1 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

NUOVE FRONTIERE PER LA GEOFISICA NUOVE FRONTIERE PER LA GEOFISICA APPLICATAAPPLICATA

POTENZIALITÀ E LIMITI DELLA SISMICA A RIFLESSIONE PER ONDE

SH

ROVERETO, 25-26 GIUGNO 2009

GIAN PIERO DEIDDAGIAN PIERO DEIDDA

NOVITÀ TECNOLOGICHE E DI ELABORAZIONE ILLUSTRATE CON PRESENTAZIONI IN MUSEO E DIMOSTRAZIONI PRATICHE

PRESSO SPERIMENTAREA

2 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

Ricerca petroliferaCAMPI CAMPI DIDI APPLICAZIONE DEI METODI SISMICIAPPLICAZIONE DEI METODI SISMICI

3 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

Ingegneria geotecnicaCAMPI CAMPI DIDI APPLICAZIONE DEI METODI SISMICIAPPLICAZIONE DEI METODI SISMICI

4 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

Indagini non distruttive

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Distanza (m)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Dis

tanza (

m)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Velocità onde S (km/s)

CAMPI CAMPI DIDI APPLICAZIONE DEI METODI SISMICIAPPLICAZIONE DEI METODI SISMICI

5 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

Ingegneria sismica: Effetti di SitoCAMPI CAMPI DIDI APPLICAZIONE DEI METODI SISMICIAPPLICAZIONE DEI METODI SISMICI

6 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

Informazioni ottenibiliInformazioni Geometriche

1- Profondità del basamento2- Localizzazione di faglie e zone di fratturazione3- Rigetto delle faglie4- Localizzazione di paleoalvi5- Stratigrafia6- … … … …

Informazioni fisiche

1- Velocità delle onde sismiche e moduli elastici2- Attenuazione (Q or D)3- Frequenza di risonanza di un sito4- Anisotropia5- Porosità6- … … … …

UTILITUTILITÀÀ DEI METODI SISMICIDEI METODI SISMICI

7 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

PROPRIETPROPRIETÀÀ GEOTECNICHE DEI TERRENIGEOTECNICHE DEI TERRENIModulo di Taglio e Rapporto di Smorzamento

8 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

PROPRIETPROPRIETÀÀ GEOTECNICHE DEI TERRENIGEOTECNICHE DEI TERRENICurve di degradazione

9 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

METODI INVASIVICrosshole e DownholeSeismic Cone Penetration TestPS logging

SISMICA A RIFLESSIONE SH

METODI SISMICI PER ONDE SMETODI SISMICI PER ONDE S

METODI NON INVASIVISismica a rifrazioneOnde superficiali

metodi attivi (p.e., SASW e MASW)metodi passivi (p.e., microtremori)

10 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

PERCHPERCHÉÉ LE ONDE SH?LE ONDE SH?

P

SH

SV

11 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

Grazie all’esteso utilizzo nell’esplorazione petrolifera, la sismica a riflessione è il metodo geofisico più “evoluto”. Esso viene comunemente utilizzato per produrre immagini del sottosuolo.

SISMICA A RIFLESSIONE = TECNICA SISMICA A RIFLESSIONE = TECNICA DIDI““IMAGINGIMAGING””

12 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

Principio di funzionamentoUna sorgente sismica genera energia meccanica che si propaga nelsottosuolo mediante onde sferiche. Sulla base del principio di Fermat, dopo aver subito fenomeni di rifrazione e riflessione, le onde sismiche vengono captate in superficie da uno stendimento di geofoni. I segnali elettrici provenienti dai geofoni vengono quindi registrati da un sismografo digitale in uno Shot Record.

Shot Record

METODO SISMICO A RIFLESSIONEMETODO SISMICO A RIFLESSIONE

13 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

METODO SISMICO A RIFLESSIONEMETODO SISMICO A RIFLESSIONEImaging sismico 2D: dalla Geologia alla Sezione Sismica

GEOLOGIA

RECORDS

ACQ

UIS

IZIO

NE

14 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

RECORDS

SEZIONE SISMICA

ELABO

RAZIO

NE

METODO SISMICO A RIFLESSIONEMETODO SISMICO A RIFLESSIONEImaging sismico 2D: dalla Geologia alla Sezione Sismica

15 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

Acquisizione multicanale

Common Shot gather

Le tracce di questa famiglia hanno in comune

una stessa posizione di sorgente. I dati a

riflessione vengono acquisiti in questa

modalità

Common Mid Point (CMP) gather

Lo stesso punto CMP è comune a tutte le

tracce

CDP

CMP

16 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

Lo stendimento può essere spostato lungo la linea sismica in modo da campionare più volte i punti sui riflettori. Per esempio, il punto P viene campionato dalla traccia sismica 9 dello “shot record” A, dalla traccia 5 dello “shot record” B, e dalla traccia 1 dello “shot record” C. Questo punto del riflettore, cosi come i punti Q, S, and T, è detto CRP o CDP

Near Offset(Common ReflectionPoint o Common DepthPoint).Il punto sulla superficie coincidente con il punto medio tra sorgente e geofono è detto CMP(Common Mid Point).Il numero di tracce che campionano un CRP definisce la “copertura multipla CMP”.

ACQUISIZIONE : COPERTURA MULTIPLAACQUISIZIONE : COPERTURA MULTIPLA

17 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

N° di Stazione

A *

C **

D

B

E *F *

*

120

COG

130

CRG

CSG

150

140

CMP

CMP SortingCMP Sorting

CMP Gather

Stacking Chart

CSG = Common Shot GatherCRG = Common Receiver GatherCOG = Common Offset Gather

CMP = Common Mid Point Ghater

18 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

D

S G

Riflettore

Superficie

x

h

h

S’

DSSD ′=

DRDSDRSD +′=+

( ) ( )2222hx +=+′ DRDS

[ ] ( )2222)( hxxtV +=⋅

2

02

22

2

22 2

)( TV

x

V

h

V

xxt +=

+=

Teorema di Pitagora

2

02

2

)( TV

xxt +=

x

Nel caso di un singolo riflettore la dromocrona èun’iperbole

T0

t(x)

Slope = 1/V

DROMOCRONA ONDA DROMOCRONA ONDA RIFLESSARIFLESSA

19 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

( )

−

+=−=∆ 11

2

0

00TV

xTTxtt

NMO

NMO

Normal Move Out (NMO)

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

0

2

2

2 TV

xt

NMO

NMO ⋅⋅≈∆

ESPRESSIONE DEL NORMAL MOVE ESPRESSIONE DEL NORMAL MOVE OUTOUT

20 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

Senza correzione NMO Dopo correzione NMO

CMP

x = 0

CORREZIONECORREZIONE per NMOper NMOMulti-Offset Zero-Offset

21 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

a) Riflessione con NMOb) Correzione con velocità troppo altac) Correzione con velocità troppo bassad) Correzione con velocità esatta

CORREZIONE PER NMOCORREZIONE PER NMO

22 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

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

CMP STACKING

L’insieme di tutte le tracce stack, una per ogni posizione CMP, costituisce la Sezione Stack o Sezione zero-offset

23 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

ESEMPIO ESEMPIO DIDI SEZIONE SEZIONE SISMICA CON CAMPO SISMICA CON CAMPO DIDI

VELOCITVELOCITÀÀ

24 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

POTENZIALITPOTENZIALITÀÀ DELLA SISMICA A RIFLESSIONEDELLA SISMICA A RIFLESSIONEVelocità di propagazione negli strati

2

02

2

)( TV

xxt +=

Analisi del legame spazio-tempo dei segnali riflessi

Velocità di Stack

Velocità di Intervallo(formula di DIX)

( ) ( )

∆−∆

∆≅ ∑∑

−

=−

=

1

1

2

1

1

21 k

i

ikstack

k

i

ikstack

k

k tVtVt

V

25 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

POTENZIALITPOTENZIALITÀÀ DELLA SISMICA A RIFLESSIONEDELLA SISMICA A RIFLESSIONEVelocità di propagazione nel substrato

Analisi delle ampiezze: tecnica AVO

0 30 60 90

Angolo di Incidenza (°)

0

0.4

0.8

1.2

Ampiezza

V1

V2

h

S GX

M

C

tr

tr

VV

VVR

θρθρθρθρ

θcoscos

coscos)(

1122

1122

+−

=

26 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

POTENZIALITPOTENZIALITÀÀ DELLA SISMICA A RIFLESSIONEDELLA SISMICA A RIFLESSIONEAttenuazione anelastica: rapporto di smorzamento D

Analisi spettrali delle ampiezze

( )( )

ωωω

⋅∆⋅+

=

− tD

R

R

RA

RA

2

1

11

22 ln,

,ln

ωmqY −=

ω

Y

q

m = coefficiente angolare

t

mD

∆=

27 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

POTENZIALITPOTENZIALITÀÀ DELLA SISMICA A RIFLESSIONEDELLA SISMICA A RIFLESSIONEEffetti di sito: periodo di risonanza

Funzione di Trasferimento

+

=

SS V

H

IV

HH

ωωω

2

2

2 sin1

cos

1)(

2

π π π2 π32

5π2

3π

Fattore di frequenza

0

2

4

6

8

10

Amplifica

zione

I = 2.5I = 5I = 10I = inf.

n = 1

n = 2

n = 3 S

fondV

HT

4=

V1H

11

22

V

VI

ρρ

=

1ρ

V22ρ

28 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

POTENZIALITPOTENZIALITÀÀ DELLA SISMICA A RIFLESSIONEDELLA SISMICA A RIFLESSIONEEffetti di sito: periodo di risonanza

Analisi dei tempi di riflessione zero-offset

T0

SV

HT

20 =

V1H 1ρ

V22ρ

024

TV

HT

S

fond ==

29 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

… ha grandi potenzialità …

…È la tecnica d’indagine maggiormente utilizzata nella ricerca petrolifera…

Perché è scarsamente utilizzata in ambito ingegneristico?

? ??

30 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

Costi di acquisizione ed elaborazione

Strumentazione:RegistratoriSorgentiRicevitori

Celerità di acquisizione

31 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

Land StreamersNovità nell’acquisizione dei dati

Sorgenti Vibranti

32 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

Sinistra Destra

Le registrazioni SH richiedono due Scoppi con versi opposti che devono essere sottratti per attenuare le onde P. Inoltre, un’attenuazione ottimale delle onde P richiede l’equalizzazione delle ampiezze e la rimozione delle variazioni del tempo zero (determinate mediante crosscorrelazione) delle registrazioni prima della sottrazione.

ProcedureNovità nell’acquisizione dei dati

33 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

SWYPHONE

SWYPHONE è un ricevitore orizzontale che rende più rapida l’acquisizione ed elimina alcune fasi di preprocessing sulle registrazioni. Con questo ricevitore è possibile acquisire segnali SH con poca contaminazione di onde P, e con una sola energizzazione.

SwyphoneStandard

(a) Registrazione ottenuta con geofoni standard e procedura tradizionale. (b) Registrazione ottenuta con swyphones con una sola direzione di energizzazione, cioècon metà dell’energia.

ProcedureNovità nell’acquisizione dei dati

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Un esperimento “ultra-shallow”SISMICA A RIFLESSIONE PER ONDE SHSISMICA A RIFLESSIONE PER ONDE SH

Deidda, G.P., and Balia, R., (2001); An ultra-shallow SH-wave seismicreflection experiment on a subsurface ground model. Geophysics, 66, 1097-1104.

ACQUISIZIONERegistratore :Geometrics

ES2420, A/D = 16 bit, 24 ch

∆x = 30 cm∆s = 30 cmCopertura CDP = 1200%

35 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

UN ESPERIMENTO UN ESPERIMENTO ““ULTRAULTRA--SHALLOWSHALLOW””

36 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

Analisi di velocitàUN ESPERIMENTO UN ESPERIMENTO ““ULTRAULTRA--SHALLOWSHALLOW””

37 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

Sezione tempi e sezione profonditàUN ESPERIMENTO UN ESPERIMENTO ““ULTRAULTRA--SHALLOWSHALLOW””

38 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

CONDIZIONI IMPORTANTICONDIZIONI IMPORTANTI

1. Il contrasto di impedenza acustica deve essere sufficientemente

alto per poter generare riflessioni registrabili. Ciò richiede una

significativa variazione di velocità e/o di densità.

2. Il contenuto spettrale del segnale deve essere ampio per poter

avere le riflessioni separate da altri eventi quali diretta, rifratta e

onde superficiali.

3. La strumentazione deve essere adeguata e avere sufficiente banda

dinamica per registrare in alta fedeltà i segnali sismici.

Per poter utilizzare la Sismica a riflessione superficiale devono

verificarsi tre importanti condizioni:

Queste condizioni devono essere sempre verificate per ogni sito e per ogni obiettivo.

39 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

L’individuazione delle riflessioni sulle registrazioni grezze èessenziale per un corretto e appropriato utilizzo della Sismica a Riflessione. 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 èfondamentale per un efficace utilizzo degli stessi nella caratterizzazione dei siti. Un’attenta valutazione delle caratteristiche del sito e degli obiettivi di interesse fornisceimportanti informazioni sull’applicabilità del metodo, ma niente può sostituire un’attenta ed esperta analisi di un test sul campo (fieldwalkaway test data).

La sismica a riflessione superficiale non sempre èuna tecnica di indagine che funziona!!

OSSERVAZIONE IMPORTANTEOSSERVAZIONE IMPORTANTE

40 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

Anche nei casi in cui funziona, attenzione a …

… ai falsi riflettori

41 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

Onda sonora “spatial aliased”Onda rifratta

Anche nei casi in cui funziona, attenzione a …

… ai falsi riflettori

42 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

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

43 Rovereto, 25-26 Giugno 2009Nuove Frontiere per la Geofisica Applicata

Grazie per l’attenzione