CAPITOLO 2
IL METODO GPR (GROUND PENETRATING RADAR)
2.1 Concetti generali
Il GPR (Ground penetrating Radar o Georadar) è una tecnica geofisica non invasiva che si avvale dell’elettromagnetismo ad alta risoluzione per investigare la sottosuperficie.
Esso individua le discontinuità elettriche dei primi metri di sottosuolo (normalmente fino a profondità inferiori ai 50 m) attraverso la generazione, la trasmissione, la propagazione, la riflessione e la ricezione di impulsi elettromagnetici ad alta frequenza (MHz) (Neal, 2004).
Negli ultimi quindici, venti anni si è assistito a rapidi progressi nella teoria e nelle tecnologie legate all’uso del Georadar che hanno condotto al moltiplicarsi dei campi di applicazione di questa tecnica.
Oltre all’ormai consolidato uso nelle indagini geofisiche, il GPR è divenuto uno strumento importante negli studi sedimentologici, usato per ricostruire gli ambienti deposizionali passati e la natura dei processi sedimentari in una varietà di ambienti diversi.
L’applicazione del Georadar ai sedimenti si è diffusa rapidamente poiché esso fornisce immagini ad alta risoluzione degli strati più superficiali del sottosuolo che non possono essere fornite attraverso nessun altro metodo non distruttivo (Bristol & Jol, 2003).
Le metodologie connesse al GPR si avvalgono delle conoscenze pregresse
relative alle indagini di riflessione sismica, con le quali si possono
evidenziare diverse analogie per quanto riguarda la cinematica delle
discontinuità subsuperficiali. Da ciò deriva l’applicabilità al GPR di principi che sono alla base dell’elaborazione e dell’interpretazione dei dati ottenuti con, le più consolidate, tecniche di riflessione sismica.
L’assunto principale, comune ai due metodi, è che alla risoluzione dell’indagine e dopo appropriate elaborazioni dei dati, i profili di riflessione conterranno accurate informazioni riguardanti la natura del corpo primario di una struttura deposizionale (Neal, 2004).
Le forme più comuni di Georadar sono costituite da una o due antenne, una trasmittente e una ricevente, che vengono fatte scorrere sopra la superficie che si desidera indagare.
Si parla di configurazione Monostatica se trasmittente e ricevente sono incluse all’interno di uno stesso contenitore e non possono essere separate;
questo tipo di Georadar utilizza per lo più antenne di frequenza medio alta (200-1500 MHz). Nella configurazione Bistatica, invece, i due elementi sono separati, ma vengono fatti muovere entrambi nella stessa direzione mantenendo fissa la distanza tra i due (copolarised antennae); per questo tipo di GPR si impiegano tendenzialmente basse frequenze. Nella configurazione bistatica è possibile anche acquisire dati muovendo le due antenne in distanze opposte di distanze incrementali rispetto ad un punto centrale (common mid point, CDP). Questo tipo di prospezione è utilizzata per il calcolo della velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche.
Le onde elettromagnetiche emesse e trasmesse all’interno del terreno interagiscono con materiali caratterizzati da proprietà dielettriche diverse.
Le riflessioni e la loro intensità al contatto con i diversi materiali, vengono
captate dalla ricevente e registrate sottoforma di traccia da un computer
direttamente collegato alle antenne (figura 2.1). La singola traccia verticale
registra quindi delle oscillazioni in funzione del tempo di ritardo delle onde
elettromagnetiche nel percorrere il tragitto dalla superficie, alla superficie
riflettente e ritorno (two way travel time). L’ampiezza dell’oscillazione
della traccia è proporzionale all’intensità dell’onda riflessa, funzione a sua volta del contrasto fra le proprietà elettromagnetiche dei materiali a contatto. Acquisendo diverse tracce nelle diverse stazioni di misura lungo la traiettoria scelta sulla superficie si otterrà una sezione bidimensionale tracce-tempi di ritardo, chiamata radargramma e sezione georadar.
Le tracce radar ottenute dovranno essere, in seguito, corrette ed elaborate con l’uso di software appositi.
Tali operazioni risulteranno necessarie per cercare di superare i limiti intrinseci dei dati di indagine di base ed ottenere da essi informazioni più realistiche riguardanti il sottosuolo.
I profili radar così ottenuti potranno essere interpretati dall’operatore che li ha effettuati e rimanere a disposizione per successivi studi.
Figura 2.1; Acquisizione dei dati GPR e relativo profilo di riflessione radar; a) acquisizione dei dati in un singolo punto di indagine, componenti del sistema GPR e configurazione delle superfici riflettenti subsuperficiali; b) profilo di riflessione radar ottenuto riportando in sequenza le tracce individuali ottenute da punti di rilevamento
2.2 Basi teoriche
Per le indagini GPR, le proprietà elettriche e magnetiche dei mezzi attraversati hanno notevole importanza.
Le relazioni costitutive rappresentano un modo per descrivere le risposte dei materiali all’applicazione di un campo elettromagnetico:
J = σ E D = ε E B = μ H
Nelle quali: J è la densità di corrente elettrica (A/m²), E è l’intensità del campo elettrico (N/C), D è l’induzione elettrica o spostamento elettrico (C/m²), B la densità del flusso magnetico (Wb) e H l’intensità del campo magnetico (A/m).
Le proprietà dei materiali che controllano il comportamento dell’energia elettromagnetica in un mezzo sono rappresentate da σ, ε, µ.
Esse sono:
- conduttività elettrica (σ) che caratterizza il libero movimento di cariche (corrente elettrica) alla presenza di un campo elettrico;
- permettività dielettrica o costante dielettrica (ε) che misura la predisposizione di un materiale a trasmettere il campo elettrico;
- permeabilità magnetica (µ) che esprime l’attitudine di una sostanza a lasciarsi magnetizzare.
Le onde elettromagnetiche si muovono nell’aria alla velocità della luce (0,3 m/ns); nel terreno la loro velocità è inferiore e nella maggior parte dei materiali geologici è data dalla relazione:
Equazione 2.1
Dove c0 è la velocità delle onde nel vuoto, ε è la permettività dielettrica, ε0 la permettività dielettrica nel vuoto e σ/ωε è il fattore di perdita.
Per materiali a bassa perdita, come sabbie e ghiaie pulite, il fattore di perdita può essere approssimato a 0 quindi la velocità delle onde elettromagnetiche può essere espressa tramite la relazione:
Equazione 2.2
Cioè, la velocità risulta inversamente proporzionale alla radice della permettività dielettrica.
Le metodologie di indagine del Ground Penetrating Radar dipendono dalla ricezione di segnali riflessi o diffusi; tali riflessioni si verificano quando un’onda EM incontra una discontinuità significativa rispetto a µ, ε, σ.
L’ampiezza della riflessione è proporzionale alla grandezza del cambiamento. La quantità di energia riflessa è espressa dal Coefficiente di Riflessione (R).
Assumendo che la differenza di conduttività elettrica (σ) e permeabilità magnetica (µ) tra i due mezzi sia trascurabile e sapendo che εr1 e εr2 sono i valori delle permettività dielettriche relative dei due strati adiacenti 1 e 2, l’equazione per calcolare R può essere così espressa:
Equazione 2.3
da questa si deduce che la quantità di energia elettromagnetica riflessa sarà tanto maggiore quanto maggiore è la differenza di permettività dielettrica tra i due strati attraversati.
In alternativa, il Coefficiente di Riflessione può essere espresso in relazione alla velocità delle onde elettromagnetiche nei diversi materiali:
Equazione 2. 4
Dove ν1 e ν2 sono le velocità delle onde elettromagnetiche rispettivamente nello strato 1 e nello strato 2. Anche in questo caso si può notare che maggiore è la differenza di velocità di propagazione delle onde nei due materiali, maggiore sarà la quantità di energia riflessa.
Il valore di R varia sempre tra -1 e +1.
Tabella 2.1. Esempi di proprietà elettriche in alcuni materiali geologici comuni (Neal, 2004).
Come mostrato nella tabella 2.1, l’acqua ha un’elevata permettività
dielettrica rispetto all’aria e agli altri materiali elencati. Di conseguenza il
contenuto idrico esercita un controllo primario sulle proprietà dielettriche dei comuni materiali geologici.
Generalmente, nelle rocce, nei sedimenti e nei suoli una minore permettività dielettrica si traduce in una maggiore velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche (equazione 2.2).
Da modelli realizzati attraverso l’uso del GPR si è evidenziato che la propagazione delle onde radar è sensibile alle variazioni nel rapporto:
sedimenti/aria/acqua.
In particolare, le variazioni nella quantità e nella tipologia di fluidi che occupano i pori, nella dimensione, nella tipologia, nella forma, nell’
orientazione e nel packing dei sedimenti si traducono tutte in significative riflessioni (tabella 2.2).
Tabella 2.2. Coefficienti di Riflessione per cambiamenti nel contenuto di acqua nel sedimento, nella porosità,nella litologia,nella forma e nell’orientazione dei grani. Il coefficiente R indica la proporzione di energia che teoricamente è riflettuta da un’interfaccia; i valori di R oscillano tra +1 e -1, il segno indica la polarità dell’onda riflessa (Neal, 2004).
Di conseguenza i profili radar realizzati con le tecniche GPR dovrebbero essere in grado di evidenziare elementi del sottosuolo come le falde, le strutture sedimentarie e i contatti litologici.
Tale capacità è di notevole importanza per le applicazioni sedimentologiche di questo tipo di metodologia di ricerca.
La stratificazione sedimentaria è il prodotto del cambiamento nella composizione del sedimento, nella dimensione, nella forma, nell’orientamento e nel packing dei granuli e corrisponde a cambiamenti nella porosità (figura 2.2).
Le relazioni esistenti tra le riflessioni radar primarie e la stratificazione principale incentivano l’uso del GPR negli studi sedimentologici, soprattutto in presenza di sedimenti clastici, per i quali i processi fisici sono tipicamente dominanti.
Figura 2.2. Stratificazione in sedimenti e rocce sedimentarie, risultante da cambiamenti nella composizione, dimensione, forma, orientazione e packing dei grani (Neal, 2004).
Esiste una ricca bibliografia di ricerche realizzate negli ultimi decenni con le tecniche GPR che hanno ampiamente confermato la relazione tra riflessioni radar e stratificazione. Si tratta soprattutto di studi che, mirando a verificare l’effettiva efficacia della tecnologia del Ground Penetrating Radar, prevedevano la comparazione tra i risultati ottenuti tramite i radargrammi e quanto rilevato attraverso l’osservazione di sezioni naturali, affioramenti e carotaggi.
Molti di questi hanno evidenziato che variazioni nella permettività dielettrica (ε), associate al maggiore contenuto d’acqua, sono più significative, nel causare riflessioni, rispetto ai cambiamenti di µ e σ. Un differente contenuto idrico è connesso sia ai cambiamenti di porosità dei sedimenti, sia alla particolare abilità del sedimento stesso di trattenere fluidi. La presenza di materiale organico, di precipitati di ossido di ferro e di sedimento più fine, causano l’aumento del contenuto di acqua e di conseguenza l’aumento di ε.
Le tecniche di indagine GPR possono però evidenziare anche caratteristiche non appartenenti alla struttura sedimentaria quali: fratture ed altre strutture di deformazione secondaria, strati di precipitati di ossido di ferro e falda idrica.
Esse danno luogo a riflessioni estranee alla struttura sedimentaria primaria la cui presenza può rendere difficoltosa l’interpretazione sedimentologica del profilo.
Per concludere, malgrado la maggior parte delle riflessioni siano originate dalla struttura sedimentaria primaria è necessaria una valutazione chiara e realistica delle caratteristiche non sedimentarie che possono essere presenti.
Tale valutazione dovrebbe aver luogo prima dell’inizio del rilevamento e
comunque certamente prima del processamento e dell’interpretazione dei
dati raccolti (Neal, 2004).
L’uso del GPR nell’individuazione di oggetti e strutture nel sottosuolo dipende dalla capacità di tale tecnica di individuare ed estrarre informazioni sulla posizione e la geometria delle caratteristiche sepolte.
Il termine “Risoluzione” indica il limite di certezza nel determinare la posizione e gli attributi geometrici di un obiettivo (dimensioni, forma e spessore) ed è controllato dai processi di osservazione (Jol, 2009).
La risoluzione del Georadar consiste di due componenti: la risoluzione longitudinale (o verticale, o di profondità, o Range Resolution) e la risoluzione laterale (o angolare, o orizzontale).
Figura 2.3; La risoluzione per le tecniche GPR si divide in due parti chiamate rispettivamente Range resolution (risoluzione longitudinale o verticale) e Lateral Resolution (Risoluzione laterale o orizzontale). T= antenna trasmittente; R=antenna ricevente. (Jol, 2009).
Il concetto di risoluzione è fondamentale per le tecniche di indagine connesse al Georadar ed è comune a tutte le metodologie di indagine che prevedano la ricezione di onde.
In particolare nella riflessione sismica la risoluzione ha due definizioni comuni, entrambe applicabili direttamente ai dati radar (Neal, 2004).
La prima riguarda la capacità di determinare la posizione di un riflettore
nello spazio o nel tempo. In termini di risoluzione verticale, questa è
funzione della larghezza dell’impulso; ciò si traduce in una relazione di proporzionalità diretta tra risoluzione verticale e frequenza (cioè:
all’aumentare della frequenza, aumenta anche la risoluzione verticale dell’indagine).
La seconda definizione di risoluzione si riferisce alla capacità di discriminare due caratteristiche spazialmente vicine; riguardo alla risoluzione verticale, questa è controllata dalla lunghezza d’onda (λ), la quale è legata a frequenza (f) e velocità (v) dalla relazione:
λ=ν/f
Secondo le due definizioni sopra riportate, al fine di aumentare la risoluzione verticale è perciò importante aumentare il contenuto di dati ad alta frequenza; ciò dovrebbe migliorare i risultati del rilevamento soprattutto in presenza di strati sottili che si ripetono; infatti più sottili sono gli strati, meglio saranno evidenziati se si usano frequenze maggiori.
La teoria delle onde indica che la migliore risoluzione verticale che può essere raggiunta è pari ad ¼ della λ (lunghezza d’onda) dominante ( Neal, 2004).
La risoluzione verticale di un profilo di riflessione radar ha importanti implicazioni per le sue interpretazioni sedimentologiche, in quanto determinerà la scala delle strutture sedimentarie che possono essere osservate. In particolare si capirà se da tali radargrammi potranno essere evidenziate: lamine, serie di lamine, strati o serie di strati. Confrontando il ridotto spessore delle lamine (< 0.01 m) con la massima risoluzione verticale registrata è possibile affermare che serie di lamine e strati saranno discriminati più facilmente con le tecniche GPR (rispetto alla singola lamina) (Neal, 2004).
La risoluzione orizzontale (o laterale) è funzione della lunghezza d’onda e
della profondità alla quale si trova il riflettore.
Le onde elettromagnetiche si propagano nel terreno descrivendo un cono ellittico con il vertice corrispondente al centro dell’antenna trasmittente.
Una stima della risoluzione orizzontale è data dal calcolo dell’area illuminata dall’energia irradiata nel sottosuolo, o radar footprint (figura 2.4).
All’aumentare della profondità di indagine, il cono si espande lateralmente, aumenta il footprint, ma diminuisce la risoluzione orizzontale.
Figura 2.4; Radar footprint (area illuminata dall’energia irradiata nel sottosuolo); A=
raggio del footprint; D= profondità della superficie di riflessione; (da Neal, 2004, modificato).
In relazione alla risoluzione orizzontale risulta importante anche la valutazione della distanza tra due stazioni di misura successive lungo il profilo GPR (step size), che deve essere impostata al momento dell’inizio del rilevamento e per la quale è opportuno avere già un’idea delle dimensioni delle strutture sedimentarie che saranno oggetto dell’indagine.
Lo step size scelto è funzione sia della frequenza dell’antenna usata che
della struttura sedimentaria. Per venire incontro alle esigenze dei rilevatori, le case produttrici di apparecchiature GPR spesso corredano le proprie attrezzature di informazioni riguardanti lo step size massimo per le loro antenne applicabile alle diverse condizioni di sottosuolo e ai diversi obiettivi di indagine (Neal, 2004).
In generale, maggiore è la frequenza di trasmissione dell’antenna, minore sarà il massimo step size consigliato.
Il metodo migliore per determinare il più appropriato step size per un’indagine è, comunque, procedere attraverso una serie di prove preliminari di rilevamento in campagna.
Per migliorare l’efficacia dello studio deve essere raggiunto un
compromesso tra la profondità di penetrazione delle onde
elettromagnetiche e la risoluzione, infatti: all’aumento della frequenza
dell’antenna trasmittente, corrisponde un aumento della risoluzione ma
anche una diminuzione nella profondità di penetrazione. In particolare,
l’uso di antenne ad altissima frequenza (900-1500 MHz) sarà appropriato
per l’individuazione di target di ridotto spessore nella parte più superficiale
del sottosuolo; antenne a bassa frequenza (25-100 MHz) raggiungeranno
profondità anche superiori ai 10 m, con risoluzione di obiettivi di qualche
decimetro di spessore. Tra questi due estremi, è a disposizione una gamma
di frequenze intermedie all’interno della quale è possibile scegliere quella
che meglio si adatta allo scopo dello studio e che, per questo, garantisce il
miglior rapporto risoluzione/profondità di diffusione del segnale.
2.3 Metodologie di acquisizione dei dati GPR
Esistono quattro tipologie principali di indagine geofisica che si avvalgono dell’uso delle riflessioni (figura 2.5):
- Common offset (a);
- Common mid point (b);
- Common source (c);
- Common receiver (d).
Figura 2.5; Principali metodologie di indagini geofisiche che si avvalgono dell’uso delle riflessioni. (Neal, 2004).
Il metodo Common offset (figura 2.5-a) è il più utilizzato negli studi compiuti con il Georadar, sia per apparecchiature dotate di una singola antenna, sia per radar dotati di antenna ricevente e trasmittente separate.
Durante l’indagine con metodologia Common offset, le antenne di trasmissione e di ricezione sono mantenute ad una distanza costante e trascinate sul terreno; le distanze orizzontali sono registrate su base temporale, che può essere convertita in una scala spaziale; l’antenna può altrimenti essere spostata a passi di intervallo orizzontale regolare.
Attraverso questa tecnica d’indagine, utilizzata anche per la realizzazione del presente lavoro, si ottiene una sezione del sottosuolo che mostra le principali superfici di riflessione (radargramma).
La seconda tecnica è quella del Common mid point (figura 2.5-b) usata principalmente con dispositivi dotati di due antenne separate; la tecnica consiste nell’aumentare progressivamente la distanza tra la trasmittente e la ricevente, allontanandole da un punto centrale fissato. Le misure dei tempi di ritorno delle onde dallo stesso riflettore, che aumentano all’aumentare della distanza delle antenne dal punto centrale, sono usati per calcolare la velocità media delle onde radar rispetto al riflettore. Questa potrà, poi, essere convertita in una stima, piuttosto precisa, della profondità alla quale si trova la superficie riflettente (Neal, 2004).
Le tecniche Common Source e Common Receiver (figura 2.5-c,d)
prevedono anch’esse l’uso di dispositivi ad antenne separate, una delle
quali viene lasciata in una posizione fissa; queste metodologie, che trovano
normale applicazione negli studi di sismica a riflessione, sono usate solo
raramente negli studi GPR.
2.4 I radargrammi
Durante un’indagine GPR condotta con metodologia Common Offset (la stessa utilizzata per il presente studio) si realizza un profilo di riflessione radar o radargramma.
Un radargramma rappresenta la sezione GPR effettuata, attraverso il ripetersi continuo di cicli di trasmissione e ricezione del segnale radar, lungo la linea d’indagine stabilita; il programma di acquisizione provvede ad accostare opportunamente le singole tracce dei segnali ricevuti, dando luogo ad una sezione continua.
Figura 2.6; Profili radar effettuati lungo la stessa linea di indagine con antenne a 3 frequenze diverse: 200, 450, 900 MHz. L’antenna ad alta frequenza permette di poter interpretare meglio la struttura più vicina alla superficie, mentre le frequenze minori permettono una maggiore penetrazione in profondità dell’onda e la rappresentazione, quindi, di caratteristiche più profonde (Woodward et al., 2003).
Il risultato è un profilo di riflessione radar, come quello in figura 2.6, nel
quale l’asse orizzontale rappresenta la distanza coperta lungo la sezione (in
questo caso 10 m) e l’asse verticale esprime il tempo (ns) trascorso tra l’emissione e la ricezione del singolo segnale (TWT, Two-Way Travel Time) oppure (con opportune impostazioni) la profondità delle superfici riflettenti.
Ogni traccia si ottiene tramite l’emissione di un impulso elettromagnetico, di frequenza predefinita (nel range dei MHz), dall’antenna trasmittente verso il sottosuolo, all’interno del quale l’onda si propaga fino a quando non entra in contatto con materiali dalle proprietà elettriche diverse che ne alterano la velocità.
In corrispondenza di cambi di velocità più consistenti, una parte dell’energia viene riflessa verso la superficie e captata dall’antenna ricevente.
Il tempo che intercorre tra l’emissione e la ricezione dell’onda radar, definito Two-Way Travel Time (TWT) e misurato in nano secondi (10-9 s), è funzione della profondità della superficie riflettente e della velocità media dell’impulso elettromagnetico in quel materiale.
Le riflessioni provenienti dalle discontinuità del sottosuolo non sono le
uniche ad essere captate dall’antenna ricevente; per sistemi ad antenne
separate, le riflessioni primarie (provenienti dalla struttura del suolo) nella
parte superiore del profilo sono mascherate dalla ricezione degli impulsi
che giungono direttamente dalla trasmittente, percorrendo lo spazio
compreso tra le due antenne, o nell’aria (air wave) o nello strato più
superficiale del suolo (ground wave) (figura 2.7).
Figura 2.7;Percorsi dei principali tipi di onde elettromagnetiche per sistemi GPR ad antenne separate; Reflected Signal= riflessione primaria; (Neal, 2004).
La maggior parte degli studi sedimentologici realizzati con la tecnica del Common Offset fornisce profili di riflessione radar 2-D (bidimensionali) per caratterizzare la sottosuperficie; dove si ipotizza una significativa variabilità laterale nella struttura interna può risultare utile l’analisi di un profilo 3-D, ottenibile procedendo al rilevamento di tracce disposte perpendicolarmente tra di loro a formare una griglia; il programma di acquisizione del georadar, per realizzare il modello tridimensionale dell’area campionata, provvederà all’interpolazione della struttura nelle zone non direttamente rilevate.
Sia il rilevamento 3-D che quello 2-D, entrambi effettuati per la realizzazione della presente tesi, richiedono una particolare cura nella registrazione di informazioni aggiuntive, quali la posizione e la quota dei punti di indagine, solitamente acquisite con l’uso di un GPS.
Un profilo radar può essere effettuato nel dominio del tempo e nel dominio
dello spazio.
Nei profili nel dominio del tempo gli impulsi vengono emessi ad intervalli di tempo costanti. L’operatore deve, perciò, cercare di muovere l’antenna lungo la linea di investigazione a velocità costante; solo in questo modo sarà possibile associare la posizione di un riflettore individuato nella sezione GPR alla sua reale posizione.
Nelle sezioni GPR nel dominio dello spazio l’intervallo tra gli impulsi è regolato in funzione della variazione di posizione rispetto all’origine della traccia. Questi Georadar sono corredati di un trasduttore di posizione con il quale il sistema calcola lo spazio percorso dall’antenna; l’emissione del segnale viene effettuata ogni volta che l’antenna ha percorso una lunghezza precedentemente impostata dall’operatore (step size).
Per quanto riguarda la localizzazione di un riflettore, le sezioni GPR
effettuate nel dominio dello spazio risultano più precise.
2.5 Limiti intrinseci dei dati non processati
Dopo l’acquisizione, i dati GPR ottenuti contengono informazioni che possono risultare poco leggibili o addirittura inesatte a causa di vari fenomeni connessi con il rilevamento Radar:
- Deriva del tempo zero: durante un rilevamento realizzato con l’uso del Georadar, la prima onda che viaggia dal trasmettitore alla ricevente è la air wave. Si verifica sempre un ritardo nel tempo di arrivo del primo segnale grafico di quest’onda, dovuto alla lunghezza dei cavi in fibra ottica che connettono l’antenna alla console elettronica. Questo ritardo non rimane costante durante l’intero rilevamento (Woodward et al, 2003), ma varia anche in conseguenza del progressivo riscaldamento dell’unità elettronica, in conseguenza della differenza di temperatura tra le componenti e l’esterno, o quando si cambia posizione dopo una pausa. La deriva può essere causata anche da problemi alle fibre ottiche dei cavi e causa disallineamento, non solo della air wave e delle ground waves, ma anche delle riflessioni primarie e secondarie.
- Metodologia Common offset: sebbene sia la più usata, conveniente e veloce tra le metodologie per ottenere un profilo di riflessione radar, esistono limiti intrinseci al metodo stesso. Tali limiti si evidenziano, per apparecchiature ad antenne separate, con distorsioni delle immagini;
- Saturazione del segnale: l’antenna ricevente può saturarsi di segnali a
causa del breve intervallo di tempo esistente tra gli impulsi emessi e
a causa dell’elevata energia di air wave, ground wave e delle
riflessioni dell’immediata sottosuperficie. Dipende dalle condizioni
del terreno e dall’utilizzo o meno di antenne separate.
- Profondità di penetrazione: le onde elettromagnetiche perdono energia procedendo nel sottosuolo; ciò limita la profondità di esplorazione ad una particolare frequenza o condizioni del suolo. La natura frequenza-dipendente dell’attenuazione implica che, maggiore è la frequenza dell’antenna, minore sarà la sua capacità di penetrazione.
- Limitazioni causate da risoluzione orizzontale e verticale: la risoluzione orizzontale diminuisce con la profondità. Attraverso studi realizzati con radar e carotaggi, alcuni ricercatori hanno dimostrato che stratificazioni nella parte inferiore della sezione sono meno rappresentate rispetto a strutture sedimentarie simili poste nella parte alta del sottosuolo; ciò dipende dalla riduzione della risoluzione con la profondità, che è limitata dalla frequenza dell’antenna oltre che dalle condizioni del terreno.
- Diffrazioni, distorsioni, riduzioni dell’immersione: l’impressione data dai profili 2-D che le riflessioni registrate su una traccia siano ottenute direttamente sotto il punto di rilevamento non è corretta;
questo perché le antenne irradiano e ricevono energia in un cono
elettromagnetico in 3-D; di conseguenza una traccia può avere
origine in qualsiasi punto del fronte d’onda del radar (Neal,
2004)(figura 2.8).
Figura 2.8; Ad un particolare tempo di riflessione, il riflettente può trovarsi in un qualsiasi punto del fronte d’onda; in un profilo non elaborato, il punto registrato sarà mappato direttamente sotto il punto di rilevamento (Neal, 2004).
Da questa caratteristica della tecnica di acquisizione GPR derivano diversi effetti:
a) riduzione dell’immersione di punti generati da superfici di riflessione inclinate; i radargrammi tendono a sottostimare la profondità dei riflettori inclinati in ogni punto; in particolare si ha uno spostamento verso il basso dei punti di riflessione e la superficie registrata risulterà, nel complesso, apparentemente meno inclinata rispetto al riflettore che l’ha generata (figura 2.9);
Figura 2.9; Riduzione dell’immersione di punti posti su superfici inclinate (Neal, 2004).
b) generazione di diffrazioni da punti isolati e da riflettori fortemente
incurvati che spesso oscurano le riflessioni primarie (figura 2.10).
Figura 2.10; Generazione di diffrazioni da un punto di riflessione isolato; a) modello di riflessione verso e da un punto isolato rispetto ai punti di indagine 1-7; b) diffrazione sul risultante profilo radar non elaborato, causata tracciando i punti registrati, direttamente al di sotto di ciascun punto di rilevamento (Neal, 2004).
c) distorsioni causate da riflettori ondulati, che si traducono in sinclinali che appaiono più strette e anticlinali, invece, più larghe che nella realtà.
La misura in cui si sviluppano diffrazioni del sottosuolo, distorsioni e riflessioni “out of line” in un profilo radar non elaborato è funzione della forma, posizione, orientamento, immersione e posizionamento spaziale del riflettore che le ha generate e della natura del fronte d’onda radiante (Neal, 2004).
- Rumore elettromagnetico ambientale: il GPR è essenzialmente un
ricevitore a banda larga ed è per sua natura suscettibile alle
interferenze prodotte da vari manufatti (ripetitori di TV, Radio,
telefonia mobile, Walkie Talkie ed altri tipi di sistemi di
comunicazione radio). Studi effettuati (figura 2.11) hanno
evidenziato la registrazione sui profili radar, di interferenze generate
dalla presenza, nei pressi dell’area di rilevamento, di una base
rumori di fondo possono essere ridotti attraverso il raggruppamento nel tempo dei dati raccolti, oppure scegliendo una frequenza di rilevamento GPR significativamente diversa da quella del rumore.
Tali interventi correttivi hanno particolarità che devono essere considerate: l’uno è dispendioso dal punto di vista temporale, l’altro, limitando la scelta delle frequenze, può addirittura compromettere l’obiettivo della ricerca.
Figura 2.11; a) profilo di riflessione radar, non elaborato, che mostra il rumore ambientale risultante dalle comunicazioni radio dell’aeroporto di una base militare; il rumore oscura parzialmente le riflessioni primarie; b),c) successive elaborazioni dello stesso profilo, effettuate per rimuovere gli effetti del rumore ambientale (Neal, 2004).
- Riflessioni di superficie: sebbene le antenne GPR dirigano la
maggior parte della propria energia elettromagnetica nel sottosuolo,
una parte di questa si perde nell’aria e, se incontra un oggetto o una
superficie a forte contrasto elettrico, può essere riflessa e captata
dalla ricevente. Di conseguenza, non tutte le tracce del radargramma
provengono necessariamente da caratteristiche del sottosuolo. Le
più comuni cause di riflessioni di superficie sono: linee elettriche, pali, alberi, recinzioni metalliche, massi di grandi dimensioni e una topografia irregolare. Tale inconveniente si presenta con particolare rilevanza in caso di GPR con antenna non schermata. La schermatura è una sorta di contenitore di metallo che circonda l’antenna (figura 2.12 ) con lo scopo di massimizzare selettivamente alcuni segnali ed eliminarne altri (Jol, 2009).
Figura 2.12; La schermatura di un GPR circonda l’antenna per minimizzare la ricezione di segnali provenienti dalla superficie. Shield = schermatura ( Jol, 2009).
Come mostrato nella figura 2.13, i segnali possono viaggiare dalla
trasmittente alla ricevente seguendo diverse traiettorie.
Con riferimento alla situazione esemplificativa presentata nella figura, la schermatura delle antenne GPR mira a:
- a) massimizzare l’energia lungo la traiettoria AA1, verso e da obiettivi del sottosuolo;
- b) minimizzare l’energia che viaggia direttamente dalla trasmittente alla ricevente, lungo la traiettoria B;
- c) minimizzare l’energia che si disperde nell’aria lungo la traiettoria CC1 ;
- d) minimizzare il rumore elettromagnetico, D ( Jol, 2009).
-Variazioni topografiche lungo la linea d’indagine: si tratta di un
inconveniente legato al fatto che i dati GPR sono registrati su base
temporale e che durante il rilevamento non vengono prese in
considerazione le variazioni di quota. Questo può portare a
significative distorsioni dell’immagine del sottosuolo ottenuta, se
non vengono effettuate le opportune correzioni (Neal, 2004). Tale
problema è aggravato dal fatto che l’energia irradiata dall’antenna si
propaga verso l’esterno ad angolo retto rispetto alla superficie, quindi
lungo un pendio, l’energia non è più diretta verticalmente verso il
basso, ma presenta una componente orizzontale che aumenta di
importanza con l’aumentare dell’immersione della superficie. Per
pendenze superiori ai 6°, le variazioni topografiche si traducono in
errori di posizionamento delle riflessioni del sottosuolo.
2.6 Sequenza standard di elaborazione dei dati
Da quanto riportato nel paragrafo precedente si evince che, per ottenere radargrammi interpretabili e utili al fine di una lettura sedimentologica della sezione, ai dati grezzi devono essere apportate le opportune correzioni ed elaborazioni. Di tutti gli argomenti associati al Ground Penetrating Radar (GPR), il processamento dei dati e l’analisi dei segnali sono, probabilmente, quelli che causano più controversie tra gli utilizzatori di GPR (Jol, 2009).
La natura e l’ordine di ogni elaborazione che può essere applicata a un insieme di dati dipenderà dalle caratteristiche del sito, dai sistemi radar e software utilizzati e dall’obiettivo generale delle ricerca (Neal, 2004).
Di seguito saranno presentati i passaggi di una sequenza standard di elaborazione dei dati (per le sequenze applicate al presente lavoro, si veda il capitolo 5).
- Move Start Time (o Time-Zero correction): si tratta dell’operazione necessaria per correggere il disallineamento della prima onda del radargramma dovuta al ritardo nella ricezione (si veda paragrafo 2.6). Nelle indagini condotte con la metodologia Common Offset (come i rilevamenti effettuati per il presente lavoro), le antenne sono mantenute a distanza costante durante il rilevamento, rendendo possibile la correzione di ogni ritardo facendo coincidere l’air wave con lo zero del radargramma (Woodward et al., 2003).
- Filtraggio Dewow (o signal-saturation correction): i dati GPR
presentano frequentemente nelle trecce segnali di rumore di bassa
frequenza (< 1MHz) che, a causa della loro ampiezza, riescono ad
oscurare i dati reali. Il rumore di bassa frequenza risulta dalla
saturazione delle componenti elettroniche riceventi da parte di
viaggia lungo l’interfaccia terra- aria (Woodward et al., 2003). Il filtro Dewow rimuove il rumore di fondo.
- Filtraggi: i filtri sono generalmente applicati ai dati per rimuovere i rumori presenti dovuti al sistema o di origine culturale (indotti dall’uomo), essi migliorano la qualità della visualizzazione dei dati, rimuovendo, ad esempio, i segnali ad alta frequenza dovuti alle trasmissioni radio e le tracce dovute alla risonanza dell’antenna (Jol, 2009). Esistono diversi tipi di filtri, il più semplice e comunemente usato è il filtro passa-banda (figura 2.14), che permette la rimozione del rumore ad entrambi gli estremi dello spettro di ampiezza (Woodward et al, 2003).
Figura 2.14; Modello di funzionamento di un semplice filtro passa-banda nel dominio della frequenza (da Jol, 2009, modificato).
- Rimozione del rumore (Background removal): il rumore di fondo è un
segnale ripetitivo creato della leggera risonanza dell’antenna, che
produce come effetto bande parallele all’onda di superficie, lungo la
sezione. Il Background removal elimina efficacemente queste bande senza perdita di informazioni utili nella traccia (Woodward et al, 2003).
- Guadagni (gain): sono utilizzati per accrescere l’ampiezza del segnale all’aumentare del twt (two way travel time) lungo una traccia radar. I guadagni sono necessari, poiché l’ampiezza del segnale riflesso diminuisce con il tempo e la profondità a causa del fenomeno dell’attenuazione, della dispersione e delle parziali riflessioni (Woodward et al., 2003).
- Correzione topografica: i dati radar rilevati sul campo (grezzi, non elaborati) non tengono conto delle variazioni topografiche lungo la linea di rilevamento (Neal, 2004). A meno che l’indagine non venga realizzata sopra una superficie pianeggiante, è richiesta una qualche forma di correzione topografica per “posizionare” i dati nel loro corretto contesto spaziale (Jol, 2009).
Figura 2.15; esempio di correzione topografica applicata ad una sezione rilevata con il GPR (antenna da 225 MHz) sulla superficie di un lobo di colata piroclastica(Jol, 2009).
Per effettuare tale correzione, la topografia della linea di rilevamento
necessario, infatti, utilizzare un GPS (o un analogo sistema di misura
topografico) per ottenere coordinate e quota di diversi punti lungo la
linea di indagine. Attraverso questi dati, con un’opportuna
elaborazione del software, le tracce saranno spostate verticalmente,
posizionando il loro inizio (tempo “zero”) correttamente sul
radargramma (figura 2.15).
2.7 Analisi dei radargrammi: stratigrafia radar
Per l’analisi dei profili radar processati è opportuno ricorrere ai principi
mutuati dalla stratigrafia sismica. Circa venti anni fa i tecnici del settore
hanno cominciato ad usare il termine “stratigrafia radar”, in inglese radar
stratigraphy per designare questa nuova tecnica di interpretazione (Neal,
2004). Sia la stratigrafia sismica che la più recente stratigrafia radar si
basano sull’individuazione di superfici di discontinuità definite da
terminazioni di riflessioni sistematiche. Anche la terminologia usata per
descrivere quanto analizzato nei radargrammi deriva dalla stratigrafia
sismica ed è stata nel tempo ampliata con termini più adatti a descrivere e
classificare strutture sedimentarie. Le superfici di discontinuità individuate
dalla stratigrafia radar prendono il nome di Radar Surfaces ed includono
troncature erosive, onlap, downlap e toplap (Nael, 2004). Con il termine
Radar Packages, si individuano unità deposizionali delimitate da Radar
Surfaces e costituite da strati geneticamente in relazione. Inoltre è possibile
definire varie Radar Facies, ognuna delle quali formata da un set di
riflessioni con caratteristiche e geometrie simili. Le riflessioni associate ad
una particolare facies sono caratterizzate dalla loro peculiare
configurazione, ampiezza, continuità e forma. I concetti di Radar surfaces,
radar packages e radar facies, definiti come gli equivalenti termini di
stratigrafia sismica, sono i pilastri della stratigrafia radar applicata alla
lettura di un profilo ottenuto con tecnologia GPR (Neal, 2004). In figura
2.16 è schematizzata la terminologia standard utilizzabile per la descrizione
dei set di riflessioni individuati in un profilo radar (Neal, 2004). Tecnici
esperti nell’uso del Georadar raccomandano di prestare attenzione a non
mischiare la terminologia puramente descrittiva con quella interpretativa,
lasciando ben distinte le due differenti fasi del lavoro.
Figura 2.16; terminologia per definire e descrivere Radar surfaces, Radar packages e radar facies (Tratta da Neal, 2004).
