Le prove sismiche Cross-Hole prevedono la misura delle velocità delle onde sismiche fra due fori di sondaggio ove si energizzi uno dei due ad una certa quota e si misuri nell’altro alla medesima quota, con un geofono tridimensionale ancorato. Per l`applicazione della metodologia Cross-Hole devono quindi essere disponibili almeno due fori di sondaggio allineati rivestiti e ben cementati di cui sia nota la reciproca distanza a tutte le quote di misura. Le onde elastiche possono venir generate dall`esplosione di una cartuccia alle diverse profondità nel foro di energizzazione, o da un energizzatore meccanico.
Solitamente le energizzazioni sono registrate a partire dalle maggiori profondità per risalire poi verso la superficie, per evitare l`intrappolamento del sistema di energizzazione a seguito dei possibili danneggiamenti del rivestimento dovuti allo scoppio. Una sorgente esplosiva genererà prevalentemente onde compressive mentre un energizzatore meccanico genererà prevalentemente onde trasversali.
Gli impulsi sono rilevati da un geofono tridimensionale posizionato alla medesima quota nel foro adiacente. A passo di un metro si effettuano le energizzazioni e le registrazioni dei segnali generati per ricavare le velocità di
L’impulso di trigger (tempo 0) si ottiene dall’apertura di un circuito avvolto attorno alla cartuccia, nel caso di esplosione o da un sensore di battuta nel caso meccanico. L’esplosione, provocando l’apertura del circuito, dà inizio al campionamento dell’onda sismica. Questo sistema, anche se un poco laborioso, garantisce un preciso istante 0.
La procedura di elaborazione dei dati prevede:
- immissione dei files dei dati alle varie profondità
- scomposizione per rotazione del piano di oscillazione dell’onda compressiva a partire dai segnali dei due geofoni orizzontali. Al termine dell’operazione si dispone di un segnale relativo alla componente prevalentemente compressiva e uno relativo a quella prevalentemente trasversale.
- composizione per rotazione della componente trasversale appena ottenuta, col segnale relativo al geofono verticale a cercare la componente trasversale complessiva del segnale.
- definizione dei tempi di arrivo per le onde longitudinali e trasversali
- compilazione delle tabelle
La misura della velocità delle onde trasversali è meno semplice di quella relativa alle longitudinali e presenta maggiori ambiguità. Questo fatto è da imputare all’arrivo successivo al geofono rispetto alle onde longitudinali e quindi alla sovrapposizione in un fenomeno di interferenza.
NOTA DI FONDAMENTALE IMPORTANZA
Nessuna prova Down-Hole o Cross-Hole avrà successo se i rivestimenti non sono stati adeguatamente cementati. La cementazione deve essere eseguita dal basso fino a riempimento totale dell`intercapedine. E` opportuna anche la valutazione dei metri cubi effettivamente utilizzati e la comparazione col volume previsto.
Le prove sismiche Down-Hole vengono eseguite con lo scopo di misurare la velocità delle onde sismiche dirette che si propagano dalla superficie nel terreno in profondità.
Il terreno viene energizzato in superficie, in prossimità di testa foro, e la registrazione avviene in foro grazie ad un geofono triassiale ancorato a profondità via via crescenti. Tale geofono registra gli spostamenti (tradotti sotto forma di impulsi elettrici) lungo tre direzioni ortogonali tra loro (x, y, z).
Le onde sismiche possono essere generate energizzando il terreno in direzione verticale oppure in direzione trasversale (parallelamente al suolo). Nel primo caso verranno generate prevalentemente onde compressive (onde P) che si propagano in profondità e vengono registrate al meglio dal geofono verticale (asse z). Nel secondo caso verranno generate prevalentemente onde di taglio (onde S) visibili principalmente sui geofoni con l’asse posto orizzontalmente (assi x e y).
Le onde di taglio hanno velocità inferiori rispetto a quelle compressive e quindi raggiungeranno il geofono triassiale quando il primo fronte d’onda compressiva è già transitato. Questo passaggio, purtroppo, costituisce un disturbo per la misura delle onde trasversali in quanto i geofoni orizzontali si trovano ancora in movimento all’arrivo dell’onda S. Per migliorare il rapporto fra l’energia dell’onda compressiva P e l’energia dell’onda trasversale S a favore di quest’ultima, si realizza una doppia energizzazione orizzontale con verso opposto. La sottrazione delle forme d’onda relative a queste due acquisizioni, riduce sensibilmente la componente compressiva presente nel segnale.
La misura dei tempi dei primi arrivi delle onde sismiche deve essere realizzata con precisione e con un dettaglio non inferiore al decimo di millisecondo. Ogni ritardo fra il momento dell’energizzazione fornita al terreno e l’inizio della registrazione sul sismografo si traduce in un errore significativo nei valori di velocità misurati. Per annullare ogni effetto di ritardo, viene posizionato un secondo geofono in prossimità del punto di battuta a testa foro. La forma d’onda restituita da questo geofono viene acquisita su un canale del sismografo e viene analizzata separatamente rispetto a quello che avanza in profondità, in modo da poter valutare ogni possibile anticipo o ritardo del treno d’onda. Il valore del tempo del primo fronte di arrivo a questo geofono è sempre lo stesso per tutte le battute e il segnale è ricco di alte frequenze grazie alla prossimità con la sorgente e quindi è preciso il tempo misurato. La chiusura di un circuito elettrico è un sistema alternativo privo di ritardi.
L’analisi dei dati prevede che le battute eseguite in diversi momenti, avanzando in profondità, vengano raccolte a ricostruire un unico sismogramma, identico a quello che sarebbe stato ricevuto da una catena di tanti geofoni quante sono le posizioni di misura nel foro. In particolare vengono raggruppate in un sismogramma le forme d’onda relative al geofono verticale (asse z) e in un altro sismogramma le forme d’onda relative ai geofoni orizzontali (assi x e y). Poiché i geofoni orizzontali sono due (e posizionati tra di loro a 90°) e il sismogramma uno solo, è necessario che le forme d’onda vengano fra loro composte secondo un certo angolo (diverso da 90°) che viene opportunamente modificato dal programma di interpretazione per cercare il piano di oscillazione principale dell’onda di taglio. La progressiva modifica dell’angolo di composizione tra x e y, accompagnata dalla grafica in tempo reale della forma d’onda composta, consente di individuare quel valore dell’angolo per il quale è minima l’energia dell’onda compressiva e massima quella dell’onda trasversale. Questo valore dell’angolo di composizione, diverso per ciascuna profondità, viene utilizzato per la creazione del sismogramma riguardante le onde di taglio.
NOTA DI FONDAMENTALE IMPORTANZA
Nessuna prova Down-Hole o Cross-Hole avrà successo se i rivestimenti non sono stati adeguatamente cementati. La cementazione deve essere eseguita dal basso fino a riempimento totale dell`intercapedine. E` opportuna anche la valutazione dei metri cubi effettivamente utilizzati e la comparazione col volume previsto.
Le indagini sismiche tomografiche consentono di ricostruire una sezione bidimensionale di velocità sismica dei terreni, mediante l`analisi di una molteplicità di percorsi di onde sismiche fra stazioni trasmittenti, corrispondenti ai punti di energizzazione del terreno, e stazioni riceventi, corrispondenti alle posizioni dei singoli geofoni della catena geofonica.
L`energizzazione si può ottenere utilizzando una cartuccia esplosiva: lo sparo provoca un fronte di onde sferiche che si propaga nel terreno con diverse velocità in diverse direzioni, a seconda del materiale attraversato e delle sue caratteristiche fisiche. Le onde sismiche vengono ricevute e trasformate in impulsi elettrici dai geofoni della catena.
Il modello in figura descrive schematicamente il tracciato e la densità dei percorsi, fra stazioni trasmittenti e riceventi, utilizzati durante la fase di acquisizione. Quanto maggiore è la densità dei percorsi quanto migliore sarà la precisione nella ricostruzione bidimensionale del pannello di velocità.
La fase successiva di elaborazione prevede il trattamento di una notevole quantità di dati costituiti dai tempi di primo arrivo ai geofoni, tempi che vengono utilizzati per produrre un diagramma di velocità medie delle differenti parti di terreno in profondità. Per ciascuno dei percorsi sismici viene misurato il tempo di primo arrivo delle onde compressive P e viene inserita nel programma di elaborazione la posizione dello sparo e del geofono relativo, misurata rispetto a un sistema di riferimento comune. Il numero totale di percorsi sismici analizzati corrisponde al numero di stazioni riceventi moltiplicate per gli spari effettuati.
I tempi di arrivo vengono quindi elaborati da un modello matematico associato ad una procedura di inversione SIRT (Simultaneous Iterative Reconstruction Technique, U.S. Bureau of Mines — Minneapolis, 1986). Il programma, permette l’utilizzo di fattori di correzione e di regolazione delle iterazioni successive (tra i quali il numero di iterazioni da eseguire, l’intervallo delle velocità sismiche da analizzare, la posizione e la dimensione delle celle, etc.). Su indicazione dell’utente, la procedura costruisce inizialmente una griglia bidimensionale di celle, a cui è possibile attribuire una velocità sismica iniziale A partire da questo pannello di velocità, il modello matematico, modificando i valori di velocità iniziale di ciascuna cella, riduce la differenza esistente fra i percorsi delle onde sismiche calcolati e quelli realmente misurati sul terreno. Il programma esegue il numero di iterazioni necessario a ridurre l’errore quadratico medio al di sotto del valore prestabilito dall’utente. A ciascuna iterazione vengono ricalcolati i segmenti dei percorsi sismici, vengono variate le velocità di ciascuna cella e viene applicato un opportuno lisciamento. Al termine delle iterazioni si ottiene un modello di velocità sismiche del terreno posto fra i due fori, compatibile con le misurazioni sperimentali.
