologica. La fotografia all infrarosso o a falso colore La fotografia aerea raggiunse il culmine del suo sviluppo dopo la fine della Seconda Guerra Mondiale, periodo in cui la maggior parte delle aree del globo furono rilevate con questo metodo, anche se le fotografie in questione e le mappe da esse ottenute spesso furono segretate dai governi nazionali per ragioni di sicurezza. Uno degli sviluppi più significativi di questo periodo fu rappresentato dal monitoraggio della mimetizzazione militare con l impiego della pellicola all infrarosso. Tale pellicola è sensibile alla radiazione infrarossa riflessa, in una parte dello spettro dove la sensibilità dell occhio umano non arriva. In questa parte dello spettro, la vegetazione risulta particolarmente evidente e la gamma di risposte dei diversi tipi di vegetazione è molto ampia. Questa è la ragione per cui la pellicola all infrarosso fu sviluppata soprattutto per rivelare la vegetazione artificiale usata per la mimetizzazione militare, ma questo tipo di pellicola permette anche di cogliere con maggiore chiarezza le minime variazioni della vegetazione naturale, che spesso risultano correlate a determinate caratteristiche geologiche. Particolari combinazioni di comunità di piante privilegiano, infatti, suoli derivati da specifici tipi di rocce e queste informazioni possono aiutare i geologi a mappare la diversità e le variazioni dei tipi di rocce, soprattutto nelle regioni in gran parte oscurate dalla copertura della vegetazione e del suolo. Un ulteriore vantaggio di questa tecnica è costituito dal fatto che nell infrarosso vicino, la penetrazione della foschia atmosferica migliora e quindi questo tipo di fotografie a falso colore spesso appaiono più chiare, soprattutto se realizzate ad alta quota. In seguito, queste proprietà furono sfruttate nello sviluppo degli strumenti di immagine satellitare. Le immagini radar Rimanevano, tuttavia, alcune difficoltà da superare nelle regioni dell estremo Nord e Sud e in quelle tropicali ed equatoriali dove una coltre stabile di nubi preclude l acquisizione di fotografie nitide. Questo problema fu risolto grazie allo sviluppo di sistemi radar in grado di registrare immagini della superficie del terreno attraverso la copertura di nubi. Si tratta di sensori attivi che operano nella regione a microonde dello spettro elettromagnetico e che illuminano il terreno con una strisciata obliqua, per poi registrare le radiazioni riflesse generando un immagine; le strisciate adiacenti sovrapposte possono essere osservate stereoscopicamente. Queste immagini radar, benché siano in generale più difficili da interpretare delle fotografie convenzionali a causa dei loro angoli obliqui di illuminazione, a volte evidenziano le caratteristiche geomorfiche e topografiche di un area, rivelando sorprendenti dettagli geologici aggiuntivi. Negli anni Settanta, prima dell avvento delle immagini satellitari, molte 186 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

3 PROSPEZIONI GEOLOGICHE aree tropicali di rilevante interesse per l esplorazione petrolifera come, per esempio, l America centrale e meridionale, l Africa occidentale e l Asia sudorientale furono mappate con radar aerotrasportati per l interpretazione geologica. Il telerilevamento dallo spazio La cosiddetta guerra fredda portò a una intensificazione dell informazione telerilevata aerea e a una maggiore consapevolezza delle sue possibilità e, in seguito, la vulnerabilità degli aerei da ricognizione ad alta quota guidati da equipaggi umani favorì l uso dello spazio per scopi strategici. Lo spazio divenne così la nuova arena dell esplorazione e dell acquisizione di immagini della Terra. Negli anni Cinquanta e Sessanta, sia gli Stati Uniti che l Unione Sovietica svilupparono satelliti da fotoricognizione, ma solo in alcuni rari casi ai civili fu consentito di accedere ai risultati, benché, verso la fine degli anni Sessanta, le fotografie della Terra realizzate dagli astronauti delle missioni Apollo avessero dimostrato la grande utilità per gli studiosi delle scienze della terra delle immagini fornite dai satelliti. Solo nel 1971, con il lancio del satellite statunitense ERTSl (in seguito ribattezzato Landsat), immagini satellitari coerenti e geograficamente rettificate iniziarono a divenire accessibili ai ricercatori di tutto il mondo. Le prime immagini Landsat, anche se con una risoluzione spaziale di soli 80 m, erano in falso colore a infrarossi, potevano essere ingrandite in scala di 1: e riprendevano la maggior parte delle regioni del mondo, con l eccezione di quelle coperte da coltri di nubi. Nel corso degli anni Settanta e Ottanta, la loro diffusione contribuì alla comprensione della tettonica a placche, soprattutto in merito ad alcune caratteristiche tettoniche, come le faglie e i lineamenti, che ora potevano essere mappate su scala continentale. Da questo punto di vista, anche il rilevamento gravimetrico satellitare offshore (v. oltre) ha fornito un importante contributo. Le compagnie petrolifere iniziarono subito a sfruttare le immagini satellitari, finalmente accessibili, per studi tettonici regionali, per l analisi dei bacini, per la pianificazione dei rilievi sismici e persino per una prima selezione degli obiettivi strutturali. Alcune aree remote del globo, mai studiate attraverso la fotografia aerea, furono rilevate per la prima volta. La serie Landsat ha continuato a svilupparsi con immagini a risoluzione spaziale di 30 m (ottenute nel 1986 tramite il Landsat ETM), con l aggiunta di bande spettrali nel medio infrarosso, utili soprattutto per distinguere i differenti minerali argillosi, e quindi per migliorare la qualità del rilevamento geologico. L ultimo satellite della serie, il Landsat 7, lanciato nel 1999 (anche se il sistema operativo ha smesso di funzionare nel 2003), ha prodotto immagini di 15 m di risoluzione al suolo e reso possibili rilevamenti in scala 1: (fig. 1 A). In seguito a questo fallimento, il sistema satellitare per immagini ASTER (costruito in Giappone ma montato sul satellite Terra della NASA, lanciato nel 1999) si è imposto come alternativa a breve termine. ASTER è interessante per i geologi perché offre 15 m di risoluzione con 14 bande spettrali e la possibilità di produrre DEM (v. oltre). Purtroppo le bande spettrali di ASTER sono in generale più utili per l esame delle rocce ignee, delle rocce metamorfiche e dei minerali che per la geologia dell esplorazione petrolifera. ASTER, tuttavia, ha suscitato un vivo interesse tra i geologi soprattutto perché ha portato alla realizzazione di altri due sensori satel- fig. 1. Confronto fra immagini Landsat ETM, SPOT e Ikonos (Yemen). A. 15 m Landsat ETM B. 5 m SPOT C. 2,5 m SPOT D. 1 m Ikonos 187

4 ESPLORAZIONE PETROLIFERA litari iperspettrali, Hyperion della NASA, lanciato sul satellite EO-1 nel 2000 (con 220 bande spettrali e 30 m di risoluzione) e CHRIS dell Agenzia Spaziale Europea (European Space Agency, ESA), lanciato su PROBA nel 2002 (con 18 bande spettrali e 18 m di risoluzione). A causa delle ridotte aree delle immagini di questi due sensori, della limitata copertura disponibile e della inidoneità delle bande di CHRIS per la ricerca geologica, entrambi i satelliti rivestono interesse più dal punto di vista della ricerca che da quello applicativo. Negli Stati Uniti si prevede una nuova missione Landsat, ma la maggior parte degli osservatori ritiene che ci si orienterà verso un programma diverso, probabilmente con una cooperazione internazionale. Le future linee guida di tali programmi riguarderanno soprattutto il monitoraggio ambientale, la selvicoltura, l agricoltura e la cartografia dell utilizzo del territorio, ma anche le scienze geologiche potranno beneficiarne. È comunque ancora possibile fare molti studi geologici con le immagini archiviate negli ultimi venti-trenta anni; in generale, infatti, l interpretazione geologica non richiede necessariamente immagini estremamente aggiornate. Elaborazione delle immagini e cartografia mediante computer Poiché le immagini del Landsat (e della maggior parte dei satelliti) vengono trasmesse a terra sotto forma di segnali elettromagnetici, sono particolarmente adatte a essere elaborate al computer. Negli anni Settanta, i computer digitali a basso costo erano ancora in via di sviluppo e i dispositivi di input, di spazio dati e di output necessari al trattamento di grandi e complessi volumi di dati delle immagini satellitari erano pochi e molto costosi. Questa situazione ha iniziato a subire un drastico cambiamento verso la fine degli anni Ottanta con l avvento di microcomputer meno dispendiosi che hanno finalmente permesso di sfruttare a fondo questa importante fonte di informazioni geologiche. Oggi, i geologi possono scaricare da Internet nei loro personal computer immagini di 15 m di risoluzione di quasi tutte le regioni del mondo, combinarle con i dati di quota digitale e restituire i risultati in 3D, per poi colorare la propria interpretazione geologica sull immagine stessa ed estrarla, alla fine del processo, sotto forma di carta geologica destinata alla stampa a colori. I geologi, inoltre, possono acquisire e registrare molti tipi di dati ausiliari come, per esempio, dati magnetometrici e gravimetrici, dati relativi al sottosuolo (sismica e pozzi) e altre informazioni generali attraverso cui elaborare e perfezionare l interpretazione finale. Le tecniche di Image Processing (IP) permettono di migliorare e visualizzare in modo ottimale le immagini, soprattutto quelle a più bande spettrali, aiutando così l interprete nel suo lavoro. Le immagini possono essere ottimizzate e filtrate in diversi modi, mentre la luminosità e il contrasto possono essere regolati in modo da migliorare l interpretazione. In alcune aree, la tecnica IP può essere usata anche per effettuare in modo semiautomatico alcune operazioni di cartografia, come, per esempio, la selezione di aree caratterizzate da un particolare tipo di roccia o di copertura vegetale. La maggioranza dei geologi, tuttavia, concorda nel ritenere l interpretazione visiva di primaria importanza, grazie alla sorprendente capacità del cervello umano di compiere associazioni ottiche e di richiamare dalla memoria tutta l esperienza acquisita sul terreno. I sistemi IP consentono, grazie a opportune funzioni, di registrare nelle immagini le note cartografiche dell interprete, come stratificazioni, simboli strutturali e limiti litologici. L IP facilita inoltre il merging di diverse serie di dati, in modo che la tessitura o i dettagli del terreno di un immagine satellitare possano essere caratterizzati, per esempio, con i dati di quota coregistrati o con una mappa delle linee di livello aeromagnetiche così da formare un immagine composita. Lo studio comparato di queste informazioni può aiutare i geologi sia nell interpretazione della superficie sia nello studio delle relazioni esistenti tra la morfologia superficiale e la geologia del sottosuolo. Queste immagini combinate, infine, possono essere visualizzate in 3D o in prospettiva, conferendo, quindi, una dimensione addizionale. L IP è particolarmente importante quando si opera con più canali spettrali, come avviene, per esempio, con i dati del satellite ASTER, perché è solo tramite il computer che differenti combinazioni di risposte spettrali possono essere analizzate per mappare i diversi contributi degli spettri di minerali. Tale tecnica diverrà ancora più importante nel futuro per esaminare i dati forniti dai satelliti iperspettrali di prossima generazione. Il Geographical Information System (GIS) costituisce invece il sostituto moderno delle mappe stampate con la proprietà addizionale che tutte le informazioni sono immagazzinate in forma digitale e ordinate in una banca dati relazionale. Il sistema GIS consente ai cartografi di combinare informazioni disparate organizzando i dati di fonti molto diverse e garantendo che tutti i dati siano stati geograficamente coregistrati e di presentare risultati con un alto grado di flessibilità (fig. 2). In generale, un GIS consente l uso di differenti proiezioni cartografiche e di diversi dati, e contiene funzioni che permettono il confronto delle informazioni contenute e di link tra i differenti elementi che compongono il database. È possibile infine stampare mappe in un ampia gamma di scale e di proiezioni, con appropriate sovrapposizioni di immagini o di dati geofisici a seconda delle necessità. L evidente vantaggio dell approccio GIS è costituito dal fatto che le mappe possono essere continuamente aggiornate e rivedute in merito al contenuto e alle correlazioni visualizzate. La tendenza attuale privilegia questo lavoro quasi esclusivamente sullo schermo del computer invece che sulla stampa. 188 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

5 PROSPEZIONI GEOLOGICHE elaborazione dei dati e GIS acquisizione dei dati fig. 2. Sistema GIS: costruzione di carte tematiche e modelli 3D digitali e georeferenziati. cartografia digitale integrata Lo sviluppo della tecnologia IP e GIS è legato a sua volta a quello, molto rapido, della potenza e delle capacità dei microcomputer. L IP opera su dati raster (che includono una matrice o griglia di valori di dati, come, per esempio, un immagine fotografica o di altro genere), spesso con un alto grado di colour depth (per esempio, 24 bit nel caso della maggior parte dei dati satellitari), mentre i GIS sono prevalentemente basati su database relazionali e sulla grafica vettoriale (che includono valori su singoli punti, spesso legati tra loro per formare linee e poligoni). Attualmente questi due approcci non convergono o non si integrano così facilmente come occorrerebbe ai geologi, ma la situazione è destinata a cambiare con l ulteriore sviluppo di queste tecnologie. Esiste ancora una lacuna tra i sistemi specializzati di elaborazione e di visualizzazione usati per i dati relativi al sottosuolo (per esempio, sismici) e quelli usati nell IP e nei GIS, ma è molto probabile che nel prossimo futuro questa lacuna sarà colmata. Cartografia integrata, carte tematiche, banche dati digitali e modelli tridimensionali Le mappe e i dati ottenuti sia direttamente sul terreno sia con le metodologie e gli strumenti sopra descritti, possono essere integrati tra loro all interno del sistema GIS, per ottenere cartografie particolari (anche tridimensionali) che possano soddisfare le diverse esigenze richieste dall attività di ricerca petrolifera. Le carte topografiche possono, per esempio, essere integrate alle carte geologiche, alle foto aeree e alle immagini da satellite (fig. 3). Il merging di diversi tipi di dati telerilevati, per esempio immagini Landsat con immagini SPOT o radar (v. oltre), permette di ottenere mappe che descrivono particolari caratteristiche del territorio (litologia, lineamenti strutturali, vegetazione, umidità), evidenziate da una diversa risoluzione spettrale o da un diverso sensore (per esempio, Radar) o contraddistinte da un elevata risoluzione spaziale (per esempio, ottenuta con le immagini SPOT). Su mappe specifiche (morfologiche, geologiche, relative a facilities petrolifere, ecc.) possono essere sovrapposte altre informazioni come strade, confini di Stato, vegetazione, fabbricati e così via. Il database geografico risulta così costituito da diversi strati, o layers (v. ancora fig. 3). All interno del sistema GIS, i dati cartografici vengono analizzati e integrati per ottenere, oltre alle carte topografiche, anche carte tematiche digitali come mappe morfologiche, geologiche e strutturali, litologiche, idrogeologiche, stratigrafiche e cronostratigrafiche, di stabilità dei versanti, della distribuzione della vegetazione, della distribuzione delle aree umide, dell inquinamento. Ovviamente i programmi informatici permettono di creare sovrapposizioni e confronti fra le diverse carte tematiche. Nel sistema GIS, i dati cartografici possono essere correlati a un database relazionale dove risiedono tutte le informazioni che caratterizzano un determinato elemento della carta (quota, nomi, simboli, litologia, dati strutturali, dati geochimici, ecc.) che possono essere visualizzati, editati, analizzati o aggiornati. Queste moderne mappe digitali derivano da una serie di database digitali intercorrelati, per cui dati diversi come ubicazione di pozzi, limiti di titoli minerari, tracciati di rilievi sismici, pipeline, mappe di giacimenti possono essere importati o esportati. Le fonti per questi database sono sempre più facilmente reperibili presso differenti sedi come compagnie petrolifere, contrattisti, agenzie governative, e anche il grande potere di Internet entra in gioco per ricercare i dati e mettere insieme i vari elementi che costituiscono specifiche mappe richieste per particolari applicazioni. Inoltre le più recenti tecniche di visualizzazione riducono la necessità di stampare mappe e ottimizzano la rappresentazione dei dati, particolarmente in 3D, come nel caso di mappe tematiche drappeggiate sopra modelli digitali del terreno (DEM). Nel passato le mappe erano disegnate a matita e a inchiostro e stampate a colori con sistemi litografici, un processo costoso e lungo. Oggi stampanti a colori di largo formato sono collegate direttamente ai computer e stampano rapidamente mappe secondo le esigenze richieste. D altra parte, le mappe stampate sono sempre meno utilizzate poiché geologi e geofisici eseguono le interpretazioni su work-station, numerose delle quali hanno la possibilità di visualizzazioni 3D, sia con l uso di speciali occhiali sia con schermi che producono direttamente proiezioni tridimensionali 189

6 ESPLORAZIONE PETROLIFERA visibili a occhio nudo. Qualora i diversi specialisti delle geoscienze abbiano la necessità di consultarsi insieme sono, inoltre, stati sviluppati speciali sistemi di visualizzazione 3D o centri immersivi di visualizzazione. In questo modo tutti i partecipanti possono vedere modelli 3D di superficie e di sottosuolo e persino camminarci dentro per discutere la geologia in uno spazio 3D, con le tracce delle linee sismiche riportate sulla superficie del terreno e le sezioni sismiche e i pozzi esplorativi proiettati nel sottosuolo! VHR e i futuri satelliti ottici Altri satelliti hanno contribuito al database di immagini ottiche e, in particolare, quelli della serie francese SPOT che, a partire dal 1986, hanno fornito immagini di 10 m di risoluzione al suolo e capacità stereo che consentono la produzione di modelli digitali di elevazione del terreno e l interpretazione geologica in 3D. Lo SPOT 5, l ultimo della serie, offre 2,5 m di risoluzione (fig. 1 C) ed è dotato di un sensore speciale che genera DEM. Di recente, sono apparsi i satelliti per immagini ad altissima risoluzione (Very High Resolution, VHR) che offrono una risoluzione al suolo di 1 m (Ikonos, operativo dal 1999, fig. 1 D) o di 0,65 m (Quickbird, operativo dal 2002). Anche se questi satelliti sono prevalentemente impiegati per l informazione militare, è possibile accedere alle immagini relative alla maggior parte delle aree del globo, che possono rivelarsi di grande utilità nel campo dell esplorazione petrolifera per mappare le vie di accesso, le infrastrutture e persino gli impianti di produzione (fig. 4). La ridotta area coperta da ogni fotogramma (11 km 11 km), fa tuttavia preferire per il rilevamento geologico le immagini fornite dai satelliti SPOT (60 km 60 km) o Landsat (185 km 185 km) (v. ancora fig. 1). Altri paesi, tra i quali la Russia, l India, il Giappone e Israele, hanno lanciato satelliti ottici, utilizzati anche nel rilevamento geologico. Nel Regno Unito è stata sviluppata una nuova generazione di microsatelliti a basso costo. Una costellazione formata da cinque di questi satelliti è specificatamente destinata al monitoraggio delle catastrofi. Tenendo conto delle esigenze di sicurezza e di carattere militare, si può essere certi che in futuro i dati ottici saranno disponibili in grande quantità. I satelliti radar Parallelamente ai satelliti ottici sono stati sviluppati satelliti per immagini dotati di radar ad apertura sintetica (Synthetic Aperture Radar, SAR), destinati prevalentemente all osservazione degli oceani ma rivelatisi molto utili anche per l interpretazione geologica sulla terraferma nelle aree caratterizzate da una copertura di nubi alte. La prima copertura globale radar consistente è stata fornita dal satellite ERS1 lanciato dall Agenzia Spaziale Europea nel 1991, seguito nel 1996 da ERS2. Questi satelliti erano destinati all osservazione dello stato degli oceani come indicatore ambientale (gli oceani, infatti, governano la variazione delle condizioni atmosferiche continentali), ma la conoscenza delle condizioni degli oceani è di grande importanza anche per molti aspetti dell esplorazione, della produzione e del trasporto offshore degli idrocarburi e i risultati così ottenuti sono stati un importante spin off in questo settore industriale. Il sensore radar fornisce inoltre anche eccellenti immagini fig. 3. Geographical Information System (GIS): cartografia integrata. immagine da satellite carta topografica carta geologica DEM 40 22' 40 19' 3 17' coordinate (georeferenziazione) 3 22' 190 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

7 PROSPEZIONI GEOLOGICHE fig. 4. Immagine Ikonos con le strutture di produzione intorno ad Hassi Messaoud (Algeria; NPA Satellite Mapping). del terreno, che possono essere usate sia per l interpretazione geologica sia per un ampia gamma di applicazioni ambientali (cfr. fig. 5, dove le immagini radar ERS mostrano un maggior numero di dettagli strutturali rispetto a quelli visibili sulle immagini ottiche Landsat relative alla stessa area; la facoltà del radar di penetrare le nuvole ha permesso di mappare faglie, lineamenti strutturali e anticlinali estesi decine di kilometri). Nel 1995, il Canada ha lanciato un satellite analogo ma più versatile, Radarsat, destinato soprattutto al monitoraggio del ghiaccio marino (un altro aspetto importante dal punto di vista ambientale per le attività di esplorazione e produzione offshore alle alte latitudini). Radarsat, con la sua capacità di puntamento variabile, può essere usato anche per realizzare mappe delle linee di livello topografiche grazie alla radargrammetria e ha fornito alcuni dei primi modelli digitali di elevazione del terreno di aree remote del globo coperte da nubi. Mentre ERS e il suo successore, Envisat, forniscono una risoluzione al suolo di circa 20 m, Radarsat è dotato anche di una modalità a fascio fine con una risoluzione di 10 m. Sono in via di progettazione altri satelliti con 1 m di risoluzione (Radarsat e Terrasar). Digital Elevation Models (DEM) Per l interpretazione geologica, i modelli digitali di elevazione del terreno sono sotto molti aspetti l equivalente moderno delle stereofotografie aeree e di conseguenza fig. 5. Confronto fra immagini ottiche Landsat ETM e immagini radar ERS (Irian Jaya; NPA Satellite Mapping). 191

8 ESPLORAZIONE PETROLIFERA sono molto richiesti per l esplorazione nelle aree più remote. I DEM possono essere usati da soli sia per l interpretazione geologica e geomorfologica sia per la valutazione delle vie di accesso o della logistica, ma possono essere combinati con le immagini satellitari per ottenere serie di dati restituibili al computer per realizzare immagini in 3D o in prospettiva, comprese le simulazioni di voli aerei. I DEM possono essere ottenuti da stereofotografie aeree, digitalizzando mappe topografiche già esistenti, da immagini stereoscopiche satellitari o attraverso l interferometria radar (InSAR) aerea o spaziale. Uno di questi sistemi InSAR, l SRTM (Shuttle Radar Topographic Mission) è stato utilizzato in una missione Shuttle nel 2000 e ha prodotto una serie di dati ad alta definizione (30 m di risoluzione orizzontale, 15 m di precisione verticale) per la maggior parte delle regioni del mondo tra i paralleli a 60 Sud e 60 Nord. Oggi i dati SRTM a più alto livello di definizione sono protetti dal segreto militare nella maggior parte delle aree che si trovano al di là dei confini degli Stati Uniti a causa della loro importanza per la navigazione logistica, e pertanto è possibile accedere solo ai dati con 100 m di griglia orizzontale. Tra i sistemi satellitari ottici per la produzione di DEM figura lo SPOT 5, con una precisione verticale di 6-10 m e una risoluzione orizzontale di 20 m, e ASTER, con una precisione verticale di 30 m e una risoluzione orizzontale di 15 m. La fig. 6 rappresenta un immagine 3D creata con ASTER DEM e realizzata a falsi colori, utilizzando tre delle sue bande spettrali (3-2-1, R-G-B), guardando verso nord-est, in direzione della cerniera della piega; il nucleo della piega più resistente e freddo, è costituito da carbonati dell Eocene inferiore, circondati da marne e argille. I sistemi aerotrasportati possono fornire livelli ancora più alti di precisione, e un sistema radar interferometrico è stato impiegato per coprire interi territori come quelli del Regno Unito e dell Indonesia, fornendo DEM di circa 0,5 m di precisione verticale. Per quanto riguarda fig. 6. DEM da immagine ASTER (Tunisia; NPA Satellite Mapping). i dettagli del terreno, il più alto livello di precisione è ottenuto con i sistemi aerotrasportati Lidar, in grado di fornire una precisione verticale di pochi centimetri. I Lidar sono stati impiegati con successo per produrre DEM per la pianificazione sismica a terra in diverse tipologie di terreno, come le dune di sabbia del deserto e le paludi costiere ricoperte di mangrovia. L esplorazione offshore. Rilevamento delle manifestazioni di idrocarburi e gravimetria satellitare L uso delle tecniche satellitari non è confinato alle regioni sulla terraferma. Un inaspettato beneficio che i satelliti radar hanno offerto al settore dell esplorazione petrolifera è rappresentato dalla possibilità di individuare tracce di petrolio (oil seepage) sulla superficie del mare attraverso le immagini radar satellitari. La presenza di piccole quantità di petrolio presenti sulla superficie del mare modifica le piccole onde o increspature indotte naturalmente dal vento sulla superficie del mare, creando chiazze o aree di mare calmo. Esse appaiono molto chiaramente sulle immagini radar, poiché la lunghezza d onda delle increspature si avvicina molto a quella del radar (5,6 cm). Molte di queste indicazioni superficiali sono il risultato degli effetti dell inquinamento, ma alcune sono prodotte dalla fuoriuscita naturale degli idrocarburi sul fondo del mare che risalgono, poi, alla superficie. Un attento esame di queste chiazze, integrato dall analisi della loro forma e dalla conoscenza dei venti prevalenti, permette di distinguere con un buon grado di attendibilità gli effetti dell inquinamento dalle manifestazioni naturali (fig. 7). Questa metodologia ha consentito di studiare in modo consistente quasi tutti i bacini offshore del mondo per individuare le manifestazioni naturali, rivelandosi uno strumento di indagine economico ed efficace nell esame dei bacini di frontiera, soprattutto in acque profonde, in modo da dare una valutazione delle rispettive potenzialità prima che le compagnie petrolifere ricorrano ai metodi geofisici, necessari nella successiva fase dell esplorazione e molto più dispendiosi. Questa tecnica non si limita a indicare la presenza o l assenza di idrocarburi nei bacini, ma consente anche di studiare la relazione tra il pattern di rilascio delle manifestazioni e l assetto strutturale del bacino, che può rivelare importanti informazioni sui depocentri, sulle aree di generazione e sui percorsi di migrazione degli idrocarburi. La geologia applicata all esplorazione petrolifera offshore ha sfruttato un altra innovazione militare derivante dalla ricerca spaziale: i requisiti per la navigazione sottomarina. Sott acqua, senza la vista delle stelle o l aiuto dei satelliti per la navigazione (come il GPS), i sommergibilisti avevano bisogno di una mappa del fondo oceanico comparabile a una mappa topografica della superficie terrestre. Disegnare una carta degli oceani 192 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

9 PROSPEZIONI GEOLOGICHE prodotto anche la grande massa delle immagini radar della superficie oceanica usate per l individuazione delle manifestazioni superficiali d idrocarburi). fig. 7. Immagine da satellite, interpretazione gravimetrica offshore e rilevamento di manifestazioni di idrocarburi (Oman; NPA Satellite Mapping). sufficientemente dettagliata con i mezzi convenzionali è impraticabile sia operativamente che politicamente. Tuttavia, ci si rese conto che una mappa della batimetria (della profondità, cioè, delle acque) o del campo gravitazionale terrestre avrebbe fornito il necessario strumento di assistenza alla navigazione, e questo obiettivo poteva essere raggiunto attraverso i radaraltimetri, in grado di misurare l altezza della superficie degli oceani da satelliti orbitanti. Si potrebbe pensare che la Terra sia uno sferoide quasi perfetto, di cui si conosce esattamente la forma. In realtà, la superficie degli oceani non corrisponde precisamente a questo modello, ma presenta un pattern complesso di piccole ondulazioni prodotte dalla combinazione della profondità delle acque nel punto considerato con il campo gravitazionale, quest ultimo legato alla densità delle rocce circostanti. Osservando sistematicamente l altezza del geoide oceanico dai satelliti per molte centinaia di orbite e ottenendo un risultato medio che mostra i piccoli gradienti superficiali oceanici, si possono costruire mappe estremamente dettagliate che mostrano la batimetria oceanica e la gravità offshore. Queste mappe, benché non possano sostituire le misurazioni batimetriche a strisciate estremamente accurate e le registrazioni gravimetriche a bordo di navi eseguite nelle fasi successive del processo di esplorazione, consentono di effettuare rilievi speditivi a basso costo nei bacini di frontiera offshore non ancora esplorati, soprattutto se accoppiate al metodo del rilevamento offshore delle manifestazioni di idrocarburi attraverso il radar satellitare in precedenza descritto (v. ancora fig. 7). I primi altimetri oceanici sono stati utilizzati dagli Stati Uniti in missioni militari, come, per esempio, quella Geosat, promossa negli anni Ottanta e desegretata solo negli anni Novanta, ma la densità di osservazioni globali è molto aumentata grazie ad alcune missioni civili più recenti come Topex/Poseidon e agli altimetri montati a bordo dei due satelliti ERS (che hanno Global Positioning System e sistemi di comunicazione L analisi dei contributi forniti dalla ricerca spaziale all esplorazione petrolifera sarebbe incompleta se non si ricordassero i satelliti di posizionamento globale e di comunicazione. I dispositivi GPS portatili e persino da polso in grado di determinare la latitudine e la longitudine con un approssimazione di pochi metri oggi sono un fatto acquisito, ma non dobbiamo dimenticare che fino agli anni Settanta, i geologi spesso dovevano ricorrere all osservazione astronomica per determinare con certezza la loro posizione sul terreno. Inoltre i telefoni satellitari permettono ormai a chi è impegnato sul campo non solo di comunicare con la base e con le proprie case, sia in mare che sulla terraferma, ma trasmettono anche mappe, immagini, dati di campagna e documentazione di riferimento a e da archivi centrali via Internet. Naturalmente, anche questi vantaggiosi strumenti oggi a nostra disposizione in origine erano destinati a usi militari. Applicazioni ambientali Tutte le tecniche di cartografia aerea, satellitare e computerizzata in precedenza descritte sono suscettibili di molte importanti applicazioni in campo ambientale, con il fattore aggiuntivo che il monitoraggio dei cambiamenti temporali è molto più importante in campo ambientale che in quello geologico. I satelliti sono estremamente efficienti anche in termini di costi per la produzione ripetuta di immagini e per il monitoraggio a lungo termine. Inoltre, sono più adatti, per esempio, all individuazione dei cambiamenti della vegetazione e del suolo o al rilevamento dell ecologia costiera, piuttosto che alla geologia. Con la crescente consapevolezza che è necessario adottare un atteggiamento responsabile in difesa dell ambiente, è certo che molti progetti in aree sensibili saranno realizzati in base a criteri ambientali sviluppati usando dati satellitari archiviati storicamente, e saranno monitorati con i satelliti di ultima generazione disponibili. Queste tecniche sono applicabili anche alle facilities impiegate nell esplorazione e nella produzione, alle pipeline e agli impianti di trattamento, dove la difesa contro i movimenti del terreno non è meno importante degli aspetti ambientali. Gli ultimi sviluppi dell interferometria radar satellitare (fig. 8) consentono di misurare i movimenti del terreno o i cambiamenti relativi della superficie della Terra a livello millimetrico, con una precisione molto maggiore di quella attualmente conseguibile con i GPS. Di conseguenza, possiamo non solo rilevare il movimento incipiente della reptazione del suolo (piccoli smottamenti 193

10 ESPLORAZIONE PETROLIFERA fig. 8. Trend di subsidenza sopra il giacimento ad olio di Jibal (Oman) ricavato da interferometria radar da satellite: ogni frangia di colore rappresenta 28 mm di subsidenza (Oman; NPA Satellite Mapping). superficiali del terreno o spoil creep) come indizio di frane che potrebbero colpire condotte o impianti industriali, ma siamo in grado di misurare anche la subsidenza del suolo conseguente allo svuotamento di reservoir e controllarne i possibili effetti ambientali. In aree sensibili o instabili, ciò potrebbe portare a munire pipeline e altre installazioni di speciali riflettori (corner reflectors) o transponditori (trasponders) per facilitare il monitoraggio e le misurazioni satellitari. Nel campo dell ingegneria dei giacimenti sono inoltre individuabili altre possibili applicazioni, poiché questo tipo di rilevamento può aiutare a comprendere la risposta stocastica del giacimento. Il futuro delle tecnologie e degli strumenti di telerilevamento È in via di progettazione il lancio di molti satelliti per l osservazione terrestre e, in particolare, di sistemi per immagini radar e ottici ad alta risoluzione. Saranno senza dubbio costruiti più satelliti per immagini iperspettrali con centinaia di bande spettrali che amplieranno molto la nostra capacità di distinguere e mappare differenti tipi di rocce, anche se la copertura del suolo e della vegetazione seguiterà a costituire un problema. Si può inoltre prevedere l emergere di modelli digitali di elevazione della superficie della Terra sempre più dettagliati che faciliteranno, insieme all interpretazione geologica, la pianificazione delle vie di accesso e della difesa ambientale. Tuttavia, gli accumuli di idrocarburi si trovano in generale a una certa profondità al di sotto della superficie della Terra e per il momento gli strumenti a nostra disposizione possono esaminarne solo la superficie. Idealmente lo scopo sarebbe quello di poter disporre di strumenti montati a bordo di aerei o veicoli spaziali in grado di rivelare la presenza di idrocarburi a una certa profondità, ma questo obiettivo è ancora irraggiungibile. Sappiamo che in molti bacini, se non in tutti, gli idrocarburi possono migrare fino alla superficie, ma sulla terraferma le manifestazioni di superficie più evidenti sono già conosciute. Un importante risultato del metodo di individuazione radar delle manifestazioni di idrocarburi in offshore, precedentemente descritto, è costituito dal fatto che in mare aperto i pattern di rilascio sono molto più diffusi e pervasivi di quanto ci si potrebbe aspettare basandosi esclusivamente sull osservazione onshore, dato che, sulla terraferma, il quadro è incompleto a causa del mascheramento dovuto alla copertura del suolo e della vegetazione. Gli effetti più deboli, come la emissione di gas, sono estremamente difficili da individuare anche con metodi molto accurati sul terreno, per non parlare del loro riconoscimento dall aria o dallo spazio. Anche rocce ben esposte e fortemente alterate dagli effetti a lungo termine della emissione di idrocarburi gassosi si sono rivelate molto difficili da individuare con i sensori termici o spettrali attualmente esistenti. Molto probabilmente saranno compiuti notevoli progressi in quest area quando satelliti più sofisticati, soprattutto iperspettrali, diverranno operativi, ma va tenuto presente che questi satelliti saranno prevalentemente impiegati per scopi diversi da quelli dell esplorazione petrolifera. Riguardo alla 194 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

11 PROSPEZIONI GEOLOGICHE mappatura a distanza del sottosuolo (cioè non sismica) è probabile che si registreranno notevoli perfezionamenti della sensibilità e della capacità delle tecniche a bordo di aerei, come la magnetometria e la gravimetria, ma poiché è molto difficile che questi risultati possano essere conseguiti dall altezza a cui operano i satelliti orbitanti, gli sviluppi continueranno a riguardare le tecniche aerotrasportate. Un area che potrebbe rivelarsi promettente è quella dell uso dell interferometria radar satellitare per rivelare cambiamenti millimetrici dell elevazione della superficie della Terra nel tempo. Come abbiamo già osservato, gli attuali satelliti radar sono già impiegati in questo modo per controllare piccole variazioni nella subsidenza al di sopra di giacimenti a gas e a olio in via di svuotamento. Questa tecnica è così sensibile, in grado di risolvere cambiamenti fino al livello millimetrico, che potrebbe fornire indizi di accumuli sotterranei e del loro probabile contenuto (petrolio o gas) dalle variazioni differenziali superficiali in funzione dello stato di marea della Terra. I satelliti per scopi ambientali sono già paragonati alla tecnologia medica in quanto permettono di esercitare un controllo sulla salute del pianeta Terra. In termini geologici, è lecito aspettarsi che le future missioni spaziali forniscano analisi spettrografiche e tomografiche della superficie terrestre, approfondendo la nostra conoscenza del sottosuolo, dove sono ancora nascosti giacimenti di gas e di petrolio. Si tratta forse di una visione avveniristica, ma non del tutto inverosimile, tenuto conto del grande progresso già compiuto: dall osservazione a occhio nudo dalla cima delle colline all attuale era spaziale. Bibliografia generale Berger Z. (1994) Satellite hydrocarbon exploration. Interpretation and integration techniques, Berlin-New York, Springer. Bernhardsen T. (2002) Geographic Information Systems. An introduction, Chichester, John Wiley. Drury S.A. (1987) Image interpretation in geology, London, Allen & Unwin. Foster N.H., Beaumont E.A. (edited by) (1992) Photogeology and photogeomorphology, Tulsa (OK), American Association of Petroleum Geologists. Foster N.H., Beaumont E.A. (edited by) (1992) Remote sensing, Tulsa (OK), American Association of Petroleum Geologists. Maune D. (edited by) (2001) Digital elevation model technologies and applications, Bethesda (MD), American Society for Photogrammetry and Remote Sensing. Prost G. (2001) Remote sensing for geologists, New York, Taylor & Francis. Ryerson R.A. (editor in chief) (1997- ) Manual of remote sensing, Bethesda (MD), American Society for Photogrammetry and Remote Sensing; v.i (1997) Earth observing platforms and sensors; v.ii (1998) Principles and applications of imaging radar; v.iii (1999) Remote sensing for the Earth sciences. Wolf P.R., Devitt B.A. (2000) Elements of photogrammetry with applications in GIS, Boston (MA), McGraw-Hill. Nigel Press NPA Group Edenbridge, Kent, Regno Unito Mattia Sella Eni - Divisione E&P San Donato Milanese, Milano, Italia 195