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Thesis etd-10262016-100120


Thesis type
Tesi di laurea magistrale
Author
URSO, ALESSANDRO
URN
etd-10262016-100120
Thesis title
Valutazione del potenziale airborne EM in acque poco profonde offshore
Department
SCIENZE DELLA TERRA
Course of study
GEOFISICA DI ESPLORAZIONE E APPLICATA
Supervisors
relatore Prof. Ribolini, Adriano
correlatore Dott. Viezzoli, Andrea
controrelatore Prof. Aleardi, Mattia
Keywords
  • potenziale
  • offshore
  • airborne EM
  • acque poco profonde
  • valutazione
Graduation session start date
18/11/2016
Availability
Full
Summary
Lo scopo di questo lavoro è verificare le potenzialità e i limiti di indagine del sistema airborne EM con configurazione skyTEM, in acque marine poco profonde per l’analisi batimetrica e stratigrafica del fondale.
I metodi tradizionali per le misure in mare si basano principalmente sulle metodologie acustiche. Tuttavia la tecnica rappresentata dall’airborne EM offre dei vantaggi nel contenere i costi e nel riuscire ad aumentare la velocità delle indagini e delle operazioni in acque pericolose in cui possono essere presenti forti correnti, secche rocciose e scogliere che potrebbero limitare le operazioni delle navi in superficie. Inoltre lo strumento permette facilmente l’integrazione tra dati terrestri e dati marini.
È stato dimostrato però che l’utilizzo di tale sistema in ambiente offshore ha le seguenti limitazioni:
• Limitata profondità di penetrazione
• Limitata risoluzione verticale
Per questi motivi lo strumento è stato utilizzato raramente in questi contesti.
Si è quindi affrontato il problema effettuando una modellizzazione del caso di studio su dati sintetici per definire mediante una serie di esperimenti una metodologia di inversione che, tramite l’utilizzo di vincoli e informazioni a priori, fosse in grado di aumentare la risoluzione verticale dello strumento e definire in maniera precisa i limiti effettivi di indagine.
In seguito è stato possibile applicare tale modellizzazione sintetica per l’inversione di dati reali acquisiti lungo una linea offshore nel fiordo di Vejle in Danimarca, forniti per gentile concessione dalla società Aarhus Geophysics.
Nello specifico l’elaborato è composto da una serie di sezioni per descrivere i concetti base della metodologia e i vari passaggi con cui si giunge alle conclusioni finali del lavoro.
Nella prima parte vengono definiti alcuni principi fisici alla base dell’induzione elettromagnetica.
In particolare, si presta particolare attenzione alle modalità con cui la corrente si diffonde nel semispazio e alla caratterizzazione di alcune formule per definire l’entità della diffusione dell’energia elettromagnetica nel terreno.
Vengono quindi descritte le caratteristiche basilari del sondaggio TEM (Transient Electro Magnetic) nel dominio del tempo (time domain) e del più sofisticato airborne EM con configurazione skyTEM, utilizzato per l’acquisizione dei dati reali lungo il fiordo danese. Quello che viene misurato nei sondaggi TEM è un voltaggio che si annulla in pochi secondi chiamato transiente e che viene campionato da una bobina che funge da unità ricevente.
Nella seconda parte vengono descritti i vari passaggi di processing (analisi dei dati di navigazione e analisi dei dati di voltaggio) effettuati prima dell’inversione.
I dati EM infatti, prima di essere invertiti, necessitano di essere filtrati per aumentare il rapporto segnale/rumore e di essere puliti da disturbi arrecati dalle infrastrutture in maniera che il modello finale non presenti artefatti.
Tale processo viene effettuato utilizzando un programma per il processing, l’inversione e la visualizzazione dei dati geofisici e geologici sviluppato dall’Università Danese di Aarhus, chiamato Aarhus Workbench.
La terza parte riguarda la descrizione delle tecniche di inversione utilizzate sia su dati sintetici che su dati reali. Sono stati descritti in primo luogo i concetti classici dell’inversione per poter comprendere meglio le metodologie LCI e SCI (codici di inversione Aarhus inv. Aarhus University) utilizzate per i dati elettromagnetici.
L’inversione LCI (Lateral Constrained Inversion) è una tipologia di inversione che vincola i parametri del modello solo lateralmente mentre l’SCI (Spatially Constrained Inversion) vincola i parametri sia lateralmente che spazialmente.
La SCI produce modelli di conduttività EM quasi 3D utilizzando modelli di partenza 1D rappresentati dai transienti. I vincoli spaziali (constraints) sono applicati tra i parametri dei modelli di singoli sondaggi confinanti e in maniera simile possono essere utilizzati per aggiungere informazioni a priori. Tali informazioni possono essere utili per risolvere ambiguità nel modello finale e per inserire informazioni geologiche in qualsiasi punto del profilo, migliorando l’inversione.
Con la terza parte si chiude la descrizione dei concetti teorici che sono alla base del lavoro.
La quarta parte è dedicata alle problematiche riguardanti l’utilizzo dell’airborne EM offshore. Tali problematiche vengono descritte e dimostrate attraverso un esperimento effettuato per mezzo di un programma denominato EMMA, un'applicazione geofisica per l'analisi e la modellizzazione di dati elettrici ed elettromagnetici. L’obbiettivo di tale modellizzazione riguarda l’analisi sulle variazioni di voltaggio misurato e sulla capacità di risoluzione dello strumento, per singoli sondaggi EM in mare.
Sono stati creati e invertiti una serie di modelli sintetici 1D variando la resistività del semispazio su due livelli, uno conduttivo per simulare uno strato d’acqua e uno altamente resistivo per simulare un bedrock roccioso. Sullo strato d’acqua è stata variata la profondità a (1m, 10m, 30m) e la resistività (0,5 Ωm e 100 Ωm). Inoltre, per avere un miglior quadro sulla variazione dei transienti, è stata modificata la quota di volo dello strumento da 30m a 60m. Tramite l’analisi della sensitività, calcolata attraverso l’indice di dispersione dei valori di resistività e spessore tra il modello vero e il modello predetto (ResSTD e ThkSTD) e l’analisi dettagliata dei valori di voltaggio, si è dimostrato quali sono i limiti effettivi della diffusione del segnale in presenza di uno strato d’acqua conduttivo e quali potrebbero essere le soluzioni tecniche per riuscire ad ottenere una maggior qualità nei dati.
Nella penultima parte si procede attraverso una dettagliata modellizzazione del caso di studio tramite l’utilizzo di Matlab, per scrivere gli input del codice di inversione Aarhus Inv. e visualizzare i risultati. Sono stati invertiti modelli sintetici con variabilità geologica sia verticale che laterale e sono state applicate diverse strategie di inversione con l’inserimento di informazioni a priori e due tipi di regolarizzazioni (smooth e layered).
Grazie a questo studio di fattibilità è stato possibile definire i limiti esatti in cui lo strumento perde informazioni e risoluzione e le strategie di inversione per tentare di diminuirli. È stato verificato con precisione che:
• La batimetria può essere risolta con accuratezza nell’ordine di un paio di metri fino a una profondità maggiore di 30m
• Possono essere risolte significative variazioni di resistività al di sotto del fondale con una profondità della colonna d’acqua massima di 30m
• Il sistema è in grado di distinguere contrasti di resistività di acqua salmastra e acqua dolce intruse nel substrato al di sotto del fondale
• L’aggiunta delle informazioni a priori permette un miglioramento di circa il 10% sulla risoluzione del modello finale
• È possibile diminuire la frequenza base del sistema da 25 Hz 12,5 Hz per aumentare la risoluzione in profondità
È stato infine possibile verificare tali limiti e utilizzare le strategie di inversione lavorando su dati reali provenienti dal un sondaggio elettromagnetico Airborne EM, nell’area del fiordo di Vejle, est Jutland, Danimarca. Tali dati sono stati raccolti per dare un supporto alle analisi riguardanti un’indagine geotecnica per l’ideazione di un tunnel, in relazione ad un progetto per l’ottimizzazione della rete ferroviaria danese. Per l’appunto una di queste linee è stata acquisita offshore e coincide con un modello geologico già esistente ottenuto da informazioni da pozzo e dati sismici. Grazie a questa coincidenza è stato possibile utilizzare informazioni a priori riguardanti la resistività dell’acqua, la batimetria del fondale, un’interfaccia tra due strati proveniente da un profilo sismico e informazioni da pozzo. Tutto ciò per avere un confronto diretto tra le varie inversioni e trarre le dovute conclusioni sull’utilizzo di tale strumento offshore. E’ stato infatti verificato, nel caso del fiordo di Vejle, che i risultati delle inversioni senza, e con a priori sono all’incirca complementari per tutte e due le tipologie di regolarizzazioni smooth e layered. In tutte le inversioni è possibile risolvere in modo soddisfacente la batimetria del fondale e solo applicando pochi blocchi all’inversione si possono estrarre chiare informazioni riguardanti le resistività della sotto superficie.
Concludendo, si può affermare che L’AEM potrebbe avere un ruolo importante nelle indagini geotecniche e idrogeologiche offshore. La batimetria può essere recuperata con un’accuratezza fino profondità maggiori di 30 m e significative variazioni di resistività possono essere distinte nella sotto superficie.
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