PratoSismica

La sismica a rifrazione è il principale metodo di esplorazione del sottosuolo, utilizzato in ingegneria e in geologia, per le indagini di superfici a media profondità.

Principi base:

• le onde sismiche si propagano con velocità diverse in mezzi con caratteristiche meccaniche diverse
• quando il raggio sismico attraversa una discontinuità di velocità (passa da una mezzo più lento ad uno più veloce, o viceversa) cambia direzione come descritto dalla Legge di Snell
• può essere condotta in onde P (onde di compressione) o in onde S_H (onde di taglio polarizzate nel piano orizzontale)

Applicazioni:

• profili delle velocità delle onde sismiche capaci di risolvere geometria del substrato roccioso e dei principali strati di terreno
• ricostruzione stratigrafica del sottosuolo
• valore delle Vs30 (velocità media delle onde S, valutata nei prima 30 metri di profondità), che può essere determinato utilizzando indagini sismiche a rifrazione in onde S_H
• indagini preliminari per la realizzazione di grandi opere e per la pianificazioni di indagini geognostiche
• studio dei corpi di frana

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Cenni generali sul metodo
Sono studiate in particolare le onde sismiche di volume (body waves) P ed S, e la loro propagazione su percorsi diretti e rifratti attraverso il mezzo stratificato preso in esame.
La procedura adottata in campagna consiste nella generazione di un impulso sismico e la sua registrazione con apposita strumentazione.
L'acquisizione del segnale avviene mediante lo stendimento di cavi di trasmissione ai quali sono collegati trasduttori di movimento chiamati “geofoni”, i quali sono infissi direttamente nel terreno o posti su un'apposita base d'appoggio, quando l'infissione diretta non è possibile (su asfalto, cemento, pavimentazioni, ecc.). I geofoni sono disposti a spaziatura regolare chiamata “distanza intergeofonica”.
Il sistema di registrazione è attivato da un dispositivo di start, chiamato “trigger”, nell'istante dell'energizzazione sismica. L'energizzazione può essere eseguita con una massa battente, apposito cannoncino sismico o esplosivo.
L'indagine può essere condotta sia in onde P che in onde S (in particolare Sh = onde S polarizzate orizzontalmente).
Per la generazione di onde P è possibile utilizzare la caduta di una massa battente, cannoncino sismico o esplosivo.
Per la generazione di onde Sh il sistema di energizzazione è costituito da una trave gravata da un peso, disposta orizzontalmente e perpendicolarmente allo stendimento, trasferente l'impulso esclusivamente per attrito: l'energizzazione è ortogonale alla direzione dello stendimento, per mezzo di una massa battente. Questa soluzione permette di produrre prevalentemente onde Sh, limitando la generazione sulle discontinuità di ulteriori onde sismiche P ed S non polarizzate. energizzando in entrambi i versi della trave (colpendo da destra e da sinistra), forme d'onda simmetriche evidenziano il primo arrivo delle onde S rispetto a quello delle onde P. devono essere utilizzati geofoni orizzontali, con asse di oscillazione disposto perpendicolarmente allo stendimento. I punti di energizzazione, chiamati “shot points”, sono disposti simmetricamente rispetto al centro del profilo agli estremi (end), all'esterno (offset), al centro e a distanze variabili all'interno dello stendimento. La sezione sismica ricavata è quella sottesa dallo stendimento, inteso come linea compresa fra il primo e l'ultimo geofono.
La profondità massima di investigazione non può essere stabilita a priori con esattezza perché legata sia alla lunghezza dello stendimento che a fattori quali geometria e caratteristiche meccaniche degli strati. In prima approssimazione, il rapporto fra profondità raggiunta e lunghezza dello stendimento è compreso fra 1/3 e 1/4 .
La procedura di elaborazione dei dati consiste nell'analisi dei sismogrammi, riconoscendo i primi arrivi delle onde generate e la successiva elaborazione con specifici algoritmi di calcolo.
La prima fase consiste nel riconoscimento, per ogni traccia registrata, del così detto “primo arrivo” (picking), e conseguentemente dell'intervallo di tempo compreso tra l'istante t0 corrispondente all'energizzazione e l'arrivo del segnale su ogni singolo geofono. Questo permette di ricostruire diagrammi distanza-tempo sui quali sono rappresentate curve chiamate “dromocrone”. Tali curve sono in numero pari a quello dei punti shot. In prima approssimazione ogni dromocrona, è costituita da tante linee spezzate quanti sono gli strati sismici. L'inclinazione di ogni spezzata è inversamente proporzionale alla velocità dello strato, mentre il punto di intersezione fra proiezione della dromocrona ed asse del tempo, chiamato “tempo intercetta”, è correlato alla profondità dello strato stesso. Determinante è il riconoscimento dei punti di flesso di ogni dromocrona, dal quale dipende il numero di strati che saranno rappresentati nella sezione sismica.


Animazioni esemplificative - IRIS Incorporated Research Institutions for Seismology


Immagini:

Array sismico	Sezione stratigrafica - profilo delle velocità
Diagramma spazio-tempo, sismica a rifrazione
Onde S - onda diretta e inversa