Elementi di sismologia

Le perturbazioni elastiche che si propagano attraverso la Terra vengono dette onde sismiche. Esistono due tipi di onde sismiche che differiscono per la natura dello spostamento provocato e per velocità di propagazione:

• onde di volume
  • onde longitudinali (o di compressione) (P)
  • onde trasversali (o di taglio) (S)
• onde superficiali
  • • • onde di Rayleigh (R)
      • onde di Love (L)

Onde sismicheOnde sismiche longitudinali (P)

Sono le più veloci e si propagano con velocità

v_P = [(k + 4 μ /3)/ ρ]^½

dove k = ΔP/ΔV (coefficiente di compressibilità),
μ è la rigidezza e ρ la densità media del mezzo attraversato, e comportano uno spostamento parallelo alla direzione di propagazione. Un elemento di volume investito da tali onde subisce una serie di successive compressioni e rarefazioni conservando la propria forma. Questo tipo di onde si comportano come le onde sonore.

Vengono chiamate anche onde P, ossia onde prime (lat. undae primae) poiché vengono registrate per prime dagli strumenti.

Onde sismiche trasversali o di taglio (S)

Si propagano con velocità

v_S = (μ / ρ)^½

e comportano spostamenti perpendicolari alla direzione di propagazione. Un volume investito da questo tipo di onda subisce una serie di distorsioni conservando inalterata la propria estensione. Questo tipo di onde non possono trasmettersi all’interno di mezzi fluidi, infatti se μ = 0 risulta anche v_S = 0.

Vengono chiamate anche onde S, ossia onde seconde (lat. undae secundae) poichè arrivano allo strumento di registrazione subito dopo le onde P.

Le onde P ed S nel loro complesso vengono dette onde di massa o onde di volume in quanto possono trasmettersi in qualsiasi punto di un mezzo materiale, indipendentemente dalle sue caratteristiche geometriche.

Una semplice relazione che lega onde P ad onde S è anche:

v_{P = 3^1/2·} v_S

Onde superficiali

Esiste poi una seconda categoria di onde sismiche, dette superficiali, costituita dalle:

• onde di Rayleigh
• onde di Love

la cui ampiezza va decrescendo con la profondità.

Le onde di Rayleigh (R)

Si propagano con v_R = 0,92 v_S ma solo in prossimità di una superficie attraverso la quale si verifica una discontinuità delle caratteristiche elastiche del mezzo.  Le particelle investite da un’onda R si muovono su traiettorie aventi a forma di ellissi giacenti nel piano perpendicolare alla superficie di discontinuità e contenente la direzione di propagazione.

Le onde di Love (L)

Possono propagarsi solo in mezzi limitati da due superfici di discontinuità delle caratteristiche meccaniche, con una v_L intermedia tra quelle delle onde S nei due mezzi che limitano lo strato di propagazione. Le particelle investite da onde L subiscono vibrazioni in direzione parallela alla superficie di discontinuità e perpendicolare alla
direzione di propagazione.

Rilevazione delle onde sismiche

Il sismografo è lo strumento utilizzato per misurare la velocità delle onde di propagazione nei terreni. La sequenza di registrazione durante un sisma prevede la rilevazione delle onde P, ossia quelle che arrivano per prime, poi le onde S e successivamente le onde L e quindi quelle R.

Determinazione della struttura interna della Terra

Lo studio in termini geometrici della propagazione delle onde all’interno della Terra ha permesso di conoscerne la struttura. La maggior parte di quanto oggi è noto sulla struttura interna della Terra deriva infatti dall’analisi delle dromocrone dei diversi tipi di onde sismiche ovvero nel riconoscimento nelle registrazioni del moto del suolo a diverse distanze dalla sorgente dei treni d’onda (detti fasi) che hanno percorso traiettorie analoghe, subendo riflessioni e rifrazioni sulle stesse superficie di discontinuità.

La velocità delle onde longitudinali nelle rocce è estremamente variabile a causa di diversi fattori come natura litologica, grado di alterazione, deformazione o fratturazione, porosità e umidità, età geologica.

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Indagini basate sulla sismica a rifrazione

Principi generali

Quando un’onda sismica incontra una superficie di separazione tra due mezzi isotropi con caratteristiche elastiche diverse e densità diverse (es ρ₁, ρ₂) una parte dell’energia si riflette nello stesso mezzo in cui si propaga l’onda incidente ed una parte si rifrange nell’altro secondo la legge di Snell:

Si possono avere due metodi di prospezione sismica a seconda che si utilizzino le onde rifratte o le onde riflesse.

Applicazione dei metodi di prospezione sismica

Il campo di utilizzo di questi metodi comprende:

• classificazione del terreno di fondazione
• studi di carattere idrogeologico (es ricerca di falde idriche)
• localizzazione di aree carsiche sepolte
• determinazione del substrato in zone di riempimento alluvionale, detritico e di riporto
• definizione delle coperture di alterazione e delle zone fratturate in un bedrock
• studi geotecnici sulle strutture
• studi geomorfologici per l’individuazione ed il controllo della stabilità dei versanti
• valutazione dei corpi di frana
• studi per la pianificazione del territorio per la microzonazione sismica
• modellazione bidimensionale del sottosuolo

Mezzi di indagine

Le indagini vengono effettuate con una serie di geofoni piazzati ad intervalli regolari lungo l’area di prospezione.  Con delle cariche esplosive viene provocata un’esplosione che genera la formazione di onde elastiche attraverso il terreno. Un sismografo collegato alla rete di geofoni, registra il segnale e la risposta dal momento in cui avviene l’esplosione. I geofoni posti a breve distanza dalla zona di scoppio registrano le onde riflesse, quelli più distanti le onde rifratte. Si ottiene così una curva di propagazione (o dromocrona) che mette in relazione la distanza dal punto di emissione con i tempi di propagazione delle onde sismiche.

Interpretazione delle indagini

I metodi di interpretazione possono essere classificati in:

• metodi dei tempi di intercetto (ITM – Intercept Time Method)
• metodo dei tempi di ritardo o reciproci (DTM – Delay Time Method)
• metodo di tracciamento dei raggi sismici (RTM – Ray Tracing Method)

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Economia delle prospezioni geofisiche

Le prospezioni geofisiche forniscono informazioni dettagliate riguardo alle caratteristiche meccanico-elastiche dei terreni lungo il profilo sismico consentendo di valutare alcune caratteristiche fondamentali per il calcolo dell risposta sismica di un sito a costi contenuti.

I limiti di questi metodi sono legati sia alla profondità di investigazione ed allo spessore degli strati, sia al “rumore” antropico che porta ad errori e risultati poco affidabili. Queste analisi inoltre non rilevano fratture singole o di modeste dimensioni.

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