INDAGINI GEOFISICHE in prospettiva sismica

1. INDAGINI GEOFISICHE in prospettiva sismica

2. Tecniche di misura in situ della Vs DOWN-HOLE (+VSP) UP-HOLE CROSS-HOLE LOG ONDE SUPERFICIALI RIFLESSIONE RIFRAZIONE (...) (...) (...) Le prove di tipo INVASIVO richiedono la perforazione di uno o più fori di sondaggio (da cui si possono estrarre informazioni aggiuntive dirette stratigrafiche litologiche, idrogeologiche ecc). Le tecniche non invasive prevedono l’acquisizione di dati dalla superficie

3. Tecniche di misura in situ della Vs • Spesso simili ad analoghe è più note tecniche per la misura della Vp • Cross-Hole: sorgente in un foro ricevitore in altro foro • Down-Hole: sorgente in superficie e ricevitore in foro • Cono sismico, dilatometro sismico: sorgente in superficie, ricevitore in foro su attrezzatura penetrometrica (CTP o DMT) • Up-Hole: sorgente in foro, ricevitore in superficie • Rifrazione: sorgente e ricevitori in superficie, analisi di onde rifratte • Riflessione: sorgene e ricevitori in superficie, analisi di onde riflesse • MASW-SASW: sorgente e ricevitori in superficie, analisi di onde di Rayleigh • NASW, ReMi, HVRS-Nakamura: ricevitori in superficie, sorgenti non controllate (rumore)

4. AFFIDABILITÀ della misura di Vs • Le INCERTEZZE possono essere molto elevate: nessuna tecnica garantisce una completa affidabilità nella ricostruzione della distribuzione dei parametri nel sottosuolo • Errori di misura ed interpretazione (sia prove in situ che di laboratorio) • Disturbo e rappresentatività del campione per prove laboratorio • Distribuzione geostatistica dei parametri (variabilità) • Anisotropia • Es: La prova cross-hole, ritenuta molto affidabile puntualmente, fornisce dati la cui validità spaziale è limitata all’intorno del punto di misura • (la possibilità di una estensione areale affidabile dipende da contesto geologico-stratigrafico) • OTTIMIZZAZIONE COSTI/INFORMAZIONE/INCERTEZZE

5. Onde S, misura in foro (CROSS-HOLE) D Z • PRINCIPIO della MISURA • Si generano onde SV (SH) in un foro, ad una certa profondità • Si registra la vibrazione prodotta con un ricevitore in un altro foro • Sulla registrazione si misura il tempo di arrivo delle onde S • Si calcola la velocità, nota la distanza sorgente-ricevitore

6. Nel test cross-hole in onde S, un geofono triassiale con un sistema di ancoraggio alla parete del foro e una sorgente da foro direzionale sono calati a fondo foro, e poi sollevati a passo costante (ad esempio passi di 1m), in modo che si trovino alla stessa quota. Energizzando in un foro e ricevendo nell’altro, si individuano i tempi di arrivo alle diverse profondità: ipotizzando un percorso rettilineo tra i due fori si calcola la velocità media. La distanza tra i fori non deve essere elevata, per rendere più veritiera l’ipotesi di raggi rettilinei: la verticalità dei fori garantisce una distanza costante con la profondità. Occorrono quindi almeno due fori, perforati a 3-4 pollici, rivestiti in PVC o altro, e adeguatamente cementati.

7. ACQUISIZIONE • Generazione onde SV • Sorgente verticale, accoppiata alla parete del foro con sistema di clamping • Inversione di polarità (inverte la polarità della componente di taglio, non inverte la polarità della componente di pressione) • Individuazione onde SV • Ricevitore orientato, componente verticale • Confronto (sottrazione) dei segnali delle due energizzazioni invertite ONDE SH: sorgente torsionale, ricevitori orizzontali (SISTEMA MENO COMUNE E MENO DIFFUSO)

8. P S ELABORAZIONE Individuazione onde S: confronto segnali con polarità invertite First Break Picking: Individuazione sulle tracce dell’istante di arrivo dei segnali Calcolo velocità come v=d/t Distanza misurata in superficie, e controllo di verticalità con inclinometro

9. VANTAGGI Misura accurata ad ogni profondità Acquisizione abbastanza semplice, non cambia la distanza a cui deve essere registrato il segnale (rapporto segnale/rumore S/Nè favorevole) POSSIBILI PROBLEMI Conversione onde SV in onde P alle interfacce Rifrazione Anisotropia (SH-SV) SVANTAGGI Servono almeno due fori Misura puntuale (validità spaziale del dato?)

10. Onde SH, misura in foro (DOWN-HOLE) Z • PRINCIPIO della MISURA • Si generano onde SH in superficie • Si registra la vibrazione prodotta ad una profondità nota • Sulla registrazione si misura il tempo di arrivo delle onde SH • Si calcola la velocità in funzione della profondità

11. ACQUISIZIONE • Generazione onde SH • Sorgente Polarizzata Orizzontale, accoppiata al terreno per attrito, colpita lateralmente • Inversione di polarità (inverte la polarità della componente di taglio, non inverte la polarità della componente di pressione, esattamente come per crosshole) • Individuazione onde SH • Ricevitori orientati orizzontali • Confronto (sottrazione) dei segnali delle due energizzazioni invertite

12. P S ESEMPIO: DATI su componente verticale con sorgente verticale e su componente orizzontale con sorgente orizzontale

13. ELABORAZIONE Individuazione onde SH Lettura dei tempi di primo arrivo (First Break Picking) Estrarre informazione differenziale sulle velocità da dato integrale del tempo di arrivo velocità di intervallo (derivata) interpolazione lineare a tratti

14. t t V z z z INTERPRETAZIONE Estrarre le velocità sismiche di intervallo dall’informazione integrale dei tempi Con l’approssimazione di raggi rettilinei, il problema è lineare normaldeterminato • Per controllare l’amplificazione dell’incertezza sui tempi • REGOLARIZZAZIONE (riduce la rugosità) includere info a priori T: vettore dei tempi P: vettore delle lentezze A: matrice triangolare inferiore aij = hi se j<I aij = 0 altrimenti

15. ESEMPIO ELABORAZIONE

16. VANTAGGI Risoluzione che non dipende da profondità Controllo profondità di indagine POSSIBILI PROBLEMI Scarsa qualità dei dati per problemi di accoppiamento foro-formazione Errore/difficoltà individuazione del fenomeno (presenza onde di Stoneley) Limite alla profondità di indagine: con l’approccio semplice del DH non si oltrepassa la profondità del foro

17. Possibile PROBLEMA: scarso accoppiamento foro-formazione Foro da 75 m : 35m arenaria 40m argilla perforazione riempimento rivestimento

18. REGISTRAZIONI CON SCARSO ACCOPPIAMENTO 3 componenti, profondità 30m

19. REGISTRAZIONI CON SCARSO ACCOPPIAMENTO

20. Possibile problema: PRESENZA DI ALTRI FENOMENI (ERRORE DI identificazione del campo d’onda) AIR BLAST : SUONO – onda di pressione in aria (in foro) +340 m/s -340 m/s

21. ONDE DI STONELEY Errore/difficoltà individuazione fenomeno Presenza onde di Stoneley: onde guidate (senza attenuazione geometrica) in foro pieno d’acqua, generate a testa foro, riflesse a fondo Sismogramma acquisito con geofono 3C Sismogramma acquisito con idrofoni

22. Time [ ms ] P r ONDE DI stoneley ONDE GUIDATE IN FORO

23. geofono CONO SISMICO Il cono sismico unisce la prova CPT e la prova downhole. Alla strumentazione del cono è aggiunto un geofono: la sorgente in superficie è analoga a quella del down hole. Vantaggi: velocità, misura simultanea di parametri di resistenza e litologici con parametri dinamici Limiti: come per CPT, rischio di rifiuto, + i limiti di downhole Quando il ricevitore è installato su un dilatometro, si ha il DILATOMETRO SISMICO Elaborazione può essere fatta senza picking mediante la cross-correlazione di segnali di due profondità vicine (1m)

24. s r LOG SONICO (ultrasonico) MISURA DEL TEMPO DI PROPAGAZIONE DI UN SEGNALE SISMICO (USUALMENTE AD ALTA FREQUENZA) PRODOTTO DA UNA SORGENTE IN UN FORO E REGISTRATO DA UN RICEVITORE NELLO STESSO FORO “SUSPENSION P-S LOGGING” ESISTONO SISTEMI IN CUI LA SONDA CHE È CALATA IN FORO HA PIÙ RICEVITORI

25. Strumento (TOOL) • centratore centratore isolamento ricevitore ricevitore trasmettitore Una sonda (TOOL) con una sorgente e 2 o più ricevitori posti a distanza nota è calato con un cavo di sospensione e trasmissione dati. La sonda è calata ad una profondità nota (sistema di misura sull’argano di controllo posizione), dove il trasmettitore genera impulsi, che si propagano nel sistema foro-casing-formazione, e sono digitalizzati e trasmessi dai ricevitori. La sorgente può essere un monopolo, dipolo, o dipolo invertibile

26. recevitore#2 (B) recevitore#1 (A) sorgente (P-SH) PRINCIPIO : come misurare onde P ed S? Le onde di pressione nel fluido sono convertite in onde P ed S alla parete del foro, si propagano come onde di volume nella formazione, e sono nuovamente convertite in onde di pressione e registrate dai ricevitori La differenza di tempo di percorso corrisponde alla differenza di tempo tra i punti A e B, che equivale alla distanza tra I ricevitori R-R method (receiver-receiver) S-R method (source-receiver) ( ESISTONO ANCHE SISTEMI CON DUE TRASMETTITORI )

27. H2 + - DTS H1 + - V2 DTP V1 0 2 4 6 8 10 12 14 time [ms] INVERSIONE POLARITÀ Segnali opposti sulle componenti orizzontali del ricevitore RIC2 componenti orizzontali RIC1 componenti orizzontali RIC2 componente verticale RIC1 componente verticale

28. RIC # 3 RIC # 2 RIC # 1 Ston. P S Ston. P SORGENTE S FULL WAVE FORM SONIC LOG (foro riempito d’acqua o da altri fluidi) Formazione LENTA: la velocità delle onde S è inferiore alla velocità delle onde di pressione nel fluido Formazione VELOCE: La velocità delle onde S è superiore alla velocità delle onde di pressione nel fluido Nelle formazioni lente le onde S non sono registrate e la Vs è stimata dalle onde di Stoneley (con problemi dovuti al casing)

29. ESEMPIO DI REGISTRAZIONE “FULL WAVEFORM”

30. Onde SH, rifrazione • PRINCIPIO della MISURA • Si generano onde SH in superficie • Si registra la vibrazione in superficie a diverse distanze: la rifrazione dei fronti d’onda (per aumento di velocità con la profondità) porta in superficie l’informazione delle caratteristiche dei materiali in profondità • Sulla registrazione si misura il tempo di arrivo delle onde SH • Si calcola la velocità in funzione della profondità con procedure di elaborazione

31. Legge di SNELL, rifrazione critica iC r = iC V1 V1 V2 V2 t = 90° i r V1>V2 t Tempi di arrivo in funzione della distanza: dirette e birifratte V1 V2

32. Il metodo sismico a rifrazione consiste nel misurare, in posizioni note alla superficie, i tempi di arrivo delle onde birifratte prodotte da una sorgente impulsiva. Le onde analizzate sono quelle che giungono sulla superficie di separazione con un angolo critico (secondo la legge di snell), sono rifratte e si propagano parallelamente alla superficie dove sono rifratte nuovamente verso la superficie con lo stesso angolo di incidenza. I contrasti di proprietà possono essere legati a cause stratigrafiche, strutturali, idrogeologiche. • I tempi di primo arrivo sono individuati dall’analisi delle tracce sismiche e rappresentati in un grafico distanza-tempo (dromocrone). • Esistono diversi metodi di interpretazione che richiedono una differente quantità di dati (e quindi un diverso onere di acquisizione) • Tempi intercetti (minimo due scoppi esterni, ricostruzione di strati piani inclinati) • GRM (Generalized Reciprocal Method ), minimo 5-7 scoppi, per la ricostruzione della topografia delle interfacce • Tomografia a rifrazione: soluzione iterativa della propagazione con raggi curvilinei • Utile per individuare bedrock e proprietà coltre sedimentaria

33. i r t Acquisizione onde SH: Inversione polarità, sorgente accoppiata per attrito, profondità di indagine funzione di lunghezza stendimento (energia necessaria per avere adeguata qualità segnale) e di contrasti di impedenza

34. ACQUISIZIONE • Generazione onde SH • Sorgente Polarizzata Orizzontale, accoppiata al terreno per attrito, colpita lateralmente • Inversione di polarità (inverte la polarità della componente di taglio, non inverte la polarità della componente di pressione) • Individuazione onde SH • Ricevitori orientati orizzontali • Confronto (sottrazione) dei segnali delle due energizzazioni invertite ALTERNATIVA: uso di ricevitori speciali (stacking elettrico di segnali di ricevitori opposti)

35. SISMOGRAMMI: Il dato grezzo acquisito (su cui si può effettuare un controllo di qualità) è il sismogramma. La velocità apparente individuabile dai sismogrammi (tempi di arrivo in funzione della distanza) dipende dalle velocità vere e dalla inclinazione delle interfacce. ES: Variazione di velocità dovuta a presenza di due sismostrati

36. Variazioni di velocità, morfologia di interfacce:

37. Ricostruzione tomografica 2D (o anche 3D)

39. LIMITI INTRINSECI necessità contrasto velocità (non in tomografia) Necessità velocità crescenti Possibili problemi di “strato nascosto” ALTRI LIMITI Necessità array lunghi per elevate profondità, difficoltà acquisizione dati di qualità adeguata PROFONDITÀ DI INDAGINE Dipende da contrasti, da qualità dei dati (energia e rumore) ecc.. Indicativamente in fase progettuale si può considerare 1/5 della lunghezza dell’array.

40. Onde SH, riflessione • PRINCIPIO della MISURA • Si generano onde SH in superficie • Si registra la vibrazione in superficie a diverse distanze: la riflessione dei fronti d’onda da parte delle interfacce porta in superficie informazione di strati profondi • Le registrazioni sono sottoposte ad elaborazione: analisi di velocità e correzioni statiche e dinamiche, migrazione, per avere immagine del sottosuolo

41. S1 S2 S3 S4 (…) S1 Acquisizione CMP S2 S3 S4

42. S = Source Position G = Receiver Position x = Offset M = Mid Point Position D = Reflection Point T0 = Two-way traveltime at zero offset Principio dell’analisi di velocità-correzione di Normal Move Out Traveltime Normal Move Out (NMO)

43. Esempio di sezione SH ad alta risoluzione Deidda and Ranieri, 2001 (Geophysical Prospecting)

44. Esempio di sezione in onde P

45. LIMITI Necessità contrasti elevati (informazione su velocità dipende da presenza contrasti) Onerosa in acquisizione, problemi in contesti difficili VANTAGGI Alta risoluzione Ricostruzione geometrie 2D Non presenta limiti con inversione velocità PROFONDITÀ DI INDAGINE Dipende da energia: in SH alcune decine di metri (Prospezione petrolifera in onde P migliaia di metri)

46. 63.5 kg maglio guida 76 cm Testa di battuta aste campionatore “Il sito verrà classificato sulla base del valore di VS30, se disponibile, altrimenti sulla base del valore di NSPT”. RESISTENZA PENETROMETRICA NSPT È un parametro tecnico determinabile da prove in situ standard, che quantifica la resistenza di un terreno alla penetrazione di una punta standard. Pur essendo un parametro legato alle caratteristiche di resistenza, dipende da proprietà fisiche che influenzano fortemente la deformabilità, e presenta pertanto una certa correlazione con la VS. ASTM – Standard D1586-99Standard Test Method for Penetration Test and Split-Barrel Sampling of Soils

47. SUOLO ARGILLA SABBIA GHIAIA fG 1.00 1.10 1.45 ETÀ OLOCENE PLEISTOCENE fA 1.00 1.30 Correlazioni tra NSPT e Vs Numerose leggi empiriche disponibili: la correlazione può essere molto forte se si considera una singola formazione, ma debole in generale, se si considerano materiali variabili per litologia, età, granulometria... Correlazione di Ohta e Goto (1978) (N60=NSPT·ER/60) C = costante = 68.5 N60 = numero colpi SPT per ER=60% z = profondità in metri fA = fattore di età del deposito fG = fattore del tipo di terreno

48. Esempio: Conversione di un profilo verticale di NSPT in un profilo di VS

49. QUALITÀ DELLA CORRELAZIONE confronto delle velocità ottenute dalla elaborazione della STP con le velocità misurate mediante prova Cross Hole VS da crosshole VS da SPT

50. PROBLEMI della CORRELAZIONE Debolezza della correlazione quando si ha variabilità materiali, problemi della prova penetrometrica (es. ‘rifiuto’ per presenza ciottoli), ‘saturazione’ delle correlazioni (Vs stimate sempre minori di 300-400 m/s) MISURA DELLA VS