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GNGTS – Atti del 20° Convegno Nazionale / 08.04

P. Signanini (1), P. Torrese (1) e L. Gasperini (2)

(1) Dipartimento di Scienze della Terra – Università “G. D’Annunzio” – Chieti (2) Istituto di Geologia Marina – CNR – Bologna

LA METODOLOGIA VSP PER L’INVESTIGAZIONE DEL SOTTOSUOLO NELL’AMBITO DEL PROGETTO VEL DELLA

REGIONE TOSCANA: IL SITO SPERIMENTALE DI PIEVE FOSCIANA (LU)

Riassunto. La metodologia VSP può costituire un valido strumento per la ricostruzione della geometria del sottosuolo, in riferimento a problematiche proprie della geologia applicata. Nel presente lavoro viene presentato un esempio di indagine VSP eseguito nell’ambito del Progetto VEL (Valutazione degli Effetti Locali) predisposto dalla Regione Toscana e finalizzato alla riduzione del rischio sismico nelle aree della Lunigiana e della Garfagnana. I dati ricavati dall’esecuzione nel sito di Pieve Fosciana di una prova down-hole in onde SH, sono stati elaborati anche utilizzando la metodologia VSP con la finalità di verificare la presenza di segnali riflessi prodotti da discontinuità poste a profondità superiori a quelle del fondo foro. A tale scopo è stato messo a punto uno specifico software di processing che ha consentito il raggiungimento di risultati soddisfacenti. VSP METHODOLOGY FOR THE INVESTIGATION OF THE SUBSOIL AS PART OF THE REGIONE

TOSCANA VEL PROJECT: THE EXPERIMENTAL SITE OF PIEVE FOSCIANA (LU)

Abstract. VSP methodology can be a useful tool for subsoil geometry reconstruction necessary for studies in applied geophysics. In this work we present an example of VSP investigation as part of the Regione Toscana VEL (Evaluation of Local Effects) project, with the aim of reducing seismic risk in the Lunigiana and Garfagnana areas. Data obtained from the Pieve Fosciana site from SH wave down-hole, have been processed using VSP methodology to check for the presence of reflected signals produced by discontinuities at a depth greater than the hole itself. With this aim we purpously developed a processing software which led to satisfying results.

INTRODUZIONE

Il progetto VEL (Valutazione Effetti Locali), nel contesto del programma concordato tra la Regione Toscana e l’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, è finalizzato alla riduzione del rischio sismico in alcune località della Garfagnana e Lunigiana (Regione Toscana, 2000). Nell’ambito delle indagini svolte dal Dipartimento di Scienze della Terra dell’Università “G. D’Annunzio” di Chieti, i dati ricavati dall’esecuzione in vari siti di prove down-hole in onde SH, sono stati elaborati anche utilizzando la metodologia VSP (Hardage, 1983; Mari et al., 1989) con la finalità di verificare la presenza di segnali riflessi prodotti da discontinuità poste a profondità superiori a quelle del fondo foro. In questo lavoro viene presentato un esempio di applicazione di tale metodologia nel sito sperimentale di Pieve Fosciana (LU). Per definire le geometrie del sottosuolo e caratterizzare i litotipi presenti in termini di velocità delle onde, sono state eseguite in quest’area le seguenti indagini la cui ubicazione è riportata in Fig. 1:

• n. 4 prove down-hole; • n. 1 linea a riflessione ad alta risoluzione in onde P ed SH.


I dati acquisiti per il down-hole n.1 sono stati elaborati anche in modalità VSP.

Fig. 1 - Ubicazione delle indagini geofisiche svolte nel sito sperimentale di Pieve Fosciana (LU).

INQUADRAMENTO GEOLOGICO DELL’AREA

Il centro abitato di Pieve Fosciana (LU) è ubicato su una spianata morfologica di un terrazzo alluvionale, caratterizzato da una pendenza di circa il 4% e posto in sinistra idrografica del torrente Castiglione, affluente del Fiume Serchio.

Le unità e le formazioni affioranti nell’area di studio (Cancelli et al., 2000; Nardi et al., 1987) possono essere così schematizzate (Fig. 2):

Successione toscana

Macigno (mg): torbiditi arenacee costituite da arenarie quarzoso-feldspatiche,

alternate ad argilliti e siltiti. (Oligocene medio-sup. – Oligocene sup.)

Depositi lacustri fluviali

(arg): argille e sabbie grigie, argille sabbiose e sabbie argillose, con sporadici livelli di ghiaia in matrice argilloso-sabbiosa; le argille contengono frequenti resti vegetali, livelli organici e livelli di lignite. (Pliocene medio (?) – superiore)

Depositi quaternari

(ct/mg): depositi alluvionali terrazzati antichi, comprendenti ghiaie generalmente monogeniche, costituite da ciottoli di arenaria (Macigno) in matrice sabbiosa,


localmente prevalente, di colore rosso ocra, a volte disposte in più ordini di terrazzi. (Pleistocene medio-sup.)

(dt): detriti e terreni di copertura. (Quaternario) (all): depositi alluvionali recenti e attuali. (Olocene)

Fig. 2 - Geologia e geomorfologia dell’area (Nardi et al., 1987); il cerchio rosso indica l’ubicazione del sito sperimentale di Pieve Fosciana (LU).


METODOLOGIA

In una registrazione down-hole grezza, come quella riportata in Fig. 4, gli eventi

riflessi (onde upgoing), sebbene presenti, sono di difficile individuazione a causa dell’interferenza di vari segnali coerenti, sia upgoing che downgoing (Mari et al., 1990). Ritenendo che l’utilizzo di un filtro f-k avrebbe pulito eccessivamente e indiscriminatamente il sismogramma, per eliminare questi ultimi e rendere più visibili le riflessioni, si è proceduto utilizzando operazioni geometriche e filtri orizzontali. Per questo fine è stato elaborato un software che, oltre ad avere le normali funzioni di processing sismico è dotato di due operazioni geometriche ed un filtro per le bande orizzontali:

1. STR (static trend removal): applica una correzione statica ad un segnale che viene ruotato e reso orizzontale dopo aver effettuato su di esso un’operazione di picking;

2. ASR (automatic static removal): orizzontalizza meglio un segnale in modo automatico dopo aver utilizzato l’STR;

3. HBF (horizontal bands filtering): elimina i segnali resi orizzontali mediante l’utilizzo combinato del STR e dell’ASR.

Fig. 3 - VSP: geometria d’acquisizione e registrazione: notare che le onde riflesse presentano pendenza uguale e geometria speculare rispetto all’onda diretta.

L’elaborazione è stata effettuata sulle registrazioni in SH della componente

geofonica x del down-hole DH1 i cui parametri d’acquisizione sono riportati in Tabella 1.

In un primo momento si è provveduto ad eliminare le onde downgoing dirette e tutti gli eventi multipli creati dai markers sismici localizzati sopra il geofono utilizzando le funzioni STR ed ASR per orizzontalizzarli e la funzione HBF per eliminarli (fasi 4-6 nelle Figg. 5 e 6). Per non perdere nessuna informazione del segnale originario, una correzione statica semplice SSC (fasi 3 in Fig. 5 ed 11 in Fig. 7) si è resa necessaria ogni qualvolta la correzione STR portasse fuori dal campo della sezione una parte


della registrazione: per lo stesso motivo la scala dei tempi è stata adeguatamente aumentata con il proseguimento del processing (Tabella 2).

Tab. 1 - Parametri di acquisizione per il down-hole D1Sx.

Parametri di acquisizione del down-hole DH1Sx Energizzazione: onde SH Componente geofonica: x Distanza sorgente-boccaforo: 3 m Strumento d’acquisizione: EG&G Strata View a 16 bit Passo di campionamento: 0.5 ms Lunghezza di registrazione: 256 ms Stacks: 3 Profondità max: 79 m Intervallo di misura: 1.5 m

Considerando il fatto che tra le onde upgoing sono presenti anche le onde

superficiali riflesse e le trasmutate da eliminare (le onde SH trasmutano solo in caso di incidenza su superfici verticali), è stato utilizzato il parametro pendenza (Mari et al., 1998) per discriminare queste dal segnale cercato; è stata quindi calcolata la pendenza dell’onda riflessa SH tenendo conto che: • in un sismogramma originario, questa, presenta stessa pendenza ed

immersione opposta rispetto alla diretta (Fig. 3); • una volta resa orizzontale l’onda diretta, tale pendenza raddoppia.

Una volta calcolata la pendenza che l’onda riflessa SH avrebbe dovuto avere

nel sismogramma dopo aver subito le prime correzioni geometriche, si è passati ad eliminare alcuni trend upgoing (superficiali e trasmutate) al fine di rendere più evidente il trend cercato. Analogamente a quanto fatto precedentemente si è operato utilizzando congiuntamente le funzioni STR ed ASR prima dell’HBF (fasi 8-10 in Fig. 6).

La correzione geometrica finale è consistita (dopo aver ricalcolato la pendenza che i segnali cercati avrebbero dovuto avere a seguito dell’ultima correzione statica) nell’applicazione dello STR e dell’ASR (fasi 12, 13 in Fig. 7) al fine di orizzontalizzare le riflesse SH. Operando in questo modo, tutte le onde riflesse presenti nella registrazione alle varie profondità, presentando le stesse pendenze nell’ambito dell’investigazione comune, (Fig. 3), sono state rese orizzontali. In Fig. 9 è mostrata la sezione finale in cui sono presenti le riflessioni cercate. Si può osservare che sull’asse delle ordinate della sezione 15 deformata, sono riportate due scale di tempi: la necessità di avere due scale nasce, infatti, dall’esigenza di poter leggere sia i segnali riflessi, caratterizzati da tempi doppi (andata + ritorno), sia quelli diretti, caratterizzati invece da tempi semplici. Le nuove scale sono state calcolate sommando a quella originale le correzioni cumulate nel corso delle varie operazioni geometriche, consistenti in +44 ms per i tempi doppi e –55 ms per quelli semplici: le varie operazioni geometriche causano infatti una traslazione in tempo dei segnali letti sulla registrazione. I tempi così ottenuti sono stati moltiplicati per quattro, poiché le registrazioni acquisite con un passo di campionamento pari a 0.5 ms, sono state processate con una frequenza di campionamento di 8 KHz.


0

100

TEM

PO

(ms)

200

X Y Z

Fig. 4 - Registrazioni x, y, z del down-hole DH1S. Mentre nell’interpretazione di un down-hole ci si ferma alla lettura dei primi arrivi, in un VSP viene considerata tutta la registrazione.

RISULTATI

Nella sezione finale (Fig. 9), sono stati individuati tre riflettori indicati dalle

frecce. La profondità di questi è stata calcolata considerando i tempi doppi letti sulla

sezione finale e le velocità delle onde di taglio ricavate dal down-hole (Fig. 8). Per profondità maggiori di 79 metri è stata considerata l’ultima velocità riscontrata.

In Fig. 10, la sezione VSP finale così ottenuta per la componente geofonica x, è stata messa a confronto con quella ricavata per l’altra componente orizzontale y. Notare che i riflettori individuati alle profondità di 70, 160 e 210 metri in entrambe le componenti sono presenti a tempi leggermente diversi: ciò è probabilmente dovuto al fatto che le onde SH registrate prevalentemente dalla componente geofonica x presentano in mezzi anisotropi velocità inferiori rispetto alle onde SV registrate prevalentemente dalla componente y, in un percorso essenzialmente verticale quale quello del down-hole (Jolly, 1936).

In Fig. 12 la sezione VSP1Sx così ottenuta è stata messa a confronto con la sezione a riflessione Ln1S (i parametri di acquisizione e di processing sono riportati nelle Tabelle 3, 4 e 5) in onde di taglio interpretata (Stumpel et al., 1984; Knapp et al., 1986; Milkereit et al., 1986; Palestini et al., 1988; Steeples et al., 1988). Sono


anche riportate le variazioni di velocità riscontrate nelle prove down-hole DH1, DH2, DH3 (il down-hole DH4 cade al di fuori dell’area investigata dalla linea a riflessione).

I riflettori individuati nella sezione VSP, indicati dalle frecce, presentano una buona corrispondenza in termini di profondità, sia con le variazioni di velocità delle onde di taglio (Gassmann, 1951; Wyllie et al., 1956; Nur et al., 1969; Mc Cornack, 1984) ricavate dal down-hole DH1 nell’ambito della profondità di investigazione comune, sia con quelli della sezione a riflessione (confrontare con la stratigrafia di Fig. 11).

In particolare i tre riflettori individuati corrispondono: • al contatto tra i depositi fluvio-lacustri ed il Macigno alterato alla profondità di

circa 70 m; • ad un riflettore molto forte individuato dalla sismica a riflessione alla profondità

di circa 160 m; • ad un riflettore meno forte del precedente individuato dalla sismica a riflessione

alla profondità di circa 210 m. Il contatto tra il Macigno alterato e quello non alterato non dà origine ad un riflettore importante probabilmente perché il passaggio tra questi due litotipi avviene in maniera graduale. Tab. 2 - Parametri di processing per il down-hole DH1Sx.

Parametri di processing del down-hole DH1Sx 01 - AGC: W. L. 425 pt 02 - Normalizzazione 03 - Filtro Hi-Cut: 178 Hz 04 - Linear Gain: 20 db 05 - SSC: ∆T=34 ms; ∆ C=274 c 06 - STR: ∆T=34 ms; ∆ C=274 c 07 - ASR 08 - HBF 09 - Deconvoluzione Spike: L.O.=64 pt; P.=0.1%; L.P.=0.5 ms 10 - Filtro Hi-Cut: 178 Hz 11 - Linear Gain: 20 db 12 - STR: ∆T=13 ms 13 - ASR 14 - HBF 15 - SSC: ∆T=55 ms; ∆C=441 c 16 - STR: ∆T =55 ms; ∆C=441 c 17 - ASR 18 - Deconvoluzione Predittiva: L.O=64 pt; P.=0.1%; L.P.=10 ms; 19 - Filtro Hi-Cut: 178 Hz 20 - Linear Gain: 10 db


Fig. 5 - Prime 5 fasi di processing per i dati del down-hole DH1Sx (gli shots in ascissa, i tempi in ms in ordinata).

Fig. 6 - Fasi di processing 6-10 per i dati del down-hole DH1Sx.


Fig. 7 - Fasi di processing 11-15 per i dati del down-hole DH1Sx.

0 100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

0.0

3.0

6.0

9.0

12.

15.

18.

21.

24.

27.

30.

33.

36.

39.

42.

45.

48.

53.

59.

65.

71.

77.

Velocità (m/sec)

Prof

ondi

tà d

al p

.c. (

m)

Onde S

Fig. 8 - Velocità delle onde di taglio ricavate dal down-hole DH1S.


151 Fig. 9 - Sezione finale VSP1Sx (fase di processing 15) e sua deformata: notare la doppia scala di tempi corretti.

Tab. 3 - Parametri di acquisizione per la linea a riflessione Ln1S.

Parametri di acquisizione della linea a riflessione Ln1S Energizzazione : onde SH Geometria d’acquisizione: off-end push increase Copertura: 600 % Offset: 3 m Distanza intergeofonica: 1 m Numero di shots: 26 Lunghezza della linea in superficie : 39 m Lunghezza della sezione finale (CDP): 30 m Strumento d’acquisizione: EG&G Strata View a 24 bit Numero dei canali attivi: 12 Numero di geofoni per canale: 5 in parallelo Passo di campionamento: 0.5 ms Lunghezza di registrazione: 1024 ms


Tab. 4 - Parametri di processing per la linea a riflessione Ln1S.

Parametri di processing della linea a riflessione Ln1SEditing Geometric spreading correction Trace balancing Correzione statica Sorting Analisi di velocità Filtro f-k: Vel –115 m/s, Dip –8.693 Deconvoluzione spiking: lunghezza operatore: 64 ms pre-whitner: 0.1 % lag predittivo: 0.5 ms Filtro in frequenza bandpass: 30-120 Hz Analisi di velocità Normal moveout: stretch 0.5 Stack: straight stack scalar 1 Filtro in frequenza bandpass: 23-114 Hz Trace scaling: rms amplitude AGC time gate 307 ms amplitude 319 trace balancing

Fig. 10 - Confronto tra le sezioni finali ottenute per le due componenti orizzontali x a sinistra ed y a destra del VSP1S.


Tab. 5 - Velocità per la linea a riflessione Ln1S.

0 - 90

90 - 240

240 - 600

200

800 1000

T (ms) V (m/s)

Fig. 11 - Stratigrafia ricavata dal sondaggio meccanico in cui è stata eseguita la prova down-hole DH1.


Fig. 12 - Confonto tra il VSP1Sx, la sezione di sismica a riflessione in onde di taglio interpretata e i risultati in termini di variazioni di velocità dei down-hole DH1, DH2, DH3.

CONCLUSIONI

La metodologia VSP può costituire un valido strumento per la ricostruzione della geometria del sottosuolo, in riferimento a problematiche proprie della valutazione degli effetti locali nell’ambito della riduzione del rischio sismico (Autori Vari, 1987; Regione Toscana, 2000).

Il presente lavoro ha mostrato come sia possibile individuare la presenza di segnali riflessi a partire da dati ricavati dall’esecuzione di prove down-hole in onde SH: un notevole vantaggio che tale elaborazione può offrire, consiste nel fatto di poter indagare anche a profondità superiori a quelle del fondo foro pur rimanendo inalterate le modalità di acquisizione della prova down-hole.


Il tipo di processing utilizzato nel trattamento di dati VSP, ha dato dei risultati soddisfacenti.

La buona corrispondenza tra segnali coerenti trovati sia con tecnica down-hole che con quella a riflessione di superficie, confermano la potenzialità della sismica a riflessione in onde SH per l’investigazione del sottosuolo ad alta risoluzione (Clark, 1994; Gasperini et al., 1990).

Ringraziamenti. Gli autori ringraziano l’Arch. Maurizio Ferrini dirigente responsabile del Dipartimento Politiche Territoriali e Ambientali della Regione Toscana per aver consentito l’utilizzo di dati acquisiti nell’ambito del programma VEL.

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