Introduzione 1. Premessa 2. Le prospezioni geoelettriche 2.1. Cenni teorici 2.2. Illustrazione della modalità di acquisizione dei dati geoelettrici 3. Il metodo sismico a rifrazione 3.1. Cenni teorici 3.2. Illustrazione della modalità di acquisizione dei dati sismici 4. Risultati delle prospezioni: note generali 4.1 Elaborazione dati geoelettrici 4.2 Elaborazione dati sismici 4.3 Risultati e commenti 1 Introduzione Come previsto dalla fase 1 del piano di lavoro, preliminarmente alle acquisizioni dei dati geofisici è stato effettuato, insieme ad un gruppo di ricercatori coinvolti nel progetto OTRIONS, un sopralluogo nei siti prescelti dal committente per reperire tutte le informazioni di tipo logistico necessarie per la realizzazione di tutte le attività previste dal progetto (servizi di cui alle lettere A e C della lettera d’invito), stabilendo anche i contatti con enti o persone che debbano autorizzare l’installazione della stazione sismica in ciascun sito. Nella figura 1 è riportata l’ubicazione dei siti e l’indicazione sintetica dello stato di avanzamento delle attività di rilevazione geofisica indicate nelle fasi 1 e 2 del piano di lavoro. Figura 1. Mappa dell’area interessata dalla realizzazione della rete sismica OTRIONS. L’indicazione dell’ubicazione dei 12 siti prescelti è accompagnata anche dalla sigla utilizzata nel seguito per identificarli univocamente in ogni documentazione sia scritta che online sul sito web. 2 PROSPEZIONI GEOFISICHE 1. Premessa Per lo studio dell’area interessata dalla realizzazione della rete sismica per l’attuazione del Progetto ‘OTRIONS – Multi-parametric Network for the Study and Monitoring of Natural Hazards in the Otranto Channel and the Ionian Sea - Committente: Dipartimento di Scienze della Terra e Geoambientali, Università degli Studi di Bari - è stata condotta la presente campagna di indagini geofisiche. Al fine di ottenere informazioni stratigrafiche a complemento degli studi geologico/strutturali che verranno condotti dal Prof. Domenico Liotta, in ciascuno dei 12 geositi individuati dal committente, si è proceduto con: - esecuzione di n. 1 prospezione geoelettrica con tecnica ERT (Electrical Resistivity Tomography); - esecuzione di n. 1 prospezione sismica a rifrazione con interpretazione tomografica dei dati di velocità sismica in onda P; - esecuzione di n. 1 prospezione sismica con tecnica MASW (Multi-channel Analysis of Surface Waves); - stima delle Vs30. 2. Le prospezioni geoelettriche 2.1. Cenni teorici La prospezione geoelettrica è un’indagine indiretta, finalizzata alla definizione della resistività elettrica nel sottosuolo. E’ una tecnica attiva che consiste nell’immettere una corrente continua nel terreno per mezzo di due elettrodi in acciaio, detti “elettrodi di corrente” (C1-C2), e nel misurare la differenza di potenziale (d.d.p.), mediante altri due elettrodi detti “elettrodi di tensione” (P1-P2). In superficie si determina la resistività apparente ρa che è calcolata dalle misure di intensità di corrente I immessa nel terreno e dalla differenza di potenziale ΔV misurata attraverso gli elettrodi di potenziale. La relazione generale è: ρa = k ΔV / I dove k è il cosiddetto fattore geometrico dipendente dalla configurazione utilizzata, cioè dalle distanze e posizioni reciproche dei 4 elettrodi (quadrupolo). Vi sono configurazioni di misura (dispositivi) standard, cioè con geometrie fisse del quadrupolo. Al variare del dispositivo, si ottiene una diversa risoluzione delle discontinuità presenti nel sottosuolo, come pure varia la profondità di investigazione a parità di lunghezza del profilo. La geoelettrica effettuata con misure multiple lungo uno stesso profilo è denominata tomografia geoelettrica (ERT) o geoelectrical profiling. La resistività elettrica L’attitudine di un materiale all’attraversamento di una corrente elettrica dipende da parametri petrofisici quali la struttura, la tessitura, la temperatura, il contenuto d’acqua e la composizione chimica dei fluidi presenti. Di conseguenza i valori di resistività associati ai tipi di roccia più comuni variano all’interno di 3 intervalli più o meno ampi (immagine). Per indagini superficiali, il range di valori di resistività si attesta generalmente intorno a 1-1000 ohm.m. La sensibilità di questo parametro nei confronti di fattori di natura fisica e chimica caratterizzanti un corpo roccioso, hanno reso le prospezioni geoelettriche ampiamente diffuse per gli studi di orizzonti stratigrafici, per la caratterizzazione geometrica di discontinuità naturali o artificiali e per la ricerca dei fluidi. 2.2. Illustrazione della modalità di acquisizione dei dati geoelettrici La strumentazione utilizzata per l’acquisizione delle misure geoelettriche, SYSCAL R2 della Iris Instruments (Foto 1), è costituita: - - un georesistivimetro costituito da generatore a 220 V con ranges da50V e corrente in uscita di 1.5 A max a 800 V – 1.5 A max e da un converter 1200 Watt AC/DC; un dispositivo di acquisizione dati con sistema multi elettrodo con risoluzione di 10 µA della corrente in uscita e accuratezza standard del 3%; controllo delle pulsazioni da 0.25,0.5,1 o 2 s; risoluzione di 1 µV della tensione e accuratezza standard del 3%; 48 elettrodi in acciaio. Nella maggior parte dei 12 profili, i 48 elettrodi utilizzati sono stati spaziati di 5 m per una lunghezza complessiva di 235 m. In alcuni siti, a causa di problemi logistici sono state effettuate le misure con spaziatura interelettrodica inferiore a 5 m. Per ciascun profilo di ogni singolo sito sono state effettuate acquisizioni con due diverse configurazioni elettrodiche (Figura 2), Dipolo-Dipolo (DD) e WennerSchlumberger (WS). A parità di lunghezza del profilo la configurazione WS consente una maggiore profondità di penetrazione. La configurazione DD ha maggiore risoluzione orizzontale e quindi ritenuta la più adatta per evidenziare le discontinuità laterali di resistività, mentre il WS è preferibile per l’identificazione delle discontinuità verticali. I data set relativi alla configurazione WS sono costituiti da 549 misure, mentre quelli relativi al DD da 779 misure. Inoltre, per ciascun profilo, è stata effettuata la georeferenziazione dei dati. Foto 1. Strumentazione utilizzata per le indagini geoelettriche. 4 Figura 2. Rappresentazione schematica delle geometrie dei 2 dispositivi utilizzati; per ciascuno è riportato anche il calcolo del fattore geometrico k. 3. Il metodo sismico a rifrazione 3.1. Cenni teorici La prospezione sismica a rifrazione è un’indagine finalizzata alla determinazione diretta della velocità di propagazione delle onde di compressione (P) e di taglio (S) e della determinazione indiretta di alcune proprietà meccaniche del sottosuolo. Le onde elastiche vengono generate artificialmente (mazza battente, esplosivo ecc.) in un punto in superficie (punto sorgente) e si propagano nel sottosuolo sino a raggiungere, secondo la Legge di Snell, il sistema di ricezione composto da geofoni disposti in serie e ad una distanza fissa tra loro lungo un profilo sulla superficie terrestre. Un cronografo registra l’istante d’inizio della perturbazione elastica e i tempi di primo arrivo dell’onda ai geofoni. La profondità di indagine dipende dalla lunghezza dello stendi mento dei geofoni. Il metodo della tomografia sismica consente di ottenere l’imaging delle strutture di velocità attraverso la modellazione della propagazione dell’energia sismica associata ai primi arrivi delle onde di compressione, con un alto potere risolutivo. L’indagine sismica di tipo MASW (multichannel analysis of surface waves) è una tecnica di analisi del sottosuolo che sfrutta la propagazione delle onde superficiali nel terreno per determinare l’andamento della velocità delle onde S. L’analisi delle onde S mediante tecnica MASW viene eseguita attraverso la trattazione spettrale del sismogramma, cioè a seguito di una trasformata di Fourier, che restituisce lo spettro del segnale. In questo dominio, detto dominio trasformato, il segnale relativo alle onde S viene separato dagli altri tipi di segnale. Dall’osservazione dello spettro si nota che l’onda S si propaga a velocità variabile in funzione della frequenza dell’onda stessa: questo fenomeno è detto dispersione, ed è caratteristico di questo tipo di onde. La curva di dispersione, che associa ad ogni frequenza la velocità di propagazione dell’onda, è facilmente estraibile dallo spettro del segnale poiché essa è approssimativamente individuata dai massimi del valore assoluto dello spettro. Mediante un processo di inversione, questa curva sperimentale viene confrontata con quella relativa ad un modello sintetico che viene successivamente alterato in base alle differenze riscontrate tra le due curve, fino ad ottenere un modello la cui curva di dispersione approssima quella sperimentale. Velocità di propagazione delle onde elastiche La velocità di propagazione delle onde elastiche in un mezzo materiale dipende dalle proprietà dinamiche ed inerziali del mezzo. Nel suolo essa è compresa tra larghi limiti; per lo stesso tipo di roccia essa diminuisce 5 col grado di alterazione, di fessurazione e/o di fratturazione; aumenta per contro con la profondità e l'età geologica. Sensibili differenze si possono avere, in rocce stratificate, tra le velocità rilevate lungo i piani di strato e quelle rilevate perpendicolarmente a questi. La velocità delle onde compressionali, diversamente da quelle trasversali che non si trasmettono nell’acqua, è fortemente influenzata dalla presenza della falda acquifera e dal grado di saturazione. 3.2. Illustrazione della modalità di acquisizione dei dati sismici Per le indagini è stata utilizzata la seguente strumentazione (Foto 2): - Sistema di acquisizione A/D ES-3000 della GEOMETRICS Instruments; geofoni a 14 Hz; geofoni a 4,5 Hz; massa battente di 5 Kg e piastra in acciaio; Per la maggior parte dei siti è stata adottata una distanza intergeofonica (offset) di 3 metri ed è stato operato un “roll along” dello stendimento per acquisire da 24 posizioni dei geofoni. La sorgente è stata posizionata in 5 diverse posizioni e per ogni punto sorgente sono stati eseguiti 3 scoppi. La base sismica risulta essere di 78 m. Lo schema è presentato in Figura 3. Figura 3: schema di acquisizione indagini sismiche. Foto 2. Strumentazione utilizzata per le indagini sismiche. 6 4. Risultati delle prospezioni: note generali Nel seguito sono riportati per ciascun sito i risultati ottenuti dalle prospezioni realizzate. Le misure sono state effettuate in modo tale che il punto centrale del profilo geoelettrico fosse coincidente con il punto centrale del profilo sismico. Tale punto è riportato per ogni sito sotto la voce ‘coordinate’ ed è riferito al Sistema Gauss-Boaga, Datum Roma 1940. Nelle immagini che riportano l’ubicazione dei profili, le diciture ERT1 e ERT48 fanno rispettivamente riferimento alla posizione del primo e dell’ultimo elettrodo; le diciture SIS1 e SIS24 fanno rispettivamente riferimento alla posizione del primo e dell’ultimo geofono. I modelli ottenuti e presentati sono comprensivi del dato topografico. 4.1 Elaborazione dati geoelettrici Dopo l’acquisizione dei dati sono state eseguite le seguenti operazioni: - inserimento della topografia nel dataset di misure; - editing per la rimozione dei dati affetti da errore superiore al 20%; - inversione dei dati mediante l’utilizzo del programma RES2Dinv della GEOTOMO Software. Per ciascun profilo è stata effettuata sia l’inversione ai minimi quadrati che quella robusta per verificare la stabilità della soluzione. 4.2 Elaborazione dati sismici Dopo l’acquisizione dei dati sono state eseguite le seguenti operazioni: - picking automatico e manuale per la determinazione dei primi arrivi; - calcolo delle velocità e profondità per ciascun sismo strato individuato; - inversione tomografica WET (Wavepath Eikonal Traveltime); - determinazione dello spettro di velocità; - identificazione delle curve di dispersione; ricostruzione del profilo di velocità delle onde di taglio Vs. 7