C.R.A.- A.B.P., Centro di ricerca per l Agrobiologia e la Pedologia, Piazza M. d Azeglio, 30, 50121, Firenze.

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1 Rilevamento pedologico tramite l utilizzo di sensori basati sull induzione elettromagnetica. Un approccio per la cartografia dettagliata dei suoli e per il riconoscimento di anomalie superficiali e sottosuperficiali. Simone Priori *, socio A.I.P. C.R.A.- A.B.P., Centro di ricerca per l Agrobiologia e la Pedologia, Piazza M. d Azeglio, 30, 50121, Firenze. priorisimone@gmail.com. Introduzione I metodi geofisici sono largamente utilizzati sia per studi geologici, quali ricerca e dimensionamento degli acquiferi, studio di strutture sepolte, ricerca idrocarburi, sia per studi archeologici per la ricerca di manufatti e edifici sepolti. Questo perché sono metodi non invasivi, relativamente economici e possono indagare un vasto volume di terreno in breve tempo. Alcuni di questi metodi possono essere applicati alla pedologia? E quali dati utili possono essere rilevati tramite questi metodi? In questo articolo vengono riportati i principi di utilizzo e le applicazioni di un metodo che da alcuni anni viene utilizzato nella pedologia e negli studi applicati all agronomia: l utilizzo dei sensori ad induzione elettromagnetica (EMI sensors). Come vedremo in seguito, sebbene il metodo abbia alcune limitazioni e debba essere migliorato, può avere moltissime applicazioni in pedologia e può essere l arma vincente nella cartografia di estremo dettaglio. Principi Il parametro principale misurato dai sensori ad induzione elettromagnetica (d ora in poi chiamati sensori EMI, elettromagnetic induction) è la conducibilità elettrica. Questa è la capacità di un materiale di condurre corrente elettrica e in geofisica viene generalmente misurata in ms/m. La resistività è il suo inverso e viene misurata in Ohm x m. Ogni tipo di materiale ha una propria conducibilità elettrica (EC), perciò dalla misura di questo parametro possiamo risalire al materiale investigato. Ad esempio le rocce poco fratturate hanno valori di conduttività generalmente inferiori a 1 ms/m, la sabbia ha valori tra 1 e 10 ms/m, l argilla tra 25 e 100 ms/m, mentre l acqua può variare la conducibilità a seconda dei sali disciolti da pochi ms/m fino a circa 1000 ms/m. Ovviamente, il suolo, come ogni altro materiale geologico, non è uniforme, perciò quello che andremo a misurare sarà una conducibilità elettrica apparente (ECa), ovvero il valore medio della conducibilità nel volume di terreno indagato. Starà a noi, successivamente, interpretare questo dato, come del resto avviene in qualsiasi prospezione geofisica. Ma come funziona un sensore EMI?

2 Fig.1: Principi di funzionamento di un sensore EMI. La base di un qualsiasi sensore EMI è costituita da una spirale trasmittente ed una ricevente, distanziate in maniera opportuna e con geometrie e caratteristiche variabili da strumento a strumento. La spirale trasmittente, percorsa da corrente elettrica, emette un campo magnetico primario che si propaga nell aria e nel suolo. Questo campo, attraversando il suolo, produce una corrente elettrica indotta che attraversa il suolo più o meno facilmente a seconda della propria conducibilità elettrica. La corrente elettrica indotta produce un campo magnetico secondario che, arrivando alla spirale ricevente, viene di nuovo trasformato in corrente elettrica e quindi misurato. La profondità del campo magnetico primario, quindi la profondità d indagine, varia a seconda della distanza delle spirali, della loro orientazione, dell altezza dalla superficie e della frequenza del segnale emesso. Teoricamente, maggiore è la distanza tra le spirali e minore è la frequenza del segnale, più il sensore può indagare in profondità. Esistono, infatti, due tipologie principali di sensori EMI: quelli a frequenza costante, ma dalla geometria più complessa (Geonics EM38, EM31; Dualem, GF instruments, MiniEM) e quelli multifrequenza (Geophex GEM e GSSI Profiler). I primi sono i più utilizzati ed i meglio conosciuti, mentre i secondi possono indagare a profondità più elevate mantenendo le dimensioni dello strumento ridotte. Entrambe le tipologie possono funzionare in configurazione verticale (HCP-horizontal coplanar or vertical dipole), ovvero con le spirali in posizione verticale, in configurazione orizzontale (VCP-vertical co-planar, horizontal dipole). Alcuni sensori (es. Dualem) possono lavorare in configurazione perpendicolare (PRP), ovvero con la spirale ricevente a 90 rispetto a quella trasmittente. Cambiando la tipologia di configurazione e la tipologia di suolo (molto conduttivo, molto resistivo) si può variare la profondità d indagine dello strumento. Perciò prima di utilizzare uno qualsiasi di questi strumenti è bene farsi un idea sulla tipologia di suolo con cui abbiamo a che fare e sulle profondità d indagine che ci interessano; così da scegliere il tipo di sensore, la configurazione e le frequenze di lavoro più adatte ai nostri scopi. Sicuramente, per gli studi pedologici, dobbiamo cercare una tipo di sensore ed una configurazione che non disperda il campo elettromagnetico a profondità più elevate di 2-3 m, altrimenti rischiamo di perdere tutti i dati di

3 superficie che più ci interessano. Perciò dovremmo utilizzare sensori con distanze tra le bobine piuttosto corte (circa 1 m) e con frequenze possibilmente alte. Un sensore EMI può essere utilizzato sia a mano, sia trainato da quad (fig.2) o trattori su apposite slitte. Nel primo caso i dati misurati e la posizione potranno essere registrati a mano oppure tramite datalogger collegato al GPS. Nel secondo caso, ovviamente i dati verranno registrati in continuo per mezzo del datalogger e del GPS. Particolare attenzione deve essere prestata affinché l altezza del sensore dalla superficie sia sempre la stessa, visto che questo parametro influisce molto sulla misura. Fig.2: Rilevamento tramite sensore EM38 della Geonics, trainato da un quad 4x4. Elaborazione dei dati I dati vengono scaricati dal datalogger in formato di testo (file.txt o.asc) e possono essere anche decine di migliaia se si sono registrati per mezzo di trazione meccanica. Si effettua perciò un filtraggio dei dati piuttosto complesso, che elimina gli errori di misura e i dati non rilevanti. Una correzione per la temperatura deve essere eseguita sulle misure di conducibilità, per normalizzare i dati alla temperatura di 25 C. A questo punto i dati possono essere interpolati tramite kriging al fine di ottenere una carta dell ECa con risoluzione scelta dall operatore. Possono essere utilizzati diversi programmi di geostatistica per l interpolazione kriging (Fig.3), tra cui lo stesso ArcGis. Fig.3: Esempio di carta della conducibilità elettrica apparente, interpolata con metodo kriging per celle di 0.5 m su dati del sensore Dualem 21-S in configurazione parallela a 2 m (2Hcp). La mappa è stata poi sovrapposta alla morfologia per avere un modello 3D del terreno. L elaborazione di questa carta è stata realizzata con il programma Surfer 8.0.

4 La conducibilità elettrica apparente non è un dato univoco del suolo e come tutte le misure geofisiche richiede una calibrazione per mezzo di osservazioni dirette. Dopo l elaborazione dei dati e l interpolazione si dovranno perciò individuare i punti da indagare per mezzo di profili o trivellate manuali. Questo per accertare quale parametro del suolo (argilla, sostanza organica, sali ecc.) ha inciso di più ed in che modo sulla misura dell ECa. Confronto tra sensori EMI e Georadar (GPR) Sebbene i sensori EMI possano sembrare simili ai GPR sia come funzionamento che come tipo di segnale, sono completamente differenti. Innanzitutto il principio dei GPR è quello di misurare il tempo di ritardo tra un onda elettromagnetica emessa e quella riflessa da un corpo o da uno strato più resistivo. Al contrario i sensori EMI non misurano il tempo di ritorno dell onda elettromagnetica secondaria, ma bensì l intensità. Perciò, mentre con i sensori EMI posso avere dei valori sulla conducibilità del suolo, con i GPR posso sapere la profondità a cui si trova una certa discontinuità. Inoltre le antenne GPR lavorano a frequenze molto più alte, ovvero tra circa 100 MHz e alcuni GHz, contro circa 1 90 khz dei sensori EMI. Se è vero che per alte frequenze delle onde elettromagnetiche si può raggiungere una sensibilità maggiore e anche vero che più la frequenza è alta, maggiormente le onde sono assorbite, specialmente nei materiali più conduttivi. Perciò mentre i GPR sono estremamente limitati nei terreni argillosi o in tutti quei terreni molto conduttivi, i sensori EMI non hanno questi problemi. Questi ultimi hanno una risoluzione più bassa per quanto riguarda le dimensioni, la forma e la profondità di una certa discontinuità nel terreno, ma possono valutare i piccoli cambiamenti molto meglio dei GPR. Infatti l utilizzo principale dei GPR è in archeologia, in ingegneria e in alcune applicazioni geologiche quali l individuazione della profondità del substrato, nello studio di fratture ecc. Confronto tra i sensori EMI e i georesistivimetri Un confronto migliore rispetto al precedente può essere fatto tra i sensori EMI e i georesistivimetri. Il principio su cui si basa il metodo geoelettrico è quello di determinare la resistività elettrica del suolo misurando la caduta di potenziale originata da una corrente applicata al terreno. Il metodo utilizza generalmente corrente continua o a frequenze molto basse, così da rendere trascurabili gli effetti induttivi. La geoelettrica è usata generalmente nelle prospezioni idrogeologiche e nelle indagini geologiche come studi stratigrafici, frane, ricerca cavità, ecc. Negli ultimi anni sono stati sviluppati anche sistemi geoelettrici per indagini superficiali a scopi pedologici e per l agricoltura di precisione. I più interessanti sono l Ohmmapper della Geometrics (U.S.A.), il Corim della Iris Instruments (Francia) e senz altro il sistema ARP (Automatic Resistivity Profiling) della Geocarta (Francia). I primi due sono simili ed in pratica si comportano come una piccola tomografia elettrica mobile, facendo strisciare gli elettrodi sul terreno. Il

5 problema maggiore di questi due sistemi e il contatto tra elettrodi e suolo, che spesso può non essere ottimale, specialmente in situazioni quali suoli scheletrici, dissestati ecc. L ARP ovvia, almeno in parte, a questo problema perché utilizza frangizolle dentati trainati da quad o da trattori (fig.4). Il sistema è provvisto di tre elettrodi riceventi che permettono di indagare la resistività elettrica apparente a tre differenti profondità di suolo, ovvero 0-50 cm, 0-1 m, m. La posizione esatta orizzontale e verticale viene ottenuta mediante l utilizzo di un GPS differenziale con precisione di circa 30 cm. Fig.4: Strumentazione ARP, Geocarta. Sebbene lo strumento sia molto efficace in molti settori di studio pedologico, non è esente da limitazioni e svantaggi. Ad esempio, il contatto con il terreno potrebbe non essere buono in particolari situazioni di suolo molto secco e molto sassoso. Inoltre il contenuto di umidità del suolo influenza molto il risultato finale, perciò dovremmo conoscere esattamente il contenuto d acqua nel suolo, tramite campionamenti mirati. Come vantaggio rispetto ai sensori EMI ha il fatto che è molto meno influenzato dai materiali di ferro presenti e dai campi elettromagnetici esterni, perciò non ha bisogno di calibrazioni particolari. Da ricordare, inoltre, che questo sistema è brevettato, perciò può essere eseguito solamente dalla Geocarta o da ditte partner. Applicazioni, pregi e difetti dei sensori EMI Il rilevamento tramite sensori EMI inizia ad essere largamente utilizzato soprattutto negli Stati Uniti, in Australia ed in centro Europa. Viene utilizzato principalmente e con ottimi risultati in campi agricoli o a pascolo piuttosto pianeggianti e con poco scheletro. In suoli scheletrici grossolani, tutti i tipi di sensori, compresi i georesistivimetri, sono ancora poco utilizzati ed incontrano ancora problemi dovuti non solo alle difficoltà logistiche, ma anche alle risposte più difficilmente controllabili. In ogni caso, le misure andranno di volta in volta controllate tramite trivellate, profili e osservazioni di campagna. Le carte di ECa realizzate con qualsiasi strumento, infatti sono le basi di

6 partenza da cui partire per un rilevamento di precisione, ma non possono dare una risposta univoca per un certo dato (tipo contenuto in argilla, in scheletro, sali ecc.). Il principale vantaggio che ha questo metodo è quello di rilevare le differenze di ECa fino a circa 10 ettari/giorno con precisione al cm, con metodi totalmente non invasivi e con l impiego di una sola persona. Possiamo, infatti, utilizzare lo strumento anche su slitte appositamente costruite e trainate da auto, quad o trattori e impostare la lettura dei valori ogni 50 cm, ogni metro ecc. Tuttavia, per elaborare i dati e tirare fuori il parametro che più ci interessa c è bisogno di una successiva campagna di trivellate o profili e campionamenti che, a questo punto, saranno estremamente mirati. Fig.5: Esempio di carta della conducibilità elettrica apparente in un suolo salino (GSSI- Geophysical Survey System, U.S.A.). In letteratura si trovano molti esempi d impiego dei sensori EMI in pedologia, in molti ambiti applicativi. Una delle prime applicazioni di questi strumenti è stata nella realizzazione di carte di conducibilità elettrica apparente in suoli salini al fine di monitorare la salinità del suolo (Diaz e Herrero, 1992; Lesch et al., 1998; Doolittle et al., 2001; Corwin e Lesch, 2003; Horney et al., 2005). Inoltre, vengono impiegati per la realizzazione di carte pedologiche di estremo dettaglio (Vitharana et al., 2008), nell osservazione del contenuto d argilla nei suoli (Cockx et al., 2007, Saey et al., 2009b) e negli studi sul movimento di inquinanti agrochimici (Yoder, 2001). Saey et al. (2009a) valutano i cambiamenti tessiturali del suolo a scala regionale (Fiandre orientali) utilizzando le carte di ECa realizzate con il sensore EM38-DD (Geonics). Tromp-van Meerveld e McDonnell (2009) determinano il modello stagionale di umidità del suolo su un versante tramite misure mensili di ECa realizzate con il sensore GEM-300 (GSSI). Strumentazioni in commercio In commercio i sensori EMI sono venduti da: - Geonics (mod. EM 31, EM 34, EM 38), Canada. Forse è la ditta leader in questo tipo di strumenti visto che li fabbrica dai primi anni 90 e sono utilizzati da anni per l agricoltura di precisione. Per le indagini più superficiali (entro 3 m), che interessano la pedologia e

7 l agronomia, vengono utilizzati principalmente i sensori della serie EM 38. Sono dispositivi di dimensioni ridotte, facilmente trasportabili e con display integrato. I modelli più nuovi ed adesso in commercio sono l EM38-MK e l EM38-MK2. Sono dispositivi che misurano contemporaneamente la conducibilità elettrica (ms/m) e la suscettività magnetica (ppt). La differenza tra i due modelli sta nel fatto che l MK possiede una sola spirale ricevente distanziata 1 m, mentre l MK2 ha un altra spirale ricevente a 50 cm dalla trasmittente. Questa caratteristica lo rende molto adatto alle misure superficiali, in quanto le profondità d indagine sono all incirca: 0-35 cm / 0-75 cm in configurazione VCP e 0-50 cm / m in configurazione HCP. Lo strumento necessità di una calibrazione prima dell utilizzo per eliminare gli errori dovuti a campi magnetici esterni (es. elettrodotti). Fig. 6: EM38-MK2. - Dualem (mod. 1, 2, 4), Canada. Sono strumenti del tutto simili a quelli della Geonics, ma hanno una forma più semplice, a tubo, non hanno bisogno di calibrazione manuale, ma non possiedono un display integrato. Avendo due spirali riceventi perpendicolari rispetto alla trasmittente possono lavorare anche in configurazione PRP. Anche i sensori di questa azienda hanno un buon mercato in tutto il mondo, specialmente nelle indagini archeologiche. Il modello Dualem 4, infatti, può arrivare ad indagare una profondità di 6 m. Fig.7: Dualem-2 - GF instruments (mod. CM031, CM032, CM138), Repubblica Ceca. Questo sensori sono in tutto e per tutto molto simili ai Dualem, ma più economici. Sono ancora poco conosciuti e non largamente utilizzati.

8 Fig.8: CM031 - L & R instruments (mod. MiniEM), U.S.A. E un dispositivo piuttosto nuovo, uscito nel mercato nel marzo È simile al Dualem 2, ma più economico perché risparmia su 2 spirali riceventi ottenendo quasi lo stesso risultato del Dualem. L idea è stata quella di posizionare la spirale trasmittente a 45, così da simulare, con due sole spirali, le configurazioni HCP e PRP del Dualem. Ovviamente i risultati saranno meno accurati. Fig.9: MiniEM - Geophex (mod. GEM2), U.S.A. La società Geophex ha puntato soprattutto sui sensori multifrequenza come il GEM2, che lavora tra i 300 Hz e i 96 khz. Secondo la Geonics (McNeill, 1996), i sensori multifrequenza hanno dei grossi limiti nella risoluzione verticale, ma sono riportati in letteratura anche molti esempi di utilizzo di questo tipo di sensori, con buoni risultati. Fig. 10: Geophex GEM2 - GSSI (mod. Profiler EMP-400), U.S.A. È uno strumento piuttosto nuovo, uscito nel 2007, che sostituisce e migliora il vecchio modello GEM-300. Lavora a frequenza variabile da 1 a 16 khz, sia in configurazione orizzontale che verticale. Visto la grande conoscenza di questa società nel campo dei GPR, potrebbe essere uno strumento molto valido, ma ancora non

9 sono riportati studi approfonditi in letteratura. Viene venduto tutto il sistema completo con sensore e palmare con GPS integrato e comunicazione bluetooth. Fig.11: GSSI Profiler EMP-400. Orientativamente, i costi per un sensore EMI variano tra i e i euro a seconda della ditta produttrice e del modello. Bisogna considerare che per rendere efficaci le misure sono necessari anche un GPS di precisione e un datalogger o un palmare, anche se alcune ditte vendono il pacchetto completo a costi contenuti. Inoltre non dobbiamo dimenticare che, se vogliamo utilizzare lo strumento con traino meccanico, dobbiamo aggiungere nei costi: la slitta, costruibile anche artigianalmente, i cavi per il collegamento con il datalogger, il mezzo trainante (quad o trattore) e un furgone o camioncino per portare il tutto. Links: - Dualem: - Geonics: - Geophex: - GFinstruments: - GSSI: - L&R Instruments: References: - COCKX L., VAN MEIRVENNE M. & DE VOS B., Using the EM38DD soil sensor to delineate clay lenses in a sandy forest soil. Soil Science Society of America Journal, 71: CORWIN D.L., LESCH S.M., Applications of soil electrical conductivity to precision agriculture: theory, principles and guidelines. Agronomy Journal, 95, 3, DIAZ L., HERRERO J., Salinity estimates in irrigated soils using elettromagnetic induction. Soil Sci., 154, DOOLITTLE J., PETERSEN M., WHEELER T., Comparison of two electromagnetic induction tools in salinity appraisals. Journal of Soil and Water Conservation, 56, HORNEY R., TAYLOR B., MUNK D.S., ROBERTS B.A., LESCH S.M., PLANT R.E., Development of pratical site-specific management methods for reclaiming salt-affected soil. Computers and Electronics in Agricolture, 46,

10 - LESCH S.M., HERRERO J., RHOADES J.D., Monitoring for temporal changes in soil salinity using electromagnetic induction techniques. Soil Sci. Am. J., 62, McNEILL J.D., Why doesn t Geonics limited built a multifrequency EM31 or EM38? Technical notes, Geonics. - SAEY T., VAN MEIRVENNE M., VERMEERSCH H., AMELOOT N. & COCKX L., 2009a. A pedotransfer function to evaluate soil profile heterogeneity using proximally sensed apparent electrical conductivity. Geoderma 150 : SAEY T., SIMPSON D., VERMEERSCH H., COCKX L. & VAN MEIRVENNE M., 2009b. Comparing the the EM38DD and DUALEM-21S sensors for depth-to-clay mapping. Soil Science Society of America Journal, 73 : TROMP-VAN MEERVELD H.J., McDONNELL J.J., Assessment of multi-frequency electromagnetic induction for determining soil moisture patterns at hillslope scale. Journal of Hydrology, 368, YODER R.E., FREELAND R.S., AMMONS J.T., LEONARD L.L., Mapping agriculture fields with GPR and EMI to identify offsite movement of agrochemicals. Journal of Applied Geophysics, 47, 3-4, VITHARANA U.W.A., SAEY T., COCKX L., SIMPSON D., VERMEERSCH H. & VAN MEIRVENNE M., Upgrading a 1/20000 soil map with an apparent electrical conductivity survey. Geoderma, 148 :