Piattaforma Web per la geofisica applicata al campo ambientale e geotecnico (metodi e applicazioni). Elementi di Sismica a Riflessione e Georadar. Principi fisici e Caratterizzazione dei Materiali.

1. 1
Geofisica
Applicata
Piattaforma
WEB
per
la
geofisica
applicata
al
campo
ambientale
e
geotecnico
(metodi
e
applicazioni)
ELEMENTI DI SISMICA A RIFLESSIONE E GEORADAR
Parte 1:
Principi fisici e Caratterizzazione dei materiali
Gian
Piero
Deidda
Dipartimento
di
Ingegneria
Civile
e
Ambientale
e
Architettura
UNIVERSITÀ
DI
CAGLIARI
Cagliari,
15
Maggio
2015

2. 2
Metodi geofisici
?
Misurare direttamente delle
grandezze fisiche (grandezze
desiderate) che caratterizzano
il sottosuolo: velocità sismiche,
attenuazione, resistività,
densità, ecc. ecc.
Ciò che vorremmo fare Ciò che possiamo fare
Misurare delle grandezze
fisiche sulla superficie del
suolo che abbiano qualche
legame con le grandezze
fisiche desiderate.

3. 3
Metodi sismici
?
Misurare direttamente i
parametri (visco-)elastici dei
materiali nel sottosuolo.
Ciò che vorremmo fare Ciò che possiamo fare
Misurare ampiezze e tempi
di percorrenza delle onde
sismiche sulla superficie del
suolo.

4. 4
Metodi elettromagnetici
?
Misurare direttamente i
parametri elettromagnetici
costitutivi (conducibilità
elettrica, permettività elettrica,
permeabilità magnetica, ecc.)
dei materiali del sottosuolo.
Ciò che vorremmo fare Ciò che possiamo fare
Misurare la resistività
apparente, le ampiezze e i
tempi di percorrenza delle
onde elettromagnetiche.

5. 5

6. 6
Un’onda sismica è uno stato “meccanico”
di non-equilibrio, definibile da una
grandezza fisica meccanica (sforzo,
deformazione, spostamento, velocità,
accelerazione, …), che si propaga da un
punto all’altro di un mezzo (non il vuoto)
COS’È UN’ONDA SISMICA?

7. 7
COS’È UN’ONDA SISMICA?
2a EQUAZIONE DI NEWTON
LEGGI COSTITUTIVE
• ELASTICITÀ
LINEARE
• VISCOELASTICITÀ
LINEARE
Legge di Hooke
Legge di Hooke
Legge di Newton
Esempi
+

8. 8
xx xy xz
xy yy yz
xz yz zz
xx xy xz
xy yy yz
xz yz zz
xx xy xz
xy yy yz
xz yz zz
xx xy xz
xy yy yz
xz yz zz
xx xy xz
xy yy yz
xz yz zz
xx xy xz
xy yy yz
xz yz zz
xx xy xz
xy yy yz
xz yz zz
xx xy xz
xy yy yz
xz yz zz
xx xy xz
xy yy yz
xz yz zz
xx xy xz
xy yy yz
xz yz zz
xx xy xz
xy yy yz
xz yz zz
xx xy xz
xy yy yz
xz yz zz
Tij
Cijkl
ekl
9 9
81
ELASTICITÀ LINEARE
Legge di Hooke

9. 9
LEGGE DI HOOKE GENERALIZZATA
Componentidi
sforzonormale
Componenti di
sforzo tangenziale
Parametri
di Lamé
I parametri di Lamé sono
caratteristici di ciascun materiale
e ne definiscono completamente il
comportamento in campo elastico
Materiali isotropi

10. 10
Modulo di Young
Modulo di compressibilità
Modulo di taglio
Rapporto di Poisson
Modulo di Lamè
MODULI ELASTICI – MATERIALI ISOTROPI

11. 11
Funzione di rilassamento
(81 parametri viscoelastici)
Materiali viscoelastici isotropi
materiali
viscoelastici
materiali
elastici
VISCOELASTICITÀ LINEARE
Relazione generalizzata Sforzi-deformazioni

12. 12
VISCOELASTICITÀ LINEARE
Sfasamento tra Sforzi e deformazioni
t
T,γ
γ
T
t
T,γ
γ
T
Materiale Viscoelastico
Materiale Elastico

13. 13
VISCOELASTICITÀ LINEARE
Modulo di Viscoelasticità
Modulo Elastico Modulo Viscoso

14. 14
Non-equilibrio degli sforzi
Se in un punto di un mezzo materiale esiste un non-equilibrio (un
gradiente) degli sforzi, allora questo stato di non-equilibrio si propaga
mediante onde a tutti gli altri punti del mezzo
COS’È UN’ONDA SISMICA?
Massa volumica Vettore spostamento

15. 15
Potenziale scalare
dello spostamento
COS’È UN’ONDA SISMICA?
Potenziale vettoriale
dello spostamento
Onde P
Onde S
Tipi di onde sismiche

16. 16
Dispersione
intrinseca
Attenuazione
intrinseca
COS’È UN’ONDA SISMICA?
Dominio di frequenza – Equazione di Helmoltz

17. 17
Un’onda elettromagnetica è uno stato
“elettromagnetico” di non-equilibrio,
definibile da una grandezza fisica
elettromagnetica (campo elettrico, campo
magnetico, …) che si propaga da un punto
all’altro di un mezzo (anche il vuoto)
COS’È UN’ONDA
ELETTROMAGNETICA?

18. 18
LEGGE DI FARADAY
LEGGE DI AMPÈRE
LEGGE DI OHM
LEGGI COSTITUTIVE
LEGGE DI GAUSS (PER IL CAMPO ELETTRICO E)
LEGGE DI GAUSS (PER IL CAMPO MAGNETICO H)
1
2
3
4
6
5
7
EQUAZIONI DI MAXWELL

19. 19
EQUAZIONI DEI CAMPI EM
Campo elettrico Campo magnetico
DOMINIO DEL TEMPO
DOMINIO DELLA FREQUENZA
PROPAGAZIONE DEI CAMPI EM
IN UN MEZZO CONDUTTIVO
(CAMPI DIFFUSIVI) PROPAGAZIONE ONDULATORIA DEI CAMPI
EM
(FREQUENZE > 10 MHZ – ONDE RADAR)

20. 20
Numero d’onda: k
ONDE ELETTROMAGNETICHE

21. 21
ONDE ELETTROMAGNETICHE
PARTE REALE DEL
NUMERO D’ONDA
PARTE IMMAGINARIA
DEL NUMERO D’ONDA
Numero d’onda: k

22. 22
Mezzo dielettrico (poco conduttivo)
ONDE ELETTROMAGNETICHE
VELOCITÀ
COEFFICIENTE DI
ATTENUAZIONE
QUANDO
VUOTO

23. 23
Mezzo conduttivo
ONDE ELETTROMAGNETICHE
QUANDO
VELOCITÀ
COEFFICIENTE DI
ATTENUAZIONE

24. 24
Profondità(m)
Distanza (m)
Sorgente
Propagazione delle onde:
Ampiezza e tempi di percorrenza

25. 25
Pausa caffè
… solo virtuale!!!

26. 26
ELEMENTI DI SISMICA A RIFLESSIONE E GEORADAR
Parte 2:
Acquisizione ed Elaborazione Dati
Geofisica
Applicata
Piattaforma
WEB
per
la
geofisica
applicata
al
campo
ambientale
e
geotecnico
(metodi
e
applicazioni)
Gian
Piero
Deidda
Dipartimento
di
Ingegneria
Civile
e
Ambientale
e
Architettura
UNIVERSITÀ
DI
CAGLIARI
Cagliari,
15
Maggio
2015

27. 27
Duomo
salino
SISMICA A RIFLESSIONE
RICERCA PETROLIFERA

28. 28
SISMICA 3D
SISMICA A RIFLESSIONE

29. 29
SISMICA A RIFLESSIONE
La Sismica a Riflessione è una tecnica di imaging
geofisico.
I segnali sismici generati sulla superficie del suolo e riflessi
dalle interfacce che separano materiali con differenti
caratteristiche ‘’elastiche’’ vengono captati in superficie,
registrati in forma digitale, ed utilizzati per produrre
un’immagine del sottosuolo che può essere interpretata
geologicamente.
TECNICA DI ‘‘IMAGING’’

30. 30
Tx Rx
Il GPR è una tecnica di imaging geofisico.
I segnali elettromagnetici generati sulla superficie del suolo e
riflessi dalle interfacce che separano materiali con differenti
caratteristiche ‘’elettriche’’ vengono captati in superficie,
registrati in forma digitale, ed utilizzati per produrre
un’immagine del sottosuolo che può essere interpretata
geologicamente.
GROUND PENETRATING RADAR - GEORADAR
TECNICA DI ‘‘IMAGING’’

31. 31
ECOGRAFIA
‘‘IMAGING’’ ACUSTICO

32. 32
hCOEFFICIENTE DI RIFLESSIONE
SISMICA A RIFLESSIONE E GPR
MODELLO CONVOLUZIONALE
t
*
RIFLETTIVITÀ
TRACCIASISMICA
TRACCIARADAR
SEGNALE SORGENTE
Z =
Impedenza acustica
Impedenza intrinseca

33. 33
SISMICA A RIFLESSIONE
Sismica a Riflessione multi-offset
L’elaborazione e la ricomposizione geometrica dei segnali
multi-offset producono un’immagine del sottosuolo che può
essere interpretata geologicamente.
TECNICA DI ‘‘IMAGING’’

34. 34
Imaging sismico 2D: dalla Geologia alla Sezione Sismica
GEOLOGIA
RECORDS
ACQUISIZIONE
SISMICA A RIFLESSIONE

35. 35
RECORDS
SEZIONE
SISMICA
Elaborazione
Imaging sismico 2D: dalla Geologia alla Sezione Sismica
SISMICA A RIFLESSIONE

36. 36
Iperbole
DROMOCRONE
Vh
S G
CDP
x
CMP
PRINCIPI
GENERALI

37. 37
CMP
CDP
PRINCIPI
GENERALI
CMP
SORTING
Famiglia CMP
Registrazioni multi-offset
(CSG)
CDP

38. 38
Il NMO è la differenza tra il tempo di
arrivo di un segnale riflesso ad un
offset x, t(x), e il tempo di andata e
ritorno ad offset zero, T0.
Per piccoli offsets esso può essere
approssimato da
NORMAL
MOVE
OUT
PRINCIPI
GENERALI

39. 39
Senza correzione NMO Dopo correzione NMO
CMP
x = 0
Multi-Offset Zero-Offset
PRINCIPI
GENERALI

40. 40
CMP
CDP
Famiglia CMP
Common offset - bistatico
CDP
GPR – Acquisizione multi-offset
T R
T R
T R
T R
T R
T R
T T T T T T R R R R R R

41. 41
GPR – Acquisizione multi-offset
Esempio multi-antenna

42. 42
“There are some areas where good data cannot
be obtained. There are even areas where bad
data cannot be obtained. However, in areas of
good data, it is always possible to obtain bad or
no data. Every area has its own character; thus,
what works in some circumstances will not work
everywhere. Therefore, it is desirable to design
data acquisition parameters for obtaining the
best quality data possible for the given
objective.”
Determinazione dei parametri di acquisizione
From Steeples (1986)

43. 43
Lunghezza di registrazione
Intervallo di campionamento
Far-offset
Near-offset
Distanza tra i geofoni
Tipo di stendimento
… …
Selezione dei
Parametri
Cosa vogliamo
vedere?
Cosa ci occorre per
vederlo?
Come ottenere ciò che ci
occorre per vederlo?
Determinazione dei parametri di acquisizione

44. 44
Parametri di acquisizione - Sismica
Lunghezza di registrazione
1. La lunghezza (tempo) di registrazione deve essere
abbastanza lunga per consentire di registrare, con
sufficiente sicurezza, gli arrivi dall’interfaccia più profonda
(considerando la massima distanza scoppio-ricevitore per
tener conto del NMO).
2. La lunghezza di registrazione determina anche la
risoluzione spettrale:
Pertanto, quando si ha la necessità di eseguire un’analisi
spettrale dettagliata, la lunghezza di registrazione deve
essere sufficientemente grande.

45. 45
Intervallo di campionamento Δt
Teorema del Campionamento
In pratica
L’intervallo di campionamento deve essere sufficientemente
piccolo affinché le massime frequenze attese vengano
registrate senza aliasing temporale.
Parametri di acquisizione - Sismica

46. 46
Offset massimo
Il valore ottimale della massima distanza sorgente-ricevitore
scaturisce da un compromesso che tiene conto di:
1. Normal Move Out
2. NMO stretching – Stiramento tracce per correzione NMO
3. Riflessioni supercritiche
Parametri di acquisizione - Sismica

47. 47
Offset massimo - NMO
Applicando la condizione:
Minimo valore di Xmax
Parametri di acquisizione - Sismica

48. 48
Offset massimo - Stretching
Correzione NMO
(desiderata)
Parametri di acquisizione - Sismica

49. 49
Offset massimo - Stretching
Diverso NMO
Correzione NMO
(reale)
Parametri di acquisizione - Sismica

50. 50
Offset massimo - Stretching
Imponendo:
Parametri di acquisizione - Sismica

51. 51
Offset massimo - Stretching
Stretch Muting
Diminuzione
copertura CMP
Parametri di acquisizione - Sismica

52. 52
Offset massimo – riflessioni supercritiche
Angolo di incidenza Offset
Parametri di acquisizione - Sismica

53. 53
Offset minimo
Finestra ottimale
Parametri di acquisizione - Sismica

54. 54
Spaziatura geofoni Δx
Teorema del Campionamento
La spaziatura tra i geofoni deve essere sufficientemente
piccola affinché i massimi numeri d’onda (più propriamente,
frequenze spaziali) attesi vengano registrati senza aliasing
spaziale.
Parametri di acquisizione - Sismica

55. 55
Spaziatura geofoni Δx e ALIASING spaziale
Parametri di acquisizione - Sismica

56. 56
Risoluzione
La risoluzione definisce la capacità di vedere separati due
punti posti a piccola distanza l’uno dall’altro.
La risoluzione, distinta in risoluzione verticale e risoluzione
laterale, dipende dalla lunghezza d’onda dominante, definita
da:
Parametri di acquisizione - Sismica

57. 57
Risoluzione verticale
La risoluzione verticale, così come definita sopra, implica
solamente la distinguibilità tra le ondine riflesse dal tetto e dal
letto di uno strato sottile
Massima risoluzione verticale =
Parametri di acquisizione - Sismicatempofrequenza

58. 58
Risoluzione laterale
Diametro
Ia zona di Fresnel
Risoluzione laterale
Parametri di acquisizione - Sismica

59. 59
Parametri di acquisizione - Georadar
Frequenza centrale dell’antenna – banda spettrale
Ampiezza
(dB)
0
-­‐3
Banda spettrale
La frequenza massima
del segnale emesso è ben
superiore alla frequenza
centrale dell’antenna!!
In pratica

60. 60
Parametri di acquisizione - Georadar
Frequenza centrale dell’antenna
MHz
MHz
RISOLUZIONE DESIDERATA
LIMITAZIONE «CLUTTERING» (PICCOLE ETEROGENEITÀ)
SCELTA DELLA FREQUENZA CENTRALE

61. 61
Parametri di acquisizione - Georadar
Lunghezza di registrazione
La lunghezza (tempo) di registrazione deve essere abbastanza
lunga per consentire di registrare, con sufficiente sicurezza, gli
arrivi dall’obiettivo (più profondo), considerando la massima
distanza tra le antenne nel caso di acquisizione multi-offset.
Profondità dell’obiettivo
Velocità ipotizzata (o stimata)

62. 62
Parametri di acquisizione - Georadar
Intervallo di campionamento temporale
Come nel caso della Sismica, discende dal teorema del
campionamento.
In pratica:

63. 63
Parametri di acquisizione - Georadar
Intervallo di campionamento spaziale – Intervallo tra le tracce
Come nel caso della Sismica, discende dal teorema del
campionamento.
[MHz]
[m]

64. 64
Parametri di acquisizione
Modellizzazione - Esempio
V1 = 200
V3= 2000
7 m
3 m V2 = 1500
Basamento sotto
copertura con falda

65. 65
Parametri di acquisizione
Walkaway noise test – Test di rumore

66. 66
ELABORAZIONE DATI
L’elaborazione dei dati sismici a riflessione consiste nel
“manipolare” le registrazioni (shot records) e
presentarle in modo che possano essere interpretate
geologicamente.
Gli obiettivi dell’elaborazione sono:
1- enfatizzare i segnali riflessi attenuando gli altri segnali
(rumori), e
2- ricomporre geometricamente i segnali riflessi al fine di
produrre una sezione sismica “zero-offset”, cioè come se
fosse stata acquisita con sorgente e ricevitore nella
stessa posizione

67. 67
ELABORAZIONE DATI
PREPROCESSING
GEOMETRICAL
PROCESSING
WAVELET
PROCESSING
IMAGE
PROCESSING
FASIPRINCIPALI
Conversione dei dati
Geometria
Editing delle tracce
Attenuazione rumore
CMP Sorting
Analisi di velocità e NMO
Statiche residue
CMP stacking
Deconvoluzione
Migrazione
Registrazioni Fasi di Elaborazione Immagine sottosuolo
Input Sistema Output

68. 68
Moveouts – Ritardi temporali
I moveouts tra una traccia e l’altra dipendono dalla
combinazione di cause dinamiche and statiche:
Si definisce Moveout il ritardo temporale tra i segnali
riflessi da uno stesso riflettore.
1- Normal Moveout (NMO), causato dalla diversa
distanza tra sorgente e ricevitori;
2- Dip Moveout (DMO), causato dalla pendenza dei
riflettori;
3- Variazioni topografiche (diverse quote di sorgenti e
ricevitori);
4- Variazioni laterali di velocità nell’”aerato”

69. 69
Senza correzione NMO Dopo correzione NMO
CMP
x = 0
Correzione per NMO
Multi-Offset Zero-
Offset

70. 70
a) Riflessione con NMO
b) Correzione con velocità troppo alta
c) Correzione con velocità troppo bassa
d) Correzione con velocità esatta
Correzione per NMO
Procedura ‘Trial and error’

71. 71
Analisi di Velocità
L’analisi di velocità è una delle più importanti fasi
nell’elaborazione dei dati sismici a riflessione.
Senza una buona analisi di velocità le riflessioni non
vengono ben rappresentate sulla sezione Stack.
L’analisi di velocità è la fase di elaborazione che
permette la stima delle velocità di stack delle riflessioni
L’analisi di velocità è essenzialmente una procedura di
modellizzazione diretta di tipo trial-and-error.

72. 72
Spettri di velocità
Funzioni di coerenza
Semblance
Somma
Covarianza
Semblance CMP gather con e
senza iperboli interpretate

73. 73
Spettri di velocità
Procedura (semi-) automatica

74. 74
Analisi di Velocità
Georadar monostatico - Diffrazioni
Tempo(ns)
Tempo(ns)
Distanza (m)Profondità(m)
Profondità(m)
h
B
A
X
IPERBOLE DI DIFFRAZIONE

75. 75
Eseguita la correzione per NMO e applicate le correzioni statiche residue
le tracce di una famiglia CMP vengono sommate producendo una singola
traccia stack con un elevato rapporto segnale/rumore.
CMP Gather
con NMO
CMP Gather
senza NMO Traccia Stack
L’insieme di tutte le tracce stack, una per ogni posizione CMP,
costituisce la Sezione Stack o Sezione Zero-Offset
CMP STACKING

76. 76
Posizione CMP
Velocità di stack (m/s)
Tempo(s)
Tempo(s)
Tempo(s)
Tempo(s)
Esempio di Sezione sismica
con campo di velocità

77. 77
(300, 200)
(500, 300)
V=1500 m/s
Migration collapses diffracting
hyperbolas and moves (migrates)
the image of a reflecting
interface in its true position
Perché la Migrazione?

78. 78
CMP stack
CRS stack
Il CRS stack utilizza più famiglie CMP per
produrre una traccia stack e lo fa in modo
automatico sulla base di tre funzioni di
coerenza. Il risultato ha un più elevato rapporto
segnale/disturbo.
La procedura standard CMP trasforma le
famiglie CMP in una singola traccia
stack.
• Non necessita di un modello di velocità;
• Tre parametri (α, RNIP e RN) anziché la VNMO;
• Totalmente (o quasi) automatizzata
CRS
STACK
MIGLIORAMENTO
ELABORAZIONE
DATI

79. 79
CRS
STACK
CONFRONTO
CMP
-­‐
CRS

80. 80
Dati Sismici
GRID
Elaborazione remota
Sezione
Stack
Campo velocità
Risultati preliminari
Trasmissionedati
wireless
Acquisizione dati
GRID
COMPUTING
CONTROLLO
QUALITÀ
E
OTTIMIZZAZIONE

81. 81
Campi di Applicazione
Sismica a riflessione superficiale
Ingegneria Ambientale
Idrogeologia
Ingegneria Sismica e Geotecnica
• Geometria dei corpi di discarica
• Topografia del basamento impermeabile
• Verifica degli spessori dei materiali di chiusura
• Determinazione dei confini dell’acquifero
• Stima di alcuni parametri idrogeologici
(porosità, contenuto in fluidi, …)
• Risposta sismica locale
• Caratterizzazione geotecnica dei terreni

82. 82
Campi di Applicazione
Georadar
Ingegneria Ambientale
Idrogeologia
Ingegneria Geotecnica
• Monitoraggio prove di portata
• Stima del contenuto in acqua dei suoli
• Analisi sedimentologica
• Caratterizzazione di discariche
• Individuazione di fusti sepolti
• Monitoraggio dei flussi di contaminante
• Caratterizzazione della fratturazione del bedrock
• Profondità del basamento

83. 83
L’individuazione delle riflessioni sulle registrazioni grezze è
essenziale per un corretto e appropriato utilizzo della Sismica a
Riflessione e del GPR. La capacità di riconoscere i limiti del metodo,
di modificare i parametri di acquisizione, di cambiare strumentazione,
o di decidere di terminare l’acquisizione è una caratteristica
professionale che garantisce qualità.
Una sufficiente esperienza nell’apprezzare che i metodi geofisici non
sempre funzionano e la buona fede nell’ammetterlo è fondamentale
per un efficace utilizzo degli stessi nella caratterizzazione dei siti.
Un’attenta valutazione delle caratteristiche del sito e degli obiettivi di
interesse fornisce importanti informazioni sull’applicabilità del metodo,
ma niente può sostituire un’attenta ed esperta analisi di un test sul
campo (field walkaway test data).
La sismica a riflessione superficiale e il GPR non sempre
funzionano!!!
OSSERVAZIONE
IMPORTANTE

84. 84
Anche nei casi in cui funziona, attenzione a …
… ai falsi riflettori

85. 85
Onda sonora
“spatial aliased”Onda rifratta
Anche nei casi in cui funziona, attenzione a …
… ai falsi riflettori
SISMICA
A
RIFLESSIONE

86. 86
Anche nei casi in cui funziona, attenzione a …
… ai falsi riflettori
SISMICA
A
RIFLESSIONE

87. 87
Grazie per l’attenzione

88. ALIASING
ω1
ω2
ω3
ω1 < ω2 < ω3

89. Risposta Sismica Locale
La RISPOSTA SISMICA LOCALE è un insieme
di modifiche in ampiezza, durata e
contenuto in frequenza che un moto
sismico, relativo ad una formazione
rocciosa di base (il basamento), subisce
attraversando gli strati di terreno sovrastanti
fino alla superficie.
BASAMENTO

90. PERIODO
DI
RISONANZA
V1H
V2
FUNZIONE DI TRASFERIMENTOρ1
ρ2
FATTORE
AMPLIFICAZIONE
Risposta Sismica Locale

91. PERIODO
DI
RISONANZA
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
IL PERIODO DI RISONANZA DI UN SITO PUÒ ESSERE
STIMATO DIRETTAMENTE DALLA SEZIONE STACK
Risposta Sismica Locale

92. STIMA DEL RAPPORTO DI SMORZAMENTO D
Frequenza,
Y
m = coeff. angolare
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0
0.1
0.2
0.3
0.4
Tempo(s)
0 6 9-3
Offset (m)
Attenuazione anelastica

93. Caratterizzazione di un basamento fratturato
T R
T R
Diffrazioni
R
T
Time slice
fratture
fratture
fratture
2D
3D
Pozzo

94. Stima del contenuto in acqua dei suoli

95. Monitoraggio di un ‘pennacchio’ di DNAPL

96. Analisi sedimentologica in un delta