- Docente: Silvia Castellaro
- Crediti formativi: 8
- SSD: GEO/10
- Lingua di insegnamento: Italiano
- Modalità didattica: Convenzionale - Lezioni in presenza
- Campus: Bologna
- Corso: Laurea Magistrale in Geologia e territorio (cod. 9073)
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dal 10/10/2022 al 12/01/2023
Conoscenze e abilità da conseguire
Al termine del corso lo studente conosce i principi alla base dei più recenti metodi sperimentali di prospezione geofisica e dei metodi numerici di modellazione di alcuni comportamenti fisici del sottosuolo. Lo studente conosce i fondamenti de: 1) l’analisi dei segnali analogici e digitali nel dominio del tempo e della frequenza, 2) i metodi di prospezione sismica basati sulle onde di superficie, 2) i metodi basati sulla caratterizzazione dinamica dei terreni, 3) i metodi elettrici ed elettromagnetici, effettuati da terra o acquisiti dal cielo (da droni, da velivoli, da satellite). Lo studente è in grado di applicare i metodi appresi ai problemi di indagine stratigrafica dei terreni a diverse scale ed alla definizione dei comportamenti dinamici dei terreni. Lo studente è in grado pianificare campagne di indagine multi-metodo in funzione dei diversi obiettivi dell’esplorazione geofisica.
Contenuti
N.B.: QUESTO E' UN ANNO DI TRANSIZIONE. Il programma che segue potrebbe subire drastiche variazioni in funzione degli studenti iscritti e del fatto che abbiano già seguito o meno il corso di Fisica Terrestre tenuto da me. Per questi studenti, che immagino essere una piccola parte per questo a.a., le parti di prospezione sismica e gravimetrica saranno sostituite. Seguiranno dettagli appena inizieremo il corso.
Sistema Internazionale
Simboli delle grandezze fisiche fondamentali
Media e deviazione standard
Teoria degli errori: come si scrivono le incertezze
Teoria degli errori: stima dell'incertezza nelle grandezze derivate (con esempi)
Propagazione delle incertezze
Regressione lineare e non lineare standard (trattazione classica)
Il dominio del tempo: digitalizzazione dei segnali (frequenza di campionamento, terminologia)
Il dominio della frequenza: analisi spettrale
Buone norme per una FFT (detrending, tapering, padding)
Operazioni nel dominio del tempo e della frequenza
Aliasing spaziale e temporale
Filtri digitali e analogici
Dinamica di uno strumento
Convoluzione, correlazione (cross-correlazione e auto-correlazione)
LA PROSPEZIONE SISMICA
Sforzo e deformazione
Tipi di onde
Equazione d'onda (velocita' dell'onda)
Equazione d'onda (velocita' della particella)
Moduli elastici
Velocita' caratteristiche delle onde nei sedimenti e rocce
Effetto dell'acqua su VP e VS
Impedenza sismica
Attenuazione geometrica e anelastica
Principio di Huygens, principio di Fermat
Coefficienti di trasmissione e riflessione (equazioni di Zoepprtiz)
Leggi della riflessione e rifrazione ("dimostrazione" attraverso principio di Fermat)
Diffrazione
Sorgenti sismiche (esplosivi, martelli e pesi, fucili sismici, sorgenti da mare: air gun, water gun, sparker)
Trasduttori da sismica (geofoni, idrofoni)
Orientamento dei ricevitori in funzione delle onde da registrare
Sismica a rifrazione (2 strati, interfaccia piana)
Distanza di cross-over
Distanza critica
Sismica a rifrazione (3 strati, interfacce piane, caso generale N strati, interfacce piane)
Profondita' di indagine, numerosita' dei ricevitori, numerosita' delle sorgenti
Strato inclinato (caso generale)
Caso di variazione laterale (diretta e sottointerfaccia piana)
Lo strato nascosto: 1) Inversione di velocita', 2) Strato sottile
Discontinuita' di interfaccia
Altri metodi (delay time, GRM, tomografia)
Il metodo down-hole
Il metodo cross-hole
Il cono sismico e il dilatometro sismico
Breve storia sulla nascita del metodo sismico a riflessione
Sismica a riflessione (1 strato, interfaccia piana)
Sismica a riflessione (piu' strati, interfacce piane): metodi di Green e di Dix
Sismica a riflessione (interfaccia inclinata)
Riflessioni multiple
Copertura
Concetti di common depth point, common mid point, shot gather
Risoluzione verticale e orizzontale
Correzioni statiche: topografia e strato alterato
Correzioni dinamiche: migrazione
ESERCITAZIONE IN CAMPAGNA DI PROSPEZIONE SISMICA A RIFRAZIONE IN ONDE P e S
LA PROSPEZIONE ELETTRICA
Tipologie: metodi attivi (ER, IP, EM) e passivi (correnti telluriche, SP)
Cenni storici sulle prime sperimentazioni dei diversi metodi
Strumentazione (elettrodi, tipo di energizzazione)
Elementi base e prima legge di Ohm
Mezzo omogeneo e isotropo:
- Sorgente di corrente puntiforme
- Due elettrodi di corrente
- Distribuzione della corrente con la profondita'
- Due elettrodi di potenziale
Due strati, una interfaccia orizzontale:
- Distribuzione della corrente con la profondita'
- Resistivita' apparente (considerazioni qualitative)
- Resistivita' apparente (derivazione quantitativa col metodo delle immagini)
Constant spread e expanding spread traverse
Array Wenner (e variazione di Lee), Schlumberger, dipolo-dipolo: geometrie, fattori geometrici, limiti e vantaggi storici, limiti e vantaggi attuali, sensibilita' delle diverse geometrie
Resistivita' dei materiali geologici
Mezzi multistrato:
- Interpretazione dei dati con "master curve"
- Principi di equivalenza e soppressione
Interfaccia verticale
Due interfacce verticali
Strutture semisferiche
Interfacce inclinate
Applicazioni tomografiche moderne
Esempi applicativi
Polarizzazione indotta, caricabilita'
ESERCITAZIONE IN CAMPAGNA DI PROSPEZIONE GEOELETTRICA (Wenner, Schlumberger, dipolo-dipolo)
LA PROSPEZIONE GRAVIMETRICA
Generalita'
Gravimetri
Correzioni della gravita' per la latitudine
Correzioni in aria libera, di Bouguer e topografica
Correzioni per la deriva strumentale e la marea.
Anomalie di gravita' indotte da corpi sferici (half maximum technique) e cilindrici orizzontali.
Anomalie di gravita' indotte da corpi cilindrici verticali
ESERCITAZIONE IN CAMPAGNA DI GRAVIMETRIA
LA PROSPEZIONE RADAR
Ground Penetrating Radar
ESERCITAZIONE IN CAMPAGNA DI METODI RADAR
LA PROSPEZIONE MAGNETICA
Definizioni generali: campo magnetico, momento magnetico, intensita' di magnetizzazione. Proprieta' diamagnetiche, paramagnetiche e ferromagnetiche dei materiali, isteresi magnetica.
Il campo magnetico terrestre (declinazione, inclinazione, campo magnetico totale).
Magnetometri a saturazione di flusso e a protoni.
Potenziale del campo magnetico, campo magnetico in un punto dovuto a un monopolo e a un dipolo.
GIOCO FINALE DI VERIFICA
Testi/Bibliografia
INTRODUCTION TO APPLIED GEOPHYSICS, Burger, Sheehan, Jones, Norton, 2006, 600 p. + CD
NEAR SURFACE APPLIED GEOPHYSICS, M.E. Everett, Cambridge, 2013, 400 p.
Altre letture:
AN INTRODUCTION TO GEOPHYSICAL EXPLORATION, Kearey, Brooks, Hill, Blackwell Publ., 2002, 262 p.
I METODI GEOELETTRICO E SISMICO PER LE INDAGINI SUPERFICIALI DEL SOTTOSUOLO, Carrara, Rapolla, Roberti, Liguori ed., 2012, 295 p.
ESPLORAZIONE GEOFISICA DEL SOTTOSUOLO, Musset, Aftab Khan, Zanichelli, 2003, 420 p.
Metodi didattici
Lezioni frontali.
Esercitazioni in campagna.
Esperimenti in aula.
Elaborati obbligatori di laboratorio da produrre a casa.
Tutte le lezioni potranno essere seguite sia in presenza, sia a distanza. Le registrazioni di tutte le lezioni saranno rese disponibili online.
Le esercitazioni pratiche sono obbligatorie e richiedono la presenza.
Nonostante il corso sia seguibile anche da remoto, per volontà del docente che ritiene anacronistico nel 2022 non offrire questa opportunità a coloro che siano ammalati o impossibilitati per altre ragioni, resta il fatto che al docente rimangono impressi i volti di chi segue in presenza ed è naturale che in sede d'esame il docente finisca col fidarsi maggiormente di chi ha visto seguire con costanza piuttosto che di chi non ha mai visto. A buon intenditor...
Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento
ACCESSO ALL'ESAME: dall'anno accademico 2017-18 per accedere all'esame finale è necessario aver svolto e consegnato 3 relazioni individuali sui temi seguenti:
- analisi spettrale
- interpretazione sismica rifrazione in onde P
- prospezione gravimetrica
Tali relazioni vengono valutate e costituiscono un punteggio extra da 0 a 3 punti che si sommano a quelli della prova scritta e fanno media nel voto finale. Chi non ha potuto seguire il corso deve chiedere indicazioni al docente su come produrre queste 3 relazioni e deve consegnarle almeno 7 giorni prima di sostenere l'esame scritto.
PROVA SCRITTA (durata: 2h 30')
Non è consentito allontanarsi dall’aula (nemmeno per andare al bagno).
Non è consentito l’uso di testi, appunti, del telefono cellulare. E’ consentito solo l’uso di normali calcolatrici. I fogli di bella e brutta copia sono forniti dal docente.
Contenuti: 3 esercizi
E' sempre presente un esercizio di prospezione sismica. Gli altri esercizi riguardano la restante parte del programma (teoria dei segnali o altre tecniche di prospezione geofisica).
Voto minimo per accedere all’orale: 14/30.
PROVA ORALE
La prova orale va sostenuta entro la stessa sessione.
Tutte le dimostrazioni e tutti gli argomenti trattati a lezione costituiscono possibili domande orali.
VOTO FINALE
Il voto finale è la media tra i voti della prova scritta e della prova orale, più la votazione degli elaborati individuali obbligatori.
NON SI CONCEDONO APPELLI STRAORDINARI.
E’ possibile presentarsi ad entrambi gli appelli della stessa sessione.
E’ necessario segnalare la propria presenza attraverso il sito AlmaEsami.
Strumenti a supporto della didattica
Microsoft Teams per le lezioni a distanza, il canale YouTube del corso per rivedere le lezioni
Orario di ricevimento
Consulta il sito web di Silvia Castellaro