Nuovi sistemi wireless per tomografia elettrica 3D per l'esplorazione di media-grande profondità

Nuovi sistemi wireless per tomografia elettrica per l'esplorazione di medio‐grande profondità e applicazioni in campo idrogeologico
4 e 5 dicembre 2014 – LA GEOFISICA APPLICATA ALLA IDROGEOLOGIA - XI Workshop di geofisica
Nuovi sistemi wireless per tomografia elettrica per
l'esplorazione di medio‐grande profondità e
applicazioni in campo idrogeologico
S. Del Ghianda, G. Morelli, M. Russo – Geostudi Astier srl (Livorno)

Principali novità hardware e software nell’ambito
della tomografia elettrica 2D e 3D:
• SISTEMA FULL WAVER (Iris Instruments - Francia)
• SISTEMA MULTI SOURCE (MPT - USA)
ENTRAMBI SONO SISTEMI «WIRELESS»

SISTEMA FULL WAVER (Iris Instruments - Francia)
La strumentazione di misura si compone di:
1. Trasmettitore di corrente
di adeguata potenza
(generalmente
alimentato a mezzo
motogeneratore)
collegato in serie con
scatola arancione Full
Waver

2.Dipoli di ricezione del
segnale costituiti da
elettrodi (meglio se di tipo
non polarizzabile) collegati
con le scatole nere Full
Waver (tre el. per scatola)

Sistema Full Wave (Iris Instruments - Francia)
La strumentazione di misura si assembla così:
Trasmettitore di corrente di
adeguata potenza
(generalmente alimentato a
mezzo motogeneratore)
collegato in serie con scatola
di colore arancione Full Waver
Dipoli di ricezione del segnale
costituiti da elettrodi (meglio
se di tipo non polarizzabile)
collegati con varie scatole di
colore nero Full Waver (tre el.
per scatola)
………
A
B
I FULL Waver
V FULL Waver
M
N
M
N
M
N
V FULL Waver V FULL Waver

A1
A2
An
B1
B2
Bn
Tx
Rx
GPS
FULL WAVER

PERCHE’ IL SISTEMA VIENE CONSIDERATO WIRELESS?
PERCHE’:
1. LE UNITA’ DI RICEZIONE NON SONO
FISICAMENTE COLLEGATE TRA LORO
2. LE UNITA’ DI RICEZIONE NON SONO
FISICAMENTE COLLEGATE AL SISTEMA DI
TRASMISSIONE DELLA CORRENTE

 I-Full Waver consiste in una unità di registrazione
autonoma connessa in serie sulla linea di corrente
AB ed in grado di misurare e memorizzare con
elevata precisione la corrente I (AB);
 Memoria interna in grado di registrare fino ad 8 ore
corrispondenti a 2 860 000 campioni.
 Antenna GPS integrata in grado di registrare il
segnale PPS di posizione ma soprattutto di timing
necessario per la sincronizzazione con la altre unità;
I Full Waver V Full Waver
 Memoria interna in grado di registrare fino ad 8 ore
corrispondenti a 2 860 000 campioni.
 V-Full Waver è un logger a basso consumo per la
memorizzazione del segnale elettrico (mv) su due
dipoli simultanei. Progettato per misure di tipo SP,
resistività e time domain IP in grado di operare in
maniera autonoma e senza intervento di
operatore. Campionamento: 100 Hz
 Antenna GPS integrata in grado di registrare il
segnale PPS di posizione ma soprattutto di timing
necessario per la sincronizzazione con la altre unità;

DETTAGLIO DEI RICEVITORI E TRASMETTITORI INTERNI
Spaziatura elettrodi: 100 metri

DISPOSIZIONE ALTERNATIVA DEI RICEVITORI OTTIMIZZATA PER GRUPPI DI 3

ESEMPIO DI ARRAY DI MISURA COMPLETO CON SCHEMA TRASMETTITORI E RICEVITORI

ARRAY DI MISURA TIPO GRADIENT
Tx
Dipoli Tx
DUE DIVERSI ARRAY DI ACQUISIZIONE
ARRAY DI MISURA TIPO POLO-DIPOLO

Come avviene l’acquisizione?
• Predisposizione dei punti di energizzazione (Tx) e
collegamento in serie del trasmettitore alla scatola I Full
Waver;
• Disposizione degli elettrodi (Rx) nel sottosuolo secondo
una distribuzione lineare/griglia/maglia ecc.. in funzione
dell’obbiettivo dell’indagine;
• Collegamentoelettrodi alle scatole V Full Waver
• Accensione delle scatole di ricezione, controllo del
rumore, RS check, sincronizzazione col GPS ed avvio della
registrazione;
• Avvio delle iniezioni di corrente (generalmente con
finestra di 2 sec.).

Un sistema di trasmissione e controllo/registrazione della corrente
Trasmettitore da 10 KW – 3000 V – 20 A

Installazione degli elettrodi di potenziale (non polarizzabili)

Accensione delle unità di registrazione del segnale, controllo delle
resistenze di contatto, dei potenziali naturali ed avvio del GPS

Al termine dell’acquisizione i dati provenienti da ciascuna scatola
vengono scaricati su scheda di memoria e trasferiti su PC
Tutti i files acquisiti vengono successivamente importati e
risincronizzati tra loro mediante software dedicato; il risultato
finale è il seguente:
Eventi Tx
Serie temporale su un
canale MN

Qualità dei dati in contesti diversi – SITO MOLTO RUMOROSO
Singoli eventi di iniezione di corrente
Segnale SP: molto scadente
Fattore di qualità: molto
scarso
Qualità della curva IP: molto lontana
dal trend teorico
TX
RX

Qualità dei dati in contesti diversi
SITO SFAVOREVOLE (dettaglio su evento Tx singolo)
Segnale molto instabile a causa di rumore dovuto a cause
antropiche (comportamento non coerente)

Fattore qualità : molto buono
Qualità della curva IP: ottimo
andamento molto simile a quello
teorico)
Segnale SP: molto BUONO
Qualità dei dati in contesti diversi – SITO FAVOREVOLE

Ottimo segnale con impulsi di trasmissione Tx in perfetta fase col segnale Rx
Qualità dei dati in contesti diversi – SITO FAVOREVOLE
Deviazione standard per misure IP: 0.4 % (!) Totale dati acquisiti: 900 dati (V/I)
Totale dati di resistività invertiti: 900 Totale dati IP invertiti: 854 pari al 95% del totale (!)

Qualità dei dati in contesti diversi – Dettaglio su un singolo evento di trasmissione
Ottimo segnale con elevata stabilità quando il trasmettitore è spento

Segnale più forte per MN
parallelo ad AB
Channel 1 (AB and MN «in line»)
Channel 2 (AB and MN
«ortogonal»)

FULL WAVER - I dati acquisiti ordinati e pronti per l’elaborazione

RIEPILOGANDO:
 VERIFICARE LA STABILITÀ DEL SEGNALE V ALL’ATTO DELL’ACCENSIONE DELLE SCATOLE
(+/- 0.5 MV)  INDICE DELLA RUMOROSITÀ DEL SITO;
 SELEZIONARE UN FONDO SCALA ADEGUATO (5 O 15 V; 15 V CONSIGLIATO SOLO PER
DIPOLI CORTI);
 INIETTARE LA MASSIMA CORRENTE POSSIBILE;
 IN FASE DI PROGETTAZIONE DELLA CAMPAGNA DI MISURA, CONSIDERARE CHE I
DIPOLI DI POTENZIALE MN DISPOSTI PERPENDICOLARI AD AB HANNO UN SEGNALE
INFERIORE RISPETTO AD UNA DISPOSIZIONE PARALLELA;
 LE MISURE MIGLIORI SONO QUELLE CHE FORNISCONO VALORI DEL FATTORE DI
QUALITÀ PIÙ BASSI POSSIBILE;
 LA CURVA IP DEVE AVVICINARSI IL PIÙ POSSIBILE ALL’ANDAMENTO DI DECADIMENTO
TEORICO (DECAY);
 DURANTE L’INIEZIONE DI CORRENTE, I VALORI DI POTENZIALE DEVONO ESSERE I PIÙ
ALTI POSSIBILE RISPETTO ALL’SP;
 LO SPETTRO DEVE RISULTARE IL PIÙ STRETTO POSSIBILE.

SISTEMA MPT Multisource
Si tratta di una strumentazione per tomografia elettrica
costituita da unità remote (distribuite) ciascuna a due canali
(tre elettrodi) in grado di trasmettere corrente (Tx–AB) e
misurare il segnale (Rx-MN)  Transceiver
Gli aspetti innovativi sono essenzialmente tre:
1) Controllo acquisizione in modalità «wireless»
2) Possibilità di utilizzare trasmettitori multipli
3) Unità Transceiver
Antenna GPS
Antenna controllo

Le unità remote sono controllate simultaneamente ed in tempo
reale da centralina di gestione della misura (controller) che,
collegata al Laptop di campagna, consente di pilotare le misure
tomografiche anche a 2-3 km di distanza.
Comunicazione a 900 MHz.
ALIMENTAZIONE:
BATTERIA a 12 VDC integrata
(da 240 o 480 Wh) o esterna.

Ciascun box è in grado di gestire 2 canali simultanei di ricezione e un
trasmettitore interno da 375 watt alimentato da una batteria esterna da
12 V, è dotato di un modulo GPS interno per la localizzazione e la
sincronizzazione con gli altri sistemi di trasmissione/ricezione e contiene
una scheda di comunicazione wireless
Ogni box dunque è in grado di lavorare in maniera indipendente dagli
altri e ciò consente di collocare gli elettrodi in totale libertà sul terreno
senza i vincoli legati alla presenza di cavi multi-conduttore.

Dal punto di vista della misura quadripolare significa che, se stiamo lavorando a
due trasmettitori, per ciascun MN considerato si avranno due diverse
informazioni di corrente derivanti dai due diversi trasmettitori:
A1 B1 Mi Ni  I (A1 B1) V (Mi Ni)
A2 B2 Mi Ni  I (A2 B2) V (Mi Ni)
In fase di elaborazione dati si dovranno pertanto modellare le V e non le V/I.

Tx (AB)
Rx (MN)
A1
A2
B1
B2
M
N
Segnale GPS per posizionamento
Segnale Controller Tx-Rx
MULTI SOURCE – Due trasmettitori

Tx (AB)
Rx (MN)
A1
A2
A4
A3
B1
B2
B3
B4
M
N
Segnale GPS per posizionamento
Segnale Controller Tx-Rx
MULTI SOURCE – Quattro trasmettitori

La caratteristica più importante del sistema consiste nella possibilità di trasmettere
simultaneamente da più box: ciò consente al sistema di ottenere livelli di segnale,
profondità di investigazione e risoluzione spaziale molto elevati
Dettaglio della schermata di controllo della posizione gps dei box in
comunicazione via radio con il pc.

PERCHE’ IL SISTEMA VIENE CONSIDERATO WIRELESS?
PERCHE’:
1. LE UNITA’ DI TRASMISSIONE/RICEZIONE NON
SONO FISICAMENTE COLLEGATE TRA LORO
2. LE UNITA’ DI TRASMISSIONE/RICEZIONE SONO
PILOTATE DA CONTROLLER REMOTO VIA RADIO

ESEMPI APPLICATIVI FULL WAVER

CANINO (VT) – FULL WAVER
Postazione MT e ubicazione pozzo
«Pidocchio 1»
Posizione elettrodi di misura ERT
(Full Wave)
Polo remoto

Ricevitori IRIS Instruments V-Full Waver per misure ERT
Trasmettitore ad alta potenza IRIS
Instruments VIP 4000
Registratore di corrente Tx IRIS
Instruments I-Full Waver

1. Geometria pseudo-2D con elettrodi allineati lungo la
strada vicinale e spaziati di 50 metri e array di
acquisizione polo-dipolo per un totale di 428 misure
quadripolari. La lunghezza dello stendimento di circa
1500 metri consente una profondità di investigazione
dell'ordine dei 400 metri:
Acquisizione effettuata secondo due diverse configurazioni:
2. Acquisizione di tipo dipolo-dipolo
equatoriale con dipoli di ricezione di 2
ampiezze diverse, pari a 50 metri e 100
metri per un totale di 121 misure
quadripolari. La massima distanza tra
trasmettitore e ricevitore in questo caso
è dell'ordine dei 2000 metri con una
profondità di investigazione teorica
dell'ordine di 5,5-6 volte la larghezza del
dipolo più grande di ricezione, dunque
pari a 550-600 metri di profondità:
I dati così acquisiti sono stati integrati ed invertiti in un unico dataset

Piano +50 m slm
Piano 0.0 m slm
Porzione
conduttiva
Porzione
conduttiva
Porzioni resistive
Porzioni resistive
Mappe di resistività ERT dopo inversione – Piano campagna a circa 130 m slm
Piano -50 m slm
Piano - 75 m slm
Porzione conduttiva
Porzione conduttiva

Sezione verticale ERT vista da sud con sovrapposizione della curva MT

UBICAZIONE DEI BOX DI RICEZIONE (Cina)
ESEMPIO APPLICATIVO 1: FULL WAVER

SCHEMA DI ACQUISIZIONE DATI
• 15 unità V-FullWaver sul campo
• 45 elettrodi Rx totali
• 31 elettrodi Tx totali (30 AB iniezioni di corrente)

SCHEMA DI ACQUISIZIONE: TRASMETTITORI

• Deviazione standard della mediano per IP apparenti: 0.4% (!)
• 900 quadripoli acquisiti;
• 900 V/I dati invertiti, 854 dati IP Dati invertiti  95% delle misure IP OK.
QUALITA’ DEI DATI: MISURE DI ELEVATA QUALITA’

PARAMETRI DI PROCESSING
MESH:
Mesh 3D con topografia derivata dalla quota degli elettrodi
Dimensioni della mesh in x and y: 50 m
Dimensioni della mesh in z: 25 m
Profondità di investigazione: 800 m
MODELLI DI PARTENZA:
Resistività: 1000 ohm m
Caricabilità: 5 mV/V
NOISE (stimato dalle deviazioni standard):
Misure V/I : 1%
Misure IP : 1%

Porzione nord più conduttiva

VOLUME DI RESISTIVITA’
STRUTTURA con andamento NW-SE: interfaccia
tra resistività < e > di 700-750 ohm*m

VISTE IN PIANTA

SEZIONE VERTICALE DI CARICABILITA’

ACQUISIZIONE FULL WAVER SU PICCOLA SCALA CON ENERGIZZATORE A MEZZO SYCAL PRO ALIMENTATO DA BATTERIA ESTERNA

SCHEMA DI ACQUISIZIONE DEL SISTEMA DI RICEZIONE
COORDINATE DEL SISTEMA DI RICEZIONE

SCHEMA DI ACQUISIZIONE DEL SISTEMA DI RICEZIONE E TRASMISSIONE
COORDINATE DEI TRASMETTITORI

VISUALIZZAZIONE 3d DEI DATI ERT INVERTITI

VISUALIZZAZIONE 3D DEI DATI ERT INVERTITI

ESEMPI APPLICATIVI MULTI SOURCE

Il risultato finale dell’inversione consiste in un volume tridimensionale di resistività
elettrica (blocco 3D) delimitato lateralmente dalla posizione degli elettrodi di misura
per una profondità massima di esplorazione di circa 400 metri dal p.c.

n° 36 elettrodi di misura suddivisi in due gruppi da 18 elettrodi spaziati tra loro di
100 metri ciascuno e disposti lungo i due allineamenti definendo un’area di
1800x380 metri circa.
La posizione dei punti di misura unita alla modalità di acquisizione a 2 e 4
trasmettitori, ha consentito di ottenere una elevata profondità di esplorazione
(400 metri) ed una elevata risoluzione spaziale anche nella porzione di sottosuolo
compresa tra i due allineamenti principali.
In totale sono state effettuate circa 10.000 misure quadripolari secondo gli schemi
di acquisizione di seguito definiti (dipolo-dipolo a uno, due e quattro trasmettitori
simultanei)
MODALITA’ ESECUTIVE
Tutta l’acquisizione ha richiesto 1.5 giorni di lavoro

Misure dipolo-dipolo standard (1 dipolo di trasmissione e 1 dipolo
di ricezione per misura): tutte le possibili combinazioni di
trasmissione/ricezione con dipoli da 100 e 200 metri.
Misure dipolo-dipolo a 2 Trasmettitori (2 dipoli di trasmissione
simultanei e 1 dipolo di ricezione per misura): dipoli di
trasmissione su due profili diversi e tutte le possibili combinazioni
di trasmissione/ricezione con dipoli da 100 e 200 metri.
Misure dipolo-dipolo a 4 Trasmettitori (4 dipoli di trasmissione
simultanei e 1 dipolo di ricezione per misura): dipoli di
trasmissione su due profili diversi e tutte le possibili combinazioni
di trasmissione/ricezione con dipoli da 100 e 200 metri.
Sono stati acquisiti i seguenti array elettrodici:

Documentazione fotografica
La stazione di energizzazione MPT Multisource
Il contesto geomorfologico
Antenna di trasmissione/ricezione
Collegamento ai tre elettrodi
Alimentazione

Piano a +100 m s.l.m. Piano a +50 m s.l.m.
Argille azzurre
Argille azzurre
Argille azzurre
Argille azzurre
Porzioni più
resistive
Porzioni più
resistive
superficiali

Porzioni relativam. più
resistive (argille)
conduttive
Anomalie conduttive
resistive

Anomalia conduttiva
Copertura argillosa

Piano a +150 m slm
Porzioni
conduttive
(argille Azzurre)
Porzioni resistive
(gessi)
Porzioni resistive
(gessi EMOg)
Argille ed argille
sabbiose (RAQ)
Argille ed argille
sabbiose (PDN)
Lineamento
strutturale
Mappe geoelettriche (piano orizzontale) – Quota media bacino: circa 200 m slm

Piano a +50 m slm
Mappe geoelettriche (piano orizzontale) – Quota media bacino: circa 200 m slm
Substrato conduttivo

Sezioni geoelettriche
Substrato
conduttivo
Porzioni resistive (gessi EMOg)

Prima linea dei transceivers
Seconda linea dei transceivers

Rappresentazione 3D del volume investigato

Controller, antenna comunicazione e pc per l'acquisizione

MPT Multi Source – Transceiver in campo
MPT Multi Source – Controller acquisizione

IRIS FULL WAVER
VANTAGGI
UNITÀ RX INDIPENDENTI, LEGGERE ED AUTONOME
CAVI DA MOVIMENTARE DI DIAMETRO INFERIORE RISPETTO A QUELLI DA
TOMOGRAFIA
PIENA LIBERTÀ NEL POSIZIONAMENTO DEGLI ELETTRODI PER ACQUISIZIONI
2D E 3D
POSSIBILITÀ DI STUDIARE L'ANDAMENTO DEL PS NEL TEMPO
IDEALE PER MISURE DI CARICABILITÀ
CONSENTE DI INVESTIGARE AREE ESTESE IN POCO TEMPO
CIRCUITI TX ED RX INDIPENDENTI IN FASE DI ACQUISIZIONE
SVANTAGGI
CAPACITÀ DI REGISTRAZIONE DI 8 ORE A 100 HZ
NECESSITÀ DI GESTIRE UN CERTO NUMERO DI UNITÀ DA METTERE IN CARICA,
TRASPORTARE E DALLE QUALI SCARICARE ED ORDINARE TUTTI I DATI
SQUADRA IN CAMPO GENERALMENTE NUMEROSA
MAGGIOR NUMERO DI BOBINE DI CAVO DA MOVIMENTARE RISPETTO AI
SISTEMI TRADIZIONALI (MA PIÙ LEGGERE)
TRASMETTITORI AB DA SPOSTARE OGNI VOLTA (RICHIEDE OPERATORI)

MPT MULTISOURCE
VANTAGGI
UNITÀ RX INDIPENDENTI ED AUTONOME
CAVI DA MOVIMENTARE DI DIAMETRO INFERIORE RISPETTO A
QUELLI DA TOMOGRAFIA
PIENA LIBERTÀ NEL POSIZIONAMENTO DEGLI ELETTRODI PER
ACQUISIZIONI 2D E 3D
TUTTI GLI ELETTRODI POSSONO FUNZIONARE DA TX ED RX
OTTIMO RAPPORTO SEGNALE RUMORE ANCHE AD ELEVATA
PROFONDITÀ GRAZIE AI TRASMETTITORI MULTIPLI
CONSENTE DI INVESTIGARE AREE ESTESE IN POCO TEMPO
SVANTAGGI
IN PRESENZA DI TOPOGRAFIA ACCIDENTATA IL SEGNALE TRA
CONTROLLER E UNITÀ REMOTA PUÒ ESSERE PERSO
NECESSITÀ DI GESTIRE UN CERTO NUMERO DI UNITÀ DA
METTERE IN CARICA E TRASPORTARE
SQUADRA IN CAMPO GENERALMENTE NUMEROSA
MAGGIOR NUMERO DI BOBINE DI CAVO DA MOVIMENTARE
RISPETTO AI SISTEMI TRADIZIONALI (MA PIÙ LEGGERE)

GRAZIE PER L’ATTENZIONE

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