Elementi di sismica a riflessione e Georadar (Gian Piero Deidda, UNICA)

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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, 21 Maggio 2015

Transcript of Elementi di sismica a riflessione e Georadar (Gian Piero Deidda, UNICA)

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,  21  Maggio  2015  

2

Metodi geofisici

?

Misurare direttamente delle grandezze fisiche (grandezze desiderate) che caratterizzano il sottosuolo: velocità sismiche, a t t enuaz ione , r es i s t i v i t à , 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.

( )zyxv ,, ( )zyx ,,ρ( )zyxQ ,, ( )zyx ,,δ

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.

( ), ,x y zµ( )zyxQ ,,( ), ,x y zλ

( ), ,D x y z

4

Metodi elettromagnetici

?

Misurare d i re t tamente i parametri elettromagnetici cos t i tu t i v i (conduc ib i l i tà 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.

( ), ,x y zε( ), ,x y zσ ( ), ,x y zµ

5

COS’È UN’ONDA SISMICA?

COS’È UN’ONDA ELETTROMAGNETICA?

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

COS’È UN’ONDA SISMICA?

2a EQUAZIONE DI NEWTON aF m=

LEGGI COSTITUTIVE •  ELASTICITÀ

LINEARE

• VISCOELASTICITÀ LINEARE

Legge di Hooke

Legge di Hooke

Legge di Newton

µγ=T

µγ=T

dtdT γ

η=

Esem

pi

+

2

2

tgrad

∂=

uT ρ

8

CET = klijklij eCT ⋅=

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

( ) xxxxzzyyxxxx eeeeeT µλθµλ 22 +=+++=

LEGGE DI HOOKE GENERALIZZATA

Com

pone

nti d

i sf

orzo

nor

mal

e

( ) yyyyzzyyxxyy eeeeeT µλθµλ 22 +=+++=

( ) zzzzzzyyxxzz eeeeeT µλθµλ 22 +=+++=

xyxy eT µ2=xzxz eT µ2=yzyz eT µ2=

Componenti di sforzo tangenziale

λµ

Parametri di Lamé

I parametr i d i Lamé sono caratteristici di ciascun materiale e ne definiscono completamente il comportamento in campo elastico

Materiali isotropi

10

Modulo di Young xxxx EeT =

θkPh −= Modulo di compressibilità

µγ=xyT Modulo di taglio

ll

ddΔ

Δ=σ Rapporto di Poisson

zzxx eT λ= Modulo di Lamè

MODULI ELASTICI – MATERIALI ISOTROPI

11

=ijklG Funzione di rilassamento (81 parametri viscoelastici)

Materiali viscoelastici isotropi

BG

SG

( ) ( )∫∞−

−=t

klijklij d

ddtGT τ

ττε

τ

materiali viscoelastici

materiali elastici

VISCOELASTICITÀ LINEARE Relazione generalizzata Sforzi-deformazioni

12

VISCOELASTICITÀ LINEARE Sfasamento tra Sforzi e deformazioni

( ) tieTtT ω⋅= 0

( ) tiet ωγγ ⋅= 0

t

T, γ

γ

T

( ) tieTtT ω⋅= 0

( ) )(0

δωγγ −⋅= tiett

T, γ

γ

T ωδ

Materiale Viscoelastico

Materiale Elastico

13

VISCOELASTICITÀ LINEARE Modulo di Viscoelasticità

( )( ) ( ) ( )δδ

γγγγδ

δω

ω

sincos0

0

0

0

0

0 iTeTeeT

ttTG i

ti

ti

+⋅=⋅=⋅==−

GiGG ʹ′ʹ′+ʹ′=∗

Modulo Elastico Modulo Viscoso

14

1T 2T21 TT ≠

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?

aF m= 2

2

tgrad

∂=

uT ρ

=ρ Massa volumica =u Vettore spostamento

2* * * 2

2 ( )grad divt

ρ λ µ µ∂

= + ⋅ + ∇∂

u u u

15

Potenziale scalare dello spostamento

COS’È UN’ONDA SISMICA?

2 * *2

2

2tϕ λ µ

ϕρ

∂ += ⋅∇

Potenziale vettoriale dello spostamento 2 *

22t

µρ

∂= ⋅∇

ψ ψ

Onde P

* ** 2PV

λ µρ+

=

Onde S

**SV

µρ

=

Tipi di onde sismiche

16

**P PP P

k iV Vω ω

α= = +

( )⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

ω*

Re BP

GV

( )*

Im B PP

P

G DVω

α ωρ

⎧ ⎫⎪ ⎪= =⎨ ⎬

⎪ ⎪⎩ ⎭

( )⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

ω*

Re SS

GV

( )*

Im S SS

S

G DVω

α ωρ

⎧ ⎫⎪ ⎪= =⎨ ⎬

⎪ ⎪⎩ ⎭

Dispersione intrinseca

Attenuazione intrinseca

COS’È UN’ONDA SISMICA? Dominio di frequenza – Equazione di Helmoltz

2 2 0Pkϕ ϕ∇ + ⋅ =

2 2 0Sk∇ + ⋅ =ψ ψ **S SS S

k iV Vω ω

α= = +

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?

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trot

∂−=BE

trot

∂+=DJH

Qdiv =D0div =B

EJ σ=

ED ε=

HB µ=

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

EQUAZIONI DEI CAMPI EM

Campo elettrico Campo magnetico DOMINIO DEL TEMPO

2

22

tt ∂

∂+

∂=∇

EEE µεµσ 2

22

tt ∂

∂+

∂=∇

HHH µεµσ

2 2iωµσ ω µε∇ = − −E E E 2 2iωµσ ω µε∇ = − −H H H

DOMINIO DELLA FREQUENZA

PROPAGAZIONE DEI CAMPI EM IN UN MEZZO CONDUTTIVO

(CAMPI DIFFUSIVI) PROPAGAZIONE ONDULATORIA DEI CAMPI EM

(FREQUENZE > 10 MHZ – ONDE RADAR)

20

2 2k iµεω µσω= +

k i iVω

β α α= + = +

Numero d’onda: k ONDE ELETTROMAGNETICHE

2 2iωµσ ω µε∇ = − −E E E 2 2iωµσ ω µε∇ = − −H H H

2 2( )iω µε ωµσ∇ = − +E E 2 2( )iω µε ωµσ∇ = − +H H2 2k∇ = −E E 2 2k∇ = −H H

21

2

1 12 Vµε σ ω

β ωεω

⎡ ⎤⎛ ⎞⎢ ⎥= + + =⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

2

1 12µε σ

α ωεω

⎡ ⎤⎛ ⎞⎢ ⎥= + −⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

ONDE ELETTROMAGNETICHE

PARTE REALE DEL NUMERO D’ONDA

PARTE IMMAGINARIA DEL NUMERO D’ONDA

Numero d’onda: k

22

2σ µ

αε

;

2

2 2 1σω ε

=

Mezzo dielettrico (poco conduttivo) ONDE ELETTROMAGNETICHE

1Vµε

= VELOCITÀ

COEFFICIENTE DI ATTENUAZIONE

QUANDO 0σ =

8

0 0

1 3 10V m/sµ ε

= ⋅;

0α =

VUOTO

23

Mezzo conduttivo ONDE ELETTROMAGNETICHE

2

2 2 1σω ε

?QUANDO

2ωµσ

β α= =

2V ωµε

= VELOCITÀ

COEFFICIENTE DI ATTENUAZIONE

24

Prof

ondi

tà (m

)

Distanza (m)

Sorgente

Propagazione delle onde: Ampiezza e tempi di percorrenza

25

Pausa caffè

… solo virtuale!!!

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  

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Duomo salino

SISMICA A RIFLESSIONE RICERCA PETROLIFERA

28

SISMICA 3D SISMICA A RIFLESSIONE

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

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

ECOGRAFIA ‘‘IMAGING’’ ACUSTICO

32

1V

2V

h ( ) 2 1

2 1

Z Zr hZ Z

−=

+

COEFFICIENTE DI RIFLESSIONE

SISMICA A RIFLESSIONE E GPR MODELLO CONVOLUZIONALE

t

*

RIFL

ETTI

VITÀ

TRACC

IA S

ISM

ICA

TRACC

IA R

ADAR

SEGNALE SORGENTE

2htV

=

h 1ε 1µ

2ε 2µ

Z = Impedenza acustica

Impedenza intrinseca

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

Imaging sismico 2D: dalla Geologia alla Sezione Sismica

GEOLOGIA

RECORDS

AC

QU

ISIZ

ION

E

SISMICA A RIFLESSIONE

35

RECORDS

SEZIONE SISMICA

Ela

bora

zion

e

Imaging sismico 2D: dalla Geologia alla Sezione Sismica SISMICA A RIFLESSIONE

36

Iperbole

DROMOCRONE  

V h

S G

CDP

x CMP

!(#)=√#↑2 /*↑2  + !↓0↑2   !↓0 = 2ℎ/* 

!↓0 

PRINCIPI  GENERALI  

37

CMP

CDP

PRINCIPI  GENERALI  CMP  SORTING  

Famiglia CMP

Registrazioni multi-offset (CSG)

CDP

38

( )⎥⎥

⎢⎢

⎡−⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛+=−=Δ 11

2

000 TV

xTTxttNMO

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

02

2

2 TVxtNMO

NMO ⋅⋅≈Δ

NORMAL  MOVE  OUT  PRINCIPI  GENERALI  

39

Senza correzione NMO Dopo correzione NMO

CMP

x = 0 Multi-Offset Zero-Offset

PRINCIPI  GENERALI  

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

GPR – Acquisizione multi-offset Esempio multi-antenna

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

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

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.

1fT

Δ =

45

Intervallo di campionamento Δt

max21f

t ≤Δ

( ) max541f

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

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

Offset massimo - NMO 2

2 2 2max0 0 022NMO NMO

NMO

XT T T T TV

Δ + + Δ ⋅ = +

2max 0 02 2NMO NMO NMO NMO NMOX V T T T V T T= Δ + Δ ⋅ ≅ Δ ⋅

22max0 02NMO

NMO

XT T TV

Δ = + −

.domin

1f

TNMO =Δ

0max

.

2NMO

domin

TX Vf

=

Applicando la condizione:

Minimo valore di Xmax

Parametri di acquisizione - Sismica

48

Offset massimo - Stretching

T 0T

Correzione NMO (desiderata)

Parametri di acquisizione - Sismica

49

Offset massimo - Stretching

T 0T T 0T

domTdomT ʹ′

Diverso NMO Correzione NMO

(reale)

Parametri di acquisizione - Sismica

50

Offset massimo - Stretching

0. TT

ffNMOstretch

Δ=

Δ=

domin

5.00

=TTNMOstretch

00 21TTTT =−=Δ

202

2

000 23

21 T

VXTTTTNMO

+==+=

202

2204

9 TVXTNMO

+=

NMONMO VTVTX ⋅⋅=⋅⋅= 00 25.145

Imponendo:

Parametri di acquisizione - Sismica

51

Offset massimo - Stretching

T 0T

Stretch Muting

Diminuzione copertura CMP

Parametri di acquisizione - Sismica

52

Offset massimo – riflessioni supercritiche

0 30 60 90Angolo di Incidenza (°)

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

Am

piez

za

0 30 60 90Angolo di Incidenza (°)

-180

-90

0

90

180

Fase

(°)

RSH

TSH

a b

Angolo diBrewster θcr = 41.81

θcr = 41.81

Angolo di incidenza Offset

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

2

1arcsenVV

cθ chX θtan2≤

Parametri di acquisizione - Sismica

53

Offset minimo

0.1

0.2

0.3

0.4

0.00 10 20

0.1

0.2

0.3

0.4

0.0

Distanza scoppio-geofono (m)

Tem

pi (s

)

Tem

pi (s

)

Finestra ottimale

Parametri di acquisizione - Sismica

54

Spaziatura geofoni Δx

max

12

xk

Δ ≤ 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.

maxmax

mina

fkV

= min

max2aVxf

Δ ≤

Parametri di acquisizione - Sismica

55

Spaziatura geofoni Δx e ALIASING spaziale Parametri di acquisizione - Sismica

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:

domdom

Vf

λ =

Parametri di acquisizione - Sismica

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 = max min4 4 ( )V

f fλ

⋅ −;

Parametri di acquisizione - Sismica te

mpo

fr

eque

nza

58

Risoluzione laterale

Riflettore

S

A A’O

40λ

+z0z

T0T1

z

V

VzT o2

0 =

VzT o )4/(2

1λ+

=

AAʹ′ = Diametro Ia zona di Fresnel

00 2 2

TVR zf

λ≅ =Risoluzione laterale

Parametri di acquisizione - Sismica

59

Parametri di acquisizione - Georadar Frequenza centrale dell’antenna – banda spettrale

Ampiezza  (dB)  

cf f

0  -­‐3  

1.5 cf0.5 cf

cB f=

B

Banda spettrale

La frequenza massima del segnale emesso è ben superiore alla frequenza centrale dell’antenna!!

In pratica

max 3 cf f=

60

Parametri di acquisizione - Georadar Frequenza centrale dell’antenna

75R

r

fz ε

≥Δ4

R Vfz

≥⋅Δ

MHz

30C

r

fL ε

≤Δ

MHz 10

C VfL

≤⋅Δ

4z λ

Δ =

10L λ

Δ =

RISOLUZIONE DESIDERATA

LIMITAZIONE «CLUTTERING» (PICCOLE ETEROGENEITÀ)

SCELTA DELLA FREQUENZA CENTRALE

R Ccf f f≤ ≤

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.

21.3 hTV

=

h =

V =

Profondità dell’obiettivo

Velocità ipotizzata (o stimata)

62

Parametri di acquisizione - Georadar Intervallo di campionamento temporale

Come nel caso della Sismica, discende dal teorema del campionamento.

max

1 1 12 2 1.5 3c c

tf f f

Δ ≤ = =⋅

In pratica: 16 c

tf

Δ =

63

Parametri di acquisizione - Georadar Intervallo di campionamento spaziale – Intervallo tra le tracce

Come nel caso della Sismica, discende dal teorema del campionamento.

max

12 2 6Nyq c

V Vxk f f

Δ ≤ = =

75

c r

xf ε

Δ ≤xΔ

cf [MHz]

[m]

64

Parametri di acquisizione Modellizzazione - Esempio

V1 = 200

V3= 2000

7 m

3 m V2 = 1500

Distanza scoppio-geofono (m)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 10 20 30 0 10 20 300.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Tem

po (s

)

Tem

po (s

)

Onde P Onde SH

Basamento sotto copertura con falda

65

Parametri di acquisizione Walkaway noise test – Test di rumore

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

ELABORAZIONE DATI

PREPROCESSING

GEOMETRICAL PROCESSING

WAVELET PROCESSING

IMAGE PROCESSING

FA

SI P

RIN

CIP

ALI

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

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

Senza correzione NMO Dopo correzione NMO

CMP

x = 0

Correzione per NMO Multi-Offset Zero-Offset

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

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

Spettri di velocità

∑∑= =

=N

i

M

jijt aS

1 1

∑∑

∑ ∑

= =

= =⎥⎦

⎤⎢⎣

= N

i

M

jij

N

i

M

jij

SMB

aM

aC

1 1

2

1

2

1

( )∑∑

∑∑

= =

= =

−= N

i

M

jij

N

i

M

kjikij

NXC

aMM

aaC

1 1

2

1 1,

1

2

Funzioni di coerenza

Semblance

Somma

Covarianza Semblance CMP gather con e

senza iperboli interpretate

73

Spettri di velocità Procedura (semi-) automatica

minV maxVstimatoV)

74

Analisi di Velocità Georadar monostatico - Diffrazioni

Tem

po (n

s)

Tem

po (n

s)

Distanza (m)

Pro

fond

ità (m

)

Pro

fond

ità (m

) h

B

A X

0T

2 2 2202

2 4X h XT TV V+

= = +

IPERBOLE DI DIFFRAZIONE

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

Posizione CMP

Velocità di stack (m/s)

Tem

po (s

)

Tem

po (s

)

Tem

po (s

)

Tem

po (s

)

Esempio di Sezione sismica con campo di velocità

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

!↑2 (ℎ)= !↓0 ↑2 + 4ℎ↑2 /*↑2 ↓-./   CMP stack

CRS stack

!↑2 (#↓0 ,ℎ)= [!↓0 + 2(#↓0 − #↓0 )2345/6↓0  ]↑2 + 2!↓0 892↑2 5/6↓0  [(#↓0 − #↓0 )↑2 /:↓-  + ℎ↑2 /:↓-;<  ]

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

CRS  STACK  CONFRONTO  CMP  -­‐  CRS  

80

Dati Sismici

GRID Elaborazione remota

Sezione Stack

Campo velocità

Risultati preliminari

Tras

mis

sion

e da

ti w

irele

ss Acquisizione dati

GRID  COMPUTING  CONTROLLO  QUALITÀ  E  

OTTIMIZZAZIONE  

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

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

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

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

85

Onda sonora “spatial aliased” Onda rifratta

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

SISMICA  A  RIFLESSIONE  

86

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

SISMICA  A  RIFLESSIONE  

87

Grazie per l’attenzione

ALIASING

ω1 ω2 ω3

ω1 < ω2 < ω3

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

PERIODO  DI  RISONANZA  

2π π π2 π3

25π

23π

Fattore di frequenza

0

2

4

6

8

10

Am

plifi

cazi

one

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

n =

1

n =

2

n =

3

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

SS VH

IVH

Hωω

ω2

22

1

sin1cos

1)(

!↓=94> = 4?/*↓@  

V1 H

V2

;= A↓2 *↓2 /A↓1 *↓1  

FUNZIONE DI TRASFERIMENTO ρ1

ρ2

FATTORE AMPLIFICAZIONE

Risposta Sismica Locale

!↓=94> =2!↓0 = 4?/*↓@  

!↓0 = 2?/*↓@  

PERIODO  DI  RISONANZA  

Tem

po (s

)

0.1

0.0

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

Distanza (m)10 15 20 25 30 35 40 45 50 5550 2 8 14 20

Offset (m)

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

STIMA DEL RAPPORTO DI SMORZAMENTO D

−B4[C↓2 (:↓2 ,D)/C↓1 (:↓1 ,D) ]=B4(:↓1 /:↓2  )+E∙∆F∙D

                                 G                      =            H              +    0    ∙    D

Frequenza, D

Y m = coeff. angolare

E= 0/∆F 

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0

0.1

0.2

0.3

0.4

Tem

po (s

)

0 6 9 -3 Offset (m)

Attenuazione anelastica

Caratterizzazione di un basamento fratturato T R

T R

Diffrazioni

R

T

Time slice

fratture fratture

fratture

2D

3D

Pozzo

Stima del contenuto in acqua dei suoli

Monitoraggio di un ‘pennacchio’ di DNAPL

Analisi sedimentologica in un delta