TOMOGRAFIA ELETTRICA 2D E 3D ESEGUITA A SUPORTO
DELLO STUDIO DEL DISSESTO IDROGEOLOGICO
**************************** -
RAPPORTO TECNICO DI PROVA
PROSPEZIONE GEOELETTRICA 2 D E 3D.
REV.
0
Data e località
Nov.2013 Troina
(EN)
Ditta committente
Redatto
G. Coco
Dott. Geol. F. Furia
Approvato
Dr. M. Corrao
COMM.-JOB:
Controllato
Dr. M. Corrao
IG_131_13
IL PRESENTE DOCUMENTO E’ PROPRIETA’ GEOCHECK S.r.l. A TERMINE DI LEGGE OGNI DIRITTO E’ RISERVATO
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INDICE
pag.
1.0- PREMESSA
3
2.0 - PROSPEZIONE GEOELETTRICA TOMOGRAFICA
4
2.1 - GENERALITÀ
4
2.2 - RESISTIVITÀ DELLE ROCCE
4
3.0 - STRUMENTAZIONE ED ACQUISIZIONE DATI
7
4.0 -PROSPEZIONE GEOELETTRICA TOMOGRAFICA TRIDIMENSIONALE
9
4.1 - GENERALITÀ
9
4.2 – DISPOSITIVO GEOMETRICO ELETTRODICO
10
4.3 - ELABORAZIONE DATI
12
4.4 - RISULTATI TOMOGRAFIA ELETTRICA 3D
13
5.0 - PROSPEZIONE GEOELETTRICA TOMOGRAFICA BI-DIMENSIONALE
15
5.1 – DISPOSITIVO GEOMETRICO DEGLI ELETTRODI
15
5.2 - RISULTATI PROFILO GEOELETTRICO
16
5.2.1- - Nota descrittive sezione 2D elettro-tomografica
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1.0Le
PREMESSA
prove
geofisiche
oggetto
del
presente
rapporto
tecnico,
commissionate
dal
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxed hanno riguardato la caratterizzazione geo-resistiva
del
sottosuolo
su
cui
insiste
il
quartiere
di
case
della
lottizzazione
denominata
“xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
. Lo scopo è stato quello di determinare l’assetto idrogeologico del sottosuolo onde evidenziare
eventuali linee di impluvio sepolte.
Nella tabella seguente vengono identificati lunghezze, numero elettrodi ed ID di riferimento:
Tomo 2D
ID prove
Nr. Elettrodi
Distanza tra gli
Lunghezza
elettrodi (m)
(m)
3
90
geolettriche
ERT_1
30
Tabella 1 – Elenco prove eseguite
Tomo 3D
⇒ n° 1 indagine geoelettrica tomografica tridimensionale denominata TE3D.
L’ubicazione delle indagini è schematizzata di seguito:
Figura 1. Ubicazione indagini
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2.0 - PROSPEZIONE GEOELETTRICA TOMOGRAFICA
2.1 - GENERALITÀ
La tecnica “Tomografica” è un processo di calcolo che consente la ricostruzione per immagini
di un mezzo da investigare. Si tratta di un processo di stima dei parametri del modello che meglio
approssimano i dati osservati. Il calcolo dovrà condurre ad un modello finale, accettabile dal punto
di vista fisico-matematico, quando lo scarto tra i dati osservati e quelli calcolati tende al minimo.
La “Tomografia Elettrica” consiste nella determinazione di profili o volumi di resistività e/o
caricabilità attraverso la disposizione sul terreno di un numero elevato di elettrodi che
progressivamente vengono spostati lungo una data direzione variandone la distanza inter-elettrodica
al fine di aumentare la profondità d’investigazione. Il set di dati così ottenuto consente la
costruzione di una matrice di valori di resistività la cui inversione, mediante algoritmi matematici,
restituisce la definizione del mezzo investigato in “immagini” di elettro-resistive.
2.2 - RESISTIVITÀ DELLE ROCCE
La resistività delle rocce, considerando che queste sono praticamente isolanti, dipende
principalmente dalla presenza di acqua nei pori. La quantità dei pori nella roccia è definita dalla
porosità che è data dal rapporto tra il volume dei pori e quello della roccia. macrofessure o cavità
laddove l’unica presenza è l’aria hanno un comportamento elettrico nullo, cioè la resistività tende a
valori altissimi (infinito dal punto di vista teorico).
La resistività di una roccia dipende ancora dalla tessitura, cioè dalla disposizione, forma e
dimensioni dei granuli che la compongono, e dai vuoti riempiti di acqua. Si precisa che le rocce ed i
minerali non sono mezzi isotropi e cioè corpi materiali dove le grandezze fisiche si mantengono le
stesse prescindendo dalla direzione, ma variano da leggermente a fortemente anisotropi.
L’anisotropia delle rocce, relativamente alla resistività, è il risultato di una combinazione di
differenti caratteristiche spaziali legate a microfessurazioni, stratificazioni variabili, tessitura,
porosità.
Quindi riepilogando la resistività elettrica, oltre
alle proprietà elettriche intrinseche del
materiale indagato, principalmente dai seguenti fattori:
− grado di saturazione dei pori e porosità;
− la densità, ovvero lo stato d’addensamento (specie in terreni alluvionali) della formazione;
− la granulometria;
− l’eventuale grado di fatturazione;
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− la presenza di acqua o di umidità e quindi il grado di saturazione;
− salinità del fluido presente nei pori;
− la presenza di vuoti;
− temperatura;
− presenza di sostanze organiche (idrocarburi, solventi,ecc.);
− presenza di argilla.
La relazione empirica proposta da Archie, invece, è valida per suoli avente scarsa componente
argillosa (sabbie, ghiaie):
ρs = ρf a φ-n S-m
dove:
la resistività del fluido ρf è calcolabile, qualora si conoscano le concentrazioni di ioni in
soluzione (ad es. Cl-, SO4 =, NO3-, ecc.), utilizzando la formula:
ρf = 0.0123 + 10 (3.562 - 0.955 log10C )
dove C è la somma delle concentrazioni (pesate da opportuni coefficienti ricavati
sperimentalmente per ciascun ione) di tutti gli ioni presenti.
In geoelettrica si osserva il “flusso” delle cariche attraverso le rocce, trascurando le tendenze
allo squilibrio elettrico. Il flusso di cariche è la corrente elettrica che scorre per convezione da un
polo positivo (+) ad un altro negativo (-). Questa si misura in Ampere (A) e cioè la quantità che
passa in un punto del circuito nell’unità di tempo (1 secondo). Ciò che determina il flusso è la
differenza di potenziale (d.d.p.) e cioè la depressione elettrica tra due punti distanti. La d.d.p. si
misura in Volt (V). Nelle rocce il flusso di corrente è direttamente proporzionale alla differenza di
potenziale (V). Il rapporto tra d.d.p. e corrente (I), a meno di un coefficiente geometrico (K),
definisce la resistenza offerta da un corpo a farsi attraversare da cariche. Questo semplice rapporto,
definito come legge di Ohm, introduce una terza grandezza: la resistività elettrica (ρ
ρ).
ρ=K
V
I
Vengono di seguito elencati i “range” di resistività di alcune rocce, minerali e metalli:
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ROCCE – MINERALI - METALLI
Rocce sedimentarie
Resistività
(ohm*m)
Calcare
Argilla
Ghiaia
Sabbia
Arenaria
Marna
Quarzite
100 – 5000
1 – 100
100 – 5000
100 – 103
100 -104
1 - 100
5000 – 105
Rocce ignee e metamorfiche
10 – 105
100- 105
100 – 106
10 – 104
103 – 106
100 – 106
Basalto
Granito
Marmo
Scisto
Gabbro
Ardesia
Minerali e metalli
Pirite
Argento
Grafite
Quarzo
Salgemma
Bauxite
Galena
0,0001 - 10
10-7
0,001 - 1
105
10 – 109
200 - 6000
0,01 - 200
Acque
Di mare
Pura
Naturale
Con 20% di sale (NaCl)
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< 0,2
100 – 103
1 - 100
0,001
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3.0 - STRUMENTAZIONE ED ACQUISIZIONE DATI
La strumentazione utilizzata consiste in un georesistivimetro multielettrodico digitale (24 bit)
modello X612-EM aventi le seguenti caratteristiche tecniche:
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L’acquisizione dei dati consiste nel generare corrente continua tramite elettrodi di corrente (poli
d’immissione) e misurare la differenza di potenziale che si genera nei picchetti di misura M – N,
secondo geometrie prefissate.
Le procedure seguite per l’operazione d’acquisizione dati può essere così riassunta:
ricerca preliminare dei sotto servizi prima dell’infissione degli elettrodi nel terreno
disposizione sul campo degli elettrodi lungo la geometria prefissata (scelta della
configurazione geometrica polo-dipolo, wenner, dipolo dipolo);
controllo della resistenza di contatto elettrodo/terreno;
controllo della continuità elettrica tra cavo ed elettrodi;
riduzione della resistenza di contatto, fino ad un 1K ohm, mediante l’utilizzo di bentonite e
di acqua con aggiunta di Sali;
scelta delle tabelle di misura
misura dei potenziali spontanei;
immissione della corrente secondo forma d’onda quadra ad intervalli di tempo regolari;
misura ed archiviazione dati.
I dati archiviati sono in forma matriciale e contengono informazioni sulle acquisizioni di
campagna consentendone l’immediata elaborazione.
Località:
riferimento:
configurazione:
intervallo:
note:
mis
1
2
3
A
1
1
1
Troina
Ricerca conduttivo
POLO-DIPOLO
3 (m)
muro di contenimento armato.
L’elettrodo 25 è stato posizionato sul
lato del muro
B
4
7
10
M
2
3
4
N
3
5
7
I (mA)
334.1
327.13
245.85
V (mV)
214.97
9.72
8.4
PS (mV) ρ (Ohm*m)
21.09
12.13
54.38
1.12
-45.12
1.93
s.d.
0.02
0.01
0.01
M (ms)
3.2
33.5
12.6
Tabella 2 – Tabella misure di campagna
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4.0 -PROSPEZIONE GEOELETTRICA TOMOGRAFICA TRIDIMENSIONALE
4.1 - GENERALITÀ
Ha avuto lo scopo, nella fattispecie, di ricostruire un volume tridimensionale elettroresistivo e di
individuare all’interno dello stesso eventuali anomalie elettriche imputabili alla presenza deflusso
idrico preferenziale.
La “Tomografia elettrica 3D” consiste nella determinazione di blocchi tridimensionali di
resistività grazie alla disposizione sul terreno di un numero elevato di elettrodi, secondo geometrie
prefissate, attraverso i quali viene immessa corrente elettrica continua nel terreno e misurata la
differenza di potenziale della corrente in risalita.
Il set dati così ottenuto consente la costruzione di una matrice di valori di resistività la cui
inversione, mediante algoritmi matematici, restituisce la definizione del mezzo investigato in
“blocchi” elettro-resistivi.
Figura 2. Planimetria area di studio e ubicazione elettrodi
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4.2 – DISPOSITIVO GEOMETRICO ELETTRODICO
Per la prova in oggetto sono stati utilizzati 48 elettrodi (47 picchetti + 1 elettrodo in posizione
“remota”- Tab.3 ) la cui disposizioni è stata progettata al fine di ottenere misure di potenziale
secondo una configurazione polo-dipolo (Figura 4 e 5).
Tabella 3 – Coordinate dei picchetti in metri
Elettrodo di immissione
Superficie
Elettrodi di misura
A
M
na
N
a
Figura 3. Configurazione Polo-Dipolo
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remoto
Figura 4. Disposizione geometria degli elettrodi.
La configurazione polo-dipolo, in relazione alla possibilità di disporre liberamente gli elettrodi
in superficie, ha, rispetto ad altre geometrie (wenner, dipolo-dipolo, polo-polo ecc.), una migliore
copertura orizzontale, una maggiore potenza del segnale ed è meno afflitta dal “rumore” tellurico
rispetto, ad esempio, alla matrice polo-polo. A differenza delle altre geometrie, il polo-dipolo è una
geometria fortemente asimmetrica e per ciò le misurazioni devono essere effettuate con le modalità
"forward" e "reverse" degli elettrodi. L'utilizzo di misurazioni ridondanti con sovrapposizione dei
livelli di misura, aumenta la densità dei dati contribuendo a migliorare la risoluzione del
conseguente modello di inversione.
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Figura 5. Blocco 3D configurazione geometrica e volume analizzato. I numeri in riquadro indicano gli
elettrodi.
4.3 - ELABORAZIONE DATI1
L’elaborazione dei valori di resistività apparente calcolati sulla base dei potenziali misurati in
sito, è stata eseguita attraverso un algoritmo d’inversione tomografica 3D del tipo “full 3D
dimensional”. Questo tipo di algoritmo, basato su elementi finiti tetraedrici, consente l’input di dati
topografici complessi e di invertire il data-set dei dati registrati, anche in presenza di elevato “noise”
elettrico di fondo.
1
Software Ertlab+
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4.4 - RISULTATI TOMOGRAFIA ELETTRICA 3D
I risultati consistono nella definizione dell’immagine elettroresistiva tridimensionale del volume
di terreno circostante e sottostante l’area interessata dal dissesto idrogeologico. Le restituzioni
riguardano il blocco georesistivo 3D complessivo, ed i piani XY estratti a diversa quota.
Il volume geo-resistivo è per lo più dato da valori di resistività riferibili a terreni conduttivi e,
marginalmente e più in superficie, da terreni resistivi.. Il blocco conduttivo ( res < 100 ohm *m) è
caratterizzato dalla presenza di due “plume” fortemente conduttivi ( res < 5 ohm *m), indicati con
un riquadro bianco tratteggiato, localizzati ,rispettivamente, alla base del muro di contenimento e tra
le coordinate X 27-36. Tali “plume” si sviluppano da monte verso valle e potrebbero indicare la
presenza di terreni imbibiti.
Figura 6. Immagine elettrotomografica 3D complessiva. I pallini rossi identificano gli elettrodi (per la
numerazione si rimanda alla tabella 3 ed alla fig. 5)
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Nella seguente figura sono riportate le aree prima descritte e la probabile direzione di flusso
idrico (freccia con tratteggio bianco). Tali aree sono estratte nel piano XY a diversa quota.
1000 m
(s.l.m.m.)
S1
S1
S2
S2
995 m
(s.l.m.m.)
1006 m
(s.l.m.m.)
S1
S2
S1
S2
1005 m
(s.l.m.m.)
Figura 7. Sezione XY .
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5.0 - PROSPEZIONE GEOELETTRICA TOMOGRAFICA BI-DIMENSIONALE
Ha avuto lo scopo, nella fattispecie, di localizzare e designare anomalie elettriche imputabili
alla presenza di eventuali linee di deflusso idrico preferenziale..
5.1 – DISPOSITIVO GEOMETRICO DEGLI ELETTRODI
Le linee geoelettriche sono state eseguite con geometria lineare e configurazione quadripolare
dipolo-dipolo (Figura 8).
La geometria dipolo-dipolo è molto sensibile alle variazioni di resistività orizzontali, ma
relativamente insensibile alle variazioni verticali di resistività. Così, la disposizione dipolare è
efficace per la mappatura delle strutture verticali (quali cavità), ma poco efficace per definire le
strutture orizzontali. La profondità media di indagine di questa matrice dipende sia dalla "a"
spaziatura ed il fattore "n".
Figura 8. Configurazione dipolo - dipolo
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5.2 - RISULTATI PROFILO GEOELETTRICO
Di seguito si riportano i risultati della linea elettro-tomografica, che consiste nella restituzione
grafica della resistività reale del terreno (inversione tomografica).
5.2.1- - Nota descrittive sezione 2D elettro-tomografica
Le sezione geo-elettrica ERT1 è caratterizzata dalla presenza di due aree fortemente conduttive
( res. < 5 ohm*m) e di un blocco alto-resistivo ascrivibile al muro di contenimento. Le aree
conduttive, indicate con un tratteggio bianco, sono concentrate, la prima al centro della sezione la
seconda alla base del blocco alto-resistivo. La prima area ha un andamento nucleiforme (vd. Fig.6),
mentre la seconda ha una morfologia tronco-conica che indicherebbe una linea di deflusso idrico
preferenziale.
Di seguito sono riportate lo stralcio planimetrico con l’ubicazione dei sondaggio ERT e la
sezioni elettro-tomografica invertita.
Tomografi a el ettrica 2D e suo ver so
S1
S2
Figura 9 – Ubicazione sezione 2D
Tomografia Elettrica
ERT_1
Figura 10 – ERT. 1 Sezione elettro-tomografica
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