Innovative solutions for carry out geophysical surveys of coastal lagoons are presented

Gasperini, Luca

Masini, Luca

Matteucci, Gabriele

PUblication MAnagement

laguna 77
supplemento n. 5/99
Soluzioni tecnologiche
innovative per la
prospezione geofisica in
ambiente lagunare
Luca Gasperini, Luca Masini e Gabriele Matteucci
Istituto di Geologia Marina  CNR, Bologna
NellÕambito del progetto ÒRisa-namento degli ambienti vallivi
Fattibello-SpavolaÓ sono stati ese-
guiti rilievi morfobatimetrici e si-
smici che hanno consentito di com-
pilare una mappa batimetrica di det-
taglio delle due valli e di ottenere al-
cune sezioni sismiche (immagini
acustiche) della copertura sedimen-
taria pi superficiale di valle Fatti-
bello (Gasperini et al., stesso volu-
me). LÕacquisizione di questi dati, in
un ambiente caratterizzato da
profondit estremamente ridotte, ha
richiesto lo studio di soluzioni tec-
nologiche originali, ovvero la realiz-
zazione di strumenti di prospezione
e la messa a punto di tecniche di in-
dagine dedicate a questo tipo di am-
biente. 
METODI E RISULTATI
Morfobatimetria.
La realizzazione di una mappa bati-
metrica di dettaglio di valle Fattibel-
lo ha presentato, fin dalle prime fasi
numerosi  problemi, con i quali nes-
suno di noi aveva mai avuto lÕoppor-
tunit di confrontarsi:
- la profondit media aspettata era
nellÕordine del metro, e non doveva
superare i tre metri nei canali subla-
gunari;
- lÕescursione causata dalla marea
poteva essere dello stesso ordine di
grandezza della profondit media;
- la valle si presentava navigabile
solo utilizzando imbarcazioni molto
piccole e per periodi di tempo limi-
tati nellÕarco della giornata.
Il primo problema si  rivelato il pi
difficile da risolvere, perch gli eco-
scandagli convenzionali non sono
progettati per scendere al di sotto del
metro di profondit; questo limite in
genere  largamente sufficiente, ma
nel nostro caso avrebbe escluso gran
parte della valle. Tutto ci deriva dal
principio di funzionamento e dal
modo con il quale sono costruiti gli
ecoscandagli. La determinazione
della profondit in questi strumenti
 basata su una misura del tempo di
propagazione di un segnale acustico
allÕinterno della colonna dÕacqua. Il
segnale, generato da un trasduttore
piezoelettrico, si propaga nellÕac-
qua,  riflesso dal fondo, e ritorna al-
lo strumento di misura dove viene
rilevato da un trasduttore ricevente.
Essendo a conoscenza della velocit
di propagazione del segnale nel
mezzo, che  possibile stimare con
una certa accuratezza, si pu risalire
alla profondit con un semplice pro-
dotto velocit x tempo. Una volta
impostato il valore di velocit que-
sta operazione  svolta automatica-
mente allÕinterno dello strumento,
che restituisce in uscita il dato cor-
retto di profondit. A causa del fatto
che occorre un certo tempo, piccolo,
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An
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ni
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da riferirle ad un unico livello. Il te-
st finale sulla qualit dei dati  stato
fatto comparando coppie di misure
allÕincrocio tra le varie linee del ri-
lievo dopo avere applicato tutte le
correzioni. I risultati di questa veri-
fica sono riportati in figura 4.
Il posizionamento delle line  stato
ottenuto per mezzo di un sistema
GPS, dotato di correzione differen-
ziale satellitare on-line. Il ricevitore
GPS  stato collegato al sistema di
acquisizione batimetrico, permet-
tendo di ottenere per ciascun punto
di misura la posizione sullÕellissoide
di riferimento con un errore  inferio-
re al metro.
Sismica a riflessione
La prospezione sismica a riflessione
consente di ottenere Òimmagini acu-
sticheÓ del substrato. Questo tipo di
indagine consiste nel generare im-
pulsi acustici e registrare per mezzo
di opportuni trasduttori le riflessioni
causate da superfici di Òdisconti-
nuitÓ allÕinterno del substrato. In
questo caso per discontinuit si in-
tende il contatto tra due rocce che
mostrano diversi valori di un para-
metro particolare, lÕimpedenza acu-
stica, data dal prodotto tra densit e
velocit di propagazione dellÕonda
sismica nel mezzo in esame. LÕim-
pedenza acustica   un parametro ti-
pico di ciascun litotipo. In generale,
ad una qualsiasi interfaccia tra due
mezzi  a diversa impedenza acustica
avremo tre tipi di onde sismiche:
una incidente,  una riflessa e una ri-
fratta o  trasmessa. Le quantit rela-
tive di energia riflessa e  trasmessa,
oltre che  dalle impedenze dei due
mezzi, dipendono  dallÕangolo con il
quale il raggio sismico incide la su-
perficie di separazione.  Nella sismi-
ca a riflessione la sorgente e il rice-
vitore sono in teoria nello stesso
punto, quindi interessano solo le ri-
flessioni perpendicolari alle superfi-
ci di discontinuit. 
La quantit di energia riflessa ad una
qualsiasi interfaccia tra due mezzi
diversi,  dipende dal Òcoefficiente di
riflettivitÓ (R):
R=(Z2-Z1) / (Z2+Z1)
dove  Z1 e Z2 sono le impedenze
acustiche rispettivamente del mezzo
superiore e inferiore. 
La sismica a riflessione trae  vantag-
gio dal fatto che le varie unit litolo-
giche che formano il substrato pre-
sentano valori molto diversi di velo-
cit delle onde sismiche.
Un profilo sismico a riflessione si
ottiene in pratica registrando il se-
gnale in arrivo ad un trasduttore ri-
cevente (idrofono) nel tempo impie-
gato dal segnale a viaggiare dalla su-
perficie dellÕacqua fino al fondo e
oltre, in punti differenti lungo il per-
corso dellÕimbarcazione.
Il tempo misurato per ciascuna ri-
flessione,  pu essere convertito in
Figura 2: Un esempio di profilo ecografico registrato durante la nostra campagna di
misure. La traccia rossa indica il livello di profondit stimato dallÕecoscandaglio. Si
pu notare come nel caso di una penetrazione significativa del segnale, si abbia un no-
tevole errore nella rilevazione automatica del fondo, il cui andamento reale  evidente
dal profilo. Abbiamo utilizzato profili come questo per correggere i dati batimetrici per
questo effetto. 
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ma non infinitesimo per generare
lÕimpulso sorgente, ovvero il segna-
le che immettiamo nel mezzo per
determinare la profondit, la lun-
ghezza di questo impulso costituir
il limite inferiore di misura. Se im-
maginiamo ad esempio di generare
un impulso della durata di 1 msec.,
considerando una velocit di propa-
gazione di 1.500 m/s (valore tipico
nellÕacqua), il nostro limite inferiore
risulter 1,5 m. Per avere una gam-
ma accettabile di misura senza com-
plicare troppo lÕarchitettura di que-
sti dispositivi, i costruttori tendono a
mantenere lÕimpulso sorgente il pi
lungo possibile, poich a una mag-
giore lunghezza dellÕimpulso corri-
sponde una maggiore energia im-
messa nel mezzo e quindi la possibi-
lit di misurare profondit maggiori.
Un altro problema era legato alla
combinazione tra bassa profondit e
relativa ÒsofficitÓ dei sedimenti
che ci aspettavamo di trovare in val-
le, e consisteva nella possibile pene-
trazione allÕinterno del substrato di
una parte dellÕenergia acustica ge-
nerata dallÕecoscandaglio. Tale ef-
fetto poteva teoricamente tradursi in
errori consistenti nella misura di
profondit in quanto lo strumento
avrebbe rilevato, al posto del fondo,
un orizzonte pi profondo, eventual-
mente caratterizzato da maggiore
consolidamento, ovvero, in altri ter-
mini, una maggiore discontinuit di
impedenza acustica (vedi oltre).
Questo effetto che normalmente ha
un incidenza trascurabile, in una co-
lonna dÕacqua cos ridotta avrebbe
finito per non esserlo affatto.
Una volta stabilito che un normale
sistema di acquisizione batimetrica
non era adatto, abbiamo per prima
cosa ricercato sul mercato uno stru-
mento che presentasse un impulso
sorgente molto stretto. I risultati di
questa ricerca hanno portato alla
scelta del modello PSA-900 della
DATASONICS che oltre ad utilizza-
re  una lunghezza molto ridotta di
impulso sorgente e una frequenza
elevata del segnale (fatto che di per
s limita la penetrazione in profon-
dit del segnale),  dotato di un solo
trasduttore che funziona alternativa-
mente da generatore e rilevatore del
segnale. Abbiamo inoltre chiesto al-
la casa costruttrice, tramite la so-
ciet italiana di distribuzione (la
Communication Technology di Ce-
sena), di modificare lÕecoscandaglio
in modo tale da prelevare diretta-
mente il segnale dal trasduttore.
A questo punto abbiamo realizzato
un campionatore digitale, collegato
a un computer portatile (fig. 1) che
ci ha permesso di memorizzare inte-
gralmente, punto per punto, il se-
gnale ecografico in parallelo al dato
numerico di profondit (Masini e
Gasperini, 1998). In questo modo
abbiamo potuto verificare lÕattendi-
bilit della misura fornita automati-
camente dallo strumento ed effet-
tuare in fase di elaborazione le even-
tuali correzioni. In figura 2  riporta-
ta a titolo di esempio una registra-
zione ecografica digitale ottenuta
durante la nostra campagna di misu-
re; si pu notare come per una
profondit cosi limitata la mancata
rilevazione del fondo a favore di un
riflettore pi profondo  possa costi-
tuire un errore significativo.
Un altro motivo per cui abbiamo de-
ciso di campionare il segnale riguar-
da la stima del coefficiente di riflet-
tivit del fondale. Esistono infatti
numerose indicazioni secondo le
quali  possibile mettere in relazione
questÕultimo a specifiche caratteri-
stiche dei sedimenti (Hamilton,
1970; Akal, 1972). Dato che lo stu-
dio di valle Fattibello prevedeva il
prelievo e lÕanalisi di campioni del
fondo, un ulteriore obiettivo sar ve-
rificare la possibilit di estendere
informazioni puntuali di alcune pro-
priet dei sedimenti allÕintera area
investigata.
Il problema dellÕescursione di ma-
rea  stato risolto installando una po-
stazione fissa di registrazione (ma-
reografo) in valle, circa un mese pri-
ma e durante la realizzazione del ri-
lievo. Abbiamo potuto cos disporre
prima del rilievo morfobatimetrico
di una registrazione dellÕescursione
di marea (fig. 3) che ci ha permesso
di pianificare i giorni e le ore di la-
voro in funzione della navigabilit
della laguna.
Il motivo principale per cui sono sta-
ti acquisiti i dati di marea,  stato
per correggerne lÕeffetto nelle regi-
strazioni batimetriche, in modo tale
Figura 1: Schema  del sistema di acquisizione dei dati batimetrici utilizzato nel rilievo
del comprensorio lagunare  Fattibello-Spavola.
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vantaggi rispetto a quella tradizio-
nale:
- aumento del rapporto segnale/ru-
more ottenuto con una potenza di
picco minore generata;
- incremento della risoluzione verti-
cale ottimizzando la banda di emis-
sione;
- rimozione dellÕ Òeffetto bollaÓ al
trasduttore;
- rimozione o forte attenuazione del-
le multiple di corto e lungo periodo.
Per questo rilievo  stato utilizzato
un sistema CHIRP-II della DataSo-
nics con i seguenti parametri di regi-
strazione:
- intervallo di scoppio: 250 msec.
- lunghezza della registrazione: 250
msec.
- passo di campionamento del se-
gnale: 18 kHz
- profondit della sorgente: 20 cm
circa.
Data la scarsa profondit dÕacqua ri-
scontrata costantemente nel corso
del rilievo sono stati utilizzati parti-
colari accorgimenti nelle geometrie
dei dispositivi. Per esempio, sono
state utilizzate due imbarcazioni,
una per il traino, lÕaltra per lÕacquisi-
zione vera e propria, distanti fra loro
qualche decina di metri. SullÕimbar-
cazione trainata erano collocati tutti
gli strumenti di acquisizione sismica
BIBLIOGRAFIA
AKAL T., 1972.; The relationship
between the phisical properties of un-
derwater sediments that affect bottom
reflection. Marine Geology, 13: 251-
266.
GASPERINI L., MATTEUCCI G. , MOLARI
M. e FRASARI F., Cenni evolutivi e carat-
teristiche morfologiche della Valle Fatti-
bello. stesso volume 
HAMILTON E.L., Reflection coefficents
and bottom losses at normal incidence
computed from Pacific sediment proper-
ties. Geophysics, 35, 6: 183-194
MASINI L. e GASPERINI L., Uno strumen-
to portatile per il campionamento del se-
gnale generato da ecoscandagli di preci-
sione Rapporto Tecnico N.47. Istituto di
Geologia Marina, CNR, Bologna. 
e navigazione. Questa soluzione ha
consentito una manovra pi agile e
una migliore immunit al rumore
nelle registrazioni, dato che il tra-
sduttore sismico si veniva a trovare
sempre a notevole distanza dal mo-
tore della barca trainante. Inoltre, al-
lo scopo di consentire una bassa ve-
locit durante il rilievo senza pre-
giudicare lÕassetto di navigazione
del trasduttore, a questÕultimo sono
stati applicati una serie di galleg-
gianti, in modo tale da ottenere una
distanza costante dal fondale senza
introdurre turbolenze significative
che avrebbero potuto pregiudicare il
rapporto segnale/rumore in acquisi-
zione. In figura 5  mostrato un
esempio di profilo sismico registra-
to in valle Fattibello.
CONCLUSIONI
Con lÕesecuzione di questo rilievo
abbiamo cercato di  fornire un con-
tributo allo studio dei processi sedi-
mentari in atto nella valle Fattibello
e una piccola ma significativa fine-
stra sulla loro evoluzione geologica
recente. I dati sono stati solo parzial-
mente elaborati, e sar necessario
approfondire le correlazioni fra le
evidenze geofisiche e le analisi fatte
sui campioni di sedimento. DallÕe-
secuzione del rilievo sono parsi evi-
denti molti margini di miglioramen-
to, soprattutto per quanto riguarda i
tempi di realizzazione che possono
essere molto limitati alla luce delle
esperienze acquisite. I risultati preli-
minari suggeriscono  che una sem-
pre pi stretta integrazione tra le me-
todiche classiche di studio dei baci-
ni lagunari (biologiche, ecologiche,
geochimiche) e le tecniche di pro-
spezione geofisica ad alta risoluzio-
ne non solo sia auspicabile, ma co-
stituisca un passo fondamentale
verso una migliore comprensione di
questi ambienti complessi.             n
Figura 5: Esempio di sezione sismica acquisita in valle Fattibello.
supplemento n. 5/99
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ÒprofonditÓ analogamente a quanto
abbiamo descritto nel caso dellÕeco-
scandaglio, se si  a conoscenza del-
la velocit di propagazione dellÕon-
da sismica negli orizzonti rocciosi
attraversati.  Esistono per una serie
di limitazioni pratiche che debbono
essere considerate interpretando
questi dati:
- il segnale ricevuto in superficie da
riflettori profondi  difficile da rile-
vare perch caratterizzato in genera-
le da ampiezza molto piccola,  non
facilmente discriminabile dal rumo-
re di fondo;
- lÕattraversamento del substrato  in-
troduce attenuazioni differenziali
sul segnale, in misura maggiore per
componenti a frequenza pi elevata,
il che limita progressivamente la ri-
soluzione verticale allÕaumentare
della profondit;
- il segnale pu essere riflesso pi
volte da discontinuit ad impedenza
acustica diversa, introducendo nella
registrazione un rumore coerente
conosciuto come Òriflessione multi-
plaÓ che nasconde i livelli pi
profondi. Questo effetto  maggiore
al diminuire della profondit della
colonna dÕacqua, quindi estrema-
mente rilevante nella nostra area di
studio.
In fase di progetto abbiamo valutato
che il rilievo in valle Fattibello ri-
chiedesse una risoluzione verticale
non inferiore a qualche cm. LÕunico
strumento in grado di garantire que-
ste prestazioni  il Sub-bottom Pro-
filer (SBP) che pu essere conside-
rato un termine intermedio fra un
ecoscandaglio e un sistema di pro-
spezione sismica vero e proprio. Un
SBP consente di effettuare sezioni
sismiche del substrato di grande det-
taglio,  anche se con limitatissima
penetrazione. 
Il sistema  composto da due tra-
sduttori piezoelettrici,  uno riceven-
te e uno trasmittente,  generalmente
montati in posizione fissa sotto la
chiglia dellÕimbarcazione, oppure
collocati su ÒveicoliÓ al traino. La
frequenza di emissione degli impul-
generare impulsi calibrati, modulati
in frequenza, che consentono risolu-
zioni elevatissime (6-8 cm). Il se-
gnale, generato da trasduttori simili
a quelli usati nei SBP tradizionali, 
campionato da convertitori Analogi-
co-Digitali molto veloci,  ed elabo-
rato on-line da DSP (Digital Signal
Processors) dedicati.
Questa tecnologia ha una serie di
si acustici  nellÕordine delle mi-
gliaia di Hz  (tipicamente da 3 a 7
kHz); la penetrazione  varia entro
una campo che va approssimativa-
mente da pochi metri alle decine di
metri, in dipendenza del tipo di sub-
strato.
LÕultima generazione dei SBP si av-
vale di una tecnologia particolare
detta ÒChirpÓ. Questa consiste nel
Figura 3: Escursione di marea registrata in valle Fattibello nel periodo
26 aprile-18 maggio.
Figura 4: Controllo di qualit eseguito sui dati prima di realizzare la griglia batime-
trica; per ciascun incrocio tra due profili  stato calcolato lo scarto;  lÕerrore in oltre il
75% delle misure  circoscritto a +/- 20 cm. 


SOLUZIONI TECNOLOGICHE INNOVATIVE PER LA PROSPEZIONE GEOFISICA IN AMBIENTE LAGUNARE

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SOLUZIONI TECNOLOGICHE INNOVATIVE PER LA PROSPEZIONE GEOFISICA IN AMBIENTE LAGUNARE

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