Dott. Geol. Franco Montaldo - Indagine MASW

Indagine sismica
MASW - Multichannel Analysis of Surface Waves
relativa alla determinazione della stratigrafia sismica VS e del parametro VS30 in
un'area di Sestri Levanti
NS rif 09140SA
Dott. Geol. Franco Montaldo
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1. Premessa
Obiettivo della presente relazione è la determinazione del profilo sismico in un sito in
sestri Levante. L’indagine sismica effettuata è consistita in due prove MASW (Multichannel
Analysis of SurfaceWaves) per ottenere l’andamento 1D (sondaggio verticale) delle velocità
VS. Dai due sondaggi si è poi in particolare stimato il valore medio delle velocità delle onde
sismiche di taglio nei primi 30 m di profondità, ovvero il parametro V S,30 secondo quanto
previsto dal DM 14/01/2008.
La localizzazione delle due stese è illustrata in fig. 1
Fig. 1 - Planimetria: le due stese sono indicate con le sigle L1 e L2
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2. Metodologia
Nelle indagini MASW (Multichannel Analysis of SurfaceWaves) vengono studiate le
velocità delle onde superficiali di Rayleigh al variare della frequenza, ricavandone un
sondaggio delle velocità Vs delle onde di taglio. Infatti le onde di superficie di Rayleigh
interessano una porzione di terreno fino a una profondità dell’ordine della metà della loro
lunghezza d’onda λ. Per poter indagare fino alla profondità di 30 m rispetto al piano
campagna è quindi necessario misurare lunghezze d'onda dell'ordine di 60 m. Questo fatto
influenza la lunghezza dello stendimento, che dovrà avere una lunghezza di quell'ordine.
Poiché viene contemporaneamente richiesta una buona risoluzione anche degli strati
superficiali, bisogna poter misurare anche le lunghezze d'onda molto più corte. La minima
lunghezza d'onda misurabile è pari al doppio della spaziatura tra i geofoni, e quindi questo
parametro influenza la risoluzione degli strati superficiali. Adottando ad esempio una
spaziatura di 2 m, la minima lunghezza d'onda rilevabile è di 4 m, a cui corrisponde una
profondità di indagine dell'ordine della sua metà, ovvero pari alla spaziatura stessa tra i
geofoni.
Inoltre per determinare la velocità relativa ad una certa lunghezza d'onda, bisogna
misurarne la frequenza. Infatti lunghezza d’onda λ, la frequenza f e la velocità V sono legate
dalla semplice relazione
V = λ ∗ f . Poiché le velocità delle onde di Rayleigh sono
generalmente basse, ne segue che per grandi lunghezze d'onda la frequenza f è piccola. Ad
esempio, se λ = 50 m (profondità di indagine dell'ordine di 25 m) e V = 300 m/s (valore che
dipende dal contributo dei diversi strati tra 0 e 25 m, e non dalla sola velocità a 25 m), la
frequenza f dell'onda sarà f = V / λ = 300/50 = 6 Hz. Questo fatto influenza il tipo di geofoni
da utilizzare, che devono poter rilevare anche le frequenze di pochi Hertz. Poiché la minima
frequenza rilevabile da un geofono è soltanto leggermente inferiore alla sua frequenza propria,
ne segue che tipicamente si utilizzano geofoni con frequenza propria di 4.5 Hz, mentre quelli
utilizzati tradizionalmente per la rifrazione (generalmente a 14 Hz) risultano spesso inadatti.
Una volta che si è ricavata la frequenza relative a diverse lunghezza d’onda, se ne ricava
la velocità ottenendo la cosiddetta curva di dispersione f-V. Da questa, tramite inversione, si
ricava l’andamento delle Vs con la profondità, ottenendo quindi un sondaggio verticale.
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3. Strumentazione
Per l'indagine è stato utilizzato un sismometro DMT Summit a 24 canali, dinamica 24
bit, geofoni verticali a 4.5 Hz, mazza di battuta da 6 Kg su piatto in alluminio.
Le caratteristiche del sismometro DMT Summit sono riportate nella tabella seguente.
Tab. 1 - Caratteristiche del sismografo 24 canali DMT Summit
In particolare, oltre all'ovvio vantaggio di acquisire contemporaneamente 24 canali,
l'elevata dinamica dello strumento permette di lavorare senza dover applicare fattori di
amplificazione differenti sui diversi canali (maggiori per i canali più distanti ). Questo è
fondamentale in quanto, oltre alle variazioni nel tempo (periodo o frequenza), nelle tecniche
MASW occorre rilevare le variazioni delle onde nello spazio (lunghezza o numero d'onda)
tramite analisi di Fourier. Una distorsione delle ampiezze dovuta ad amplificazione non
costante determinerebbe un errore nell'individuazione della lunghezza d'onda.
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4. Parametri di acquisizione e geometrie
Le geometrie delle due stese (L1 e L2) sono illustratate in fig. 2. Ciascuna stesa è
costituita da 24 geofoni con spaziatura 2 m. Le energizzazioni sono state effettuate alle
distanze (offset) di 8, 28 e 48 m dal primo geofono nel caso della stesa L1 e alle distanze di 8,
28, 42 m nel caso di L2. Si sono ottenuti quindi tre sismogrammi per ciascuna delle due stese.
Fig. 2 - Geometria delle due stese. La loro posizione è indicata in fig. 1
Di seguito vengono riassunti i parametri di acquisizione MASW:
Campionamento: 0.250 ms
Numero campioni: 4096
Durata: 1024 ms
Canali: 24 (per ciascuna stesa)
Spaziatura geofoni: 2 m
Lunghezza complessiva stese : 46 m + offset energizzazioni
Energizzazioni: offset 8, 28, 48 m per L1; offset 8, 28, 42 m per L2
Le caratteristiche delle due stese e il contesto ambientale in cui si è operato sono visibili
nella documentazione fotografica di fig. 3
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Fig. 3 - Documentazione fotografica.
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5. Acquisizione dati
In fig. 4 sono riportati due esempi di sismogramma acquisiti per l'indagine MASW,
relativi all'energizzazione S2 della linea L1 e alla S6 della L2. Sono ben visibili, in entrambi i
casi, le onde superficiali di Rayleigh, sia il loro modo fondamentale che i modi superiori,
caratterizzati da maggiori velocità.
Fig. 4 - Sismogrammi MASW relativi alle energizzazioni S2 (in alto) e S6 (in basso).
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6. Elaborazione dati MASW
Alle registrazioni ottenute (sismogrammi) è stata applicata la trasformata f-v, che
consiste sostanzialmente nella trasformata di Fourier bidimensionale del sismogramma
(trasformata f-k) da cui si ricava la velocità considerando che λ=1/k e v=λ*f . In fig. 5 è
presentata la trasformata f-v relativa ai due sismogrammi di fig. 4, S2 (stesa L1) e S6 (stesa
L2). In ordinata è rappresentata la frequenza f del segnale (Hz), in ascissa la velocità (m/s). Il
treno d'onda corrispondente ad una certa coppia f-v, avendpo più energia del rumore di fondo,
sarà caratterizzato da elevata ampiezza dello spettro. Le coppie f , v che corrispondono alle
onde superficiali di diversa velocità vengono quindi individuate in corrispondenza dei
massimi dello spettro. Da queste coppie (punti dello spettro) si ottiene la curva di dispersione.
Fig. 5 – Spettro f-v dei due sismogrammi S2 (L1) e S6 (L2)
Le corrispondenti curve di dispersione ottenute tramite il “picking” dei massimi della
trasformata sono riportate in rosso nel grafico di fig. 6, dove viene rappresentata la velocità
(m/s) dell’onda di superficie in funzione della sua frequenza (Hz).
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Fig. 6 - Curva di dispersione (linea rossa) relativa all'energizzazione S2 ed S6 (sismogrammi di fig.
4). In nero è riportata, per confronto, la curva calcolata relativa ai modelli di fig. 7 ed 8.
Dall’inversione della curva di dispersione si ottiene il modello delle velocità V S al
variare della profondità, presentato in fig. 7 relativo alla stesa L1 ed in fig. 8 per la stesa L2.
La curva di dispersione relativa al modello ottenuto è presentata (in nero) in fig. 6, dove è
messa a confronto con la curva ottenuta sperimentalmente (in rosso), ottenendo un errore
medio RMS di 9.3 m/s per L1 e di 11.8 per L2.
Dall'analisi del modello ottenuto, risulta che le velocità V S sono comprese tra i 150 e
200 m/s nei livelli più superficiali, fino alle profondità di 8 m e 10 m nel caso della stesa L1
ed L2 rispettivamente. A partire da queste profondità la velocità aumenta gradualmente fino a
superare i 400 m/s alla profondità di 30 m per enmtrambe le stese. Non si riscontrano
gradienti di velocità direttamente associabili alla presenza del substrato roccioso.
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Fig. 7 - Andamento delle velocità VS rispetto alla profondità, stesa L1. Il modello è stato ottenuto
per inversione della corrispondente curva sperimentale presentata in rosso in fig. 6.
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Fig. 8 - Andamento delle velocità VS rispetto alla profondità, stesa L2. Il modello è stato ottenuto
per inversione della corrispondente curva sperimentale presentata in rosso in fig. 6
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8. Determinazione del parametro VS30
In base ai valori Vs presentati nel grafico di fig. 7 e 8 relativi alle due stese L1 ed L2, è
possibile stimare il parametro VS,30 definito come la velocità media di propagazione delle
onde di taglio nei primi 30 m del sottosuolo secondo la seguente relazione:
V
S , 30
=
30
∑
i
h
V
i
i
essendo:
hi
spessore strato i-esimo
Vi
velocità strato i-esimo
Dai dati riportati nel grafico di fig. 7 ed 8 si ottiene un valore di VS,30 pari a:
Stesa L1: VS,30 = 242 m/s
Stesa L2: VS,30 = 231 m/s
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7. Conclusioni
L’indagine MASW ha permesso di ottenere l’andamento della velocità Vs delle onde di
taglio rispetto alla profondità (fig. 7 ed 8) fino ai 30 m, in corrispondenza delle due stese
effettuate. Da queste si è potuto calcolare il parametro VS,30 relativo ad entrambe le stese,
risultato pari a 242 e 231 m/s rispettivamente. I due valori sono molto simili, e si possono
considerare indistinguibili considerando gli errori di misura. Si puo' quindi assumere come
parametro relativo al sito in esame il minore dei due, che risulta quindi:
VS,30 = 231 m/s
Genova, 17 ottobre 2012
dott. Geol. Franco Montaldo
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