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RIASSUNTO
Il presente lavoro di Tesi si colloca nell’ambito della Sismica a Riflessione, uno dei
principali metodi utilizzati nella Geofisica di Esplorazione.
L’impiego di questa metodologia indiretta e non invasiva rientra tra i principali metodi
d’indagine per l’esplorazione di formazioni rocciose sottostanti la superficie terrestre,
permettendo di raggiungere profondità variabili da diverse decine di metri a diversi
chilometri.
La metodologia può essere applicata sia in ambiente terrestre che marino e si basa sullo
studio di onde sismiche generate in superficie da apposite sorgenti di energia e riflesse
da interfacce presenti nel sottosuolo. Tale metodologia ha un impiego a largo spettro
che va da contesti ambientali, esplorativi e ingegneristici.
Nel seguente lavoro sono stati analizzati due sismogrammi, uno acquisito a terra (on-
shore) e l’altro in mare (off-shore), provenienti rispettivamente dall’area geotermica
di Larderello (linea CROP 3b, acquisita nell’ambito della campagna di esplorazione
geofisica CROP-TERRA) e dall’area Adriatica in corrispondenza delle isole Tremiti
(linea CROP M13, acquisita nell’ambito della campagna di esplorazione geofisica
CROP-MARE). Lo studio è rivolto a mettere in evidenza le profonde differenze delle
due tipologie di dato che riguardano la parte di configurazione e strumentazione
impiegata in fase di acquisizione e soprattutto le caratteristiche stesse del dato
registrato.
Le osservazioni risultanti da questo lavoro sono state effettuate tramite l’utilizzo del
software ProMAX® (strumento ampiamente utilizzato nel mondo dell’industria per
l’analisi ed elaborazione di dati sismici), il quale ha permesso l’importazione dei
datasets per la visualizzazione ed analisi di entrambi i sismogrammi.
La tesi è articolata in una parte iniziale caratterizzata da un’introduzione alla Sismica
a Riflessione, seguita da un’illustrazione su concetti teorici riguardo la propagazione
di onde sismiche, i loro aspetti cinematici e dinamici ed alcuni cenni sulla teoria del
campionamento e la trasformata 1-D di Fourier.
Riassunto
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Successivamente, saranno esaminati i parametri di acquisizione dei dati presi in esame,
confrontandone ad esempio le diverse tipologie di sorgenti sismiche e ricevitori
utilizzati, seguite dai rispettivi metodi di acquisizione impiegati in ambito sia marino
che terrestre e le diverse configurazioni lineari di sorgenti-ricevitori (split-spread per
il dato terrestre e off-end per quello marino).
Per entrambi i dati, è stata effettuata un’analisi nel dominio dei tempi dove è stato
possibile procedere alla descrizione della cinematica dei principali eventi registrati
(arrivi diretti, riflessi e rifratti), esaminando i tempi di arrivo (travel-time) delle onde
sismiche in funzione della distanza sorgente-ricevitore (offset). Inoltre, sono state
individuate e confrontate varie fasi presenti nella registrazione dei dati come quelle
appartenenti a diversi tipi di disturbo (rumore o noise). Il rumore presente in un
sismogramma può essere di tipo coerente, come le multiple di fondo mare nel caso del
sismogramma marino e ground roll (onde superficiali) per quanto riguarda il
sismogramma terrestre, oppure non coerente (random) come il rumore di fondo
ambientale.
Un’analisi ulteriore di entrambi i dati (sia marino che terrestre) infine è stata effettuata
andando ad indagare le componenti armoniche che costituiscono il segnale sismico.
Tali osservazioni sono state eseguite nel dominio delle frequenze a partire dall’utilizzo
della trasformata 1-D di Fourier, la quale consente di scomporre una serie temporale
nelle sue componenti armoniche la cui rappresentazione costituisce rispettivamente lo
spettro di ampiezza e di fase. Nel presente lavoro è stato trattato il solo spettro di
ampiezza consentendo di identificare la banda (range di frequenze) nella quale risiede
il segnale utile, distinguendola (ove possibile) dal rumore.
Riassunto
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INTRODUZIONE
Questo lavoro di tesi si colloca nell’ambito della Sismica a Riflessione e si propone di
analizzare e confrontare gli aspetti principali che caratterizzano due sismogrammi,
acquisiti rispettivamente in ambiente marino (offshore) e terrestre (onshore). Vengono
quindi evidenziate le profonde differenze riguardanti le due tipologie di dato, sia nella
configurazione e strumentazione impiegate in fase di registrazione, che,
principalmente, nelle caratteristiche stesse del dato registrato.
L’obiettivo di tale studio è quello di analizzare gli aspetti cinematici e dinamici
fondamentali che si osservano durante la propagazione di onde sismiche, con
particolare attenzione per quanto riguarda l’analisi di dati sismici a riflessione.
Lo strumento principale che ha permesso l’importazione dei datasets per la
visualizzazione ed analisi dei dati è stato il software ProMAX®, sviluppato dalla
‘Landmark Graphics Corporation’ di proprietà della Halliburton. Tale programma è
molto diffuso in ambito industriale per l’analisi ed elaborazione di dati sismici,
presenta una struttura complessa e le funzionalità a disposizione sono molteplici.
Per il presente lavoro di tesi vengono utilizzati soltanto due moduli, denominati ‘Trace
Display’ e ‘Interactive Spectral Analysis’, fondamentali per l’analisi di entrambi i dati
rispettivamente nel dominio dei tempi e nel dominio delle frequenze. Entrambi i
moduli sono inseriti in un flusso (flow: Input-Process-Output) secondo la logica
prevista dal software.
Per quanto riguarda la struttura della tesi, in una prima parte teorica viene riportata
un’introduzione alla Sismica a Riflessione, seguita da concetti generali sulla
propagazione di onde sismiche, i loro aspetti cinematici e dinamici ed alcuni cenni
sulla teoria del campionamento e la trasformata 1-D di Fourier.
In seguito, si procede con la descrizione dei parametri di acquisizione dei dati presi in
esame, acquisiti nell’ambito delle campagne di esplorazione geofisica ‘CROP-MARE’
(dato acquisito in mare) e ‘CROP-TERRA’ (dato acquisito a terra), confrontandone ad
esempio le diverse tipologie di sorgenti sismiche e ricevitori utilizzati, seguite dai
Introduzione
8
rispettivi metodi di acquisizione impiegati in ambito sia marino che terrestre e le
diverse configurazioni lineari di sorgenti-ricevitori.
Una prima analisi di entrambi i dati viene effettuata nel dominio dei tempi, nel quale
si procede al riconoscimento degli eventi registrati, permettendo inoltre una
descrizione e distinzione dei vari tipi di rumore (o noise) presenti nel dato sismico.
Infine, viene eseguita un’ulteriore analisi, la quale permette di indagare le componenti
armoniche che caratterizzano il segnale sismico; tali osservazioni sono effettuate nel
dominio delle frequenze, trattando solamente lo spettro di ampiezza.
Introduzione
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CAPITOLO I:
TEORIA E PRINCIPI FISICI DELL’INDAGINE
GEOFISICA
1.1 Sismica attiva
Per indagini di sismica attiva si utilizzano diverse sorgenti di onde sismiche artificiali,
a seconda dell’ambiente, marino o terrestre, in cui è effettuata la prospezione.
Queste, quando attivate, producono un rilascio di energia con generazione di onde
sismiche che, propagandosi nel mezzo d’interesse (ad esempio il sottosuolo),
originano una riflessione ogni qualvolta tali onde incontrano un’interfaccia tra livelli
rocciosi caratterizzati da differenti proprietà fisiche e/o caratteristiche litologiche, con
diverse velocità e densità (a diverso contrasto di impedenza acustica).
La propagazione delle onde sismiche dipende dalle caratteristiche elastiche del mezzo
e la trasmissione delle onde elastiche nel terreno può essere descritta in base alla teoria
dell’elasticità. Tra le tecniche d’indagine attiva una delle più diffuse è la Sismica a
Riflessione, la quale, permette di fornire un’accurata immagine del sottosuolo e
parametri elastici delle formazioni attraversate, indagando profondità variabili da
diverse decine di metri a diversi chilometri.
1.1.1. Sismica a Riflessione
Nell’ambito della Geofisica di Esplorazione, la Sismica a Riflessione è il principale
metodo d’indagine; tale metodologia indiretta e non invasiva si basa sul fornire delle
immagini dirette del sottosuolo e parametri elastici delle formazioni attraversate, a
partire da dati sismici, ovvero da dati ricavati dalla misura dello spostamento delle
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particelle o dalla misura della variazione di pressione, in seguito al passaggio di onde
elastiche. I dati sismici, che sono di gran lunga più efficaci nel fornire informazioni
accurate e di dettaglio, sono ottenuti a partire da una sorgente di energia, la quale può
situarsi sia a mare che a terra generando la propagazione di onde sismiche dirette nel
sottosuolo.
Quest’ultime si propagano e vengono riflesse/rifratte/trasmesse dalle interfacce che
separano mezzi con diverse proprietà elastiche e, infine, la risposta dei segnali riflessi
e rifratti viene registrata da appositi geofoni (nel caso di acquisizioni terrestri), oppure
da idrofoni (per quanto riguarda le acquisizioni marine) posti in superficie.
Il dataset ottenuto dall’indagine sismica consiste in una serie di eventi caratterizzati
da un loro tempo di arrivo ai vari sensori (proprietà cinematiche), ampiezza e fase
(proprietà dinamiche)
1
.
Le tecniche di acquisizione ed elaborazione dei dati di Sismica a Riflessione sono
molto sviluppate ed impiegate nell’ambito della ricerca di fonti di energia, con
particolare attenzione nella ricerca petrolifera, nel quale vengono esplorate le strutture
geologiche che fungono da trappola per idrocarburi nei bacini sedimentari.
Oltre agli ambiti tradizionali di ricerca di fonti energetiche, le indagini di Sismica a
Riflessione incrementano sempre di più il peso del loro ruolo anche per ulteriori
settori
2
, tra cui ad esempio la progettazione di grandi opere di ingegneria civile,
l’esplorazione del sottosuolo terrestre in relazione alla determinazione del rischio
sismico e vulcanico, la riduzione di rischi ambientali e, inoltre, è sfruttata anche per lo
sviluppo di energia geotermica.
La capacità nel fornire immagini di dettaglio del sottosuolo è supportata dall’utilizzo
di moderni software, sempre in continuo sviluppo, attraverso i quali è possibile
ricostruire immagini sia bidimensionali (2D) che tridimensionali (3D) ottenendo
informazioni sull’assetto geologico-strutturale dell’area da indagare.
1
YLMAZ, O. (2001)
2
MAZZOTTI, A., STUCCHI, E. (Ver. 1.0)
Capitolo I Teoria e principi dell’indagine geofisica
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1.2 Cenni di propagazione delle onde sismiche
Il concetto di propagazione di una perturbazione sismica attraverso un mezzo
eterogeneo può risultare abbastanza complesso; tuttavia, è possibile fare alcune
assunzioni per semplificarne la descrizione.
Si consideri un mezzo elastico ed isotropo ed un’onda piana di tipo compressionale
che si propaga in un’unica direzione, generata ad esempio da un pistone rigido che si
muove di moto armonico. Le particelle del materiale a contatto con la parete del
pistone vengono spostate lungo la direzione del movimento di esso acquistando una
certa energia ed essendo soggette a forze elastiche, inizieranno ad oscillare intorno alla
loro posizione di equilibrio.
Le principali assunzioni che stanno alla base della descrizione della propagazione delle
onde sono
3
:
1. Si considerano corpi elastici, le cui reazioni elastiche sono guidate da forze
interne che si oppongono alla deformazione.
2. L’energia si conserva.
3. Principio di linearità. Vale la Legge di Hooke nel quale le deformazioni sono
linearmente proporzionali agli sforzi, considerandoli infinitamente piccoli e
quindi è possibile trascurare i termini di secondo ordine nelle relazioni
matematiche, ottenendo relazioni lineari.
4. Principio di reciprocità della propagazione. Scambiando ad esempio la
posizione della sorgente con quella del ricevitore il percorso non varia.
A partire da tali considerazioni è possibile definire gli spostamenti (u) della
perturbazione sinusoidale in funzione dello spazio (x) e del tempo (t) con una certa
ampiezza (A) e frequenza angolare (") con la seguente relazione:
3
LOWRIE, W. (2007)
Capitolo I Teoria e principi dell’indagine geofisica
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