Prospezione geofisica con il metodo elettromagnetico ... - ARPAL

Prospezione geofisica con il metodo elettromagnetico multifrequenza
Dott. Geol. G. Beccaris , Dott. Geol. V. Pucci
(coll. t ecn. geologi A.R.P.A.L.)
Introduzione.
Il primo obiettivo che si prefigge una ricerca
geofisica è di ottenere alcune informazioni circa
la distribuzione spaziale di alcune proprietà
intrinseche di sezioni di sottosuolo. Nel caso
particolare si utilizza l’induzione
elettromagnetica per giungere alla conducibilità
del terreno. Dato che i valori di resistività dei
terreni sono estremamente variabili, i metodi
elettromagnetici vengono utilizzati al fine di
determinare una mappa del sottosuolo che abbia
come variabile la conducibilita’. Esistono vari
tipi di metodi elettromagnetici, che utilizzano
diverse tecniche e riguardano la misura di una o
più componenti del campo elettromagnetico.
Nel caso dello strumento elettromagnetometro,
cio’ avviene utilizzando una fonte energizzante
costituita da un solenoide ( il trasmettitore
elettromagnetico ) percorso da una corrente
variabile e da una bobina che ha le funzioni di
ricevitore del campo elettromagnetico variabile
indotto. Per le leggi di MAXWELL una
sorgente di campo elettromagnetico variabile è
in grado di generare una forza elettromotrice
indotta ( tale da opporsi alla causa che la ha
generata ), che puo’ produrre correnti
secondarie in un materiale conduttivo
interessato dalle variazioni del campo
elettromagnetico ( dette correnti di Focault);
queste correnti secondarie generano a loro volta
un campo elettromagnetico variabile
secondario. Il segnale elettromagnetico, che lo
strumento raccoglie tramite il ricevitore, e’ la
somma vettoriale del campo elettromagnetico
variabile primario e di quello secondario
indotto che oscilla con la stessa frequenza del
primario. La presenza di una terza bobina avra’
la funzione di filtro in modo da eliminare
principalmente il valore del campo primario. Il
campo risultante sara’ cosi’ assimilato a quello
di origine indotta e verra’ utilizzato come
informazione per eseguire le determinazioni
della conduttività. La risposta elettromagnetica
che si ottiene dipende dalla ν (frequenza di
oscillazione del campo primario), dalla 1/ρ
(conducibilita’ apparente del terreno indagato)
e dall’accoppiamento geometrico realizzato tra
il trasmettitore ed il ricevitore. In particolare, si
puo’ affermare che il segnale di ritorno aumenta
d’intensita’ quando interessa porzioni di terreno
a maggiore conduttivita’ e che la profondita’
d’indagine diminuisce all’aumentare della
frequenza del campo primario a causa
dell’effetto “pelle” , che si esplica nei corpi
conduttori quando vengono interessati da
segnali elettromagnetici ad alta frequenza.
Caratteristiche della strumentazione Gem-
300 GSSI.
Premesso che e’ stato possibile testare la
specifica strumentazione in questione, grazie
all’attivita’ svolta presso il nuovo Settore di
Geologia e Idrogeologia Ambientale del
Dipartimento Arpal di Genova, sotto la
direzione del Dott. Geol. Nicoletta Dotti, si è
ritenuto opportuno approfondire i campi
applicativi della prospezione elettromagnetica a
fini di controllo ambientale. Il GEM-300 è un
sensore a induzione elettromagnetica a
multifrequenza digitale e portatile (Fig.1). Le

misure sono immagazzinate su un processore
interno e sono visibili sul display o su un PC
per la fase di postprocessing dei dati. Il GEM-
300 è autosufficiente e non ha bisogno di parti
aggiuntive.
Fig.1 Servizio con elettromagnetometro Gem-300
L’elettromagnetometro si basa su un nuovo
concetto di strumento che associa all’utilizzo di
differenti frequenze simultaneamente anche la
rapidità nello svolgere le operazioni. La
capacità di utilizzare frequenze multiple del
GEM-300 è rivolta non solo al maggior
dettaglio nella mappatura della superficie del
sottosuolo ma anche alla mappatura delle
superfici riscontrate alle diverse profondità,
permettendo una ricostruzione del profilo
elettromagnetico del terreno indagato.
Il GEM-300 e’ configurato per inviare nel
terreno fino a 16 frequenze
contemporaneamente nel range da 330 a 20.000
Hz. Dall’acquisizione di frequenze multiple
l’utente può selezionare la frequenza o le
frequenze che portano il migliore risultato per
una specifica applicazione.
L’apparato e’ in grado di eseguire la
scomposizione vettoriale del campo magnetico
secondario e di calcolare i rapporti I, Q in ppm
e la conduttività apparente in mS/m.
Caratteristiche dello strumento:
valori di misura in mS/m e ppm
frequenze operative – da 330 a 20000 Hz
batterie ricaricabili in NiMH
display LCD 62.5 x 43.5 mm
memoria per 112.000 misure (in fase e
quadratura)
range di misura 0.1 – 1000 mS/m
dimensioni – lunghezza 190 cm – larghezza
20 cm – altezza 15 cm
peso – 6.4 kg
Il display restituisce in tempo reale la
conducibilità del terreno, i valori in fase e in
quadratura espressi in ppm e mS/m, la direzione
e le stazioni operative sulla griglia di lavoro
(Fig.2)
Fig.2 Griglia di lavoro a linee e stazioni
Nel dettaglio si tratta di un sistema costituito da
un trasmettitore e da un ricevitore posti a una
distanza di 190 cm. Il trasmettitore e il
ricevitore sono due dipoli magnetici posizionati
alle due estremità del corpo dello strumento. Le
correnti indotte generano nel terreno un campo
magnetico secondario, così chiamato per
distinguerlo dal campo magnetico prodotto in
prima fase dallo strumento, detto “primario” .
Il ricevitore risulta investito da un campo totale
dato dalla somma del campo primario e dal
campo secondario. Tramite il collegamento con
un circuito di compensazione la parte di campo
dovuta al primario viene annullata, per cui lo
strumento fornisce una misura del solo campo
magnetico secondario.
Le misure possono essere raccolte utilizzando
lo strumento secondo due diverse
configurazioni: la configurazione a dipoli
verticali e a dipoli orizzontali. In
configurazione a dipoli verticali il contributo
più potente concerne gli strati più profondi e di
contro è poco sensibile agli strati superficiali
(fino ad arrivare a zero). Invece la
configurazione a dipoli orizzontali evidenzia
una risposta massima per gli strati superficiali,
quindi è più sensibile a quegli strati che, per la
loro posizione particolare, sono soggetti più
facilmente alle variazioni di conducibilita’

causate dalle condizioni atmosferiche o da
variazioni laterali della stessa .
Principi operativi della prospezione
elettromagnetica
Se si considera un materiale immerso in un
campo magnetico generato da una corrente
alternata, si creeranno delle correnti indotte nel
materiale. Queste correnti circolano attraverso
delle linee che sono chiuse, e giacciono in piani
ortogonali rispetto alla direzione del campo
magnetico primario. Si viene così a creare un
altro campo magnetico, diverso dal precedente,
detto secondario.
Il campo magnetico totale che possiamo
misurare in un punto qualsiasi di questa
regione, può quindi essere considerato come la
somma di due termini, di cui uno è il campo
primario, generato dal trasmettitore (bobina),
l’altro è il campo secondario , provocato dalle
correnti indotte nel mezzo. Se poniamo una
seconda bobina all’interno di questa regione, la
utilizziamo come ricevitore del campo totale,
otteniamo che la forza elettromotrice vale
V ricevitore =(H p +H s )iωµ .
Quando sono presenti dei materiali conduttori
esiste una differenza di fase tra il campo
primario ed il campo secondario, in funzione
del modello circuitale equivalente ad elementi
distribuiti che si e’ venuto a determinare nel
terreno. Di fronte a due vettori H ( H P , H S ) che
sono sfasati di un certo angolo ϕ , e’ noto che la
loro differenza di fase e’ coincidente con la
differenza di fase esistente tra la corrente
circolante nel circuito inducente e quella
circolante nel circuito indotto (il terreno), e che
entrambe e, quindi i campi elettromagnetici
associati, varino con la medesima frequenza.
Tale relazione di fase e’ determinata dalle
caratteristiche della impedenza equivalente del
circuito che si e’ venuto a creare nel terreno :
infatti, se prevale una impedenza ohmicoinduttiva
la corrente circolante sara’ sfasata di
un angolo minore di 90° in ritardo rispetto alla
tensione esistente, se prevale un
comportamento ohmico-capacitivo la corrente
sara’ sfasata di un angolo minore di 90° in
anticipo rispetto alla tensione. Poiche’ la
tensione indotta e’ sempre sfasata di 90° in
ritardo rispetto alla corrente circolante nel
circuito inducente, si puo’ allora dire che se nel
terreno prevalgono le caratteristiche ohmicheinduttive
il campo magnetico secondario sara’
sfasato di un angolo 90° < ϕ < 180°; se prevale
una impedenza ohmico-capacitiva il campo
magnetico secondario sara’ sfasato di un angolo
0°< ϕ < 90° rispetto al campo magnetico
principale.
Una descrizione globale richiederebbe la
conoscenza di tre componenti spaziali , e dei tre
angoli rispetto cui ognuna delle tre componenti
spaziali risulta sfasata rispetto al campo
primario.
Si ritiene pero’ soddisfacente la registrazione
di solo due componenti: la componente in fase
e la componente in quadratura (sfasata di 90°)
del campo magnetico secondario rispetto a
quello principale. Cio’ equivale ad analizzare il
solo comportamento ohmico-capacitivo del
circuito equivalente del terreno. Viceversa un
comportamento ohmico-induttivo non dispone
della componente in fase ma solo di quella in
quadratura. Infatti, per evitare questa seconda
situazione l’elettromagnetometro utilizza
sostanzialmente delle basse frequenze
dimodoche’ sia da ritenersi trascurabile
l’ammettenza magnetica del circuito indagato.
Si noti che in un corpo conduttore qualsiasi, le
correnti indotte circolano in un modo
caratteristico, in funzione della forma e delle
dimensioni dell' oggetto oltre che al valore della
sua conducibilita’ intrinseca .
Interferenza superficiale
Quando si trattano correnti indotte, è necessario
tenere in considerazione l’esistenza dell’effetto
pelle. Si tratta della tendenza, delle correnti
alternate, a fluire sulla superficie del corpo,
piuttosto che all’interno, con la conseguenza di
vedere diminuita l’area totale di conduzione,
portando ad un aumento della resistenza. In
funzione del valore della frequenza della
corrente che produce il campo primario, le
correnti tendono ad attraversare zone diverse
Stazioni su una linea rettilinea

del corpo: ad alte frequenze , le correnti si
distribuiscono sulla parte più superficiale del
corpo, mentre a basse frequenze, esse
attraversano tutto l’oggetto, penetrando bene
fino al suo interno. Questo significa che, se si
vogliono ottenere informazioni sul corpo, è
preferibile lavorare a basse frequenze, poiché
solo se tutto l’oggetto viene attraversato dalle
correnti indotte, il campo secondario, che si
raccoglie al ricevitore, è modificato in modo da
ottenere informazioni utili. La profondità utile
di indagine ( detta anche profondita’ di pelle )
segue la relazione analitica :
δ=(2/σµω) 1/2
Tale relazione indica che la profondita’
d’indagine e’ inversamente proporzionale alla
radice quadrata della frequenza utilizzata, della
permeabilita’ magnetica e della conducibilita’
del materiale attraversato. Da qui si intuisce
come livelli particolarmente conduttivi o con
proprieta’ spiccatamente magnetiche possano
costituire degli ostacoli alla prospezione in
profondita’ .
Campi di applicazione.
Con il metodo elettromagnetico si misurano la
conducibilità elettrica del sottosuolo e
dell’acqua di falda; la conducibilità elettrica
dipende dal tipo di terreno o di roccia, dalla sua
porosità e permeabilità e dal tipo di fluido che
satura i suoi interstizi o vuoti. In molti casi la
conducibilità elettrica del fluido contenuto nei
vuoti del terreno è quella che domina le misure
fatte. Questo metodo può essere utilizzato sia
conduttività (mmSms)
600
500
400
300
200
Grafico conduttività - frequenza
325 (C)
100
1975 (C)
0
0 5 10 825 (C) 15
-100
per accertamenti delle condizioni
idrogeologiche naturali, sia per delimitare molti
tipi di pennacchi d’acqua inquinata; inoltre è
possibile localizzare o delimitare scavi, le
discariche ed i fusti metallici interrati.
Fig. 3 Variazioni naturali della conducibilità misurata lungo una
linea d’indagine rettilinea, in funzione delle varie classi
di frequenza .
Le variazioni naturali della conducibilità
elettrica (Fig.3) possono essere dovute alle
variazioni di contenuto d’acqua in
corrispondenza della zona non satura, alle
variazioni dei solidi disciolti nell’acqua di falda
e dagli spessori dei terreni superficiali di
copertura. Anche le variazioni litologiche dei
terreni (depositi localizzati di sabbia, d’argilla,
di materiale organico) e delle rocce (fratture)
possono dar luogo a variazioni della
conducibilità elettrica.
Molti inquinanti danno luogo ad un aumento
degli ioni liberi quando vengono a contatto con
il terreno o con l’acqua di falda con
conseguente aumento della conducibilità
elettrica (sostanze polari); una grande quantità
di prodotti organici possono invece diminuire la
conducibilità elettrica dell’acqua contenuta nel
terreno (sostanze apolari).
Ciò che interessa in questo tipo di ricerche non
è il valore assoluto della conducibilità elettrica
di vari tipi di terreno e di rocce, ma serve solo
conoscere le variazioni, sia orizzontali che
verticali, di tali conducibilità. Poiché questo
tipo d’indagine non richiede un “contatto” con
il terreno essa può essere fatta abbastanza
rapidamente; le variazioni laterali di
conducibilità possono essere fatte se si opera in
modo continuo. Se si vuole invece conoscere la
variazione verticale della conducibilità si deve
operare in modo discontinuo o per
stazionamento.
Il metodo più usato per indagini idrogeologiche
e d’inquinamento è quello che opera in modo
continuo:
valutazioni delle condizioni idrogeologiche
naturali
-200
stazioni

localizzazione e delimitazione degli scavi
interrati
individuazione dei fusti metallici interrati
localizzazione e delimitazione di alcuni tipi
di pennacchi d’acqua inquinata
determinazione della direzione del flusso di
falda
E’ importante ricordare che il valore della
conducibilità elettrica che si ottiene da un
elettromagnetometro è composita in quanto
rappresenta l’effetto combinato dello spessore
degli strati, della loro profondità e della loro
conduttanza specifica: tali influenze
diminuiscono all’aumentare della profondità.
In particolare molti terreni e rocce quando sono
asciutte sono poco conduttive; in rare occasioni
possono essere presenti grandi quantità di
minerali molto conduttivi (magnetite, pirite,
grafite) che fanno aumentare di molto la
conducibilità elettrica delle rocce e dei terreni,
la quale può essere anche influenzata dalla
presenza di acqua e dai seguenti parametri:
porosità e permeabilità
contenuto in acqua
concentrazione di solidi disciolti nell’acqua
sotterranea
temperatura
Il valore della conducibilità elettrica di un dato
terreno o roccia non è univoca poiché in esso
possono variare uno o più dei suddetti
parametri.
Nelle zone inquinate i fluidi o liquidi possono
fornire una grande quantità di elettroliti e di
colloidi nelle zona satura e insatura. Pertanto la
conducibilità elettrica del sottosuolo ne viene
fortemente influenzata aumentando di n volte il
valore originario; se le variazioni naturali della
conducibilità del sottosuolo sono molto
piccole, è possibile delimitare un pennacchio
d’acqua inquinata anche se la sua conducibilità
elettrica supera solo del 10-20% quello
originario. Qualora si tratti invece di inquinanti
non polari, la conducibilità elettrica diminuisce
solo in presenza di grandi quantità di composti.
Esistono tre possibilità di lavoro con
l’elettromagnetometro Gem-300:
Bump finder. Questo tipo di servizio è
molto veloce per trovare bersagli dalla
semplice osservazione dell’ampiezza del
responso sul display e non necessita
l’utilizzo del pc per il post-processing,
poiché i dati possono essere salvati
direttamente in Gem-300;
Servizio continuo. Questo tipo di servizio
consente un’indagine rapida e accurata
nello stesso tempo: l’operatore infatti può
camminare con una velocità regolata da un
timer lungo una linea prestabilita senza
fermarsi e impostando volta per volta
l’allineamento da seguire. Questa tipologia
di analisi necessita di un software per
l’interpretazione dei dati;
Servizio per stazioni. Questo metodo deve
essere usato con precise stazioni di misura
all’interno di una griglia di indagine preimpostata
e dimensionata prima del
servizio. L’operatore si muove lungo una
serie di linee fermandosi ad ogni stazione e
registrarndo o manualmente o in
automatico (timer). Questo metodo
discontinuo permette un’alta precisione
durante l’acquisizione dei dati, i quali
vengono scaricati ed elaborati al pc in
plottaggi bidimensionali (Fig. 4) e
tridimensionali (Fig.5).
Fig. 4 Plotting 2D in area a forte contrasto conduttivo

Fig. 5 Plotting 3D in area a forte contrasto conduttivo
Il GEM-300 è indicato in tutte le seguenti
applicazioni:
localizzazione di fusti sepolti contenenti
materiali pericolosi
mappatura dell’estensione e dei margini del
terreno
mappatura del limite e del movimento del
plumen inquinato
localizzazione di serbatoi di carburante
sotterraneo
localizzazione di materiale interrato
localizzazione di cavità nel sottosuolo
localizzazione di perdite di acqua, olio e gas
da tubazioni
mappatura di siti archeologici
I diversi meccanismi di conduzione di
corrente
Metalli.
La conduttività di un metallo è dovuta alla
particolare struttura atomica che prevede un
elevato numero di elettroni nella banda
energetica di conduzione (mobili) . Il numero di
questi elettroni è approssimativamente uguale al
numero di atomi nel metallo. Nei metalli gli
elettroni di valenza non sono ben riferibili ad un
unico atomo; essi costituiscono invece una
“nuvola di elettroni”; infatti l’energia richiesta
per rimuovere un elettrone di valenza da un
certo atomo, al fine di farlo acquisire ad un
atomo vicino è molto piccola. Il fatto che anche
in una struttura di questo tipo si riscontri un
valore di resistività non nullo, si spiega nelle
imperfezioni della struttura cristallina del
metallo, che sono in ogni caso presenti. Queste
imperfezioni si oppongono al moto degli
elettroni, ed il loro numero determina il valore
della resistività, cosicchè più alta è la quantità
di imperfezioni, più elevato è il valore della
resistività. Questo però, non è l’unico fattore in
gioco; anche il moto termico degli ioni attorno
alla loro posizione di equilibrio ostacola il
flusso degli elettroni. All’aumentare della
temperatura, aumenta l’ampiezza di
oscillazione degli ioni, incrementando in tal
modo la probabilità di collisione con gli
elettroni in moto. Questo è uno dei motivi per
cui quando si valuta il valore della conducibilità
di un terreno è necessario tenere conto della
temperatura a cui si lavora.
Semiconduttori.
Si denominano semiconduttori i materiali non
metallici in cui la conduzione avviene
attraverso il moto elettronico.
I semi-conduttori presentano una struttura
simile a quella dei metalli: essi hanno una
quantità di elettroni liberi inferiore ai metalli,
poiché l’energia richiesta ad estrarre un
elettrone è maggiore. Poiché il numero di
elettroni è minore, anche il valore della
conducibilità è inferiore. Questo fatto ci
permette di sottolineare che la variazione di
conducibilità non è in alcun modo attribuibile
ad una diversa mobilità degli elettroni. Se
infatti valutiamo il valore della conducibilità di
uno stesso semiconduttore all’aumentare della
temperatura, notiamo corrispondentemente un
incremento dello stesso. L’innalzamento della
temperatura libera un grande numero di
elettroni, ma non è l’unico effetto ottenuto:
abbiamo anche ampliato il moto di oscillazione
degli atomi, fatto che tende ad aumentare la
resistività. Questa è la spiegazione del perché i
semiconduttori abbiano un coefficiente positivo
per un certo intervallo di temperatura, mentre

per un range diverso il coefficiente di resistività
diventa negativo.
Elettroliti solidi.
La conduzione elettrolitica può avvenire in
cristalli in cui è presente il legame ionico. In
questo tipo di legame, sono coinvolti atomi che,
accoppiati raggiungono l’ottetto: questo
significa che un atomo è propenso a cedere i
suoi elettroni di valenza, mentre l’altro è
disposto a prenderli; i due atomi, diventati ioni
a carica positiva o negativa per la perdita o
acquisizione degli elettroni, si legano tra loro
per la forza di interazione coulombiana. Il
legame tra i due ioni è molto forte e non viene
rotto se si applica un campo esterno al
composto. Nonostante ciò, è possibile il
passaggio di corrente, dovuto alle imperfezioni
del cristallo. Si verificano due tipi di
imperfezioni che aiutano il passaggio di
corrente: le imperfezioni interne al reticolo
cristallino, e quelle indotte termicamente. Per
imperfezioni interne al reticolo si intende la
presenza di impurità sotto forma di ioni con una
valenza anomala o la mancanza stessa di ioni.
Gli ioni del reticolo possono avere
un’oscillazione maggiore del solito e quindi
diventare vacanti. Se viene applicato un campo
E esterno si favoriscono i salti in una direzione,
ottenendo un flusso di cariche. Quindi la
conducibilità di un elettrolita solido dipende dal
numero di cariche mobili disponibili e anche
dalla “mobilità” specifica di queste cariche. La
mobilità degli ioni è determinata sia dalla
dimensione dello ione che dalle dimensioni
degli interstizi attraverso cui avviene il moto. È
quindi corretto aspettarsi che ioni piccoli si
muovano molto bene in un reticolo composto di
ioni grandi e immobili.
Conducibilità del terreno
La maggior parte delle rocce e terreni sono
degli isolanti elettrici, cioè sostanze
caratterizzate da elevati valori di resistività.
Un’alterazione apprezzabile di questa
situazione si ha se nella roccia sono presenti
materiali ad alta conducibilità, come i metalli.
Questi elementi sono in grado di alterare il
valore totale della conducibilità ..
Piu’ generalmente la conduzione è elettrolitica,
cioè dovuta alla presenza di sostanze allo stato
di ioni che sono liberi di muoversi. Quando la
saturazione del materiale raggiunge percentuali
molto elevate, la conducibilità è elettrolitica nel
senso che è proprio la presenza del liquido in
cui sono disciolti dei sali minerali a determinare
il valore della conducibilità.
Uno dei fattori determinanti del valore della
conducibilità di un terreno è, per quanto detto
sopra , la porosità, quindi la forma e le
dimensioni dei singoli pori, il loro numero, ed il
fatto che questi siano tra loro più o meno
collegati.
Un altro fattore estremamente importante è la
quantità di acqua contenuta nei pori. Questo è
di grande importanza durante le spedizioni in
campo se si vogliono raccogliere dei dati con
una certa uniformità. Se infatti si deve
monitorare un terreno con basse capacità di
drenaggio di acqua , bisognerà accertarsi che le
condizioni del terreno dopo giornate piovose
siano ritornate uguali a quelle in cui si erano
fatte delle misure. Oltre all’umidità nel terreno,
risulta significativa la valutazione della
concentrazione in cui sono presenti degli
elettroliti disciolti, poiche’ maggiore è la loro
quantità, più elevata risulterà la conducibilità
del terreno. Infine, altri fattori sono in grado di
variare la conducibilità misurata come la
temperatura presente, la composizione e la
quantità dei colloidi presnti nel terreno
indagato. Per quanto esposto risulta cosi’ chiaro
quanto sia importante una valutazione
preliminare sulle condizioni geologiche,
strutturali, petrografiche e mineralogiche del
sito oggetto delle indagini .
Bibliografia essenziale
Campi e onde nell’elettronica per le
comunicazioni; Ramo, Whinnery, Van
Duzer , 1977 Ed. Franco Angeli .

Gem-2 : A new multifrequency
electromagnetic sensor; Won et alii, 1996
JEEG USA .
Tecniche d’induzione magnetica in campo
geoambientale . Tesi di laurea Dott. E.
Lonati, Relatori Dott.ri Facchini, Dotti,
Cazzaniga; Univ. di Milano Facolta’ di
Scienze MM.FF.NN. 1996 .
Gem-300, Multifrequency Electromagnetic
profiler; GSSI 1998 USA .
Elettrotecnica ; Olivieri, Ravelli Ed. Hoepli
1977 .
Metodi d’indagine e di rilevazione per
l’inquinamento; G. Chiesa. , Ed. Quaderni
delle Acque Sotterranee 1988 .