POLITECNICO POLITECNICO DIDI TORINOTORINO

Corso di Laurea Ing. Ambiente e TerritorioCorso di Laurea Ing. Ambiente e Territorio

Corso di Geofisica Applicata

Docente: Prof. A. Godio

Ente : DIATI – Politecnico di Torino

a.a.a.a. 20152015--1616

Introduzione al corso

Gli obiettivi del corso:

Fornire i principi dei metodi geofisici comunemente adottati nella caratterizzazione di siti per applicazioni in campo geologico-geotecnico e in campo ambientale

Definire i parametri fisici che si misurano

Modelli di correlazione tra i dati petrofisici , i parametri idrogeologici e geomeccanici di rocce e terreni

Definire i contesti applicativi

Limiti applicativi

Il corso affronta le principali metodologie di caratterizzazione di siti attraverso metodologie geofisiche integrate

I contenuti delle lezioni:

Quale metodologie adottare in rapporto alle problematiche ambientali e geologico-tecniche e di ingegneria

I parametri geofisici che si misurano

Le principali metodologie: principi di misura e acquisizione dati

Elaborazione, interpretazione e validazione delle misure geofisiche

Esempi applicativi

INSEGNAMENTO - Geofisica Applicata (8)

PRESENTAZIONE Il corso si propone di definire gli aspetti pratico-operativi delle indagini geofisiche applicate all’ingegneria civile ed ambientale e illustrare i metodi interpretativi, con particolare riferimento alla caratterizzazione meccanica di rocce e terreni e all’utilizzo di metodologie elettriche ed elettromagnetiche per la caratterizzazione idrogeologica e il monitoraggio di siti contaminati. CONOSCENZE E ABILITÀ DA ACQUISIRE Lo studente dovrà maturare una competenza nel contesto delle applicazioni di indagini geofisiche convenzionali applicate ai diversi ambiti ingegneristici. Dovrà dimostrare abilità nel pianificare indagini geofisiche in molteplici ambiti geologici e morfologici, interpretare i risultati delle indagini e conoscere il significato dei parametri geofisici ricavati; dovrà altresì acquisire abilità nel confrontare i parametri geofisici con parametri geotecnici dei terreni e delle rocce e/o parametri idro-geochimici.

PREREQUISITI Le conoscenze di base si riferiscono alle nozioni di geologia, idrogeologia e geofisica con riferimento alle proprietà petrofisiche dei suoli, il significato dei parametri idrogeologici (densità, porosità, contenuto, idrico permeabilità), alle proprietà geofisiche dei suoli e delle rocce (resistività elettrica, attributi sismici, parametri elettromagnetici) e di ingegneria ambientale e geotecnica (parametri meccanici). Si richiedono nozioni di base relative alle modalità di acquisizione di dati e i concetti di acquisizione ed elaborazione di segnali. Sono richieste conoscenze di base e capacità di utilizzo di strumenti informatici per l’elaborazione di dati geofisici delle esercitazioni di campo (in Matlab …) MODALITA’ ESAME Prova orale con quesiti teorici e di calcolo, discussione progetto MATERIALE DIDATTICO Reynolds, J,M., 2011, An Introduction to Applied and Environmental Geophysics, 2nd Edition, Wiley-Blackwell, 711 pp. Slide (costituiscono solo la traccia del corso !) Articoli di approfondimento

INSEGNAMENTO - Geofisica Applicata (8)

Introduzione alla geofisica applicata, metodologie geofisiche

2

1

3

Le metodologie sismiche, elettriche, elettromagnetiche

4

Presentazione di casi applicativi, validità e limiti

I parametri fisici e i modelli petrofisici

Organizzazione del corso

Esercitazioni di laboratorio, progetto…

5

1 – Introduzione: definizione di geofisica applicata

La geofisica è l’applicazione di principi fisici per studiare il sottosuolo a diverse scale e profondità.

La geofisica viene applicata all’ingegneria civile (caratterizzazione geotecnica), all’ingegneria ambientale allo studio delle acque sotterranee ed altri contesti (ad es. archeologia)

Il vantaggio rispetto al campionamento diretto (perforazioni, trincee) è che i metodi geofisici non sono invasivi, non sono distruttivi, poco costosi e meno pericolosi sia per gli operatori sia per l’ambiente.

I risultati più efficaci si ottengono quando la geofisica viene utilizzata per pianificare successive fasi di caratterizzazione

1- Geofisica applicata: a cosa serve…

• Caratterizzazione delle proprietà fisiche degli acquiferi – per il loro utilizzo – per la rilevanza dell’impatto ambientale

• nella caratterizzazione di suoli e falde contaminate • acqua sotterranea come veicolo di trasporti dei contaminanti

• Nei mezzi porosi (sabbie - ghiaie) per caratterizzare le proprietà

idrauliche – per la stima di flusso e trasporto nella zona non satura e nel saturo

• Studio dei corpi idrici su scala di versante e di bacino

• Monitoraggio di fenomeni di intrusione salina di acquiferi costieri

1- Geofisica applicata: a cosa serve…

• Caratterizzazione proprietà geomeccaniche di rocce e terreni

• Studio di versanti (terreni e roccia)

• Caratterizzazione litologica del sottosuolo

• Caratterizzazione proprietà meccaniche e spessori in contesti glaciologici (spessori ghiaccio, proprietà meccaniche neve)

• Studio deposizione dei sedimenti lacustri e fluviali

1 – Geofisica: eterogeneità a diversa scala

• mega

• macro

• micro

Eterogeneità a varie scale, necessità di adattare i metodi geofisici alle diverse scale

1 – Eterogeneità

• fisici:

– conduttività idraulica, densità

– porosità

– parametri elastici

– Parametri geofisici

• chimici:

– coefficiente di partizione

– cinetiche di assorbimento/desorbimento

– coefficienti di reazione

• biochimici:

– distribuzione microbica

L’eterogeneità è propria di tutti i parametri

1 – Introduzione: utilizzi in campo dell’ingegneria e

geologia applicata

• Le indagini geofisiche possono essere realizzate con strumentazione a terra, oppure mediante uso di elicotteri o da aereo.

• La scala, la risoluzione e la profondità di indagine dipendono dall’approccio utilizzato e dal metodo adottato .

• Gli obiettivi principali possono essere : – Caratterizzazione geologica e idrogeologica del sito; – Pianificazione di perforazione, scavi o prelievi di suolo; – Caratterizzazione delle proprietà dell’aquifero (porosità, contenuto

idrico, permeabilità). – Caratterizzazione proprietà meccaniche di rocce e terreni

• Le misure in foro sono utilizzate:

– per monitoraggio di processi dinamici (ad esempio evolversi di degradazione naturale di contaminanti idrocarburi oppure valutazione efficacia interventi di bonifica on site);

– per la caratterizzazione di dettaglio dell’aquifero.

1 – Introduzione: scala e risoluzione

• Indagine dalla superficie, – scala di indagine metrica o decametrica, – risoluzione metrica o decametrica (solo talvolta submetrica –

georadar)

• Indagine da aereo,

– scala regionale (chilometrica o più..), – risoluzione decametrica

• Indagini in foro;

– scala metrica o submetrica, – risoluzione submetrica o decimetrica

1 - Risoluzione dei metodi sismici

Le indagini geofisiche restituiscono una immagine della distribuzione del parametro fisico investigato (velocità onde sismiche, resistività elettrica etc…) con una capacità risolutiva che dipende dalle proprietà fisiche del sottosuolo, dal metodo utilizzato e dalle modalità applicative del metodo.

1- Geofisica: Applicazioni in campo ambientale

Individuazione di fusti sepolti a piccola profondità e di eventuale contaminazionedi suoli e acquiferi (profili e mappe di parametri elettromagnetici)

Indagini in discarihe non controllate ed individuazione di eventuale percolazione di fluido contaminante nel suolo e negli acquiferi

Direzione flusso dell’acquifero

Direzione flusso dell’acquifero

1 – Esempio di indagina geofisica per la caratterizzazione geologico-idrogeologica

• Sezione verticale di tomografia elettrica che rappresenta la distribuzione dei valori di resistività elettrica ricavata da misure di corrente e potenziale elettrico lungo un profilo in superficie (acquisizione con 48 elettrodi con spaziatura di 4 m)

Strada

Pozzo sterile

Pozzo produttivo

GWL Detrito grossolano

Materiale di frana

Bassa resistività (zona satura)

1- Esempio sezione di resistività per intrusione salina

Sezione verticale di resistività elettrica in area costiera; i valori di resistività inferiori a 5 ohm m individuano la presenza di acqua salata; il cuneo di intrusione di acqua salmastra è caratterizzato da valori inferiori a 30 ohm m; l’acquifero con acqua non contaminata presenta valori superiori a 80-100 ohm m.

1000 1200 1400 1600 1800

Mappa elettromagnetica (componente campo elettromagnetico secondario in fase con il primario) – Acquisizione con bobine separate 4 metri e frequenza del campo di 10 kHz; profondità di indagine di circa 2-4 metri da piano campagna

1 – Esempio di mappa elettromagnetica – sito contaminato da idrocarburi

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Metri

0

10

20

30

40

50 M

etri

16.000

3.000 Live

llo

Freq

uen

za [

Hz]

ppm

Rappresentazione 3D della risposta elettromagnetica di terreno contaminato da idrocarburi

Terme

Circolazione di acqua salmastra

superficiale alternanze di

sabbie e argille Circolazione di acqua salmastra

superficiale alternanze di sabbie e argille

1 – Esempio elaborazione 3D di dati geofisici

Esempio di elaborazione 3D Isovolumi con valori di resistività < 2 ohm m

1 – Geofisica applicata: metodi e parametri

• I metodi si basano sulla stima delle variazioni spaziali e temporali delle proprietà

– Magnetiche (suscettività magnetica) nel contesto di indagini in discariche

non controllate con presenza di materiali ferro-magnetici (fusti, scarti di fonderie etc.)

– Elettriche (conducibilità/resistività elettrica), per la caratterizzazione idrogeofisica dei siti, individuazione zone sature, presenza di lenti argillose

– Elettromagnetiche (conducibilità in funzione della frequenza, permettività

dielettrica), mappatura su vasta scala (piccola profondità)

– Sismiche (velocità e attenuazione delle onde P e S), per la caratterizzazione delle proprietà meccaniche dei siti (moduli di compressione e di taglio, coefficiente di Poisson)

– Termiche, legate alla presenza di anomalie del campo termico locale

Classificazione dei metodi geofisici

Metodi naturali:sfruttano campi di forze naturali quale la gravità e il magnetismo della terra.

•Metodo gravimetrico: studia le variazioni dell’accelerazione di gravità dovute a variazioni di densità della crosta terrestre

•Metodo magnetico: analizza variazione delle proprietà magnetiche delle rocce

Metodi artificiali: si basano sullo studio del comportamento del sottosuolo in seguito alla propagazione di campi artificiali (elettrici, elettromagnetici, elastici etc.) Metodo sismico, elettrico, elettromagnetico

Metodi artificiali

Metodi sismici: si basano sulla propagazione di perturbazioni elastiche generate dalla superficie o in foro e dalla osservazione della risposta con sensori posti in superficie o in foro :

• Sismica a riflessione esplorazione di dettaglio

• Sismica a rifrazione supporto a rilievi a riflessione

• Tomografia sismica analisi di dettaglio del giacimento e verifica delle condizioni di pressione e temperatura durante la coltivazione

Metodo elettrico ed elettromagnetico: si basano sulle variazioni della resistività elettrica del sottosuolo in seguito alla applicazione di un campo di corrente continua o alternata.

• La resistività elettrica è condizionata dalla mineralogia, contenuto in fase fluida (porosità e saturazione), salinità della fase fluida, temperatura e pressione

• Notevoli applicazioni per la ricerca di giacimenti idrotermali dove la resistività delle rocce serbatoio è fortemente condizionate dalle variazioni di temperatura

Classificazione e proprietà fisiche

1- Parametri e relazioni petrofisiche

(da A . Binley, Lancaster Univ.)

Applicazione metodi geofisici

Nelle indagini per scopi petroliferi le indagini geofisiche sono realizzate in combinazione tra loro. I rilievi gravimetrici e magnetici sono applicati su scala regionale per individuare le strutture di maggior interesse I rilievi sismici vengono applicati per investigare con maggior dettaglio le strutture geologiche ritenute interessanti come potenziali giacimenti petroliferi

Hydrogeological

prospecting

Contaminated soil

and groundwater

Aquifer

characterisation

Electrical resistivity

Electrical resistivity soundings

Electrical resistivity tomography

Self potential

Complex resistivity

Induced Polarisation

Electromagnetic methods

Electromagnetic profiling

Electromagnetic soundings

Georadar

Natural magnetic resonance

CSAMT - Controlled Source Audio

Magneto-telluric

VLF (terrestrial)

Airborne VLF

Airborne Electromagnetic Profiling

Potential field

Magnetic

Airborne magnetic

Borehole logging

Natural magnetic resonance

Inductive logs

Resistivity log

Seismic methods

Seismic refraction

Seismic reflection

Seismic Tomography

Application Field

Legend

Highly reconmended

Reconmended

Suitable in favourable conditions

Prospezione idrogeologica:

Caratterizzazione geologico-

idrogeologica su scala locale

(profondità e spessore

dell’acquifero)

Studio di acquiferi e suoli

contaminati

Metodi per la mappatura e per la

elaborazione di sezioni verticali

ed orizzontali per inidviduazione

di sorgenti contaminanti e per

stimare l’estensione delle zone

contaminate

Caratterizzazione acquiferi

Indagini di dettaglio per

determinare la porosità degli

acquiferi, permeabilità verticali e

orizzontali, flusso nella zona

vadosa