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PROSPEZIONE SISMICA A RIFRAZIONE IN ONDE P o S

Si tratta di una tecnica di prospezione geofisica molto usata in geologia applicata. Fa parte dei metodi attivi di prospezione in quanto prevede l’iniezione di campi di energia elastica nel terreno, e la misura di come esso risponde a tali sollecitazioni. Le prospezioni sismiche consistono nella misura dei tempi dei primi arrivi delle onde sismiche generate in un punto in superficie, in corrispondenza di una molteplicità di punti disposti allineati sulla superficie topografica, ove sono infissi dei sensori idonei (geofoni).

STRUMENTAZIONE:

  • un sismografo modulare a 24 canali implementabili fino a 256,
  • geofoni verticali o orizzontali da 10 Hz o da 4,5 Hz,
  • mazza battente da 10 Kg su piastra in ferro alluminio o fucile sismico con cartucce industriali da 8 kN

Si tralasciano questioni prettamente teoriche sui concetti di rifrazione

In presenza di morfologie complesse degli orizzonti geofisici è utilizzabile il metodo del reciproco generalizzato (G.R.M., di R. Palmer) che consente di ricostruire rifrattori ondulati a qualunque profondità, utilizzando sempre la geometria dei profili coniugati.

Gli aspetti di base dell’elaborazione sono:

  • Il calcolo della funzione analisi-velocità, dalla quale si ottiene la velocità del rifrattore.
  • Il calcolo della funzione tempo-profondità, che è una misura della profondità del rifrattore, espressa in unità di tempo

geofono verticale 4,5 Hz

L’analisi sismica si basa sulla determinazione del tempo di tragitto delle onde sismiche tra due geofoni separati da una distanza variabile XY che entra nel calcolo della velocità di propagazione delle onde nel rifrattore e della sezione tempo – profondità.

Il problema consiste nel calcolare con precisione la distanza XY ottimale per la quale i segmenti dei raggi che viaggiano verso l’alto e arrivano a ciascun geofono, emergano quasi dallo stesso punto del riflettore. Ciò permette di valutare tutte le eventuali variazioni laterali di velocità del rifrattore, e quindi di ricostruire anche morfologie complesse.

Oppure metodi di Inversione Tomografica

Questo tipo di indagine permette:

  • la ricostruzione di orizzonti stratigrafici
  • l’individuazione di superfici di discontinuità (frattura o faglie)
  • l’individuazione di superfici di scivolamento (aree in frana)

INVERSIONE TOMOGRAFICA

La tomografia sismica, per raggi diretti, è una tecnica d’indagine che permette l’individuazione di anomalie nella velocità di propagazione delle onde sismiche con un potere risolutivo nettamente superiore ad altri metodi, offrendo la possibilità della ricostruzione, con elevato grado di qualità, di anomalie stratigrafiche, anche particolarmente complesse non risolvibili con differenti tecniche d’indagine.

Per le procedure di realizzazione di immagini tomografiche è necessario utilizzare un maggior numero di sorgenti di energizzazione e di punti di ricezione delle onde sismiche, che permettano una distribuzione dei raggi sismici omogenea e con una densità che viene predefinita in funzione del “target” da raggiungere.

Le tecniche operative possono essere molto diverse, si può infatti operare:

  • a livello del piano di campagna disponendo i ricevitori (geofoni e idrofoni) ed i trasmettitori (punti di scoppio) su linee parallele;
  • utilizzando due fori, residui di sondaggi geognostici, (tomografia cross-hole), dove previo opportuno condizionamento si alloggiano i ricevitori ed i trasmettitori;
  • utilizzando un solo foro (sondaggio sismico tomografico), in cui sono alloggiati i ricevitori, eseguendo una serie di tiri a distanze crescenti dall’imboccatura del foro stesso.

Per il trattamento dei dati per la ricostruzione tomografica dell’immagine si utilizza una suddivisione dell’area di studio in celle elementari, calcolando per ciascuna di queste un valore di velocità congruente con il tempo di tragitto medio relativo ai percorsi dei raggi sismici che le attraversano; la presentazione delle elaborazioni eseguite dà come risultato una mappa della distribuzione delle velocità sismiche in una sezione piana contenente le sorgenti ed i geofoni.

Un’illustrazione del metodo sismico sintetica ma di grande chiarezza espositiva è riportata nel seguente passaggio:

“Le classiche prospezioni sismiche si basano sul concetto che le onde acustiche si propagano nei diversi mezzi con velocità differenti. Generando tali onde in un punto (detto di scoppio) e osservando i loro tempi di arrivo in altri punti predeterminati (detti di registrazione), è possibile ricostruire la distribuzione di velocità e con questa definire dal punto di vista elastico le aree oggetto di studio e individuare anomalie o corpi anomali. L’applicazione della tecnica tomografica alle misure sismiche permette poi di ricostruire l’andamento di tale caratteristica fisica all’interno di una porzione di spazio non accessibile direttamente e di ottenere come risultati, immagini che visualizzano le non omogeneità incontrate nel mezzo.

Esempio di sezione tomografia in applicazione ingegneristica

Esempio di sezione tomografica in ambito geologico

Metodologia M.A.S.W. (Multichannel Analysis of Surface Waves)

L’utilizzo di questa tecnica di indagine geotecnica-sismica è cresciuto notevolmente negli ultimi anni. L’impiego della metodologia MASW sopperisce all’esigenza di avere a disposizione una tecnica relativamente semplice da usare, che sia adeguatamente accurata e risolva alcune delle problematiche insite nelle tecniche di indagine alternative. Con questa tecnica studiata ad hoc, si identificano le caratteristiche dinamiche dei suoli, il profilo di velocità delle onde di taglio Vs, al fine di progettare e/o prevedere il comportamento delle opere soggette ad azioni dinamiche (sisma, vento, vibrazioni,esplosioni,etc.).

 Lo scopo dell’ indagine MASW è quello di determinare le Vs30 per definire la classificazione sismica del suolo per il calcolo dell’azione sismica di progetto in ottemperanza alle normativa sismica in vigore.

l metodo MASW è una tecnica di indagine non invasiva che consente la definizione del profilo di velocità delle onde di taglio verticali Vs, basandosi sulla misura delle onde superficiali fatta in corrispondenza di diversi sensori posti sulla superficie del suolo. Il contributo predominante alle onde superficiali è dato dalle onde di Rayleigh, che si trasmettono con una velocità correlata alla rigidezza della porzione di terreno interessata dalla propagazione delle onde. In un mezzo stratificato le onde di Rayleigh sono dispersive, cioè onde con diverse lunghezze d’onda si propagano con diverse velocità di fase e velocità di gruppo o detto in maniera equivalente la velocità di fase (o di gruppo) apparente delle onde di Rayleigh dipende dalla frequenza di propagazione, cioè sono onde la cui velocità dipende dalla frequenza.

Il metodo MASW utilizzato è di tipo attivo in quanto le onde superficiali sono generate sulla superficie del suolo (tramite energizzazione con mazza battente in asse con l’array) e misurate da uno stendimento lineare di sensori. Il metodo attivo consente di ottenere una velocità di fase (curva di dispersione) sperimentale apparente nel range di frequenze compreso tra 5-10 Hz e 70-100 Hz, quindi fornisce informazioni sulla parte più superficiale del suolo (generalmente compresa nei primi 30-50 m), in funzione della rigidezza del suolo e delle caratteristiche della sorgente.

Configurazione MASW

I fondamenti teorici del metodo MASW fanno riferimento ad un semispazio stratificato con strati paralleli ed orizzontali , quindi una limitazione alla sua applicabilità potrebbe essere rappresentata dalla presenza di pendenze significative superiori a 20°, sia della topografia sia delle diverse discontinuità elastiche.

La metodologia usata consiste in tre fasi:

  • Calcolo della curva di dispersione sperimentale dal campo di moto acquisito nel dominio spazio-tempo lungo lo stendimento, energizzando di norma alternativamente ai due estremi dell’array;
  • Calcolo della curva di dispersione apparente numerica mediante il metodo di ROMA (2001);
  • Calcolo della curva di dispersione effettiva numerica mediante il metodo Lai-Rix (1998);
  • Individuazione del profilo di velocità delle onde di taglio verticali VSV mediante la modifica opportuna dello spessore h, delle velocità delle onde VS e VP (o in alternativa del coefficiente di Poisson), della densità di massa degli strati che costituiscono il sottosuolo, fino a raggiungere un “fitting” ottimale tra la curva di dispersione sperimentale e quella numerica corrispondente al modello di suolo assegnato; l’affidabilità del profilo di velocità VS trovato mediante il processo di inversione è valutata tramite la definizione dell’errore relativo tra le due curve.

Curva di dispersione

METODOLOGIA Re.Mi, (Refraction Microtremors)

La tecnica di analisi del sottosuolo mediante l’uso dei microtremori prende origine dagli studi e dalle sperimentazioni condotte da J.Louie presso la Nevada University. Il software commerciale (ReMi®) in uso, che supporta questo tipo di elaborazione, è stato prodotto dalla Optim LLC (Reno, Nevada, USA). L’analisi dei microtremori viene effettuata utilizzando la strumentazione classica per la prospezione sismica a rifrazione (a geofono singolo) disposta sul terreno con array lineare, da 12 a 48 geofoni; per ottenere una buona risoluzione in termine di frequenza, oltre ad utilizzare geofoni con bassa frequenza di risonanza (4-14 Hz raccomandati), è indispensabile allungare il tempo di registrazione (15-30s) rispetto alla sismica a rifrazione tradizionale. L’uso di un simografo digitale con elevata dinamica consente di dimezzare la frequenza utile campionabile rispetto a quella nominale dei geofoni impiegati. Si possono così registrare onde di superficie il cui contenuto in frequenza copre un range da 25-30Hz fino a 2 Hz che, in condizioni ottimali, offre una dettagliata ricostruzione dell’andamento delle Vs relativamente ai primi cento metri di profondità. L’elaborazione del segnale consiste nell’operare una trasformata bidimensionale “slowness-frequency”(p-f) che analizza l’energia di propagazione del rumore in entrambe le direzioni della linea sismica e nel rappresentarne lo spettro di potenza su un grafico p-f.

Nell’immagine che segue risaltano gli andamenti che possiedono sia una spiccata coerenza di fase che una potenza significativa, ed è possibile un riconoscimento visivo delle onde di Rayleigh, che hanno carattere dispersivo, da quelle riconducibili ad altri modi e tipi di onde (onde di Rayleigh di ordine superiore, onde di pressione, suono e rumore incoerente). A questo punto l’operatore, in maniera arbitraria ed in base all’esperienza, esegue un “picking” attribuendo ad un certo numero di punti una o più slowness (po 1/velocità di fase) per alcune frequenze. Tali valori vengono in seguito plottati su un diagramma periodo-velocità di fase per l’analisi della curva di dispersione e l’ottimizzazione di un modello diretto.

Registrazione e picking della curva di dispersione

CENNI  METODOLOGIE ESAC, SPAC, f-k (Del Moro G., 2012)

Si tratta sostanzialmente di metodi  di sismica passiva che derivano dalla generalizzazione del metodo ReMi e forniscono informazioni sui livelli più profondi in quanto sensibili alle frequenza basse.

SPAC (Spatial Autocorrelation): in questo metodo si devono effettuare acquisizioni tramite array circolari; è una matodlogia poco utilizzata in quanto richiede innanzitutto grandi spazi (basti pensare ad array circolare con diametro non inferiore a 50 m)

ESAC (Extended Spatial Autocorrelation): In questo metodo i geofoni possono essere disposti secondo una geometria bidimensionale qualsiasi

f-K: trattasi di una variante del metodo ESAC da cui differisce in primis per la metodologia di elaborazione del segnale.

METODOLOGIA HVSR (RAPPORTI SPETTRALI)

Tale tecnica costituisce una parte importante nella valutazione del rischio sismico di un determinato sito perché permette di calcolarne la frequenza fondamentale o frequenza di risonanza.

La frequenza caratteristica di risonanza di un sito rappresenta un parametro fondamentale per il corretto dimensionamento degli edifici in termini di risposta sismica locale. Si dovranno quindi adottare adeguate precauzioni nell’edificare edifici aventi la medesima frequenza di vibrazione del terreno per evitare effetti di “doppia risonanza”, estremamente pericolosi.

La frequenza fondamentale di risonanza di un edificio può essere misurata eseguendo le misurazioni all’interno dello stesso. In seguito sarà possibile confrontarla con quella del terreno su cui sorge per comprendere al meglio il rischio sismico a cui è sottoposto l’edificio in caso di sisma. Infatti la pericolosità è dovute per l’effetto della doppia risonanza terreno – struttura (esistente o di progetto) laddove risultino coerenti i valori della frequenza di sito e quelli della struttura in analisi, per la quale il periodo fondamentale, se non direttamente misurato, può essere preliminarmente stimato dalla relazione:

Ted ≈ Ch3/4  ≈ n/10

dove: Ted è il periodo dell’edificio, h è la sua altezza ed n è il numero di piani; mentre il parametro C = 0,050 (edifici in muratura, C= 0.075 (edifici in muratura e calcestruzzo, C= 0.085 (edifici a telaio in calcestruzzo).

Le vibrazioni sismiche ambientali (rumore sismico) sono onde sismiche di bassa energia con ampiezze dell’ordine di 10^-4 – 10^-2 mm (Okada, 2003). In riferimento al contenuto in frequenza, il rumore sismico è anche chiamato microtremore se contiene alte frequenze (in genere maggiori di 0.5 Hz) e microsisma per basse frequenze. Per quanto riguarda l’origine del rumore sismico, è certo che le sorgenti dei microsismi sono le perturbazioni atmosferiche sugli oceani che si propagano come onde superficiali sui continenti, mentre le sorgenti dei microtremori sono le attività antropiche come il traffico veicolare, le attività industriali etc. e si propagano come onde superficiali di Rayleigh. Le misure puntuali di rumore sismico possono essere utilizzate per la stima sia degli effetti di sito (funzione di amplificazione), sia degli effetti sulle costruzioni nel rispetto della normativa che ne stabilisce la soglia massima (UNI9916).

In relazione agli effetti di sito, l’analisi delle misure di rumore sismico può essere condotta con tre metodi:

  • Spettri di Fourier
  • Rapporti spettrali
  • Rapporti spettrali H/V

Tra questi quello che sembra fornire i risultati migliori è quello dei Rapporti spettrali H/V noto anche come metodo HVSR (Horizontal to Vertical Spectral Ratio) o metodo di Nakamura .

La tecnica dei rapporti spettrali H/V consiste nel calcolo del rapporto degli spettri di Fourier del rumore nel piano orizzontale H (generalmente lo spettro H viene calcolato come media degli spettri di Fourier delle componenti orizzontali NS ed EW ) e della componente verticale V. Il metodo è applicabile alle misure di rumore registrate in una singola stazione posta su sedimenti.Il metodo è stato introdotto da scienziati giapponesi agli inizi degli anni ’70, tra i quali Nogoshi e Igarashi (1971) e Shiono et al. (1979), che indagarono sul significato fisico del rapporto H/V e mostrarono la sua relazione diretta con la curva di ellitticità delle onde di Rayleigh. Essi conclusero che il picco massimo di ampiezza si verifica alla frequenza di risonanza fondamentale della copertura di terreni. Nel 1989, Nakamura propose in inglese il rapporto H/V come stima affidabile della funzione di trasferimento delle onde S per un dato sito. Le argomentazioni usate da Nakamura sono estremamente qualitative e si basano sull’ipotesi che i microtremori siano originati da sorgenti molto locali, come il traffico vicino al sismometro, e siano onde di Rayleigh che si propagano in un solo strato su un semispazio. Tale tecnica, ampiamente utilizzata da anni nel settore sismologico, di recente viene sempre più impiegata in campo geotecnico / ingegneristico per derivare i seguenti parametri :

  • la frequenza fondamentale di risonanza Fo dei terreni presenti nel sottosuolo;
  • la stima del profilo del terreno in termini delle velocità Vs e Vp e della densità e quindi delle velocità Vs nei primi 30 m (ed oltre) dal piano campagna , attraverso opportuni metodi di inversione
  • la frequenza fondamentale di risonanza di un edificio e i relativi modi di vibrare

Lo studio ha in dotazione un sismografo triassiale con scheda A/D 24 bit e sensori da 2 Hz che permette la definira la curva H/V in tempo reale ed un tromografo “TROMINO”

Sismografo trassiale

Tromometro “TROMINO”

Si ricorda che la definizione di un profilo di Vs con le sola tecnica HVSR è passibile di interpretazioni ingannevoli  a causa della pluralità delle soluzioni. Una corretta definizione di un modello sismo stratigrafico può avvenire solamente mediante ancoraggio cin un’indagine diretta o semidiretta eppure mediante utilizzo di tecniche di indagine geofisica congiunte.

Curva H/V e modellazione

spettri delle singole componenti

finestre di analisi

profilo Vs 1D

ANALISI DEL SOTTOSUOLO MEDIANTE TECNICHE CONGIUNTE

La tecnica MASW, correntemente usata per la stima del profilo di Vs (e di conseguenza del parametro Vs,30),viene spesso ed erroneamente associata al solo studio delle Onde di Rayleigh; tale convinzione è assolutamente errata, in quanto è possibile e addirittura raccomandabile estendere l’indagine anche alle Onde di Love, eseguendo un’analisi congiunta; difatti, limitare lo studio alle sole Onde di Rayleigh comporta la possibilità di errori legati all’interpretazione degli spettri di velocità, dove il modo fondamentale spesso risulta non facilmente identificabile e in alcuni casi quasi del tutto assente. In queste situazioni, l’utilizzo dell’analisi congiunta è il solo modo per ridurre notevolmente la possibilità di interpretazioni errate, in quanto il modello estrapolato dovrà essere coerente con gli spettri di velocità di entrambi i tipi di onde,riducendo, in ogni caso, il grado di approssimazione dell’indagine stessa.

 

A questo proposito è importante sottolineare che tutte le tecniche geofisiche (che si tratti di MASW, HVSR  o qualsiasi altra) soffrono del problema della non univocità, ovvero ad un dato strumentale possono essere associati molteplici modelli, tutti diversi tra loro e tutti teoricamente coerenti con il dato acquisito. L’unico modo per limitare il problema della non-univocità, ricostruendo così un modello del sottosuolo veritiero, è quello di unire più tipologie di dati, estrapolando da una loro analisi congiunta un risultato coerente con tutte le informazioni a disposizione. A questo proposito, nella pratica professionale è sicuramente utile eseguire MASW con analisi congiunte Rayleigh + Love, unendo anche lo studio della Curva H/V (Tecnica HVSR), la quale, oltre a fornire ulteriori indicazioni riguardo le Vs, permette di ottenere informazioni riguardanti le frequenze di sito.

 

È assolutamente necessario tenere presente che la tecnica HVSR, spesso usata singolarmente per la ricostruzione del profilo di Vs, soffre anch’essa di pesanti problemi di non-univocità, specie in assenza di precise indicazioni stratigrafiche e di Vs. Ulteriori questioni sono legate alla ripetibilità e alla chiarezza della curva H/V, frequentemente caratterizzata da picchi di origine antropica e da altri spiccatamente direzionali, di difficile interpretazione; la presenza di tali picchi conferisce alla curva H/V forti elementi di ambiguità, legati sia alla loro corretta interpretazione, sia alla possibilità che essi nascondano completamente eventuali picchi stratigrafici o comunque ne modifichino l’andamento. In tali circostanze, lo studio deve essere supportato da altre informazioni da cui è impossibile prescindere, in modo da poter definire l’origine di quei picchi, che sedi natura antropica invalidano parzialmente (e in alcuni casi totalmente) la curva H/V. Riassumendo, un’indagine MASW con analisi congiunta in Onde di Rayleigh e di Love, risulta essere assolutamente raccomandabile, in quanto permette di:

  • fornire un modello di sottosuolo affetto da un minore grado di incertezza (limitando la non-univocità attraverso lo studio congiunto delle due componenti)
  • ridurre notevolmente la possibilità di erronee interpretazioni legate allo studio di un solo tipo di onde, le quali porterebbero inevitabilmente a ricostruzioni del profilo di Vs anche pesantemente errate.

Esempio di analisi congiunta MASW + HVSR

 

La tomografia di resistività elettrica, ERT, sfrutta i principi della geoelettrica unendoli a strumenti multielettrodo, rendendo possibile la ricostruzione di immagini 2D e 3D di resistività del sottosuolo. Essa trova ampia applicazione sia in ambito geologico che idrogeologico o ambientale, grazie alla sua versatilità (si possono eettuare misure da supercie, in foro o crosswell), ai bassi costi e alla relativa facilità di utilizzo. 

Sisma-Service è in grado di eseguire mappature di resistività e del sottosuolo in 2D e 3D per Monitoraggio ambientale (es. discariche, dispersione inquinanti a lungo termine, inquinamento del suolo, ecc.), Idrogeologia (ricerca acqua, modellazione acquiferi, mappatura permeabilità, ecc.), Archeologia (individuazione di manufatti), Geotecnica (controllo edifici lesionati, superfici di scollamento in frane, ecc.), Rilevamento cavità antropiche e naturali, Ricerca corpi sepolti, cisterne, Individuazione del piano di posa delle fondazioni, Caratterizzazione delle successioni alluvionali, Monitoraggio ingressione acqua marina nelle falde

 

LINK UTILI

Vi elenchiamo alcuni siti di  interesse geofisico

Mappe pericolosità sismica