Capitolo 3.0: Interpretazione Sismica

Cercheremo ora di dare un'occhiata alle metodologie ed alle tecniche di rilevamento in mare finalizzate all'acquisizione di dati geofisici: in particolare tratteremo dell'acquisizione ed interpretazione di dati sismici.

I rilievi marini, possibili di solito dove la profondità dell'acqua è tale da permettere facili movimenti a navi della lunghezza di 30-40 metri, vengono effettuati ad una velocità di 5-7 nodi.

Nei rilievi marini, inoltre, sia la "sorgente" che l'apparato di ricezione sono immersi in mare e tale aspetto permette di ottenere registrazioni migliori rispetto a tecniche analoghe utilizzate in terraferma.

La produzione di un profilo sismico marino implica essenzialmente due tipi di apparecchiature: la prima data da una sorgente di energia e la seconda costituita da una un sistema (adeguato) di ricezione, (si cercherà anche di fornire la descrizione di alcune attrezzature di "contorno" necessarie per l'acquisizione dei dati.

Iniziamo, ora, dai sensori di base e cioè gli IDROFONI: essi sono le apparecchiature riceventi che accennavamo in precedenza, (sono anche detti geofoni a pressione). In essi l'elemento sensore è costituito (in modo molto schematico), da un cristallo piezoelettrico che ha la proprietà di dare luogo ad una differenza di potenziale elettrico proporzionale alla pressione istantanea dell'acqua (in cui si trova immerso, con i dovuti accorgimenti). Questa differenza di potenziale generata è a sua volta proporzionale alla velocità di spostamento delle particelle d'acqua messe in movimento dal segnale acustico. L'idrofono ha una risposta estremamente lineare e non produce distorsioni armoniche misurabili; inoltre, ha una frequenza estremamente alta (circa 30.000 Herz). L'idrofono vero e proprio è costituito da due sensori montati in senso opposto allo scopo di sommare gli effetti degli impulsi di pressione prodotti nell'acqua dalla sorgente di energia sismica utilizzata e nello stesso tempo cancellare le accelerazioni translazionali dovute al movimento del cavo sismico.

Il cavo di cui sopra è il fulcro di tutta l'attrezzatura ricevente poichè si tratta (di solito) di un cavo galleggiante della lunghezza media di circa 3.2 km, trainato dietro la nave (questo perchè le apparecchiature trasmettitrici sono collocate a bordo del natante stesso.

Il cavo, inoltre, è costituito da due elementi: le sezioni attive e le sezioni inerti. Le sezioni attive (la cui lunghezza oscilla tra i 30 ed i 100 metri con un diametro di circa 6-8 centimetri), sono composte nel seguente modo: un tubo trasparente di neoprene riempito di olio nel cui interno sono collocati da 20 a 100 idrofoni, i connettori elettrici e meccanici, cavi d'acciaio di rinforzo ed infine i trasmettitori. Le sezioni inerti, sempre composte da un tubo di neoprene riempito d'olio, sono collocate tra le sezioni attive in modo regolare in modo da creare intervalli ben determinati tra i gruppi riceventi (cioè gli idrofoni).

I cavi (detti anche streamer) più utilizzati sono composti da 48 sezioni attive dette anche canali della lunghezza (cadauna) di circa 70 metri, e contenenti ognuna di esse da 32 a 20 idrofoni. esistono anche streamer di 96 canali in cui viene adottato l'accorgimento, al fine di evitare una crescita spropositata della lunghezza del cavo, di sovrapporre il 50% degli idrofoni. Inoltre, lo streamer viene realizzato in modo che mantenga sempre una profondità di "lavoro" costante e prestabilita, (al fine di ricevere il segnale nel modo più uniforme possibile).

Oltre allo streamer esistono anche le seguenti attrezzature:

• Cavo di Traino: costituito da una struttura d'acciaio unica circondato dai conduttori la cui funzione è quella di collegare gli idrofoni ai registratori posti a bordo della nave (anche questo cavo d'acciaio è rivestito di neoprene). Da notare come la parte di questo cavo d'acciaio destinata a restare immersa in mare sia carenata al fine di evitare fenomenologie di turbolenza che potrebbero provocare degli effetti di vibrazione con conseguente disturbo nella ricezione del segnale stesso.
• Galleggiante e dispositivo di Abbassamento: lo scopo di questa attrezzatura è quello di mantenere la parte iniziale dello streamer ad una profondità costante e prefissata di operazione. Le dimensioni di tali attrezzature sono tarate in funzione delle dimensioni dello streamer stesso.
• Sezione di Disaccoppiamento: questa attrezzatura serve ad eliminare il "rumore" generato dal dispositivo di abbassamento e dal rimorchio del cavo stesso che altrimente tenderebbe (il "rumore") a propagarsi fino all'estremità opposta dello streamer. Praticamente si tratta di una struttura ad elasticità meccanica che genera un isolamento meccanico tra il sistema di traino ed gli elementi attivi dello streamer.
• Sistema di controllo della Profondità: questa attrezzatura serve per mantenere ad una profondità prefissata lo streamer. In sintesi, esso è costituito da una decina di dispositivi (detti anche controllers) sensibili alla pressione idrostatica ed posizionati lungo lo streamer stesso. Tali attrezzature sono formate da due alette controllate da un dispositivo automatico che alla variazione della pressione idrostatica (rispetto a quella preimpostata e desiderata), ruota: di conseguenza ruota anche l'assetto della coppia di alette al fine di riportare lo streamer alla profondità prefissata.
• Boa di Coda: essa è fissata all'estremità di coda dello streamer e vi è montato sopra (alla boa) un riflettore radar finalizzato al controllo dell'allineamento dello streamer stesso rispetto alla direzione di movimento della nave: in sintesi il cavo, affinchè acquisisca segnali non disturbati o alterati, dovrebbe (teoricamente) restare sempre perfettamente allineato con la direzione di navigazione del battello stesso.

Sorgenti Acustiche

Per quanto concerne le sorgenti acustiche ne esistono di vario tipo, a seconda delle indagini che devono essere compiute e del tipo di finanziamento che si ha a disposizione.

• Sistemi Sparker: questa tecnica è data da sorgenti in cui l'energia acustica viene generata da scariche elettriche in acqua. In sintesi, questo processo utilizza generatori di corrente continua che caricano dei banchi di condensatori ad alta tensione (tra i 3 ed i 10 kV). Un impulso elettrico chiude il circuito tra i condensatori ed il cavo di sparo, (costituito da 2 o più elettrodi di varia forma e dimensione posti in acqua) causando così un'esplosione: infatti, l'alta tensione presente ai capi degli elettrodi genera un arco voltaico che vaporizza l'acqua producendo di conseguenza una bolla gassosa la cui esplosione genera un'onda acustica. Rispetto ad altre sorgenti ad aria compressa (come ad esempio l'air gun, water gun, ecc.) i sistemi sparker offrono il vantaggio di essere più agevoli da utilizzare e soprattutto più versatili consentendone, quindi, applicazioni con differenti gradi di risoluzione (senza modificare in modo sostanziale altri partidel sistema). Ma come tutte le cose esiste sempre un rovescio della medaglia: infatti, questi sistemi tendono a formare un segnale (detto anche impulso sorgente), meno costante nel tempo rispetto ad altri sistemi. Di conseguenza i sistemi sparker a bassa energia vengono utilizzati nei rilievi sismici monocanali in situazioni in cui si privilegia la risoluzione rispetto alla penetrazione nel substrato.

Il presente lavoro è impostato su studi compiuti su profili sismici Sparker Monocanale a 30 kJ acquisiti tra il 1971 ed il 1977 per un totale di circa 2800 chilometri. Il fatto che tali profili siano stati acquisiti in quegli anni significa che essi erano restituiti direttamente su "carta" senza, pertanto, la possibilità di un'elaborazione elettronica del segnale che ne permettesse una pulitura (detta anche migrazione) dalle interferenze di sottofondo (cosa che con i profili acquisiti negli ultimi anni è possibile invece fare). Inoltre, tali profili hanno la caratteristica di possedere una minore risoluzione compensata da una maggiore penetrazione nel substrato da parte dell'onda acustica. La scala verticale di questi profili era sugli 8 secondi (tempi di andata e ritorno o detti anche tempi doppi) con una penetrazione utile dell'onda acustica sui 2 secondi circa: si ricorda che nell'acqua la velocità delle onde acustiche è assunta sui 1.500 metri/sec, mentre per i sedimenti plio-quaternari si aggira sui 2.000 metri/sec ed infine per il substrato carbonatico la velocità si aggira sui 3.500-4.000 metri/sec.

• Sistemi Air Gun: questa è una sorgente sismica molto utilizzata la cui caratteristica principale è data dal rilascio quasi esplosivo di aria ad alta pressione direttamente nell'acqua circostante al battello generando in tal modo un'onda acustica seguita da altre successive. Tralasciando la descrizione tecnica dello strumento si sottolineano le seguenti osservazioni: combinando opportunamente volume d'aria, pressione, profondità di sparo, separazione spaziale, istante di scoppio è possibile ottenere da una batteria di air guns una prederminata banda di frequenze o una riduzione degli impulsi secondari.
• Sistemi Uniboom: si tratta di un sistema dato da una combinazione magnetica-meccanica in quanto la produzione di energia acustica (e quindi della relativa onda acustica) è affidata alla percussione di due piastre montate su una struttura galleggiante (a forma di catamarano) trascinata dalla nave madre. Queste piastre in condizioni di riposo sono a contatto fra di loro poi grazie ad un elettromagnete eccitato da un generatore di corrente continua si provoca un loro discostamento. Le piastre nella posizione di riposo sono tenute unite grazie ad un sistema a molla, pertanto, quando cessa l'impulso dell'elettromagnete esse (le piastre) tendono a ritornare di scatto nella loro posizione di riposo generando così (nel momento del loro contatto) un'onda acustica con la caratteristica di possedere delle frequenze molto alte a bassa energia. Appare di conseguenza ovvio come tale sistema sia adatto a rilevamenti ad altissima risoluzione.
• S.B.P. Sub-Botton Profiler: questo sistema consente di effettuare delle sezioni sismiche del substrato con grande dettaglio anche se con limitata capacità di penetrazione. Infatti, in genere tale sistema riesce a penetrare molto bene i primi 30-50 metri del substrato (la profondità di penetrazione dipende principalmente dalle caratteristiche fisiche dei sedimenti presenti proprio in tale fascia del substrato). Il sistema è composto da due trasduttori acustici, uno ricevente ed uno trasmittente, che in linea generale sono montati in posizione fissa sotto la chiglia della nave. La frequenza di emissione degli impulsi acustici è nell'ordine delle migliaia di hz: si oscilla dai 3,5 Khz ai 7 Khz consentendo di conseguenza una risoluzione tra 0,6 ed 1 metro nella visualizzazione del substrato. Date le sue prerogative questo metodo trova grande applicazione nello studio delle strutture sedimentarie recenti e nell'ingegneria offshore.

A seguito di tutte queste chiacchere fatte finora, possiamo adesso descrive in sintesi (in estrema sintesi!) come avviene il ciclo di indagine per acquisire un profilo sismico in mare:

1. "Sparo": cioè emissione di energia sotto forma di onde a frequenza variabile (la variabilità dipende strettamente dall'energia messa in gioco);
2. Riflessione: le onde generate nella fase precedente incontrando mezzi con densità differente vengono in parte riflesse dal substrato indagato;
3. Captazione: attraverso gli idrofoni (vedi sopra) l'onda riflessa viene captata e registrata;

La frequenza delle onde "sismiche" è molto importante perchè se la frequenza usata è alta si può ottenere una risoluzionemolto elevata a scapito però della profondità di indagine, mentre se la frequenza è bassa si può penetrare maggiormente il substrato indagato (in sintesi si và più in profondità), perdendo però il dettaglioa causa di una risoluzione decisamente inferiore.

Posizionamento

Un'ulteriore considerazione deve essere fatta in merito alle tecniche di posizionamento  e determinazione della posizione della nave durante le operazioni di acquisizione dei dati della campagna di indagine geofisica.

Esistono due tipologie di precisione nel determinazione del posizionamento della Nave: precisione relativa e precisione assoluta. La precisione assoluta è importante, per esempio, per ritornare in un medesimo punto mentre quella relativa per assicurare un giusto posizionamento dei profili tra loro. Esistono moltissimi metodi per determinare una posizione in mare, ma ora descriverò (brevemente) solo i 2 principali utilizzati in questo lavoro: Sistemi Satellitari o G.P.S. tramite i quali si riesce a determinare una posizione estremamente precisa della nave, grazie anche al fatto che si lavora con una configurazione minima di tre satelliti, (l'unico problema che si può avere è legato al fatto che i satelliti in questione non devono essere "oscurati"); Sistemi Loran che consistono in un radioposizionamento tramite due (o più) ripetitori di terra (lo svantaggio di quest'ultima tecnica è che essa è molto più imprecisa di quella satellitare e inoltre dipende molto dalle capacità degli operatori umani ad essa addetti).

L'area indagata nella presente tesi è all'interno delle seguenti coordinate:

Latitudine Minima        38° 00' 00"

Latitudine Massima     41° 00' 00"

Longitudine Minima     16° 00' 00"

Longitudine Massima  20° 30' 00"

Registrazione

I rilevamenti sismici permettono di osservare delle discontinuità verticali evidenziate lungo il tracciato della rotta della nave. A lato di tali profili non è pertanto possibile osservare alcunchè. I sismogrammi che si ottengono sono costituiti dallo spazio, (lato ascisse) rispetto alla scala dei tempi (lato ordinate). Questo significa che in realtà essi non rappresentano la realtà fisica del mezzo indagato, e possono essere trasformati in diagrammi spazio/spazio solamente se si conosce l'esatta velocità di propagazione delle onde nel substrato interessato dall'indagine in corso (fatto in verità assai raro!).

Come già accennato in precedenza i tempi rilevati nei profili sismici esaminati sono in realtà doppi e, inoltre, in tutti i profili osservati è presente un'esagerazione verticale pari a sei volte quella normale: tale situazione è da imputarsi al fatto che l'acquisizione è avvenuta direttamente sul supporto cartaceo e non su nastro magnetico che a sua volta avrebbe consentito un processo di migrazione (o pulitura) del segnale con conseguente normalizzazione delle scali verticali e del "rumore" di fondo.

Altri problemi che possono emergere durante l'acquisizione del segnale:

• Il segnale può essere riflesso più volte in uno stesso percorso all'interfaccia fra due strati con impedenza acustica differente causando così l'introduzione nel sismogramma riflessioni spurie e sistematiche di fondo, note anche con il termine di multiple (come ad esempio la tripletta di "strati riflettori" che accompagna sempre l'interfaccia del fondo marino acqua/sedimenti).
• Il segnale sismico, al momento del contatto con una superficie, può essere disturbato dalla presenza di oggetti situati ai lati della rotta seguita dalla nave, generando, di conseguenza, degli echi laterali che, potenzialmente, possono provocare del disturbo nel segnale ricevuto.
• La nave durante la navigazione può compiere delle brusche virate (correzioni di rotta per evitare ostacoli o altri natanti), mentre la campagna di acquisizione è attiva. Il risultato finale è quello di registrare nei profili delle strutture inesistenti a causa, appunto, del cambio di posizione della sorgente e dell'attrezzatura ricevente.
• Quando l'onda acustica incontra dei sedimenti che "si lasciano" attraversare senza riflettere alcun segnale si ottengono delle unità sismiche composte da più riflettori detti anche trasparenti: infatti, non potendo distinguere al loro interno alcun segnale accade che si vengono ad evidenziare dei marker molto netti e facilmente seguibili nelle strutture indagate. La spiegazione di tale fenomeno è imputabile al fatto che questi pacchi di sedimenti sono sismicamente omogenei come segnali, cioè possiedono impedenze acustiche similari che non determinano differenze di risposta nell'onda acustica che li attraversa.

Quando al di sotto di un certo spessore di sedimenti l'onda acustica non riesce più a penetrare si è individuato il limite fisico della penetrazione dell'energia sismica artificiale: tale limite è detto anche basamento acustico. Tale limite definisce un orizzonte correlabile su tutta l'area di studio, facilmente identificabile dal fatto che oltre tale livello il substrato risulta essere "sordo" alla penetrazione dell'energia sismica. In alcuni casi, però, può accadere che al di sotto del basamento acustico "sordo" si possono ugualmente riconoscere e distinguere dei riflettori o strati: si tratta di informazioni definite e definibili in zone estremamente localizzate che però ne permettono una caratterizzazione areale più approfondita.