Indagine sismica. MASW - Multichannel Analysis of Surface Waves

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Regina Alfano
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1 Indagine sismica MASW - Multichannel Analysis of Surface Waves relativa alla determinazione della stratigrafia sismica VS e del parametro VS30 in un'area di Sestri Levanti NS rif 09140SA Dott. Geol. Franco Montaldo Cell // Fax franco_montaldo@fastwebnet.it P.IVA Via Orlando 18/ Genova

Sestri Levanti NS rif 09140SA Dott. Geol. Franco Montaldo Cell.

2 1. Premessa Obiettivo della presente relazione è la determinazione del profilo sismico in un sito in sestri Levante. L indagine sismica effettuata è consistita in due prove MASW (Multichannel Analysis of SurfaceWaves) per ottenere l andamento 1D (sondaggio verticale) delle velocità VS. Dai due sondaggi si è poi in particolare stimato il valore medio delle velocità delle onde sismiche di taglio nei primi 30 m di profondità, ovvero il parametro V S,30 secondo quanto previsto dal DM 14/01/2008. La localizzazione delle due stese è illustrata in fig. 1 Fig. 1 - Planimetria: le due stese sono indicate con le sigle L1 e L2 1

3 2. Metodologia Nelle indagini MASW (Multichannel Analysis of SurfaceWaves) vengono studiate le velocità delle onde superficiali di Rayleigh al variare della frequenza, ricavandone un sondaggio delle velocità Vs delle onde di taglio. Infatti le onde di superficie di Rayleigh interessano una porzione di terreno fino a una profondità dell ordine della metà della loro lunghezza d onda λ. Per poter indagare fino alla profondità di 30 m rispetto al piano campagna è quindi necessario misurare lunghezze d'onda dell'ordine di 60 m. Questo fatto influenza la lunghezza dello stendimento, che dovrà avere una lunghezza di quell'ordine. Poiché viene contemporaneamente richiesta una buona risoluzione anche degli strati superficiali, bisogna poter misurare anche le lunghezze d'onda molto più corte. La minima lunghezza d'onda misurabile è pari al doppio della spaziatura tra i geofoni, e quindi questo parametro influenza la risoluzione degli strati superficiali. Adottando ad esempio una spaziatura di 2 m, la minima lunghezza d'onda rilevabile è di 4 m, a cui corrisponde una profondità di indagine dell'ordine della sua metà, ovvero pari alla spaziatura stessa tra i geofoni. Inoltre per determinare la velocità relativa ad una certa lunghezza d'onda, bisogna misurarne la frequenza. Infatti lunghezza d onda λ, la frequenza f e la velocità V sono legate dalla semplice relazione V = λ f. Poiché le velocità delle onde di Rayleigh sono generalmente basse, ne segue che per grandi lunghezze d'onda la frequenza f è piccola. Ad esempio, se λ = 50 m (profondità di indagine dell'ordine di 25 m) e V = 300 m/s (valore che dipende dal contributo dei diversi strati tra 0 e 25 m, e non dalla sola velocità a 25 m), la frequenza f dell'onda sarà f = V / λ = 300/50 = 6 Hz. Questo fatto influenza il tipo di geofoni da utilizzare, che devono poter rilevare anche le frequenze di pochi Hertz. Poiché la minima frequenza rilevabile da un geofono è soltanto leggermente inferiore alla sua frequenza propria, ne segue che tipicamente si utilizzano geofoni con frequenza propria di 4.5 Hz, mentre quelli utilizzati tradizionalmente per la rifrazione (generalmente a 14 Hz) risultano spesso inadatti. Una volta che si è ricavata la frequenza relative a diverse lunghezza d onda, se ne ricava la velocità ottenendo la cosiddetta curva di dispersione f-v. Da questa, tramite inversione, si ricava l andamento delle Vs con la profondità, ottenendo quindi un sondaggio verticale. 2

Per poter indagare fino alla profondità di 30 m rispetto al piano campagna è quindi necessario misurare lunghezze d'onda dell'ordine di 60 m.

3. Strumentazione Per l'indagine è stato utilizzato un sismometro DMT Summit a 24 canali, dinamica 24 bit, geofoni verticali a 4.5 Hz, mazza di battuta da 6 Kg su piatto in alluminio.

4 3. Strumentazione Per l'indagine è stato utilizzato un sismometro DMT Summit a 24 canali, dinamica 24 bit, geofoni verticali a 4.5 Hz, mazza di battuta da 6 Kg su piatto in alluminio. Le caratteristiche del sismometro DMT Summit sono riportate nella tabella seguente. Tab. 1 - Caratteristiche del sismografo 24 canali DMT Summit In particolare, oltre all'ovvio vantaggio di acquisire contemporaneamente 24 canali, l'elevata dinamica dello strumento permette di lavorare senza dover applicare fattori di amplificazione differenti sui diversi canali (maggiori per i canali più distanti ). Questo è fondamentale in quanto, oltre alle variazioni nel tempo (periodo o frequenza), nelle tecniche MASW occorre rilevare le variazioni delle onde nello spazio (lunghezza o numero d'onda) tramite analisi di Fourier. Una distorsione delle ampiezze dovuta ad amplificazione non costante determinerebbe un errore nell'individuazione della lunghezza d'onda. 3

1 - Caratteristiche del sismografo 24 canali DMT Summit In particolare, oltre all'ovvio vantaggio di acquisire contemporaneamente 24 canali, l'elevata dinamica dello strumento permette di lavorare

5 4. Parametri di acquisizione e geometrie Le geometrie delle due stese (L1 e L2) sono illustratate in fig. 2. Ciascuna stesa è costituita da 24 geofoni con spaziatura 2 m. Le energizzazioni sono state effettuate alle distanze (offset) di 8, 28 e 48 m dal primo geofono nel caso della stesa L1 e alle distanze di 8, 28, 42 m nel caso di L2. Si sono ottenuti quindi tre sismogrammi per ciascuna delle due stese. Fig. 2 - Geometria delle due stese. La loro posizione è indicata in fig. 1 Di seguito vengono riassunti i parametri di acquisizione MASW: Campionamento: ms Numero campioni: 4096 Durata: 1024 ms Canali: 24 (per ciascuna stesa) Spaziatura geofoni: 2 m Lunghezza complessiva stese : 46 m + offset energizzazioni Energizzazioni: offset 8, 28, 48 m per L1; offset 8, 28, 42 m per L2 Le caratteristiche delle due stese e il contesto ambientale in cui si è operato sono visibili nella documentazione fotografica di fig. 3 4

Si sono ottenuti quindi tre sismogrammi per ciascuna delle due stese. Fig. 2 - Geometria delle due stese. La loro posizione è indicata in fig.

6 Fig. 3 - Documentazione fotografica. 5

7 5. Acquisizione dati In fig. 4 sono riportati due esempi di sismogramma acquisiti per l'indagine MASW, relativi all'energizzazione S2 della linea L1 e alla S6 della L2. Sono ben visibili, in entrambi i casi, le onde superficiali di Rayleigh, sia il loro modo fondamentale che i modi superiori, caratterizzati da maggiori velocità. Fig. 4 - Sismogrammi MASW relativi alle energizzazioni S2 (in alto) e S6 (in basso). 6

8 6. Elaborazione dati MASW Alle registrazioni ottenute (sismogrammi) è stata applicata la trasformata f-v, che consiste sostanzialmente nella trasformata di Fourier bidimensionale del sismogramma (trasformata f-k) da cui si ricava la velocità considerando che λ=1/k e v=λ*f. In fig. 5 è presentata la trasformata f-v relativa ai due sismogrammi di fig. 4, S2 (stesa L1) e S6 (stesa L2). In ordinata è rappresentata la frequenza f del segnale (Hz), in ascissa la velocità (m/s). Il treno d'onda corrispondente ad una certa coppia f-v, avendpo più energia del rumore di fondo, sarà caratterizzato da elevata ampiezza dello spettro. Le coppie f, v che corrispondono alle onde superficiali di diversa velocità vengono quindi individuate in corrispondenza dei massimi dello spettro. Da queste coppie (punti dello spettro) si ottiene la curva di dispersione. Fig. 5 Spettro f-v dei due sismogrammi S2 (L1) e S6 (L2) Le corrispondenti curve di dispersione ottenute tramite il picking dei massimi della trasformata sono riportate in rosso nel grafico di fig. 6, dove viene rappresentata la velocità (m/s) dell onda di superficie in funzione della sua frequenza (Hz). 7

In ordinata è rappresentata la frequenza f del segnale (Hz), in ascissa la velocità (m/s).

9 Fig. 6 - Curva di dispersione (linea rossa) relativa all'energizzazione S2 ed S6 (sismogrammi di fig. 4). In nero è riportata, per confronto, la curva calcolata relativa ai modelli di fig. 7 ed 8. Dall inversione della curva di dispersione si ottiene il modello delle velocità V S al variare della profondità, presentato in fig. 7 relativo alla stesa L1 ed in fig. 8 per la stesa L2. La curva di dispersione relativa al modello ottenuto è presentata (in nero) in fig. 6, dove è messa a confronto con la curva ottenuta sperimentalmente (in rosso), ottenendo un errore medio RMS di 9.3 m/s per L1 e di 11.8 per L2. Dall'analisi del modello ottenuto, risulta che le velocità V S sono comprese tra i 150 e 200 m/s nei livelli più superficiali, fino alle profondità di 8 m e 10 m nel caso della stesa L1 ed L2 rispettivamente. A partire da queste profondità la velocità aumenta gradualmente fino a superare i 400 m/s alla profondità di 30 m per enmtrambe le stese. Non si riscontrano gradienti di velocità direttamente associabili alla presenza del substrato roccioso. 8

La curva di dispersione relativa al modello ottenuto è presentata (in nero) in fig. 6, dove è messa a confronto con la curva ottenuta sperimentalmente (in rosso), ottenendo un errore medio RMS di 9.

10 Fig. 7 - Andamento delle velocità VS rispetto alla profondità, stesa L1. Il modello è stato ottenuto per inversione della corrispondente curva sperimentale presentata in rosso in fig. 6. 9

11 Fig. 8 - Andamento delle velocità VS rispetto alla profondità, stesa L2. Il modello è stato ottenuto per inversione della corrispondente curva sperimentale presentata in rosso in fig. 6 10

12 8. Determinazione del parametro VS30 In base ai valori Vs presentati nel grafico di fig. 7 e 8 relativi alle due stese L1 ed L2, è possibile stimare il parametro VS,30 definito come la velocità media di propagazione delle onde di taglio nei primi 30 m del sottosuolo secondo la seguente relazione: V S, 30 = 30 i h V i i essendo: hi spessore strato i-esimo Vi velocità strato i-esimo Dai dati riportati nel grafico di fig. 7 ed 8 si ottiene un valore di VS,30 pari a: Stesa L1: VS,30 = 242 m/s Stesa L2: VS,30 = 231 m/s 11

delle onde di taglio nei primi 30 m del sottosuolo secondo la seguente relazione: V S, 30 = 30 i h V i i essendo: hi spessore

13 7. Conclusioni L indagine MASW ha permesso di ottenere l andamento della velocità Vs delle onde di taglio rispetto alla profondità (fig. 7 ed 8) fino ai 30 m, in corrispondenza delle due stese effettuate. Da queste si è potuto calcolare il parametro VS,30 relativo ad entrambe le stese, risultato pari a 242 e 231 m/s rispettivamente. I due valori sono molto simili, e si possono considerare indistinguibili considerando gli errori di misura. Si puo' quindi assumere come parametro relativo al sito in esame il minore dei due, che risulta quindi: VS,30 = 231 m/s Genova, 17 ottobre 2012 dott. Geol. Franco Montaldo 12

Da queste si è potuto calcolare il parametro VS,30 relativo ad entrambe le stese, risultato pari a 242 e 231 m/s rispettivamente.

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