Prospezioni geologiche

2.2
Prospezioni geologiche
2.2.1 Fotointerpretazione,
telerilevamento,
cartografia digitale,
cartografia integrata
Introduzione
In questa sezione descriveremo il forte e rapido impatto esercitato, soprattutto negli ultimi due decenni del 20°
secolo, dalle tecnologie spaziali e informatiche sulle attività di esplorazione e di sviluppo degli idrocarburi sia
in terra che in mare.
Per ricercare ed estrarre dal sottosuolo gli idrocarburi è indispensabile la conoscenza dettagliata della geologia, della geografia e dell’oceanografia. Occorre ricostruire l’evoluzione geologica di una regione non solo
per stabilire se nel suo sottosuolo esistano rocce madri,
sepolte a una profondità tale da consentire la formazione di idrocarburi, e rocce serbatoio, ma anche per determinare se sono presenti strutture che hanno consentito
la migrazione e l’intrappolamento degli idrocarburi. La
topografia e la geografia di superficie sono importanti
sia per gli aspetti logistici relativi all’esplorazione geofisica e alla perforazione sia nelle fasi successive di produzione, costruzione di pipeline e infrastrutture di superficie. Se oggi la nostra conoscenza di gran parte della
superficie e degli oceani della Terra ha raggiunto un così
alto grado di sviluppo, si deve soprattutto ai rilevamenti dettagliati eseguiti nel corso della seconda metà del
20° secolo, impiegando tecnologie prima aerotrasportate e poi spaziali. Questa attività continua a essere svolta con sistemi ancora più sofisticati montati a bordo di
veicoli spaziali e con l’uso generalizzato di tecniche di
cartografia computerizzata che ha ormai sostituito le vecchie mappe stampate e le fotografie. Nel 19° secolo e
all’inizio del 20°, rilevamenti regionali di questo tipo
non esistevano e fino a non molto tempo fa, disponevamo di mappe topografiche digitali degli altri pianeti più
precise di quelle terrestri.
VOLUME I / ESPLORAZIONE, PRODUZIONE E TRASPORTO
Sviluppi ancora più recenti, relativi, in particolare,
all’uso dello spazio e agli straordinari progressi compiuti nella produzione di potenti microcomputer, hanno
esercitato un’influenza ancora più profonda sull’evoluzione delle scienze della terra. Oggi, veicoli spaziali orbitanti trasmettono dati geograficamente corretti agli operatori a terra, i quali possono interpretare con computer
portatili il loro complesso contenuto spettrale, per mappare le strutture, la litologia e persino la mineralogia. I
satelliti orbitanti rilevano le manifestazioni di superficie degli idrocarburi naturali e le variazioni del campo
gravitazionale terrestre sugli oceani, mentre i satelliti del
Global Positioning System (GPS) consentono ai geologi di determinare con grande precisione la loro posizione sul terreno.
Fotogeologia
La fotogeologia, che consiste nell’interpretazione
geologica di fotografie aeree, si è sviluppata nel periodo tra le due guerre mondiali, rivelandosi un metodo di
rilevamento efficace e rapido.
In quel periodo furono sviluppate macchine fotografiche di grande formato (pellicola di 2525 cm), con
cui si ottenevano coppie stereoscopiche sovrapposte di
fotografie aeree in bianco e nero, successivamente interpretate con uno stereoscopio a specchio che permetteva
ai geologi di osservare il terreno in tre dimensioni. Grandi aree di terreno di cui fino ad allora non esistevano
mappe dettagliate furono rilevate in questo modo soprattutto in Africa e in Asia, per iniziativa delle ex potenze
coloniali, e negli Stati Uniti d’America. I rilevamenti
aerei erano eseguiti in particolare per scopi topografici
(nelle aree più remote, la mancanza di buone mappe topografiche costituiva un serio ostacolo per qualsiasi tipo
di sviluppo socio-economico). Tuttavia, i geologi ben
presto si resero conto del fatto che differenti litologie e
tipi di rocce subivano un processo di erosione diverso
e caratteristico a seconda degli ambienti geografici e
185
ESPLORAZIONE PETROLIFERA
climatici, condizione che consentì di realizzare mappe geologiche molto accurate e dettagliate con un minimo lavoro sul terreno. La visione stereoscopica (o in 3D) è utile
soprattutto perché aiuta l’interprete a riconoscere le diverse morfologie del terreno, a mappare il reticolato idrografico (che spesso riflette i tipi di roccia sottostanti), la
stratificazione, la direzione e l’inclinazione geologiche,
così come i rigetti delle faglie.
Si procedette così per la prima volta al rilevamento dettagliato della geologia delle principali regioni produttrici di petrolio del mondo, come, per esempio, i
monti Zagros in Iran, i bacini interni del Nord America e le strutture giganti dell’Algeria. Oggi, come vedremo più avanti, la fotogeologia è stata ormai in gran parte
sostituita dall’interpretazione delle immagini satellitari, e la visione stereoscopica ha ceduto il passo alle tecniche Digital Elevation Models (DEM) per la rappresentazione e visualizzazione 3D, rese possibili dalla
grafica computerizzata. Tuttavia, le basi per l’interpretazione delle immagini satellitari rimangono le stesse della fotogeologia: un’accurata analisi visiva condotta da esperti geologi con una buona conoscenza del
terreno.
Un altro grande vantaggio della fotogeologia, e soprattutto dei successivi sviluppi registrati con le immagini da satellite, è l’ampia visione d’insieme fornita da
queste tecniche rispetto a ciò che si può realizzare lavorando a terra. Esse non si limitano ad accelerare il lavoro di rilevamento geologico, ma consentono ai geologi
di compiere osservazioni al di là dell’immediata area di
interesse – spesso, per esempio, le rocce madri non affiorano all’interno del bacino preso in esame, ma a una certa
distanza da quest’ultimo, a volte al di là dei confini politici del paese – e consentono di osservare grandi strutture, a volte difficili o impossibili da individuare a distanza ravvicinata sul terreno.
La fotografia aerea e la fotogrammetria, tenuto conto
del fatto che si sono sviluppate in un periodo in cui non
esistevano ancora i computer, divennero procedimenti
molto sofisticati e accurati attraverso i quali si potevano
ottenere mappe topografiche dettagliate. Per combinare
tra loro le fotografie come tasselli di un mosaico ed eliminare le distorsioni derivanti dal processo fotografico,
furono impiegati ingegnosi metodi ottici, meccanici e
fotografici.
Durante la Seconda Guerra Mondiale, quando la
ricognizione aerea divenne uno strumento di informazione strategico di capitale importanza, questi metodi
furono ulteriormente sviluppati. Nello stesso periodo,
iniziarono a emergere nuove tecniche di fotografia a
colori, incluse le pellicole all’infrarosso per l’individuazione delle mimetizzazioni, e la tecnologia radar,
due strumenti che si sarebbero rivelati estremamente
importanti nei successivi sviluppi spaziali della ricognizione geologica.
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La fotografia all’infrarosso o a falso colore
La fotografia aerea raggiunse il culmine del suo sviluppo dopo la fine della Seconda Guerra Mondiale,
periodo in cui la maggior parte delle aree del globo furono rilevate con questo metodo, anche se le fotografie in
questione e le mappe da esse ottenute spesso furono
segretate dai governi nazionali per ragioni di sicurezza.
Uno degli sviluppi più significativi di questo periodo fu
rappresentato dal monitoraggio della mimetizzazione
militare con l’impiego della pellicola all’infrarosso. Tale
pellicola è sensibile alla radiazione infrarossa riflessa,
in una parte dello spettro dove la sensibilità dell’occhio
umano non arriva. In questa parte dello spettro, la vegetazione risulta particolarmente evidente e la gamma di
risposte dei diversi tipi di vegetazione è molto ampia.
Questa è la ragione per cui la pellicola all’infrarosso fu
sviluppata soprattutto per rivelare la vegetazione artificiale usata per la mimetizzazione militare, ma questo
tipo di pellicola permette anche di cogliere con maggiore chiarezza le minime variazioni della vegetazione
naturale, che spesso risultano correlate a determinate
caratteristiche geologiche. Particolari combinazioni di
comunità di piante privilegiano, infatti, suoli derivati da
specifici tipi di rocce e queste informazioni possono
aiutare i geologi a mappare la diversità e le variazioni
dei tipi di rocce, soprattutto nelle regioni in gran parte
oscurate dalla copertura della vegetazione e del suolo.
Un ulteriore vantaggio di questa tecnica è costituito dal
fatto che nell’infrarosso vicino, la penetrazione della
foschia atmosferica migliora e quindi questo tipo di fotografie a falso colore spesso appaiono più chiare, soprattutto se realizzate ad alta quota. In seguito, queste proprietà furono sfruttate nello sviluppo degli strumenti di
immagine satellitare.
Le immagini radar
Rimanevano, tuttavia, alcune difficoltà da superare nelle regioni dell’estremo Nord e Sud e in quelle
tropicali ed equatoriali dove una coltre stabile di nubi
preclude l’acquisizione di fotografie nitide. Questo
problema fu risolto grazie allo sviluppo di sistemi radar
in grado di registrare immagini della superficie del terreno attraverso la copertura di nubi. Si tratta di sensori attivi che operano nella regione a microonde dello
spettro elettromagnetico e che illuminano il terreno
con una strisciata obliqua, per poi registrare le radiazioni riflesse generando un’immagine; le strisciate
adiacenti sovrapposte possono essere osservate stereoscopicamente. Queste immagini radar, benché siano
in generale più difficili da interpretare delle fotografie convenzionali a causa dei loro angoli obliqui di illuminazione, a volte evidenziano le caratteristiche geomorfiche e topografiche di un’area, rivelando sorprendenti dettagli geologici aggiuntivi. Negli anni Settanta,
prima dell’avvento delle immagini satellitari, molte
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PROSPEZIONI GEOLOGICHE
aree tropicali di rilevante interesse per l’esplorazione
petrolifera come, per esempio, l’America centrale e
meridionale, l’Africa occidentale e l’Asia sudorientale furono mappate con radar aerotrasportati per l’interpretazione geologica.
Il telerilevamento dallo spazio
La cosiddetta guerra fredda portò a una intensificazione dell’informazione telerilevata aerea e a una maggiore consapevolezza delle sue possibilità e, in seguito,
la vulnerabilità degli aerei da ricognizione ad alta quota
guidati da equipaggi umani favorì l’uso dello spazio per
scopi strategici. Lo spazio divenne così la nuova arena
dell’esplorazione e dell’acquisizione di immagini della
Terra. Negli anni Cinquanta e Sessanta, sia gli Stati Uniti
che l’Unione Sovietica svilupparono satelliti da fotoricognizione, ma solo in alcuni rari casi ai civili fu consentito di accedere ai risultati, benché, verso la fine degli
anni Sessanta, le fotografie della Terra realizzate dagli
astronauti delle missioni Apollo avessero dimostrato la
grande utilità per gli studiosi delle scienze della terra
delle immagini fornite dai satelliti. Solo nel 1971, con il
lancio del satellite statunitense ERTSl (in seguito ribattezzato Landsat), immagini satellitari coerenti e geograficamente rettificate iniziarono a divenire accessibili ai ricercatori di tutto il mondo.
Le prime immagini Landsat, anche se con una risoluzione spaziale di soli 80 m, erano in falso colore a infrarossi, potevano essere ingrandite in scala di 1:250.000 e
riprendevano la maggior parte delle regioni del mondo,
con l’eccezione di quelle coperte da coltri di nubi. Nel
corso degli anni Settanta e Ottanta, la loro diffusione
contribuì alla comprensione della tettonica a placche,
soprattutto in merito ad alcune caratteristiche tettoniche,
come le faglie e i lineamenti, che ora potevano essere
mappate su scala continentale. Da questo punto di vista,
anche il rilevamento gravimetrico satellitare offshore (v.
oltre) ha fornito un importante contributo. Le compagnie petrolifere iniziarono subito a sfruttare le immagini satellitari, finalmente accessibili, per studi tettonici
regionali, per l’analisi dei bacini, per la pianificazione
dei rilievi sismici e persino per una prima selezione degli
obiettivi strutturali. Alcune aree remote del globo, mai
studiate attraverso la fotografia aerea, furono rilevate per
la prima volta. La serie Landsat ha continuato a svilupparsi con immagini a risoluzione spaziale di 30 m (ottenute nel 1986 tramite il Landsat ETM), con l’aggiunta
di bande spettrali nel medio infrarosso, utili soprattutto
per distinguere i differenti minerali argillosi, e quindi per
migliorare la qualità del rilevamento geologico. L’ultimo satellite della serie, il Landsat 7, lanciato nel 1999
(anche se il sistema operativo ha smesso di funzionare
nel 2003), ha prodotto immagini di 15 m di risoluzione
al suolo e reso possibili rilevamenti in scala 1:50.000
(fig. 1 A).
VOLUME I / ESPLORAZIONE, PRODUZIONE E TRASPORTO
In seguito a questo fallimento, il sistema satellitare
per immagini ASTER (costruito in Giappone ma montato sul satellite Terra della NASA, lanciato nel 1999) si
è imposto come alternativa a breve termine. ASTER è
interessante per i geologi perché offre 15 m di risoluzione con 14 bande spettrali e la possibilità di produrre
DEM (v. oltre). Purtroppo le bande spettrali di ASTER
sono in generale più utili per l’esame delle rocce ignee,
delle rocce metamorfiche e dei minerali che per la geologia dell’esplorazione petrolifera. ASTER, tuttavia, ha
suscitato un vivo interesse tra i geologi soprattutto perché ha portato alla realizzazione di altri due sensori satel-
fig. 1. Confronto
fra immagini
Landsat ETM, SPOT
e Ikonos (Yemen).
A. 15 m Landsat ETM
B. 5 m SPOT
C. 2,5 m SPOT
D. 1 m Ikonos
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ESPLORAZIONE PETROLIFERA
litari iperspettrali, Hyperion della NASA, lanciato sul
satellite EO-1 nel 2000 (con 220 bande spettrali e 30 m
di risoluzione) e CHRIS dell’Agenzia Spaziale Europea
(European Space Agency, ESA), lanciato su PROBA nel
2002 (con 18 bande spettrali e 18 m di risoluzione). A
causa delle ridotte aree delle immagini di questi due sensori, della limitata copertura disponibile e della inidoneità delle bande di CHRIS per la ricerca geologica,
entrambi i satelliti rivestono interesse più dal punto di
vista della ricerca che da quello applicativo.
Negli Stati Uniti si prevede una nuova missione Landsat, ma la maggior parte degli osservatori ritiene che ci
si orienterà verso un programma diverso, probabilmente con una cooperazione internazionale. Le future linee
guida di tali programmi riguarderanno soprattutto il monitoraggio ambientale, la selvicoltura, l’agricoltura e la
cartografia dell’utilizzo del territorio, ma anche le scienze geologiche potranno beneficiarne. È comunque ancora possibile fare molti studi geologici con le immagini
archiviate negli ultimi venti-trenta anni; in generale, infatti, l’interpretazione geologica non richiede necessariamente immagini estremamente aggiornate.
Elaborazione delle immagini
e cartografia mediante computer
Poiché le immagini del Landsat (e della maggior parte
dei satelliti) vengono trasmesse a terra sotto forma di
segnali elettromagnetici, sono particolarmente adatte a
essere elaborate al computer. Negli anni Settanta, i computer digitali a basso costo erano ancora in via di sviluppo e i dispositivi di input, di spazio dati e di output
necessari al trattamento di grandi e complessi volumi di
dati delle immagini satellitari erano pochi e molto costosi. Questa situazione ha iniziato a subire un drastico cambiamento verso la fine degli anni Ottanta con l’avvento
di microcomputer meno dispendiosi che hanno finalmente permesso di sfruttare a fondo questa importante
fonte di informazioni geologiche. Oggi, i geologi possono scaricare da Internet nei loro personal computer
immagini di 15 m di risoluzione di quasi tutte le regioni del mondo, combinarle con i dati di quota digitale e
restituire i risultati in 3D, per poi ‘colorare’ la propria
interpretazione geologica sull’immagine stessa ed estrarla, alla fine del processo, sotto forma di carta geologica
destinata alla stampa a colori. I geologi, inoltre, possono acquisire e registrare molti tipi di dati ausiliari come,
per esempio, dati magnetometrici e gravimetrici, dati
relativi al sottosuolo (sismica e pozzi) e altre informazioni generali attraverso cui elaborare e perfezionare l’interpretazione finale.
Le tecniche di Image Processing (IP) permettono di
migliorare e visualizzare in modo ottimale le immagini,
soprattutto quelle a più bande spettrali, aiutando così l’interprete nel suo lavoro. Le immagini possono essere ottimizzate e filtrate in diversi modi, mentre la luminosità e
188
il contrasto possono essere regolati in modo da migliorare l’interpretazione. In alcune aree, la tecnica IP può
essere usata anche per effettuare in modo semiautomatico alcune operazioni di cartografia, come, per esempio,
la selezione di aree caratterizzate da un particolare tipo
di roccia o di copertura vegetale. La maggioranza dei geologi, tuttavia, concorda nel ritenere l’interpretazione visiva di primaria importanza, grazie alla sorprendente capacità del cervello umano di compiere associazioni ottiche
e di richiamare dalla memoria tutta l’esperienza acquisita sul terreno. I sistemi IP consentono, grazie a opportune funzioni, di registrare nelle immagini le note cartografiche dell’interprete, come stratificazioni, simboli
strutturali e limiti litologici. L’IP facilita inoltre il merging di diverse serie di dati, in modo che la tessitura o i
dettagli del terreno di un’immagine satellitare possano
essere caratterizzati, per esempio, con i dati di quota coregistrati o con una mappa delle linee di livello aeromagnetiche così da formare un’immagine composita. Lo studio comparato di queste informazioni può aiutare i geologi sia nell’interpretazione della superficie sia nello
studio delle relazioni esistenti tra la morfologia superficiale e la geologia del sottosuolo. Queste immagini combinate, infine, possono essere visualizzate in 3D o in prospettiva, conferendo, quindi, una dimensione addizionale. L’IP è particolarmente importante quando si opera con
più canali spettrali, come avviene, per esempio, con i dati
del satellite ASTER, perché è solo tramite il computer
che differenti combinazioni di risposte spettrali possono
essere analizzate per mappare i diversi contributi degli
spettri di minerali. Tale tecnica diverrà ancora più importante nel futuro per esaminare i dati forniti dai satelliti
iperspettrali di prossima generazione.
Il Geographical Information System (GIS) costituisce invece il sostituto moderno delle mappe stampate
con la proprietà addizionale che tutte le informazioni
sono immagazzinate in forma digitale e ordinate in una
banca dati relazionale. Il sistema GIS consente ai cartografi di combinare informazioni disparate – organizzando i dati di fonti molto diverse e garantendo che tutti
i dati siano stati geograficamente coregistrati – e di presentare risultati con un alto grado di flessibilità (fig. 2).
In generale, un GIS consente l’uso di differenti proiezioni cartografiche e di diversi dati, e contiene funzioni
che permettono il confronto delle informazioni contenute e di link tra i differenti elementi che compongono
il database. È possibile infine stampare mappe in un’ampia gamma di scale e di proiezioni, con appropriate sovrapposizioni di immagini o di dati geofisici a seconda delle
necessità. L’evidente vantaggio dell’approccio GIS è
costituito dal fatto che le mappe possono essere continuamente aggiornate e rivedute in merito al contenuto e
alle correlazioni visualizzate. La tendenza attuale privilegia questo lavoro quasi esclusivamente sullo schermo
del computer invece che sulla stampa.
ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
PROSPEZIONI GEOLOGICHE
elaborazione dei dati
e GIS
acquisizione
dei dati
cartografia digitale integrata
fig. 2. Sistema GIS: costruzione
di carte tematiche e modelli 3D digitali
e georeferenziati.
Lo sviluppo della tecnologia IP e GIS è legato a sua
volta a quello, molto rapido, della potenza e delle capacità dei microcomputer. L’IP opera su dati raster (che
includono una matrice o griglia di valori di dati, come,
per esempio, un’immagine fotografica o di altro genere), spesso con un alto grado di colour depth (per esempio, 24 bit nel caso della maggior parte dei dati satellitari), mentre i GIS sono prevalentemente basati su database relazionali e sulla grafica vettoriale (che includono
valori su singoli punti, spesso legati tra loro per formare linee e poligoni). Attualmente questi due approcci non
convergono o non si integrano così facilmente come
occorrerebbe ai geologi, ma la situazione è destinata a
cambiare con l’ulteriore sviluppo di queste tecnologie.
Esiste ancora una lacuna tra i sistemi specializzati di elaborazione e di visualizzazione usati per i dati relativi al
sottosuolo (per esempio, sismici) e quelli usati nell’IP e
nei GIS, ma è molto probabile che nel prossimo futuro
questa lacuna sarà colmata.
Cartografia integrata, carte tematiche,
banche dati digitali e modelli tridimensionali
Le mappe e i dati ottenuti sia direttamente sul terreno sia con le metodologie e gli strumenti sopra descritti, possono essere integrati tra loro all’interno del sistema GIS, per ottenere cartografie particolari (anche tridimensionali) che possano soddisfare le diverse esigenze
richieste dall’attività di ricerca petrolifera. Le carte topografiche possono, per esempio, essere integrate alle carte
geologiche, alle foto aeree e alle immagini da satellite
(fig. 3).
VOLUME I / ESPLORAZIONE, PRODUZIONE E TRASPORTO
Il merging di diversi tipi di dati telerilevati, per esempio immagini Landsat con immagini SPOT o radar (v.
oltre), permette di ottenere mappe che descrivono particolari caratteristiche del territorio (litologia, lineamenti
strutturali, vegetazione, umidità), evidenziate da una
diversa risoluzione spettrale o da un diverso sensore (per
esempio, Radar) o contraddistinte da un’elevata risoluzione spaziale (per esempio, ottenuta con le immagini
SPOT). Su mappe specifiche (morfologiche, geologiche, relative a facilities petrolifere, ecc.) possono essere sovrapposte altre informazioni come strade, confini
di Stato, vegetazione, fabbricati e così via. Il database
geografico risulta così costituito da diversi strati, o layers
(v. ancora fig. 3).
All’interno del sistema GIS, i dati cartografici vengono analizzati e integrati per ottenere, oltre alle carte
topografiche, anche carte tematiche digitali come mappe
morfologiche, geologiche e strutturali, litologiche, idrogeologiche, stratigrafiche e cronostratigrafiche, di stabilità dei versanti, della distribuzione della vegetazione,
della distribuzione delle aree umide, dell’inquinamento.
Ovviamente i programmi informatici permettono di creare sovrapposizioni e confronti fra le diverse carte tematiche. Nel sistema GIS, i dati cartografici possono essere correlati a un database relazionale dove risiedono tutte
le informazioni che caratterizzano un determinato elemento della carta (quota, nomi, simboli, litologia, dati
strutturali, dati geochimici, ecc.) che possono essere
visualizzati, editati, analizzati o aggiornati.
Queste moderne mappe digitali derivano da una serie
di database digitali intercorrelati, per cui dati diversi
come ubicazione di pozzi, limiti di titoli minerari, tracciati di rilievi sismici, pipeline, mappe di giacimenti possono essere importati o esportati. Le fonti per questi database sono sempre più facilmente reperibili presso differenti sedi come compagnie petrolifere, contrattisti, agenzie
governative, e anche il grande potere di Internet entra in
gioco per ricercare i dati e mettere insieme i vari elementi che costituiscono specifiche mappe richieste per
particolari applicazioni.
Inoltre le più recenti tecniche di visualizzazione riducono la necessità di stampare mappe e ottimizzano la
rappresentazione dei dati, particolarmente in 3D, come
nel caso di mappe tematiche drappeggiate sopra modelli digitali del terreno (DEM). Nel passato le mappe erano
disegnate a matita e a inchiostro e stampate a colori con
sistemi litografici, un processo costoso e lungo. Oggi
stampanti a colori di largo formato sono collegate direttamente ai computer e stampano rapidamente mappe
secondo le esigenze richieste. D’altra parte, le mappe
stampate sono sempre meno utilizzate poiché geologi e
geofisici eseguono le interpretazioni su work-station, numerose delle quali hanno la possibilità di visualizzazioni 3D, sia con l’uso di speciali occhiali sia con schermi
che producono direttamente proiezioni tridimensionali
189
ESPLORAZIONE PETROLIFERA
visibili a occhio nudo. Qualora i diversi specialisti delle
geoscienze abbiano la necessità di consultarsi insieme
sono, inoltre, stati sviluppati speciali sistemi di visualizzazione 3D o centri immersivi di visualizzazione. In
questo modo tutti i partecipanti possono vedere modelli 3D di superficie e di sottosuolo e persino camminarci dentro per discutere la geologia in uno spazio 3D, con
le tracce delle linee sismiche riportate sulla superficie
del terreno e le sezioni sismiche e i pozzi esplorativi
proiettati nel sottosuolo!
gini fornite dai satelliti SPOT (60 km60 km) o Landsat (185 km185 km) (v. ancora fig. 1). Altri paesi, tra i
quali la Russia, l’India, il Giappone e Israele, hanno lanciato satelliti ottici, utilizzati anche nel rilevamento geologico. Nel Regno Unito è stata sviluppata una nuova
generazione di microsatelliti a basso costo. Una costellazione formata da cinque di questi satelliti è specificatamente destinata al monitoraggio delle catastrofi. Tenendo conto delle esigenze di sicurezza e di carattere militare, si può essere certi che in futuro i dati ottici saranno
disponibili in grande quantità.
VHR e i futuri satelliti ottici
Altri satelliti hanno contribuito al database di immagini ottiche e, in particolare, quelli della serie francese
SPOT che, a partire dal 1986, hanno fornito immagini di
10 m di risoluzione al suolo e capacità stereo che consentono la produzione di modelli digitali di elevazione
del terreno e l’interpretazione geologica in 3D. Lo SPOT
5, l’ultimo della serie, offre 2,5 m di risoluzione (fig. 1 C)
ed è dotato di un sensore speciale che genera DEM. Di
recente, sono apparsi i satelliti per immagini ad altissima
risoluzione (Very High Resolution, VHR) che offrono una
risoluzione al suolo di 1 m (Ikonos, operativo dal 1999,
fig. 1 D) o di 0,65 m (Quickbird, operativo dal 2002). Anche
se questi satelliti sono prevalentemente impiegati per
l’informazione militare, è possibile accedere alle immagini relative alla maggior parte delle aree del globo, che
possono rivelarsi di grande utilità nel campo dell’esplorazione petrolifera per mappare le vie di accesso, le infrastrutture e persino gli impianti di produzione (fig. 4). La
ridotta area coperta da ogni fotogramma (11 km11 km),
fa tuttavia preferire per il rilevamento geologico le imma-
fig. 3. Geographical
Information System
(GIS): cartografia
integrata.
I satelliti radar
Parallelamente ai satelliti ottici sono stati sviluppati satelliti per immagini dotati di radar ad apertura sintetica (Synthetic Aperture Radar, SAR), destinati prevalentemente all’osservazione degli oceani ma rivelatisi molto utili anche per l’interpretazione geologica sulla
terraferma nelle aree caratterizzate da una copertura di
nubi alte.
La prima copertura globale radar consistente è stata
fornita dal satellite ERS1 lanciato dall’Agenzia Spaziale Europea nel 1991, seguito nel 1996 da ERS2. Questi
satelliti erano destinati all’osservazione dello stato degli
oceani come indicatore ambientale (gli oceani, infatti,
governano la variazione delle condizioni atmosferiche
continentali), ma la conoscenza delle condizioni degli
oceani è di grande importanza anche per molti aspetti
dell’esplorazione, della produzione e del trasporto offshore degli idrocarburi e i risultati così ottenuti sono stati
un importante spin off in questo settore industriale. Il
sensore radar fornisce inoltre anche eccellenti immagini
immagine
da satellite
carta
topografica
carta
geologica
40° 22'
DEM
40° 19'
3° 17'
coordinate (georeferenziazione)
3° 22'
190
ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
PROSPEZIONI GEOLOGICHE
fig. 4. Immagine Ikonos con le strutture di produzione intorno ad Hassi Messaoud (Algeria; NPA Satellite Mapping).
del terreno, che possono essere usate sia per l’interpretazione geologica sia per un’ampia gamma di applicazioni ambientali (cfr. fig. 5, dove le immagini radar ERS
mostrano un maggior numero di dettagli strutturali rispetto a quelli visibili sulle immagini ottiche Landsat relative alla stessa area; la facoltà del radar di penetrare le
nuvole ha permesso di mappare faglie, lineamenti strutturali e anticlinali estesi decine di kilometri). Nel 1995,
il Canada ha lanciato un satellite analogo ma più versatile, Radarsat, destinato soprattutto al monitoraggio del
ghiaccio marino (un altro aspetto importante dal punto
di vista ambientale per le attività di esplorazione e produzione offshore alle alte latitudini). Radarsat, con la sua
capacità di puntamento variabile, può essere usato anche
per realizzare mappe delle linee di livello topografiche
grazie alla ‘radargrammetria’ e ha fornito alcuni dei primi modelli digitali di elevazione del terreno di aree remote del globo coperte da nubi. Mentre ERS e il suo successore, Envisat, forniscono una risoluzione al suolo di
circa 20 m, Radarsat è dotato anche di una modalità a
fascio ‘fine’ con una risoluzione di 10 m. Sono in via di
progettazione altri satelliti con 1 m di risoluzione (Radarsat e Terrasar).
Digital Elevation Models (DEM)
Per l’interpretazione geologica, i modelli digitali di elevazione del terreno sono sotto molti aspetti l’equivalente
moderno delle stereofotografie aeree e di conseguenza
fig. 5. Confronto
fra immagini ottiche
Landsat ETM e immagini
radar ERS (Irian Jaya;
NPA Satellite Mapping).
VOLUME I / ESPLORAZIONE, PRODUZIONE E TRASPORTO
191
ESPLORAZIONE PETROLIFERA
sono molto richiesti per l’esplorazione nelle aree più remote. I DEM possono essere usati da soli sia per l’interpretazione geologica e geomorfologica sia per la valutazione delle vie di accesso o della logistica, ma possono essere combinati con le immagini satellitari per
ottenere serie di dati restituibili al computer per realizzare immagini in 3D o in prospettiva, comprese le simulazioni di voli aerei. I DEM possono essere ottenuti da
stereofotografie aeree, digitalizzando mappe topografiche già esistenti, da immagini stereoscopiche satellitari o attraverso l’interferometria radar (InSAR) aerea o
spaziale. Uno di questi sistemi InSAR, l’SRTM (Shuttle Radar Topographic Mission) è stato utilizzato in una
missione Shuttle nel 2000 e ha prodotto una serie di dati
ad alta definizione (30 m di risoluzione orizzontale, 15 m
di precisione verticale) per la maggior parte delle regioni del mondo tra i paralleli a 60° Sud e 60° Nord. Oggi
i dati SRTM a più alto livello di definizione sono protetti dal segreto militare nella maggior parte delle aree
che si trovano al di là dei confini degli Stati Uniti a causa
della loro importanza per la navigazione logistica, e pertanto è possibile accedere solo ai dati con 100 m di griglia orizzontale.
Tra i sistemi satellitari ottici per la produzione di
DEM figura lo SPOT 5, con una precisione verticale di
6-10 m e una risoluzione orizzontale di 20 m, e ASTER,
con una precisione verticale di 30 m e una risoluzione
orizzontale di 15 m. La fig. 6 rappresenta un’immagine
3D creata con ASTER DEM e realizzata a falsi colori,
utilizzando tre delle sue bande spettrali (3-2-1, R-G-B),
guardando verso nord-est, in direzione della cerniera
della piega; il nucleo della piega più resistente e freddo,
è costituito da carbonati dell’Eocene inferiore, circondati da marne e argille.
I sistemi aerotrasportati possono fornire livelli ancora più alti di precisione, e un sistema radar interferometrico è stato impiegato per coprire interi territori come
quelli del Regno Unito e dell’Indonesia, fornendo DEM
di circa 0,5 m di precisione verticale. Per quanto riguarda
fig. 6. DEM da immagine ASTER
(Tunisia; NPA Satellite Mapping).
192
i dettagli del terreno, il più alto livello di precisione è
ottenuto con i sistemi aerotrasportati Lidar, in grado di
fornire una precisione verticale di pochi centimetri. I
Lidar sono stati impiegati con successo per produrre
DEM per la pianificazione sismica a terra in diverse tipologie di terreno, come le dune di sabbia del deserto e le
paludi costiere ricoperte di mangrovia.
L’esplorazione offshore. Rilevamento
delle manifestazioni di idrocarburi
e gravimetria satellitare
L’uso delle tecniche satellitari non è confinato alle
regioni sulla terraferma. Un inaspettato beneficio che i
satelliti radar hanno offerto al settore dell’esplorazione
petrolifera è rappresentato dalla possibilità di individuare
tracce di petrolio (oil seepage) sulla superficie del mare
attraverso le immagini radar satellitari. La presenza di
piccole quantità di petrolio presenti sulla superficie del
mare modifica le piccole onde o increspature indotte
naturalmente dal vento sulla superficie del mare, creando ‘chiazze’ o aree di mare calmo. Esse appaiono molto
chiaramente sulle immagini radar, poiché la lunghezza
d’onda delle increspature si avvicina molto a quella del
radar (5,6 cm). Molte di queste indicazioni superficiali
sono il risultato degli effetti dell’inquinamento, ma alcune sono prodotte dalla fuoriuscita naturale degli idrocarburi sul fondo del mare che risalgono, poi, alla superficie. Un attento esame di queste ‘chiazze’, integrato dall’analisi della loro forma e dalla conoscenza dei venti
prevalenti, permette di distinguere con un buon grado di
attendibilità gli effetti dell’inquinamento dalle manifestazioni naturali (fig. 7). Questa metodologia ha consentito di studiare in modo consistente quasi tutti i bacini offshore del mondo per individuare le manifestazioni
naturali, rivelandosi uno strumento di indagine economico ed efficace nell’esame dei bacini di frontiera, soprattutto in acque profonde, in modo da dare una valutazione delle rispettive potenzialità prima che le compagnie
petrolifere ricorrano ai metodi geofisici, necessari nella
successiva fase dell’esplorazione e molto più dispendiosi. Questa tecnica non si limita a indicare la presenza o l’assenza di idrocarburi nei bacini, ma consente
anche di studiare la relazione tra il pattern di rilascio
delle manifestazioni e l’assetto strutturale del bacino,
che può rivelare importanti informazioni sui depocentri,
sulle aree di generazione e sui percorsi di migrazione
degli idrocarburi.
La geologia applicata all’esplorazione petrolifera offshore ha sfruttato un’altra innovazione militare derivante dalla ricerca spaziale: i requisiti per la navigazione
sottomarina. Sott’acqua, senza la vista delle stelle o l’aiuto dei satelliti per la navigazione (come il GPS), i sommergibilisti avevano bisogno di una mappa del fondo
oceanico comparabile a una mappa topografica della superficie terrestre. Disegnare una carta degli oceani
ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
PROSPEZIONI GEOLOGICHE
prodotto anche la grande massa delle immagini radar
della superficie oceanica usate per l’individuazione delle
manifestazioni superficiali d’idrocarburi).
Global Positioning System
e sistemi di comunicazione
fig. 7. Immagine da satellite, interpretazione
gravimetrica offshore e rilevamento di manifestazioni
di idrocarburi (Oman; NPA Satellite Mapping).
sufficientemente dettagliata con i mezzi convenzionali
è impraticabile sia operativamente che politicamente.
Tuttavia, ci si rese conto che una mappa della batimetria
(della profondità, cioè, delle acque) o del campo gravitazionale terrestre avrebbe fornito il necessario strumento
di assistenza alla navigazione, e questo obiettivo poteva
essere raggiunto attraverso i radaraltimetri, in grado di
misurare l’altezza della superficie degli oceani da satelliti orbitanti.
Si potrebbe pensare che la Terra sia uno sferoide quasi
perfetto, di cui si conosce esattamente la forma. In realtà,
la superficie degli oceani non corrisponde precisamente a questo modello, ma presenta un pattern complesso
di piccole ondulazioni prodotte dalla combinazione della
profondità delle acque nel punto considerato con il campo
gravitazionale, quest’ultimo legato alla densità delle rocce
circostanti. Osservando sistematicamente l’altezza del
geoide oceanico dai satelliti per molte centinaia di orbite e ottenendo un risultato medio che mostra i piccoli
gradienti superficiali oceanici, si possono costruire mappe
estremamente dettagliate che mostrano la batimetria oceanica e la gravità offshore. Queste mappe, benché non
possano sostituire le misurazioni batimetriche a strisciate
estremamente accurate e le registrazioni gravimetriche
a bordo di navi eseguite nelle fasi successive del processo di esplorazione, consentono di effettuare rilievi
speditivi a basso costo nei bacini di frontiera offshore
non ancora esplorati, soprattutto se accoppiate al metodo del rilevamento offshore delle manifestazioni di idrocarburi attraverso il radar satellitare in precedenza descritto (v. ancora fig. 7). I primi altimetri oceanici sono stati
utilizzati dagli Stati Uniti in missioni militari, come, per
esempio, quella Geosat, promossa negli anni Ottanta e
desegretata solo negli anni Novanta, ma la densità di
osservazioni globali è molto aumentata grazie ad alcune missioni civili più recenti come Topex/Poseidon e agli
altimetri montati a bordo dei due satelliti ERS (che hanno
VOLUME I / ESPLORAZIONE, PRODUZIONE E TRASPORTO
L’analisi dei contributi forniti dalla ricerca spaziale all’esplorazione petrolifera sarebbe incompleta se
non si ricordassero i satelliti di posizionamento globale e di comunicazione. I dispositivi GPS portatili e persino da polso in grado di determinare la latitudine e la
longitudine con un’approssimazione di pochi metri oggi
sono un fatto acquisito, ma non dobbiamo dimenticare che fino agli anni Settanta, i geologi spesso dovevano ricorrere all’osservazione astronomica per determinare con certezza la loro posizione sul terreno. Inoltre
i telefoni satellitari permettono ormai a chi è impegnato
sul campo non solo di comunicare con la base e con le
proprie case, sia in mare che sulla terraferma, ma trasmettono anche mappe, immagini, dati di campagna e
documentazione di riferimento a e da archivi centrali
via Internet. Naturalmente, anche questi vantaggiosi
strumenti oggi a nostra disposizione in origine erano
destinati a usi militari.
Applicazioni ambientali
Tutte le tecniche di cartografia aerea, satellitare e
computerizzata in precedenza descritte sono suscettibili di molte importanti applicazioni in campo ambientale, con il fattore aggiuntivo che il monitoraggio dei cambiamenti temporali è molto più importante in campo
ambientale che in quello geologico. I satelliti sono estremamente efficienti anche in termini di costi per la produzione ripetuta di immagini e per il monitoraggio a
lungo termine. Inoltre, sono più adatti, per esempio,
all’individuazione dei cambiamenti della vegetazione e
del suolo o al rilevamento dell’ecologia costiera, piuttosto che alla geologia. Con la crescente consapevolezza
che è necessario adottare un atteggiamento responsabile in difesa dell’ambiente, è certo che molti progetti in
aree sensibili saranno realizzati in base a criteri ambientali sviluppati usando dati satellitari archiviati storicamente, e saranno monitorati con i satelliti di ultima generazione disponibili. Queste tecniche sono applicabili
anche alle facilities impiegate nell’esplorazione e nella
produzione, alle pipeline e agli impianti di trattamento,
dove la difesa contro i movimenti del terreno non è meno
importante degli aspetti ambientali.
Gli ultimi sviluppi dell’interferometria radar satellitare (fig. 8) consentono di misurare i movimenti del terreno o i cambiamenti relativi della superficie della Terra
a livello millimetrico, con una precisione molto maggiore di quella attualmente conseguibile con i GPS. Di
conseguenza, possiamo non solo rilevare il movimento
incipiente della reptazione del suolo (piccoli smottamenti
193
ESPLORAZIONE PETROLIFERA
fig. 8. Trend
di subsidenza
sopra il giacimento
ad olio di Jibal (Oman)
ricavato
da interferometria radar
da satellite: ogni frangia
di colore rappresenta
28 mm di subsidenza
(Oman; NPA Satellite
Mapping).
superficiali del terreno o spoil creep) come indizio di
frane che potrebbero colpire condotte o impianti industriali, ma siamo in grado di misurare anche la subsidenza del suolo conseguente allo svuotamento di reservoir e controllarne i possibili effetti ambientali. In aree
sensibili o instabili, ciò potrebbe portare a munire pipeline e altre installazioni di speciali riflettori (corner reflectors) o transponditori (trasponders) per facilitare il monitoraggio e le misurazioni satellitari. Nel campo dell’ingegneria dei giacimenti sono inoltre individuabili altre
possibili applicazioni, poiché questo tipo di rilevamento può aiutare a comprendere la risposta stocastica del
giacimento.
Il futuro delle tecnologie
e degli strumenti di telerilevamento
È in via di progettazione il lancio di molti satelliti
per l’osservazione terrestre e, in particolare, di sistemi
per immagini radar e ottici ad alta risoluzione. Saranno
senza dubbio costruiti più satelliti per immagini ‘iperspettrali’ con centinaia di bande spettrali che amplieranno molto la nostra capacità di distinguere e mappare
differenti tipi di rocce, anche se la copertura del suolo e
della vegetazione seguiterà a costituire un problema. Si
può inoltre prevedere l’emergere di modelli digitali di
elevazione della superficie della Terra sempre più dettagliati che faciliteranno, insieme all’interpretazione geologica, la pianificazione delle vie di accesso e della difesa ambientale.
Tuttavia, gli accumuli di idrocarburi si trovano in
generale a una certa profondità al di sotto della super-
194
ficie della Terra e per il momento gli strumenti a nostra
disposizione possono esaminarne solo la superficie.
Idealmente lo scopo sarebbe quello di poter disporre di
strumenti montati a bordo di aerei o veicoli spaziali in
grado di rivelare la presenza di idrocarburi a una certa
profondità, ma questo obiettivo è ancora irraggiungibile. Sappiamo che in molti bacini, se non in tutti, gli
idrocarburi possono migrare fino alla superficie, ma
sulla terraferma le manifestazioni di superficie più evidenti sono già conosciute. Un importante risultato del
metodo di individuazione radar delle manifestazioni di
idrocarburi in offshore, precedentemente descritto, è
costituito dal fatto che in mare aperto i pattern di rilascio sono molto più diffusi e pervasivi di quanto ci si
potrebbe aspettare basandosi esclusivamente sull’osservazione onshore, dato che, sulla terraferma, il quadro è incompleto a causa del mascheramento dovuto
alla copertura del suolo e della vegetazione. Gli effetti più deboli, come la emissione di gas, sono estremamente difficili da individuare anche con metodi molto
accurati sul terreno, per non parlare del loro riconoscimento dall’aria o dallo spazio. Anche rocce ben esposte e fortemente alterate dagli effetti a lungo termine
della emissione di idrocarburi gassosi si sono rivelate
molto difficili da individuare con i sensori termici o
spettrali attualmente esistenti. Molto probabilmente
saranno compiuti notevoli progressi in quest’area quando satelliti più sofisticati, soprattutto iperspettrali, diverranno operativi, ma va tenuto presente che questi satelliti saranno prevalentemente impiegati per scopi diversi da quelli dell’esplorazione petrolifera. Riguardo alla
ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI
PROSPEZIONI GEOLOGICHE
mappatura a distanza del sottosuolo (cioè non sismica)
è probabile che si registreranno notevoli perfezionamenti della sensibilità e della capacità delle tecniche a
bordo di aerei, come la magnetometria e la gravimetria, ma poiché è molto difficile che questi risultati possano essere conseguiti dall’altezza a cui operano i satelliti orbitanti, gli sviluppi continueranno a riguardare le
tecniche aerotrasportate. Un’area che potrebbe rivelarsi promettente è quella dell’uso dell’interferometria
radar satellitare per rivelare cambiamenti millimetrici
dell’elevazione della superficie della Terra nel tempo.
Come abbiamo già osservato, gli attuali satelliti radar
sono già impiegati in questo modo per controllare piccole variazioni nella subsidenza al di sopra di giacimenti a gas e a olio in via di svuotamento. Questa tecnica è così sensibile, in grado di risolvere cambiamenti fino al livello millimetrico, che potrebbe fornire indizi
di accumuli sotterranei e del loro probabile contenuto
(petrolio o gas) dalle variazioni differenziali superficiali in funzione dello stato di marea della Terra. I satelliti per scopi ambientali sono già paragonati alla tecnologia medica in quanto permettono di esercitare un
‘controllo sulla salute del pianeta Terra’. In termini geologici, è lecito aspettarsi che le future missioni spaziali forniscano analisi spettrografiche e tomografiche
della superficie terrestre, approfondendo la nostra conoscenza del sottosuolo, dove sono ancora nascosti giacimenti di gas e di petrolio. Si tratta forse di una visione avveniristica, ma non del tutto inverosimile, tenuto
conto del grande progresso già compiuto: dall’osservazione a occhio nudo dalla cima delle colline all’attuale era spaziale.
VOLUME I / ESPLORAZIONE, PRODUZIONE E TRASPORTO
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Nigel Press
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Edenbridge, Kent, Regno Unito
Mattia Sella
Eni - Divisione E&P
San Donato Milanese, Milano, Italia
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