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INDAGINI E TECNICHE DI MICROZONAZIONE SISMICA APPLICATE

AI CENTRI URBANI E AGLI EDIFICI

Indagini geofisiche di superficie: sismica a rifrazione

Mario Marchisio

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Indagini geofisiche: sismica a rifrazione

Le indagini sismiche a rifrazione utilizzano la propagazione delle onde elastiche di volume per lo studio della stratigrafia delle rocce superficiali basandosi sulla differenza delle loro velocità.

Si possono utilizzare sia le onde P (longitudinali o di pressione) sia le onde S (trasversali o di taglio.

Per la Microzonazione Sismica queste indagini hanno principalmente lo scopo di determinare la VEL VS30

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Cenni sulle onde sismiche in corpi elastici

Propagazione delle onde elastiche in presenza di superfici di discontinuità: riflessione e rifrazione

Sismica a rifrazione: tecniche di misura ed interpretazione (con onde P ed SH)

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I diversi tipi di onde elastiche nel sottosuolo:

Onde in un solido elastico indefinito omogeneo ed isotropo:

Onde P (onde di compressione o longitudinali)

Onde S (onde di taglio o onde trasversali)

Onde superficiali, che si verificano solo in presenza di superfici de discontinuità:

Onde di Love Onde di Rayleigh

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Deformazioni di una particella elementare e vibrazioni dei suoi punti nel caso di:

onde P (longitudinali o di volume)

onde S (di taglio o trasversali)

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PRESENZA DI SUPERFICI DI DISCONTINUITA’

Un raggio sismico incidente su di una superficie di discontinuità subisce fenomeni di riflessione nel primo mezzo elastico e di rifrazione nel secondi

Gli angoli dei raggi riflessi e rifratti seguono le Leggi di Snellius

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Se l’onda incidente è un’onda P o SV, oltre alle onde riflesse omologhe si generano anche onde dell’altro tipo

Suffisso P : raggi PSuffisso S : raggi S

Suffisso 1 : raggi nel mezzo 1

Suffisso 2 : raggi nel mezzo 2

R : angolo di riflessioner : angolo di rifrazione

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Lo studio delle ampiezze delle onde riflesse e rifratte nel caso generale è molto complesso.

Nel caso però di angolo di incidenza di 90° i rapporti di amplificazione dipendono solo dalle impedenze acustiche dei 2 mezzi (prodotto della velocità dell’onda x la densità del mezzo)

Si noti l’amplificazione dell’onda rifratta quando si passa da un mezzo più veloce ad un mezzo più lento

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Le onde birifratte: propagazione della perturbazione lungo la superficie di discontinuilà e risalita dei fronti d’onda birifratti nel mezzo 1

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Esempio: caso di un terreno a 3 strati piani orizzontali con velocità crescente:

Modello fisico

Tempi di arrivo per le onde dirette e birifratte

Dromocrone corrispondenti

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ESECUZIONE DELLE MISURE:

I GEOFONI STESA DEI GEOFONI SORGENTI SISMOGRAFI MODALITA’ DI REGISTRAZIONE CONTROLLO DELLA QUALITA’ DELLE REGISTARZIONI E

INDIVIDUAZIONE DEI PRIMI ARRIVI

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I sensori utilizzati per le indagini a rifrazione sono i GEOFONI

I sensori dei geofoni sono caratterizzati dalla frequenza propria e possono essere inseriti in direzione verticale od orizzontale

Per le onde P vanno utilizzati geofoni verticali con frequenza propria compresa tra 4 e 14 Hz

Per le onde S vanno utilizzati geofoni orizzontali con frequenza propria compresa tra 4.5 e 15 Hz

Per le onde S sono stati sviluppati, presso il Politecnico di Torino, speciali geofoni orizzontali a doppia capsula chiamati SWIPHONE

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Il PROGRAMMA VEL della REGIONE TOSCANA prescrive l’utilizzo di stendimenti di 24 geofoni con distanze intergeofoniche “a” di 5 – 10 metri (cui corrispondono lunghezze totali di 115 -230 metri)

Se il profilo fisico deve essere più lungo, si sposta ½ base per volta.

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SORGENTI

Per onde P:

Massa battente (almeno 150 kg) in caduta libera o equivalente Minibang/cannoncino con cartucce cal.8 per uso industriale Esplosivo (?)

Per onde SH: Battute orizzontali con una mazza battente su di un oggetto pesante a forma di

parallelepipedo ben appoggiato (non infisso) sul terreno, possibilmente con un sovraccarico

Energizzazioni:

Per ogni base/stendimento sono previste almeno 7 energizzazioni (“scoppi” o “spari” o “tiri”), 2 esterni, ad una distanza di ½ base, due alle estremità, tra i geofoni 1 e 2 e tra il 23 e 24, due intermedi ed uno centrale. Nel caso di stendimenti de 240 metri, saranno effettuati 9 tiri, aggiungendo altr 2 tiri esterni.

Diversi operatori preferiscono utilizzare la tecnica della TOMOGRAFIA SISMICA A RIFRAZIONE:in questo caso il numero di acquisizioni deve essere nettamente maggiore

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Il programma VEL VS30 prevede anche la possibilità di effettuare anche energizzazioni con esplosivo.

Questo è assolutamente necessario se si utilizzano stendimenti di 460 metri (in tal caso però io consiglierei di usare sismografi a 48 canali, con distanza intergeofonica di 10 m).

Bisogna però tenere presente che la procedura per utilizzara anche piccole cariche di esplosivo in Italia è estremamente complicata e costosa. Perciò questa tecnica è da proporre solo in casi molto particolari ed è opportuno valutare la possibilità di usare tecniche alternative

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SISMOGRAFI

Gli strumenti utilizzati per la sismica a rifrazione sono i SISMOGRAFI da campagana.

Per questo tipo di indagini i requisiti minimi sono: Almeno 24 canali digitali Dinamica di acquisizione numerica (ADC) di almeno 16 bit – ma sono consigliabili

gli strumenti con ADC a “virgola mobile” che hanno una dinamica enormemente superiore

Possibilità di inversione di polarità per lo stacking dei dati per onde SH Tempi di campionamento a durate di acquisizione adatte alle situazioni

operative Possibilità di filtraggi pre- e post-acquisizione Diverse modalità di trigger Registrazione su supporti digitali; possibilità di stampa dei sismogrammi con

tutti i parametri di acquisizione, compresa la data e ora di acquisizione.

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Indagini geofisiche: sismica a rifrazione Simografo DMT SUMMIT:

Unità di Controllo: su calcolatore portatile, cui si collegano le unità di acquisizione a 2 o 24 canalicanali

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MODALITA’ DI REGISTRAZIONE

Tutti i sismografi moderni hanno diverse modalità di trigger: apertura o chiusura di circuito, geofono o bobina al punto di battuta, ecc.

Tutti i sismografi moderni hanno efficienti routines di stacking dei dati, con controllo, automatico, passo indietro, ecc..

Queste caratteristiche, insieme alla possibilità di registrazione pre-trigger e di pre-stack correlation, permettono di usare lo stacking dei dati con elevatissima efficienza: in questo modo è possibile ottenere buone registrazioni con sorgenti meno “potenti” o in condizioni di rumore elevato

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CONTROLLO DELLA QUALITA’ DELLE REGISTARZIONI E INDIVIDUAZIONE DEI PRIMI ARRIVI

Le registrazioni devono risultare ben chiare e consentire una individuazione (“picking”) dei primi

Esistono programmi per questo lavoro, ma la loro accuratezza non è sufficientemente affidabile. Possono però essere utilizzati per trattamenti dei dati, visualizzazione in diverse scale, ecc., in modo da facilitare il picking manuale

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INTERPRETAZIONE DELLE MISURE:

Per l’interpretazione delle misure sono disponibili diversi programmi (software)

Tra i più diffusi si citano:

Programmi per il trattamento con il metodo GRM

Programmi per il trattamento di ricostruzione tomografica, tipo RAYFRACT

La scelta delle modalità di trattamento ed interpretazione dei dati può influenzare le modalita’ operative

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Un esempio di indagine con GRM:

Registrazione di onde SH

Passo 5 metri

Sparo centrale

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Un esempio di indagine con GRM:

Registrazione di onde SH

Passo 5 metri

Sparo laterale

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Le dromocrone ottenute

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Sezioni GRM ottenute

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Un esempio di tomografia sismica a rifrazione: registrazione di onde P

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Un esempio di tomografia sismica a rifrazione: registrazione di onde SH

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Onde P

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Tomografia Onde P

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Onde SH

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Tomografia onde SH

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Queste considerazione avevano lo scopo di chiarire la necessità di seguire le regole fissate dalla Regione Toscana per le indagini sismiche a rifrazione per il programma VEL VS30.

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