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
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Le metodologie sismiche, elettriche, elettromagnetiche
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Presentazione di casi applicativi, validità e limiti
I parametri fisici e i modelli petrofisici
Organizzazione del corso
Esercitazioni di laboratorio, progetto…
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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