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SISMICA A
RIFRAZIONE

La sismica a rifrazione è un metodo geofisico basato sull’analisi dei tempi di arrivo delle onde sismiche generate artificialmente e rifratte alle interfacce tra strati del sottosuolo caratterizzati da differenti velocità di propagazione.
Vengono analizzate principalmente le onde di compressione (onde P) e, ove possibile, le onde di taglio (onde S).
L’energia sismica, prodotta da una sorgente in superficie, si propaga:
  • all’interno dello strato più superficiale (arrivi diretti)
  • in profondità lungo livelli a velocità più elevata, generando onde rifratte che riemergono in superficie a distanze maggiori
La registrazione dei segnali avviene tramite uno stendimento lineare di sensori sismici (geofoni).
Ripetendo l’eccitazione in diverse posizioni lungo il profilo di indagine è possibile ricostruire la geometria e le caratteristiche di velocità degli strati rifrattori, consentendo l’individuazione della geometria del substrato (bedrock).
I valori di velocità Vp e Vs ottenuti dal modello sismo‑stratigrafico consentono inoltre la stima dei principali parametri elastici dei materiali investigati, fornendo informazioni utili alla caratterizzazione geotecnica e geomeccanica del sottosuolo.
Sismografo Gea24

Tomografia sismica a rifrazione

La tomografia sismica a rifrazione utilizza i tempi di arrivo delle onde sismiche (first arrivals) registrate lungo un profilo per ricostruire un modello di velocità del sottosuolo tramite inversione dei tempi di percorrenza (travel‑time inversion).
A differenza della rifrazione convenzionale, l’elaborazione tomografica consente di descrivere in modo più efficace le variazioni laterali delle proprietà del terreno, fornendo sezioni di velocità in 2D e, quando applicabile, estensioni in 3D.

Quando si usa

La tomografia a rifrazione è indicata quando è necessario:
  • ricostruire la geometria del bedrock o di un substrato rigido in presenza di variazioni laterali significative
  • individuare zone fratturate, alterate o a bassa velocità
  • analizzare contatti litologici complessi non rappresentabili con modelli 1D
  • migliorare l’interpretazione della rifrazione classica in contesti non idealmente stratificati
  • supportare studi geologici e geotecnici in fase preliminare o definitiva
  • calcolare i parametri elastici del terreno tramite misure Vp e Vs
In molti progetti la tomografia a rifrazione viene integrata con altre metodologie (MASW, HVSR) per ottenere una caratterizzazione più completa.

Perché tomografia
e non rifrazione standard

La rifrazione convenzionale è spesso basata su modelli semplificati e su ipotesi di stratificazione regolare.
La tomografia a rifrazione, tramite inversione dei tempi di arrivo, permette di ottenere un modello di velocità più continuo e aderente alle condizioni reali, in particolare quando:
  • il sottosuolo presenta eterogeneità laterali
  • le interfacce non sono piane
  • la geometria dei contatti è complessa
Stendimento Land Streamer

Cosa produce

Una campagna di tomografia a rifrazione produce:
  • sezione 2D di velocità delle onde P (Vp) e, quando applicabile, informazioni sulle onde S (Vs)
  • mappe o profili di iso‑velocità
  • interpretazioni delle principali variazioni laterali coerenti con le evidenze geologiche disponibili
  • report tecnico contenente:
    1. geometria di acquisizione e parametri principali (numero canali, spaziatura, lunghezza profilo)
    2. tipologia di sorgente
    3. modalità di trigger
    4. criteri di controllo qualità (QC) del picking dei first arrivals

CONTESTI APPLICATIVI

- studi di fondazione per opere civili e infrastrutture

- valutazioni preliminari e caratterizzazione del sottosuolo in aree urbanizzate

- contesti estrattivi (cave e miniere)
- siti ambientali (aree di riempimento, discariche, siti contaminati)
- opere idrauliche e verifiche di continuità del substrato

Strumentazione necessaria

La configurazione tipica comprende:
  • sismografo multicanale
  • geofoni (verticali e/o orizzontali, frequenza in funzione dell’obiettivo)
  • sorgente sismica (massa battente, energizzatore, martello o sistemi equivalenti, in funzione della profondità d’indagine)
  • sistemi di trigger (anche radio) 
  • cavi e accessori per lo stendimento e la connessione dei sensori
Geofono orizzontale 4,5 Hz
Cavo sismico 24 canali
Piattello di battura onde orizzontali

Esempi di configurazione operativa

Per le indagini di sismica a rifrazione, la configurazione strumentale può variare in funzione del numero di canali, della profondità di indagine e degli obiettivi del rilievo.
Di seguito sono riportati alcuni esempi di configurazione operativa, rappresentativi delle soluzioni più comuni:
  • configurazione a 24 canali, adatta a rilievi standard e indagini di media profondità
  • configurazione a 48 canali con cavi da 12 canali, indicata per estensioni maggiori e maggiore risoluzione lungo il profilo
  • configurazione a 48 canali con cavi da 24 canali, utilizzata per acquisizioni più estese e layout ottimizzati
Ogni configurazione comprende sismografo, geofoni, sorgente sismica, sistemi di trigger e accessori di stendimento.
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Software di interpretazione

L’elaborazione tomografica richiede software dedicati per il picking dei first arrivals e l’inversione dei tempi di percorrenza (travel-time inversion).
ZONDST2D
Interpretazione tomografica 2D di dati su onde rifratte e, quando previsto, anche riflesse.
RAYFRACT
Inversione tomografica dei tempi di arrivo e generazione di modelli di velocità con strumenti di controllo qualità.
INTERSISM
Gestione e interpretazione dei dati sismici, analisi dei tempi di arrivo e supporto alle fasi di interpretazione per scopi didattici o applicazioni semplici.

Limiti e assunzioni

Come ogni metodologia, la tomografia a rifrazione presenta limiti legati a condizioni di sito e geometria di acquisizione. In particolare:
  • la qualità del risultato dipende dalla copertura (numero di canali, spaziatura e geometria dello stendimento) e dalla capacità di registrare first arrivals affidabili
  • energizzazione insufficiente può limitare la profondità investigabile
  • rumore ambientale e scarso accoppiamento dei geofoni possono ridurre la qualità del segnale
  • contesti stratigrafici con inversioni di velocità possono limitare la risoluzione del modello tomografico e richiedere integrazione con altre metodologie

Risorse e riferimenti

Standard
Letteratura scientifica
Articoli con utilizzo di strumentazione PASI
Manuali software

Terminologia tecnica

  • Vp (velocità onde P)
  • Vs (velocità onde S)
  • first arrivals / first breaks
  • travel‑time inversion
  • modello di velocità
  • ray tracing / equazione eikonale
  • regolarizzazione / smoothing