Prospezioni sismiche

Prospezioni sismiche in superficie ed in foro

Sismica

Sismica attiva - Sismica passiva

Sono prospezioni del sottosuolo di tipo indiretto, non distruttive, che utilizzano le proprietà e le caratteristiche di propagazione delle onde sismiche (longitudinali P, trasversali S) nelle rocce che costituiscono il sottosuolo di un sito, di cui, a secondo della tecnica applicata (sismica attiva, sismica passiva), possono fornire:

  • la struttura della velocità sismica con la profondità (sismica a rifrazione di superficie, sismica in foro Down Hole e tra fori Cross Hole);
  • la morfologia di strati rifrattori e/o di strati riflettori (sismica a rifrazione / sismica a riflessione ad alta risoluzione);
  • la struttura discreta 2D della velocità sismica lungo una sezione piano campagna - profondità (Tomografia sismica 2D di superficie, Tomografia sismica in foro Down Hole e tra fori Cross Hole);
  • lo spettro di risposta in frequenza 1D (sismica passiva con misure di noise sismico).

Queste misure sismiche prevedono una prima fase di campagna, dove si effettuano le registrazioni di segnali sismici, generati o da una sorgente sismica artificiale (sismica attiva, vedi Foto 1, 5 e 6) o da una sorgente sismica naturale (sismica passiva), captati da una linea di sensori disposti sul piano campagna od in foro e collegati ad un sismografo elettronico multicanale (3 - 24 canali) digitale a 24 bit. Questa fase di attività in sito è seguita da una seconda fase in studio, dove, utilizzando appropriati e specifici programmi, si effettuano l’analisi e l’elaborazione delle registrazioni sismiche onde ottenere, a seconda delle tecniche di acquisizione (attiva, passiva) impiegate, profili sismici e/o tomografie sismiche a rifrazione di superficie, profili sismici verticali di velocità in foro Down Hole – Cross Hole, spettri di risposta sismica in frequenza 1D del sottosuolo.

 

Sismica attiva: sismica a rifrazione

Il metodo sismico a rifrazione utilizza la propagazione di energia sismica nelle rocce della superficie terrestre per determinare, solitamente alla scala superficiale delle applicazioni ingegneristiche, variazioni laterali di profondità e le velocità di strati rifrattori presenti nel sottosuolo. L’energia sismica, necessaria alla prospezione indiretta del sottosuolo, può essere prodotta sulla superficie terrestre con sorgenti ad impatto (martello, massa battente – vedi il video), ad impulso (fucile a cartuccia tecnica [Foto 1], esplosivo) od a vibrazione. Le onde sismiche generate in superficie si irradiano nel sottosuolo alla velocità (V0) dello strato superficiale e subiscono una rifrazione solo se i raggi sismici incontrano una superficie d’interfaccia stratigrafica dove si manifesti un contrasto di velocità tra strati sovrapposti (V0 < V1). In tal caso i raggi viaggiano per rifrazione lungo la superficie di separazione alla velocità dello strato più profondo - più veloce - (V1) ed i fronti d’onda emergono verso l’alto alla velocità dello strato superficiale meno veloce (V0). Infatti, l’applicazione del metodo della sismica a rifrazione dipende dal principio fondamentale che la velocità di propagazione delle onde sismiche aumenti con la profondità (V2 > V1 > V0) (Figura 1). I fronti d’onda dell’energia sismica rifratta che ritornano alla superficie sono captati e trasformati in segnale elettrico da un allineamento di sensori (geofoni , Foto 3) che sono collegati ad un registratore sismico multicanale (sismografo 12 - 24 canali). Il sismografo (Foto 2) provvede alla conversione analogico/digitale con risoluzione a 24 bits, all’amplificazione, alla visualizzazione su display ed alla registrazione su hard-disk di tutti i segnali sismici ricevuti dai geofoni. Analizzando e rapportando le distanze ed i tempi di percorso misurati tra i punti di energizzazione ed i geofoni è possibile stabilire le velocità sismiche e gli spessori degli strati presenti nel sottosuolo. Per ottenere un profilo sismico a rifrazione si impiegano generalmente da 2 a 7 energizzazioni, registrate da un allineamento di 12 - 24 geofoni (canali). Un esempio di profilo di sismica a rifrazione (sismogrammi, dromocrone e sezione sismostratigrafica) ottenuto con 24 canali e 7 punti di energizzazione è mostrato nella Figura 2.

 

Sismica attiva: sismica a rifrazione tomografica

I principi fisici di base, le tecniche, le modalità esecutive e la strumentazione sismica sono quelli della sismica a rifrazione, tuttavia il numero di punti di energizzazione e/o dei canali impiegati nella sismica a rifrazione tomografica è notevolmente superiore rispetto alla sismica a rifrazione standard al fine di ottenere una più precisa e dettagliata interpretazione del campo di variazione delle velocità sismiche nel sottosuolo. Un esempio di profilo di sismica a rifrazione tomografica di superficie ottenuta con 13 punti di energizzazione è mostrato in Figura 4.

 

Sismica attiva: sismica in foro tipo down-hole

L’energia sismica di fase P e/o S è generata in superficie a distanza fissa dalla bocca di foro ed è ricevuta da sensori (idrofoni o geofoni triassiali) posizionati ad intervalli regolari nel foro (Foto 7). I sensori sono connessi ad un sismografo multicanale per la visualizzazione e la registrazione dei segnali (Figura 5). Analizzando e rapportando le distanze ed i tempi di percorso dei primi arrivi misurati tra il punto fisso di energizzazione e le posizioni dei sensori nel foro è possibile determinare le velocità sismiche VP ed VS del sottosuolo (Figure 6 e 7). In particolare, questa tecnica consente di ottenere profili verticali di velocità sismica di fase P e/o S lungo un foro di perforazione ed è impiegata per ottenere il profilo stratigrafico delle velocità dei terreni presenti nei primi 30 metri di sottosuolo e, di conseguenza, il valore della Vs30 che è la velocità di propagazione delle onde di taglio S nello strato equivalente di sottosuolo di spessore pari a 30 metri (D.M. 14 gennaio 2008 - N.T.C. 2008).

 

Sismica attiva: tomografia sismica in foro e tra fori

Se i sensori (geofoni/idrofoni) sono posizionati in foro/i di perforazione ed i punti di energizzazione in superficie o in foro è possibile ottenere tomografie sismiche in foro e tra fori. L’energia sismica è generata in superficie / foro in punti sorgente a distanza crescente (multi-offset in line) dalla bocca di foro ed è ricevuta da sensori posizionati ad intervalli regolari nel foro (Figura 8). I sensori sono connessi ad un sismografo multicanale per la visualizzazione e la registrazione dei segnali. Analizzando e rapportando le distanze ed i tempi di percorso misurati tra i punti di energizzazione ed i geofoni è possibile ottenere una più precisa e dettagliata struttura discreta 2D del campo di variazione delle velocità sismiche nel sottosuolo (Figure 9 e 10).

 

Sismica passiva: misura di rumore (noise) sismico

E’ una tecnica sperimentale di misura sismica passiva che sfrutta l’energia sismica (noise) generata da sorgenti lontane, tali da produrre un fronte d’onda diffuso di onde superficiali che si propaga nello strato più superficiale della crosta terrestre in tutte le direzioni possibili senza particolari orientazioni. L’energia sismica di fase P ed S è captata e registrata da una stazione sismometrica (Foto 8) composta da un sensore (geofono) 3D a bassa frequenza di risonanza (1Hz) e da un registratore sismico dedicato multicanale ad alta risoluzione dinamica (conversione Analogico/Digitale 24 bits). Le registrazioni sono continue e di lunga durata (almeno 20 minuti). La prova consiste nel registrare i segnali sismici nel dominio del tempo, nel trasformarli nel dominio delle frequenze e nel rapportare le componenti fondamentali (verticale, orizzontali) del moto sismico al fine di ottenere lo spettro di risposta in frequenza 1D dei terreni del sottosuolo (Figura 12). Queste prove sono utilizzabili nella pianificazione territoriale e/o nella progettazione ingegneristica per valutare la frequenza fondamentale dei terreni di un sito ed il valore della sua ampiezza al fine di una stima dell’amplificazione sismica locale e di evitare l’insorgere nei manufatti, in progettazione od esistenti, di fenomeni distruttivi di doppia risonanza.

 

Foto e figure

Foto 1

Cartucce tecniche, fase di carica e fase di energizzazione.

Cartucce tecniche, fase di carica e fase di energizzazione.

Foto 2

Sismografo a 24 bit - 24 canali (OYO DAS-1) e sismografo a 12 bit - 12 canali (GEOMETRICS GEODE).

Sismografo a 24 bit - 24 canali (OYO DAS-1) e sismografo a 24 bit - 24 canali (GEOMETRICS GEODE).

Figura 1

Schema di  acquisizione di misure sismiche a rifrazione.

Schema di  acquisizione di misure sismiche a rifrazione.

Foto 3

Fase di preparazione di una linea sismica a rifrazione (S.P. 84 "Genovese - Arizza").

Fase di preparazione di una linea sismica a rifrazione (S.P. 84 "Genovese - Arizza").

Figura 2

Diagramma distanze-tempi e sezione sismostratigrafica (c.da Pianazzo a Giarratana).

Diagramma distanze-tempi e sezione sismostratigrafica (c.da Pianazzo a Giarratana).

Foto 4

Fase di acquisizione di un profilo sismico a rifrazione (c.da Pianazzo a Giarratana).

Fase di acquisizione di un profilo sismico a rifrazione (c.da Pianazzo a Giarratana).

Figura 3

Registrazioni sismiche.

Registrazioni sismiche.

Foto 5

Stendimento geofonico per tomografia sismica ad alta risoluzione.

Stendimento geofonico per tomografia sismica ad alta risoluzione.

Foto 6

Energizzazione con martello.

Energizzazione con martello.

Figura 4

Diagramma distanze-tempi e modello di velocità Vp.

Diagramma distanze-tempi e modello di velocità Vp.

Foto 7

Energizzazioni down-hole di fase P (sopra) ed S (sotto).

Energizzazioni down-hole di fase P (sopra) ed S (sotto).

Figura 5

Schema di acquisizione di misure sismiche in foro tipo down-hole.

Schema di acquisizione di misure sismiche in foro tipo down-hole.

Figura 6

Sintesi di registrazioni sismiche in foro down-hole di fase P e di fase S.

Sintesi di registrazioni sismiche in foro down-hole di fase P e di fase S.

Figura 7

Esempio di profili sismici verticali tipo down-hole in foro profondo 30 metri.

Esempio di profili sismici verticali tipo down-hole in foro profondo 30 metri.

Figura 8

Schema di acquisizione di misure sismiche multi-offset.

Schema di acquisizione di misure sismiche multi-offset.

Figura 9

Esempio di prospezione tomografica (ray path survey sampling e velocity model) tra fori di sondaggio ottenuto con 20 punti di energizzazione (ex Macello a Santa Croce Camerina).

Esempio di prospezione tomografica (ray path survey sampling e velocity model) tra fori di sondaggio ottenuto con 20 punti di energizzazione (ex Macello a Santa Croce Camerina).

Figura 10

Down-hole tomografico (Liceo Scientifico a Ragusa).

Down-hole tomografico (Liceo Scientifico a Ragusa).

Figura 11

Spettri di frequenza su 4 punti allineati di uno stesso sito (substrato lapideo affiorante in N1) presso la discarica Gisirotta a Modica.

Spettri di frequenza su 4 punti allineati di uno stesso sito (substrato lapideo affiorante in N1) presso la discarica Gisirotta a Modica.

Foto 8

Acquisizione di misure di noise sismico (Istituto Zooprofilattico a Ragusa).

Acquisizione di misure di noise sismico (Istituto Zooprofilattico a Ragusa).

Figura 12

Elaborazione di noise sismico (Istituto Zooprofilattico a Ragusa).

Elaborazione di noise sismico (Istituto Zooprofilattico a Ragusa).