PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) 1 Cap. 3 CENNI SUI METODI MAGNETICI

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)

1

Cap. 3

CENNI SUI METODI MAGNETICI

2PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)

Principi di basePrincipi di base

parametro misurato: intensità (totale o gradiente) e/o direzione del campo

geomagnetico locale.

misure: metodo passivo con cui si analizzano le perturbazioni al normale andamento

del campo geomagnetico naturale.

informazioni desunte: individuazione di corpi magnetizzati ed indicazioni sulle

loro caratteristiche.


MagnetizzazioneMagnetizzazione

1) moto orbitale degli elettroni attorno al nucleo simile al moto dei protoni all’interno del

nucleo;

2) moto di spin degli elettroni

Il comportamento magnetico dei materiali e’ legato alla capacità di allinearsi dei singoli m e

alla loro somma vettoriale. Tale comportamento è associato alla presenza di alcuni minerali

quali la magnetite e la pirrotina.

Si osserva una dipendenza lineare tra la concentrazione di magnetite (Fe3O4) e la

suscettivita’ magnetica k.

-e

mo

msSpiega il magnetismo macroscopico ed è associata con

i circuiti di correnti atomiche generate da due

meccanismi principali:


Magnetizzazione indotta e rimanenteMagnetizzazione indotta e rimanente

La magnetizzazione indottamagnetizzazione indotta Ji decade a zero

se il materiale è posto in un ambiente libero da

campo magnetico esterno.

Tuttavia, alcuni materiali (ferromagnetici)

presentano una certa magnetizzazione anche

in assenza di campo esterno (magnetizzazione

rimanente Jr).

rri JHkJJJ

Si considera la magnetizzazione totale

come somma delle due magnetizzazioni.

L’importanza relativa della magnetizzazione

rimanente rispetto alla magnetizzazione indotta è

espressa dal rapporto di Koenigsberger Q.

i

r

J

JQ


Isteresi MagneticaIsteresi Magnetica

L’isteresi magnetica esprime

quanto un corpo (un materiale) si

possa magnetizzare per effetto di

un campo magnetizzante.

Il ciclo di isteresi mostra il valore

della magnetizzazione di

saturazione e quello della

magnetizzazione rimanente.


CMT: variazioni temporaliCMT: variazioni temporali

a) variazioni di origine interna:

causate da migrazione dei poli, deriva dei continenti, fluttuazione della rotazione

terrestre (secolari, continue seppur non regolari) (fino a 100 nT/anno)

b) variazioni di origine esterna:

1. pulsazioni (con periodo dell'ordine dei secondi);

2. baie (con periodo di qualche ora);

3. semidiurne;

4. diurne o solari;

5. lunari (con periodo di 27 giorni);

6. dovute alle macchie solari (con lo stesso periodo con cui si presentano le

macchie solari;

7. tempeste magnetiche;


Proprietà magnetiche della materiaProprietà magnetiche della materia

Magnetizzazione per induzioneMagnetizzazione per induzione::

La relazione tra magnetizzazione e campo esterno può essere considerata lineare nel

campo di valori (relativamente bassi) in cui si situa il valore del campo magnetico

terrestre. Per mezzi isotropi, in cui la relazione è la medesima in ogni punto, si ha:

dove k è in relazione con la permeabilità magnetica:

dove:Ji - magnetizzazione indotta;

k - suscettività magnetica (adimensionale); - permeabilità assoluta del mezzo0 - permeabilità nel vuoto

exti HkJ

k 10


suscettività magneticasuscettività magnetica

gli ampi range di variazione della

suscettività sono una delle cause di

ambiguità interpretativa dei dati

magnetici e possono rendere

complesso anche il modelling.



Magnetizzazione per induzione:Magnetizzazione per induzione:

a) materiali ferromagnetici: sono materiali (cobalto, nikel, ferro) che in presenza di un campo magnetico esterno presentano un elevato valore di magnetizzazione, non linearmente proporzionale al campo esterno e che si conserva anche dopo la soppressione di questo.

b) Dal punto di vista microscopico si può schematizzare il comportamento dei materiali ferromagnetici come se i dipoli elementari si “organizzassero” in regioni (domini) con momento magnetico concorde.



Magnetizzazione rimanenteMagnetizzazione rimanente

a) magnetizzazione termorimanente: (temperatura di Curie da 100 °C a 700°C)

b) magnetizzazione isoterma: termica ma sotto Curie

c) magnetizzazione viscosa: campo inducente per lunghi periodi

d) magnetizzazione anisteretica: zone di impatto dei fulmini

e) magnetizzazione chimica: nascono all’interno del corpo sostanze magnetiche

f) magnetizzazione da sedimentazione



magnetizzazione totale:magnetizzazione totale:

extrirtot HkJJJJ


Campo magnetico terrestreCampo magnetico terrestre

componenti del vettore campocomponenti del vettore campo

F – vettore campo

H – componente orizzontale

Z – componente verticale

I – inclinazione

D - declinazione

alle nostre latitudini F vale circa 45.000 nT ed ha

inclinazione di circa 60°.


Cosa si misuraCosa si misura





eseguendo misure dalla

superficie si ottiene il grafico

dell’anomalia magnetica che

viene poi correlato con la

natura, la profondità e le

dimensioni del corpo che l’ha

provocata.


StrumentazioneStrumentazione

inclinometri e declinometri

bilance magnetiche

magnetometri a passaggio di flusso (Fluxgate)

magnetometri a protoni (PPM)

magnetometri a pompaggio ottico


Magnetometro a protoniMagnetometro a protoni

Misura l’intensità del campo senza

fornire indicazioni riguardo la

direzione (danno F).

Le misure necessitano di un breve

transitorio (alcuni s).

Le nuove versioni Overhauser

arrivano a 10 mis/s.

Precisione di misura 0. 1 nT.

schematizzazione della precessione nucleare


Assetti di misuraAssetti di misura


gradiometrogradiometro

Le misure gradiometriche non

risentono delle variazioni

temporali e consentono di

discriminare oggetti superficiali

e di piccole dimensioni.


Il magnetometro a pompaggio otticoIl magnetometro a pompaggio ottico

Il magnetometro non è che una delle molteplici e svariate applicazioni che utilizzano il Il magnetometro non è che una delle molteplici e svariate applicazioni che utilizzano il

fenomeno del trasferimento energetico legato al passaggio degli elettroni da un livello fenomeno del trasferimento energetico legato al passaggio degli elettroni da un livello

energetico ad un altro (vd. ad esempio, i masers ed i lasers).energetico ad un altro (vd. ad esempio, i masers ed i lasers).

Il pompaggio ottico può essere definito come una tecnica di sovrapopolazione di un Il pompaggio ottico può essere definito come una tecnica di sovrapopolazione di un

livello energetico di una particolare specie atomica.livello energetico di una particolare specie atomica.


Principio operativo del pompaggio otticoPrincipio operativo del pompaggio ottico

21 GGE

• Al livello H compete invece un energia di gran lunga superiore e la transizione G1, G2- H

richiede una energia elettromagnetica (fotone).

• Nello stato standard gli elettroni occupano i livelli G1 ed G2, tra i quali il salto energeticoè molto piccolo

• le probabilità di trovare gli atomi in G1 ed G2 sono uguali.

Consideriamo per semplicità un atomo

ipotetico i cui elettroni orbitino su tre livelli

energetici


Irradiando il corpo campione con un raggio dal quale, Irradiando il corpo campione con un raggio dal quale,

previo filtraggio, è stata eliminata la banda spettrale previo filtraggio, è stata eliminata la banda spettrale

GG22H, gli atomi con elettroni corrispondenti al livello GH, gli atomi con elettroni corrispondenti al livello G11

saranno in grado di assorbire l'energia e passare al saranno in grado di assorbire l'energia e passare al

livello H, mentre gli atomi in Glivello H, mentre gli atomi in G22 non verranno eccitati. non verranno eccitati.

Dal livello H, che è uno stato eccitato e quindi instabile, Dal livello H, che è uno stato eccitato e quindi instabile,

gli elettroni decadono ritornando allo stato gli elettroni decadono ritornando allo stato

fondamentale (non eccitato)fondamentale (non eccitato)

Quando avviene il decadimento la probabilità di Quando avviene il decadimento la probabilità di

ritrovare gli elettroni in Gritrovare gli elettroni in G11 ed G ed G22 è uguale ma, una volta è uguale ma, una volta

ricaduti su Gricaduti su G11 questi verranno rimossi per eccitazione questi verranno rimossi per eccitazione

fotonica e riportati in H; ne risulta una fotonica e riportati in H; ne risulta una

sovrapopolazione di Gsovrapopolazione di G22. .


Poichè in questo processo selettivo GPoichè in questo processo selettivo G11 risulta crescentemente spopolato, l' energia di risulta crescentemente spopolato, l' energia di

assorbimento sarà minore e il corpo campione sarà più trasparente al passaggio del raggio assorbimento sarà minore e il corpo campione sarà più trasparente al passaggio del raggio

incidente. incidente.

Nella fase, definito stato pompato, in cui tutti gli atomi si ritrovano in corrispondenza di GNella fase, definito stato pompato, in cui tutti gli atomi si ritrovano in corrispondenza di G22 il il

passaggio di luce attraverso detto corpo campione è massimo. Se si distrugge lo stato passaggio di luce attraverso detto corpo campione è massimo. Se si distrugge lo stato

pompato, il corpo campione ridiventa opaco ed il ciclo si ripete.pompato, il corpo campione ridiventa opaco ed il ciclo si ripete.


Il sensore consta di tre parti principali assemblate lungo un comune asse ottico e poste entro il cilindro del sensore ottico:

1) Lampada (Rb, Cs)

2) Cella di assorbimento contenente “alkali vapor” (Cs o Rb) corrrispondente al materiale costituente la lampada

3) Diodo fotosensibile


Tramite un avvolgimento che circonda la cella di

assorbimento, si genera un campo magnetico

che distrugge lo stato otticamente pompato; in

questa fase l’assorbimento della cella è massimo

e la corrente di output del diodo è minima.

Non appena viene distrutto, il pompaggio ottico si

ripristina, causando l’inizio di un nuovo ciclo.

La luce generata dalla lampada al cesio entra

nella cella di assorbimento contenente vapori

di cesio.

Il vapore di cesio viene eccitato e si verifica la

transizione dai livelli relativi allo stato standard

a quelli otticamente pompati.

In queste condizioni l’assorbimento della cella

è minimo e di conseguenza il diodo

fotosensibile percepisce la massima intensità

luminosa a cui corrisponde la massima

intensità di corrente;


L’intero sistema può essere considerato in oscillazione con la corrente di uscita del diodo

fotosensibile che varia sinusoidalmente alla Frequenza di Larmor ν.

La Frequenza di Larmor è proporzionale all’intensità del campo magnetico ambiente F.

La costante di proporzionalità che mette in relazione la Frequenza di Larmor νν con il c.m.t. è

il rapporto giromagnetico degli elettroni ( ).

F = 2∏ ν /

e

e

e

e

2

2

(Rb) 4.67 Hz / nT

(Cs) 0.55 Hz / nT


Logistica in situLogistica in situ

Secondo gli obiettivi dell’indagine le misure vengono eseguite lungo profili o su mappe con

griglie regolari. L’intervallo di campionamento dipende dalla risoluzione voluta e va definito in

fase di progettazione delle indagini.

Se non si eseguono misure gradiometriche è necessario tornare ad intervalli di tempo circa

regolari su una stazione base per registrare la variazione temporale.

Particolari attenzioni devono essere rivolte alle potenziali fonti di disturbo, eventualmente

indotte dall’operatore.

Il “grid”Il “grid”


Limiti e disturbiLimiti e disturbi

La necessità di misurare variazioni del campo magnetico molto piccole strumenti molto

sensibili.

Le misure sono fortemente disturbate non solo dalla presenza di oggetti metallici in prossimità

dell’area di misura (recinzioni metalliche e strutture) ma anche da tutte le fonti di inquinamento

elettromagnetico, quali linee elettriche, ferrovie, macchinari industriali, ecc...

In generale, è pressoché impossibile eseguire misure affidabili in ambienti urbani che si

presentano talmente “rumorosi” da rendere impossibile il corretto funzionamento della

strumentazione.

Un’altra precauzione necessaria è legata alla variazione temporale del campo che in particolari

condizioni meteorologiche (temporali) ed atmosferiche (tempeste magnetiche) sono troppo

repentine e troppo elevate per consentire l’effettuazione delle misure.


Elaborazione datiElaborazione dati

correzioni:correzioni:

a) variazione diurna: o si eseguono misure in una stazione base ad intervalli di

tempo regolari e si sottrae all’andamento del campo misurato dalla stazione mobile

e plottato in funzione del tempo l’andamento misurato alla stazione base, oppure si

eseguono misure di gradiente verticale del campo (si fa cioè la differenza tra due

letture contemporanee eseguite a due altezze diverse).

b) correzione per la latitudine: è necessario tenere conto di questa variazione

qualora l’estensione del sondaggio sia di diversi chilometri. In generale si può

considerare una variazione di circa 6 nT/km.

c) correzione topografica: nel caso di topografie particolarmente irregolari può

essere necessario riportare le misure ad un piano di riferimento; la procedura è

spesso automatizzata nei software di interpretazione.


Elaborazione datiElaborazione dati

rappresentazione su mappe e profili:rappresentazione su mappe e profili:

Dopo le correzioni i dati vengono rappresentati o su mappe o su profili. Questa fase è talvolta

sufficiente e fornisce le informazioni cercate.

Oltre alle correzioni è spesso necessario “ripulire” i dati da disturbi, rumore, misure errate.

Questa operazione può essere condotta con procedure di filtraggio digitale con filtri

monodimensionali sui profili e bidimensionali sulle mappe.

Le tecniche di trattamento dell’immagine possono venire applicate per meglio mettere in

evidenza le anomalie imputabili agli obiettivi del sondaggio.


Interpretazione qualitativaInterpretazione qualitativa

rappresentazione su mappe e rappresentazione su mappe e profili:profili:

Ampiezza e lunghezza d’onda dell’anomalia

sono correlabili con le caratteristiche e la

posizione delle sorgenti.


Interpretazione qualitativaInterpretazione qualitativa

rappresentazione su mappe e profili:rappresentazione su mappe e profili:


Interpretazione qualitativa - Interpretazione qualitativa - localizzazionelocalizzazione


Interpretazione datiInterpretazione dati

anomalie corpi anomalie corpi semplici:semplici:

campo inducente:

F=60000 nT

I=60°, D=0°

corpo: sfera

raggio=1m

prof.=3m

k= 0.05



anomalie corpi anomalie corpi semplici:semplici:

campo inducente:

F=60000 nT

I=60°, D=0°

corpo: dicco verticale

largh.=50m

k= 0.05



modellazione:modellazione:

Esistono algoritmi che date:

1. le dimensioni dei corpi;

2. le profondità dei corpi;

3. i contrasti di suscettività;

sono in grado di calcolare l’andamento dell’anomalia prodotta in superficie e

permettono di valutare l’applicabilità del metodo in fase progettuale e/o di

interpretare i risultati.


Interpretazione datiInterpretazione dati inversione:inversione:

Esistono algoritmi che, tramite processi iterativi, a partire dai dati sperimentali,

risalgono alla distribuzione della suscettività magnetica in sezioni (2D o 2.5D) al

di sotto dei profili.

Come in tutti i problemi inversi esistono ambiguità connesse alla non unicità della

soluzione.


Interpretazione datiInterpretazione dati inversione:inversione:


Interpretazione quantitativaInterpretazione quantitativa rappresentazione 3D dopo inversione:rappresentazione 3D dopo inversione:

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche)

40

F I N EF I N E

Documents

PRECORSO (Sistemi acquiferi nella fascia costiera: indagini geofisiche) 1 Cap. 3 CENNI SUI METODI MAGNETICI