Laboratorio di Geofisica e Geofisica Applicata : Struttura

All'interno del Laboratorio sono state acquisite competenze e moderne strumentazioni per operare in diversi campi di applicazione della Geologia Applicata. In particolare, le attività di ricerca e consulenza scientifica intraprese dal laboratorio si inseriscono all'interno dei seguenti ambiti:

PROVE GEOFISICHE IN FORO

Il laboratorio sviluppa ricerche mediante sistemi integrati di prospezione in foro nell'ambito di progetti nazionali ed internazionali.

La prova dilatometrica, effettuata in foro con una sonda cilindrica pressurizzata internamente, è impiegata nella meccanica delle rocce per determinare in situ la deformabilità delle stesse. L’applicazione di questa metodologia riguarda il supporto alla progettazione di strutture (ponti, dighe, torri, gallerie, locali tecnici sotterranei) in roccia mediante il calcolo del modulo di deformabilità statico dell’ammasso roccioso.

I log geofisici appartengono alla classe di metodologie indirette in foro che consentono di rappresentare con continuità le variazioni dei parametri fisici misurati (diagrafie). Le indagini realizzabili comprendono log di resistività, log di potenziale spontaneo, log ad induzione elettromagnetica, log di temperatura del fluido, log di conducibilità elettrica del fluido, log di raggi gamma, caliper, videoispezione, log acustico.

Prove Down-hole e Cross-hole per effettuare una dettagliata ricostruzione stratigrafica mediante il profilo di velocità delle onde di compressione (Vp) e delle onde di taglio (Vs). Si effettuano in fori di sondaggio mediante l'uso di geofoni tridimensionali e consentono di ottenere informazioni circa le proprietà fisico-meccaniche dinamiche dei terreni.

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GEOELETTRICA

Tra i diversi metodi geofisici, le prospezioni geoelettriche forniscono la possibilità di indagare il sottosuolo ricavandone informazioni utili in termini di composizione mineralogica, caratteristiche litologiche e presenza di fluidi. Negli ultimi anni l’applicazione dei metodi geoelettrici è risultata ideale soprattutto in campo ambientale.
Utilizzando le moderne strumentazioni a disposizione del laboratorio, si realizzano ricerche e consulenze scientifiche a partire da indagini in situ ed in laboratorio.

              

Le fasi di acquisizione dati in situ permettono di ottenere immagini tomografiche ad alta risoluzione ed a notevole profondità. Si realizzano indagini di resistività e caricabilità per diverse tipologie di obiettivi:
- misure di resistività per la ricostruzione stratigrafica e gli studi geotecnici;
- misure di resistività per ricerche d'acqua;
- misure di resistività e caricabilità per ricerche minerarie;
- misure di resistività per il monitoraggio di impianti geotermici accoppiati a pompe di calore;
- misure di resistività e caricabilità in campo ambientale.

           

In questi ambiti si inseriscono le numerose attività scientifiche realizzate dal team del laboratorio: ricerche d'acqua in paesi in via di sviluppo, ricerche minerarie per l'individuazione di depositi argillosi, bentonitici e zeolitizzati, ricerche per la caratterizzazione di siti contaminati e indagini per lo studio di stabilità di versanti.
A partire dai riferimenti teorici specifici del processo di inversione, il laboratorio
approfondisce le funzioni dei software commerciali dedicati all’elaborazione di modelli di resistività 2D e 3D. I dati acquisiti vengono analizzati a partire dalla conoscenza delle caratteristiche e della complementarità tra i diversi strumenti a disposizione del laboratorio (georesistivimetri ad accoppiamento capacitivo e ad accoppiamento galvanico) e i diversi metodi applicati (resistività e polarizzazione indotta).      

 
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SISMICA

Il metodo sismico si occupa dell'esplorazione del sottosuolo attraverso lo studio della propagazione delle onde elastiche generate mediante l'utilizzazione di masse battenti o tramite esplosioni controllate. L'impiego dell'una o dell'altra fonte di energizzazione dipende essenzialmente dalla profondità d'investigazione richiesta e dallo scopo dell'indagine. Il fine delle indagini sismiche è di risalire a modelli di terreni caratterizzati da una differente velocità delle onde elastiche, nell'individuare i loro spessori e la loro distribuzione spaziale. Inoltre poiché la velocità delle onde elastiche di volume (onde "P" ed onde "S"), è funzione dei parametri elastici del mezzo in cui si propagano, conoscendone la densità, si possono ricavare i moduli elastici dinamici che caratterizzano il mezzo stesso. È valido quindi per ricerche stratigrafiche e per molti problemi di ingegneria.

 

 

 

Utilizzando le strumentazioni a disposizione del laboratorio, si realizzano indagini a rifrazione in onde P ed onde S volte alla ricostruzione stratigrafica 2D e 3D e prospezioni sisiche a riflessione ad alta risoluzione; acquisizioni con metodologie attive MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves ) e passive Re.Mi.(Refraction Microtremor) per lo studio della propagazione e dispersione delle onde superficiali ed all’analisi dei microtremori finalizzate alla caratterizzazione sismica nell’ambito di studi idrogeologici o ingegneristici.

 

 

 

Partendo dai riferimenti alla base della teoria a rifrazione, il laboratorio approfondisce le conoscenze scientifiche sull'analisi dei segnali, sulla scelta del tempo di campionamento e registrazione, sul riconoscimento del rumore di fondo, sulle configurazioni strumentali più predisposte per la corretta ed efficiente realizzazione delle indagini.

 

 

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GEORADAR

 

Per realizzare indagini di dettaglio a basse profondità, specialmente in contesti urbani, viene utilizzato il GeoRadar a media frequenza (200-600 MHz). Il metodo del GPR (Ground Penetrating Radar), completamente non invasivo, si basa sull'emissione e propagazione di impulsi elettromagnetici nel terreno, i quali vengono riflessi e rifratti dalle discontinuità fisiche ed elettriche presenti nel sottosuolo. Il GPR trova ampio utilizzo sia per finalità ambientali che archeologiche. Negli ultimi anni si è applicato il metodo GPR anche a studi di fratturazione di ammassi rocciosi impiegando sistemi a bassa frequenza (25-80 MHz).

 

                 

 

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MAGNETOTELLURICA

La misura delle variazioni di campi elettromagnetici locali di origine naturale sono correlabili alla distribuzione di resistività nel sottosuolo da qualche decina di metri a centinaia e anche a migliaia di metri di profondità, in funzione delle frequenze analizzate e del tempo di registrazione. mediante questa tecnica di indagine è possibile controllare i corpi a diversa resistività elettrica fino a profondità significative, per la ricostruzione dei limiti litostratigrafici profondi, l'esplorazione mineraria profonda per la mappatura di minerali metallici, l'esplorazione geotermica per l’individuazione di reservoir e strutture produttive, l'individuazione di reservoir petroliferi, l'esplorazione idrogeologica per l’identificazione di corpi acquiferi profondi.

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GRAVIMETRIA

Il metodo gravimetrico è impiegato quando si intende studiare l'intensità del campo gravitazionale oppure direttamente le proprietà della materia che ne determina variazioni significative. Questo approccio permette di risolvere numerosi problemi in ambito geologico, perlopiù legati alle carenze di massa relazionate a cavità, oppure per attività di monitoraggio a supporto dell'esplorazione mineraria.

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GEOFISICA NUCLEARE

Negli ultimi decenni molti paesi europei ed extraeuropei hanno realizzato studi per il monitoraggio da velivolo della radioattività naturale di origine non cosmica (238U, 232Th, 40K), con conseguente realizzazione di mappe del contenuto di radioattività del territorio. Questo tipo di indagini non sono finalizzate solo all’estrazione mineraria, ma anche al controllo di alcuni parametri ambientali utili per la salute pubblica, per la valutazione dell’impatto sul territorio di impianti nucleari e per la conoscenza del naturale contenuto di radioattività di strutture geologiche. Una mappa dei principali elementi radioattivi per un dato territorio rappresenta una fondamentale conoscenza pregressa con la quale confrontare l’impatto ambientale di possibili futuri incidenti nucleari o discariche di materiale radioattivo.

Il Centro di GeoTecnologie e l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN - Laboratori Nazionali di Legnaro, LNL e Laboratori Nazionali del Gran Sasso, LNGS), negli ultimi anni hanno sviluppato una sezione di Geofisica Nucleare dedicata al monitoraggio della radioattività naturale mediante l'utilizzo di tecnologie nucleari applicate alla geologia.

   

La sezione di Geofisica Nucleare è in grado di effettuare:

  • misure di spettroscopia gamma su campioni di suolo, roccia, alimenti, acque e materiali da costruzione
  • misure di emissività di radon da parte di campioni di materiale
  • misure ultrarapide (inferiori a 24 ore) di concentrazione di radon in situ
  • misure di radiazione X, gamma, beta ed alfa attraverso strumentazione portatile
  • misure di abbondanza di radon attraverso celle di Lucas
  • misure di spettroscopia gamma airborne

La Geofisica Nucleare trova spazio in molti ambiti professionali, commerciali, sociali e di ricerca. In particolare, il team si rivolge a quei settori commerciali (edilizia, stabilimenti termali, attività estrattive, ecc.) che, per motivi di salvaguardia della salute pubblica e di certificazioni internazionali, richiedono misure di alta precisione del contenuto di radioattività naturale dei materiali.

Il servizio offerto si propone a:

  • Aziende edili
  • Attività lavorative che si sviluppano in luoghi di lavoro sotterranei quali tunnel, sottovie, catacombe e grotte
  • Aziende implicate nell'uso e nello stoccaggio di materiali che contengono radionuclidi naturali (fertilizzanti, materiali refrattari, ceramiche, sanitari)
  • Stabilimenti termali o attività estrattive
  • Aziende produttrici di lenti e vetri ottici.

In base alle direttive dell'Unione Europea, ciascuno Stato Membro è obbligato ad inserire nella propria legislazione le specifiche Direttive Euratom (90/143/Euratom, 96/29/Euratom), periodicamente aggiornate secondo i più rigorosi standard internazionali. In Italia, la legislazione fondamentale sulla radioprotezione è contenuta nei seguenti decreti legislativi (D. Lgs. 230/95, D. Lgs. 241/2000, D. Lgs. 257/2001).

Il CGT e l' INFN hanno recentemente avviato un progetto finalizzato alla realizzazione di una carta del contenuto della radioattività del territorio toscano sulla base delle conoscenze geologiche note, le quali forniscono una possibile chiave interpretativa delle misure di spettroscopia gamma.

Nell'ambito di questo progetto verrà misurata l'abbondanza di diversi isotopi radioattivi (naturali e non) in situ e nei campioni di roccia prelevati ed analizzati in laboratorio attraverso spettroscopia gamma. L'approccio metodologico prevede il prelievo di campioni, misure in laboratorio, misure in situ e misure da elicottero recependo le linee guida IAEA I dati raccolti saranno successivamente visualizzati e diffusi attraverso mappe di radioattività in formato cartaceo e digitale.

Alla fine di questo progetto la Regione Toscana sarà la prima regione in Italia che avrà consolidato uno standard di misure utili per la valutazione del contenuto di radioattività nei materiali, tra cui quelli lapidei e da costruzione, nonché esser dotata di una carta tematica della radioattività naturale, consultabile on line gratuitamente attraverso un servizio WebGIS.

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GEOLOGIA APPLICATA AI GEOSCAMBIATORI

La richiesta crescente di energia è il problema fondamentale del XXI secolo: lo sviluppo tecnologico dei paesi industrializzati e l’elevato ritmo di crescita economica dei paesi emergenti richiedono sempre più energia. In questo scenario, il geologo applicato è chiamato in causa direttamente nel cercare di far fronte con le sue conoscenze a questa problematica mondiale, non solo per la ricerca di nuovi giacimenti di idrocarburi ma anche per la valorizzazione e lo sfruttamento dell’energia prodotta dalla Terra. La geotermia, infatti, è una delle possibili fonti energetiche alternative per garantire uno sviluppo sostenibile in quanto rappresenta un’energia alternativa, pulita, gratuita, rinnovabile e disponibile ovunque.
Le pompe di calore geotermiche sono macchine in grado di trasferire calore da un corpo a temperatura più bassa ad un corpo a temperatura più alta, utilizzando energia elettrica. É evidente pertanto che non possono essere fatte rientrare tra le fonti energetiche alternative: esse possono essere viste come un ottimo sistema di risparmio energetico. Le pompe di calore geotermiche sfruttano la caratteristica del terreno di avere una massa di grande capacità termica e di mantenere una temperatura quasi costante per tutto l'anno, pari a circa 10° - 13°C.

Il Centro di GeoTecnologie negli ultimi anni ha sviluppato una sezione interamente dedicata alla geotermia a bassissima entalpia dedicata allo studio dei parametri geologici che possono interferire sullo scambio termico tra sonda e terreno. Infatti, solo un buon scambio termico può garantire il buon funzionamento di un impianto.

Nel Laboratorio di Geofisica Applicata si studiano le varie configurazioni di questi impianti: sonde geotermiche verticali, sonde geotermiche orizzontali e sistemi open loop. In particolare, si analizzano i parametri geologici ed idrogeologici che vanno ad interferire sullo scambio termico tra sonda e terreno.
Il laboratorio dispone del software EED (Earth Energy Designer) Version 3.13 per la simulazione di dimensionamento e progettazione degli impianti.

Nell’ambito delle attività di questo settore, si studiano in particolare i seguenti aspetti legati alle potenzialità dei sistemi di geoscambio:

1. Conducibilità termica – lo studio di questo parametro è essenziale in quanto rappresenta l’attitudine di una sostanza a trasmettere il calore. Si sono realizzati modelli basati sulla formula empirica di Kersten ed è stata calcolata la conducibilità termica in funzione del contenuto di umidità per litologie sabbiose e argillose.

 

Il “Punto critico” rappresenta il limite di contenuto idrico tale da compromettere il trasferimento di calore. Una volta superata tale soglia, un suolo considerato “buono scambiatore di calore”, rischia di trasformarsi in un pessimo conduttore. In questo caso la sonda geotermica è isolata termicamente e riduce significativamente la propria efficienza.

2. Effetti termici che influenzano la resa di uno scambiatore - a seconda del tipo di materiale che si trova a contatto con la sonda geotermica, si possono innescare due processi fisici di trasmissione di calore: la conduzione e la convezione. Esiste un parametro calcolabile, che permette di ricavare un coefficiente in grado di valutare la componente convettiva rispetto a quella conduttiva (numero di Peclet, Pe). Questo approccio è ritenuto fondamentale perché, in relazione all’eventuale presenza d’acqua, si possono innescare processi differenti.

3. Comportamento termico del suolo - lo studio del comportamento termico del terreno è sicuramente l’aspetto più importante per garantire la miglior resa dell’impianto. Dallo studio bibliografico emerge che, approssimandosi alla profondità di circa 15 metri, la temperatura tende a raggiungere un valore costante. Risulta quindi fondamentale verificare questo aspetto mettendo a confronto litologie differenti.

 

Il laboratorio dispone del software EED (Earth Energy Designer) Version 3.13 per il dimensionamento e la progettazione degli impianti.

Principali riferimenti bibliografici:

  • Basta S., Minchio F., 2007. Geotermia e pompe di calore, Giuda pratica agli impianti geotermici di climatizzazione. Basta S. Editore, Verona.
  • Tinti F., 2008. Geotermia per la climatizzazione. Dario Flacovio Editore.
  • Pasquini A., 2008. Tesi di laurea specialistica - L’importanza dei parametri geologici per l’ottimizzazione di sonde geotermiche applicate a pompe di calore: stime teoriche e casi di studio.
  • VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE (VDI), 2000 - Thermische Nutzung des Untergrundes - Grundlagen, Genehmigungen, Umweltaspekte, Parte I.
  • VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE (VDI), 2001 - Thermische Nutzung des Untergrundes - Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen, Parte II.
  • VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE (VDI), 2001 - Thermische Nutzung des Untergrundes - Unterirdische Thermische Energiespeicher, Parte III.
  • VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE (VDI), 2004 - Thermische Nutzung des Untergrundes - Direkte Nutzungen, Parte IV.

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