Metodologie Elettromagnetiche per la Geofisica

Lezione introduttiva

Anno Accademico 2009/2010Docente:Elena Pettinelli

Dipartimento di Fisica “Edoardo Amaldi”

Tecniche di indagine remota (remote sensing)

• In senso lato il termine inglese remote sensing si riferisce ad un gruppo di metodiche che acquisiscono informazioni a piccola o grande scala relativamente ad un oggetto o ad un fenomeno, utilizzando tecniche di misura, acquisizione in tempo reale e/o registrazione attraverso appositi dispositivi, che non si trovano in contatto fisico con l’oggetto in studio.

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Tecniche di indagine remota (remote sensing)

Tecniche di indagine remota (remote sensing)

• Le tecniche classiche di remote sensing, quali le immagini ottiche o nell’infrarosso, quelle multispettrali, quelle in banda X, quelle radiometriche e quelle radar, che operano da aereo, da satellite o da pallone sono state essenzialmente sviluppate negli ultimi 50 anni, e sono applicabili principalmente allo studio degli oggetti che si trovano al di sopra dell’interfaccia aria-suolo, o comunque che si trovano all’interno dei primi centimetri di suolo.

• Le tecniche d’indagine geofisica, diversamente, sono state sviluppate principalmente nel corso di tutto il XX secolo, sono finalizzate all’indagine della struttura del sottosuolo alle diverse scale spaziali orizzontali e verticali, e possono raggiungere profonditàd’investigazione anche di qualche chilometro.

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Tecniche non distruttive• Il concetto di remote sensing è spesso confuso con

quello di non distruttività di una metodica d’indagine. Si definisce non distruttiva una tecnica che non produce alcuna alterazione, danneggiamento, distruzione parziale o totale dell’oggetto o del fenomeno in studio. Ad esempio, lo scavo e il carotaggio sono da considerarsi tecniche distruttive. Tuttavia, il concetto di tecnica distruttiva si estende oltre al concetto di danno meccanico: è a tutti noto, ad esempio, l’effetto biologico distruttivo dei raggi X, di conseguenza anche nell’ambito delle indagini diagnostiche definite non distruttive, devono essere valutate con cautela natura fisica, frequenza, ampiezza, energia associata e potenza dei segnali utilizzati al fine di effettuare le suddette indagini.

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La geofisica applicata, o prospezione geofisica, è la scienza che raggruppa in sé le diverse metodicheper le indagini remote del sottosuolo e che utilizzaconcetti e tecniche di misura proprie della fisica, al fine di investigare le proprietà fisiche del sottosuolo del un pianeta.

La conoscenza di tali proprietà permette di ottenere informazioni su:

• la litologia• i rapporti geometrici tra i corpi rocciosi• la presenza di acqua nel sottosuolo• la presenza di inquinanti nel terreno• la presenza di oggetti sepolti• la presenza di petrolio o di metalli e minerali

preziosiMetodologie Elettromagnetiche per la Geofisica – lezione n.1

Geofisica applicata ed ambientale

Dipartimento di Fisica “Edoardo Amaldi”

Geofisica di esplorazioneLa geofisica di esplorazione si sviluppa all’inizio del ‘900 come disciplina autonoma finalizzata alla localizzazione dei depositi minerari e petroliferi.

1919 Patent for “determining the contour of subsurface

strata…”

12 aprile 1919 la prima acquisizione di sismica a

riflessione

1922 Prima misura di una anomalia gravitazionale positiva con una bilancia a torsione ed individuazione di un domo salino associato ad un campo petrolifero

1926 Scoperta di due domi salini con tecniche di sismica a riflessione

1913 Scoperta del primo deposito di minerali metallici

non magnetici attraverso misure di potenziale elettrico

del sottosuolo

Geofisica di esplorazione

Domo salino

Petrolio

“Immagine” sismica di un domo salino

• Le misure fisiche che possono essere effettuate sono di tipo:

• passivo (non si perturba il sistema): variazioni dei campi naturali associati alla Terra (gravimetrico o magnetico);

• attivo (si perturba il sistema): risposta del terreno alla generazione di segnali artificiali (sismico, elettrico, GPR);

Magnetometro - passivo GPR - attivo

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Geofisica applicata ed ambientale

• Si noti che per perturbazione del sistema si intende il processo di generazione e propagazione di segnali all’interno del mezzo oggetto d’indagine, atti ad indurre una risposta fisica da parte del sistema, risposta che viene analizzata per stimare le proprietà fisiche del sistema stesso. Il termine perturbazione, è inteso qui in senso fisico e non ha, quindi, nessuna relazione con i termini danno e distruttività.

Metodi geofisici

METODO GEOFISICO RELATIVA PROPRIETA’ FISICA Gravimetrico Densità Magnetico Suscettività

Sismico a riflessione Modulo elastico – densità Sismico a rifrazione Modulo elastico – densità

Resistività Resistività elettrica Potenziale spontaneo Differenza di potenziale Polarizzazione indotta Resistività – capacità Elettromagnetico (EM) Conducibilità – induttanza

EM-VLF Conducibilità – induttanza Ground Penetrating Radar Permettività – conducibilità -permeabilità

Magnetico-tellurico Resistività Radiometrico Radioattività

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Proprietà fisiche misurabili

con tecniche geofisiche

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Relazione proprietà fisica - target

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Identificabilità del target

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Identificabilità del target

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METODO GEOFISICO

Esplorazione idrocarburi

Geologia regionale

Esplorazione depositi minerali

Applicazioni ingegneria

Indagini idrogeologiche

Cavità subsuperficiali

Intrusione contaminanti

Oggetti metallici.

Archeologia Geologia forense

gravimetrico P P S S S S NO NO S NO magnetico P P P S NO U NO P P NO sismico a riflessione

P P U P S S NO NO NO NO

sismico a rifrazione

P P U S S U NO NO NO NO

resistività U U P P P P P S P U potenziale spontaneo

NO NO P U P U U U NO NO

polarizzazione indotta

U U P U S U U U U U

elettromagnetico (em)

S P P P P P P P P U

em-vlf U U P U S S S U U NO ground

penetrating radar

NO NO U P P P S P P P

magnetico-tellurico

S P P U U NO NO NO NO NO

radiometrico U NO U NO U U U NO U NO

Applicazioni

P = primario S = secondario U = usato NO = inadeguato

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I metodi geofisici localizzano i confini attraverso i quali esiste un marcato contrasto di proprietàfisiche.

Il contrasto può essere rilevato a distanza poichéorigina una anomalia geofisica

Anomalie geofisiche

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Bg∆

x

1ρ

2ρ

21 ρρ >

contrasto

Anomalia geofisica

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Indica una variazione delle proprietà fisiche

rispetto a quelle dell’area circostante (background)

Bersaglio geofisico (target)

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La sorgente fisica dell’anomalia (petrolio o gas – cavità – falda –

oleodotto – inquinante –oggetto sepolto).

Inquinantinei pori di un

suolo o di una roccia

Anomalie geofisiche I tre fattori fondamentali di un bersaglio geofisico sono: proprietà fisica, dimensioni, profondità.

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Adeguatezza di una tecnica geofisicaLa scelta di una tecnica dipende da molteplicifattori il più importante dei quali è rappresentatodalla capacità da parte di tale tecnica di individuare e localizzare il bersaglio geofisico, ovvero l’oggetto sepolto che si vuole identificare. La possibilità di essere individuato dipende dallecaratteristiche dell’oggetto e dal contestogeologico-ambientale, ovvero dalle proprietà fisichedel terreno circostante.

Non necessariamente un metodo che abbia dato buoni risultati in un contesto specifico, deve necessariamente produrre risultati positivi

in condizioni geologico-ambientali differenti.

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Adeguatezza di una tecnica geofisica

Per determinare la presenza di una anomalia geofisica si esegue una mappatura di un sito.

Nel caso di alcune tecniche si eseguono prevalentemente dei transetti (profili). Nel caso di altre si acquisiscono le misure secondo una griglia predefinita.

Acquisizione dati

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Acquisizione dati

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

20 cm depth TDR 10 cm depth TDR

Water 6

Laboratorio di Fisica Terrestre – lezione introduttiva

Segnale: informazione cercataRumore: tutto ciò che tende a

“coprire” l’informazione cercata.

Rumore coerente: è rumore che si manifesta sistematicamente (elettrodotti – cavi alta tensione). Può degradare il segnale sino a coprirlo completamente. Il rumore coerente si manifesta spesso ad una precisa frequenza (50-60 Hz) e può essere filtrato (rumore colorato).

Rumore incoerente: rumore casuale (traffico) larghissimo spettro di frequenze (rumore bianco). Quando viene sommato insieme tende a cancellarsi (rumore a media nulla).

Segnale e rumore

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Le tecniche di elaborazione dei segnali acquisiti permettono di aumentare il rapporto segnale-rumore (S/N signal to noiseratio).

La somma di n segnali statisticamente casuali (rumore incoerente) è proporzionale alla√N. La somma di n segnali coerenti (in fase) è proporzionale ad n.

Il rapporto nNS∝

Segnale e rumore

10 3.16

50 7.07

100 10

SnNSnNSnN

= ⇒ =

= ⇒ =

= ⇒ =

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Segnale e rumore

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FormaAmpiezza Frequenza

Il segnale emesso dalla sorgente

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Il segnale ricevuto

-40 -20 0 20 40 60 80TIME (ns)

-60000

-40000

-20000

0

20000

40000

AMPL

ITU

DE

PEAK-PEAK AMPLITUDE = 36991

WATER CONDUCTIVITY = 4716.2 mS/m

Modificato in ampiezza, frequenza e fase

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Immagini del sottosuolo

Sismica a riflessione

Tomografia elettrica

Ground Penetrating Radar

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Geofisica in foro

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Integrazione delle tecniche geofisiche

• La tendenza attuale, nell’ambito delle prospezioni geofisiche è quella di utilizzare in un sito di studio più metodologie, in modo da integrare i risultati e minimizzare gli errori interpretativi correlati ai limiti strumentali e metodologici delle singole tecniche. Questo approccio può, tuttavia risultare molto oneroso dal punto di vista economico, ed è applicato principalmente nel campo della ricerca o in quello ambientale per la prevenzione e la tutela della salute.

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Informazione ottenibile con tecniche geofisiche

• E’ importante sottolineare, infine, che tutte queste tecniche producono risultati che devono essere integrati con altre informazioni (geologiche, ambientali, archeologiche, ecc.) reperibili per vie diverse, al fine di essere correttamente interpretati.

• Con le tecniche geofisiche è possibile identificare la presenza, la geometria e la localizzazione spaziale di un’anomalia, ma non è mai possibile dedurre direttamente la natura dell’oggetto che la produce.

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Informazione ottenibile con tecniche geofisiche

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