Indagini geofisiche profonde: la sismica a riflessione all’Aquila

CORSO DI MIOCROZONAZIONE SISMICA E VALUTAZIONE DELLA RISPOSTA SISMICA LOCALE PER LA RICOSTRUZIONE POST-TERREMOTO

Rel. Dr. Vincenzo Di Fiore (IAMC-CNR, Napoli)

2

In un mezzo elastico, omogeneo, isotropo, vengono generate:

Onde di volume Onde P (Primarie, Longitudinali) Onde S: (Secondarie,Trasversali)

Onde superficiali Onde di Rayleigh Onde di Love

Nella sismica a Riflessione e Rifrazionevengono considerate le onde P. Onde superficiali sono “rumore” per laSismica a Riflessione e Rifrazione. Le onde S sono utilizzate in altreApplicazioni: es. Normativa Sismica.

In un mezzo elastico, omogeneo, isotropo, vengono generate:

Onde di volume Onde P (Primarie, Longitudinali) Onde S: (Secondarie,Trasversali)

Onde superficiali Onde di Rayleigh Onde di Love

Nella sismica a Riflessione e Rifrazionevengono considerate le onde P. Onde superficiali sono “rumore” per laSismica a Riflessione e Rifrazione. Le onde S sono utilizzate in altreApplicazioni: es. Normativa Sismica.

La prospezione sismica consiste nel generare impulsi di breve durata ed ampiezza limitata utilizzando apposite sorgenti; i segnali riflessi sono successivamente raccolti e registrati da opportuni sensori organizzati secondo determinate configurazioni spaziali. L’insieme di tutti i segnali e del rumore (sia quello dell’esperimento che quello ambientale), registrati dal sensore nel tempo, formano una traccia sismica. Le tracce sismiche registrate simultaneamente in risposta ad una singola energizzazione (shot) formano un record sismico (shot gather).

Record sismico

In un record sismico si possono individuare:- Onde riflesse;- Onde dirette;- Onde rifratte;- Onda d’aria;- Multiple e riverberazioni;- Rumore ambientale

Impedenza Acustica (AI):

AI = Z = Vp * dove

Vp = velocità onde compressive

= densità

Impedenza Acustica (AI):

AI = Z = Vp * dove

Vp = velocità onde compressive

= densità

Strettamente connessa alla velocità di propagazione delle onde sismiche nei diversi mezzi, è l’impedenza acustica (AI),

Tale grandezza è un importante parametro che quantifica la “diversità” tra i due mezzi a contatto: quanto maggiore sarà la differenza tra le caratteristiche fisiche dei due mezzi (in particolare velocità e densità), tanto maggiore sarà la differenza tra le relative impedenze acustiche.

Densità e Velocità sono funzione:LitologiaPorositàCompattazioneContenuto di fluidi

In una sezione sismica compaiono molti riflettori. I maggiori cambiamenti nelle propietà chimico/fisiche delle rocce producono delle riflessioni forti e continue.

Un riflettore sismico è il limite tra corpi con diverse propietà (cambiamento litologico, contenuto di fluidi). Le diverse propietà causano la riflessione/rifrazione delle onde sismiche.

Bed 1

Bed 2

Incoming ray Reflec

ted

ray

Refracted ray

lower velocity

higher velocity

energy source

signal receiver

Onde sismiche e interfacce

Quando un’onda incontra una repentina variazione nelle caratteristiche elastiche di un mezzo, come una superficie di separazione tra due strati, parte dell’energia è riflessa e continua a viaggiare nello stesso mezzo dell’energia incidente, mentre la restante parte è rifratta nel mezzo inferiore con un netto cambio della direzione di propagazione del raggio all’interfaccia.

La riflessione e la rifrazione sono alla base della sismica.

21

sinsin

VVti

Legge di Snell (legge della rifrazione)

con V2>V1

2

1

sin

sin

V

V

t

i

Modello ConvoluzionaleModello ConvoluzionaleE’ di grande importanza in sismologia poiché la Terra ha un comportamento

convoluzionale se sollecitata da sorgenti di energia elastica.E’ di grande importanza in sismologia poiché la Terra ha un comportamento

convoluzionale se sollecitata da sorgenti di energia elastica.

Il modello convoluzionale ci spiega come l’onda acustica interagisce con laTerra per “costruire” la traccia sismica.

x(t)= s(t)*e(t) + n(t)

Il modello convoluzionale ci spiega come l’onda acustica interagisce con laTerra per “costruire” la traccia sismica.

x(t)= s(t)*e(t) + n(t)

La validità di questo modello si fonda su diverse assunzioni che ne rendono più semplice la trattazione matematica:1. Nel sottosuolo sono ipotizzate discontinuità orizzontali. 2. La sorgente utilizzata genera solo onde piane longitudinali che incidono verticalmente su ciascuna discontinuità in modo tale da non generare onde di taglio (Zero-offset: sorgente e ricevitori coincidenti)..3. La forma dell’ondina sorgente e stazionaria, cioè non varia durante la propagazione nel sottosuolo.4. Il rumore casuale presente nelle registrazioni è noto e trascurabile.5. La forma d’onda della sorgente è conosciuta.6. La riflettività terrestre è una sequenza casuale.

x(t)=sismogrammas(t)=sorgente sismicae(t)=mezzo attraversaton(t)=rumore random

SismogrammaSismogramma

x(t)=s(t)*e(t)+n(t)dove:s(t)=sorgente sismicae(t)=mezzo attraversaton(t)=rumore random

L’obiettivo dell’acquisizione/elaborazione è:•ridurre n(t)•ricostruire e(t)

La traccia sismica è una serie temporale che rappresenta la registrazione della risposta del sottosuolo (riflettività terrestre) alla perturbazione indotta dalla sorgente sismica.

Esempio di shot gatherEsempio di shot gather

Sismica a Riflessione e a RifrazioneSismica a Riflessione e a RifrazioneUna delle metodologie che meglio consente la ricostruzione del sottosuolo

con un elevata accuratezza e risoluzioneUna delle metodologie che meglio consente la ricostruzione del sottosuolo

con un elevata accuratezza e risoluzione

La tomografia è un metodo che permette di individuare anomalie nella velocità di propagazione delle onde sismiche. L’elevato potere risolutivo offre la possibilità di ricostruire stratigraficamente situazioni complesse.

La sismica a riflessione multicanale risulta molto efficace nelle applicazioni geologico-strutturali in quanto fornisce una sezione del sottosuolo molto simile a una “sezione” geologica e consente, quindi, di eseguire analisi strutturali e di stratigrafia “sismica” sui riflettori.

12

La registrazione sismica è più complessa di unasemplice forma d’onda sinusoidale.

Vengono generate una complessa varietà di forme d’onda; Vengono generate un “mix” di frequenze ognuna delle quali ha una fase differente; La Terra è un sistema fisico complesso.

- Le tecniche di riflessione non sono soggette all’assunzione di velocità crescente con la profondità.

- Le tecniche di riflessione richiedono, per evidenziare una data interfaccia, sorgenti più piccole e stendimenti più corti poiché il percorso dei raggi riflessi è prevalentemente verticale.

- Le tecniche di riflessione possono potenzialmente risolvere caratteristiche deposizionali superficiali e ricostruire strutture di difficile definizione con l’uso di tecniche di rifrazione.

La registrazione sismica è più complessa di unasemplice forma d’onda sinusoidale.

Vengono generate una complessa varietà di forme d’onda; Vengono generate un “mix” di frequenze ognuna delle quali ha una fase differente; La Terra è un sistema fisico complesso.

- Le tecniche di riflessione non sono soggette all’assunzione di velocità crescente con la profondità.

- Le tecniche di riflessione richiedono, per evidenziare una data interfaccia, sorgenti più piccole e stendimenti più corti poiché il percorso dei raggi riflessi è prevalentemente verticale.

- Le tecniche di riflessione possono potenzialmente risolvere caratteristiche deposizionali superficiali e ricostruire strutture di difficile definizione con l’uso di tecniche di rifrazione.

Simple Oscillatory Wave

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

0 500 1000 1500 2000 2500

Time/ Depth

Am

pli

tu

de

Ampiezza

Periodo (secondi) / Lunghezza d’onda (metri)

Frequenza: N° di onde in 1 secondo (Hertz)

Velocità = Frequenza * Lunghezza d’onda

Fase: ritardo del

fronte d’onda

L’onda acustica può essere descritta in termini di: Ampiezza: E' la misura dello scostamento massimo dalla posizione di equilibrio. Lunghezza d’onda: Distanza tra due punti corrispondenti lungo la forma d'onda. Frequenza: Numero di cicli che vengono compiuti dall'onda in un secondo, dove un ciclo si

intende composto da una semionda positiva e una semionda negativa. Periodo: Tempo impiegato per compiere un ciclo completo. Fase: è la relazione tra due forme d’onda Velocità

L’onda acustica può essere descritta in termini di: Ampiezza: E' la misura dello scostamento massimo dalla posizione di equilibrio. Lunghezza d’onda: Distanza tra due punti corrispondenti lungo la forma d'onda. Frequenza: Numero di cicli che vengono compiuti dall'onda in un secondo, dove un ciclo si

intende composto da una semionda positiva e una semionda negativa. Periodo: Tempo impiegato per compiere un ciclo completo. Fase: è la relazione tra due forme d’onda Velocità

Risoluzione Sismica

Con questo termine si intende quanto due punti, possono essere vicini e rimanere tuttavia distinti nell’immagine sismica.

Risoluzione Verticale

La soglia considerata limite per una buona risoluzione verticale è λ/4. Per valori minori di λ/4, i riflettori non sono più risolvibili, in quanto, i segnali riflessi al tetto ed al letto dello strato entreranno in interferenza costruttiva simulando un unico riflettore dalla forte ampiezza.

La risoluzione verticale può essere migliorata in fase di elaborazione mediante delle tecniche di deconvoluzione che, comprimendo l’ondina di base, ampliano lo spettro in frequenza del segnale

Risoluzione Orizzontale

La Prima Zona di Fresnel è l’area dove le onde, che differiscono tra loro meno di una lunghezza d’onda, interferiscono costruttivamente.

f

tvzr

2)2/( 2/1

Riflettori più piccoli della prima zona di Fresnel, generano la stessa risposta.

La Risoluzione è una funzione della lunghezza d’ondaSia la risoluzione verticale che quella orizzontale diminuiscono con la profondità:

– La Frequenza diminuisce– La Velocità aumenta e quindi aumenta la lunghezza d’ondaNoi “controlliamo” il rapporto frequenza/ampiezza– Acquisizione

• Parametri d’acquisizione appropriati– Geometria d’acquisizione (posizione scoppio-ricevitore).– Stendimento grande per sopprimere noise ma piccolo per preservare

le alte frequenze • Caratteristiche sorgente

– Processing• La Deconvoluzione aumenta la risoluzione verticale• La Migrazione aumenta la risoluzione orizzontale

f

tvR

2Rv=λ/4

Sistema d’acquisizioneSistema d’acquisizione

Sorgente sismica

RipetibileElevata RisoluzioneTempo di energizzazione conosciutoEconomica e Sicura

Sistema di energizzazione Sistema di acquisizione Sistema di registrazione

Geofoni Sismografi

Sorgenti da impatto

Vantaggi

Basso costo

Semplici da maneggiare e manutenere

Svantaggi

Non ripetibile

Faticosa

Poco energetica

Genera energia a bassa frequenza

Martello

Fucile sismico

Vantaggi

Ripetibile

Energia immessa superiore al martello

Genera energia a più alta frequenza

Svantaggi

Onde superficiali (ground roll)

Sicurezza

Equipaggiamento

Massa battente

Impatto al suolo di un grave in caduta libera o accelerata, l’accelelazione può avvenire tramite spinta idraulica (hydra_pulse) o elastico

Vantaggi

Ripetibile;

Ampio spettro di frequenze;

Impatto ambientale nullo.

Svantaggi

Penetrazione non elevata

Esplosivo

Vantaggi

Molto energetiche

Alta frequenza

Ripetibile

Svantaggi

Sicurezza

Acquisizione più lenta

Forte impatto ambientale (permessi)

Costi d’acquisizione e manutenzione

Sorgenti vibratorie

Vantaggi

Alta Ripetibilità

Alta frequenza

Molto energetiche

Basso impatto ambientale

Svantaggi

Elevati costi d’acquisizione e manutenzione

I rilevatori utilizzati di norma in prospezione sismica terrestre sono velocimetri e sono chiamati geofoni.

Un geofono misura il moto del suolo traducendolo in un segnale elettrico e trasmettendolo al sismografo.

SENSORI SISMICI

Il magnete interno al geofono si muove con il terreno in quanto solidale ad esso mentre la bobina, essendo sospesa alla molla, agisce come elemento inerte rispetto al suolo, questo moto relativo genera una tensione.

La risposta dei geofoni ad un segnale di ingresso è espressa in termini di ampiezza. La curva ampiezza-frequenza definisce la relazione tra il fattore di trasduzione (rapporto tra la tensione misurata e la velocità di vibrazione per ogni frequenza) e la frequenza. Si osserva un picco in corrispondenza della frequenza naturale del sistema oscillante, per la quale si verificherebbe risonanza se non si ricoresse allo smorzamento (resistenze di shunt)

I dati sono archiviati in un Laptop connesso via Ethernet ai Geodi.

Sismografi

Il segnale tradotto dal geofono viene registrato da una stazione sismica (sismografo).

I segnali analogici provenienti dai geofoni (24) giungono al geode (sismografo) e qui vengono digitalizzati mediante convertitori analogico/digitali.

Acquisizione digitale

Acquisire un dato fisicamente continuo, in forma digitale o numerica, significa campionarlo ad intervalli di tempo regolari e renderlo in forma discreta rappresentandolo mediante una serie temporale.

Vantaggio: possibilità di elaborare il segnale e riduzione della quantità di spazio necessaria per storarlo.

Passo di campionamento (Δt): l’intervallo di campionamento deve essere tale da poter ricostruire la massima frequenza a cui si è interessati.

Tale frequenza, è quella massima estraibile dai dati ed è campionata due volte per ciclo. La massima frequenza utilizzabile è la metà di quella di Nyquist, corrispondente a quattro campioni per ciclo. Occorre quindi, prima di scegliere l’intervallo di campionamento, avere le idee abbastanza chiare sulla massima frequenza del segnale e quindi sulla risoluzione che si vuole ottenere dal sondaggio.

Fn = 1/2Δt

Es: Δt = 1ms, Fn = 500hz

Variazione della Frequenza al variare del t

L’acquisizione dei dati necessari per la costruzione di un profilo sismico a riflessione, avviene con la disposizione dei geofoni lungo una linea il più retta possibile, questi registreranno la risposta del sottosuolo alle sollecitazioni causate dall’onda generata dalla sorgente artificiale, trasformandola in segnale digitale. L’eseguire più energizzazioni successive e l’utilizzare un alto numero di ricevitori, ci permette d’avere una copertura multipla di uno stesso riflettore profondo, ovvero di avere più riflessioni dallo stesso punto

Tale schema d‘acquisizione consente di registrare sia eventi riflessi con alta copertura in un ampio intervallo di offset (riflessioni quasi verticali a piccoli offset e ad offset maggiori le riflessioni post-critiche), sia eventi rifratti in profondità, adatti per la tomografia dei primi arrivi.

Spaziatura ricevitori: 5m; Spaziatura sorgenti: 10 m

La copertura (Fold) è definita come il numero di volte che uno stesso punto in profondità viene campionato, ciò può essere formalmente espresso come: copertura = N/2n , dove N è il numero di geofoni ed n è l’intervallo tra due posizioni della sorgente.

CRG – Common Receiver gather: raccoglie le tracce registrate dallo stesso ricevitore (d).

COG – Common Offset Gather: raggruppa le tracce aventi lo stesso offset (distanza sorgente-geofono) (c).

CMP – Common Midpoint Gather: riunisce tutte le tracce aventi lo stesso punto medio (b). Da notare che nel caso di riflettori piani il CMP coincide con il CDP (Common Depth Point).

CSG – Common Shot Gather: raccoglie tutte le tracce che sono caratterizzate dalla stessa posizione della sorgente, in altre parole è l’insieme delle registrazioni di tutti i geofoni effettuate per uno scoppio (a).

In fase d’elaborazione, conoscendo la geometria d’acquisizione, sarà possibile combinare le tracce sismiche provenienti da ciascun ricevitore in maniera tale da ottenere varie configurazioni, ciascuna delle quali enfatizza aspetti diversi del database acquisito

Seismic ProcessingSeismic Processing

Dato di campagna Sezione sismica

Lo scopo dell’elaborazione di dati di sismica a riflessione è il tentativo di ricostruire dalle tracce registrate la riflettività terrestre estrapolandola sulla base del modello convoluzionale.

Il prodotto finale della sequenza di elaborazione convenzionale è una sezione sismica stack che contiene informazioni su struttura e stratigrafia della zona esplorata. A a partire dall’analisi di un profilo sismico, la successiva operazione di interpretazione è mirata a risalire alla presenza e posizione delle discontinuità nel terreno e possibilmente anche a delle informazioni sulle proprietà fisiche dei mezzi che compongono il terreno (ossia, in senso lato, litologia, porosità, eventuale presenza di fluidi).

Gli obiettivi generali dell’elaborazione sismica sono l’incremento del rapporto segnale-rumore ed il miglioramento della risoluzione sia verticale che orizzontale. Le operazioni fondamentali dell’elaborazione convenzionale dei dati sismici sono, nell’ordine usuale di applicazione:

1) Deconvoluzione;2) Stacking;3) Migrazione.

Il volume dei dati sismici è rappresentato nelle coordinate dell’elaborazione: CMP-offset-tempo. La deconvoluzione agisce lungo l’asse del tempo e incrementa la risoluzione verticale. Lo stacking comprime il volume dei dati nella direzione dell’offset e produce il piano della sezione stack (la faccia frontale del prisma). La migrazione muove gli eventi inclinati nella loro posizione reale e collassa le diffrazioni, aumentando così la risoluzione orizzontale. (Yilmaz,1987).

Esempio flusso elaborazione

Parametri e geometria di acquisizione

Distanza intergeofonica: 5 mDistanza tra shot: 10 mIntervallo di campionamento: 1 msFinestra temporale: 2 s

Strumentazione utilizzata

N. 6 Sismografi modulari “Geode” a 24 bit a 144 canali Geofoni verticali a stringa doppia da 14 Hz

Sorgente: Sistema idraulico a mazza battente auto movente (trattore agricolo) Minipulse 2800 Joule

SEQUENZA PROCESSING

Picchetti (N)

Tim

e (m

s)

20 40 60 80

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Picchetti (N)

Tim

e (m

s)

20 40 60 80

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

a) b)

Diffrazioni

Progetto CNR – CERFIS - CARISPAQ

CORSOLunghezza linea: 955 metriN° canali: 192N° shot: 91

Profilo CorsoProfilo Corso

NE

SW

Tomografia Corso

RMS: 5.65

NE SW

Sezione StackNE SW

Profilo Corso

Sezione Migrata in profonditàNE SW

Profilo Corso

SALLUSTIOLunghezza linea 295 metriN° canali: 60N° shot: 27

NW

SEProfilo SallustioProfilo Sallustio

Sezione Stack

SE NW

Profilo Sallustio

RMS: 2.1

Tomografia Sallustio

PETTINOLunghezza linea 340 metriN° canali: 69N° shot: 39

Profilo PettinoProfilo Pettino

Sezione Stack

NW SE

Profilo Pettino

GRAZIE PER L’ATTENZIONEGRAZIE PER L’ATTENZIONE