3.3.1 - Introduzione
La grotta del Monticello consiste in una cavità sotterranea di origine carsica, situata ai piedi del Monte Pisano tra Asciano e Calci.
Quest’area è caratterizzata da affioramenti rocciosi di natura calcarea, quindi da una diffusa infiltrazione delle acque meteoriche, che determina una circolazione idrica quasi
esclusivamente sotterranea.
Alla grotta si può accedere attraverso una piccola apertura alla sommità, un foro avente diametro di 1 m, servendosi di una scala in ferro alta 7 m.
Dal rilievo del Gruppo Speleologico del C.A.I. di Pisa (Figura 126), risulta che la grotta ha una forma a “campana”, con un estensione lungo la sezione AB di circa 45 m ed una
profondità massima di circa 25 m.
Per questa tesi abbiamo analizzato un’acquisizione effettuata
nell’ambito del corso di
Geomorfologia Radar: due profili, ciascuno diviso in due parti, nelle direzioni Nord-Sud (AB) ed Est- Ovest.
Purtroppo la presenza di asperità e rocce lungo il profilo ha influito negativamente sulla qualità dei dati, favorendo la generazione di rumore. Ciò ha diminuito fortemente la profondità d’indagine, motivo per cui lo studio risulta limitato alla parte sommitale della grotta.
Noi considereremo soltanto una linea, quella Nord-Sud, acquisita su una superficie approssimativamente orizzontale (per l’altra sarebbero necessarie delle correzioni topografiche).
3.3.2 - Parametri di acquisizione
In questo caso è stata scelta una frequenza di 200 Mhz, considerando che la profondità d’indagine desiderata, rispetto al caso della chiesa, era maggiore. Idealmente, ci si aspetta una penetrazione del segnale di circa 3 m.
Vediamo gli altri parametri d’acquisizione: finestra temporale: 320 ns
velocità ipotetica media delle onde elettromagnetiche: 0.1 m/ns passo di campionamento spaziale: 0.024 m
passo di campionamento temporale: 0.625 ns (ogni traccia è formata da 512 campioni)
Verifichiamo anche stavolta che questa scelta rispetta il criterio per evitare aliasing temporale (frequenza di campionamento maggiore del triplo della frequenza centrale nominale dell’antenna): > 3
Infatti: = 200 =
. ∗ 10 = 1.6
Per quanto riguarda la risoluzione verticale d, tenendo presente le osservazioni fatte per l’indagine precedente, abbiamo:
~ ~ ∗ / = 1.5 d = ~ .
Infine, teniamo presente il rischio di aliasing spaziale. Il passo di campionamento spaziale è dx = 2.4 cm.
Sempre per il criterio di Nyquist: una variazione spaziale in direzione del profilo, per essere rilevabile correttamente, deve avere lunghezza d’onda tale che sia dx ≤
Quindi la più piccola lunghezza d’onda spaziale interpretabile correttamente sarà
3.3.3 - Elaborazione dati
I passaggi del processing sono analoghi al caso della chiesa: Dewow, Correzione di tempo zero, Background removal, Bandpass (108-440 MHz), Guadagno, Boxcar (1,1).
In figura sono rappresentati i primi 220 campioni di ogni traccia (in totale sono 459, ma oltre una certa profondità non è rilevabile segnale utile).
Figura 127
Dato grezzo dopo il Dewow
Figura 128
Figura 129 Background removal Figura 130 Filtro passabanda Figura 131 Guadagno
Figura 132 Filtro Boxcar
In Figura 133 vediamo il risultato finale per entrambe le linee concatenate:
La seconda linea è rappresentata in successione per non nascondere parte della prima, ma le sue coordinate reali sono (-0.215, 28.153).
Quindi l’estremo sinistro andrebbe sovrapposto alla parte finale della prima linea come in
Figura 134.
Figura 133
In queste pagine abbiamo riportato la sequenza di processing che si è rivelata più adatta a mettere in luce le riflessioni d’interesse.
In Figura 135 mostriamo, ad esempio, il risultato della stessa elaborazione appena vista, in cui però sono state invertite le operazioni di Bandpass e Backround removal:
Figura 135
Dal paragone si capisce subito che l’applicazione di un filtro passabanda che precede la rimozione del rumore di fondo può risultare svantaggiosa: essa modifica il segnale
rimuovendone alcune frequenze, influenzando il processo di sottrazione della media su cui si basa il filtro di Background.
Esso, infatti, si basa sulla coincidenza temporale di certe riflessioni presenti lungo tutto il profilo (bande orizzontali): agisce sottraendo questi elementi comuni, che vengono enfatizzati dalla media delle tracce.
Modificare prima la banda del segnale, quindi, potrebbe danneggiare il riconoscimento di tali coincidenze.
In questo caso, ad esempio, sappiamo qual è la posizione dell’ingresso della grotta (x = -0.216). Ponendo l’attenzione in questa zona, la figura precedente mostra scarse informazioni, mentre con la sequenza scelta (Figura 136) si distingue meglio una curva interpretabile come la volta della grotta.
3.3.4 - Interpretazione
Le immagini sono disturbate dai numerosi sistemi di fratture, oltre che dallo scattering sui frammenti rocciosi superficiali.
Alla posizione x = -59 m risulta evidente una riverberazione tipicamente attribuibile ad una cavità, così come altre riflessioni iperboliche che si ripetono in diverse posizioni lungo il profilo, ma che nel radargramma raggiungono profondità minori.
La risoluzione e le informazioni che abbiamo non sono però sufficienti a dedurre il tipo di materiale o di riempimento di eventuali vuoti.
In ogni caso, ammesso che la scala di profondità derivi da una buona stima della velocità nella roccia calcarea, tali riflessioni hanno inizio a profondità molto basse (fino a 1.5 m), ben al di sopra della superficie superiore della grotta.
Figura 137
Proporzione tra la profondità d’indagine e le dimensioni della grotta.
Si tratta dunque di disomogeneità nel suolo sovrastante, fuori dalla zona di nostro interesse, che invece risulta scarsamente indagabile a causa di un’eccessiva attenuazione del segnale. Anche se, in genere, le rocce carbonatiche dovrebbero offrire un contesto favorevole all’indagine radar (grazie alla loro bassa conduttività), eventuali condizioni di suolo umido possono limitare fortemente l’efficacia del metodo, che in questo caso non si è dimostrato all’altezza delle nostre aspettative: l’infiltrazione di acqua, infatti, non ha permesso di studiare la grotta in maniera più dettagliata, nascondendo la geometria delle parti più profonde.
CONCLUSIONI
A seconda del contesto, quindi, abbiamo discusso le caratteristiche del metodo georadar, per quanto riguarda il tipo di acquisizione ed elaborazione dei dati, e per quanto riguarda la possibilità di effettuare simulazioni su radargrammi sintetici.
Una conoscenza dei fenomeni di riflessione delle onde è fondamentale per non essere tratti in inganno dalla rifrazione all’interno delle cavità, cioè dalla forte deviazione di traiettoria dei raggi inviati dall’antenna in direzioni diverse.
Così come lo studio della velocità media del segnale risulta fondamentale per riconoscere disturbi causati da riflessioni esterne e stimare le dimensioni degli oggetti rilevati.
Quest’ultimo è un problema tipico degli ambienti interni agli edifici, come nel caso della chiesa, dove l’interpretazione può essere complicata da elementi architettonici sovrastanti come pilastri, tetto e pareti. In compenso l’alta frequenza (bassa profondità richiesta) permette una migliore risoluzione, e la regolarità geometrica delle strutture rende i risultati facilmente simulabili.
Un contesto naturale, invece, come quello delle cavità di origine carsica, può presentare il vantaggio di una bassa conduttività della roccia incassante (il calcare ha un basso valore di σ) e di un forte contrasto di permettività con l’aria. Spesso, tuttavia, la qualità dei dati viene peggiorata da una bassa risoluzione (è richiesta una bassa frequenza per esplorare profondità maggiori) e da disturbi non prevedibili, come la disomogeneità del suolo (che provoca dispersione per scattering) e l’influenza delle condizioni atmosferiche.
Nel nostro caso, infatti, tali disturbi non hanno permesso di esplorare l’interno della grotta. Naturalmente è sempre opportuno, ai fini di un’indagine più approfondita, affiancare il GPR con altri metodi geofisici che possano compensare con informazioni non ricavabili da
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