Sismica a rifrazione

Tecnica d'indagine sismica a rifrazione

La metodologia sismica a rifrazione utilizza la stima delle velocità di propagazione delle onde sismiche nel sottosuolo che sono generate quando il terreno è sottoposto a sollecitazioni artificiali o naturali (sisma). La determinazione delle velocità viene ricavata misurando i tempi di primo arrivo delle onde sismiche generate in diversi punti sulla superficie topografica.

Operativamente, ciò che viene eseguito in campagna è una disposizione lungo una retta di trasduttori velocimetrici (geofoni) lungo la sezione che si desidera investigare. Quindi, in funzione della risoluzione e delle profondità ricercate, si dispongono i punti di produzione dell'energia elastica. Gli scoppi saranno disposti secondo geometrie variabili rispetto alla copertura geofonica.

Come accennato prima, lo scopo della tecnica d'indagine denominata "sismica a rifrazione" è di ricostruire un profilo sismo stratigrafico lungo l'allineamento geofonico di investigazione. Secondo i tempi di primo arrivo delle onde longitudinali P e le distanze relative alla configurazione geometrica adottata (interspazio geofonico e offset di scoppio) sarà possibile dimensionare gli spessori dei sismo-strati attraversati dalla radiazione elastica e quindi ottenere una dettagliata perizia sismica della porzione di sottosuolo sottoposta ad indagine.

I casi di applicazione della sismica a rifrazione

I metodi di interpretazione della sismica a rifrazione di superficie si basano sull'analisi delle onde P o in alternativa onde S e trovano numerosi campi di applicazione:

• Studi di carattere geotecnico (individuazioni delle proprietà fisiche dei mezzi investigati).
• Studi di carattere geologico (successioni stratigrafiche, individuazione di faglie, strutture sepolte, ecc.).
• Determinazione della profondità del substrato roccioso.
• Studi per la pianificazione del territorio (microzonazione sismica).
• Studi in campo ambientale (discariche).

La tabella di seguito riportata illustra i casi di applicazione per ogni metodologia d'indagine.

Metodo delle intercette (o metodo convenzionale)

La sismica a rifrazione con il metodo delle intercette

Il metodo d'indagine sismica con il metodo delle intercette (o metodo convenzionale) nelle indagini sismiche viene utilizzato nel caso di strati orizzontali o con inclinazione uniforme ed in continuità topografica (superficie topografica). La condizione che la velocità dei rifrattori aumenti con la profondità è assolutamente necessaria.

Analiticamente si procede al dimensionamento dei tempi di viaggio dei fronti d'onda. Riportando successivamente i tempi registrati e le distanze su un grafico, si ottengono le domocrone che rappresentano i segmenti relativi ai tempi diretti e rifratti. I reciproci dei coefficienti angolari delle domocrone corrispondono alle velocità Vn, Vn+1, …., Vn+i delle onde longitudinali P per gli n+i sismostrati.

Metodo del reciproco generalizzato (GRM)

La sismica a rifrazione con il metodo del reciproco generalizzato

In presenza di morfologie complesse degli orizzonti geofisici è utilizzabile il metodo del reciproco generalizzato (GRM, di R. Palmer) che consente di ricostruire rifrattori ondulati a qualunque profondità, utilizzando sempre la geometria dei profili coniugati.

Gli aspetti di base dell'elaborazione sono:

• Il calcolo della funzione analisi-velocità, dalla quale si ottiene la velocità del rifrattore.
• Il calcolo della funzione tempo-profondità, che è una misura della profondità del rifrattore, espressa in unità di tempo.

L'analisi sismica si basa sulla determinazione del tempo di tragitto delle onde sismiche tra due geofoni separati da una distanza variabile XY che entra nel calcolo della velocità di propagazione delle onde nel rifrattore e della sezione tempo – profondità.

Il problema consiste nel calcolare con precisione la distanza XY ottimale per la quale i segmenti dei raggi che viaggiano verso l'alto e arrivano a ciascun geofono, emergano quasi dallo stesso punto del riflettore. Ciò permette di valutare tutte le eventuali variazioni laterali di velocità del rifrattore, e quindi di ricostruire anche morfologie complesse

Il GRM si sviluppa attraverso due fasi:

• 1. Definizione delle funzioni.
• 2. Stima del valore ottimale di XY.

Metodo del reciproco di Hawkins o Delay time

La sismica a rifrazione con il metodo del reciproco di Hawkins rappresenta un caso particolare del GRM in cui viene posto XY = 0. Tale semplificazione comporta delle significative limitazioni:

• La morfologia dell'orizzonte fisico può avere un andamento irregolare, ma i tratti singoli non devono avere variazioni laterali eccessive (<20°).
• Non si possono intercettare variazioni laterali di velocità.

Il metodo ha comunque il vantaggio di essere più speditivo e di semplice applicazione, visto che non è necessaria la determinazione del valore ottimale XY.

Metodo tomografico

Le metodologie di calcolo tomografico sono utilizzate per le ricostruzioni sismostratigrafiche del sottosuolo in situazioni complesse. Esse consentono l’ottimizzazione non lineare dell’inversione dei tempi di primo arrivo delle fasi dirette e rifratte delle onde sismiche registrate durante una prospezione sismica a rifrazione.

L’utilizzo di algoritmi tomografici complessi implementati all’interno del software Rayfract (WET - Wavepath Eikonal Traveltime tomography processing) consente di ottenere un modello 2D del sottosuolo dove le variazioni cromatiche rappresentano le varie velocità di propagazione delle onde sismiche generate.

Un esempio è riportato nella figura a seguire.