• 3D
• 2D
• GPR
• materiali lapidei
• fronte di escavazione
• processing

Il presente lavoro di tesi è stato ispirato dal progetto SAFE QUARRY, promosso dalla Regione Toscana, che ha avuto come scopo l’introduzione di innovative tecnologie per il monitoraggio in situ del livello di fratturazione degli ammassi rocciosi, in un’ottica di incremento e miglioramento dell’attività estrattiva e della sicurezza.
Come continuazione di tale progetto è stato proposto di estendere l’indagine GPR in segheria effettuando misurazioni su blocchi diversi, da un punto di vista litologico, al fine di individuare possibili difetti e sviluppare un metodo che possa garantirne la qualità e fornire un aiuto nelle fasi successive della lavorazione del materiale.

L’obiettivo generale della tesi può essere sintetizzato nelle seguenti finalità:
1. Riconoscimento della distribuzione e orientazione di sistemi di frattura o altre discontinuità su fronte di cava e attestazione dell’integrità del materiale estratto su blocchi di materiali differenti (marmo di Carrara, travertino, peridotite, arenaria) posti in segheria.
2. Realizzazione di una sequenza operativa di processing, includendo anche quei passaggi che non sono usuali nel mondo dell’elaborazione dei dati GPR.
3. Verifica delle relazioni esistenti tra le riflessioni caratterizzanti un dato radargramma e l’immagine visualizzata tramite time slices.

Nello specifico, le prospezioni GPR sono state eseguite sia su fronte di cava, utilizzando un sistema multicanale (Stream X) a 600 MHz, sia in segheria, su materiale di vario tipo utilizzando sia lo Stream X che un’antenna monocanale a 1.6 GHz. Solo per due dei dati acquisiti il sistema multicanale è stato montato su braccio robotico per testare la reale efficacia di quest’ultimo. I dati così acquisiti sono stati elaborati sfruttando le potenzialità offerte da GPR-SLICE, attualmente uno dei software più completi.
Per i dati acquisiti in cava, che presentavano strutture più significative, la fase successiva all’elaborazione è stata la loro organizzazione in forma di time slices che consente di visualizzare, sotto forma di mappa, le riflessioni di ampiezza registrate ad un dato intervallo di tempo e di seguirne le variazioni lungo la direzione z. Tramite la visualizzazione tridimensionale è stato poi possibile localizzare meglio le discontinuità di interesse e renderle più facilmente individuabili.

La prima parte di tale lavoro di tesi definisce alcuni concetti teorici alla base del sistema GPR descrivendo brevemente la fisica delle onde elettromagnetiche, i parametri elettromagnetici dei materiali e come questi influenzino la propagazione di un’onda al loro interno e le caratteristiche strumentali del sistema GPR.
La seconda parte, di natura più pratica, riguarda la descrizione dei materiali indagati e le acquisizioni fatte.
La terza parte invece riguarda la descrizione delle fasi di processing applicate durante l’elaborazione dei dati. In questa fase sono stati utilizzati sia passaggi di processing usuali (filtraggio passa-banda, guadagno, background removal e boxcar filter) sia step di processing avanzato (spectral deconvolution, spectral whitening, analisi di velocità, migrazione e filtro f-k). I risultati ottenuti per ciascun dato sono stati valutati caso per caso, mettendo a confronto i risultati dei passaggi di processing successivi, in modo tale da mettere in evidenza i limiti e i vantaggi delle operazioni in uso. Tutti i dati sono stati sottoposti ad una fase preliminare ai processing di base e avanzato, detta pre-processing, che prevede l’operazione di detrending del dato (dewow filter) e l’allineamento delle tracce a un’origine comune (move start time). A seguire si ha una descrizione delle operazioni di slicing e gridding necessarie per la generazione delle time slices mettendo a confronto i risultati ottenuti a partire dai dati elaborati sia con il processing di base che con quello avanzato.
L’ultima parte della tesi prevede l’interpretazione dei dati elaborati considerando i risultati del processing avanzato che ha permesso di individuare in maniera più efficace le riflessioni presenti nei dati. I dati acquisiti su blocchi di materiali lapidei, ad esclusione del travertino che per sua natura presenta una gran quantità di discontinuità meccaniche ed eterogeneità chimiche (fratture, cavità…), sono stati considerati abbastanza omogenei e presentano al loro interno discontinuità non molto marcate dovute probabilmente a cambi composizionali più che a discontinuità meccaniche. Nel caso della peridotite è stato operato anche un confronto tra i risultati ottenuti tramite acquisizione con antenne a frequenza e polarizzazione differenti che ha messo in evidenza il maggior potere risolutivo dell’antenna ad alta frequenza (1.6 GHz) la quale permette di osservare un numero di discontinuità maggiore rispetto al caso a 600 MHz. Tali eventi presentano geometrie variabili, da sub-orizzontali a leggermente inclinate, e un certo grado di intersezione dei riflettori che, data l’assenza di iperboli, potrebbero essere ricondotti a cambi composizionali. Sulla base di tale esperienza è stato scelto di utilizzare per tutti i blocchi a seguire l’antenna a 1.6 GHz. Nel caso dell’arenaria sono stati messi in evidenza alcuni eventi a tratti continui e caratterizzati da discontinuità angolari, riconducibili agli elementi osservati sul blocco in fase di acquisizione, che potrebbero rappresentare discontinuità granulometriche e/o composizionali. Dall’analisi dei dati acquisiti sul blocco di travertino sono state messe in evidenza un gran numero di eventi, che danno luogo a una facies caotica riconducibile al gran numero di discontinuità osservate sul blocco in fase di acquisizione. Per quanto riguarda invece il blocco di marmo questo presenta una certa omogeneità anche se in alcune porzioni sono stati riconosciuti degli eventi che potrebbero essere ricondotti a vene ricristallizzate caratterizzate da cambi di spessore e/o a ricristallizzazioni isolate (suggeriti dalla presenza di riflessioni apparentemente iperboliche), assieme ad eventi da orizzontali a sub-orizzontali che potrebbero essere ricondotti a cambi composizionali. Nel caso dei dati acquisiti in cava invece è stato possibile osservare discontinuità molto pronunciate e con una buona continuità nello spazio che in un caso sono state associate a probabili cambi composizionali (per l’assenza di iperboli di diffrazione) e nell’altro invece imputabili a fratture e cavità. L’interpretazione di questi due casi è stata completata tramite la visualizzazione del volume di dati tramite rappresentazione con isoampiezze.
In conclusione è possibile affermare che il sistema GPR può rappresentare un buon metodo per la definizione di discontinuità all’interno di materiali lapidei in quanto permette di acquisire su vaste aree con una buona risoluzione e in maniera non invasiva e/o distruttiva. L’utilizzo del sistema robotico associato a Stream X rappresenta una buona innovazione che permette, soprattutto in ambiente di cava, di indagare in tempo rapido aree vaste riducendo i tempi e i costi di acquisizione e permettendo di individuare discontinuità e di dare un valido aiuto nella pianificazione dell’estrazione del materiale. L’utilizzo di un sistema monocanale, come nel caso a 1.6 GHz, ha richiesto un maggior tempo per l’acquisizione che potrebbe risultare meno precisa vista la natura manuale dell’acquisizione stessa.
Il GPR potrebbe rappresentare, soprattutto nella fase estrattiva, un valido sostegno al lavoro di estrazione andando a ridurre gli sprechi in modo tale da avere vantaggi a livello ambientale, economico e per la sicurezza.
Con tale lavoro è stata messa in evidenza anche l’utilità dei passaggi di processing avanzato. In ultimo per quanto riguarda la visualizzazione tramite time slices e isoampiezze, questa rappresenta un valido strumento che permette, anche ad operatori meno esperti, di individuare nello spazio le discontinuità presenti all'interno del mezzo indagato.