Nuovi sistemi wireless per tomografia elettrica 3D per l'esplorazione di media-grande profondità

Nuovi sistemi wireless per tomografia elettrica per l'esplorazione di medio‐grande profondità e applicazioni in campo idrogeologico

4 e 5 dicembre 2014 – LA GEOFISICA APPLICATA ALLA IDROGEOLOGIA - XI Workshop di geofisica

Nuovi sistemi wireless per tomografia elettrica per l'esplorazione di medio‐grande profondità e

applicazioni in campo idrogeologico

S. Del Ghianda, G. Morelli, M. Russo – Geostudi Astier srl (Livorno)

Principali novità hardware e software nell’ambito della tomografia elettrica 2D e 3D:

• SISTEMA FULL WAVER (Iris Instruments - Francia)

• SISTEMA MULTI SOURCE (MPT - USA)

ENTRAMBI SONO SISTEMI «WIRELESS»



SISTEMA FULL WAVER (Iris Instruments - Francia)

La strumentazione di misura si compone di:



1. Trasmettitore di corrente di adeguata potenza (generalmente alimentato a mezzo motogeneratore) collegato in serie con scatola arancione Full Waver

2.Dipoli di ricezione del segnale costituiti da elettrodi (meglio se di tipo non polarizzabile) collegati con le scatole nere Full Waver (tre el. per scatola)



Sistema Full Wave (Iris Instruments - Francia)La strumentazione di misura si assembla così:

Trasmettitore di corrente di adeguata potenza

(generalmente alimentato a mezzo motogeneratore)

collegato in serie con scatola di colore arancione Full Waver

Dipoli di ricezione del segnale costituiti da elettrodi (meglio se di tipo non polarizzabile) collegati con varie scatole di

colore nero Full Waver (tre el. per scatola)

………

AB

I FULL Waver

V FULL Waver

M

N

M

N

M

N



V FULL Waver V FULL Waver

A1

A2

An

B1

B2

Bn

Tx

Rx

GPS



FULL WAVER

PERCHE’ IL SISTEMA VIENE CONSIDERATO WIRELESS?

PERCHE’:



1. LE UNITA’ DI RICEZIONE NON SONO FISICAMENTE COLLEGATE TRA LORO

2. LE UNITA’ DI RICEZIONE NON SONO FISICAMENTE COLLEGATE AL SISTEMA DI

TRASMISSIONE DELLA CORRENTE

I-Full Waver consiste in una unità di registrazione autonoma connessa in serie sulla linea di corrente AB ed in grado di misurare e memorizzare con elevata precisione la corrente I (AB);



Memoria interna in grado di registrare fino ad 8 ore corrispondenti a 2 860 000 campioni.

Antenna GPS integrata in grado di registrare ilsegnale PPS di posizione ma soprattutto di timing necessario per la sincronizzazione con la altre unità;

I Full Waver V Full Waver

Memoria interna in grado di registrare fino ad 8 ore corrispondenti a 2 860 000 campioni.

V-Full Waver è un logger a basso consumo per la memorizzazione del segnale elettrico (mv) su due dipoli simultanei. Progettato per misure di tipo SP, resistività e time domain IP in grado di operare in maniera autonoma e senza intervento di operatore. Campionamento: 100 Hz

Antenna GPS integrata in grado di registrare ilsegnale PPS di posizione ma soprattutto di timing necessario per la sincronizzazione con la altre unità;

DETTAGLIO DEI RICEVITORI E TRASMETTITORI INTERNISpaziatura elettrodi: 100 metri



DISPOSIZIONE ALTERNATIVA DEI RICEVITORI OTTIMIZZATA PER GRUPPI DI 3



ESEMPIO DI ARRAY DI MISURA COMPLETO CON SCHEMA TRASMETTITORI E RICEVITORI



ARRAY DI MISURA TIPO GRADIENT

Tx

Dipoli Tx

DUE DIVERSI ARRAY DI ACQUISIZIONE

ARRAY DI MISURA TIPO POLO-DIPOLO



Come avviene l’acquisizione?• Predisposizione dei punti di energizzazione (Tx) e

collegamento in serie del trasmettitore alla scatola I Full Waver;



• Disposizione degli elettrodi (Rx) nel sottosuolo secondo una distribuzione lineare/griglia/maglia ecc.. in funzione dell’obbiettivo dell’indagine;

• Collegamento elettrodi alle scatole V Full Waver

• Accensione delle scatole di ricezione, controllo del rumore, RS check, sincronizzazione col GPS ed avvio della registrazione;

• Avvio delle iniezioni di corrente (generalmente con finestra di 2 sec.).

Un sistema di trasmissione e controllo/registrazione della correnteTrasmettitore da 10 KW – 3000 V – 20 A



Installazione degli elettrodi di potenziale (non polarizzabili)



Accensione delle unità di registrazione del segnale, controllo delle resistenze di contatto, dei potenziali naturali ed avvio del GPS



Al termine dell’acquisizione i dati provenienti da ciascuna scatola vengono scaricati su scheda di memoria e trasferiti su PC

Tutti i files acquisiti vengono successivamente importati e risincronizzati tra loro mediante software dedicato; il risultato

finale è il seguente:

Eventi Tx

Serie temporale su un canale MN



Qualità dei dati in contesti diversi – SITO MOLTO RUMOROSO

Singoli eventi di iniezione di corrente

Segnale SP: molto scadente

Fattore di qualità: molto scarso

Qualità della curva IP: molto lontana dal trend teorico

TX

RX



Qualità dei dati in contesti diversi SITO SFAVOREVOLE (dettaglio su evento Tx singolo)

Segnale molto instabile a causa di rumore dovuto a cause antropiche (comportamento non coerente)



Fattore qualità : molto buono

Qualità della curva IP: ottimo andamento molto simile a quello teorico)

Segnale SP: molto BUONO

Qualità dei dati in contesti diversi – SITO FAVOREVOLE



Ottimo segnale con impulsi di trasmissione Tx in perfetta fase col segnale Rx

Qualità dei dati in contesti diversi – SITO FAVOREVOLE

Deviazione standard per misure IP: 0.4 % (!) Totale dati acquisiti: 900 dati (V/I) Totale dati di resistività invertiti: 900 Totale dati IP invertiti: 854 pari al 95% del totale (!)



Qualità dei dati in contesti diversi – Dettaglio su un singolo evento di trasmissione

Ottimo segnale con elevata stabilità quando il trasmettitore è spento



Segnale più forte per MN parallelo ad AB

Channel 1 (AB and MN «in line»)

Channel 2 (AB and MN «ortogonal»)





FULL WAVER - I dati acquisiti ordinati e pronti per l’elaborazione

RIEPILOGANDO:

VERIFICARE LA STABILITÀ DEL SEGNALE V ALL’ATTO DELL’ACCENSIONE DELLE SCATOLE (+/- 0.5 MV) INDICE DELLA RUMOROSITÀ DEL SITO;

SELEZIONARE UN FONDO SCALA ADEGUATO (5 O 15 V; 15 V CONSIGLIATO SOLO PER DIPOLI CORTI);

INIETTARE LA MASSIMA CORRENTE POSSIBILE;

IN FASE DI PROGETTAZIONE DELLA CAMPAGNA DI MISURA, CONSIDERARE CHE I DIPOLI DI POTENZIALE MN DISPOSTI PERPENDICOLARI AD AB HANNO UN SEGNALE INFERIORE RISPETTO AD UNA DISPOSIZIONE PARALLELA;

LE MISURE MIGLIORI SONO QUELLE CHE FORNISCONO VALORI DEL FATTORE DI QUALITÀ PIÙ BASSI POSSIBILE;

LA CURVA IP DEVE AVVICINARSI IL PIÙ POSSIBILE ALL’ANDAMENTO DI DECADIMENTO TEORICO (DECAY);

DURANTE L’INIEZIONE DI CORRENTE, I VALORI DI POTENZIALE DEVONO ESSERE I PIÙ ALTI POSSIBILE RISPETTO ALL’SP;

LO SPETTRO DEVE RISULTARE IL PIÙ STRETTO POSSIBILE.





SISTEMA MPT Multisource

Si tratta di una strumentazione per tomografia elettrica costituita da unità remote (distribuite) ciascuna a due canali (tre elettrodi) in grado di trasmettere corrente (Tx–AB) e misurare il segnale (Rx-MN) Transceiver

Gli aspetti innovativi sono essenzialmente tre:1) Controllo acquisizione in modalità «wireless»2) Possibilità di utilizzare trasmettitori multipli3) Unità Transceiver

Antenna GPSAntenna controllo

Le unità remote sono controllate simultaneamente ed in tempo reale da centralina di gestione della misura (controller) che, collegata al Laptop di campagna, consente di pilotare le misure tomografiche anche a 2-3 km di distanza.



Comunicazione a 900 MHz.

ALIMENTAZIONE:

BATTERIA a 12 VDC integrata (da 240 o 480 Wh) o esterna.



Ciascun box è in grado di gestire 2 canali simultanei di ricezione e untrasmettitore interno da 375 watt alimentato da una batteria esterna da12 V, è dotato di un modulo GPS interno per la localizzazione e lasincronizzazione con gli altri sistemi di trasmissione/ricezione e contieneuna scheda di comunicazione wireless

Ogni box dunque è in grado di lavorare in maniera indipendente daglialtri e ciò consente di collocare gli elettrodi in totale libertà sul terrenosenza i vincoli legati alla presenza di cavi multi-conduttore.

Dal punto di vista della misura quadripolare significa che, se stiamo lavorando a due trasmettitori, per ciascun MN considerato si avranno due diverse informazioni di corrente derivanti dai due diversi trasmettitori:

A1 B1 Mi Ni I (A1 B1) V (Mi Ni)

A2 B2 Mi Ni I (A2 B2) V (Mi Ni)



In fase di elaborazione dati si dovranno pertanto modellare le V e non le V/I.



Tx (AB)

Rx (MN)

A1

A2

B1

B2

M

N

Segnale GPS per posizionamento

Segnale Controller Tx-Rx

MULTI SOURCE – Due trasmettitori



Tx (AB)

Rx (MN)

A1

A2

A4

A3

B1

B2

B3

B4

M

N

Segnale GPS per posizionamento

Segnale Controller Tx-Rx

MULTI SOURCE – Quattro trasmettitori



La caratteristica più importante del sistema consiste nella possibilità di trasmettere simultaneamente da più box: ciò consente al sistema di ottenere livelli di segnale, profondità di investigazione e risoluzione spaziale molto elevati

Dettaglio della schermata di controllo della posizione gps dei box in comunicazione via radio con il pc.

PERCHE’ IL SISTEMA VIENE CONSIDERATO WIRELESS?

PERCHE’:

1. LE UNITA’ DI TRASMISSIONE/RICEZIONE NON SONO FISICAMENTE COLLEGATE TRA LORO

2. LE UNITA’ DI TRASMISSIONE/RICEZIONE SONO PILOTATE DA CONTROLLER REMOTO VIA RADIO





ESEMPI APPLICATIVI FULL WAVER



CANINO (VT) – FULL WAVER

Postazione MT e ubicazione pozzo «Pidocchio 1»

Posizione elettrodi di misura ERT (Full Wave)

Polo remoto

Ricevitori IRIS Instruments V-Full Waver per misure ERT

Trasmettitore ad alta potenza IRIS Instruments VIP 4000

Registratore di corrente Tx IRIS Instruments I-Full Waver





1. Geometria pseudo-2D con elettrodi allineati lungo la strada vicinale e spaziati di 50 metri e array di acquisizione polo-dipolo per un totale di 428 misure quadripolari. La lunghezza dello stendimento di circa 1500 metri consente una profondità di investigazione dell'ordine dei 400 metri:

Acquisizione effettuata secondo due diverse configurazioni:

2. Acquisizione di tipo dipolo-dipoloequatoriale con dipoli di ricezione di 2 ampiezze diverse, pari a 50 metri e 100 metri per un totale di 121 misure quadripolari. La massima distanza tra trasmettitore e ricevitore in questo caso è dell'ordine dei 2000 metri con una profondità di investigazione teorica dell'ordine di 5,5-6 volte la larghezza del dipolo più grande di ricezione, dunque pari a 550-600 metri di profondità:

I dati così acquisiti sono stati integrati ed invertiti in un unico dataset

Piano +50 m slm

Piano 0.0 m slm

Porzione conduttiva

Porzione conduttiva

Porzioni resistive

Porzioni resistive

Mappe di resistività ERT dopo inversione – Piano campagna a circa 130 m slm

Piano -50 m slm

Piano - 75 m slm

Porzione conduttiva

Porzione conduttiva



Sezione verticale ERT vista da sud con sovrapposizione della curva MT



UBICAZIONE DEI BOX DI RICEZIONE (Cina)



ESEMPIO APPLICATIVO 1: FULL WAVER



SCHEMA DI ACQUISIZIONE DATI

• 15 unità V-FullWaver sul campo

• 45 elettrodi Rx totali

• 31 elettrodi Tx totali (30 AB iniezioni di corrente)



SCHEMA DI ACQUISIZIONE: TRASMETTITORI

• Deviazione standard della mediano per IP apparenti: 0.4% (!)

• 900 quadripoli acquisiti;

• 900 V/I dati invertiti, 854 dati IP Dati invertiti 95% delle misure IP OK.



QUALITA’ DEI DATI: MISURE DI ELEVATA QUALITA’

PARAMETRI DI PROCESSING

MESH:Mesh 3D con topografia derivata dalla quota degli elettrodiDimensioni della mesh in x and y: 50 mDimensioni della mesh in z: 25 mProfondità di investigazione: 800 m

MODELLI DI PARTENZA: Resistività: 1000 ohm mCaricabilità: 5 mV/V

NOISE (stimato dalle deviazioni standard):Misure V/I : 1%Misure IP : 1%





Porzione nord più conduttiva

VOLUME DI RESISTIVITA’



STRUTTURA con andamento NW-SE: interfaccia tra resistività < e > di 700-750 ohm*m

VISTE IN PIANTA



SEZIONE VERTICALE DI CARICABILITA’



ACQUISIZIONE FULL WAVER SU PICCOLA SCALA CON ENERGIZZATORE A MEZZO SYCAL PRO ALIMENTATO DA BATTERIA ESTERNA



SCHEMA DI ACQUISIZIONE DEL SISTEMA DI RICEZIONE

COORDINATE DEL SISTEMA DI RICEZIONE



SCHEMA DI ACQUISIZIONE DEL SISTEMA DI RICEZIONE E TRASMISSIONE

COORDINATE DEI TRASMETTITORI



VISUALIZZAZIONE 3d DEI DATI ERT INVERTITI



VISUALIZZAZIONE 3D DEI DATI ERT INVERTITI





ESEMPI APPLICATIVI MULTI SOURCE

Il risultato finale dell’inversione consiste in un volume tridimensionale di resistività elettrica (blocco 3D) delimitato lateralmente dalla posizione degli elettrodi di misura per una profondità massima di esplorazione di circa 400 metri dal p.c.



n° 36 elettrodi di misura suddivisi in due gruppi da 18 elettrodi spaziati tra loro di100 metri ciascuno e disposti lungo i due allineamenti definendo un’area di1800x380 metri circa.

La posizione dei punti di misura unita alla modalità di acquisizione a 2 e 4trasmettitori, ha consentito di ottenere una elevata profondità di esplorazione(400 metri) ed una elevata risoluzione spaziale anche nella porzione di sottosuolocompresa tra i due allineamenti principali.

In totale sono state effettuate circa 10.000 misure quadripolari secondo gli schemidi acquisizione di seguito definiti (dipolo-dipolo a uno, due e quattro trasmettitorisimultanei)



MODALITA’ ESECUTIVE

Tutta l’acquisizione ha richiesto 1.5 giorni di lavoro



Misure dipolo-dipolo standard (1 dipolo di trasmissione e 1 dipolo di ricezione per misura): tutte le possibili combinazioni di trasmissione/ricezione con dipoli da 100 e 200 metri.

Misure dipolo-dipolo a 2 Trasmettitori (2 dipoli di trasmissione simultanei e 1 dipolo di ricezione per misura): dipoli di trasmissione su due profili diversi e tutte le possibili combinazioni di trasmissione/ricezione con dipoli da 100 e 200 metri.

Misure dipolo-dipolo a 4 Trasmettitori (4 dipoli di trasmissione simultanei e 1 dipolo di ricezione per misura): dipoli di trasmissione su due profili diversi e tutte le possibili combinazioni di trasmissione/ricezione con dipoli da 100 e 200 metri.

Sono stati acquisiti i seguenti array elettrodici:



Documentazione fotografica

La stazione di energizzazione MPT Multisource

Il contesto geomorfologico

Antenna di trasmissione/ricezione

Collegamento ai tre elettrodi

Alimentazione



Piano a +100 m s.l.m. Piano a +50 m s.l.m.

Argille azzurre

Argille azzurre

Argille azzurre

Argille azzurre

Porzioni più resistive

Porzioni più resistive superficiali



Porzioni relativam. più resistive (argille)

Porzioni relativam. più conduttive

Anomalie conduttive

Porzioni relativam. più resistive



Anomalia conduttiva

Copertura argillosa

Piano a +150 m slm

Porzioni conduttive (argille Azzurre)

Porzioni resistive

(gessi)

Porzioni resistive

(gessi EMOg)

Argille ed argille

sabbiose (RAQ)

Argille ed argille sabbiose (PDN)

Lineamento strutturale

Mappe geoelettriche (piano orizzontale) – Quota media bacino: circa 200 m slm



Piano a +50 m slm

Mappe geoelettriche (piano orizzontale) – Quota media bacino: circa 200 m slm

Substrato conduttivo



Sezioni geoelettriche


Porzioni resistive (gessi EMOg)











Prima linea dei transceivers

Seconda linea dei transceivers



Rappresentazione 3D del volume investigato



Controller, antenna comunicazione e pc per l'acquisizione



MPT Multi Source – Transceiver in campo

MPT Multi Source – Controller acquisizione


IRIS FULL WAVER

VANTAGGI

UNITÀ RX INDIPENDENTI, LEGGERE ED AUTONOME

CAVI DA MOVIMENTARE DI DIAMETRO INFERIORE RISPETTO A QUELLI DA TOMOGRAFIA

PIENA LIBERTÀ NEL POSIZIONAMENTO DEGLI ELETTRODI PER ACQUISIZIONI 2D E 3D

POSSIBILITÀ DI STUDIARE L'ANDAMENTO DEL PS NEL TEMPO

IDEALE PER MISURE DI CARICABILITÀ

CONSENTE DI INVESTIGARE AREE ESTESE IN POCO TEMPO

CIRCUITI TX ED RX INDIPENDENTI IN FASE DI ACQUISIZIONE

SVANTAGGI

CAPACITÀ DI REGISTRAZIONE DI 8 ORE A 100 HZ

NECESSITÀ DI GESTIRE UN CERTO NUMERO DI UNITÀ DA METTERE IN CARICA, TRASPORTARE E DALLE QUALI SCARICARE ED ORDINARE TUTTI I DATI

SQUADRA IN CAMPO GENERALMENTE NUMEROSA

MAGGIOR NUMERO DI BOBINE DI CAVO DA MOVIMENTARE RISPETTO AI SISTEMI TRADIZIONALI (MA PIÙ LEGGERE)

TRASMETTITORI AB DA SPOSTARE OGNI VOLTA (RICHIEDE OPERATORI)


MPT MULTISOURCE

VANTAGGI

UNITÀ RX INDIPENDENTI ED AUTONOME

CAVI DA MOVIMENTARE DI DIAMETRO INFERIORE RISPETTO A QUELLI DA TOMOGRAFIA

PIENA LIBERTÀ NEL POSIZIONAMENTO DEGLI ELETTRODI PER ACQUISIZIONI 2D E 3D

TUTTI GLI ELETTRODI POSSONO FUNZIONARE DA TX ED RX

OTTIMO RAPPORTO SEGNALE RUMORE ANCHE AD ELEVATA PROFONDITÀ GRAZIE AI TRASMETTITORI MULTIPLI

CONSENTE DI INVESTIGARE AREE ESTESE IN POCO TEMPO

SVANTAGGI

IN PRESENZA DI TOPOGRAFIA ACCIDENTATA IL SEGNALE TRA CONTROLLER E UNITÀ REMOTA PUÒ ESSERE PERSO

NECESSITÀ DI GESTIRE UN CERTO NUMERO DI UNITÀ DA METTERE IN CARICA E TRASPORTARE

SQUADRA IN CAMPO GENERALMENTE NUMEROSA

MAGGIOR NUMERO DI BOBINE DI CAVO DA MOVIMENTARE RISPETTO AI SISTEMI TRADIZIONALI (MA PIÙ LEGGERE)



GRAZIE PER L’ATTENZIONE



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