Premessa. Nell ambito della esecuzione delle indagini per lo studio geologico relativo al Progetto Definitivo e

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2 Premessa Nell ambito della esecuzione delle indagini per lo studio geologico relativo al Progetto Definitivo e S.I.A. per la realizzazione di un approdo turistico per la nautica da diporto (D.P.R. 509/97) nel Comune di Ventimiglia (IM), è stata realizzata una campagna di prospezioni sismiche finalizzata alla definizione dei caratteri elastici dinamici dei terreni e all individuazione delle superfici di discontinuità elastica presenti nel sottosuolo delle aree di interesse. Nell interpretazione si sono ipotizzate anche le presumibili litologie degli orizzonti sismostratigrafici, in funzione del contesto geologico generale della zona, associandoli agli intervalli e ai gradienti di velocità dei modelli di velocità elaborati, tenendo anche conto dei dati acquisiti nella campagna di indagini dirette già realizzata. Le prospezioni eseguite ricadono in un versante ove affiorano dei depositi marini pliocenici costituiti da marne passanti lateralmente e inferiormente a conglomerati con intercalazioni di arenarie. Una prospezione (SSR5), è stata realizzata direttamente in zona di affioramento dei conglomerati, mentre la prospezione MASW3 è stata ubicata su una opera foranea costituita da un accumulo di massi rocciosi con al nucleo materiale più fine, poggiante sulle sabbie del fondo marino. Nell area in cui sono state eseguite le prospezioni SSR1, Masw1, SSRP, SSR2 e MASW2 la litologia è costituita, al di sotto di coltri eluvio-colluviali sabbioso-limose, da marne a consistenza dura. La prospezione SSR4-MASW4 ricade nella zona di passaggio laterale tra le marne e i conglomerati, interessata da una esigua copertura detritica e/o di riporto. Le misure sono state eseguite sia a scopo geognostico, in particolare le elaborazioni di sismica a rifrazione ad onde P, che per la valutazione delle rigidità dei terreni utili alla modellizzazione del comportamento sismico locale. A questo ultimo scopo si sono operate delle elaborazioni che hanno portato alla definizione di profili di velocità delle onde di taglio, tramite analisi sulla dispersione delle velocità di fase delle onde superficiali di tipo Rayleigh, nota in letteratura come Multichannel Analisys of Surface Waves (MASW). Ancora a tale scopo è stata realizzata, nel Foro 3, appositamente condizionato con tubo in PVC, una prospezione sismica in foro del tipo Down-Hole.

3 Caratteristiche delle apparecchiature Per le misure di campagna è stato utilizzato un sismografo modulare Geometrics Geode a 24 canali, con conversione analogico-digitale a 24 bit, ad elevata dinamica. Con le seguenti caratteristiche principali: - Range dinamico: 144 db di sistema. - Distorsione: ms. - Banda di acquisizione: Hz. - Accuratezza trigger: 1/32 del passo di campionamento. - Impedenza: 20 Kohm. - Filtri in acquisizione: LowCut: 10, 15, 25, 35, 50, 70, 100, 140, 200, 280, 400 Hz 24/48 db/octave, Butterworth. Notch: 50, 60, 180 Hz. HighCut: 32, 64, 125, 250, 500, 1000 Hz 24/48 db/octave. - Intervalli di campionamento: 0.02, , , 0.125, 0.25, 0.5, 1.0, 2.0, 4.0, 8.0, 16.0 msec. - Lunghezza di registrazione: campioni. - Pre-trigger: fino a tutta la lunghezza di registrazione. - Delay: da 0 a 9999 ms in passi di una lunghezza di intervallo. Per il rilievo della velocità del moto del suolo sono stati utilizzati geofoni di marca Geospace, con frequenza di oscillazione di 10 Hz. Tecniche di rilevamento Per tutte le prospezioni di superficie si è adottata una distanza intergeofonica di 3.0 mt. Le linee sismiche, ove possibile, sono state eseguite a 16 canali di acquisizione, con distanza tra punto di energizzazione (Shot) e primo geofono attivo costante e pari a 6.0 mt. Per ogni energizzazione si è operata una traslazione di 3 mt. Questa configurazione ha consentito, per le elaborazioni MASW, di investigare verticali contigue intervallate di tre metri, la cui unione ha prodotto delle sezioni sismiche bidimensionali. Nelle stesse linee sismiche realizzate per le MASW, si sono prodotti altri shots, sia interni che esterni alle linee di geofoni, successivamente utilizzati per le elaborazioni di modelli tomografici a rifrazione ad onde P.

4 Le energizzazioni sono state realizzate con l ausilio di una mazza del peso di 8 Kg, battente su piattello metallico. Prospezione sismica in foro (DOWN-HOLE) E stata eseguita nel Foro 3, condizionato con tubo in PVC, utilizzando due sensori da foro distanziati di un metro, entrambi costituiti da un geofono verticale e due orizzontali con frequenza di 10 Hz, con assi di oscillazione tra loro ortogonali. Il contrasto alla parete del foro è avvenuto tramite un sistema ad area compressa. L energizzazione è stata realizzata con mazza battente su piattello metallico, per la produzione delle onde di compressione (P), mentre, per facilitare il rilievo delle onde trasversali polarizzate sul piano orizzontale (SH), l energizzazione è stata prodotta tramite percussione ai due lati opposti di un blocco in calcestruzzo armato posto in prossimità del boccaforo. Si sono realizzati, per ogni stazionamento, due energizzazioni per le onde S, con piano di oscillazione prevalentemente orizzontale e verso opposto, ed una verticale, per la generazione prevalente delle onde P. La tecnica Down Hole si basa sulla determinazione dei tempi di arrivo delle onde di volume, rilevate dai sensori all interno del foro, generate in superficie in prossimità del boccaforo. Mentre, in genere, in questa tecnica, i tempi necessari all attraversamento di ogni intervallo di misura viene calcolato per via indiretta, come differenza dei tempi totali tra due stazioni successive, nel nostro caso, disponendo di due sensori intervallati di un metro, il calcolo dei tempi di intervallo è stato determinato, per ogni singolo evento, come differenza del tempo di arrivo tra i due sensori. Questo ha consentito di ridurre gli errori sia sistematici che accidentali. Il rapporto tra l intervallo esistente tra i sensori ed il tempo, determinato come differenza dei tempi di arrivo delle onde P e S, permette il calcolo delle velocità relative alle onde di compressione e di taglio per ogni intervallo di un metro. Nelle tabelle allegate vengono riportati i valori dei tempi di arrivo relativi alle onde P ed S, i tempi corretti sulla verticale (Tvp e Tvs) per tenere conto della distanza del punto di energizzazione dal foro di sondaggio, i valori delle velocità Vp e Vs relativi all intervallo corrispondente e, infine, i principali moduli elastici dinamici: il coefficiente di poisson (ν), il modulo elastico (E), quello di taglio (G) e di incopressibilità o di Bulk (K). Questi ultimi calcolati considerando un peso di

5 volume pari a 2.0 g/cm 3 ; disponendo del valore misurato della densità, si potranno calcolare i moduli reali dividendo il valore fornito per due e moltiplicandolo per la densità reale. Alcuni di questi dati vengono presentati anche in forma grafica: nel primo grafico si sono riportati i tempi di arrivo corretti in funzione della profondità; nel secondo diagramma sono invece riportate le velocità delle onde longitudinali e trasversali di intervallo, infine nel terzo sono presentati i valori del coefficiente di poisson e dei tre moduli nei vari intervalli (istogrammi). Per avere dei dati mediati su intervalli con caratteri elastodinamici più o meno omogenei, si è operata un interpretazione con il metodo delle dromocrone. Viene fornito il diagramma di interpretazione dei tratti tendenzialmente rettilinei delle dromocrone, l istogramma velocitàprofondità e i valori numerici degli spessori, delle velocità e dei moduli elastici medi.

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11 Elaborazione prospezioni sismiche a rifrazione ad onde P I dati acquisiti dall elaborazione dei sismogrammi costituiscono i primi tempi di arrivo degli impulsi sismici longitudinali (onde di compressione) ai vari geofoni degli stendimenti. Considerata la variabilità litologica laterale, e quindi dei caratteri elastici dei terreni presenti, il metodo di interpretazione utilizzato è stato del tipo tomografico, che ha consentito di meglio mettere in evidenza tali variazioni laterali, anche molto localizzate. Esso si basa sulla generazione, tramite apposito programma di calcolo, di un grande numero di modelli di velocità del sottosuolo (varie decine di migliaia), discretizzato con celle quadrate di dimensioni prefissate a cui vengono assegnate velocità diverse per ogni soluzione. Attraverso calcoli iterativi le dromocrone calcolate per ciascun modello vengono confrontate con le dromocrone reali. Il software determina, con algoritmo Monte Carlo, quella che è la soluzione ottimale, cioè quella che definisce le dromocrone calcolate che meglio si avvicinano a quelle reali. La bontà del modello dipende dalla geometria dello stendimento, dalle distribuzioni di velocità nel sottosuolo, dal numero e dalla posizione dei punti di energizzazione utilizzati e dal grado di dettaglio (dimensioni delle celle) usato per l elaborazione. Per quest ultimo motivo si è proceduto a vari tentativi di ottimizzazione, considerando varie dimensioni delle celle, fino ad ottenere lo scarto minimo tra i dati reali e quelli calcolati. I risultati dell elaborazione vengono presentati in forma grafica nei seguenti elaborati: Modello di velocità: rappresenta il risultato ottimale ottenuto; le velocità sono rappresentate in scale cromatiche comprese tra il minimo ed il massimo valore determinato. Frequenza del campionamento: consente di verificare per ogni cella se e quanti dati sono stati utilizzati dal programma per definirne la velocità; anche in questo caso la rappresentazione è ottenuta utilizzando una scala cromatica. Le celle in bianco rappresentano le porzioni di terreno per le quali non vi sono dati campionati. Diagramma delle dromocrone: mette a confronto le dromocrone di campagna con quelle calcolate per il modello ottimale di velocità.

12 MODELLO DI VELOCITA' SSR1 (Onde P) S B3 S 1 Velocità (m/sec)

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14 Dromocrone SSR1

15 MODELLO DI VELOCITA' SSR2 (Onde P) 15 S S B2 Marne fessurate e alterate Copertura eluvio-colluviale Marne fessurate Marne dure Velocità (m/sec)

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17 Dromocrone SSR2

18 MODELLO DI VELOCITA' SSR P (Onde P) 30 SSR1 30 Marne fessurate e alterate Copertura eluvio-colluviale Marne fessurate SSR Marne dure Velocità (m/sec)

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20 Dromocrone SSR P

21 MODELLO DI VELOCITA' SSR 4 (Onde P) Riporto/detrito Conglomerati fratturati Conglomerati Velocità (m/sec)

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23 Dromocrone SSR 4

24 MODELLO DI VELOCITA' SSR5 (Onde P) Zona fratturata e decompressa Copertura e zona di alterazione Conglomerati fratturati Conglomerati Velocità (m/sec)

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26 Dromocrone SSR 5

27 Elaborazioni prospezioni Multichannal Analisys Surface Waves (MASW) Come gia accennato in precedenza, ove possibile, le linee sismiche sono state realizzate con distanza tra i geofoni di 3.0 mt, producendo shots ad off-set costante pari a 6.0 mt e traslazioni di 3 mt. Tali sismogrammi, sono stati oggetto di elaborazioni sulle onde superficiali. La tecnica si basa sullo studio della dispersione delle velocità di fase delle onde di tipo rayleigh ed è nota in letteratura come Multichannel Analisys of Surface Waves (MASW). I sismogrammi, quindi, sono stati oggetto di filtraggio per l eliminazione delle alte frequenze e depurati dalle onde di volume, al fine di ottenere dei picchi di ampiezza nelle oscillazioni relative alle onde di superficie. Successivamente si passa alla rappresentazione delle tracce sismiche su un diagramma che mette in relazione le frequenze con le velocità di fase. Su di esso si individuano, come zone di massime ampiezze, gli allineamenti attribuibili alle onde di rayleigh di primo ordine modale, che definiscono le variazioni delle velocità di fase con la frequenza (o lunghezza d onda). Essendo la profondità di propagazione di questo tipo di onde dipendente dalla frequenza, sarà possibile correlare le velocità alle varie frequenze, con le profondità. Quest ultimo passo quindi, successivo alla definizione della curva di dispersione, si ottiene mediante un processo di inversione che porta al risultato finale, costituito da un profilo verticale delle velocità delle onde trasversali (Vs) ubicato al centro della stesa di geofoni. La velocità di fase delle onde di Rayleigh (Vr), in un mezzo omogeneo, sono legate a quelle di volume dalla seguente relazione: Vr 6 8Vs 2 Vr 4 + (24 16 Vs 2 / Vp 2 ) Vs 4 Vr 2 + (16 Vs 6 /Vp 6 1) Vs 6 = 0 In un mezzo non omogeneo le velocità delle onde di volume (Vp e Vs) variano con la profondità, le velocità di fase delle onde di Rayleigh mostrano velocità differenti per differenti valori di frequenza e sono fortemente legate ai valori delle velocità delle onde trasversali. Questo consente di passare, quindi, dai modelli frequenza/velocità di fase delle onde di rayleigh a modelli monodimensionali Vs/profondità. Unendo, mediante tecniche di counturing, i modelli monodimensionali contigui (distanziati di 3 mt) si sono prodotte sezioni sismiche bidimensionali (Masw1, Masw2, Masw3, Masw4). Per la prospezione Masw5, non disponendo di spazio per le traslazioni, è stato elaborato un profilo solo sulla verticale al centro di una stesa di 11 geofoni. Per le elaborazioni si è utilizzato l apposito software SurfSeis, commercializzato dal Kansas Geological Survey.

28 MASW 1 Esempio di curva di dispersione (Masw 1) Curve di dispersione (MASW 2)

29 MODELLO DI VELOCITA' MASW 1 (Onde S) Coltre colluviale e di alterazione Marne dure Conglomerati Velocità (m/sec)

30 MASW 2 Esempio di Curva di dispersione (Masw 2) Curve di dispersione (Masw 2)

31 MODELLO DI VELOCITA' MASW 2 (Onde S) Marne dure Conglomerati Velocità (m/sec)

32 MASW 3 Esempio di curva di dispersione (Masw 3) Curve di dispersione (Masw 3)

33 MODELLO DI VELOCITA' MASW 3 (Onde S) 0 0 Sabbie e ghiaie Conglomerati Velocità (m/sec)

34 MASW 4 Esempio di curva di dispersione (Masw 4) Curve di dipsersione (Masw 4)

35 MODELLO DI VELOCITA' MASW 4 (Onde S) Riporto/detrito -5-5 Conglomerati Velocità (m/sec)

36 MASW 5 Curva di dispersione

37 Profilo delle velocità onde S Profondità in metri Velocità in m/sec Profondità dal p.c. al centro dello stendimento (metri) Velocità delle onde S (m/sec) Vsm = 1149 m/sec (media pesata sugli spessori)

38 Conclusioni La prospezione Down-Hole, realizzata nel Foro di sondaggio 3, ha consentito di valutare con dettaglio le velocità delle onde di volume P ed S nella coltre sabbioso-limosa e nelle marne sottostanti e, negli ultimi due metri, nei conglomerati costituenti il substrato locale. La caratterizzazione sismica di quest ultimo è stata resa possibile anche dalla realizzazione di una prospezione sismica di superficie a rifrazione ad onde P (SSR5) e da una verticale derivante da una elaborazione MASW (Masw5). Sia nei modelli elaborati dalle prospezioni a rifrazione ad onde P, che nei modelli di velocità delle onde trasversali derivanti dalle elaborazioni delle prospezioni MASW eseguite sul pendio degradante verso la spiaggia, si osservano variazioni laterali di velocità di una certa entità. Queste sono associabili sia alle variazioni degli spessori delle coltri di copertura sabbioso-limosa che alle differenti condizioni di alterazione delle parti più superficiali della compagine pelitica, almeno fino a 7-8 mt di profondità. Nei modelli Masw1 e Masw2, tra le profondità di 4 e 8 mt circa, si osserva un inversione del gradiente di velocità. L orizzonte lento, con minimi di Vs compresi tra 150 e 250 m/sec, non rilevabile dalle elaborazioni a rifrazione, mostra continuità laterale nella seconda metà della Masw1 e nella prima parte della Masw2. Al di sotto della profondità di 8-10 mt, fino a circa 20 mt, quindi all interno delle marne integre, si osserva un lieve incremento delle velocità con la profondità, con condizioni di maggiore omogeneità laterale. I valori di Vs sono compresi tra 400 e m/sec. All interno dei conglomerati le velocità delle onde S continuano ad aumentare in maniera graduale con la profondità, con una buona omogeneità laterale. Le velocità delle onde trasversali alla base delle marne è di 500 m/sec e cresce gradualmente in entrambi i modelli Masw1 e Masw2 fino a 800 m/sec, alla quota di circa 18 m.s.l.m.. Nei modelli risultanti dalle prospezioni SSR4 e Masw4, realizzate nella zona di passaggio laterale tra le marne e i conglomerati, si osserva un primo orizzonte con spessore di 5-6 mt, con velocità delle onde di volume relativamente basse (Vp compresa tra 250 e 650 m/sec e Vs tra 100 e 300 m/sec), associabile a coltri detritiche e localmente a terreno di riporto retrostante un muro di contenimento realizzato a ridosso della spiaggia. Quindi si rileva un altro orizzonte con spessore di 2-3 mt, dove le velocità delle onde P sono rapidamente crescenti con la profondità, esse assumono valore medio di circa 850 m/sec, mentre le Vs sono comprese tra 300 e 400 m/sec. Questo orizzonte

39 presumibilmente è costituito dalle formazioni costituenti il substrato, in condizioni di un certo grado di fratturazione/alterazione. Nel modello risultante dalle elaborazioni a rifrazione (SSR4), di maggiore lunghezza, si notano, nell orizzonte più profondo, dei forti gradienti laterali di velocità: nella parte terminale del modello il substrato è più superficiale e decisamente più rigido, con valori di Vp che superano i 2800 m/sec; velocità associabili al substrato conglomeratico in condizioni di buona cementazione. Nel tratto iniziale e medio della sezione le velocità delle onde si compressione si attestano sui m/sec. Il modello Masw4 mostra, come per quelli visti in precedenza, un substrato con graduale incremento delle Vs con la profondità, con valori compresi tra 400 e 800 m/sec passando dalle quote di 7 a 25 m.s.l.m.. A tale profondità si riscontra un aumento del gradiente verticale di velocità, presumibilmente a causa di un cambiamento litologico o a condizioni di migliore cementazione dei conglomerati. La prospezione SSR5 interessa direttamente il substrato locale, costituito dai conglomerati pliocenici. L orizzonte di alterazione è di esiguo spessore, circa 1.5 mt, con una zona più decompressa nella parte iniziale del modello di velocità delle onde P, ricadente a ridosso del bordo superiore della falesia. Al di sotto dell orizzonte alterato le velocità delle onde di compressione aumentano molto rapidamente: è stato distinto un orizzonte intermedio con spessore di circa 2 mt e velocità media di 1300 m/sec e quindi un substrato con Vp media di circa 2500 m/sec. L elaborazione Masw5, prodotta per una sola verticale, pur adottando vari tentativi di miglioramento sul sismogramma di origine (filtri taglia basso ed f-k) ha portato ad una curva di dispersione attendibile per solo frequenze comprese tra 28 e 48 Hz. Il profilo delle Vs mostra l alternarsi di orizzonti con valori di velocità compresi tra 850 e 1566 m/sec, con un intervallo tra le profondità di 7.7 e 17.6 mt, in cui si osservano i minimi di velocità. Questa condizione è presumibilmente dovuta alle variazioni della qualità della cementazione della compagine conglomeratica. Le elaborazioni eseguite per la prospezione Masw3, ricadente sull opera foranea, definiscono un orizzonte sismico con Vs comprese tra 200 e 450 m/sec, associabili all ammasso artificiale e alle sabbie mediamente addensate del fondale. Il substrato conglomeratico mostra caratteri di omogeneità sia laterale che verticale, con un valore medio delle Vs tra 9 e 20 m.s.l.m. di circa 810 m/sec. Tra 20 e 33 metri di quota s.l.m. il valore medio delle Vs è di circa 1280 m/sec,

40 mentre al di sotto di tale profondità e fino alla massima investigata si passa a valori di Vs compresi tra 1400 e 1600 m/sec.