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PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
1
Cap. 3
CENNI SUI METODI MAGNETICI
2PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Principi di basePrincipi di base
parametro misurato: intensità (totale o gradiente) e/o direzione del campo
geomagnetico locale.
misure: metodo passivo con cui si analizzano le perturbazioni al normale andamento
del campo geomagnetico naturale.
informazioni desunte: individuazione di corpi magnetizzati ed indicazioni sulle
loro caratteristiche.
3PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
MagnetizzazioneMagnetizzazione
1) moto orbitale degli elettroni attorno al nucleo simile al moto dei protoni all’interno del
nucleo;
2) moto di spin degli elettroni
Il comportamento magnetico dei materiali e’ legato alla capacità di allinearsi dei singoli m e
alla loro somma vettoriale. Tale comportamento è associato alla presenza di alcuni minerali
quali la magnetite e la pirrotina.
Si osserva una dipendenza lineare tra la concentrazione di magnetite (Fe3O4) e la
suscettivita’ magnetica k.
-e
mo
msSpiega il magnetismo macroscopico ed è associata con
i circuiti di correnti atomiche generate da due
meccanismi principali:
4PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Magnetizzazione indotta e rimanenteMagnetizzazione indotta e rimanente
La magnetizzazione indottamagnetizzazione indotta Ji decade a zero
se il materiale è posto in un ambiente libero da
campo magnetico esterno.
Tuttavia, alcuni materiali (ferromagnetici)
presentano una certa magnetizzazione anche
in assenza di campo esterno (magnetizzazione
rimanente Jr).
rri JHkJJJ
Si considera la magnetizzazione totale
come somma delle due magnetizzazioni.
L’importanza relativa della magnetizzazione
rimanente rispetto alla magnetizzazione indotta è
espressa dal rapporto di Koenigsberger Q.
i
r
J
JQ
5PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Isteresi MagneticaIsteresi Magnetica
L’isteresi magnetica esprime
quanto un corpo (un materiale) si
possa magnetizzare per effetto di
un campo magnetizzante.
Il ciclo di isteresi mostra il valore
della magnetizzazione di
saturazione e quello della
magnetizzazione rimanente.
6PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
CMT: variazioni temporaliCMT: variazioni temporali
a) variazioni di origine interna:
causate da migrazione dei poli, deriva dei continenti, fluttuazione della rotazione
terrestre (secolari, continue seppur non regolari) (fino a 100 nT/anno)
b) variazioni di origine esterna:
1. pulsazioni (con periodo dell'ordine dei secondi);
2. baie (con periodo di qualche ora);
3. semidiurne;
4. diurne o solari;
5. lunari (con periodo di 27 giorni);
6. dovute alle macchie solari (con lo stesso periodo con cui si presentano le
macchie solari;
7. tempeste magnetiche;
7PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Proprietà magnetiche della materiaProprietà magnetiche della materia
Magnetizzazione per induzioneMagnetizzazione per induzione::
La relazione tra magnetizzazione e campo esterno può essere considerata lineare nel
campo di valori (relativamente bassi) in cui si situa il valore del campo magnetico
terrestre. Per mezzi isotropi, in cui la relazione è la medesima in ogni punto, si ha:
dove k è in relazione con la permeabilità magnetica:
dove:Ji - magnetizzazione indotta;
k - suscettività magnetica (adimensionale); - permeabilità assoluta del mezzo0 - permeabilità nel vuoto
exti HkJ
k 10
8PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
suscettività magneticasuscettività magnetica
gli ampi range di variazione della
suscettività sono una delle cause di
ambiguità interpretativa dei dati
magnetici e possono rendere
complesso anche il modelling.
9PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Proprietà magnetiche della materiaProprietà magnetiche della materia
Magnetizzazione per induzione:Magnetizzazione per induzione:
a) materiali ferromagnetici: sono materiali (cobalto, nikel, ferro) che in presenza di un campo magnetico esterno presentano un elevato valore di magnetizzazione, non linearmente proporzionale al campo esterno e che si conserva anche dopo la soppressione di questo.
b) Dal punto di vista microscopico si può schematizzare il comportamento dei materiali ferromagnetici come se i dipoli elementari si “organizzassero” in regioni (domini) con momento magnetico concorde.
10PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Proprietà magnetiche della materiaProprietà magnetiche della materia
Magnetizzazione rimanenteMagnetizzazione rimanente
a) magnetizzazione termorimanente: (temperatura di Curie da 100 °C a 700°C)
b) magnetizzazione isoterma: termica ma sotto Curie
c) magnetizzazione viscosa: campo inducente per lunghi periodi
d) magnetizzazione anisteretica: zone di impatto dei fulmini
e) magnetizzazione chimica: nascono all’interno del corpo sostanze magnetiche
f) magnetizzazione da sedimentazione
11PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Proprietà magnetiche della materiaProprietà magnetiche della materia
magnetizzazione totale:magnetizzazione totale:
extrirtot HkJJJJ
12PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Campo magnetico terrestreCampo magnetico terrestre
componenti del vettore campocomponenti del vettore campo
F – vettore campo
H – componente orizzontale
Z – componente verticale
I – inclinazione
D - declinazione
alle nostre latitudini F vale circa 45.000 nT ed ha
inclinazione di circa 60°.
13PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Cosa si misuraCosa si misura
14PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Cosa si misuraCosa si misura
15PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Cosa si misuraCosa si misura
eseguendo misure dalla
superficie si ottiene il grafico
dell’anomalia magnetica che
viene poi correlato con la
natura, la profondità e le
dimensioni del corpo che l’ha
provocata.
16PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
StrumentazioneStrumentazione
inclinometri e declinometri
bilance magnetiche
magnetometri a passaggio di flusso (Fluxgate)
magnetometri a protoni (PPM)
magnetometri a pompaggio ottico
17PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Magnetometro a protoniMagnetometro a protoni
Misura l’intensità del campo senza
fornire indicazioni riguardo la
direzione (danno F).
Le misure necessitano di un breve
transitorio (alcuni s).
Le nuove versioni Overhauser
arrivano a 10 mis/s.
Precisione di misura 0. 1 nT.
schematizzazione della precessione nucleare
18PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Assetti di misuraAssetti di misura
19PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
gradiometrogradiometro
Le misure gradiometriche non
risentono delle variazioni
temporali e consentono di
discriminare oggetti superficiali
e di piccole dimensioni.
20PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Il magnetometro a pompaggio otticoIl magnetometro a pompaggio ottico
Il magnetometro non è che una delle molteplici e svariate applicazioni che utilizzano il Il magnetometro non è che una delle molteplici e svariate applicazioni che utilizzano il
fenomeno del trasferimento energetico legato al passaggio degli elettroni da un livello fenomeno del trasferimento energetico legato al passaggio degli elettroni da un livello
energetico ad un altro (vd. ad esempio, i masers ed i lasers).energetico ad un altro (vd. ad esempio, i masers ed i lasers).
Il pompaggio ottico può essere definito come una tecnica di sovrapopolazione di un Il pompaggio ottico può essere definito come una tecnica di sovrapopolazione di un
livello energetico di una particolare specie atomica.livello energetico di una particolare specie atomica.
21PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Principio operativo del pompaggio otticoPrincipio operativo del pompaggio ottico
21 GGE
• Al livello H compete invece un energia di gran lunga superiore e la transizione G1, G2- H
richiede una energia elettromagnetica (fotone).
• Nello stato standard gli elettroni occupano i livelli G1 ed G2, tra i quali il salto energeticoè molto piccolo
• le probabilità di trovare gli atomi in G1 ed G2 sono uguali.
Consideriamo per semplicità un atomo
ipotetico i cui elettroni orbitino su tre livelli
energetici
22PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Irradiando il corpo campione con un raggio dal quale, Irradiando il corpo campione con un raggio dal quale,
previo filtraggio, è stata eliminata la banda spettrale previo filtraggio, è stata eliminata la banda spettrale
GG22H, gli atomi con elettroni corrispondenti al livello GH, gli atomi con elettroni corrispondenti al livello G11
saranno in grado di assorbire l'energia e passare al saranno in grado di assorbire l'energia e passare al
livello H, mentre gli atomi in Glivello H, mentre gli atomi in G22 non verranno eccitati. non verranno eccitati.
Dal livello H, che è uno stato eccitato e quindi instabile, Dal livello H, che è uno stato eccitato e quindi instabile,
gli elettroni decadono ritornando allo stato gli elettroni decadono ritornando allo stato
fondamentale (non eccitato)fondamentale (non eccitato)
Quando avviene il decadimento la probabilità di Quando avviene il decadimento la probabilità di
ritrovare gli elettroni in Gritrovare gli elettroni in G11 ed G ed G22 è uguale ma, una volta è uguale ma, una volta
ricaduti su Gricaduti su G11 questi verranno rimossi per eccitazione questi verranno rimossi per eccitazione
fotonica e riportati in H; ne risulta una fotonica e riportati in H; ne risulta una
sovrapopolazione di Gsovrapopolazione di G22. .
23PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Poichè in questo processo selettivo GPoichè in questo processo selettivo G11 risulta crescentemente spopolato, l' energia di risulta crescentemente spopolato, l' energia di
assorbimento sarà minore e il corpo campione sarà più trasparente al passaggio del raggio assorbimento sarà minore e il corpo campione sarà più trasparente al passaggio del raggio
incidente. incidente.
Nella fase, definito stato pompato, in cui tutti gli atomi si ritrovano in corrispondenza di GNella fase, definito stato pompato, in cui tutti gli atomi si ritrovano in corrispondenza di G22 il il
passaggio di luce attraverso detto corpo campione è massimo. Se si distrugge lo stato passaggio di luce attraverso detto corpo campione è massimo. Se si distrugge lo stato
pompato, il corpo campione ridiventa opaco ed il ciclo si ripete.pompato, il corpo campione ridiventa opaco ed il ciclo si ripete.
24PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Il sensore consta di tre parti principali assemblate lungo un comune asse ottico e poste entro il cilindro del sensore ottico:
1) Lampada (Rb, Cs)
2) Cella di assorbimento contenente “alkali vapor” (Cs o Rb) corrrispondente al materiale costituente la lampada
3) Diodo fotosensibile
25PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Tramite un avvolgimento che circonda la cella di
assorbimento, si genera un campo magnetico
che distrugge lo stato otticamente pompato; in
questa fase l’assorbimento della cella è massimo
e la corrente di output del diodo è minima.
Non appena viene distrutto, il pompaggio ottico si
ripristina, causando l’inizio di un nuovo ciclo.
La luce generata dalla lampada al cesio entra
nella cella di assorbimento contenente vapori
di cesio.
Il vapore di cesio viene eccitato e si verifica la
transizione dai livelli relativi allo stato standard
a quelli otticamente pompati.
In queste condizioni l’assorbimento della cella
è minimo e di conseguenza il diodo
fotosensibile percepisce la massima intensità
luminosa a cui corrisponde la massima
intensità di corrente;
26PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
L’intero sistema può essere considerato in oscillazione con la corrente di uscita del diodo
fotosensibile che varia sinusoidalmente alla Frequenza di Larmor ν.
La Frequenza di Larmor è proporzionale all’intensità del campo magnetico ambiente F.
La costante di proporzionalità che mette in relazione la Frequenza di Larmor νν con il c.m.t. è
il rapporto giromagnetico degli elettroni ( ).
F = 2∏ ν /
e
e
e
e
2
2
(Rb) 4.67 Hz / nT
(Cs) 0.55 Hz / nT
27PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Logistica in situLogistica in situ
Secondo gli obiettivi dell’indagine le misure vengono eseguite lungo profili o su mappe con
griglie regolari. L’intervallo di campionamento dipende dalla risoluzione voluta e va definito in
fase di progettazione delle indagini.
Se non si eseguono misure gradiometriche è necessario tornare ad intervalli di tempo circa
regolari su una stazione base per registrare la variazione temporale.
Particolari attenzioni devono essere rivolte alle potenziali fonti di disturbo, eventualmente
indotte dall’operatore.
Il “grid”Il “grid”
28PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Limiti e disturbiLimiti e disturbi
La necessità di misurare variazioni del campo magnetico molto piccole strumenti molto
sensibili.
Le misure sono fortemente disturbate non solo dalla presenza di oggetti metallici in prossimità
dell’area di misura (recinzioni metalliche e strutture) ma anche da tutte le fonti di inquinamento
elettromagnetico, quali linee elettriche, ferrovie, macchinari industriali, ecc...
In generale, è pressoché impossibile eseguire misure affidabili in ambienti urbani che si
presentano talmente “rumorosi” da rendere impossibile il corretto funzionamento della
strumentazione.
Un’altra precauzione necessaria è legata alla variazione temporale del campo che in particolari
condizioni meteorologiche (temporali) ed atmosferiche (tempeste magnetiche) sono troppo
repentine e troppo elevate per consentire l’effettuazione delle misure.
29PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Elaborazione datiElaborazione dati
correzioni:correzioni:
a) variazione diurna: o si eseguono misure in una stazione base ad intervalli di
tempo regolari e si sottrae all’andamento del campo misurato dalla stazione mobile
e plottato in funzione del tempo l’andamento misurato alla stazione base, oppure si
eseguono misure di gradiente verticale del campo (si fa cioè la differenza tra due
letture contemporanee eseguite a due altezze diverse).
b) correzione per la latitudine: è necessario tenere conto di questa variazione
qualora l’estensione del sondaggio sia di diversi chilometri. In generale si può
considerare una variazione di circa 6 nT/km.
c) correzione topografica: nel caso di topografie particolarmente irregolari può
essere necessario riportare le misure ad un piano di riferimento; la procedura è
spesso automatizzata nei software di interpretazione.
30PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Elaborazione datiElaborazione dati
rappresentazione su mappe e profili:rappresentazione su mappe e profili:
Dopo le correzioni i dati vengono rappresentati o su mappe o su profili. Questa fase è talvolta
sufficiente e fornisce le informazioni cercate.
Oltre alle correzioni è spesso necessario “ripulire” i dati da disturbi, rumore, misure errate.
Questa operazione può essere condotta con procedure di filtraggio digitale con filtri
monodimensionali sui profili e bidimensionali sulle mappe.
Le tecniche di trattamento dell’immagine possono venire applicate per meglio mettere in
evidenza le anomalie imputabili agli obiettivi del sondaggio.
31PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Interpretazione qualitativaInterpretazione qualitativa
rappresentazione su mappe e rappresentazione su mappe e profili:profili:
Ampiezza e lunghezza d’onda dell’anomalia
sono correlabili con le caratteristiche e la
posizione delle sorgenti.
32PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Interpretazione qualitativaInterpretazione qualitativa
rappresentazione su mappe e profili:rappresentazione su mappe e profili:
33PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Interpretazione qualitativa - Interpretazione qualitativa - localizzazionelocalizzazione
34PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Interpretazione datiInterpretazione dati
anomalie corpi anomalie corpi semplici:semplici:
campo inducente:
F=60000 nT
I=60°, D=0°
corpo: sfera
raggio=1m
prof.=3m
k= 0.05
35PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Interpretazione datiInterpretazione dati
anomalie corpi anomalie corpi semplici:semplici:
campo inducente:
F=60000 nT
I=60°, D=0°
corpo: dicco verticale
largh.=50m
k= 0.05
36PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Interpretazione datiInterpretazione dati
modellazione:modellazione:
Esistono algoritmi che date:
1. le dimensioni dei corpi;
2. le profondità dei corpi;
3. i contrasti di suscettività;
sono in grado di calcolare l’andamento dell’anomalia prodotta in superficie e
permettono di valutare l’applicabilità del metodo in fase progettuale e/o di
interpretare i risultati.
37PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Interpretazione datiInterpretazione dati inversione:inversione:
Esistono algoritmi che, tramite processi iterativi, a partire dai dati sperimentali,
risalgono alla distribuzione della suscettività magnetica in sezioni (2D o 2.5D) al
di sotto dei profili.
Come in tutti i problemi inversi esistono ambiguità connesse alla non unicità della
soluzione.
38PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Interpretazione datiInterpretazione dati inversione:inversione:
39PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
Interpretazione quantitativaInterpretazione quantitativa rappresentazione 3D dopo inversione:rappresentazione 3D dopo inversione:
PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)
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F I N EF I N E