Corso di Geologia

Argomento: Appunti integrativi di Sismica a Riflessione


INDICE


2 - Sismica a riflessione e sismica a rifrazione

La rifrazione e la riflessione dell'energia elastica sono fenomeni che si verificano quando un pacchetto d'onde sismiche incontra una superficie di discontinuità (stratigrafica, tettonica o, nell'ambito dello stesso litotipo, per variazioni di compattazione, fratturazione, ecc.) tra due mezzi diversi. Le indagini di sismica a rifrazione e/o riflessione consentono di definire lungo un profilo indagato, tramite la velocità di propagazione delle onde di compressione e di taglio, le unità litologiche presenti, la loro geometria (spessori e superfici di contatto) ed inoltre consentono di stimare i valori dei moduli elastici dei terreni investigati.

La sismica a riflessione analizza i tempi che intercorrono tra l'istante di generazione di un impulso elastico e l'istante di ricezione in superficie, dopo una o più riflessioni da parte di altrettante superfici riflettenti. Tale metodologia sfrutta le proprietà elastiche del terreno: ogni superficie che marca un passaggio litologico, sia essa di carattere stratigrafico o tettonico, rappresenta una discontinuità in grado di riflettere parte dell'energia sismica indotta nel sottosuolo. I raggi sismici generati dalla sorgente (S), si rifletteranno sulle interfacce che separano i diversi corpi presenti nel sottosuolo (caratterizzati da differenti litologie, differenti proprietà fisiche, etc..); i segnali riflessi, registrati in superficie da appositi ricevitori (geofoni o idrofoni, a seconda che si stia conducendo un’indagine delle aree emerse o di quelle sommerse) ed opportunamente elaborati, permetteranno di produrre delle sezioni sismiche in grado di mettere in evidenza l'esistenza di orizzonti caratterizzati da diversa impedenza acustica, di determinarne la profondità, di studiarne la geometria e di trarre elementi di giudizio sulle caratteristiche strutturali dell'area indagata (Fig. 2).



Figura 2 – La sismica a riflessione registra e studia le onde tornate in superficie dopo aver subito un riflessione su una superficie di discontinuità quale, ad esempio, una superficie di separazione tra due mezzi diversi a contatto.

 

La sismica a rifrazione  è un metodo di indagine del sottosuolo che utilizza, come la sismica a riflessione, le onde acustiche prodotte da una sorgente opportunamente tarata, ma che hanno subito un fenomeno di rifrazione lungo le superfici di discontinuità fisica e/o meccanica dei mezzi attraversati. Tale metodologia si basa sull’analisi dei tempi di arrivo delle onde rifratte (first breaks) che, elaborati tramite sistemi talvolta molto complessi (es. algoritmi di inversione tomografica), permetteranno di individuare in profondità strati con caratteristiche meccaniche migliori e di risalire ai moduli elastici dinamici dei terreni investigati.

La prospezione, molto utilizzata soprattutto in campo ingegneristico, prevede uno stendimento di geofoni in superficie (generalmente in numero di 12 o 24) e diversi punti di energizzazione. All' atto di trasmissione dell'impulso elastico al terreno viene avviato un registratore che permette di misurare il tempo impiegato dalla perturbazione sismica indotta nel terreno a percorrere la distanza tra la sorgente e i geofoni, disposti in punti equispaziati lungo il profilo (Fig. 3). L'elaborazione di opportuni diagrammi spazio-tempo (dromocrone) condurrà alla ricostruzione di un profilo del sottosuolo (in termini di disposizione geometrica e di caratteristiche meccanico-elastiche dei litotipi presenti al di sotto della zona di indagine) in grado di evidenziare le velocità di trasmissione delle onde elastiche per i diversi corpi attraversati. A differenza del profilo sismico a riflessione, quindi, il prodotto finale non sarà una riproduzione (più o meno fedele!) delle geometrie, delle strutture e delle successioni stratigrafiche presenti nel sottosuolo indagato; sebbene conterrà dettagliate informazioni circa i parametri geomeccanici e geotecnici (utili ad es. nella valutazione della risposta sismica di un sito, o nella ricostruzione dei limiti stratigrafici), fornirà informazioni circa la velocità e la profondità delle superfici sismiche, ma la geometria e la disposizione spaziale dei riflettori non sarà di chiara ed immediata interpretazione.

 

Figura 3 – Esempio di prospezione sismica e rifrazione. L'energia rifratta sulle differenti superfici di discontinuità, misurata in superficie da specifici geofoni, fornirà informazioni  circa le velocità sismiche dei corpi presenti nel sottosuolo: nota la distanza tra sorgente e ricevitore, nonché  il tempo di percorrenza delle onde rifratte, sarà possibile risalire alle velocità e alle caratteristiche meccano-elastiche dei mezzi attraversati.

 

Questi metodi geofisici si basano sulle leggi di Snell, alle quali occorre brevemente accennare per facilitare la comprensione dei fenomeni che determinano percorsi, geometrie, velocità e caratteristiche dei raggi sismici. Si rimanda comunque ai testi di Fisica e Geofisica per una completa trattazione dell’argomento.

      si denoti un piano di incidenza individuato dal raggio incidente e dalla normale alla superficie di discontinuità tra il mezzo 1 e il mezzo 2 (Fig. 4);

      si supponga un’onda che colpisca la superficie di separazione tra i due mezzi aventi caratteristiche meccaniche differenti: parte dell’onda incidente subirà un fenomeno di riflessione e continuerà a viaggiare nel mezzo 1, mentre una parte proseguirà il suo percorso al di là della superficie e verrà trasmessa nel mezzo 2 (Fig. 4).


Figura 4 – Relazioni tra gli angoli formati tra il raggio incidente (θ1) il raggio riflesso1) e il raggio rifratto (θ2)

 

Il mezzo 1 sarà attraversato da un raggio riflesso che giacerà nel piano di incidenza: detto θi  l'angolo formato dal raggio incidente con la normale alla superficie di separazione tra i mezzi e θr l'angolo formato dal raggio riflesso con la normale alla superficie, si avrà che

qi = qr.

Il raggio rifratto, invece, verrà trasmesso nel mezzo 2: indicato con θR l'angolo formato dal raggio rifratto con la normale alla superficie di separazione tra i due mezzi, si avrà che

n1 sin qi = n2 sin qR,

dove n1 e n2 sono gli indici di rifrazione dei due mezzi. Poiché gli indici di rifrazione sono a loro volta proporzionali alle velocità di propagazione delle onde sismiche nei diversi mezzi, avremo che:

sin qi / sin qR = v1 / v2

Da qui, come mostrato in Fig. 4, ne consegue che:

  se V2 > V1 il raggio rifratto si allontanerà dalla normale alla superficie di separazione tra i due mezzi;

  se V2 < V1 il raggio rifratto si avvicinerà alla normale alla superficie di separazione tra i due mezzi;

 

In una normale successione di corpi litologici nel sottosuolo (come quella mostrata in Fig. 3), si suppone che la velocità delle onde sismiche tenda ad aumentare verso il basso (cioè V0 < V1 < V2 <..Vn, poiché procedendo in profondità si incontreranno, generalmente, rocce a mano a mano più dense, più antiche e con un grado di compattazione maggiore); di conseguenza le onde rifratte si allontaneranno sempre di più dalla normale, fino a quando il raggio incidente raggiungerà la superficie di separazione tra due mezzi a contatto con un angolo tale (angolo critico) da essere rifratto di  π / 2. A questo punto il raggio rifratto si troverà a viaggiare sull’interfaccia tra i due mezzi che, secondo il principio di Huygens, diventerà sorgente elementare di onde sferiche secondarie che si rifrangeranno verso l’alto (quindi verso il mezzo "più lento") seguendo un percorso inverso (e avvicinandosi sempre di più alla normale) fino a ritornare in superficie, dove potranno essere registrate. Da quanto osservato, pertanto, la sismica a rifrazione consentirà di effettuare indagini profonde, ma i percorsi delle onde rifratte saranno ben più complessi di quelli delle onde riflesse.

Pur non volendo entrare nel merito di argomenti di pertinenza della sismologia, va comunque ricordato che ciascun onda che incide su una superficie di discontinuità tra due mezzi a contatto genera due onde riflesse e due onde rifratte (Fig. 5) che si propagheranno nel sottosuolo con differenti velocità:

•    Vp=√λ+2μ/ρ  (velocità onde longitudinali o di compressione)

•    Vs=√λ/ρ       (velocità onde trasversali o di taglio)

dove ρ è la densità del mezzo attraversato, mentre λ e μ sono dette costanti di Lamè e dipendono dall’elasticità del mezzo. In particolare μ è detto modulo di scorrimento (o di rigidità) ed esprime la resistenza del corpo alle variazioni nella forma; poiché i liquidi non presentano alcuna resistenza agli sforzi di taglio (cioè μ=0), ne consegue che in essi le onde s non si propagheranno.

 

Figura 5 – Riflessione e rifrazione di un'onda longitudinale.

  In generale la sismica attiva considera gli arrivi delle onde longitudinali (onde P).