La geofisica è una scienza che applica i principi della fisica allo studio della Terra. La geofisica di esplorazione e la geofisica applicata utilizzano metodi quantitativi per indagare l’interno della Terra e le sue proprietà fisiche. Le misure eseguite in superficie possono rivelare come le proprietà fisiche dell’interno della Terra variano nello spazio (e possibilmente anche nel tempo). Trattando tutti gli aspetti della fisica della Terra, la geofisica è un pilastro fondamentale per supportare i bisogni della società civile. Le attività di ricerca svolte nel Laboratorio di Geofisica di Esplorazione ed Applicata dell’IGG sono incentrate sull’esplorazione delle georisorse, principalmente (ma non solo) delle risorse geotermiche e idrogeologiche. I ricercatori del laboratorio sono attivi sin dal 1990 nell’esplorazione delle aree tettonicamente complesse per studi crostali, tettonici, vulcanologici e geotermici. Il laboratorio dispone delle competenze per eseguire misure geoelettriche ed elettromagnetiche sfruttando delle strumentazioni geofisiche all’avanguardia recentemente acquistate. Il laboratorio dispone inoltre dei più aggiornati strumenti per l’elaborazione, l’analisi e l’inversione di dati geofisici.

I ricercatori del laboratorio conducono ricerche per lo sviluppo di algoritmi probabilistici basati sull’intelligenza computazionale per la soluzione del problema geofisico inverso, anche congiunto e/o vincolato da informazioni esterne geologiche. La ricerca, svolta nel laboratorio, è anche focalizzata sull’integrazione 3D di differenti sorgenti di dati (pozzo, geologici, geofisici) per dipanare la complessità dei sistemi di sottosuolo.

STRUMENTAZIONE

Il laboratorio di Geofisica di Esplorazione ed Applicata è stato recentemente rinnovato con l’acquisto di nuove strumentazioni. Il Laboratorio dispone di strumenti che rappresentano lo stato dell’arte delle tecnologie per la misura di dati geoelettrici e magnetotellurici:

Strumentazione magnetotellurica (MT) a banda larga (0.0001 Hz – 1000 Hz):

Sistema Zonge. Sistema ricevente a 32bit ad alta risoluzione, multicanale per la registrazione delle due componenti del campo elettrico (Ex, Ey) e delle tre componenti del campo magnetico (Hx, Hy, Hz). I dati MT a banda larga e nello spettro audio (AMT) possono essere acquisiti per lo studio della resistività del sottosuolo.

Componentistica:

  • 3 ricevitori ZEN HighRes a banda larga (0.0001 Hz a 1000 Hz). Il ricevitore può acquisire 6 canali sincronizzati con differenti frequenze di campionamento da 256 Hz a 4096 Hz. Ogni canale ha uno spazio di archiviazione di 8 GB, permettendo la registrazione continua per vari giorni.
  • 8 magnetometri ANT/4 prodotti dalla ZONGE.
  • Serie di elettrodi non polarizzabili di vario tipo: Pb-PbCl (Wolf) e Ag/AgCl (Stelth)
  • Miscellanea di accessori

Strumentazione per misure di tomografia di resistività elettrica (ERT), potenziale spontaneo (SP) e polarizzazione indotta (IP):

Sistema ABEM. Sistema “stand-alone”, multicanale per la trasmissione di corrente elettrica e l’accurata misura del potenziale elettrico misure di polarizzazione indotta e resistività:

Componentistica:

  • 1 Terrameter LS 2, 10 canali (fino a 12), 48 elettrodi (fino a 81). Massimo tensione elettrica in output 600 V, massima intensità di corrente in output 2500 mA, massima potenza in output 250 W.
  • 2 cavi multipolari con 24 takeouts e 10 m di spaziatura inter-elettrodica (480 m di lunghezza totale)
  • Set of elettrodi in acciaio

Il laboratorio dispone anche strumentazioni molto vecchie, alcune delle quali conservate nell’angolo storico del laboratorio (ad esempio il sistema MT Phoenix V5) mentre altri strumenti saranno valutate per un possibile recupero:

Strumentazione ibrida audio magnetotellurica naturale (AMT) e a sorgente controllata (CSAMT) (0.1 Hz - 100 kHz):

Sistema Stratagem (Geometrics). La tecnica “Stratagem” a sorgente ibrida sfrutta una sorgente ibrida del segnale da una combinazione del segnale naturale MT e un segnale trasmesso artificialmente per lo studio della resistività elettrica di sottosuolo.

Componentistica:

  • 1 trasmettitore STRATAGEM con un circuito di antenne verticali
  • 1 ricevitore STRATAGEM
  • Magnetometri ad alta e bassa frequenza

Strumentazione magnetotellurica (MT) a bassa frequenza (0.0001 Hz - 0.03 Hz):

2 ricevitori NIMS (Narod Intelligent Magnetotelluric Systems) a 24 bit

3 magnetometri (fluxgate a 3-componenti)

Strumentazione per misure gravimetriche:

1 Gravimetro

Strumenti per l’analisi dei dati e la modellistica:

Laptop per elaborazione in-situ dei dati MT

Desktop computer ad alte prestazioni per l’elaborazione dei dati e la modellistica geofisica e geologica

Accesso al server ad alte prestazioni del CNR-IGG per il calcolo

Software

  • 3 licenze per Winglink (Schlumberger) per l’elaborazione dei dati, modellistica 1D/2D e modellistica diretta 3D di dati geofisici
  • 1 licenza per Petrel (Schlumberger) per la modellistica geologica 3D e l’integrazione dei dati (gestita dal CNR-IGAG)
  • 1 licenza per i software Zonge per l’elaborazione dei dati, modellistica 1D/2D
  • 1 licenza per MODEM (ModEM-Geophysics) per l’inversione 3D di dati magnetotellurici
  • Vari software open-source per l’elaborazione e la modellistica di dati geofisici
  • Software in-house sviluppati dai ricercatori del laboratorio per l’analisi e la modellistica (anche inversione congiunta) dei dati geofisici basati sull’intelligenza computazionale

PERSONALE

Dr. Alessandro Santilano (Responsabile del laboratorio – Ricercatore CNR)

Dr. Adele Manzella (Primo Ricercatore CNR)

Dr. Serena Botteghi (Ricercatore CNR)

CONTATTI

Telefono:

050 6213417 (Laboratorio)

050 6212571 (Dr. Alessandro Santilano)

050 6212392 (Dr. Adele Manzella)

050 6212387 (Dr. Serena Botteghi)

E-mail:

alessandro.santilano(at)igg.cnr.it

adele.manzella(at)igg.cnr(dot)it

serena.botteghi(at)igg.cnr.it

 

METODI E APPLICAZIONI

MAGNETOTELLURICA

La magnetotellurica (MT) è un metodo geofisico elettromagnetico passivo atto a indagare la resistività elettrica del sottosuolo. Il metodo è basato sulla misura dei campi naturali elettrici e magnetici sulla superficie terrestre con frequenze 10^4 Hz e 10^-5 Hz. La sorgente energetica corrisponde alle onde elettromagnetiche naturali generate nell’atmosfera e magnetosfera da differenti processi fisici quali: i) la risonanza di Schumann di scariche elettriche da tempeste di fulmini, per le più alte frequenze e ii) l’interazione tra la magnetosfera terrestre e il vento solare, per le più basse frequenze.

Radio-magnetotellurica (RMT), Audio-magnetotellurica (AMT), magnetotellurica a banda larga (BBMT) e magnetotellurica a periodi lunghi (LMT) differiscono per le frequenze misurate. Essendo il metodo MT basato sui processi elettromagnetici di induzione e diffusione, la profondità di investigazione dipende dalle frequenze misurate (e dalla resistività del sottosuolo) secondo l’effetto pelle (skin effect). Più alta è la frequenza misurata minore sarà la profondità investigata del terreno.

Il metodo è capace di investigare la resistività da decine di metri a centinaia di chilometri. Il metodo AMT è generalmente limitato ad una profondità di circa 1-3 km.

Il metodo magnetotellurico a sorgente controllata (CSMT), si basa sulla stessa base teorica del metodo MT e sfrutta un trasmettitore artificiale del segnale elettromagnetico. Il metodo migliora il rapporto segnale-rumore quando posso essere presenti il rumore antropico o un debole segnale naturale.

Misure simultanee delle componenti ortogonali dei campi elettrici e magnetici in superficie forniscono i dati per calcolare la funzione di trasferimento (impedenza) in funzione della frequenza. L’impedenza, a sua volta, è utilizzata per ricostruire i modelli di resistività del sottosuolo.

In ogni sito MT, cinque misure sincronizzate sono registrate: il campo elettrico in due direzioni, il campo magnetico nelle stesse direzioni e in direzione verticale; le direzioni orizzontali sono ortogonali. Una tipica stazione MT per l’acquisizione dei dati consiste in due paia di elettrodi disposti come dipoli ortogonali con lunghezza tra i 50 e i 100 metri e tre magnetometri, anch’essi disposti ortogonalmente (due orizzontali e uno verticale).

Il metodo magnetotellurico non ha un impatto ambientale anche visivamente, in quanto i sensori sono interrati. Un’area di studio viene esplorata utilizzando molti siti di misura, le cui posizioni sono scelte per coprire uniformemente l’area, avendo cura di evitare siti difficilmente accessibili oppure rumorosi.

Tra i vari campi di applicazione del metodo di prospezione magnetotellurico, i ricercatori del CNR-IGG hanno lavorato principalmente:

  • Esplorazione geotermica per studiare le vie di circolazione dei fluidi e le sorgenti di calore dei sistemi geotermici
  • Studi vulcanologici, per studiare la profondità ed il volume delle camera magmatiche in vulcani attivi italiani (Vesuvio ed Etna)
  • Esplorazione idrogeologica
  • Esplorazione crostale profonda

GEOELETTRICA

Il metodo geoelettrico è uno dei metodi più antichi e maggiormente usato per l’esplorazione geofisica. Le prime applicazioni pioneristiche sono state condotte quasi simultaneamente da Conrad Schlumberger e Frank Wenner agli inizi del 1900.

Il metodo è largamente utilizzato per l’esplorazione delle georisorse, e per studi ambientali, di ingegneria civile e archeologici. Dagli albori della metodologia fino agli anni ’80 è stato largamente utilizzato il metodo di investigazione 1D che è stato progressivamente sostituito dai sistemi di acquisizione multicanali e multi-elettrodo e dai algoritmi multidimensionali per la modellistica.

I recenti sistemi utilizzano protocolli automatici di acquisizione dei dati per ottenere le ricostruzioni tomografiche 2D e 3D del sottosuolo.

Questa tecnica è più propriamente chiamata: tomografia di resistività elettrica (ERT, dall’acronimo inglese electric resistivity tomography).

La teoria è basata sulla legge di Ohm che correla la resistività elettrica (incognita) alla corrente e al potenziale elettrico.

Una tipica acquisizione prevede l’iniezione di corrente nel terreno attraverso due elettrodi di corrente AB (generalmente paletti di metallo), misurando la differenza di tensione ai due elettrodi di potenziale MN.

Un georesistivimetro multi-elettrodo automaticamente, previa apposita programmazione, seleziona le due coppie di elettrodi per ciascuna misura, permettendo l’utilizzo di qualsiasi configurazione di acquisizione.

Le misure con differenti spaziature e differenti posizioni delle coppie di elettrodi si possono ottenere modelli 2D o 3D del sottosuolo.

In prima approssimazione, la profondità di investigazione è circa 1/5 fino ad 1/6 della lunghezza totale dello stendimento.

Tra i vari campi di applicazione della prospezione geoelettrica, i ricercatori del CNR-IGG hanno lavorato in particolare:

  • Esplorazione geotermica per investigare vie di circolazione di fluidi
  • Studi idrogeologici (prossimamente sarà condotta una campagna in ambiente Artico

MODELLISTICA INVERSA

In geofisica, la completa comprensione dei principi fisici (operatore diretto) dietro al metodo di prospezione permette di correlare i dati misurati ai parametri di modello della terra. Il problema inverso tratta la definizione dei parametri di modello “m”, dati una serie di dati osservato “d”. Risolvendo il problema inverso è possibile ottenere una stima della resistività elettrica del sottosuolo dall’analisi dei dati misurati in superficie (dati magnetotellurici, geoelettrici, ecc..). Il problema è generalmente (ad esempio per il metodo MT) mal posto per la sua instabilità e richiede molte risorse computazionali.

I metodi per risolvere il problema inverso possono essere classificati in deterministici e probabilistici. I metodi deterministici rappresentano l’approccio convenzionale per la stima dei modelli di resistività.

Essendo la risposta MT particolarmente influenzata dalla dimensionalità del tensore di impedenza misurato, in letteratura sono disponibili schemi deterministici per l’inversione 1D-2D e 3D con l’inversione 3D oggetto delle più recenti ricerche scientifiche.

In generale, i parametri di modello sono calcolati sulla base della minimizzazione di una funzione obiettivo sfruttando operatori differenziali. La procedura può raggiungere un minimo locale, dipendendo anche dalla distanza del modello iniziale dal minimo globale.

Nel Laboratorio di Geofisica di Esplorazione ed Applicata vengono utilizzati dei codici avanzati per l’inversione dei dati MT e geoelettrici in 1D-2D-3D.

Al contrario, l’approccio probabilistico è meno convenzionale ed ancora materia di ricerca.

Il metodo probabilistico non necessità di operatori differenziali, ma lo spazio del modello è campionato in modo random o basato su qualche tipo di strategia.

Nel metodo probabilistico, molti modelli di terreno sono proposti e i dati teorici sono confrontati con quelli osservati. La funzione di minimizzazione è direttamente calcolata per ottenere il modello migliore. La filosofia dell’approccio probabilistico, che può essere considerato una procedura di ottimizzazione, è di esplorare più ampi spazi di ricerca del modello per cercare una soluzione globale al problema.

I ricercatori del Laboratorio di Geofisica di Esplorazione ed Applicata, in collaborazione con altri partner, stanno sviluppando degli algoritmi basati sull’Intelligenza Computazionale per risolvere il problema geofisico inverso, anche congiunto.

PROGETTI

Il Laboratorio di Geofisica di Esplorazione ed Applicata è stato coinvolto in molti progetti scientifici e collaborazioni con molte università e centri di ricerca nazionali ed internazionali.

Progetti scientifici recenti:

  • ICEtoFLUX (Programma di Ricerche in Artico “PRA”, 2022-2024): “HydrologIcal changes in ArctiC Environments and water-driven biogeochemical FLUXes”
  • GECO (Progetto EU-H2020, 2018-2022): “Geothermal Emission Control”
  • GEMEX (Progetto EU-H2020, 2016-2020): “Cooperation in Geothermal energy research Europe-Mexico for development of Enhanced Geothermal Systems and Superhot Geothermal Systems”
  • IMAGE (Progetto EU-FP7, 2013-2017): "Integrated Methods for Advanced Geothermal Exploration”
  • “Atlante Geotermico del Mezzogiorno” (Progetto CNR per il Mezzogiorno, 2011-2016)
  • VIGOR (Progetto POI-FESR, 2010-2014): “Valutazione del potenzIale Geotermico delle RegiOni della convergenza”
  • I-GET (Progetto EU-FP6 2005-2009): “Integrated Geophysical Exploration Technologies”
  • Si.Ri.Pro (Progetto PON 2004-2010): "SIsmica a RIflessione PROfonda, Metodologie integrate per l'esplorazione geofisica avanzata lungo un transetto crostale, Sicilia (Deep Reflection Seismic, Integrated methodologies for advanced geophysical exploration along a crustal transect in Sicily)”
  • Progetto INTAS EU Project (2004-2006): "Three-dimension electromagnetic and thermal tomography of the active crustal zones"

Collaborazioni e casi studio (con o senza attività di campo):

  • Studi geotermici in Italia; Slovacchia; Islanda; Etiopia; Messico; Tibet; Australia; Sri Lanka
  • Studi idrogeologici: Svalbard (Artico, prossimamente); Isola di Pianosa; Equi Terme; Monte Amiata (Italia)
  • Studio magnetotellurico per lo studio di impatto ambientale per la residenza Medicea di Cafaggiolo (Barberino di Mugello, FI)
  • Studi crostali: MT lungo profili del progetto CROP (Italia); Repubblica Ceca; Antartide
  • Studi vulcanici in collaborazione con INGV (Vesuvio e Etna)

INTERESSI SCIENTIFICI

  • Studi geotermici, crostali e vulcanologici
  • Sviluppo di algoritmi basati sull’Intelligenza Artificiale per la modellistica geofisica
  • Modellistica integrata per l’esplorazione delle georisorse

PUBBLICAZIONI SELEZIONATE

  • Pace, F., Marti, A., Queralt, P., Santilano, A., Manzella, A., Ledo, J., Godio, A., 2022. Three-dimensional magnetotelluric characterization of the Travale geothermal field (Italy). Remote Sens. 2022, 14(3), 542

  • Santilano, A., Godio, A., Manzella, A. 2018. Particle swarm optimization for simultaneous analysis of magnetotelluric and time-domain electromagnetic data. Geophysics, 83 (3), E151-E159

  • Godio, A. and Santilano, A. 2018. On the optimization of electromagnetic geophysical data: application of the PSO algorithm. Journal of Applied Geophysics 148, 163-174

  • Santilano, A., Donato, A., Galgaro, A., Montanari, D., Menghini, A., Viezzoli, A., Di Sipio, E., Destro, E., Manzella, A. 2016. An integrated 3D approach to assess the geothermal heat-exchange potential: the case study of western Sicily (southern Italy). Renewable Energy 97 (2016) 611-624

  • Santilano, A., Manzella, A., Gianelli, G., Donato, A., Gola, G., Nardini, I., Trumpy, E., Botteghi, S., 2015. Convective, Intrusive Geothermal Plays: what about tectonics? Geothermal energy Science, 3, 51-59

  • Molli, G., Doveri, M., Manzella, A., Bonini, L., Botti, F., Menichini, M., Montanari, D., Trumpy, E., Ungari, A., Vaselli, L., 2015 Surface-subsurface structural architecture and groundwater flow of the Equi Terme hydrothermal area, northern Tuscany Italy. Ital. J. Geosci., Vol. 134, No. 3, pp. 442-457

  • Spichak V. and Manzella A., 2009. Electromagnetic sounding of geothermal zones. Journal of Applied Geophysics, 68, 459-478

  • Armadillo E., Bozzo E., Caneva G., Manzella A., Ranieri G. 2007. Imaging deep and shallow structures by electromagnetic soundings moving from the Transantarctic Mountains to the Wilkes Subglacial Basin. Terra Antartica Reports. Issue 13, Pages 65-74

  • Manzella, A., and Zaja, A. 2006: Volcanic structure of the southern sector of Mt. Etna after the 2001 and 2002 eruptions defined by magnetotelluric measurements. Bulletin of Volcanology 69 (1), 41-50

  • Oskooi, B., Pedersen, L.B., Smirnov, M., Arnason, K., Eysteinsson, H., Manzella, A., the DGP Working Group 2005. The deep geothermal structure of the Mid-Atlantic Ridge deduced from MT data in SW Iceland. Phys. Earth Planet. Int., 150, 183-195

  • Manzella, A., 2004. Resistivity and heterogeneity of Earth crust in an active tectonic region, southern Tuscany, Italy. Annals of Geophysics, 47, 107-118

  • Manzella, A., Volpi, G., Zaja, A., Meju, M. 2004. Combined TEM-MT investigation of shallow-depth resistivity structure of Mt. Somma-Vesuvius. J. Volc. and Geoth. Res., 131, 19-32

  • Volpi, G., Manzella, A., Fiordelisi, A. 2003. Investigation of geothermal structures by magnetotellurics (MT): an example from the Mt. Amiata area, Italy. Geothermics, 32, 131-145

  • Di Mauro D., G. Volpi , A. Manzella, A. Zaja, N. Praticelli, V. Cerv, J. Pek De Santis, A., 1999. Magnetotelluric investigations of the seismically active region of northern bohemia: preliminary results. Annali di Geofisica, 42, n.1, 39-48, 1999

  • J. C. Larsen, R. L. Mackie, A. Manzella, A. Fiordelisi, Rieven, S. 1996. Robust smooth magnetotelluric transfer functions. Geophys. J. Int., 124, Pag. 801-819.