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COME FUNZIONA UN GPR

Il GROUND PENETRATING RADAR (GPR) è un metodo elettromagnetico utilizzato per la ricerca di anomalie/ differenze della densità dei materiali attraversati dalle onde elettromagnetiche a diversi livelli di profondità ( da pochi centimetri fino a decine di metri).  Indicato come ecoscandaglio, Il GPR sfrutta i contrasti nelle proprietà elettromagnetiche per definire i confini fisici delle strutture superficiali e non (sia naturali che artificiali). Permittività dielettrica, permeabilità magnetica e conducibilità elettrica dei materiali sono  proprietà fisiche fondamentali da considerare quando si opera utilizzando questa tecnologia.  I georadar  vengono  utilizzati per una varietà di applicazioni tra le quali : 

  • Indagine su strutture in cemento e strade
  • Mappatura dello spessore delle torbiere e di altri strati sedimentari
  • Misurazione della profondità delle acque sotterranee o del permafrost
  • Individuazione di infrastrutture interrate come tubi di irrigazione, tunnel e cavi elettrici
  • Ricerca di mine terrestri e ordigni inesplosi
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 Schema di una configurazione GPR con offset zero.

Durante i rilievi GPR, una fonte (Tx) viene utilizzata per inviare un impulso di onde elettromagnetiche ad alta frequenza (onde radio) nel terreno. Quando le onde radio si propagano attraverso la Terra, vengono distorte a causa delle proprietà elettromagnetiche della Terra stessa. Ai confini in cui le proprietà elettromagnetiche del sottosuolo cambiano bruscamente, i segnali delle onde radio possono subire trasmissione, riflessione e/o rifrazione. Per questo motivo, gran parte della comprensione dei metodi sismici può essere applicata al radar a penetrazione nel terreno.

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 Esempio di radargramma di due gallerie sotterranee (iperboli). La scala di grigi mostra l’ampiezza del segnale di ritorno.

Sensori (Rx) sulla superficie terrestre misurano le ampiezze e i tempi di percorrenza dei segnali che ritornano in superficie. Questi dati da ogni traccia (coppia Tx-Rx) sono amalgamati e rappresentati utilizzando un radargramma (simile a un sismogramma). L’asse orizzontale (distanza) viene utilizzato per rappresentare la posizione del ricevitore rispetto alla sorgente per un particolare suono. L’asse verticale mostra i tempi di percorrenza del segnale misurato. Assumendo una certa conoscenza a priori della velocità delle onde radio, l’asse verticale è talvolta rappresentato da una distanza approssimativa del viaggio. La scala di grigi denota l’ampiezza del segnale di ritorno in ogni momento e posizione. È dai radargrammi che faremo la maggior parte della nostra interpretazione dei dati GPR.

Velocità di propagazione dei materiali dielettrici

Ecco le permittività dielettriche approssimative, le conducibilità elettriche e le velocità delle onde radio per vari materiali. La velocità media si riferisce a un valore approssimativo per ciascun materiale.

  • Si noti che la conduttività elettrica è in unità milli-Siemens per metro
  • Si noti che la velocità è in metri per nanosecondo.
MaterialePermittività relativaConducibilità (mS/m)Velocità media (m/ns)
Aria100.3
Acqua dolce800,50,033
Acqua di mare8030000.01
Ghiaccio3-40.010.16
Sabbia asciutta3-50.010,15
Sabbia satura20-300.1-10.06
Calcare4-80,5-20.12
Scisti5-151-1000.09
Limi5-301-1000.07
Argille5-402-10000.06
Granito4-60,01-10.13
Anidrite3-40,01-10.13

Cose da tenere a mente

Ci sono alcune variabili che devono essere considerate durante la fase di interpretazione dei dati raccolti durante le prospezioni GPR. Tra queste, quando esaminerete i radargrammi, tenete a mente i seguenti suggerimenti : 

Per quanto riguarda il sondaggio

  • Qual è la distanza di separazione Tx-Rx?
  • Qual è la frequenza operativa e l’ampiezza dell’impulso wavelet?
  • Cosa sai delle proprietà fisiche locali? conducibilità alta/bassa? permittività dielettrica alta/bassa?
  • Il terreno è secco o saturo (permettività)? Il terreno contiene caratteristiche che possono disperdere il segnale?
  • Dopo aver considerato le affermazioni precedenti, quale pensi che siano la risoluzione e la distanza di sondaggio?

Per quanto riguarda i dati

  • Quando è il primo segnale utile che misuri? Quand’è l’ultima?
  • Perché non riesci a vedere nulla dopo l’ultimo segnale? Attenuazione? Riflettore forte?
  • Puoi dedurre la velocità di uno strato e trasformare l’asse del tempo di viaggio in un asse della distanza apparente?
  • C’è un’inversione di polarità del segnale wavelet? Cosa ti diceε1eε2per un’interfaccia?

Riconoscere le caratteristiche

  • Noti delle caratteristiche iperboliche? Indica il punto riflettore per l’offset zero. Indica il livello per il punto medio comune.
  • Per le firme iperboliche (o le firme di altre forme discrete), cosa ti dice la pendenza sulla velocità di propagazione del mezzo in cui si trova?
  • In base alla pendenza, l’oggetto è fuori terra (rumore) o sotto terra (potenziale bersaglio)?
  • Sono presenti caratteristiche lineari (offset zero)?
  • Le caratteristiche lineari indicano un’interfaccia piatta o a immersione? È un metodo che puoi usare per ottenere il tuffo?
  • Sei in grado di ottenere segnali da qualsiasi cosa al di sotto di un ovvio riflettore? Di cosa si trattaε1eε2?
  • Si possono usare pendenze e iperboli per ottenere velocità di strato?
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Fig. 130 Esempio di radargramma con offset zero.

Individuazione di serbatoi di stoccaggio interrati

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Fig. 131 Schema dei serbatoi interrati.
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Fig. 132 Radargram corrispondente per un rilievo di zero offset.

Installazione : le transazioni immobiliari creano regolarmente la necessità di una valutazione ambientale del sito. Confermare la presenza o l’assenza di serbatoi di stoccaggio interrati (UST) può essere un fattore critico nella chiusura del contratto.

Proprietà fisiche : I serbatoi di stoccaggio hanno una grande conduttività. Questi fungeranno da forti riflettori dei segnali GPR.

Rilievo : la linea di rilevamento viene eseguita perpendicolarmente all’orientamento noto dei serbatoi di stoccaggio. È stata utilizzata un’indagine con offset zero.

Dati : i dati GPR sono stati raccolti lungo diverse linee di profilo. Questi sono stati usati per generare radargrammi.

Elaborazione : è stata eseguita una conversione del tempo di arrivo in profondità per approssimare la profondità ai serbatoi di stoccaggio. I radargrammi per diverse linee di profilo sono stati interpolati per generare un’immagine 3D.

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Fig. 133 Interpolazione 3D da più linee di rilievo GPR.

Interpretazione : dal radargramma e dall’immagine 3D interpolata, possiamo facilmente vedere cinque serbatoi di stoccaggio sepolti a una profondità di 3,5 piedi (1 metro). Nel radargramma, le firme dei tubi sono iperboliche. Al di sotto dei serbatoi, possiamo vedere due letti di serbatoi. L’obiettivo del letto del serbatoio è garantire che eventuali perdite rimangano contenute. Poiché i serbatoi di stoccaggio stessi sono riflettori così potenti, non vediamo il riflesso dei letti del serbatoio per determinate posizioni Tx-Rx.

Sintesi : Questa indagine è riuscita a localizzare i serbatoi di stoccaggio interrati in un potenziale cantiere.

Mappatura dello spessore della torba (Irlanda)

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Fig. 134 GPR utilizzato per mappare lo spessore della torbiera.

Configurazione : Il materiale delle torbiere nelle torbiere alte viene utilizzato per il consumo di energia. Vorremmo mappare lo spessore delle torbiere su una regione di 35.000 Ha.

Proprietà fisiche : la torba è un materiale carbonioso poroso con un elevato contenuto di acqua (è necessario asciugarlo prima dell’uso). La regione sottostante è elencata come depositi lacustri. Forse una differenza è il contenuto di acqua e la consistenza e questo può fornire una differenza nella permittività dielettrica.

Rilevamento : GPR Antenna trainata da 100 MHz, con GPS RTK per la precisione della posizione. Sondaggio offset comune.

Dati : Profili raccolti ogni 60 m e tracciati come sezioni distanza-tempo.

Elaborazione : elaborata per rimuovere gli effetti della topografia e identificare gli eventi di riflessione correlati.

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Fig. 135 Radargram sopra la linea del profilo. (a) Dati prima della correzione topografica. (b) Dati dopo la correzione topografica.

Interpretazione : come possiamo vedere a circa 100 ns +/- 50 ns (a), esiste un’interfaccia ben stabilita corrispondente al fondo del letto di torba. In tempi precedenti, vediamo anche segnali riflessi dalla struttura stratificata interna dei letti di torba. Vediamo anche caratteristiche localizzate che si pensa siano causate da travi sepolte. Dopo la correzione topografica (b), vediamo un terrapieno sul lato sinistro del radargramma. Il contrasto nelle proprietà fisiche qui è minore, quindi non vediamo il riflesso in modo così forte.

Sintesi : in vari punti è stato utilizzato un augure di torba (dispositivo di trivellazione) per calibrare i dati e verificare lo spessore dedotto dello strato di torba. Di conseguenza, la nostra interpretazione dei dati era corretta e l’indagine GPR ha avuto successo.

Miniera sotterranea di potassa

Installazione : l’acqua è un problema serio per le miniere di cloruro di potassio, poiché può dissolvere la roccia e diminuire l’integrità strutturale. L’obiettivo di questa indagine era mappare la posizione dell’intrusione di acqua e localizzarne la fonte.

Proprietà fisiche In generale, i minerali di anidrite come la potassa hanno permettività relativaεr∼5. D’altra parte, l’acqua come permettività dielettrica molto elevata (ε=80). Poiché queste due unità hanno permettività dielettriche così diverse, ci aspettiamo una grande riflessione nel punto in cui le onde radio entrano in contatto con l’acqua.

Rilievo : i profili GPR sono stati raccolti lungo le lunghezze dei pozzi della miniera utilizzando una configurazione offset comune.

Dati : Radargrammi lungo diversi profili all’interno dei pozzi minerari.

Elaborazione : assumendo una velocità di propagazione di 0,13 m/ns (approssimativamente nota per la cloruro di potassio), il tempo di viaggio bidirezionale è stato convertito in una profondità/distanza apparente.

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Fig. 136 Radargramma che mostra il segnale riflesso corrispondente all’acqua e lo squillo dall’infrastruttura prossimale. Notare che il radargramma è capovolto. Le cose più vicine alla sorgente e al ricevitore sono tracciate vicino al fondo.

Interpretazione : Sul radargramma, vediamo un forte segnale riflesso corrispondente all’acqua che filtra attraverso la cloruro di potassio. Vediamo che l’acqua è a circa 6 m dall’onda del pozzo della miniera. La risoluzione non è abbastanza alta per determinare lo spessore della potassa satura d’acqua. Tuttavia, vediamo che è delineato in alcune aree e che la sorgente dell’acqua è probabilmente sulla destra del profilo. Sul lato sinistro del profilo GPR, vediamo le cause di squillo per infrastruttura.

Sintesi : In questo caso, i risultati dell’indagine GPR sono stati correlati con i risultati di un’indagine di resistività DC (insegnata più avanti nel corso). I pozzi hanno anche confermato la posizione presunta dell’acqua. Alla fine, siamo riusciti a localizzare l’acqua ea determinarne l’origine utilizzando il GPR insieme ad altri metodi.

Luogo di sepoltura (Alabama)

Allestimento : studio archeologico di cimiteri storici in Alabama. Tentativo di individuare luoghi di sepoltura.

Proprietà fisiche In questo caso, il contrasto nelle proprietà fisiche è tra la roccia ospite e gli oggetti sepolti insieme ai resti umani. Ci aspettiamo che gli oggetti sepolti nel terreno fungano da riflettori puntuali per il segnale GPR.

Rilievo : Rilievo con scostamento zero lungo un profilo di 20 m.

Dati : Radargram lungo un profilo di 20 m.

Elaborazione : utilizzando le firme iperboliche nei dati, è stata determinata la velocità del livello host. Questo è stato utilizzato per ottenere la profondità apparente.

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Fig. 137 Segnature iperboliche del radargramma associate alle sepolture indigene.

Interpretazione : le frecce gialle indicano riflessi puntuali molto distinti (iperboli), probabilmente associati a sepolture umane. I riflessi iperbolici meno distinti sono indicati da frecce rosse. La profondità apparente indica che le sepolture sono comprese tra 0,75 m e 1,5 m. Le linee blu tratteggiate sono usate per indicare i riflettori orizzontali e inclinati, probabilmente il substrato roccioso. È probabile che i riflessi più piccoli vicino alla superficie siano causati dalle radici degli alberi.

Sintesi : a causa della natura del sito, i test del sottosuolo non sono stati utilizzati per confermare l’interpretazione. Tuttavia, l’interpretazione è supportata da indicazioni di superficie (lapidi e avvallamenti).

Mappatura del permafrost.

Configurazione : vorremmo mappare lo spessore e la stabilità di uno strato di permafrost e identificare le caratteristiche chiave.

Proprietà fisiche : il permafrost ha una permittività relativa di circa 4-8, mentre i sedimenti fluviali saturi sottostanti hanno una permittività relativa molto più elevata. Ci aspettiamo che questo contrasto nella permittività dielettrica fornisca una grande riflessione che può essere misurata dal sistema GPR. Ci aspettiamo di vedere la dispersione dove le bolle di gas metano filtrano attraverso il terreno.

Indagine : un’altra comune indagine offset.

Dati : Radargram su un profilo di 400 m.

Elaborazione : assumendo una velocità di propagazione della velocità della luce, il tempo di viaggio bidirezionale è stato convertito in una profondità apparente.

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Interpretazione : lo strato più superficiale è interpretato come composto da limi ghiacciati seguiti da ghiaie e sabbia ghiacciate. Poiché i terreni rocciosi provocano la dispersione dei segnali delle onde radio, i dati corrispondenti al segnale della ghiaia ghiacciata sono rumorosi. A circa 400 ns, vediamo chiaramente un limite inferiore ben definito per il permafrost (principalmente a destra). Una delle caratteristiche più interessanti si trova nel mezzo. Vediamo un cambiamento nel carattere del segnale GPR in cui dovrebbe essere definito il confine. Questa è stata interpretata come un’area in cui il gas metano gorgoglia in superficie.

Sintesi : le caratteristiche di questo radargramma sono molto più rumorose e difficili da interpretare rispetto agli esempi precedenti. I pozzi sono stati utilizzati per confermare l’interpretazione. Sebbene la profondità di penetrazione possa essere stata un aspetto importante della pianificazione del rilievo (a causa della dispersione), un rilievo a frequenza più elevata potrebbe aver fornito maggiori dettagli in prossimità della superficie.

Credit by , GeoSci Developers.
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