Introduzione
Si presentano i risultati di una ricerca finalizzata alla stima dei parametri dinamici dei depositi piroclastici incoerenti che affiorano nella zona di San Giuseppe Vesuviano, nel settore orientale del Monte Somma. Le velocità delle onde di taglio sono state valutate in situ con il metodo dell’Analisi Spettrale delle Onde Superficiali (SASW), tale metodo studia il comportamento dispersivo delle onde superficiali di Rayleigh. Le proprietà dinamiche dei terreni piroclastici sono state confrontate con le proprietà geotecniche.
Metodo SASW
Il metodo SASW è stato sviluppato da Nazarian ed altri ricercatori dell’Università del Texas, basandosi sull’analisi spettrale delle onde di Rayleigh generate artificialmente sulla superficie del terreno sfruttando la loro caratteristica di essere dispersive. Infatti, quando si propagano in un mezzo stratificato, fanno registrare una variazione della velocità (VR) con la lunghezza d’onda (Curva di Dispersione).
I segnali sismici, vengono acquisiti in campagna utilizzando due geofoni verticali come ricevitori ed un punto sorgente di tipo impulsivo. L’unità di registrazione è rappresentata da un analizzatore digitale di segnali che può operare sia nel dominio del tempo che in quello delle frequenze. I geofoni ricevitori e la sorgente sono allineati nel terreno secondo una configurazione geometrica detta “Common-Receiver-Mid-Point” (CRMP) (Fig.1). I due geofoni sono posti simmetricamente rispetto ad un punto immaginario punto centrale fisso, con una distanza intergeofonica x che è di misura in misura raddoppiata. Il punto sorgente, a sua volta, è posto ad una distanza pari a quella intergeofonica da uno dei due geofoni ricevitori ed alternativamente la misura è effettuata ponendo la sorgente a sinistra e a destra dal punto centrale (profilo diretto e coniugato).
Fig. 1– Configurazione geometrica geofoni-sorgente utilizzata per il metodo SASW.
1) registratore; 2) analizzatore di segnali; 3) sorgente; 4) geofoni
In questo modo il geofono che durante la prima misura è più vicino alla sorgente, risulta essere il più lontano durante la seconda misura. L’analisi viene eseguita studiando nel dominio delle frequenze la funzione di coerenza e lo spettro di fase. La funzione di coerenza può assumere valori tra 0 ed 1; una coerenza unitaria indica assenza di rumore e, quindi, una totale correlazione tra i segnali ai due ricevitori. Lo spettro di fase consente di valutare lo sfasamento (Φ) tra i segnali ai due ricevitori in funzione delle frequenze considerate laddove la funzione di coerenza vale 1. Dallo sfasamento relativo alle diverse
distanze intergeofoniche si può calcolare la velocità delle onde di Rayleigh sapendo che:
- il tempo di viaggio dell’onda tra i due ricevitori è t=Φ/360f, in cui f è la frequenza;
- la velocità dell’onda è VR=x/t
- la lunghezza d’onda è λ=VR/f
rappresentando le velocità VR in funzione della lunghezza d’onda si ottiene la curva di dispersione sperimentale che, considerando contemporaneamente tutti i segnali acquisiti in situ, risulta essere la curva media per tutti i profili diretti e coniugati.L’inversione della curva di dispersione viene effettuata analiticamente calcolando con il metodo Haskell-Thompson la curva di dispersione teorica per un numero di strati piano paralleli definiti in spessore, velocità delle onde di compressione e di taglio.Il modello interpretativo, attraverso un processo iterativo, è cambiato di volta in volta variando gli spessori o le velocità delle onde di taglio, finchè non è raggiunto il miglior fitting tra le curve di dispersione. La possibilità di ottenere un profilo delle velocità delle onde di taglio con la profondità dall’interpretazione della curva di dispersione sperimentale è connessa alla nota relazione tra VR e VS in funzione del rapporto di Poisson (Knopoff, 1952; Richart, 1962).
Risultati
I profili sismici SASW sono stati ubicati in prossimità dei sondaggi meccanici e delle prove penetrometriche (Fig. 2) le interpretazioni sono invece riportate nella seconda colonna delle Fig. 3 -5 e messe a confronto con le stratigrafie.Attraverso l’uso di programmi di calcolo sono stati ottenuti i profili sismostratigrafici finali SASW che fanno registrare una media dei valori delle velocità delle onde di taglio compresi tra 100 m/s e 800 m/s. L’esame dei profili sismici SASW evidenzia la presenza di almeno livelli stratigrafici. Nello specifico per il profilo “I” i livelli individuati sono quattro.
Fig. 2– Ubicazione dell’area di studio con distribuzione dei siti di misura
In particolare, si riconosce un primo livello di circa 2,0 m di spessore, con velocità variabili nell’intervallo 100-200 m/s. Il secondo livello sismostratigrafico si individua per una profondità compresa tra i 2,0-6,0 m e fa registrare una velocità delle onde trasversali nel range 200-300 m/s. Il terzo livellosi approfondisce da 6,0 m fino alla profondità indagata, variabile da 10-18 m, ed è caratterizzato da velocità Vs comprese tra 300 m/s e 500 m/s. Nel caso del profilo “I” si individua un quarto livello, dalla profondità di 10 m fino a 13 m, che fa registrare un netto gradino, velocità di 800 m/s.
Fig. 3– Confronto tra stratigrafia, VS (SASW) ed NSPT per il sito F
Dall’ analisi dei confronti tra i profili di velocità e le colonne stratigrafiche si può evidenziare che il primo sismostrato si individua in corrispondenza dei livelli più superficiali molto incoerenti, costituiti da suolo agrario e da lapilli pomicei e scoricei. Il secondo sismostrato corrisponde agli accumuli di colate fangose, mentre il primo netto gradini di velocità, individuato nei siti “G” ed “I” alla profondità di circa 6 metri, si registra in corrispondenza degli accumuli di depositi cineritici prodotti da flussi piroclastici. Nel caso del sito “F”, il gradino di velocità è registrato alla profondità di circa 4 metri, in corrispondenza del passaggio degli accumuli di colate di fango ad un deposito cineritico da caduta. Per lo stesso sito, alla profondità di 16 metri si individua un altro gradino di velocità in corrispondenza del passaggio tra accumuli di colate fangose ed accumuli di flusso piroclastico. Nel caso specifico del sito “I”, infine, si evidenzia un netto cambio di velocità alla profondità di circa 10 metri, passando da 400 m/s a 700 m/s, in corrispondenza dagli accumuli di flussi piroclastici al deposito cineritico da caduta. Tale passaggio litologico è stato riconosciuto anche nel sito “G”, mediamente alla stessa profondità; ma in questo caso non è stato registrato lo stesso gradino neivalori di Vs.
Fig. 4– Confronto tra stratigrafia, VS (SASW) ed NSPT per il sito G
La spiegazione del netto aumento delle velocità delle onde di taglio registrato nel sito “I” può essere ricercata in una maggiore litificazione dei livelli presenti localmente, probabilmente in connessione all’azione dei fluidi interstiziali al momento della messa in posto del deposito, senza escludere, tuttavia, che tale processo di litificazione si sia prodotto anche successivamente alla deposizione, quando il materiale si era oramai raffreddato.
Fig. 5– Confronto tra stratigrafia, VS (SASW) ed NSPT per il sito I
Se si confrontano i profili delle velocità con quelli ottenuti dai sondaggi penetrometrici, si può evidenziare come in corripsondenza dei cambi di velocità, soprattutto quelli più marcati registrati alla profondità media di 6 metri al passaggio tra gli accumuli di flussi piroclastici, il numero di colpi delle prove SPT assume valori molto elevati fino a far registrare l’arresto della prova. Queste osservazioni confermano che i depositi cineritici connessi a flussi piroclastici sono caretterizzati da buone proprietà meccaniche. I valori delle velocità Vs, ottenuti dalle misure SASW, ed i valori NSPT sono stati confrontati in un diagramma bi-logaritmico, (Vedi Fig. 6). La legge di correlazione è di tipo esponenziale, con l’esponenete che assume valore pari a 0.41. Per operare tale correlazione sono stati considerati i valori medi delle velocità delle onde di taglio e del numero dei colpi delle prove penetrometriche per ogni orizzonte litologico riconosciuto. La legge di correlazione sviluppata per i dati sperimentali è stata confrontata con alcune leggi di correlazione riportate in letteratura è proposte da alcuni Autori giapponesi: Ohsaki & Iwasaki (1973), Ohta & Goto (1978), Imai & Tonouchi (1982). Dall’analisi dei confronti rappresentati in figura si evidenzia che la legge di correlazione proposta da Ohsaki & Iwasaki è quella che più si avvicina alla legge di correlazione per le misure del sito di S. Giuseppe Vesuviano, per la quale l’esponente è di 0.39.
Fig. 6– Correlazioni tra le velocità VS ed NSPT e confronto con alcune relazioni riportate in letteratura
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Le metodologie sismiche di situ per la valutazione delle velocità sismiche delle onde di taglio sono diverse: Down-hole, Masw, SASW…
Per ricavare i profili sismostratigrafici occorrono dei software, Downhole ed Easy Masw by Geostru sono due applicativi potenti, semplici ed intuitivi.
