CORSO DI MIOCROZONAZIONE SISMICA E VALUTAZIONE DELLA
RISPOSTA SISMICA LOCALE PER LA RICOSTRUZIONE POST-TERREMOTO
Indagini geofisiche profonde: la sismica a riflessione all’Aquila
Rel. Dr. Vincenzo Di Fiore (IAMC-CNR, Napoli)
In un mezzo elastico, omogeneo, isotropo,
vengono generate:
Onde di volume
 Onde P (Primarie, Longitudinali)
 Onde S: (Secondarie,Trasversali)
Onde superficiali
 Onde di Rayleigh
 Onde di Love
 Nella sismica a Riflessione e Rifrazione
vengono considerate le onde P.
 Onde superficiali sono “rumore” per la
Sismica a Riflessione e Rifrazione.
 Le onde S sono utilizzate in altre
Applicazioni: es. Normativa Sismica.
2
La prospezione sismica consiste nel generare impulsi di breve durata ed ampiezza
limitata utilizzando apposite sorgenti; i segnali riflessi sono successivamente raccolti e
registrati da opportuni sensori organizzati secondo determinate configurazioni spaziali.
L’insieme di tutti i segnali e del rumore (sia quello dell’esperimento che quello
ambientale), registrati dal sensore nel tempo, formano una traccia sismica. Le tracce
sismiche registrate simultaneamente in risposta ad una singola energizzazione (shot)
formano un record sismico (shot gather).
Record sismico
In un record sismico
individuare:
- Onde riflesse;
- Onde dirette;
- Onde rifratte;
- Onda d’aria;
- Multiple e riverberazioni;
- Rumore ambientale
si
possono
Strettamente connessa alla velocità di propagazione delle onde sismiche nei diversi
mezzi, è l’impedenza acustica (AI),

Impedenza Acustica (AI):
AI = Z = Vp * 
dove
Vp = velocità onde compressive
 = densità
Tale grandezza è un importante parametro che quantifica la “diversità” tra i due mezzi
a contatto: quanto maggiore sarà la differenza tra le caratteristiche fisiche dei due
mezzi (in particolare velocità e densità), tanto maggiore sarà la differenza tra le
relative impedenze acustiche.
Densità e Velocità sono funzione:
Litologia
Porosità
Compattazione
Contenuto di fluidi




Un riflettore sismico è il limite tra corpi
con diverse propietà (cambiamento
litologico, contenuto di fluidi). Le
diverse
propietà
causano
la
riflessione/rifrazione
delle
onde
sismiche.
energy
source
Bed 1
lower velocity
higher velocity
Bed 2
signal
receiver
In
una
sezione
sismica
compaiono molti riflettori. I
maggiori cambiamenti nelle
propietà chimico/fisiche delle
rocce
producono
delle
riflessioni forti e continue.
Onde sismiche e interfacce
Quando un’onda incontra una repentina variazione nelle caratteristiche elastiche di un
mezzo, come una superficie di separazione tra due strati, parte dell’energia è riflessa e
continua a viaggiare nello stesso mezzo dell’energia incidente, mentre la restante
parte è rifratta nel mezzo inferiore con un netto cambio della direzione di propagazione
del raggio all’interfaccia.
La riflessione e la rifrazione sono alla base della sismica.
sin  i V1

sin  t V2
con V2>V1
sin  i sin  t

V1
V2
Legge di Snell
(legge della rifrazione)
Modello Convoluzionale
E’ di grande importanza in sismologia poiché la Terra ha un comportamento
convoluzionale se sollecitata da sorgenti di energia elastica.
Il modello convoluzionale ci spiega come l’onda acustica interagisce con la
Terra per “costruire” la traccia sismica.
x(t)= s(t)*e(t) + n(t)
x(t)=sismogramma
s(t)=sorgente sismica
e(t)=mezzo attraversato
n(t)=rumore random
La validità di questo modello si fonda su diverse assunzioni che ne rendono più
semplice la trattazione matematica:
1. Nel sottosuolo sono ipotizzate discontinuità orizzontali.
2. La sorgente utilizzata genera solo onde piane longitudinali che incidono
verticalmente su ciascuna discontinuità in modo tale da non generare onde di
taglio (Zero-offset: sorgente e ricevitori coincidenti)..
3. La forma dell’ondina sorgente e stazionaria, cioè non varia durante la
propagazione nel sottosuolo.
4. Il rumore casuale presente nelle registrazioni è noto e trascurabile.
5. La forma d’onda della sorgente è conosciuta.
6. La riflettività terrestre è una sequenza casuale.
Sismogramma
L’obiettivo dell’acquisizione/elaborazione è:
•ridurre n(t)
•ricostruire e(t)
x(t)=s(t)*e(t)+n(t)
dove:
s(t)=sorgente sismica
e(t)=mezzo attraversato
n(t)=rumore random
La traccia sismica è una serie temporale che rappresenta la registrazione della risposta
del sottosuolo (riflettività terrestre) alla perturbazione indotta dalla sorgente sismica.
Esempio di shot gather
Sismica a Riflessione e a Rifrazione
Una delle metodologie che meglio consente la ricostruzione del sottosuolo
con un elevata accuratezza e risoluzione
La tomografia è un metodo che permette di
individuare anomalie nella velocità di
propagazione delle onde sismiche. L’elevato
potere risolutivo offre la possibilità di
ricostruire
stratigraficamente
situazioni
complesse.
La sismica a riflessione multicanale
risulta
molto
efficace
nelle
applicazioni geologico-strutturali in
quanto fornisce una sezione del
sottosuolo molto simile a una
“sezione” geologica e consente,
quindi, di eseguire analisi strutturali
e di stratigrafia “sismica” sui
riflettori.
12
La registrazione sismica è più complessa di una
semplice forma d’onda sinusoidale.
Vengono generate una complessa varietà di forme d’onda;
Vengono generate un “mix” di frequenze ognuna delle quali ha una fase
differente;
La Terra è un sistema fisico complesso.
- Le tecniche di riflessione non sono soggette all’assunzione di velocità
crescente con la profondità.
- Le tecniche di riflessione richiedono, per evidenziare una data interfaccia,
sorgenti più piccole e stendimenti più corti poiché il percorso dei raggi riflessi è
prevalentemente verticale.
- Le tecniche di riflessione possono potenzialmente risolvere caratteristiche
deposizionali superficiali e ricostruire strutture di difficile definizione con l’uso
di tecniche di rifrazione.



Risoluzione Sismica
Con questo termine si intende quanto due punti, possono essere vicini e rimanere
tuttavia distinti nell’immagine sismica.
L’onda acustica può essere descritta in termini di:

Ampiezza: E' la misura dello scostamento massimo dalla posizione di equilibrio.


Lunghezza d’onda: Distanza tra due punti corrispondenti lungo la forma d'onda.
Frequenza: Numero di cicli che vengono compiuti dall'onda in un secondo, dove un ciclo si
intende composto da una semionda positiva e una semionda negativa.

Periodo: Tempo impiegato per compiere un ciclo completo.

Fase: è la relazione tra due forme d’onda

Velocità
Simple Oscillatory Wave
Periodo (secondi) /
Lunghezza d’onda (metri)
1,5
Velocità = Frequenza * Lunghezza
d’onda
1
Ampiezza
Amplitude
0,5
Fase:
ritardo del
fronte
d’onda
0
0
500
1000
1500
-0,5
-1
-1,5
Frequenza: N° di onde in 1
secondo (Hertz)
Time / De pth
2000
2500
Risoluzione Verticale
La soglia considerata limite per una buona risoluzione verticale è λ/4. Per valori minori
di λ/4, i riflettori non sono più risolvibili, in quanto, i segnali riflessi al tetto ed al letto
dello strato entreranno in interferenza costruttiva simulando un unico riflettore dalla
forte ampiezza.
La risoluzione verticale può essere migliorata in fase di elaborazione mediante delle
tecniche di deconvoluzione che, comprimendo l’ondina di base, ampliano lo spettro in
frequenza del segnale
Risoluzione Orizzontale
La Prima Zona di Fresnel è l’area dove le onde, che differiscono tra loro meno di una
lunghezza d’onda, interferiscono costruttivamente.
r  ( z  / 2)
1/ 2
v

2
t
f
Riflettori più piccoli della prima zona di Fresnel, generano la stessa risposta.
Rv=λ/4
v
R
2
t
f
La Risoluzione è una funzione della lunghezza d’onda
Sia la risoluzione verticale che quella orizzontale diminuiscono con la profondità:
– La Frequenza diminuisce
– La Velocità aumenta e quindi aumenta la lunghezza d’onda
Noi “controlliamo” il rapporto frequenza/ampiezza
– Acquisizione
• Parametri d’acquisizione appropriati
– Geometria d’acquisizione (posizione scoppio-ricevitore).
– Stendimento grande per sopprimere noise ma piccolo per preservare
le alte frequenze
• Caratteristiche sorgente
– Processing
• La Deconvoluzione aumenta la risoluzione verticale
• La Migrazione aumenta la risoluzione orizzontale
Sistema d’acquisizione
Sistema di energizzazione
Sorgente sismica
Sistema di acquisizione
Geofoni
Sistema di registrazione
Sismografi
Ripetibile
Elevata Risoluzione
Tempo di energizzazione conosciuto
Economica e Sicura
Sorgenti da impatto
Martello
Vantaggi
Basso costo
Semplici da maneggiare e manutenere
Svantaggi
Non ripetibile
Faticosa
Poco energetica
Genera energia a bassa frequenza
Fucile sismico
Vantaggi
Ripetibile
Energia immessa superiore al martello
Genera energia a più alta frequenza
Svantaggi
Onde superficiali (ground roll)
Sicurezza
Equipaggiamento
Massa battente
Impatto al suolo di un grave in caduta libera o accelerata, l’accelelazione può
avvenire tramite spinta idraulica (hydra_pulse) o elastico
Vantaggi
Ripetibile;
Ampio spettro di frequenze;
Impatto ambientale nullo.
Svantaggi
Penetrazione non elevata
Esplosivo
Vantaggi
Molto energetiche
Alta frequenza
Ripetibile
Svantaggi
Sicurezza
Acquisizione più lenta
Forte impatto ambientale (permessi)
Costi d’acquisizione e manutenzione
Sorgenti vibratorie
Vantaggi
Alta Ripetibilità
Alta frequenza
Molto energetiche
Basso impatto ambientale
Svantaggi
Elevati costi d’acquisizione e manutenzione
SENSORI SISMICI
I rilevatori utilizzati di norma in prospezione sismica terrestre sono velocimetri e sono
chiamati geofoni.
Un geofono misura il moto del suolo traducendolo in un segnale elettrico e
trasmettendolo al sismografo.
Il magnete interno al geofono si muove con il
terreno in quanto solidale ad esso mentre la
bobina, essendo sospesa alla molla, agisce
come elemento inerte rispetto al suolo,
questo moto relativo genera una tensione.
La risposta dei geofoni ad un segnale di
ingresso è espressa in termini di ampiezza.
La curva ampiezza-frequenza definisce la
relazione tra il fattore di trasduzione
(rapporto tra la tensione misurata e la
velocità di vibrazione per ogni frequenza) e
la frequenza.
Si osserva un picco in corrispondenza della
frequenza naturale del sistema oscillante,
per la quale si verificherebbe risonanza se
non
si
ricoresse
allo
smorzamento
(resistenze di shunt)
Sismografi
Il segnale tradotto dal geofono viene registrato da una stazione sismica (sismografo).
I segnali analogici provenienti dai geofoni (24)
giungono al geode (sismografo) e qui vengono
digitalizzati
mediante
convertitori
analogico/digitali.
I dati sono archiviati in un Laptop connesso via Ethernet ai Geodi.
Acquisizione digitale
Acquisire un dato fisicamente continuo, in forma digitale o numerica, significa
campionarlo ad intervalli di tempo regolari e renderlo in forma discreta
rappresentandolo mediante una serie temporale.
Vantaggio: possibilità di elaborare il segnale e riduzione
della quantità di spazio necessaria per storarlo.
Passo
di
campionamento
(Δt):
l’intervallo
di
campionamento deve essere tale da poter ricostruire la
massima frequenza a cui si è interessati.
Fn = 1/2Δt
Es: Δt = 1ms, Fn = 500hz
Tale frequenza, è quella massima estraibile dai dati ed è campionata due volte per
ciclo. La massima frequenza utilizzabile è la metà di quella di Nyquist, corrispondente
a quattro campioni per ciclo. Occorre quindi, prima di scegliere l’intervallo di
campionamento, avere le idee abbastanza chiare sulla massima frequenza del segnale
e quindi sulla risoluzione che si vuole ottenere dal sondaggio.
Variazione della Frequenza al variare del t
L’acquisizione dei dati necessari per la costruzione di un profilo sismico a riflessione,
avviene con la disposizione dei geofoni lungo una linea il più retta possibile, questi
registreranno la risposta del sottosuolo alle sollecitazioni causate dall’onda generata
dalla sorgente artificiale, trasformandola in segnale digitale. L’eseguire più
energizzazioni successive e l’utilizzare un alto numero di ricevitori, ci permette d’avere
una copertura multipla di uno stesso riflettore profondo, ovvero di avere più
riflessioni dallo stesso punto
Spaziatura ricevitori: 5m;
Spaziatura sorgenti: 10 m
Tale schema d‘acquisizione consente di registrare sia eventi riflessi con alta copertura
in un ampio intervallo di offset (riflessioni quasi verticali a piccoli offset e ad offset
maggiori le riflessioni post-critiche), sia eventi rifratti in profondità, adatti per la
tomografia dei primi arrivi.
La copertura (Fold) è definita come il numero di volte che uno stesso punto in
profondità viene campionato, ciò può essere formalmente espresso come: copertura =
N/2n , dove N è il numero di geofoni ed n è l’intervallo tra due posizioni della sorgente.
In
fase
d’elaborazione,
conoscendo
la
geometria
d’acquisizione, sarà possibile
combinare le tracce sismiche
provenienti
da
ciascun
ricevitore in maniera tale da
ottenere varie configurazioni,
ciascuna delle quali enfatizza
aspetti diversi del database
acquisito
CRG – Common Receiver gather: raccoglie le tracce
registrate dallo stesso ricevitore (d).
COG – Common Offset Gather: raggruppa le tracce aventi
lo stesso offset (distanza sorgente-geofono) (c).
CMP – Common Midpoint Gather: riunisce tutte le tracce
aventi lo stesso punto medio (b). Da notare che
nel caso di riflettori piani il CMP coincide con il
CDP (Common Depth Point).
CSG – Common Shot Gather: raccoglie tutte le tracce che
sono caratterizzate dalla stessa posizione della
sorgente, in altre parole è l’insieme delle
registrazioni di tutti i geofoni effettuate per uno
scoppio (a).
Seismic Processing
Dato di campagna  Sezione sismica
Lo scopo dell’elaborazione di dati di sismica a riflessione è il tentativo di ricostruire
dalle tracce registrate la riflettività terrestre estrapolandola sulla base del modello
convoluzionale.
Il prodotto finale della sequenza di elaborazione convenzionale è una sezione
sismica stack che contiene informazioni su struttura e stratigrafia della zona
esplorata. A a partire dall’analisi di un profilo sismico, la successiva operazione di
interpretazione è mirata a risalire alla presenza e posizione delle discontinuità nel
terreno e possibilmente anche a delle informazioni sulle proprietà fisiche dei mezzi
che compongono il terreno (ossia, in senso lato, litologia, porosità, eventuale
presenza di fluidi).
Gli obiettivi generali dell’elaborazione sismica sono l’incremento del rapporto segnalerumore ed il miglioramento della risoluzione sia verticale che orizzontale. Le operazioni
fondamentali dell’elaborazione convenzionale dei dati sismici sono, nell’ordine usuale di
applicazione:
1) Deconvoluzione;
2) Stacking;
3) Migrazione.
Il volume dei dati sismici è rappresentato nelle coordinate dell’elaborazione: CMPoffset-tempo. La deconvoluzione agisce lungo l’asse del tempo e incrementa la
risoluzione verticale. Lo stacking comprime il volume dei dati nella direzione
dell’offset e produce il piano della sezione stack (la faccia frontale del prisma). La
migrazione muove gli eventi inclinati nella loro posizione reale e collassa le
diffrazioni, aumentando così la risoluzione orizzontale. (Yilmaz,1987).
Esempio flusso elaborazione
Strumentazione utilizzata
N. 6 Sismografi modulari “Geode” a 24 bit a 144 canali
Geofoni verticali a stringa doppia da 14 Hz
Sorgente: Sistema idraulico a mazza battente auto movente
(trattore
agricolo) Minipulse 2800 Joule
Parametri e geometria di acquisizione
Distanza intergeofonica: 5 m
Distanza tra shot: 10 m
Intervallo di campionamento: 1 ms
Finestra temporale: 2 s
SEQUENZA PROCESSING
0
0
100
100
200
200
300
300
400
400
Time (ms)
Time (ms)
Diffrazioni
500
500
600
600
700
700
800
800
900
900
1000
1000
a)
20
40
60
Picchetti (N)
80
b)
20
40
60
Picchetti (N)
80
Progetto CNR – CERFIS - CARISPAQ
CORSO
Lunghezza linea: 955 metri
N° canali: 192
N° shot: 91
NE
Profilo Corso
SW
Tomografia Corso
NE
SW
RMS: 5.65
NE
Sezione Stack
SW
Profilo Corso
Sezione Migrata in profondità
NE
SW
Profilo Corso
SALLUSTIO
Lunghezza linea 295 metri
N° canali: 60
N° shot: 27
NW
Profilo Sallustio
SE
Sezione Stack
SE
NW
Profilo Sallustio
Tomografia Sallustio
RMS: 2.1
PETTINO
Lunghezza linea 340 metri
N° canali: 69
N° shot: 39
Profilo Pettino
Sezione Stack
NW
SE
Profilo Pettino
GRAZIE PER L’ATTENZIONE