Metodi sismici per la caratterizzazione dinamica del sottosuolo: tecniche a confronto

La sismica a rifrazione considera i tempi di propagazione delle onde elastiche che, generate al suolo, si rifrangono su superfici di discontinuità. E’ bene ricordare che un orizzonte sismico non necessariamente coincide con un orizzonte litologico in quanto la velocità di propagazione di un impulso sismico, può variare nell’ambito di uno stesso litotipo perché, per variazioni di compattazione, fratturazione, porosità, cambiano le caratteristiche elastiche.

Lo scopo della prova consiste nel caratterizzare dinamicamente, tramite la misura della velocità di propagazione delle onde di compressione Vp e di taglio Vs, le unità litologiche presenti nell’area di indagine e determinarne velocità e spessore per ottenere informazioni sulla natura e sulla struttura del sottosuolo. La prova trova il suo miglior campo di applicazione con profondità delle coperture da esplorare inferiore ai 30 – 40 metri.

Si rende necessaria soprattutto, quando i risultati da ottenere devono essere di qualità e precisione discrete e quando interessano dati medi relativi ad ampi volumi di terreno. La sismica a rifrazione consiste nel produrre sulla superficie del terreno, in prossimità del sito da indagare, sollecitazioni dinamiche verticali per la generazione delle onde P e orizzontali per la generazione delle onde SH e nel registrare a distanze note e prefissate mediante geofoni rispettivamente a componente verticale ed orizzontale, le vibrazioni prodotte.

La catena dei geofoni che costituisce il sistema ricevente, si chiama stendimento; lo stendimento, insieme con il numero degli scoppi viene comunemente chiamato copertura. Il numero degli scoppi per ogni linea sismica può variare da un minimo di tre fino ad un massimo di sette - otto, dipende dall’accuratezza con cui si vuole ricostruire la geometria del riflettore, dalla profondità a cui esso si trova e dalle caratteristiche dei materiali che
costituiscono il sito.

L’apparecchiatura utilizzata per questo tipo di prove si deve comporre delle seguenti parti:
• Sistema sorgente;
• Sistema di ricezione;
• Trigger;
Sistema di acquisizione dati.

E’ importante sottolineare che nella scelta del sistema sorgente va posta particolare attenzione, in quanto quest’ultimo deve essere in grado di generare onde elastiche ad alta frequenza, ricche di energia, con forma d’onde ripetibili e direzionali, cioè con la possibilità di ottenere onde di compressione ed onde di taglio polarizzate sul piano orizzontale, SH. L’energizzazione, o sistema sorgente, può essere effettuata in diversi modi:
• caduta libera di un grave;
• esplosivi;
sistemi vibranti.

I sistemi che utilizzano la caduta libera di un grave sono i meno costosi; per generare onde P viene in genere utilizzato un grave, di solito del peso di circa 100 Kg, che portato ad un’altezza di circa 3 metri mediante una carrucola montata su di un apposito carrello ammortizzato, viene lasciato libero di cadere sul terreno; mentre se si vogliono generare onde di tipo SH, si imprime al grave un movimento pendolare in modo da farlo impattare su di una piastra infissa verticalmente nel terreno.

Per rilievi a piccola profondità, si utilizza un martello del peso da 5 Kg a 10 Kg, col quale si percuote una piastra connessa solidamente con il terreno per le onde P, mentre per le onde a prevalente componente di taglio, si percuote alternativamente i lati di una cassa di ferro opportunamente riempita di materiale terrigeno o un parallelepipedo di legno; in ambedue i casi l’asse maggiore del sistema sorgente deve essere posto perpendicolarmente alla direzione dello stendimento.

Vengono così generate due onde di polarità opposta sottraendo la cosiddetta battuta sinistra-battuta destra, in modo da individuare meglio l’istante di primo arrivo (metodo cross-over). E’ importante curare l’accoppiamento tra cassa o parallelepipedo e terreno, che deve essere per contatto e non per infissione, attraverso la disposizione di un carico statico addizionale che consenta una perfetta adesione sia al momento della battuta sia successivamente, al fine di evitare che l’energia prodotta in parte venga dispersa e che si proceda alla generazione di onde puramente di taglio, senza che sia ravvisabile alcun contenuto in onde P (Signanini, Rainone & alii, 2002).

L’esplosivo è la principale fonte di energizzazione; una carica di dinamite viene interrata e fatta esplodere al fondo di un perforo appositamente eseguito, a profondità e in quantità dettate dallo scopo dell’obiettivo da raggiungere. Per esplorazioni a brevi profondità, si può usare anche un “fucile” mediante il quale si spara una cartuccia, di calibro opportuno, in un pozzetto praticato nel terreno al cui fondo viene sistemata una comune piastra di battuta.

Dopo la fase di acquisizione si devono interpretare i segnali rilevati e conseguentemente si deve fare una stima del profilo di velocità sia delle onde P che delle onde di taglio. Questa fase si può ricondurre a tre momenti principali:
• individuazione del primo arrivo;
• costruzione della dromocrona;
• interpretazione dei dati.