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Metodi elettrici ed elettromagnetici per la caratterizzazione del

sottosuolo Casi di studio

Nasser Abu ZEID

Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra Università di Ferrara

E-mail: nsa@unife.it 0532-974675

Tel. 338-2941697

Proprietà fisica misurata

Metodi Geofisici

Geoelettrici, Sismici, Tecniche Cross-Hole

(sismici ed elettrici), Elettromagnetici,

Ground Penetrating Radar (GPR), Carotaggi

Geofisici, Magnetici, Gravimetrici, Radioattivi

Parametro utile

-Geologo -Ingegnere -Architetto -Budget -Sicurezza

top cap

rifiuti

depositi alluvionali

basamento

Il problema della caratterizzazione dei siti contaminati

l’indagine viene eseguita disponendo i sensori sulla superficie del

suolo, in aria, in acqua o nel sottosuolo come nel caso di gallerie,

miniere e sondaggi. In quest’ultimo caso la tecnica geofisica è

conosciuta come carotaggio geofisico.

Alcune delLe principali strumentazioni impiegate sono:

Georesistivimetri,

Magnetometri,

Elettromagnetismo (EM nel domino della frequenza) e

Georadar (Ground Penetrating Radar o GPR).

Definizione: Geofisica Applicata

Strumenti geofisici portatili per misure spaziale con supporto satellitare per il posizionamento (GPS)

tecnologie che si basano sulla rilevazione dalla

superficie (ma non solo) di determinate proprietà

fisiche del sottosuolo da investigare

Il magnetometro terrestre

a) data logger

b) sensore campo magnetico

Georesistivimetro capacitivi

acquisizione multipla lungo lo stesso profilo

Elettromagnetismo nel dominio della frequenza

(FDEM)

scala ~1:50

ingresso

tecnologie che si basano sulla rilevazione non solo

dalla superficie ma anche dal sottosuolo di

determinate proprietà fisiche

Tomografia elettrica

Strumenti geofisici per rilievi di dettaglio

Il georesistivimetro

ABEM SAS1000/4000 svedese SYSCAL/francese

ABEM SAS1000/4000 (64+ canali)

SYSCAL (48+ canali)

PASI multimodulo (8+ canali, Italia)

(resistività e polarizzazione indotta)

STING (32+ elettrodi) solo resistività

RAS (32+ elettrodi)

Altri strumenti

Il georesistivimetro

STING/USA

Dove possono essere impiegate le tecniche geofisiche: ovunque basti che ci sia accessibilità

Piazza Sacrati

(FE/1998)

nel caso che ci sia un manto stradale occorre

effettuare dei fori

Sottosuolo omogeneo Sottosuolo eterogeneo

Proprietà fisiche dei mezzi

sono funzione della proprietà fisiche della: matrice “m”, aria e fluidi “w” e della

porosità “f”

Sondaggio GL8 Sondaggio GL8,5

Sabbia marina

L’eterogeneità del sottosuolo in un’area

di bassa pianura

A: argille organiche in acqua dolce

B: limi e argille in acqua salmastra

C: sabbie marine

D: sedimenti alluvionali pre-olocenici

Come presentare e “proporre” le

tecniche geofisiche

1.Risultato ottenibile (limitazioni e

possibilità)

2.Applicazione nel momento più

opportuno

3.Costi

Applicazioni

Tipologie di applicazione

• Indagini di caratterizzazione

Cassa di espansione

Vicenza

sito da caratterizzare: area di cava di argilla

Modello di resistività

• Localizzazione corpi sepolti di

rifiuti

Ex-cava di argilla

Esempio: rilievo geofisico di dettaglio

Informazioni pregresse erano disponibili ma senza cartografia di supporto

Argilla

• caratterizzazione di vecchi

impianti di smaltimento rifiuti

“discarica”:

antecedente 915

Esempio: discarica di Canale Marozzo

in Comune di Comacchio

Ia esaurita

IIa esaurita

Sicura srl

Canale

Marozzo

Fonti di potenziale inquinamento

Discarica Canale

Marozzo sud

Discarica Ia esaurita

Discarica IIa esaurita

Discarica Sicura srl

Collettore Valle Isola

S.P. bocchetto-meringhino

Discarica Canale Marozzo nord

1991 Piezometro n. limitato grazie alle indagini geofisiche

effettuate

sondaggio

FERRARA

BOLOGNA

Area di Studio

Vecchia discarica

Discarica esaurita

Profilo Polo-Dipolo (Resistività e PI)

Vasca di

raccolta

percolato

ERT-1 Tomografia elettrica S1 Sondaggio geognostico

Ubicazione dei profili di tomografia

elettrica. ERT-1 e 2 sul corpo della

discarica di Canale Marozzo.

Modello 2D di tomografia elettrica della

resistività tratto di canale con fondo impermeabile

1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0

- 2 . 5

- 5 . 0

- 7 . 5

- 1 0 . 0

- 1 2 . 5

- 1 5 . 0

- 1 7 . 5

W - > E

300 100

100500

Resistività (Wm) Argilla

ENE WSW

larghezza canale

“discarica”

carotaggio S1

WSW ENE

1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0

W - > E

201500

Modello 2D di tomografia elettrica della resistività

tratto di canale con fondo permeabile

Argill

Sabbia Resistività (Wm)

larghezza canale

“discarica”

Percolato

S46 S47 P5 S57 S40 S41 S44 P6 Sp7 Sp8 P14 P7 Sp9

Piezometro

L. Piezometrico (25/3/'98))

L. Piezometrico (10/4/'98))

L. Piezometrico (7/7/'98)

Quota S.P. Bocchetto-Marenghino: 1,4 m s.l.m.

Sp7, Sp8 : piezometri nel corpo della discarica C.le Marozzo sud

Sp9: piezometro nel corpo della Ia esaurita

Rilievi livello percolato nei due sondaggi

Resistività (Ohm*m)

Caricabilità (%)

RSU+percolato RSU+percolato

confinato

C.le Marozzo sud

altri esempi di profili tomografici

Istogramma riassuntivo del quadro chimico relativo

ai campioni di percolato

0 50 100 150 200 250 300 3500

Magnetismo: campo

totale (Ft) in nT

delimitazione dei corpi di

rifiuti (R.S.U. – R.S.A.)

assenza di

rifiuti

assenza di

rifiuti

discarica

Esempio: rilievo spaziale

corpi di discarica

Fe, Co, Ni Fe3O4, Ilminite, Pirotite

Il contenuto dei rifiuti solidi urbani permette la

loro individuazione con metdoi magnetici

Argilla di fondo

R.S.U./R.S.A.

confronto profili di tomografia elettrica e di

polarizzazione indotta eseguiti trasversalmente al

corpo della discarica

Resistività (Ohm*m)

fondità (

Caricabilità (%)

confinato

UBICAZIONE DEI PROFILI DI TOMOGRAFIA ELETTRICA

TAVOLA 119

Profilo topografico

Profilo tomografico

Accumulo rifiuti

Accumulorifiuti

O 8PROFILO 5

PROFILO 6B

Settore occidentale

Settore orientale

Esempio-2: caratterizzazione di discariche abbandonate in pianura

A B C D

NW SE ERT

Esempio-2: risultati

Il modello di resistività non

sempre risolutivo

Il modello di caricabilità indica

il confinamento verso il basso

del corpo di discarica.

• caratterizzazione sito di

discarica

Anomalie chimiche nelle acque

del piezometro di monitoraggio

(monte)

ERT-2 ERT-3 P3

Belluno (Veneto)

rete discarica

rete Piz. 1

Piz. 1

discarica

Ghiaia satura Ghiaia satura

Ghiaia mista a sabbia

satura

Profilo tomografico n. 4, Discarica Ecocentro, Comune di Trichiana, BL

SW NE N17E

Indagine geofisica integrativa, effettuata il 25 nov. 2010

discarica

letamaio concime organico

Esempio-3: caratterizzazione di discariche abbandonate in città

Risultati ERT/PI-3a/Sondaggio 16

Verifica dei risultati/campionamento ambientale S16

R.S.U.

laterizio misto a limo di colore nero base a -6,5m

Esempio-3: Aree collinari Profili di tomografia elettrica della resistività

NNW SSE

ingress

profilo 2 profilo

sismico-

roccia

rifiuto

profilo 1

WNW ESE

roccia

riempimento

piccola

dolina

riempimento

piccola

dolina

rifiuto

prof. (m)

Esempio-3: Aree collinari Confronto ERT con PI lungo il profilo 2

Il modello di caricabilità

indica l’assenza di

materiale polarizzabile

(percolato) oppure essendo

la discarica è molto vecchia

essa è gia mineralizzata

Esempio-4-1: caratterizzazione di vaste aree sospette di contenere rifiuti

interrati

0,5-0,8km

Tipo di indagine geofisica scleto: EM e Magnetismo: copertura spaziale

ERT/PI: indagine di dettaglio

Esempio di risultato: magnetismo punti di misura

anomalie assenti

Tipo di indagine geofisica scleto: EM e Magnetismo: copertura spaziale

ERT/PI: indagine di dettaglio

Esempio di risultato: magnetismo punti di misura

anomalie presenti

Risultato ERT/PI: indagine di dettaglio

Il modello di caricabilità indica

(linea tratteggiata) la base del

materiale di rifiuto

• caratterizzazione di corpi di

discarica controllate

(Appennino)

Esempio-1:

Aree collinari

motivo dell’indagine:

Produzione abnorme di percolato –

fuoriuscita di schiuma dai pozzi di

raccolta del biogas

Esempio-1:

Aree collinari

Produzione abnorme di percolato –

fuoriuscita di schiuma dai pozzi di

raccolta del biogas

Produzione abnorme di percolato – fuoriuscita di schiuma dai

pozzi di raccolta del biogas

Esempio-1:

Ubicazione profili

Non-confinato

Esempio-1:

risultati

parzialmente confinato

Esempio-1:

risultati

fuoriuscita di schiuma dai pozzi di raccolta del biogas

Esempio-2:

discarica controllata

Esempio-2:

risultati P: percolato

• controllo fuoriuscita di percolato

da discariche controllate

Esempio-1: controllo fuoriuscite di percolato da discariche R.S.U.

2050 40 30

0 10 20 30 40 50 60

Sud percolato Telo discarica

con sfondamento centrale

Ghiaie

discarica

0 5 10 15 20 25 30 35 40

505 2 30

Posizioni elettrodi

Corpo rifiuti

Teli in HDPE

con perdite

Percolato

Ghiaie

Esempio-2: discarica esaurita smaltimento ceneri di centrali elettriche e flave!

l’analisi chimica della falda freatica ha

evidenziato valori anomali di bromo

L’area (ex-cava di ghiaia)

riempita di rifiuti senza

autorizzazione

È stata convertita in

discarica sicura

dopo la sua chiusura

l’analisi chimica della

falda freatica ha

evidenziato valori

anomali di bromo

piezometro

risanamento dei siti di discariche

abbandonate

Stato di fatto:

colorazione diversa

Esempio-2: risultati

pozzetto di controlloNESW

profilo 3profilo 2

limite SW della

discarica

limite NE della

discarica

R.S.-2.

R.S.-1

profilo 3profilo 2

limite SW della

discarica

limite NE della

discarica

R.S.-2.

R.S.-1

Profilo 3

limite SW della

discarica

limite NE della

discarica

B’B’

Profilo 3

limite SW della

discarica

limite NE della

discarica

B’B’

pozzetto di controllo

ceneri di centrale elettrica.

Il modello di caricabilità indica la tenuta

della base della discarica

• caratterizzazione di corpi di

discarica abbandonate ai fini

della loro bonifica (Belluno)

Esempio-3: discarica di R.S.U. in

ambiente ghiaioso

Lotto 1

Profilo n. 7

Landfill mining

Esempio-3:

Terreno pulito “bianco”- risultati

Esempio-3:risultati – risposta di sottosuolo

con R.S.U.+percolato

• controllo fuoriuscita di percolato

da sistema di raccolta della

condensa del biogas

Esempio-1: discarica esaurita (RSU) viene sfruttata per la produzione di energia

elettrica

l’analisi chimica della falda freatica ha

evidenziato valori anomali di bromo

Discarica: R.S.U.

Impermeabilizzazione: presente

Sistema raccolta della condenza del

biogas: presente un tubo in HDPE

(1 km di lunghezza)

Motivo indagine: presenza di

un’elevata concentrazione di

ammonica

Al Fe Mn Cr Ni NO3 NH4 SO4

mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l

A 0.05 0.19 0.39 0.01 0.06 n.d. 0.42 173

2 1.13 10.8 7.08 0.84 4.4 148 53.7 1436

Esempio-1: discarica esaurita pianificazione indagine speditiva

Posizione probabile della perdita

Metodi innovativi: Tomografia elettrostatica

SE NW CORIM

Indagini speditive

1 km/h di profilo in

aree aperte

1. Richiede la disponibilità di un

portatile (svantaggio per autonomia

ridotta)

2. Difficile da manovrare in aree strette

3. Profondità max. di indagine = 3 m

S S Polarizzazione

indotta (PI)

MHz 3 m

Integrazione dei risultati di tre

tecniche geofisiche

Tomografia

elettrostatica

S: potenziali aree di rottura

Stc t A S

trincea esistente

SE NW ERT-1

anomalie dovute ad una perdita pregressa già riparata

• Verifica fuoriuscita di solventi

organici da un impianto di

autolavaggio

Esempio-1: ERT e PI area di autolavaggio

pseudosezione di

resistività apparente pseudosezione di

caricabilità apparente

• caratterizzazione del sottosuolo di

aree destinate ad ospitare impianti

di smaltimento rifiuti

profilo 1 profilo 3

Esempio

caratterizzazione del modello geologico di un

area adibita allo smaltimento di R.S.U./R.S.A.

WNW ESE

argilla

argilla deb. limosa

limo deb.

argilloso

aree di pianura 2.0 ore

acquisizione

Esempio

caratterizzazione

del modello

geologico

pseudo-3D

verifica modello geologico del sottosuolo

Argilla Limo Argilloso

• Validazione della fattibilità di

alcune tecniche di risanamento dei

siti contaminati da

IDROCARBURO:

Esempio: Air Sparging (AS)

Contaminanti organici

(es. solventi, idrocarburi) Sostanze inorganiche

(es. percolati)

Fasi successive:

Processi di degrado

(diminuzione per effetto

dell’aumento delle

concentrazioni ioniche)

Come varia la resistività elettrica?

In presenza di

diminuzione

Fase iniziale (aumento)

Variazione dei valori di conducibilità elettrica con la profondità est

S.S. Romea (Lido di Spina)

0 10000 20000 30000 40000 50000

EC (mS/cm)

ott-99

dic-99

Argilla con torba

Sabbia fine con bioclasti

Sabbia con lenti di argilla limosa

Argilla

LEGENDA

Litologia

0 20 40 60

Profondità (m da p.c.)

Tomografia Elettrica in Foro concetto, attrezzatura e metodo di acquisizione

Piezometro

Distanza

interelettrodica

a= 1.5 m

Georesistivimetro

0 5 0 5 10 15

S 2 S1 S 3

Resistività ( Ohm*m ) melma

oleosa

Esempio-1:

rilevamento inquinamento organico

Tecnica: cross-hole elettrico elettrodo

Esempio-2:

rilevamento

inquinamento organico

Taratura della risposta elettrica del sottosuoloTaratura della risposta elettrica del sottosuolo

Esempio-1:

test pilota di AS punto scelto per prova pilota su scala ridotta

di “Air Sparging”

Volumi con variazione

significativa: maggiore aumento

della resistività Permette la determinare lo stato di fatto

prima dell’iniziop del test pilota

Esempio-2:

test pilota di caratterizzazione

preventiva

Rilievo 3D di tomografia elettrica della resistività

Distance North (m)Distance East (m)

PreinfiltrationResistivity

Resistività pre-test

di infiltrazione

Esempio-2:

test pilota con la finalità di una

caratterizzazione preventiva

Rilievo 3D di tomografia elettrica della resistività da

superficie

Distance East (m) Distance North (m)

6-1-99

(82 days of

Infiltration)

9 giorni 33 giorni

133 giorni 82 giorni

• individuazione di

oleodotti

abbandonati ed

interrati in

sedimenti argillosi

Ex-centrale di raccolta petrolio. In rosso sono indicati le presunte tracce degli oleidotti...occorre quindi individualrli!

• individuazione di oleodotti

abbandonati ed interrati in

sedimenti argillosi

(GPR?)/sabbiosi (GPR)

Figure 2

es. serbatoi di carburante

Esempio-1:

rilevamento presenza ed andamento tubi

Tipo indagine geofisica:

Individuazione oleodotti pieni di petrolio

Esempio-1:

confronto tra i risultati ottenuti con due strumenti

elettromagnetici (FDEM)

Individuazione oleodotti pieni di petrolio

• individuazione accumuli di

percolato è biogas all’interno di un

impianto di smaltimento rifiuti

vegetali

Esempio-1:

stato di fatto...ex-cava di argilla ...attualmente impianto di

incapsulamento di materiale di risulta della lavorazione del compost

Esempio-1:

rilevamento presenza di percolato

profilo 2

diffusione di biogas nell’ambiente circostante

Esempio-1:

rilevamento presenza di percolato attività smaltimento materiale

di risulta della lavorazione del compost!

Tomografia elettrica della resistività

e della Polarizzazione indotta

Esempio-1:

Profilo 1

Esempio-1:

Profilo 2

Esempio-1:

Profilo 3

pozzo artesiano di percolato!

• Individuazione zone di fuga del

biogas in una discarica controllata

di R.S.U.

Esempio-2:

rilevamento presenza di biogas (fotografia all’infrarosso)

discarica

esaurita

discarica in

esercizio

discarica

esaurita

Terreno incolto

Esempio-2:

discarica

esaurita

discarica in

esercizio

Esempio-2:

discarica

esaurita

discarica in

esercizio

L’area di maggiore produzione di biogas (M) rilevata da misure termiche coincide con il maggior accumulo di percolato rilevato dall’indagine tomografica (PI)

• Individuazione zone contaminate

da metalli nel fondo di un’ex-cava

di ghiaia da trasformare in

discarica di R.S.U.

Argilla

Limo sabbioso

Esempio: caratterizzazione

preventiva per l’estrazione di

materiale inerte

Scala 1 : 2000

Resistività (W*m)

0000000

10 20 30 40 5

Esempio:

Caratterizzazione di un’area di ex-cava con rifiuti metallici nascosti (smaltimento

acciaio)

EM (7275 Hz

profondità

indagine:

• Riqualificazione “Brownfileds”

Linea blu: torrente deviato/necessità di espansione dell’attività Linea bianca: tracciatto originale del torrente

Esempio-1:

rilievo geofisicho, si presentano i risultati del profilo 1L

Esempio-1:

individuazione traccia torrente antico

111.20

piezometro

carotaggio 1carotaggio 2

piezometro

profilo 1L

profilo 3T

profilo 2L

profilo 4Lprofilo 5T

profilo 6T

maggio 2007

Committente

Esecutore Te.Am.Geofisica s.r.l.

Tavola 7

IM.CO. s.a.s.

Indagine geofisica per lacaratterizzazione non-invasiva del

sttosuolo dell'area dell'ex-Velchi s.r.l.di proprietà della ditta IM.CO. s.a.s.

sita in loc. Case Nuove in Comune di S.Giorgio Piacentino (PC)

Legenda

Profilo di tomografia elettrica

profilo 4

Ubicazione delle anomalie e dei sondaggi dicontrollo

ubicazione sondaggio diretto da

effettuare per il controllo delle

anomalie geofisiche. Progressiva

e profondità del sondaggio

Ex percorso del Rio Ogone

111.20

piezometro

carotaggio 1carotaggio 2

piezometro

profilo 1L

profilo 3T

profilo 2L

profilo 4Lprofilo 5T

profilo 6T

maggio 2007

Committente

Esecutore Te.Am.Geofisica s.r.l.

Tavola 7

IM.CO. s.a.s.

Indagine geofisica per lacaratterizzazione non-invasiva del

sttosuolo dell'area dell'ex-Velchi s.r.l.di proprietà della ditta IM.CO. s.a.s.

sita in loc. Case Nuove in Comune di S.Giorgio Piacentino (PC)

Legenda

Profilo di tomografia elettrica

profilo 4

Ubicazione delle anomalie e dei sondaggi dicontrollo

ubicazione sondaggio diretto da

effettuare per il controllo delle

anomalie geofisiche. Progressiva

e profondità del sondaggio

Ex percorso del Rio Ogone

Esempio-1:

in colore verde inidica la traccia dell’antico corso del torrente

• Salinizzazione (processo

“naturale” di contaminazione della

falda acquifera lungo le fasce

costiere

Lido di Spina (FE)

Valli di

Comacchio a

MT Lido degli Estensi (FE)

profondità interfaccia acqua dolce - acqua

salmastra

6.0-6.5 m 6.0 m

limo-argilloso/argilla saturo/a di acqua salata

sabbia satura di acqua salata

sabbia satura di acqua dolce

sedimenti saturi di acqua salmastra

resistività elettrica r ≥ 15 Wm EC ≤ 2000 mS/cm

resistività elettrica ≥ 6 r ≤ 15 Wm ≥ 2000 mS/cm EC ≤ 5000 mS/cm circa

resistività elettrica ≥ 1 r ≤ 6 Wm ≥ 5000 mS/cm EC ≤ 10000 mS/cm circa

resistività elettrica r ≤ 1 Wm EC ≥ 10000 mS/cm

Esempio-2:

indagine di dettaglio: ERT

bassa pianura ferrarese

Mappe di resistività apparente ottenute dall’indagine elettromagnetica nel dominio della frequenza: A) profondità 6 – 8 m; B) profondità 4 – 6 m e C) profondità intorno a 2 m

i commenti sono riportati nella diapositiva successiva

salmasrtra salata

Come si può vedere, le aree a colorazione blu, corrispondenti a resistività apparenti che appartengono ai terreni saturi di acqua salata, tendono ad aumentare al diminuire della frequenza, cioè all’aumentare della profondità d’indagine, e si delinea con chiarezza un quadro di aree più o meno indenni dal fenomeno, in perfetto accordo con la geomorfologia dell’area, riportata schematicamente in Fig. 1. Infatti, ad es., il centro abitato del Lido di Spina e la fascia sui cui scorre la S.S. 309 “Romea”, manifestano elevati valori di resistività apparenti anche alla frequenza minima (colorazione verde-azzurro chiaro), segno di maggiore profondità dell’acqua salata sotto le aree topograficamente più elevate, corrispondenti ai cordoni dunosi costieri. Parimenti rimane colorato di blu, fino alle frequenze più alte, il basso topografico retrostante lo stesso abitato del Lido di Spina, che al centro presenta un laghetto salato, residuo di una paleolaguna.

Esempio-3:

indagine speditiva

Lidi Ferraresi

I vantaggi dell’utilizzo delle tecniche

geofisiche

• versatilità d’impiego

• non invasività

• speditività

• ripetibilità

• favorevole rapporto costi/benefici

• ridotto o inesistente impatto ambientale

Fine grazie per l’attenzione

sono gradite le domande,

i commenti e le critiche

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