Capire la sismica a rifrazione¶
Questa pagina spiega cosa misura una prova di sismica a rifrazione e perché funziona. Se è la prima volta che affronti questo tipo di indagine, leggila prima di usare il software: quasi tutte le scelte che EasyRefract ti chiede di fare (quanti strati, dove cade il primo arrivo, quale velocità scegliere) diventano ovvie una volta chiaro il principio.
1. Che cos'è¶
La sismica a rifrazione è una prospezione geofisica indiretta: non scava e non preleva campioni. Si genera un impulso sismico in superficie e si misura quanto tempo impiega l'onda ad arrivare a una serie di ricevitori (geofoni) allineati sul terreno. Dai tempi di arrivo si risale alla velocità delle onde nei diversi materiali e quindi alla geometria del sottosuolo.
Le onde generate sono di due tipi: onde P (prime, di compressione) e onde S (seconde, di taglio). La rifrazione lavora sulle onde P, perché sono le più veloci e quindi le prime a essere registrate: è il loro istante di arrivo — il primo arrivo — l'unico dato che dovrai leggere sui sismogrammi.
2. Perché l'onda "torna su": rifrazione totale¶
Quando un raggio sismico incontra la superficie che separa due materiali con velocità diverse (\(V_1\) sopra, \(V_2\) sotto), si rifrange secondo la legge di Snell. L'angolo cambia a seconda del rapporto fra le velocità:
- se \(V_2 < V_1\) il raggio si "verticalizza" e si perde in profondità: non torna ai geofoni;
- se \(V_2 > V_1\) il raggio tende invece a orizzontalizzarsi.
I due casi. In a) la velocità diminuisce verso il basso (\(V_1>V_2\)): il raggio rifratto si allontana dalla superficie e si perde in profondità. In b) la velocità aumenta (\(V_1<V_2\)): il raggio si avvicina all'orizzontale ed è il solo caso utile alla prospezione.
Aumentando l'angolo di incidenza si arriva a un valore particolare — l'angolo critico — per cui l'angolo di rifrazione diventa esattamente 90°: il raggio viaggia lungo la superficie di discontinuità, alla velocità \(V_2\) dello strato inferiore. Questa è la rifrazione totale.
Mentre corre lungo la discontinuità, il raggio si comporta come un generatore continuo di onde: cede energia verso l'alto, restituendo una famiglia di raggi paralleli fra loro, inclinati dell'angolo critico. Sono le onde di testa (o onde coniche), ed è ciò che i geofoni registrano.
La condizione fondamentale
La rifrazione totale avviene solo se la velocità aumenta con la profondità (\(V_1 < V_2 < V_3 \dots\)). Se un livello profondo è più lento di quello che lo sovrasta, il metodo non lo vede: non è un problema di software o di strumentazione, è un limite fisico del metodo.
3. Onda diretta e onda rifratta: il punto di crossover¶
Ai geofoni arrivano due famiglie di onde:
- l'onda diretta, che viaggia in superficie alla velocità \(V_1\) dello strato più superficiale, lungo il percorso più breve;
- l'onda rifratta (di testa), che fa un percorso più lungo — scende, corre lungo il rifrattore, risale — ma percorre un tratto alla velocità maggiore \(V_2\).
Sui geofoni vicini alla sorgente arriva prima l'onda diretta, perché il percorso è corto. Ma allontanandosi, il tratto veloce a \(V_2\) diventa sempre più lungo e a un certo punto l'onda rifratta recupera e sorpassa la diretta: il punto in cui le due si equivalgono è il punto di crossover. Da lì in poi il primo arrivo che leggi non è più l'onda diretta, ma quella rifratta.
4. La dromocrona: il grafico che useremo¶
Riportando su un grafico la distanza del geofono (asse X) e il tempo del primo arrivo (asse Y) si ottiene la dromocrona (o curva tempo-distanza).
A sinistra: ogni geofono, a distanza \(x_1 \dots x_4\) dalla sorgente, registra un sismogramma da cui si legge il tempo del primo arrivo \(t_1 \dots t_4\). A destra: quegli stessi tempi riportati in funzione della distanza formano la dromocrona. Si riconoscono l'onda diretta, la prima onda di testa e il punto di crossover in cui la seconda sorpassa la prima.
È il cuore dell'interpretazione, perché:
- ogni tratto rettilineo corrisponde a un'onda che viaggia in un materiale a velocità costante;
- la pendenza di quel tratto è l'inverso della velocità: più il tratto è "sdraiato", più il materiale è veloce;
- i punti di ginocchio (i cambi di pendenza) sono i punti di crossover, cioè il passaggio da un'onda alla successiva.
Da qui la regola che userai continuamente in EasyRefract:
Strati e rifrattori
Un rifrattore è la superficie che separa due strati. Quindi: N strati ⇒ N−1 rifrattori. Se sulla dromocrona riconosci l'onda diretta più due tratti rifratti, hai 2 rifrattori e quindi 3 strati. Contare i cambi di pendenza è il modo pratico per decidere quanti strati impostare nel software.
5. Come si acquisisce in campagna¶
Lo stendimento (o stesa) è la fila di geofoni. La sorgente — mazza battente, cannoncino sismico o carica — viene fatta scoppiare in posizioni diverse, dette battute (o shot). La distanza sorgente–geofono si chiama offset.
Lo schema classico, quello usato anche nell'esempio del tutorial, prevede 5 battute:
| Battuta | Posizione | Nome |
|---|---|---|
| 1 | fuori stesa, prima del primo geofono | shot esterno diretto |
| 2 | in testa alla stesa | shot diretto |
| 3 | al centro della stesa | shot centrale |
| 4 | in coda alla stesa | shot inverso |
| 5 | fuori stesa, dopo l'ultimo geofono | shot esterno inverso |
Servono battute dirette e inverse perché un rifrattore inclinato dà tempi diversi a seconda del verso in cui lo si "attraversa": solo combinando i due versi si separa la vera velocità del rifrattore dall'effetto della pendenza.
6. Che cosa fa il metodo G.R.M.¶
EasyRefract interpreta i dati con il Metodo Reciproco Generalizzato (G.R.M.) di Palmer (1980). I metodi precedenti (tiro coniugato, delay time, plus–minus) funzionavano bene solo con rifrattori a pendenza dolce e regolare.
Palmer introduce il parametro XY ottimale, che permette di ricostruire anche superfici irregolari o con variazioni brusche. L'idea geometrica: la proiezione di ciascun geofono sulla discontinuità si tratta come il raggio di una circonferenza; tracciando questi archi sotto tutti i geofoni, il rifrattore è l'inviluppo delle tangenti agli archi di cerchio.
Ne segue una conseguenza pratica importante: più i geofoni sono ravvicinati, più il rifrattore è dettagliato e più l'interpretazione è affidabile.
7. Limiti da conoscere prima di partire¶
Quando la rifrazione sbaglia (e non te lo dice)
- Inversione di velocità — se uno strato profondo è più lento, il metodo fallisce: quello strato non viene rilevato.
- Strato nascosto — uno strato con velocità intermedia fra quello sopra e quello sotto può essere "scavalcato" e non comparire.
- Spessori troppo sottili — un livello troppo sottile non produce un tratto riconoscibile sulla dromocrona.
- Interdistanza dei geofoni — allargarla aumenta la profondità investigata ma peggiora la precisione sulle profondità.
- Non univocità — gli stessi tempi possono essere spiegati da più modelli. Dove possibile, tara l'interpretazione con un sondaggio.
Un'ultima avvertenza che tornerà utile alla fine, quando assegnerai un nome litologico agli strati: la velocità non identifica da sola una litologia. All'interno dello stesso materiale la velocità cambia con compattazione, fratturazione e porosità.
Chiarito il principio, si può passare alla pratica: continua con Dati iniziali.