UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PISA
FACOLTA’ DI SCIENZE MATEMATICHE FISICHE E NATURALI
Corso di Laurea Magistrale in
Geofisica di Esplorazione ed Applicata
Anno Accademico 2014/15
Candidato: Giuffrida Milko Angelo
Laurea triennale in: Fisica
Titolo della tesi
Ground Penetrating Radar multicanale (Stream X) ed Induzione Elettromagnetica (DUALEM):
trattamento dati, interpretazione e confronto tra i metodi applicati ad un caso reale (area
archeologica di Luni, La Spezia)
Relatore: Dott. Adriano Ribolini
Correlatori: Dott. Paolo Costantini Controrelatore: Prof. Luigi Zanzi
Dott. Gianfranco Morelli
Riassunto/Abstract
Gli sforzi scientifici ed ingegneristici compiuti per la creazione di metodi innovativi atti ad esplorare il sottosuolo a bassa profondità, sono sempre frenati dai limiti dovuti alle condizioni ambientali nelle quali ci si trova ad operare e al grado di risoluzione richiesto dal problema. Per ridurre queste difficoltà, è pratica comune ricorrere all’utilizzo simultaneo di diversi metodi di indagine e quindi al confronto e all’integrazione dei risultati ottenuti. Questo non solo per una possibile conferma incrociata dei risultati, ma soprattutto per arricchire il quadro delle indagini con dati potenzialmente complementari. Tale pratica deve essere comunque effettuata con cautela in quanto i metodi impiegati spesso sfruttano diverse caratteristiche fisiche e chimiche dei materiali geologici o antropici, producendo immagini della sottosuperficie apparentemente poco sovrapponibili. In questo contesto la Tesi di Laurea analizza l’efficacia di due fra le diverse tecniche geofisiche frequentemente utilizzate nell’esplorazione della sottosuperficie a bassa profondità: il georadar (GPR) e l’induzione elettromagnetica (EMI). Per meglio comprendere l’efficacia delle scelte di prospezione, della strategia di processing dei dati e le potenzialità di lettura (singola e congiunta dei due metodi) della sottosuperficie, è stata eseguita un’indagine reale con l’utilizzo di due degli strumenti più avanzati che sfruttano queste tecniche.
Il primo strumento analizzato è lo Stream-X (Subsurface Tomography Radar Equipment Assets Mapping), prodotto dalla IDS (Ingegneria Dei Sistemi S.p.A). Si tratta di un GPR multicanale composto da un array di 16 antenne dipolari (due moduli da 8 antenne) parallele tra loro e rispetto alla direzione del survey. Per quanto riguarda i metodi EMI, le indagini sono state effettuate attraverso un dispositivo chiamato DUALEM 642 e prodotto dall’azienda canadese Dualem Inc. Lo strumento è di tipo FDEM (Frequency Domain
Electromagnetic Induction), ovvero opera nel dominio della frequenza ed è composto da una bobina
trasmittente e tre paia di bobine che fungono da ricevitori.
Entrambi i dispositivi utilizzano come mezzo di indagine onde elettromagnetiche, ma il parametro chiave che le contraddistingue è la frequenza di lavoro: 200 MHz per lo Stream X contro i 9 kHZ per il DUALEM. Quando si opera in regime ad alta frequenza, come nel caso del GPR, il meccanismo dominante di trasporto
dell’energia è la propagazione ed il fenomeno fisico in gioco è la riflessione. Al contrario, nei dispositivi DUALEM (che utilizzano basse frequenze), il regime di propagazione è di tipo diffusivo ed il principio in gioco è la dissipazione volumetrica dell’energia mediante il meccanismo dell’induzione elettromagnetica. Ne consegue che, mentre il GPR fornisce dati che riflettono informazioni puntuali (misurate in corrispondenza delle interfacce tra due strati aventi proprietà fisiche diverse), il DUALEM fornisce informazioni relative ad un intero volume di suolo. Inoltre, la frequenza di funzionamento del DUALEM, molto più bassa rispetto alle frequenze GPR tipiche, consente di operare all’interno dell’approssimazione di low induction number (LIN). Sotto queste condizioni la componente immaginaria della trasformata di Fourier del segnale registrato (risposta in quadratura di fase) risulta essere direttamente proporzionale alla conducibilità del volume di suolo sottostante il sensore di trasmissione e quelli di ricezione, mentre la componente reale della trasformata di Fourier (risposta in fase) risulta proporzionale alla suscettività magnetica.
I dati in uscita dal GPR vengono generalmente restituiti sottoforma di radargrammi (o B-scan), ovvero una rappresentazione bidimensionale (del tipo spostamento lungo il tracciato vs tempo di ricezione dei segnali riflessi) dell’ampiezza degli impulsi riflessi dalle discontinuità elettromagnetiche del terreno lungo l’intero profilo percorso. Una volta indagate le principali cause implicate nella formazione dei radargrammi, si è dunque passati all’applicazione dei processi di elaborazione (base e avanzati) e all’analisi critica dei loro effetti sul dato. La fase successiva è consistita nella creazione di un’immagine 3D (chiamata C-Scan e rappresentante il volume dell’intero suolo investigato) a partire dai radargrammi elaborati e nell’analisi delle diverse tecniche di interpolazione statistica adatte a questa operazione. Il vantaggio della visualizzazione
C-scan risiede nella possibilità di sezionare il volume di dati in diversi piani e a diversi tempi/profondità. Si
costruiscono in questo modo delle mappe del sottosuolo a una determinata profondità (timeslices), nelle quali è rappresentata la distribuzione orizzontale dei valori di ampiezza delle riflessioni radar.
I metodi ad induzione elettromagnetica si basano invece sulla misura dei campi elettromagnetici prodotti dalle correnti elettriche indotte nel terreno indagato (e nelle strutture in esso eventualmente contenute) da un altro sistema di campi elettromagnetici generati artificialmente in superficie. Le misure vengono effettuate prelevando i valori di conducibilità in un numero finito di punti collocati su tutta l’area in esame. I dati in
output vengono tuttavia restituiti sottoforma di mappe di conducibilità apparente. Per questo motivo è stato
necessario sottoporli ad un processo di inversione atto a riportare le mappe ad avere una distribuzione di conducibilità i cui valori siano più vicini a quelli reali. L’inversione è stata effettuata attraverso l’uso di un software chiamato EM4Soil e sviluppato dalla EM-TOMO. Di questo se ne sono analizzate le principali funzionalità e studiati a fondo i due algoritmi di inversione che utilizza.
Oltre allo studio di tutti gli aspetti teorici legati al funzionamento dei due strumenti, l’obiettivo principale di questo lavoro di Tesi è stato dunque quello di capire tutti i meccanismi (anche quelli più inusuali) implicati nella acquisizione e nella elaborazione dei dati, in modo tale da avere le basi per poter scegliere in maniera critica sia i parametri da utilizzare nei processi di elaborazione, sia la sequenza di processing più adatta ad ottenere risultati in uscita di più facile lettura ed interpretazione.
Una volta analizzate le potenzialità teoriche e pratiche dei singoli strumenti e le loro differenze e analogie, un altro obiettivo che ci si è posti è stato quello di verificare se i risultati ottenuti dalle due tecniche siano in qualche modo compatibili. Nonostante i due dispositivi siano quasi del tutto differenti tra loro, sia da un punto di vista pratico, che dei principi fisici coinvolti, l’analisi è stata agevolata dal fatto, che per entrambi i metodi, le informazioni in uscita vengono generate dalla stessa sottosuperficie, le cui caratteristiche di conducibilità/resistività dipendono dai medesimi materiali geologici e dalla loro disposizione geometrica. I principali vantaggi riscontrati nell’utilizzo di un GPR multicanale consistono in tempi di lavoro minori (un’area viene coperta con un numero di scansioni minori rispetto a quelle che occorrerebbero con un
sistema monocanale), riduzione dei problemi causati da aliasing spaziale, alta risoluzione orizzontale e verticale, possibilità di fornire immagini 3D dettagliate dei target sepolti. Il vantaggio del DUALEM sta nel riuscire ad effettuare misure simultanee della conducibilità elettrica apparente e della suscettività magnetica apparente a sei differenti profondità di esplorazione. Ciò è possibile grazie alla particolare disposizione delle bobine nella struttura tubolare dello strumento e alla possibilità di aumentare la distanza bobina trasmittente e bobine riceventi
Le indagini sono state eseguite all’interno dell'area archeologica della antica città romana di Luni, nel territorio di Ortonovo, in provincia di La Spezia e a pochi chilometri dal confine con la Toscana.
Dal momento che l’area oggetto di studio è densa di resti di natura antropica, come obiettivo finale si è infine pensato osservare se il DUALEM 642s possa ritenersi un valido strumento per prospezioni di tipo geoarcheologico, così come lo sono i già consolidati metodi GPR, Stream X compreso.
I risultati ottenuti mediante lo Stream X hanno mostrato la presenza nel sottosuolo di target con proprietà molto diverse rispetto alla matrice inglobante e aventi geometrie potenzialmente riconducibili a target archeologici. Tali informazioni risultano abbastanza intuitive e di facile lettura all’interno dei radargrammi e nelle timeslices GPR, mentre risultano meno immediate nelle mappe DUALEM invertite (Figura).
Dal confronto dei risultati è emersa dunque la notevole capacità delle tecniche GPR multicanale nell’individuare target sepolti di dimensioni ridotte e aventi particolari geometrie. Tuttavia i dati GPR forniscono solo l’ampiezza delle riflessioni, mentre non danno informazioni sulla natura del corpo che le ha generate. Tale informazione potrebbe essere ricavata dal DUALEM, il quale, grazie alla maggiore profondità di esplorazione (9 metri in configurazione completa contro i 3 metri delle Stream X) riesce anche a fornire dettagli più precisi riguardo al contesto stratigrafico in cui eventuali anomalie sono inserite.
Si è concluso che, considerati i differenti dati in uscita, un approccio integrato che usa i due strumenti nella stessa area, potrebbe potenzialmente offrire maggiori spunti interpretativi ed una migliore e più completa lettura dei risultati. In questo modo i limiti o le differenze tra i due strumenti possono essere superati.
Figura: a) Timeslice GPR corrispondete a 1.52 m di profondità. In essa è possibile notare delle riflessioni abbastanza in risalto
rispetto al contesto di sottofondo ed aventi particolare regolarità geometrica. b) Mappa di conducibilità DUALEM invertita corrispondente a 2 m di profondità. Nella zona resistiva (in blu) sono state individuate delle curve di livello che sembrano seguire l’andamento rettilineo delle riflessioni individuate sulle timeslices GPR. La banda conduttiva rappresenta probabilmente un paleo alveo, difficilmente visibile sulle timeslices.
