Principi e considerazioni generali sul metodo sismico MASW

(Multichannel Analysis of Surface Waves)

Nelle prospezioni sismiche per le quali si utilizzano le onde di tipo P, la maggior parte dell’energia sismica totale generata si propaga come onde superficiali di tipo Rayleigh. Ipotizzando una variazione di velocità dei terreni in senso verticale, ciascuna componente in frequenza di queste onde è caratterizzata da una diversa velocità di propagazione (chiamata velocità di fase) e quindi da una diversa lunghezza d’onda. Questa proprietà si chiama dispersione. Sebbene le onde superficiali siano considerate rumore per le indagini sismiche che utilizzano le onde di volume (riflessione e rifrazione), la loro proprietà dispersiva può essere utilizzata per studiare le proprietà elastiche dei terreni superficiali.

La costruzione di un profilo verticale di velocità delle onde di taglio (Vs), ottenuto dall’analisi delle onde piane della modalità fondamentale delle onde di Rayleigh è una delle pratiche più comuni per utilizzare le proprietà dispersive delle onde superficiali.

Per ottenere un profilo verticale di velocità Vs bisogna produrre un treno d’onde superficiali a banda larga e registrarlo minimizzando il rumore. Una molteplicità di tecniche diverse sono state utilizzate nel tempo per ricavare la curva di dispersione, ciascuna con i suoi vantaggi e svantaggi.

La configurazione base di campo e la routine di acquisizione per la procedura MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves) sono generalmente le stesse utilizzate in una convenzionale indagine a rifrazione. MASW può essere efficace anche con solo dodici canali di registrazione collegati a geofoni verticali a bassa frequenza (4.5 Hz).

Le componenti a bassa frequenza (lunghezze d’onda maggiori), sono caratterizzate da  forte energia e grande capacità di penetrazione, mentre le componenti ad alta frequenza  (lunghezze d’onda corte), hanno meno energia e una penetrazione superficiale. Grazie a queste proprietà, una metodologia che utilizzi le onde superficiali può fornire informazioni sulle variazioni delle proprietà elastiche dei materiali prossimi alla superficie al variare della profondità. La velocità delle onde S (Vs) è il fattore dominante che governa le caratteristiche della dispersione.

• acquisizione dei dati sperimentali;
• estrazione della curva di dispersione;

• inversione della curva di dispersione per ottenere il profilo verticale delle Vs (profilo 1-D), che descrive la variazione di Vs con la profondità.

Una mappa bidimensionale (mappa 2-D) o tridimensionale (mappa 3-D) può essere costruita accostando e sovrapponendo più profili 1-D e/o 2D consecutivi

Principi e considerazioni generali sul metodo sismico DOWN HOLE

Le prospezioni sismiche in foro consistono nella misura in situ delle velocità di propagazione delle onde di compressione P e delle onde di taglio S. Tali grandezze sono indice delle proprietà meccaniche di rocce e terreni e consentono di caratterizzare successioni litostratigrafiche dal punto di vista geotecnica e della risposta sismica. Questo tipo di misure viene effettuato ogni qualvolta sia necessaria una dettagliata ed accurata conoscenza delle caratteristiche elastiche dei litotipi presenti nel sottosuolo ovvero quando si vuole integrare altri tipi di dati sismici (o in generale geofisici) per restringere l'insieme dei modelli del sottosuolo che costituiscono possibili risultati interpretativi. Le misure sismiche nelle perforazioni si realizzano mediante due tecniche, quella con il carotiere sonico ed i metodi dei profili sismici verticali: Cross Hole, Down Hole ed Up Hole. Il metodo dei profili sismici verticali (P.S.V.) nell'ultimo trentennio è stato perfezionato ed ha trovato una grande varietà di applicazioni nell'esplorazione degli strati più superficiali della crosta terrestre.

I vantaggi della tecnica P.S.V. rispetto alla sismica tradizionale sono notevoli. Per prima cosa, la distribuzione verticale di velocità in una piccola zona circostante al pozzo d'indagine può essere conosciuta con un alto potere risolvente; inoltre al contrario della sismica a rifrazione vengono messe bene in luce le inversioni di velocità. Il metodo Down Hole (DH) si riferisce alla misurazione del tempo di percorso delle onde P ed S nel tragitto tra la sorgente sismica, posta in superficie, e i ricevitori, posti all’interno di fori di sondaggio opportunamente predisposti. L’ancoraggio dei sensori può essere eseguito mediante sistemi pneumatici o attraverso sistemi elettrici. In entrambi i casi, bisogna essere certi che durante la registrazione dei segnali, i ricevitori siano solidali con il foro. L’acquisizione dei dati si articola in due fasi: generazione ed acquisizione delle onde di compressione P e delle onde SH, mediante la tecnica dell’inversione di fase.

L’analisi dei dati sismici provenienti da una prova Down Hole, consiste nel diagrammare i tempi di tragitto, misurati lungo il percorso sorgente-ricevitore, in funzione della profondità, determinando la velocità verticale dei litotipi incontrati nella perforazione ed i loro moduli elastici.

 Il metodo più semplice per calcolare la velocità media negli intervalli tra due posizioni geofoniche contigue è quello di presupporre che le onde viaggino quasi verticalmente e che quindi la loro velocità apparente sia dz/dt dove dz è l'incremento infinitesimo di profondità e dt il corrispondente incremento dei tempi di arrivo. Infatti il fronte d'onda ed il relativo raggio sismico non subiranno variazioni in presenza di eventuali discontinuità solo nel caso di incidenza normale, cioè quando la sorgente è molto prossima al pozzo, ed inoltre le superfici di discontinuità sono perpendicolari all'asse della perforazione stessa. In genere però la condizione di grande prossimità tra sorgente e bocca-pozzo non è mai verificata, non solo per motivi logistici ma anche per evitare che l'onda elastica si trasmetta lungo il materiale di condizionamento del pozzo provocando fenomeni di disturbo ai segnali (onde di tubo). Quindi la sorgente si colloca sempre ad una certa distanza d (non trascurabile), per cui è necessario correggere i tempi di arrivo in modo tale da ottenere i valori che si riscontrerebbero se il percorso dei raggi fosse verticale.

Principi e considerazioni generali sulle
Prospezioni Elettriche
SONDAGGIO ELETTRICO VERTICALE (S.E.V.)

L'indagine geoelettrica consiste nell'immissione di una corrente continua nel terreno tramite due elettrodi A e B (AB = dipolo di corrente o di intensità) e nel misurare la caduta di potenziale, dovuta alla resistenza del terreno al passaggio della corrente elettrica, in corrispondenza di due elettrodi M ed N (MN = dipolo di misura o di potenziale). Attraverso la determinazione della resistività del terreno, l'indagine consente di ricostruire indirettamente il profilo litostratigrafico del terreno. Gli elettrodi vengono allineati (M ed N in posizione interna, A e B esterni) e simmetricamente disposti rispetto ad un centro.
Nella configurazione Schlumberger, gli elettrodi di tensione M ed N dovranno essere mantenuti ad una distanza fissa, mentre gli elettrodi di corrente A e B dovranno essere allontanati progressivamente di una certa distanza dal centro geometrico dello stendimento.
Nella configurazione Wenner, i quattro elettrodi dovranno essere tra loro equidistanti; dopo ogni misura, l'equidistanza verrà aumentata.
Nella configurazione dipolo-dipolo gli elettrodi dovranno costituire due coppie separate (AB ed MN) che verranno reciprocamente allontanate tra loro.
Le esatte modalità di configurazione in fase di prova saranno in ogni caso preventivamente concordate con la Direzione Lavori. In caso di acqua di falda affiorante o subaffiorante, se ne preleveranno alcuni campioni per la definizione in sito della conducibilità. Prima di ogni misura dovrà inoltre essere verificato il valore della resistenza di contatto con il terreno per gli elettrodi AB; si verificherà anche l'eventuale dispersione dei cavi, misurata applicando tensione agli stessi a circuito aperto.Il valore della differenza di potenziale tra gli elettrodi MN prima della prova dovrà essere verificato e dovrà risultare pari a zero.

Principi e considerazioni generali sulle
Prospezioni Elettriche
SONDAGGIO ELETTRICO ORIZZONTALE S.E.O.

Questo tipo di indagine, che potrà essere eseguita con diverse configurazioni (Wenner, dipolodipolo o Schlumberger), abbinata all'indagine con georadar può essere utilizzata con successo nella definizione della geometria e dello spessore di strutture sepolte a piccola profondità come ad es. plinti di fondazione; questo tipo di indagine infatti è in grado di mantenere, per profondità non superiori, in questo caso, a 10 m da p.c., risoluzioni apprezzabili del variare della resistività del semispazio indagato. Le esatte modalità di configurazione in fase di prova saranno preventivamente concordati con la Direzione Lavori.
In ogni caso la tomografia elettrica potrà essere eseguita con una configurazione Wenner, dipolodipolo o Schlumberger ma dovranno essere utilizzati non meno di 48 elettrodi con un passo di misura di 1 m per una profondità di investigazione di circa 10 m. Per l'interpretazione dei risultati dovranno essere utilizzati software tipo Resixip2di e Resixi2di o similari, ad elementi finiti e con inversione del modello. Al fine di consentire un controllo della bontà dell'interpretazione, oltre alle resistività sintetiche dovranno essere restituite anche le resistività di campagna; dovrà essere riportato inoltre il fitting proprio dell'inversione del modello.