Prof. Ing. Gian Piero Deidda Università di Cagliari

1. INDAGINI GEOFISICHE AVANZATE PER LA CARATTERIZZAZIONE GEOTECNICA DEI SITI Jesi, 17-18 Dicembre 2007 Indagini sismiche non invasive convenzionali ed avanzate. Principi base del metodo a riflessione ad alta risoluzione in onde P ed SH Prof. Ing. Gian Piero Deidda Università di Cagliari E-mail: gpdeidda@unica.it Tel. 070 6755172

2. Sismica a riflessione = Tecnica di “Imaging” Grazie all’esteso utilizzo nell’esplorazione petrolifera, la sismica a riflessione è il metodo geofisico più “evoluto”. Esso viene comunemente utilizzato per produrre immagini del sottosuolo. Il principio di funzionamento consiste nel registrare in forma digitale le onde sismiche generate in superficie e che vengono riflesse dalle strutture e interfacce presenti nel sottosuolo. Le riflessioni avvengono in corrispondenza di variazioni di velocità e/o densità

3. Shot Record Metodo Sismico A Riflessione Principi Una sorgente sismica genera energia meccanica che si propaga nel sottosuolo mediante onde sferiche. Sulla base del principio di Fermat, dopo aver subito fenomeni di rifrazione e riflessione, le onde sismiche vengono captate in superficie da uno stendimento di geofoni. I segnali elettrici provenienti dai geofoni vengono quindi registrati da un sismografo digitale in uno Shot Record.

4. Metodo Sismico A Riflessione Imaging sismico 2D: dalla Geologia alla Sezione Sismica GEOLOGIA ACQUISIZIONE RECORDS

5. Metodo Sismico A Riflessione Imaging sismico 2D: dalla Geologia alla Sezione Sismica RECORDS Elaborazione SEZIONE SISMICA

6. Acquisizione: Copertura singola Si consideri uno stendimento offend di 24 geofoni. La distanza tra la sorgente e il primo geofono, G1, è detta “near-offset”, mentre la distanza tra la sorgente e l’ultimo geofono, G24, è detta “far-offset”. Quando viene attivata la sorgente, l’onda incidente viene riflessa dalla porzione di riflettore compresa tra il semi near-offset e il semi-far offset. Quindi, spostando in modo opportuno lo stendimento di geofoni, il riflettore può essere campionato in continuo. Quando ciascun punto di riflessione viene campionato una sola volta ma in modo continuo si parla di acquisizione in “copertura singola”.

7. Common Shot gather Le tracce di questa famiglia hanno in comune una stessa posizione di sorgente. I dati a riflessione vengono acquisiti in questa modalità Common Mid Point (CMP) gather Lo stesso punto CMP è comune a tutte le tracce Common Offset gather Tutte le tracce di questa famiglia hanno la stessa distanza sorgente-ricevitore Acquisizione multicanale Common Receiver gather Le tracce hanno in comune una stessa posizione di ricevitore

8. Determinazione dei parametri di acquisizione “There are some areas where good data cannot be obtained. There are even areas where bad data cannot be obtained. However, in areas of good data, it is always possible to obtain bad or no data. Every area has its own character; thus, what works in some circumstances will not work everywhere. Therefore, it is desirable to design data acquisition parameters for obtaining the best quality data possible for the given objective.” From Steeples (1986)

9. Elaborazione dati L’elaborazione dei dati sismici a riflessione consiste nel “manipolare” le registrazioni (shot records) e presentarle in modo che possano essere interpretate geologicamente. Gli obiettivi dell’elaborazione sono: 1- enfatizzare i segnali riflessi attenuando gli altri segnali (rumori), e 2- ricomporre geometricamente i segnali riflessi al fine di produrre una sezione sismica “zero-offset”, cioè come se fosse stata acquisita con sorgente e ricevitore nella stessa posizione (similmente ad una acquisizione georadar monostatica)

10. Conversione dei dati Geometria Editing delle tracce Attenuazione rumore CMP Sorting Analisi di velocità e NMO Statiche residue CMP stacking Deconvoluzione Migrazione Elaborazione Dati Input Sistema Output Registrazioni Fasi di Elaborazione Immagine sottosuolo PREPROCESSING GEOMETRICAL PROCESSING FASI PRINCIPALI WAVELET PROCESSING IMAGE PROCESSING

11. Le onde S vengono acquisite con una procedura simile a quella per le onde P. Mediante una sorgente sismica vengono generate onde sismiche che vengono captate da geofoni disposti su un allineamento. Ci sono, tuttavia, alcune differenze che devono essere prese in considerazione (tipo di sorgente, geofoni, ecc.). Sismica a riflessione per Onde SH • Alcuni Vantaggi • Maggiore risoluzione nei terreni non consolidati • Non “sentono” la presenza dei fluidi • Le onde SH non vengono convertite in onde P • Le onde S sono strettamente legate al Modulo di Taglio (G0), un parametro fondamentale nella caratterizzazione dei terreni • Alcuni Svantaggi • Per le onde SH sono necessarie sorgenti polarizzate e procedure speciali che aumentano i costi di acquisizione. • Le registrazioni per onde SH con alto rapporto S/N (senza componenti P) richiedono maggiori elaborazioni e quindi maggiori costi di elaborazione. • L’interferenza con le onde L può costituire un problema serio.

12. Sismica a riflessione per Onde SH Acquisizione onde SH Le registrazioni SH richiedono due Scoppi con versi opposti che devono essere sottratte per attenuare le onde P. Inoltre, un’attenuazione ottimale delle onde P richiede l’equalizzazione delle ampiezze e la rimozione delle variazioni del tempo zero (determinate mediante crosscorrelazione) delle registrazioni prima della sottrazione. Sinistra Destra

13. SWYPHONE Sismica a riflessione per Onde SH Acquisizione onde SH SWYPHONE è un ricevitore orizzontale che rende più rapida l’acquisizione ed elimina alcune fasi di preprocessing sulle registrazioni. Con questo ricevitore è possibile acquisire segnali SH con poca contaminazione di onde P, e con una sola energizzazione. (a) Registrazione ottenuta con geofoni standard e procedura tradizionale. (b) Registrazione ottenuta con swyphones con una sola direzione di energizzazione, cioè con metà dell’energia. Standard Swyphone

14. Sismica a riflessione per Onde SH Interferenza con le onde di Love Le onde di Lovesono onde superficiali generate quando un basamento è sovrastato da una copertura a bassa velocità.Le velocità di fase e di gruppo delle onde di Love tendono alla velocità S nel basamento per frequenze che tendono a zero, mentre tendono alla velocità S nella copertura per frequenze elevate. Tuttavia, le velocità di fase e di gruppo sono molto prossime alla velocità S della copertura quando lo spessore è maggiore della lunghezza d’onda. Affinché sia possibile acquisire riflessioni superficiali SH con minima interferenza con le onde di Love occorre lavorare con piccoli rapporti /H.

15. Sismica a riflessione per Onde SH Interferenza con le onde di Love Quando lo spessore della copertura è maggiore di 4-5 volte la lunghezza d’onda dominante del segnale sismico e non si hanno forti gradienti di velocità, le velocità di fase e di gruppo delle onde L approssimano la velocità S nella copertura lasciando indisturbate le riflessioni superficiali.

16. Falda Registrazione P Registrazione SH Sismica a riflessione per Onde SH Problema della falda acquifera Nel caso della sismica per onde P, il contrasto di impedenza acustica in corrispondenza della falda è generalmente troppo elevato da rendere difficile, se non impossibile, la registrazione di riflessioni più profonde. L’elevato contrasto di impedenza acustica è dovuto alla grande differenza di compressibilità tra materiale insaturo e materiale saturo. Per le onde S l’impedenza acustica è invece praticamente indipendente dalle variazioni di saturazione. Pertanto le onde S “non sentono” la falda e la attraversano consentendo la registrazione di segnali riflessi al di sotto della stessa.

17. Sismica a riflessione per Onde SH Un esperimento “ultra-shallow”

18. Sismica a riflessione per Onde SH Un esperimento “ultra-shallow”

19. Sismica a riflessione per Onde SH Un esperimento “ultra-shallow”

20. Sismica a riflessione per Onde SH Basamento con copertura alluvionale

21. Sismica a riflessione per Onde SH Basamento con copertura alluvionale

22. Sismica a riflessione per Onde SH CMP location Time (s) Time (s) Basamento con copertura alluvionale

23. Condizioni Importanti Per poter utilizzare la Sismica a riflessione superficiale devono verificarsi tre importanti condizioni: • Il contrasto di impedenza acustica deve essere sufficientemente alto per poter generare riflessioni registrabili. Ciò richiede una significativa variazione di velocità e/o di densità. • Il contenuto spettrale del segnale deve essere ampio per poter avere le riflessioni separate da altri eventi quali diretta, rifratta e onde superficiali. • La strumentazione deve essere adeguata e avere sufficiente banda dinamica per registrare in alta fedeltà i segnali sismici. Queste condizioni devono essere sempre verificate per ogni sito e per ogni obiettivo.

24. Osservazione Importante La sismica a riflessione superficiale non sempre è una tecnica di indagine che funziona!! L’individuazione delle riflessioni sulle registrazioni grezze è essenziale per un corretto e appropriato utilizzo della Sismica a Riflessione. La capacità di riconoscere i limiti del metodo, di modificare i parametri di acquisizione, di cambiare strumentazione, o di decidere di terminare l’acquisizione è una caratteristica professionale che garantisce qualità. Una sufficiente esperienza nell’apprezzare che i metodi geofisici non sempre funzionano e la buona fede nell’ammetterlo è fondamentale per un efficace utilizzo degli stessi nella caratterizzazione dei siti. Un’attenta valutazione delle caratteristiche del sito e degli obiettivi di interesse fornisce importanti informazioni sull’applicabilità del metodo, ma niente può sostituire un’attenta ed esperta analisi di un test sul campo (field walkaway test data).