Indagini Geoelettriche: cosa sono e campi di applicazione

Le indagini geoelettriche: cosa sono ?

Le indagini geoelettriche rappresentano una moderna metodologia d’indagine geofisica non invasiva e si basano sulla rilevazione di resistività elettrica delle varie tipologie di terreni investigati.

Sono utili per localizzare i punti critici per sondaggi esplorativi, evitando di perforare in aree poco significative.
La prova viene effettuata posizionando sul terreno un gran numero di elettrodi connessi ad uno strumento chiamato Georesistivimetro, in grado di acquisire migliaia di misurazioni che, opportunamente processate mediante relativi software di elaborazione (Res2D INV, Res3D INV), permettono la ricostruzione del sottosuolo con un dettaglio inimmaginabile fino a poco tempo fa.

La strumentazione utilizzata (GEORESISTIVIMETRO MAE A6000E) consente di eseguire le misure di resistività elettrica, di caricabilità (o Potenziale indotto) e del Potenziale Spontaneo.

  • Il metodo di misura per la resistività è quello di iniettare una corrente I continua, mediante geometrie (Array) ottimali a secondo delle condizioni geologiche, della profondità di investigazione e della sensitività. La sensitività è un indice di quanto un cambiamento di resistività di una porzione di sottosuolo influenzi le misure eseguite con un certo array.
  • I test di caricabilità possono essere eseguiti contemporaneamente a quelli di resistività e rappresentano l’attitudine di un determinato materiale ad accumulare cariche elettriche (effetto capacitivo) durante l’immissione di corrente e a rilasciarle immediatamente dopo l’interruzione della corrente stessa.
  • Le misure di potenziale spontaneo, eseguite con elettrodi non polarizzabili, consentono di valutare la capacità di un terreno di caricarsi elettricamente senza che venga fornita corrente elettrica.

I metodi geoelettrici

I metodi geoelettrici consistono nella determinazione sperimentale dei valori di resistività elettrica che caratterizzano il sottosuolo. Mediante l’utilizzo di appropriate strumentazioni si immette corrente elettrica nel terreno e si esegue una successione di misure in superficie con una serie di elettrodi opportunamente posizionati e infissi nel terreno.

L’apparecchiatura per la misura della resistività è formata schematicamente da:

  • Un sistema per l’immissione di corrente nel terreno (batteria o generatore di corrente);
  • Una serie di elettrodi (minimo quattro: A e B elettrodi di corrente, M e N elettrodi di potenziale) (Fig. 4);
  • Strumentazione per la misura dell’intensità di corrente immessa nel terreno mediante gli elettrodi A e B e della differenza di potenziale tra i due elettrodi M e N.
Linee di corrente e superfici equipotenziali per una coppia di elettrodi A e B in un semispazio omogeneo.

Per la maggior parte degli impieghi vengono utilizzate apparecchiature a corrente alternata a bassa frequenza (60-120Hz): ciò elimina la necessità di impiegare elettrodi non polarizzabili o di misurare o annullare i potenziali spontanei. La resistività è alquanto più bassa di quella misurata con l’impiego di corrente continua.

Gli elettrodi sono usualmente dei picchetti di bronzo, rame o acciaio inox di lunghezza pari a 35-45cm, con collegamenti a mezzo di spinotti (Fig. 5). Gli elettrodi vengono conficcati nel terreno o nella pavimentazione in modo da produrre un buon contatto. Nel caso di pavimentazioni possono essere utilizzati degli elettrodi speciali in acciaio inox costituiti da piastre quadrate poggiate sulla pavimentazione; il contatto elettrico è assicurato dall’uso di soluzioni saline o semplicemente acqua attorno agli elettrodi.

Elettrodo costituito da picchetto in acciaio inox infisso nel terreno, utilizzati per l’indagine geoelettrica multielettrodo effettuata.

Occorre aver cura di non dare corrente agli elettrodi quando sono ancora maneggiati dagli operatori, poiché in caso di alti potenziali c’è rischio di elettrocuzioni potenzialmente letali.

I dati dei rilievi geoelettrici sono usualmente presentati in forma di valori di resistività apparente: questa è definita come la resistività di un semispazio elettricamente omogeneo ed isotropo che presenti gli stessi rapporti misurati tra la corrente applicata e la differenza di potenziale per una data disposizione e spaziatura degli elettrodi.

Come viene calcolata la resistività?

Un’equazione che dia la resistività apparente in funzione di corrente applicata, distribuzione del potenziale e disposizione degli elettrodi può essere sviluppata attraverso l’esame della distribuzione di potenziale dovuta ad un singolo elettrodo di corrente; da questa, per sovrapposizione, può essere ricostruito l’effetto di una coppia di elettrodi o di ogni altra combinazione.

Si consideri un elettrodo puntiforme in un mezzo semi-infinito elettricamente omogeneo, che rappresenta un ipotetico terreno omogeneo: se questo porta corrente, il potenziale in ogni punto del mezzo o sulla superficie limite del semispazio è dato da:

(1)

Dove

  • U = potenziale in Volt;
  • ρ = resistività del mezzo in Ohm·x m;
  • r = distanza dall’elettrodo in m;
  • I = intensità di corrente immessa in Ampere.

Per una coppia di elettrodi, con corrente I nell’elettrodo A e corrente –I nell’elettrodo B, il potenziale in un punto è dato dalla somma algebrica dei singoli contributi:

(2)

Dove rA e rB sono le distanze del punto dagli elettrodi A e B.

In aggiunta agli elettrodi di corrente, la Fig. 4 mostra una coppia di elettrodi M e N, tra i quali viene misurata la differenza di potenziale V. Seguendo l’equazione (2), la differenza di potenziale risulta così definita:

(3)

Dove UM e UN sono i potenziali in M e N; AM, BM, BN e AN sono le distanze effettive tra gli elettrodi. La quantità tra parentesi quadra, funzione della spaziatura tra gli elettrodi, può essere indicata con la notazione 1/K, il che permette di riscrivere l’equazione come segue:

(4)

E risolvendo per la resistività si ottiene:

(5)

Ricavare la resistività

La resistività del mezzo può quindi essere ricavata dai valori misurati di V, I e dal fattore geometrico K, funzione unicamente della disposizione elettrodica. Nelle misure reali sul terreno, la notazione ρ relativa ad un mezzo fittizio è sostituita da ρa o resistività apparente. Il rilevamento geoelettrico consiste nell’uso dei valori di resistività apparente derivati da misure di campo in vari punti e con diverse configurazioni per stimare la vera resistività dei diversi strati e ricostruire spazialmente i loro limiti al di sotto della superficie topografica.

Una configurazione di elettrodi con spaziatura costante viene utilizzata per riconoscere variazioni laterali di resistività apparente che possono riflettere variazioni litologiche. Per indagare sui cambiamenti in profondità, si aumenta la spaziatura degli elettrodi.

PROPRIETÀ ELETTRICHE DI ROCCE E SEDIMENTI

La maggior parte delle rocce presenta caratteri di conducibilità di tipo elettrolitico dato che, con le eccezioni di alcuni minerali metallici, quasi tutti i minerali sono isolanti. La conducibilità è dovuta quindi essenzialmente all’acqua interstiziale ed è in larga misura funzione della porosità, del contenuto d’acqua e della quantità di sali disciolti nell’acqua. La presenza di fluidi nel sottosuolo fa si che rocce e terreni, attraversati dalla corrente, si comportino relativamente come dei buoni conduttori di elettricità; al contrario le strutture con scarso contenuto di fluidi come rocce asciutte non fratturate e cavità naturali o di natura antropica si comportano come dei cattivi conduttori di corrente, se non addirittura come degli isolanti.

Pertanto le geometrie sepolte rispondono al flusso di corrente artificiale, immessa con diverse modalità, in funzione del parametro fisico che regola tale comportamento: la resistività elettrica ρ (Ohm·x m).

Proprietà della resistività

La resistività è pertanto una proprietà assai variabile, anche all’interno della stessa formazione: ciò è particolarmente vero per i materiali poco consolidati prossimi alla superficie, come detriti e regolite.

Nelle tabelle 1 e 2 sono forniti alcuni valori indicativi della resistività di rocce e sedimenti, valori che vanno utilizzati con le limitazioni suddette.

La Tab. 1 mostra gli intervalli di resistività per alcuni litotipi, e, come si può osservare, spesso questi valori si sovrappongono e ciò rende problematica la fase di identificazione del litotipo. La Tab. 2 associa gli intervalli di resistività () a quelli di porosità ().

A sisnistra (Tab-1)

Valori indicativi di resistività

(Ohm∙x m) di alcuni litotipi.

A destra (Fig -2)

Valori indicativi di resistività

(Ohm x m) e di porosità (%) di alcuni litotipi.

Quali sono i metodi geoelettrici?

Sondaggi Elettrici Verticali (SEV).

Il metodo di prospezione geoelettrica SEV consiste nel determinare la resistività elettrica del terreno lungo una verticale (1D). Questa tecnica permette di eseguire le misure in profondità posizionando quattro elettrodi (A-B di corrente e N-M di potenziale), in una linea d’indagine superficiale, disposti secondo una configurazione prestabilita. Lo stesso array viene eseguito più volte a distanze progressive e crescenti tra loro ripetendo la misura di resistività elettrica.

L’intero stendimento viene allungato in funzione della profondità da investigare.

Metodi geoelettrici 2D e 3D (Tomografia Elettrica).

Queste prospezioni geoelettriche vengono eseguite effettuando numerose misurazioni di resistività e polarizzazione indotta, mediante quadripoli disposti lungo profili (2D) o aree di indagine (3D), utilizzando elettrodi di solito equi-spaziati lungo la linea di indagine, con configurazioni di acquisizione di tipo Dipolo-Dipolo, Wenner (Alfa, Beta, Gamma), Wenner-Schlumberger, Polo-Dipolo, Polo-Polo, Array misti e di tipo non convenzionali.

Configurazioni elettrodiche più comuni.

Wenner Alfa: gli elettrodi di potenziale M-N sono al centro di quelli corrente, la spaziatura “a” tra M-N è uguale a quella fra le coppie A-M e N-B.

Wenner-Schlumberger: lo schema di acquisizione è lo stesso della Wenner, ma la distanza tra A-M e N-B risulta essere un multiplo n della distanza tra gli elettrodi di corrente A-B.

Dipolo-Dipolo: gli elettrodi di potenziale N-M sono al di fuori della linea ideale che congiunge gli elettrodi di corrente.

Il tipo di array viene scelto dall’operatore in base al target richiesto. Ognuno ha le sue caratteristiche di sensitività che permettono di mettere in rilievo il contrasto di resistività elettrica nel sottosuolo in maniera significativa diversa tra loro.

A cosa servono le indagini geoelettriche?

  1. Monitoraggio ambientale (es. discariche, dispersione inquinanti a lungo termine, inquinamento del suolo, ecc.)
  2. Idrogeologia (ricerca acqua, modellazione acquiferi, mappatura permeabilità, ecc.)
  3. Archeologia (individuazione di manufatti)
  4. Geotecnica (controllo edifici lesionati, superfici di scollamento in frane, ecc.)
  5. Rilevamento cavità antropiche e naturali
  6. Ricerca corpi sepolti, cisterne
  7. Individuazione del piano di posa delle fondazioni
  8. Caratterizzazione delle successioni alluvionali
  9. Monitoraggio ingressione acqua marina nelle falde
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