Geofisica applicata

La geofisica applicata è una branca della geofisica che utilizza metodi di misurazione delle proprietà fisiche del sottosuolo terrestre per rilevare o inferire la presenza e la posizione delle concentrazioni di minerali e idrocarburi .

Esplorazione geofisica

L'esplorazione geofisica prevede lo studio della variazione delle proprietà fisiche dei suoli nello spazio, ma anche nel tempo:

su scala chilometrica (ricerca su petrolio e gas, ricerca mineraria, energia geotermica),
nella scala dal centimetro al centinaio di metri (ingegneria civile, idrogeologia, geologia, prevenzione dei rischi, archeologia).

Storia

La disciplina è apparsa tra le due guerre per garantire al mondo in crescita il fabbisogno di idrocarburi e minerali .

Furono due fratelli, Conrad e Marcel Schlumberger , ad avere l'idea di misurare le proprietà elettriche di un terreno per meglio caratterizzarlo, e che così diedero vita alla geofisica.

Tecniche

Resistenza elettrica (cartografia)

Principio

La resistenza elettrica è un metodo di prospezione geofisica che permette di caratterizzare il sottosuolo mediante un'interpretazione della resistività apparente del terreno. Le misurazioni vengono effettuate misurando una differenza di potenziale (ΔV) e un'intensità (I).

Sul campo, la prospezione viene eseguita impiantando elettrodi , quindi misurando la resistività apparente. Infine, redigiamo una mappa del lotto dopo aver calcolato la resistività elettrica del suolo:

{\ displaystyle r = k. {\ frac {\ Delta {V}} {I}}}

k: coefficiente geometrico del dispositivo.

Modalità operativa

Vengono utilizzati quattro elettrodi che vengono impiantati nel terreno e che sono collegati a un dispositivo per la misurazione della resistenza elettrica. A seconda del posizionamento degli elettrodi di iniezione, ci sono diversi dispositivi (vedi immagini a lato):

Wenner Alpha : Gli elettrodi di iniezione si trovano su ciascun lato del punto di misurazione: ${\ displaystyle k = 2 \ pi. {a}}$
Wenner Beta : Gli elettrodi di iniezione si trovano sullo stesso lato del punto di misurazione: ${\ displaystyle k = 6 \ pi. {a}}$

a è la distanza tra due elettrodi.

Quindi, l'intero dispositivo viene spostato al punto di misurazione successivo.

Da sapere : C'è un trucco per risparmiare tempo durante numerosissime misurazioni: poiché tutti gli elettrodi sono identici, è sufficiente spostare l'ultimo elettrodo a valle del primo.

Quadro elettrico (Profilo)

Descrizione del dispositivo

Innanzitutto, impiantiamo lungo il profilo che vogliamo studiare, elettrodi distanziati ad un intervallo costante (generalmente 5 metri). Quindi, colleghiamo ciascuno di essi a un multinodo. Questo dispositivo consente di "riconoscere" ciascuno degli elettrodi (per conoscere la loro posizione, il loro ordine, ecc.). Infine, viene utilizzato un multiplexer per poter assegnare un ruolo a ciascun elettrodo. Il tutto è collegato ad un resistivimetro che effettuerà automaticamente le misure. Per questo profilo, verrà utilizzato solo un dispositivo Wenner-Alpha (spaziatura identica tra gli elettrodi).

Principio

Il quadro elettrico , come la resistenza elettrica , si basa sulla misura di una differenza di potenziale e di una corrente tra due elettrodi impiantati nel terreno, al fine di calcolare la resistenza elettrica del terreno.

Un quadro elettrico è infatti costituito da una moltitudine di punti di risonanza. Infatti, utilizziamo la gamma di 32 elettrodi per creare diverse distanze (minimo 1,5 me massimo 10 m) senza dover spostare gli elettrodi; che riduce notevolmente il tempo di misurazione. Grazie a questo sistema, infatti, è possibile realizzare 155 diverse configurazioni sonore (grazie al multiplexer) ed effettuare le misure in circa ½ ora. I 32 elettrodi sono solo quelli forniti da una marca di apparecchiature ... Possiamo anche realizzare dispositivi polari con un elettrodo di riferimento - il potenziale a "infinito" (10 volte la distanza massima) del dispositivo e anche un'altra iniezione a "infinito "(il pozzo), questo dispositivo che permette di ricombinare tutti gli altri quadrupoli.

Rilievo elettrico (rilievo)

L'obiettivo del sondaggio è sapere come varia verticalmente la resistività apparente in un dato punto della superficie. Sapendo che la profondità di indagine dipende dalla dimensione del dispositivo, viene eseguita una successione di misurazioni, aumentando ogni volta la lunghezza del dispositivo, quindi l'aumento di quest'ultima confermerà una maggiore profondità di indagine della corrente elettrica, ciascuna il valore della resistività apparente è assegnato a una pseudo profondità relativa al tipo di dispositivo.

Prospezione magnetica

Sulla superficie della Terra, il campo magnetico varia nello spazio e nel tempo. Le variazioni spaziali sono prodotte dalle variazioni nelle proprietà magnetiche dei materiali circostanti. Le variazioni temporali sono la conseguenza del cambiamento nell'orientamento della Terra rispetto al Sole, della variazione diurna, dell'attività solare e delle interazioni elettromagnetiche nell'atmosfera superiore. Lo scopo della prospezione è quello di evidenziare la variazione spaziale delle proprietà magnetiche dei materiali (magnetizzazione indotta (dia-, para, ferro-magnetica sl), magnetizzazione rimanente (ferromagnetica sl). Pertanto, la variazione temporale del campo deve essere corretta . campo magnetico locale durante prospezione due approcci può essere utilizzato per questo: usando un magnetometro in posizione statica come base, o misurando il gradiente locale o utilizzando un gradiometro . (gradiometro fluxgate) o un dispositivo sensore duale (pompaggio ottico) del magnetometro protone sono stati i primi ad essere utilizzati. i magnetometri ottici a pompaggio consentono una maggiore velocità di azione (da 10 a 20 Hz). la tecnologia fluxgate consente frequenze più alte e in particolare alleggerisce il dispositivo grazie al minor consumo energetico Il pompaggio ottico consente la misurazione assoluta dell'intensità del campo una risoluzione di 0,1 nT a 10 Hz. Tecnologia Fluxgate, la misura è uniassiale o triassiale ma con un errore dello strumento che non consente di ottenere tale risoluzione.

Magnetometro a protoni (cartografia) Principio e modalità di funzionamento

Usiamo un magnetometro a protoni (in) per misurare il campo magnetico complessivo, vale a dire il campo magnetico terrestre aggiunto al campo magnetico creato dalle anomalie. Tuttavia, poiché la sensibilità del dispositivo è entro 1 nT, è essenziale che la persona che regge il magnetometro sia amagnetica , per non disturbare le misurazioni. Questo dispositivo ha una profondità di indagine che varia con l'altitudine del sensore.

Inoltre, tra due profili (Round trip), viene effettuata una misura alla base per poter stabilire la deriva temporale del campo magnetico terrestre. Per aumentare la precisione delle misurazioni, scegliamo di tornare al riferimento dopo la fine di un profilo e prima dell'inizio del successivo.

Prospezione elettromagnetica

EM31 (Cartografia)

Questo tipo di metodo sfrutta il principio dell'induzione elettromagnetica nei materiali conduttivi. Questo metodo è chiamato “attivo” perché emettiamo artificialmente un campo magnetico primario, che è condotto dal sottosuolo, e le cui modificazioni misurate in superficie ci forniscono informazioni sulle proprietà del suolo. Inoltre, è un metodo di frequenza (9,8 kHz) e che, in virtù della sua geometria (distanza emettitore / ricevitore: 3,66 m), ha un basso numero di induzione.

Descrizione del dispositivo

In realtà, il metodo che applichiamo è un metodo di tipo Slingram , che utilizza due loop: un mittente e un destinatario. Il dispositivo utilizzato, EM31 , è stato realizzato dalla società Geonics, specializzata nel settore ed è molto affidabile. Infatti, in virtù della sua configurazione geometrica, le misure non sono più troppo soggette all'effetto pelle (effetto di attenuazione dipendente dalla distanza del segnale). Per la prospezione del terreno abbiamo scelto una configurazione HCP (Horizontals Coplanar), ovvero che il piano delle bobine è orizzontale (il dipolo magnetico è quindi verticale).

Con un tale dispositivo, c'è una profondità di indagine approssimativamente uguale a 5,5 metri (1,5 volte la distanza Emettitore / Ricevitore). Tuttavia, in HCP, la profondità più presa in considerazione è s / 2 (s: superficie delle bobine).

Principio

In pratica si misura il campo magnetico del suolo, un campo proporzionale alla conduttività elettrica apparente (siemens / metro) del diagramma. $\ sigma$

Infatti, quando l'EM31 è acceso, una corrente scorre attraverso le bobine, che induce un campo magnetico (il campo primario ). Questo campo che si propaga nel terreno incontra zone più conduttive in cui saranno indotte correnti parassite , che genereranno esse stesse un nuovo campo magnetico (il campo secondario ). Infine, la bobina del ricevitore del dispositivo misura la somma del campo primario e del campo secondario. Questo è il motivo per cui il dispositivo è più sensibile ai mezzi conduttivi che ai mezzi resistenti.

Modalità operativa

Il vantaggio principale di questo metodo è che è relativamente veloce e non richiede il contatto con il suolo. È quindi sufficiente muoversi sul terreno seguendo una maglia predefinita.

GeoRadar (profilo)

Il GPR è un dispositivo elettromagnetico per stabilire un profilo in funzione della topografia della permettività e della conducibilità dielettrica . È un metodo simile alla riflessione sismica, ma inutilizzabile in un ambiente conduttivo (sott'acqua, fognature, ecc.).

Descrizione del dispositivo

Il dispositivo è composto da un trasmettitore e un ricevitore (bobine) equidistanti dal punto di misura (la distanza tra queste due unità rimane costante), e da un'interfaccia con un PC per l'acquisizione delle misure. È inoltre possibile aggiungere un contachilometri (sistema montato su una ruota) per determinare la distanza percorsa. L'onda elettromagnetica inviata è nella gamma delle alte frequenze (225 MHz). Per ogni misura viene emesso sotto forma di un impulso ripetuto un certo numero di volte, in modo da prendere una media per ottimizzare la precisione delle misure.

Le onde hanno una traiettoria e una velocità influenzata dalla relativa permettività dielettrica (ricorda :), dalla conducibilità e dalla loro permeabilità magnetica (le cui variazioni hanno scarso effetto sulle nostre misure). La presenza di argilla rende il terreno troppo conduttivo per far passare le onde. L'onda, infatti, si rifletterebbe quasi completamente e impedirebbe di ottenere informazioni su quanto sta sotto; allo stesso modo in cui una piastra metallica (un elemento molto conduttivo) sepolta nel terreno rifletterebbe perfettamente le onde. È inoltre necessario effettuare una topografia del profilo per poter interpretare correttamente il profilo ottenuto in funzione della profondità. $\ varepsilon _ {r}$ ${\ displaystyle \ varepsilon = \ varepsilon _ {0}. \ varepsilon _ {r}}$ $\ sigma$ $\ mu$

Modalità operativa

Il dispositivo viene spostato lungo il profilo e ogni 10 centimetri viene eseguita un'emissione, e quindi una misura.

Utilizzando un contachilometri, tutto ciò che devi fare è ruotare il radar, le misurazioni vengono eseguite automaticamente.

Manualmente, devi mettere il radar a terra e avviare la misurazione. I cavi trasmettono le misure all'unità, quindi i risultati possono essere osservati direttamente sul profilo.

Inoltre, per poter determinare un modello di velocità al suolo, è necessario eseguire un CMP (Common MidPoint). È sufficiente posizionare il radar di terra abbastanza lontano dall'anomalia e poi sopra di essa e spostare gradualmente la distanza tra le due bobine (trasmissione / ricezione).

Prospezione gravimetrica

Un metodo classico per determinare la differenza di massa al di sotto della superficie del suolo è l'uso della gravimetria. Questa differenza di massa è evidenziata dalle anomalie del campo gravitazionale. Teoricamente con questo metodo si misurano le differenze del campo gravitazionale rispetto ad un campo gravitazionale di riferimento, calcolato sull'ellissoide di riferimento. Il metodo della microgravimetria richiede regolari ritorni alla base per correggere la deriva dovuta alla rotazione della Terra e delle stelle. Un gravimetro ha una molla al quarzo, viaggia in classe premium, quindi il suo trasporto è costoso e rischioso. L'installazione richiede che sia perfettamente verticale.

Prospezione sismica

Riflessione sismica

La riflessione sismica utilizza la riflessione delle onde sulle interfacce tra diversi livelli geologici. La riflessione sismica può essere monocanale o multicanale. In quest'ultimo caso, oltre ad aumentare il rapporto segnale-rumore, è possibile calcolare le velocità del mezzo attraversato. Queste informazioni vengono quindi utilizzate per convertire i dati in profondità.

Rifrazione sismica

La rifrazione sismica utilizza la propagazione delle onde lungo le interfacce tra i livelli geologici. Questo metodo è particolarmente adatto per alcune applicazioni di ingegneria civile e idrologia. Permette di stimare il modello di velocità e l'abbassamento degli strati. Attualmente è limitato in campo pratico a obiettivi la cui profondità è inferiore a 300 m, ma è all'origine della scoperta nel 1956 del giacimento petrolifero di Hassi-Messaoud, il più grande dell'Africa, a una profondità media di 3300 m.