METODI GEOFISICI A CAMPO ELETTRICO. (per gli studenti di Geofisica Generale e Applicata di Roma Tre AA12/13) Antonio Meloni.

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1 METODI GEOFISICI A CAMPO ELETTRICO (per gli studenti di Geofisica Generale e Applicata di Roma Tre AA12/13) Antonio Meloni (38 pagine)

2 Geolelettrica La geoelettrica si basa sull immissione di correnti elettriche nel terreno con due o più elettrodi, detti "elettrodi di corrente", e sulla misura della tensione (differenza di potenziale) raccolta tra altri due elettrodi, detti "di potenziale". A seconda della distanza reciproca tra gli elettrodi che immettono la corrente e gli altri due che la misurano si possono indagare profondità sempre maggiori di terreno. Il parametro che viene misurato è la resistività elettrica che dipende dalla porosità, dalla permeabilità e dal contenuto ionico dei fluidi di ritenzione. Fra i metodi geolelettrici vengono annoverati anche altri metodi: SP (Self Potential) e IP (Induced Polarization)

3 Induced Polarization (IP) - This is an active method that is commonly done in conjunction with DC Resistivity. It employs measurements of the transient (shortterm) variations in potential as the current is initially applied or removed from the ground. It has been observed that when a current is applied to the ground, the ground behaves much like a capacitor, storing some of the applied current as a charge that is dissipated upon removal of the current. In this process, both capacitive and electrochemical effects are responsible. IP is commonly used to detect concentrations of clay and electrically conductive metallic mineral grains. Self Potential (SP) - This is a passive method that employs measurements of naturally occurring electrical potentials commonly associated with the weathering of sulfide ore bodies. Measurable electrical potentials have also been observed in association with ground-water flow and certain biologic processes. The only equipment needed for conducting an SP survey is a high-impedence voltmeter and some means of making good electrical contact with the ground.

4 I tre meccanismi di conduzione elettrica (o ohmica). A) Il primo elettronico, ha luogo nei metalli e in parte nei cristalli. La conduzione elettronica è data dalla comune velocità di drift che assumono nei metalli gli elettroni liberi quando il metallo è sottoposto ad un campo elettrico; in questo caso infatti, anche in dipendenza dall intensità del campo applicato, la velocità di drift prevale sulla naturale agitazione termica. I metalli hanno bassa resistività. B) In alcuni cristalli, come nei minerali silicatici, è prevalente un meccanismo detto di semi-conduzione. In questi materiali la resistività elettrica è più elevata rispetto ad un metallo ma minore rispetto ad un isolante. Nei silicati gli elettroni liberi che possono contribuire alla conduzione sono in numero minore che nei metalli ma non sono rigidamente legati agli atomi come avviene negli isolanti. Un campo applicato ad un semiconduttore genera un flusso di cariche negative e positive in direzioni opposte. Se prevale la corrente trasportata dalle cariche negative la conduzione sarà di tipo n, se prevalgono le cariche positive la conduzione sarà di tipo p.

5 C) L ultimo tipo di conduzione viene chiamata elettrolitica e ha luogo nelle soluzioni acquose che contengono ioni liberi. In acqua ad esempio le molecole di H 2 O sono polari ossia sono sede di un forte campo elettrico dovuto al momento elettrico permanente della molecola. Questo campo tende a separare le molecole dei sali sciolti in acqua generando cariche ioniche positive e negative (ad esempio NaCl Na+, Cl-). Le soluzioni prendono il nome di elettroliti e gli ioni presenti possono essere mobilizzati da un campo elettrico esterno permettendo un flusso di corrente elettrica. La resistività di un elettrolita è generalmente più elevata di quella di un metallo.

6 Gli isolanti Gli isolanti non hanno elettroni liberi, gli elettroni sono distribuiti simmetricamente attorno al nucleo. L'applicazione di un campo elettrico causa in questo caso una distorsione dell atomo forzando gli elettroni in direzione opposta a quella del nucleo, facendo acquisire all'atomo una polarizzazione (dipolo elettrico). Se il campo elettrico applicato alla sostanza è costante nel tempo la polarizzazione non ha effetto sulla conduzione dielettrica. L'applicazione di un campo elettrico alternato invece agisce sulla polarizzazione del mezzo contribuendo con la trasmissione di una corrente alternata e quindi influenzando la conducibilità effettiva del mezzo. Nella pratica quest'effetto dipende dalla frequenza del campo inducente, maggiore è la frequenza, maggiore l'effetto della conduzione dielettrica

7 In conclusione i meccanismi fisici ora esposti possono essere utilizzati per rendere conto dei vari tipi di conducibilità delle rocce terrestri. In prima approssimazione questa conducibilità dipende dalla resistività dei minerali di cui sono formate. Ma oltre ai minerali nelle rocce porose sono presenti fluidi. Questi fluidi nella maggior parte dei casi sono costituiti da acqua con il loro contenuto salino e quindi sono soggetti anche a una conduzione di tipo elettrolitico normalmente più rilevante di quella dei minerali che le compongono. Nel caso della crosta terrestre quindi questo contributo è molto rilevante. Gli idrocarburi hanno invece generalmente una resistività molto elevata.

8 PROPRIETÀ ELETTRICHE DEL SISTEMATERRA-ATMOSFERA La Terra possiede un campo elettrico proprio. Durante le manifestazioni temporalesche questo diviene più evidente a causa della presenza delle fulminazioni. La Terra si comporta infatti in questo caso come un corpo carico negativamente, alla superficie il valore del campo elettrico risulta orientato radialmente ed è di circa -200 V/m. L'atmosfera è invece sede di una carica positiva uguale (ma opposta) a quella della Terra. La fulminazione è la manifestazione di una improvvisa scarica fra i due mezzi. La causa primaria dello stato elettrico della bassa atmosfera proviene dal continuo bombardamento da parte dei raggi cosmici. I raggi cosmici primari, di origine galattica, consistono principalmente di protoni e particelle, che collidendo con i nuclei del gas presente nell alta atmosfera, producono sciami di raggi cosmici secondari anche essi costituiti di protoni, neutroni, elettroni e altre particelle elementari. L'atmosfera quindi è costituita in gran parte di cariche elettriche che il campo elettrico della Terra tende ad accelerare, le cariche positive si muovono verso la Terra stessa e le negative in direzione opposta. La carica negativa della Terra viene mantenuta dall'attività temporalesca. Il meccanismo delle fulminazioni non è ancora completamente compreso, ma è noto comunque che un fulmine deposita cariche negative verso la Terra e questa attività, molto intensa a livello globale specialmente nella fascia equatoriale, mantiene appunto un valore negativo alla carica elettrica terrestre nel suo complesso.

9 Lo stato elettrico dell atmosfera non e puramente statico ma è almeno stazionario. E necessario comunque distinguere due situazioni di tempo atmosferico Buono e Disturbato. In condizioni Buone il campo elettrico al suolo si attesta sui valori E 0 120V/m (diretto verso il basso), che implica una densità superficiale di carica sulla Terra che si può stimare da E 0 = / 0 e che fornisce per un valore di 1.1 nc/m 2. Dal momento che il campo E decresce rapidamente con la quota, questo vuol dire che nell atmosfera è presente una lieve carica positiva spaziale Quindi: de/dz= / 0 Il potenziale elettrico che si può ricavare dal campo E sarà: V(z)= - Edz La concentrazione di cariche elettriche in aria (al suolo) è di circa m -3. Dal momento che E decresce rapidamente con la quota V aumenta rapidamente nei primi strati atmosferici tendendo ad un valore quasi costante in quota. Il suo valore finale è di circa V a 20 km.

10 World map showing frequency of lightning strikes, in flashes per km² per year (equal-area projection). Lightning strikes most frequently in the Democratic republic of Congo. Combined data from the Optical Transient Detector and data from the Lightning Imaging Sensor.

11 La possibilità di ottenere collegamenti radio in grado di superare la curvatura terrestre, portò negli anni venti del 1900 alla scoperta della ionosfera, uno strato altamente conduttivo molto piu alto della troposfera, che riflette le onde radio. In ionosfera sono presenti strati principali (o regioni) cui fu dato il nome di: LA IONOSFERA E (h km; N elettroni/m 3 ), F1 (h km; N elettroni/m 3 ) F2 (h km; N elettroni/m 3 ) Nella ionosfera la densità elettronica viene considerata uguale alla densità ionica e quindi, la carica totale del gas (plasma) viene considerata nulla. Nella ionosfera è presente inoltre, solo di giorno, un altro strato più basso dell E, detto D. Le regioni F1 e F2 di notte divengono uno strato unico (F). Anche in ionosfera si distingue uno stato Buono e uno Disturbato.

12 La presenza della ionosfera e del suolo terrestre realizza due strati concentrici conduttori: la ionosfera e la Terra e fra di essi uno strato quasi isolante, l atmosfera, che costituisce una cavità. Questo condensatore naturale ha un mezzo interposto le cui caratteristiche dielettriche sono variabili nel tempo. Le caratteristiche del condensatore sono in media: R= 220 Carica Totale= C I= 1350 A DDP= V Capacità= 1.8 F La corrente elettrica fra le placche è circa A/m 2. Per mantenere questo equilibrio dinamico deve essere presente un meccanismo di continua ricarica che trasporti cariche positive dalla Terra all atmosfera. L ipotesi è che il meccanismo di carica risieda nella continua attività temporalesca che ha luogo sistematicamente nel globo terrestre. Una tipica fenomenolgia della cavità inosferica sono le Risonanze Schumann, picchi nella porzione ELF dello spettro electromagnetico della Terra. Le dimensioni limitate della cavità agisce come una guida d onda per queste frequenze che vengono rilevate da particolari strumentazioni. L eccitazione è sempre dovuta alle fulminazioni.

13 Allo stato naturale le rocce sono permeate da una certa quantità di acqua. La resistività ρ r dipende dalle caratteristiche elettriche della soluzione acquosa che le permea ρ w, secondo l espressione: ρ r = F ρ w F = fattore di formazione della roccia F = (an -m S -k ) ARCHIE (1942) n = porosità; S = grado di saturazione (V w /V v ); a = parametro funzione della tortuosità delle vie di interconnessione dei pori; m = parametro funzione del grado di cementazione; k = parametro generalmente pari a 2.

14 I metodi geoelettrici misurano, mediante una serie di elettrodi infissi I metodi nelgeoelettrici terreno, misurano, m secondo diversi tipi di stendimenti, la resistività elettrica del terreno (ρ). la resistenza che i litotipi offrono alla circolazione di corrente elettrica è: elevata in suoli o strati rocciosi incontaminati a basso contenuto di umidità mediamente elevata in terreni inquinati da composti organici relativamente bassa in terreni inquinati da composti inorganici Dipende: dal contenuto d acqua interstiziale, dalla temperatura, dal contenuto di gas disciolti nell acqua, dalla presenza di ioni liberi. Detta I l intensità di corrente elettrica [A] applicata al terreno per mezzo di due elettrodi A e B, detti di corrente, collegati ad una batteria, e V [V] la differenza di potenziale misurata tra altri due elettrodi M e N, detti di potenziale, allora la resistività [Ω m] del terreno è data da: I=V/R R=ρL/A J=I/A E= dv/dl J=V/RA J=V/ρL ρ=v/jl ρ=v/i x (A/L) dove K [m] rappresenta un fattore geometrico dipendente dalla disposizione geometrica dei quattro elettrodi (stendimento).

15 Profilo di resistività Configurazione minima di 4 elettrodi, ma il numero può essere più elevato. Si immette una corrente continua tra due elettrodi (A e B) e si misura la differenza di potenziale che si genera in altri due (M e N) che dipende dalla resistività del terreno attraversato dalla corrente. Ogni formazione ha resistività diversa e si sfrutta l esistenza di salti di resistività per individuare le interfacce tra formazioni. Tecnica particolarmente utile per individuare il substrato roccioso (r>1500 Wm) o la falda (per terreno saturo r<1500 Wm a seconda della granulometria)

16 Caso dell immissione di correnti continue nel terreno E= -grad U U= - E dr

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19 D B B

20 Date le caratteristiche di anisotropia del terreno, la resistività misurata è un valore apparente rappresentativo di un volume. Questa dipende dalla distanza fra i due elettrodi di corrente determinando l estensione, e quindi anche lo spessore ispezionato. Vengono eseguiti sondaggi elettrici verticali (SEV), con i quali si cerca di valutare le variazioni di resistività con la profondità facendo diverse misure per diverse distanze degli elettrodi di corrente, espandendo lateralmente gli stendimenti (in maniera logaritmica). I dati sono riportati in diagrammi detti di resistività. Con la strumentazione solitamente utilizzata si raggiungono profondità tipiche di 30 m. Profondità di penetrazione e spaziatura elettrodica

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22 VES per un caso a 2 strati ρ1 ρ2 ρ2 > ρ1 ρ2 < ρ1

23 VES per un caso a 3 strati ρ1 ρ2 ρ3

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25 VES per un caso a 4 strati

26 Si possono effettuare anche sondaggi elettrici orizzontali (SEO), o electrical profiling, con lo scopo di evidenziare le variazioni laterali della resistività. Al fine di realizzare un SEO: con lo stendimento di Wenner: i quattro elettrodi vengono spostati in blocco lungo una determinata direttrice con lo stendimento di Schlumberger: si mantengono fissi a distanza relativamente elevata gli elettrodi di corrente A e B e si muovono solamente quelli di potenziale M e N lungo una determinata direttrice. L esecuzione di più SEO in direzioni parallele e normali tra loro consente di disegnare delle curve di isoresistività apparente e quindi di costruire una carta di resistività laterale alle varie profondità. Possono capitare risultati di difficile interpretazione a causa del presentarsi di cuspidi.

27 I Contatti verticali, SEO (anche vertical profiling )

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29 Sounding combinati tra VES e profili Aumentando progressivamente la distanza tra gli elettrodi facendo Pseudo-Sezioni con Wenner effettuando inoltre misurazioni multiple lungo gli assi orizzontali. Il metodo fornisce i dati per due interpretazioni dimensionali del sottosuolo.

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31 LA PRATICA DELLE MISURE IN CAMPAGNA Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia Metodi Geoelettrici Tomografia elettrica Sistema multielettrodico

32 La tomografia elettrica è una tecnica di indagine realizzata con acquisizione di un elevato numero di misure elettriche mediante numerosi elettrodi posti in superficie lungo profili : si ottiene così la distribuzione, lungo una sezione verticale, della resistività nel sottosuolo. Nella figura si evincono i limiti nella risoluzione laterale. Dispositivo Wenner C= corrente P= potenziale

33 Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia Costruzione di una pseudosezione

34 Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia Strumentazione per tomografia elettrica Unità centrale cavo Unità di gestione elettrodi elettrodo

35 Profilo di resistività da geoelettrica

36 Profilo di resistività da geoelettrica

37 Profilo stratigrafico da geoelettriche

38 PROFILI DI RESISTIVITA