PROSPEZIONE GEOELETTRICA

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1 COMUNE DI PONZA (LT) PROSPEZIONE GEOELETTRICA PER LA RICERCA DI UNA PRESUNTA CAVITÀ COMMITTENTE ARCHITETTO ANGELO SPINOSA 1

2 INDICE 1 - PREMESSA I METODI GEOELETTRICI PROPRIETÀ ELETTRICHE DI ROCCE E SEDIMENTI STENDIMENTO WENNER STENDIMENTO SCHLUMBERGER INDAGINE EFFETTUATA INTERPRETAZIONI E CONCLUSIONI 13 2

3 1 - PREMESSA Su incarico e per conto dell Architetto Angelo Spinosa è stata eseguita una prospezione geoelettrica con misure multielettrodo di resistività nell ambito del progetto di ricostruzione di un fabbricato ad uso residenziale nel Comune di Ponza (LT) alla Via Corridoio (Fig. 1; Fig. 2; Fig.14). Tale indagine geoelettrica è stata effettuata al fine di determinare le caratteristiche elettriche dei litotipi presenti in area progettuale e, conseguentemente, individuare presunte cavità nel sottosuolo. Elettrodo 47 Elettrodo 45 Elettrodo 46 Fig. 1 Stendimento multielettrodico in configurazione di acquisizione Wenner- Schlumberger effettuato in Via Corridoio. 64 elettrodi di misura, spaziatura 1.2m. Lunghezza stendimento 75.6m. Fig. 2 Elettrodi 45, 46 e 47 in corrispondenza della facciata esterna dell edificio interessato dai lavori di ricostruzione. 3

4 2 - I METODI GEOELETTRICI I metodi geoelettrici consistono nella determinazione sperimentale dei valori di resistività elettrica che caratterizzano il sottosuolo. Mediante l utilizzo di appropriate strumentazioni si immette corrente elettrica nel terreno e si esegue una successione di misure in superficie con una serie di elettrodi opportunamente posizionati e infissi nel terreno. L apparecchiatura per la misura della resistività è formata schematicamente da: Un sistema per l immissione di corrente nel terreno (batteria o generatore di corrente); Una serie di elettrodi (minimo quattro: A e B elettrodi di corrente, M e N elettrodi di potenziale) (Fig. 3); Strumenti per la misura dell intensità di corrente immessa nel terreno mediante gli elettrodi A e B e della differenza di potenziale tra i due elettrodi M e N. Fig. 3 Linee di corrente e superfici equipotenziali per una coppia di elettrodi A e B in un semispazio omogeneo. Per la maggior parte degli impieghi vengono utilizzate apparecchiature a corrente alternata a bassa frequenza (60-120Hz): ciò elimina la necessità di impiegare elettrodi non polarizzabili o di misurare o annullare i potenziali spontanei. La resistività è alquanto più bassa di quella misurata con l impiego di corrente continua. Gli elettrodi sono usualmente dei picchetti di bronzo, rame o acciaio inox di lunghezza da 45-50cm, con collegamenti a mezzo di spinotti. Gli elettrodi vengono conficcati nel terreno in modo da produrre un buon contatto. In caso di suoli secchi o a granulometria grossolane, si può migliorare il contatto con l uso di soluzioni saline versate o semplicemente acqua attorno agli elettrodi. Nel caso di pavimentazioni stradali si possono utilizzare speciali elettrodi costituiti da piastre in acciaio inox poggiate sul pavimento; il contatto elettrodo-pavimentazione è assicurato dall utilizzo di soluzioni saline(fig. 4). 4

5 Fig. 4 Elettrodi speciali in acciaio inox utilizzati per l indagine geoelettrica effettuata. Occorre aver cura di non dare corrente agli elettrodi quando sono ancora maneggiati dagli operatori, poiché in caso di alti potenziali c è rischio di elettrocuzioni potenzialmente letali. I dati dei rilievi geoelettrici sono usualmente presentati in forma di valori di resistività apparente: questa è definita come la resistività di un semispazio elettricamente omogeneo ed isotropo che presenti gli stessi rapporti misurati tra la corrente applicata e la differenza di potenziale per una data disposizione e spaziatura degli elettrodi. Un equazione che dia la resistività apparente in funzione di corrente applicata, distribuzione del potenziale e disposizione degli elettrodi può essere sviluppata attraverso l esame della distribuzione di potenziale dovuta ad un singolo elettrodo di corrente; da questa, per sovrapposizione, può essere ricostruito l effetto di una coppia di elettrodi o di ogni altra combinazione. Si consideri un elettrodo puntiforme in un mezzo semi-infinito elettricamente omogeneo, che rappresenta un ipotetico terreno omogeneo: se questo porta corrente, il potenziale in ogni punto del mezzo o sulla superficie limite del semispazio è dato da: I U = ρ (1) 2π r Dove U = potenziale in Volt; ρ = resistività del mezzo in Ohm m; r = distanza dall elettrodo in m; I = intensità di corrente immessa in Ampere. Per una coppia di elettrodi, con corrente I nell elettrodo A e corrente I nell elettrodo B, il potenziale in un punto è dato da dalla somma algebrica dei singoli contributi: U I I ρi 1 1 = ρ ρ = (2) 2πrA 2πrB 2π ra rb Dove r A e r B sono le distanze del punto dagli elettrodi A e B. In aggiunta agli elettrodi di corrente, la Fig. 3 mostra una coppia di elettrodi M e N, tra i quali viene misurata la differenza di potenziale V. Seguendo l equazione (2), la differenza di potenziale risulta così definita: V = U M U N ρi 1 1 = 2π AM BM 1 + BN 1 AN 5 (3)

6 Dove U M e U N sono i potenziali in M e N; AM, BM, BN e AN sono le distanze effettive tra gli elettrodi. La quantità tra parentesi quadra, funzione della spaziatura tra gli elettrodi, può essere indicata con la notazione 1/K, il che permette di riscrivere l equazione come: V ρi 1 = (4) 2π K E risolvendo per la resistività: V ρ = 2πK (5) I La resistività del mezzo può quindi essere ricavata dai valori misurati di V, I e dal fattore geometrico K, funzione unicamente della disposizione elettrodica. Nelle misure reali sul terreno, la notazione ρ relativa ad un mezzo fittizio è sostituita da ρ a o resistività apparente. Il rilevamento geoelettrico consiste nell uso dei valori di resistività apparente derivati da misure di campo in vari punti e con diverse configurazioni per stimare la vera resistività dei diversi strati e ricostruire spazialmente i loro limiti al di sotto della superficie topografica. Una configurazione di elettrodi con spaziatura costante viene utilizzata per riconoscere variazioni laterali di resistività apparente che possono riflettere variazioni litologiche. Per indagare sui cambiamenti in profondità, si aumenta la spaziatura degli elettrodi. 3 - PROPRIETÀ ELETTRICHE DI ROCCE E SEDIMENTI La maggior parte delle rocce presenta caratteri di conducibilità di tipo elettrolitico dato che, con le eccezioni di alcuni minerali metallici, quasi tutti i minerali sono isolanti. La conducibilità è dovuta quindi essenzialmente all acqua interstiziale ed è in larga misura funzione della porosità, del contenuto d acqua e della quantità di sali disciolti nell acqua. La presenza di fluidi nel sottosuolo fa si che rocce e terreni, attraversati dalla corrente, si comportino relativamente come dei buoni conduttori di elettricità; al contrario le strutture con scarso contenuto di fluidi come rocce asciutte non fratturate e cavità naturali o di natura antropica si comportano come dei cattivi conduttori di calore, se non addirittura come degli isolanti. Pertanto le geometrie sepolte rispondono al flusso di corrente artificiale, immessa con diverse modalità, in funzione del parametro fisico che regola tale comportamento: la resistività elettrica ρ (Ohm m). La resistività è pertanto una proprietà assai variabile, anche all interno della stessa formazione: ciò è particolarmente vero per i materiali poco consolidati prossimi alla superficie, come detriti e regolite. Nelle tabelle 1 e 2 sono forniti alcuni valori indicativi della resistività di rocce e sedimenti, valori che vanno utilizzati con le limitazioni suddette. La Tab. 1 mostra gli intervalli di resistività per alcuni litotipi, e, come si può osservare, spesso questi valori si sovrappongono e ciò rende problematica la fase di identificazione della roccia. La Tab. 2 associa gli intervalli di resistività (ρ) a quelli di porosità (φ). 6

7 Tab. 1 Valori indicativi di resistività (Ohm m) di alcuni litotipi. Tab. 2 Valori indicativi di resistività (Ohm m) e di porosità (%) di alcuni litotipi. 4 - STENDIMENTO WENNER Il metodo Wenner è di tipo simmetrico con uguale spaziatura a tra gli elettrodi di corrente I (Ampere) indicati con le sigle A e B e due elettrodi di potenziale V (Volt) indicati con le sigle M e N (Fig. 5.a). Per i SEV (Sondaggi Elettrici Verticali con metodi quadripolari) l intero allineamento viene allargato aumentando a di un valore congruo con la profondità da investigare (Fig. 5.b). In particolare, per i SEV non molto profondi, può essere adottato lo schema di misure riportato in Tab. 3. Per i SEO (Sondaggi Elettrici Orizzontali) l intero allineamento viene traslato su stesso per rilevare eventuali variazioni laterali di resistività elettrica (Fig. 5.c). Nella configurazione di Wenner il fattore geometrico è dato da: K = 2πa (6) Per ogni spaziatura elettrodica vengono misurati i valori di potenziale V (Volt) agli elettrodi M e N e, contemporaneamente, vengono misurati i valori di intensità di corrente I (Ampere) immessa nel terreno per mezzo degli elettrodi A e B. Il potenziale elettrico V e la corrente I misurati permettono di calcolare i valori di resistività apparente ρ a del terreno applicando la seguente formula: V ρa = 2πa (7) I 7

8 Fig. 5 Stendimento Wenner: a) schema di disposizione degli elettrodi; b) progressivo allargamento della distanza elettrodica a per l esecuzione dei sondaggi elettrici verticali (SEV); c) progressiva traslazione dello stendimento elettrodico per un Sondaggio Elettrico Orizzontale (SEO). LETTURA (n ) SPAZIATURA a TRA GLI ELETTRODI (m) Tab. 3 Schema di misure per l esecuzione di sondaggi elettrici verticali col metodo Wenner per una profondità di investigazione di circa 7-8m. 8

9 5 - STENDIMENTO SCHLUMBERGER Il metodo usa una coppia di elettrodi di potenziale MN tra loro molto vicini e una coppia di elettrodi di corrente AB posti a distanza maggiore (Fig. 6.a). Lo stendimento può essere simmetrico o asimmetrico. Per la distanza elettrodica MN che tende a zero. La quantità V/2b si avvicina al valore di gradiente di potenziale nel punto mediano dello stendimento. Fig. 6 Stendimento Schlumberger: a) schema di disposizione degli elettrodi; b) stendimenti successivi per l esecuzione dei sondaggi elettrici verticali (SEV) e relativo grafico distanza-resistività apparente; c) Sondaggio Elettrico Orizzontale (SEO) con stendimento asimmetrico e progressivo spostamento degli elettrodi di misura; d) SEO con stendimento simmetrico e spostamento di tutto lo stendimento con distanze fisse. Nei Sondaggi Elettrici Verticali (SEV) la spaziatura AB viene progressivamente aumentata mantenendo costante quella tra gli elettrodi MN. Al crescere delle spaziature AB risulta necessario, ad un certo punto, incrementare la distanza MN per avere una differenza di potenziale misurabile. Ogni volta che si aumenta MN si deve ridurre AB per avere una parziale sovrapposizione di dati. Una sequenza di spaziature utilizzabile come schema di misure è dato in Tab. 4. 9

10 Tab. 4 Schema di misure per l esecuzione di sondaggi elettrici verticali col metodo Schlumberger. Nei SEO (Sondaggi Elettrici Orizzontali) lo stendimento Schlumberger può essere usato in maniere differenti. Un primo metodo consiste nell usare una spaziatura larga per AB e muovere MN lateralmente tra di essi (Fig. 6.c). La sola limitazione è che gli elettrodi MN non devono avvicinarsi agli elettrodi A o B a una distanza inferiore a 4MN. Un secondo metodo consiste nel muovere lateralmente l intero stendimento mantenendo una geometria costante (Fig. 6.d). Per stendimenti simmetrici la resistività apparente è data da: V ρ a = K (8) I Dove K ( a 2 2 b ) = π (9) 2b Dato che b (MN/2) è molto piccolo la precedente espressione (9) viene semplificata con la seguente: 2 πa K = (10) 2b 10

11 Per stendimenti asimmetrici il coefficiente K nella (8) sarà: K 2π = a x b a + x + b a x + b a + x b (11) Dove a, b, x sono definiti nella Fig INDAGINE EFFETTUATA In data 26/01/2008 è stata eseguita una prospezione geoelettrica con misure multielettrodo di resistività, al fine di determinare le caratteristiche elettriche dei litotipi presenti in area progettuale e di ricercare e individuare presunte cavità nel sottosuolo. In particolare, l indagine geoelettrica è stata effettuata con una acquisizione multielettrodo in configurazione Wenner-Schlumberger64 con un totale di 1765 misure. La fase di acquisizione è stata preceduta dalla verifica dell assenza di resistenze di contatto, ovvero quel valore di resistenza proprio non del mezzo da investigare ma dell interferenza elettrica data da uno scadente contatto elettrodo-terreno. Dopo aver verificato il buon contatto elettrico tra gli elettrodi e il mezzo da investigare (pavimentazione) si è proceduto alla fase di acquisizione. Per l indagine sono stati utilizzati 64 elettrodi in acciaio inox (Fig. 4) con spaziatura di 1.2m per un totale di 75.6m di stendimento multielettrodico. La lunghezza di tale stendimento è stata sufficiente a determinare l elettrostratigrafia del terreno fino alla profondità di 14m dal p.c. L indagine è stata effettuata con GEORESISTIVIMETRO MAE A3000E (Fig. 7), acquisitore digitale modulare per prospezione geoelettrica multielettrodo. Il Georesistivimetro è dotato di un sistema di gestione automatica degli elettrodi, in grado cioè di commutare gli elettrodi disposti lungo la sezione da investigare in elettrodi di immissione di corrente (punti di energizzazione del terreno) e in elettrodi di misura del potenziale elettrico con tutte le possibili combinazioni quadripolari (in questo caso tutte le combinazioni quadripolari di Wenner e di Schlumberger per un totale di 1765 misure). Fig. 7 Georesistivimetro MAE A3000E. 11

12 Il georesistivimetro della MAE A3000E è uno strumento compatto e versatile e viene utilizzato per indagini geoelettriche dettagliate con molteplici possibilità di impiego: Misure multielettrodo per tomografie 2D e 3D di resistività elettrica, con configurazioni di acquisizione di tipo Dipolo-dipolo/Wenner/Wenner Schlumberger, per ricerche di cavità naturali o antropiche, geoarcheologia, corpi e strutture sepolti, ricerche d acqua; Misure quadripolari per SEV - Sondaggi elettrici verticali, con stendimenti elettrodici di tipo Wenner/Schlumberger, per ricerche d acqua; Misure multielettrodo per tomografie 2D e 3D di polarizzazione indotta (caricabilità) con configurazioni di acquisizione di tipo Dipolo-dipolo/Wenner/Wenner Schlumberger, per ricerca plume inquinanti e corpi metallici; Misure dei potenziali spontanei per localizzazione di perdite dalla geomembrana (berma impermeabile) in aree di discarica e per la definizione della geometria del corpo della discarica. Per lo stendimento elettrodico effettuato sono stati utilizzati dei box di espansione (Fig. 8) per misure multielettrodo con un totale di 64 canali (8 box - N.8 canali cad.) e connettori con cavi per collegamenti fra box e georesistivimetro e fra box e box in cascata. Fig. 8 Box MAE 8 canali per misure multielettrodo collegato tramite connettori agli elettrodi e, in cascata, agli altri box e al georesistivimetro. I dati ottenuti in fase di acquisizione hanno consentito la costruzione di una matrice di valori di resistività la cui inversione, mediante complessi algoritmi matematici, ha restituito la definizione della distribuzione di resistività elettrica del mezzo investigato. Le misure di resistività acquisite sono state elaborate tramite software di inversione RES2DINV della GEOTOMO INTERNATIONAL. La strumentazione utilizzata è conforme alle seguenti norme: DIRETTIVE Compatibilità elettromagnetica: 89/336/CE Direttiva bassa tensione: 73/23/CE Pertanto la strumentazione è stata dotata di marcatura CE 12

13 7 - INTERPRETAZIONI E CONCLUSIONI Di seguito si riporta la tomografia 2D di resistività elettrica (Fig. 10) ottenuta dall indagine geoelettrica eseguita. La tomografia è stata ottenuta con robusto metodo di inversione Gauss- Newton per il calcolo della matrice di Jacob. Le condizioni meteorologiche in fase di acquisizione dati erano buone con tempo sereno e venti moderati mentre la pavimentazione stradale, costituita da basoli lavici, risultavano asciutti. Fig. 9 Elettrodi 45, 46 e 47 in corrispondenza della facciata esterna dell edificio interessato dai lavori di ricostruzione. Elettrodo 47 Elettrodo 46 Elettrodo 45 ENE WSW ELETTRODO 41 ELETTRODO 50 ELETTRODO 46 Fig Tomografia 2D di resistività elettrica (Ohm m) relativa allo stendimento elettrodico effettuato. 64 elettrodi. Spaziatura elettrodica 1.2m. Totale lunghezza stendimento 75.6m misure di resistività. Configurazione multielettrodo di tipo Wenner-Schlumberger64. La sezione bidimensionale elettrotomografica è stata corretta topograficamente in quote assolute. 13

14 Come si può osservare dalla sezione bidimensionale elettro-tomografica (Fig. 11), si ritrovano valori medio-bassi di resistività (circa Ohm x m) in superficie fino a profondità variabili. Questo comportamento è direttamente collegato con la presenza di litologie tufacee (Tab. 2), in accordo con la litostratigrafia dell area costituita essenzialmente da prodotti rimaneggiati di origine vulcanica in superficie e da tufo litoide a composizione riolitica in profondità. Valori di resistività elettrica mediobassi (circa Ohm x m), caratteristici di litologie tufacee, in accordo con la litostratigrafia dell area. ENE WSW Fig Tomografia 2D di resistività elettrica (Ohm m) relativa allo stendimento elettrodico effettuato. Tab. 2 Valori indicativi di resistività (Ohm m) e di porosità (%) di alcuni litotipi. 14

15 Ciò che risulta evidente dall analisi della sezione bidimensionale elettro-tomografica ottenuta è la presenza, limitatamente al sottosuolo dell area investigata, di una anomalia ad alta resistività di circa 13000Ohm x m (Fig. 12). Tale anomalia non è compatibile con i valori di resistività elettrica del tufo riolitico e, pertanto, rappresenterebbe verosimilmente una cavità, probabilmente di origine antropica, la cui volta si troverebbe alla profondità di circa 5m dal p.c.. ENE WSW Valori di resistività elettrica elevati (circa 13000Ohm x m), non compatibili con i valori di resistività elettrica del tufo riolitico. È quindi ragionevole supporre la presenza di una cavità antropica. Fig Tomografia 2D di resistività elettrica (Ohm m) relativa allo stendimento elettrodico effettuato. La sezione elettro-tomografica ottenuta mostra un ulteriore aspetto di notevole importanza (Fig. 13). Si rilevano, infatti, 5 anomalie di bassa resistività (2-10Ohm x m). Tali valori di bassissima resistività elettrica sono direttamente collegati con infiltrazioni di acqua (Tab. 2) la cui circolazione idrica preferenziale risulta avere una componente sub-verticale e una componente ortogonale alla sezione (da monte a valle, ovvero da SSE verso NNW). Ciò risulta particolarmente evidente dai valori di bassa resistività elettrica che si ritrovano intorno all anomalia ad alta resistività. Le suddette affermazioni trovano riscontro dalle osservazioni fatte sul posto, internamente al manufatto oggetto di ricostruzione, dove è stata rilevata la presenza di acqua alla base della muratura lato monte (lato SSE del fabbricato). Tali infiltrazioni di acqua potrebbero ragionevolmente provenire da perdite di tubazioni e/o fognature poste a monte del fabbricato, lungo la strada parallela a via Corridoio, e potrebbero far peggiorare le caratteristiche geotecniche del terreno fondale compromettendo la stabilità del fabbricato oggetto di intervento. In tal senso sarebbe necessario investigare ulteriormente su tali perdite d acqua diffuse e intervenire per la sistemazione delle condotte perdenti. Va altresì esplicitato che le indagini di geofisica applicata (nella fattispecie le indagini geoelettriche) costituiscono solo un aspetto di un approccio multifase e sequenziale dell esecuzione di un lavoro a base geologica. Le osservazioni e le misure dirette, di tipo geologico e geotecnico, non sono sostituibili da prove geofisiche indirette: sondaggi e prove geotecniche in situ sono invece vantaggiosamente impiegati per confermare e calibrare i risultati geofisici e migliorare l accuratezza delle conclusioni. Si consiglia pertanto l esecuzione di ulteriori indagini (sondaggi a carotaggio continuo e/o rilievo topografico e strutturale di dettaglio della cavità, qualora questa risultasse accessibile) per validare i risultati della presente relazione. 15

16 I valori di bassa resistività elettrica (2-10Ohm x m) sono direttamente collegati con infiltrazioni di acqua (Tab. 2) la cui circolazione idrica preferenziale risulta avere una componente sub verticale e una componente ortogonale alla sezione (da monte a valle ovvero da SSE verso NNW). ENE WSW Fig Tomografia 2D di resistività elettrica (Ohm m) relativa allo stendimento elettrodico effettuato. Tab. 2 Valori indicativi di resistività (Ohm m) di alcuni litotipi e dell acqua. 16

17 E40 E41 E42 Fig Planimetria area di indagine con ubicazione stendimento multielettrodico (linea rossa) ed elettrodi (cerchi rossi). E43 E44 E45 E46 E47 E48 E49 E50 E51 E52 E53 E54 E55 E56 E57 E58 Pompei lì, 29 gennaio 2008 Dott. Geologo Marco Catalano 17