Cap. 5

1. Cap. 5 CENNI SUI METODI GEOELETTRICI PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

2. GENERALITA’ • I metodi geoelettrici vengono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni. • Alcuni di essi sono consolidati da tempo, altri invece vengono continuamente proposti a causa di nuovi problemi da affrontare e alla disponibilità di nuove tecnologie strumentali e di calcolo. PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

3. L'esistenza di una gran varietà di metodi geoelettrici comporta una difficoltà nella loro classificazione e descrizione. • Semplicemente essi possono essere raggruppati in due categorie: • a) quelli in cui la corrente viene applicata al terreno (resistività; polarizzazione indotta; del potenziale;…) • b) quelli che utilizzano sorgenti naturali di energia (potenziali spontanei o naturali). PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

4. Una caratteristica favorevole dei metodi geoelettrici risiede nella capacità di risolvere stratificazioni orizzontali. In queste situazioni infatti altri metodi, come la magnetometria e la gravimetria, non forniscono indicazioni soddisfacenti. • Molto utilizzati sono i metodi geoelettrici in pozzo. Infatti il "carotaggio" elettrico fornisce indicazioni puntuali sull'andamento dei potenziali elettrici (naturali o artificiali) e/o resistività del mezzo. PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

5. Nei metodi elettrici di resistività, una corrente continua, o a bassa frequenza, viene immessa nel terreno e quindi viene misurata la differenza di potenziale tra due punti sulla superficie del terreno. • Le variazioni della resistenza al passaggio della corrente, alle diverse profondità, provocano chiare variazioni nelle misure della differenza di potenziale. Questo fenomeno fornisce indicazioni sulle strutture sepolte e sulla natura dei materiali. PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

6. Quando la corrente immessa nel terreno viene interrotta, la d.d.p. tra i due punti di misura non scompare immediatamente. • Si osserva invece un piccolo potenziale residuo che decresce lentamente. Lo stesso fenomeno avviene quando la corrente viene di nuovo immessa. • Ciò suggerisce che il flusso di corrente polarizza elettricamente il terreno. • Le caratteristiche di questa polarizzazione "indotta" possono fornire altre informazioni sulle caratteristiche del sottosuolo. PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

7. La natura dei corpi nel sottosuolo, in condizioni particolari, determinano l’insorgenza di correnti elettrolitiche naturali che possono essere osservate anche in superficie attraverso la distribuzione del potenziale “naturale”. • Con il termine di “potenziali artificiali” si indicano convenzionalmente i disturbi di origine industriale, ferroviario o di altra natura che non sono specificatamente prodotti per la prospezione ma che interferiscono (più o meno significativamente) con il rilievo geofisico. PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

8. PROPRIETA' ELETTRICHE DELLE ROCCE • La grande varietà dei metodi geoelettrici è in parte dovuta alla eterogeneità dei parametri elettrici delle rocce. • Tra questi troviamo: PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

9. - la resistività che rappresenta la resistenza spaziale al passaggio di una corrente elettrica. Viene determinata con strumenti in corrente continua o con strumenti elettromagnetici a bassa frequenza. • - la polarizzabilitàche esprime la capacità delle rocce ad accumulare cariche al contatto tra le fasi solide e fluide. Viene determinata con strumenti che possono operare nel dominio del tempo e/o della frequenza. • - la costante dielettrica che rappresenta la capacità di un mezzo di amplificare o attenuare un campo elettrico per polarizzazione (orientamento ordinato delle cariche). Diventa significativa e utilizzabile solo alle alte frequenze PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

10. LEGGE DI OHM E RESISTIVITA' ELETTRICA Parametro fondamentale nei metodi geoelettrici, la resistivitàè definita (Fig. 2.1): • oppure scritta nella forma • Dalla Legge di Ohm: • e quindi: dove: E = Campo elettrico (volt/m) J = densità di corrente (amp/m) PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

11. Dimensionalmente si ha: • ne risulta: • ovvero: (Ω.m); (Ω.cm); (Ω.ft) • Nella soluzione di problemi teorici a volte risulta più conveniente utilizzare la conducibilità: (mhos/m); (S/m); (mS/m) PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

12. La conduzione della corrente nella maggior parte delle rocce è di tipo elettrolitico; la maggior parte dei granuli minerali (eccetto quelli metallici e argillosi) è isolante quindi la conduzione avviene attraverso l’acqua interstiziale presente nei pori che contiene una grande quantità di ioni e fa aumentare la conducibilità. PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

13. Generalmente le rocce cristalline sono caratterizzate da una bassa conducibilità, ma alcuni processi chimico-fisici (quali ad esempio la dissoluzione, la presenza di faglie e di fratture e la degradazione) possono intervenire aumentando la porosità e la permeabilità e conseguentemente facendo diminuire la resistività. • In senso opposto, fenomeni quali la precipitazione del carbonato di calcio o dei silicati può portare ad una riduzione di porosità e a un aumento di resistività. PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

14. La resistività è quindi un parametro estremamente variabile e dipende da numerosi fattori: permeabilità, porosità, presenza di fluidi e loro composizione, contenuto ionico. • Essa non varia solamente da una formazione geologica ad un’altra (ovvero con la litologia), ma anche all’interno della formazione stessa. • Non ha senso parlare di resistività di un materiale in termini assoluti bensì in termini di confronto e variabilità tra termini della stessa formazione o termini di formazioni diverse. PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

15. Per quanto riguarda i geomateriali, si assiste ad un aumento di resistività passando da argille e scisti a sabbie e ghiaia, fino ad arrivare ai calcari e alle rocce cristalline. • Possiamo concludere dicendo che la resistività è un parametro estremamente variabile, non solo da formazione a formazione, ma anche all’interno di esse, non esiste una correlazione precisa tra litologia e resistività (Vd. Tab. 2.1). PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

16. I METODI DELLA RESISTIVITA’ • Consideriamo uno strato conduttivo semi-infinito di resistività uniforme delimitato dalla superficie terrestre e inviamo una corrente di intensità attraverso due punti C1e C2 (+I dal C1 e –I da C2) (Fig 2.2). PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

17. La corrente si distribuirà radialmente dal punto dove viene emessa, in maniera uniforme, generando delle “strutture” emisferiche; ad una distanza r dalla sorgente, la struttura emisferica avrà una superficie pari a 2r2 , quindi la densità di corrente, J, sarà data da: J = I/2r2 • Il potenziale ad una distanzar può essere ottenuto tramite la seguente equazione che permette il calcolo della distribuzione del potenziale in un mezzo conduttivo seminfinito: Vr = I/2r PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

18. Allo stesso modo, la differenza di potenziale tra due punti P1 e P2 , generata dalla corrente +I alla sorgente (punto di ingresso C1), è data da: V = I/2(1/ C1 P1 – 1/C1 P2) Analogamente la differenza di potenziale tra i punti P1 e P2 generata dalla corrente –I al punto di uscita C2 , è data da: V = - I/2(1/ C2 P1 – 1/C2 P2) Dalla somma delle due espressioni precedenti si ottiene la differenza di potenziale totale: V = I/2(1/ C1 P1 – 1/C1 P2 - 1/ C2 P1 + 1/C2 P2) PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

19. V = I/2(1/ C1 P1 – 1/C1 P2 - 1/ C2 P1 + 1/C2 P2) • riordinata e abbreviata, fornisce il valore della resistività come: ρ= 2V/I 1/(G) • dove (G) è l’espressione racchiusa tra parentesi. In particolare, il fattore 2/(G) rappresenta il fattore geometrico di una configurazione di elettrodi mentre V/I rappresenta il fattore elettrico derivato dalle misure di corrente e relativa differenza di potenziale. • Questa equazione consente di calcolare la resistività vera del terreno nel caso che quest’ultimo sia omogeneo; il valore così ottenuto risulta costante e indipendente dalla configurazione degli elettrodi e della loro disposizione sul terreno. PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

20. Se il terreno non presenta caratteristiche di omogeneità, variando la posizione degli elettrodi e la loro geometria si troveranno valori diversi di resistività: il valore di  ottenuto in questo modo è definito resistività apparente a . PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

21. CONFIGURAZIONE DEGLI ELETTRODI • Nelle operazioni di misura, gli elettrodi possono essere disposti secondo diverse configurazioni; per ciascuna di esse l’equazione della resistività apparente viene adattata inserendo il fattore geometrico (G) più appropriato. Gli arraypiù utilizzati sono riportati in Fig. 2.3. PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

22. MISURE GEOELETTRICHE STRUMENTAZIONE PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

23. PROCEDURE DI MISURA • Vengono utilizzate due procedure di misura distinte per individuare le variazioni di resistività nel terreno: esse sono conosciute con il nome di : • sondaggi elettrici verticali • profili elettrici. PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

24. SEV (sondaggio elettrico verticale) SEO (sondaggio o profilo elettrico orizzontale) PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

25. I sondaggi elettrici verticali (SEV) sono rivolti all’individuazione di variazioni verticali nella distribuzione della resistività nel sottosuolo. Questa tecnica si basa sul fatto che la corrente penetra sempre più in profondità man mano che viene aumentata la distanza tra gli elettrodi di corrente dando quindi informazioni sulle variazioni di resistività con la profondità (Fig. 2.4). • La profondità di penetrazione della corrente in una regione stratificata del sottosuolo dipende da diversi fattori, tra cui la potenza della sorgente, il contrasto di resistività tra lo strato superficiale ed il substrato e il grado di anisotropia elettrica degli strati intermedi. PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

26. Se gli strati o le discontinuità sono verticalizzate viene utilizzata la tecnica dei profili elettrici, che indaga le variazioni laterali di resistività entro determinate profondità (Fig. 2.5). PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

27. Le indagini di resistività vengono effettuate con un semplice equipaggiamento che consiste in una batteria ad alta tensione che produce corrente (continua o alternata a bassa frequenza), quattro picchetti metallici, un amperometro, un millivoltmetro e quattro bobine di cavo isolante. • Il lavoro è reso particolarmente laborioso dalla necessità di spostare gli elettrodi sul terreno con i relativi cavi. • Gli elettrodi possono essere disposti sul terreno secondo differenti configurazioni in modo da ottenere informazioni più specifiche in relazione al tipo di investigazione richiesta. PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

28. INTERPRETAZIONE DEI DATI DI RESISTIVITA’ • I dati ottenuti possono essere rappresentati attraverso profili o mappe. • Nel caso dei sondaggi elettrici verticali i risultati vengono presentati attraverso una serie di grafici (curve di resistività apparente) che esprimono la variazione di a all’aumentare della distanza tra gli elettrodi : tali curve rappresentano la variazione della resistività con la profondità. PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

29. Nei profili elettrici, caratterizzati da una spaziatura costante tra gli elettrodi, la presentazione dei dati viene effettuata attraverso grafici che mostrano la variazione della resistività lungo le linee trasversali, o mediante una contour map che indica le linee di uguale resistività. • Tale mappa esprime la variazione di resistività laterale nel terreno in un range di profondità raggiungibile mediante una determinata spaziatura elettrodica. PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

30. In ogni caso, l’interpretazione quantitativa dei dati di resistività per una struttura multistrato non è un’operazione semplice e non sempre si giunge ad un’unica soluzione. • Nell’interpretazione dei dati ottenuti dai sondaggi elettrici verticali su strati orizzontali gioca un ruolo importante la tecnica di curve-matching. PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

31. Il metodo consiste nel confrontare la curva sperimentale di a con una serie di curve master calcolate teoricamente (vd Fig.). • - i parametri dello strato vengono variati finché la curva teorica calcolata coincide con quella sperimentale (forward modeling). PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

32. Esempio di sezione desunta da profili Esempio di sezione desunta da sondaggi PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

33. La mappa di resistività apparente è espressione della variazione laterale di resistività nel suolo nel range di penetrazione in profondità ottenibile con la spaziatura degli elettrodi scelta. PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

34. CENNI SUI POTENZIALI NATURALI • I campi geoelettrici naturali vengono denominati potenziali spontanei. • Essi, o meglio la loro distribuzione alla superficie del terreno, possono fornire indicazioni sulle inomogeneità presenti nel sottosuolo. PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

35. I potenziali spontanei sono originati da processi elettrochimici che avvengono quando corpi mineralizzati o metalli sepolti vengono a contatto con rocce, acque sotterranee o fluidi distribuiti nelle porosità (Fig. 2.12). • In queste condizioni insorgono riduzioni e ossidazioni basate su contatti statici che vengono chiamati “potenziali redox”. • Essi sono normalmente > 30 mV e possono raggiungere valori > 2000 mV. PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

36. Un altro tipo di potenziale spontaneo si origina in presenza di movimenti rapidi di acque o fluidi nel terreno o nelle rocce. • Essi vengono chiamati potenziali di flusso ( o elettrocinetici). Questo tipo di potenziale è contenuto (< 10 mV) e difficile da distinguere da componenti telluriche o di potenziali artificiali generati da attività industriale. PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

37. Strumentazione: • Coppia di elettrodi non-polarizzabili (elettrodi metallici immersi in soluzione di un loro sale > ad es. Cu in CuSO4 < contenuta in vaso poroso a contatto col terreno) • Cavo isolato • Millivoltmetro PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

38. Configurazioni per l’acquisizione dati • Dipolare: due elettrodi a distanza costante, spostati in modo da occupare col secondo la posizione precedentemente occupata dal primo • Base fissa: un elettrodo di riferimento fisso (-) e un elettrodo di misura mobile (+) PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

39. Un vantaggio dei metodi di potenziali naturali risiede nella loro semplicità di esecuzione. Infatti solo il potenziale deve essere misurato con una certa accuratezza. • L’esame dei dati si avvale di rappresentazioni per profili o nella loro composizione in mappe di isopotenziali (Fig. 2.13). PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)

40. F I N E PRECORSO (Sistemi acquiferi in area costiera: indagini geofisiche)