Indagini geofisiche profonde: la sismica a riflessione all’Aquila

1. CORSO DI MIOCROZONAZIONE SISMICA E VALUTAZIONE DELLA RISPOSTA SISMICA LOCALE PER LA RICOSTRUZIONE POST-TERREMOTO Indagini geofisiche profonde: la sismica a riflessione all’Aquila Rel. Dr. Vincenzo Di Fiore (IAMC-CNR, Napoli)

2. In un mezzo elastico, omogeneo, isotropo, vengono generate: Onde di volume Onde P (Primarie, Longitudinali) Onde S: (Secondarie,Trasversali) Onde superficiali Onde di Rayleigh Onde di Love Nella sismica a Riflessione e Rifrazione vengono considerate le onde P. Onde superficiali sono “rumore” per la Sismica a Riflessione e Rifrazione. Le onde S sono utilizzate in altre Applicazioni: es. Normativa Sismica.

3. La prospezione sismica consiste nel generare impulsi di breve durata ed ampiezza limitata utilizzando apposite sorgenti; i segnali riflessi sono successivamente raccolti e registrati da opportuni sensori organizzati secondo determinate configurazioni spaziali. L’insieme di tutti i segnali e del rumore (sia quello dell’esperimento che quello ambientale), registrati dal sensore nel tempo, formano una traccia sismica. Le tracce sismiche registrate simultaneamente in risposta ad una singola energizzazione (shot) formano un record sismico (shot gather).

4. Record sismico • In un record sismico si possono individuare: • Onde riflesse; • Onde dirette; • Onde rifratte; • Onda d’aria; • Multiple e riverberazioni; • Rumore ambientale

5. Impedenza Acustica (AI): AI = Z = Vp *  dove Vp = velocità onde compressive = densità Strettamente connessa alla velocità di propagazione delle onde sismiche nei diversi mezzi, è l’impedenza acustica (AI), Tale grandezza è un importante parametro che quantifica la “diversità” tra i due mezzi a contatto: quanto maggiore sarà la differenza tra le caratteristiche fisiche dei due mezzi (in particolare velocità e densità), tanto maggiore sarà la differenza tra le relative impedenze acustiche. • Densità e Velocità sono funzione: • Litologia • Porosità • Compattazione • Contenuto di fluidi

6. energy source signal receiver Reflected ray Bed 1 Incoming ray lower velocity higher velocity Refracted ray Bed 2 In una sezione sismica compaiono molti riflettori. I maggiori cambiamenti nelle propietà chimico/fisiche delle rocce producono delle riflessioni forti e continue. Un riflettore sismico è il limite tra corpi con diverse propietà (cambiamento litologico, contenuto di fluidi). Le diverse propietà causano la riflessione/rifrazione delle onde sismiche.

7. Onde sismiche e interfacce Quando un’onda incontra una repentina variazione nelle caratteristiche elastiche di un mezzo, come una superficie di separazione tra due strati, parte dell’energia è riflessa e continua a viaggiare nello stesso mezzo dell’energia incidente, mentre la restante parte è rifratta nel mezzo inferiore con un netto cambio della direzione di propagazione del raggio all’interfaccia. La riflessione e la rifrazione sono alla base della sismica. Legge di Snell (legge della rifrazione) con V2>V1

8. Modello Convoluzionale E’ di grande importanza in sismologia poiché la Terra ha un comportamento convoluzionale se sollecitata da sorgenti di energia elastica. Il modelloconvoluzionalecispiega come l’ondaacusticainteragisce con la Terra per “costruire” la tracciasismica. x(t)= s(t)*e(t) + n(t) • x(t)=sismogramma • s(t)=sorgente sismica • e(t)=mezzo attraversato • n(t)=rumore random La validità di questo modello si fonda su diverse assunzioni che ne rendono più semplice la trattazione matematica: 1. Nel sottosuolo sono ipotizzate discontinuità orizzontali. 2. La sorgente utilizzata genera solo onde piane longitudinali che incidono verticalmente su ciascuna discontinuità in modo tale da non generare onde di taglio (Zero-offset: sorgente e ricevitori coincidenti).. 3. La forma dell’ondina sorgente e stazionaria, cioè non varia durante la propagazione nel sottosuolo. 4. Il rumore casuale presente nelle registrazioni è noto e trascurabile. 5. La forma d’onda della sorgente è conosciuta. 6. La riflettività terrestre è una sequenza casuale.

9. Sismogramma • x(t)=s(t)*e(t)+n(t) • dove: • s(t)=sorgente sismica • e(t)=mezzo attraversato • n(t)=rumore random • L’obiettivo dell’acquisizione/elaborazione è: • ridurre n(t) • ricostruire e(t) La traccia sismica è una serie temporale che rappresenta la registrazione della risposta del sottosuolo (riflettività terrestre) alla perturbazione indotta dalla sorgente sismica.

10. Esempio di shot gather

11. Sismica a Riflessione e a Rifrazione Una delle metodologie che meglio consente la ricostruzione del sottosuolo con un elevata accuratezza e risoluzione La sismica a riflessione multicanale risulta molto efficace nelle applicazioni geologico-strutturali in quanto fornisce una sezione del sottosuolo molto simile a una “sezione” geologica e consente, quindi, di eseguire analisi strutturali e di stratigrafia “sismica” sui riflettori. La tomografia è un metodo che permette di individuare anomalie nella velocità di propagazione delle onde sismiche. L’elevato potere risolutivo offre la possibilità di ricostruire stratigraficamente situazioni complesse.

13. La registrazione sismica è più complessa di una semplice forma d’onda sinusoidale. Vengono generate una complessa varietà di forme d’onda; Vengono generate un “mix” di frequenze ognuna delle quali ha una fase differente; La Terra è un sistema fisico complesso. - Le tecniche di riflessione non sono soggette all’assunzione di velocità crescente con la profondità. - Le tecniche di riflessione richiedono, per evidenziare una data interfaccia, sorgenti più piccole e stendimenti più corti poiché il percorso dei raggi riflessi è prevalentemente verticale. - Le tecniche di riflessione possono potenzialmente risolvere caratteristiche deposizionali superficiali e ricostruire strutture di difficile definizione con l’uso di tecniche di rifrazione.

14. RisoluzioneSismica Periodo (secondi) / Lunghezza d’onda (metri) Velocità = Frequenza * Lunghezza d’onda Ampiezza Fase: ritardo del fronte d’onda Frequenza: N° di onde in 1 secondo (Hertz) Con questo termine si intende quanto due punti, possono essere vicini e rimanere tuttavia distinti nell’immagine sismica. L’ondaacusticapuòesseredescritta in termini di: • Ampiezza: E' la misura dello scostamento massimo dalla posizione di equilibrio. • Lunghezzad’onda: Distanza tra due punti corrispondenti lungo la forma d'onda. • Frequenza: Numero di cicli che vengono compiuti dall'onda in un secondo, dove un ciclo si intende composto da una semionda positiva e una semionda negativa. • Periodo:Tempo impiegato per compiere un ciclo completo. • Fase: è la relazionetra due formed’onda • Velocità

15. Risoluzione Verticale La soglia considerata limite per una buona risoluzione verticale è λ/4. Per valori minori di λ/4, i riflettori non sono più risolvibili, in quanto, i segnali riflessi al tetto ed al letto dello strato entreranno in interferenza costruttiva simulando un unico riflettore dalla forte ampiezza. La risoluzione verticale può essere migliorata in fase di elaborazione mediante delle tecniche di deconvoluzione che, comprimendo l’ondina di base, ampliano lo spettro in frequenza del segnale

16. Risoluzione Orizzontale La Prima Zona di Fresnel è l’area dove le onde, che differiscono tra loro meno di una lunghezza d’onda, interferiscono costruttivamente. Riflettori più piccoli della prima zona di Fresnel, generano la stessa risposta.

17. Rv=λ/4 • La Risoluzione è una funzione della lunghezza d’onda • Sia la risoluzione verticale che quella orizzontale diminuiscono con la profondità: • La Frequenza diminuisce • La Velocità aumenta e quindi aumenta la lunghezza d’onda • Noi “controlliamo” il rapporto frequenza/ampiezza • Acquisizione • Parametri d’acquisizione appropriati • Geometria d’acquisizione (posizione scoppio-ricevitore). • Stendimento grande per sopprimere noise ma piccolo per preservare le alte frequenze • Caratteristiche sorgente • Processing • La Deconvoluzione aumenta la risoluzione verticale • La Migrazione aumenta la risoluzione orizzontale

18. Sistema d’acquisizione

19. Sistema di energizzazione Sistema di acquisizione Sistema di registrazione Sorgente sismica Sismografi Geofoni Ripetibile Elevata Risoluzione Tempo di energizzazione conosciuto Economica e Sicura

20. Sorgenti da impatto Martello Svantaggi Non ripetibile Faticosa Poco energetica Genera energia a bassa frequenza Vantaggi Basso costo Semplici da maneggiare e manutenere

21. Fucile sismico Vantaggi Ripetibile Energia immessa superiore al martello Genera energia a più alta frequenza Svantaggi Onde superficiali (ground roll) Sicurezza Equipaggiamento

22. Massa battente Impatto al suolo di un grave in caduta libera o accelerata, l’accelelazione può avvenire tramite spinta idraulica (hydra_pulse) o elastico Svantaggi Penetrazione non elevata Vantaggi Ripetibile; Ampio spettro di frequenze; Impatto ambientale nullo.

23. Esplosivo Svantaggi Sicurezza Acquisizione più lenta Forte impatto ambientale (permessi) Costi d’acquisizione e manutenzione Vantaggi Molto energetiche Alta frequenza Ripetibile

24. Sorgenti vibratorie

25. Vantaggi Alta Ripetibilità Alta frequenza Molto energetiche Basso impatto ambientale Svantaggi Elevati costi d’acquisizione e manutenzione

26. SENSORI SISMICI I rilevatori utilizzati di norma in prospezione sismica terrestre sono velocimetri e sono chiamati geofoni. Un geofono misura il moto del suolo traducendolo in un segnale elettrico e trasmettendolo al sismografo.

27. Il magnete interno al geofono si muove con il terreno in quanto solidale ad esso mentre la bobina, essendo sospesa alla molla, agisce come elemento inerte rispetto al suolo, questo moto relativo genera una tensione. La risposta dei geofoni ad un segnale di ingresso è espressa in termini di ampiezza. La curva ampiezza-frequenza definisce la relazione tra il fattore di trasduzione (rapporto tra la tensione misurata e la velocità di vibrazione per ogni frequenza) e la frequenza. Si osserva un picco in corrispondenza della frequenza naturale del sistema oscillante, per la quale si verificherebbe risonanza se non si ricoresse allo smorzamento (resistenze di shunt)

28. Sismografi Il segnale tradotto dal geofono viene registrato da una stazione sismica (sismografo). I segnali analogici provenienti dai geofoni (24) giungono al geode (sismografo) e qui vengono digitalizzati mediante convertitori analogico/digitali. I dati sono archiviati in un Laptop connesso via Ethernet ai Geodi.

29. Acquisizione digitale Acquisire un dato fisicamente continuo, in forma digitale o numerica, significa campionarlo ad intervalli di tempo regolari e renderlo in forma discreta rappresentandolo mediante una serie temporale. Vantaggio: possibilità di elaborare il segnale e riduzione della quantità di spazio necessaria per storarlo. Passo di campionamento (Δt): l’intervallo di campionamento deve essere tale da poter ricostruire la massima frequenza a cui si è interessati. Fn = 1/2Δt Es: Δt = 1ms, Fn = 500hz Tale frequenza, è quella massima estraibile dai dati ed è campionata due volte per ciclo. La massima frequenza utilizzabile è la metà di quella di Nyquist, corrispondente a quattro campioni per ciclo. Occorre quindi, prima di scegliere l’intervallo di campionamento, avere le idee abbastanza chiare sulla massima frequenza del segnale e quindi sulla risoluzione che si vuole ottenere dal sondaggio.

30. Variazione della Frequenza al variare del t

31. L’acquisizione dei dati necessari per la costruzione di un profilo sismico a riflessione, avviene con la disposizione dei geofoni lungo una linea il più retta possibile, questi registreranno la risposta del sottosuolo alle sollecitazioni causate dall’onda generata dalla sorgente artificiale, trasformandola in segnale digitale. L’eseguire più energizzazioni successive e l’utilizzare un alto numero di ricevitori, ci permette d’avere una copertura multipla di uno stesso riflettore profondo, ovvero di avere più riflessioni dallo stesso punto Spaziatura ricevitori: 5m; Spaziatura sorgenti: 10 m Tale schema d‘acquisizione consente di registrare sia eventi riflessi con alta copertura in un ampio intervallo di offset (riflessioni quasi verticali a piccoli offset e ad offset maggiori le riflessioni post-critiche), sia eventi rifratti in profondità, adatti per la tomografia dei primi arrivi.

32. La copertura (Fold) è definita come il numero di volte che uno stesso punto in profondità viene campionato, ciò può essere formalmente espresso come: copertura = N/2n , dove N è il numero di geofoni ed n è l’intervallo tra due posizioni della sorgente. CRG – Common Receiver gather: raccoglie le tracce registrate dallo stesso ricevitore (d). COG – Common Offset Gather: raggruppa le tracce aventi lo stesso offset (distanza sorgente-geofono) (c). CMP – Common Midpoint Gather: riunisce tutte le tracce aventi lo stesso punto medio (b). Da notare che nel caso di riflettori piani il CMP coincide con il CDP (Common Depth Point). CSG – Common Shot Gather: raccoglie tutte le tracce che sono caratterizzate dalla stessa posizione della sorgente, in altre parole è l’insieme delle registrazioni di tutti i geofoni effettuate per uno scoppio (a). In fase d’elaborazione, conoscendo la geometria d’acquisizione, sarà possibile combinare le tracce sismiche provenienti da ciascun ricevitore in maniera tale da ottenere varie configurazioni, ciascuna delle quali enfatizza aspetti diversi del database acquisito

33. Seismic Processing Dato di campagna  Sezione sismica

34. Lo scopo dell’elaborazione di dati di sismica a riflessione è il tentativo di ricostruire dalle tracce registrate la riflettività terrestre estrapolandola sulla base del modello convoluzionale. Il prodotto finale della sequenza di elaborazione convenzionale è una sezione sismica stack che contiene informazioni su struttura e stratigrafia della zona esplorata. A a partire dall’analisi di un profilo sismico, la successiva operazione di interpretazione è mirata a risalire alla presenza e posizione delle discontinuità nel terreno e possibilmente anche a delle informazioni sulle proprietà fisiche dei mezzi che compongono il terreno (ossia, in senso lato, litologia, porosità, eventuale presenza di fluidi).

35. Gli obiettivi generali dell’elaborazione sismica sono l’incremento del rapporto segnale-rumore ed il miglioramento della risoluzione sia verticale che orizzontale. Le operazioni fondamentali dell’elaborazione convenzionale dei dati sismici sono, nell’ordine usuale di applicazione: 1) Deconvoluzione; 2) Stacking; 3) Migrazione. Il volume dei dati sismici è rappresentato nelle coordinate dell’elaborazione: CMP-offset-tempo. La deconvoluzione agisce lungo l’asse del tempo e incrementa la risoluzione verticale. Lo stacking comprime il volume dei dati nella direzione dell’offset e produce il piano della sezione stack (la faccia frontale del prisma). La migrazione muove gli eventi inclinati nella loro posizione reale e collassa le diffrazioni, aumentando così la risoluzione orizzontale. (Yilmaz,1987).

36. Esempio flusso elaborazione

39. Strumentazione utilizzata N. 6 Sismografi modulari “Geode” a 24 bit a 144 canali Geofoni verticali a stringa doppia da 14 Hz Sorgente: Sistema idraulico a mazza battente auto movente (trattore agricolo) Minipulse 2800 Joule Parametri e geometria di acquisizione Distanza intergeofonica: 5 m Distanza tra shot: 10 m Intervallo di campionamento: 1 ms Finestra temporale: 2 s

45. SEQUENZA PROCESSING