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SERGIO BARTOLOMEI (*)

INDAGINE DI TOMOGRAFIA ELETTRICA PER

L’ATTRAVERSAMENTO DEL RIVER BOYNE DI UNA

PERFORAZIONE ORIZZONTALE HDD IN IRLANDA DEL SUD

Abstract - SERGIO BARTOLOMEI - Electrical Resistivity Tomography survey for the River Boyne

crossing of a Horizontal Directional Drilling (HDD) in South Ireland.

Towards the end of February and the beginning of March 2006 an Electrical Resistivity

Tomography survey was carried in Drogheda, Southern Ireland to reveal the geology under the

River Boyne. The site was about 6 Km from the mouth of the river. The aim of the survey was to

find the best way to drilling horizontally under the river bed for the new North Ireland gas pipe

of 22”. The electrical survey, with a length of 485 m, was done with the classic Wenner array,

with a inter electrode distance of 3.5 m, that ensured a good and noiseless collection of data. The

river crossing analysis was carried out with a special water multi electrode cable to ensure a good

data acquisition in the water. The major problem encountered was the fast rising and falling of

tides (more than 3.5 m of difference in water level), that made it necessary for a fast and precised

acquisition processing, from the cable layout to the data acquisition. The conductibility of water

was acquired for the correction of the geoelectrical model. The data was processed with the

Res2Dinv software. The geology model was successful confirmed during the drilling. It became

evident that the rock substrate showed two contiguous river beds with the maximum depth with

respect to the point of beginning of the perforation of around 40 meters. On top of the bedrock

various sediments of glacial till (ground moraine) and fluvio glacial sandy gravel were found to

be overlapping; in the northern half, at the point of the wide north riverbed conductive organic

soil of a notable thickness were prevalent.

Key words: ERT, Electrical Resistivity Tomography, TOC, HDD, Underwater survey.

Mus. civ. Rovereto Atti del Workshop in geofisica 5 dicembre 2008 101-111 2009

(*) Dott. Geol. Sergio Bartolomei, P-WAVE, sede legale: Via R. Soppelsa, 32 - 32032 Feltre (BL) -

Ufficio: Via G.Trissino n. 15, 36100 Vicenza (VI), tel/fax: 0444-306073 - pwave@pwave.it

Dott. Geol. De Toni Michele, Collaborazione indagini geofisiche.

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Riassunto - SERGIO BARTOLOMEI - Indagine di tomografia elettrica per l’attraversamento del Ri-

ver Boyne di una perforazione orizzontale HDD in Irlanda del Sud.

Tra Febbraio e Marzo 2006 è stato fatto uno studio di Tomografia Elettrica a Drogheda nel

Sud dell’Irlanda, per lo studio di dettaglio dei terreni subalveo del Fiume Boyne, a circa 6 Km

dalla foce del fiume, in una zona fortemente terrazzata. Lo studio è stato fatto per trovare la

miglior via per una perforazione orizzontale controllata per una tubazione di 22” per il nuovo

metanodotto per il Nord Irlanda. Il rilievo di tomografia elettrica, della lunghezza di 485 m, è

stato acquisito con un passo inter-elettrodico di 3.5 m, per garantire un buon segnale e dei dati

poco rumorosi. Per l’acquisizione attraverso il fiume si è utilizzato uno speciale cavo multi elet-

trodo per una migliore acquisizione dei dati in acqua. Il maggior problema incontrato sono state

le veloci variazioni del livello dell’acqua per le forti oscillazioni della marea (oltre 3.5 m di disli-

vello), con conseguente estensione dei terreni allagati. Ciò ha reso necessario un veloce e orga-

nizzato programma di acquisizione, dalla stesa dei cavi alla acquisizione dei dati. Si è provveduto

inoltre alla misura della conducibilità dell’acqua per la correzione dei dati del modello geoelet-

trico. I dati sono stati processati con il programma Res2Dinv; il modello geologico formulato è

stato pienamente convalidato dai dati della perforazione effettuata successivamente. Si è evi-

denziato che il substrato roccioso presenta due paleoalvei contigui con una profondità massima

rispetto al punto di inizio della perforazione di una quarantina di metri. Al di sopra della roccia

si sovrappongono sedimenti morenici variamente ricchi di limo (morenico di fondo) ed alluvioni

ghiaioso sabbiose; nella metà settentrionale in corrispondenza dell’ampio paleoalveo nord pre-

valgono terreni organici molto conduttivi di sensibile spessore.

Parole chiave: ERT, Tomografia Elettrica, TOC, HDD, Indagini in acqua.

1. INTRODUZIONE

Tra la fine di Febbraio e la prima settimana di Marzo 2006 è stata eseguita

un’indagine geofisica di Tomografia Elettrica (Electrical Resistivity Tomography)

a Drogheda nel Sud dell’Irlanda, per lo studio di dettaglio dei terreni subalveo

del Fiume Boyne, posto a circa 6 Km dalla foce del fiume.

Lo studio è stato eseguito in vista del passaggio sotterraneo del fiume della

nuova condotta primaria del gas; questo è un tubo di acciaio del diametro di 22"

la cui posa avviene con la tecnica della perforazione orizzontale denominata TOC

(Trivellazione Orizzontale Controllata) o HDD (Horizontal Directional Dril-

ling), della lunghezza di 485 m in vicinanza al ponte che attraversa la profonda

incisione fluviale.

Importante per la sua riuscita è la corretta valutazione dell’angolo di ingres-

so e di uscita nel sottosuolo, dipendente dal raggio di curvatura adottato che è

funzione della geometria delle litologie e del grado di flessione sopportabile dal

tubo.

Inoltre sono da evitare i terreni sciolti o molto fratturati dove il fluido di

perforazione (fango bentonitico) non si disperda rendendo problematico l’avan-

zamento; inoltre nei terreni sciolti la pressione litostratigrafica deve essere supe-

riore alla pressione di iniezione del fango di perforazione altrimenti si ha lo sfon-

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damento del tetto. L’area è già stata oggetto di

studi alcuni anni prima per la costruzione del

ponte che attraversa il fiume Boyne (Boyne

Bridge), ma i dati geotecnici disponibili sono

spostati significativamente rispetto alla posi-

zione di passaggio della nuova condotta, da qui

la necessità di verificare in dettaglio la situa-

zione geolitologica lungo il nuovo asse, tenen-

do presente che nelle stratigrafie si sono evi-

denziate alcune limitate cavità carsiche e di

accertare l’eventuale presenza di opere di sta-

bilizzazione dei terreni circostanti le fondazio-

ni del ponte.

2. AREA DI STUDIO ED INQUADRAMENTO GEOLOGICO

L’area dell’indagine (Fig. 1) è posta a Nord di Dublino a circa una trentina di

chilometri, e ad Ovest della cittadina di Drogheda. Dall’analisi della Carta Geo-

logica 1:100.000 dell’Irlanda si evidenzia che nell’area di studio sono presenti

formazioni molto antiche (Paloeozoico) per lo più costituite da calcari del Car-

bonifero ed Arenarie del Siluriano (Figg. 2-3).

Fig. 1 - Ubicazione dell’area di studio.

Fig. 3 - Cronostratigrafia.Fig. 2 - Carta Geologica dell’Irlanda 1:100.000.

A queste formazioni, ampiamente modellate dai ghiacciai quaternari, si so-

vrappone un consistente spessore di sedimenti fluvioglaciali, quali ghiaie-sab-

biose limose, argille ghiaiose sabbiose.

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3. METODOLOGIA GEOELETTRICA

La resistività elettrica è una delle proprietà fisiche più utilizzate per l’esplo-

razione del sottosuolo, grazie soprattutto all’elevato intervallo di valori che essa

può assumere al variare della natura dei corpi investigati.

Il metodo geoelettrico si basa sulla misura tra due elettrodi, detti convenzio-

nalmente MN, della differenza di potenziale DV associata alla distribuzione nel

sottosuolo di una corrente elettrica I immessa in una diversa coppia di elettrodi,

detti AB (Fig.2). Si dimostra che si ottiene un valore di resistività apparente:

( m) a

= K(V/I)

che è funzione, oltre che della posizione reciproca dei 4 elettrodi anzidetti

(dipendenza contenuta nel parametro K, detto fattore geometrico), della distri-

buzione della resistività elettrica dei sedimenti nel sottosuolo interessato dalla

propagazione della corrente I.

I dati acquisiti devono essere opportunamente «interpretati» al fine di otte-

nere dall’insieme dei valori di a

, un modello realistico dell’effettiva distribuzio-

ne delle resistività elettriche reali nel sottosuolo indagato. Da questa distribuzio-

ne, con opportune tarature e/o in base alle conoscenze geo-litologiche, il model-

lo geofisico viene trasformato in modello geo-litologico.

Spostando e distanziando gli elettrodi lungo un profilo secondo una sequen-

za pre programmata ed automatica, si può investigare lateralmente ed in profon-

dità le variazioni di resistività apparente ottenendo una sezione di resistività ap-

parente che evidenzia le discontinuità laterali della resistività elettrica reale del

sottosuolo. In ogni caso l’informazione ottenuta è, una resistività apparente, fun-

zione della distribuzione delle resistività elettriche vere all’interno del corpo e

della disposizione reciproca degli elettrodi del quadripolo. Solo un opportuno

processo di «inversione» o, in termini più semplici, di interpretazione di questi

dati restituisce il più probabile modello di distribuzione delle resistività elettri-

che vere all’interno del corpo investigato.

La cosiddetta «tomografia elettrica» è per l’appunto quella metodologia che

permette di acquisire informazioni in simultanea dipendenza sia della profondi-

tà che della distanza orizzontale e di interpretarle mediante un processo di inver-

sione dei dati che permette di ricostruire le reali geometrie del sottosuolo.

Metodologia utilizzata nell’indagine

Il profilo di tomografia elettrica si è esteso tra i due terrazzi laterali all’alveo

del fiume sviluppandosi anche nel corso d’acqua per una lunghezza totale di 485

m, di cui circa 70 m su acqua.

Il letto del fiume ha un’ampiezza molto variabile (45-215 m) risentendo am-

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piamente delle maree, zona prossima al mare (~ 6 Km), e mostrando nella parte

intermedia un’isola coperta da una fitta vegetazione che alternativamente viene

sommersa.

Questo, assieme al veloce cambio della quota dell’acqua, è stato uno dei mag-

giori problemi in quanto l’accesso all’isola per il taglio della vegetazione e la

creazione di un punto di passaggio è stato condizionato dalle maree.

Il suo accesso è infatti possibile solamente nei momenti di minima, l’ambien-

te di passaggio si sviluppava tra un groviglio di radici e tronchi d’albero coperti

da uno strato di materiali in decomposizione e da un film di fanghiglia estrema-

mente scivoloso.

Per la prospezione è stato utilizzato il dispositivo quadripolare detto di Wen-

ner (Fig. 2), con un distanza inter-elettrodica di 3,5 m sulla terra ferma, in acqua

e all’interno dell’isola si è utilizzato un passo di 5,0 m.

Tutti i profili sono stati acquisiti in continuo con sovrapposizione degli sten-

dimenti agli estremi di circa il 40 % della lunghezza del profilo.

Per l’acquisizione dei dati geoelettrici all’interno del fiume si è utilizzato un

apposito cavo per misure in acqua, questo è stato steso sulla superficie dell’ac-

qua e tenuto sotto il pelo dell’acqua da una serie di galleggianti, equidistanti

lungo il cavo.

Infine per una corretta elaborazione dei dati geoelettrici si è ripetutamente

misurata la conducibilità dell’acqua con un conduttivimetro portatile.

Fig. 4 - Sistema di acquisizione dei dati utilizzando il dispositivo di WENNER.

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3. INTERPRETAZIONE DEI DATI

I dati di resistività sono stati interpretati ricorrendo al programma di inver-

sione Res2Dinv (Geotomo Software) ed utilizzando un modello di inversione

2D-3D, dove la risposta della struttura viene calcolata ricorrendo alla strategia

degli elementi finiti (LOKE, 1996 and MORELLI e LABRECQUE, 1996).

Compito di questa fase dell’elaborazione è di sostituire ai valori di resistività

apparente una distribuzione di corpi, ciascuno caratterizzato da una sua resisti-

vità elettrica, la cui risposta (pseudo-sezione di resistività apparenti calcolate) si

avvicini il più possibile, nel senso dei minimi quadrati, alla pseudo-sezione di

resistività apparente misurata.

La distribuzione di resistività ottenute dal rilievo geoelettrico eseguito deve

essere trasformata in una distribuzione di litologie, e pertanto ci si è basati sulle

colonne stratigrafiche dei sondaggi eseguiti per la costruzione del ponte.

Fig. 5 - Il ponte sul River Boyne, l’acqua defluisce verso sinistra. Si riconosce l’isola coperta da

fitta vegetazione igrofila.

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Le colonne stratigrafiche su cui ci si è basati per l’interpretazione geologica

evidenziano in molti casi eterogeneità marcate anche su distanze limitate e i son-

daggi eseguiti in momenti differenti riportano descrizioni stratigrafiche con dif-

ferenze significative. La correlazione della sezione geoelettrica con i dati dei son-

daggi meccanici ha permesso, dove possibile, anche una caratterizzazione geo-

tecnica delle litologie.

Descrizione della Sezione di Tomografia Elettrica

Il profilo ERT (Electrical Resistivity Tomography) (Fig. 8) nell’alto terrazzo

fluviale (destra idrografica) ha permesso di evidenziare un consistente spessore di

terreni di copertura a media resistività nei primi 180 m di profilo con valori com-

presi tra i 50 ed i 200 Ohm*m, corrispondenti genericamente a sedimenti morenici

con alto e medio contenuto di terra fine “glaciale” (limo più o meno argilloso) ed

abbondante scheletro ghiaioso ciottoloso e secondariamente sabbioso.

Si intercalano depositi a carattere più fluvio-glaciale ghiaiosi o sabbiosi con

disposizioni lenticolari e possono anche essere deformati nella loro giacitura ori-

ginaria.

Si evidenzia una lente con valori più bassi (50-75 Ohm*m) all’interno della

serie morenica riferibile probabilmente a sedimenti fini tipo varve allo stato umi-

do, fatto legato a paleo morfologie glaciali.

Inferiormente i valori di resistività si innalzano fino ai 200-300 Ohm*m, cor-

relabili al substrato roccioso costituito da calcari bioclastici, affiorante lungo la

strada adiacente al fiume.

Il substrato roccioso quindi si approfondisce nell’alveo fluviale con almeno

Fig. 6 - foto aerea dell’area del

ponte e del tracciato del profilo

di Tomografia Elettrica; il fiume

fluisce verso destra, ai lati si no-

tano le superfici dei terrazzi flu-

viali a seminativi, si riconosce

l’isola fittamente arborata e deli-

mitata da un ramo morto e sog-

getta a sommergersi con l’alta

marea; tutta la zona in sinistra del

fiume è ricca di terreni limosi or-

ganici sciolti.

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due morfologie concave di paleoalvei di esarazione glaciale, con una profondità

massima di una quarantina di metri rispetto al punto di inizio della perforazione

nel terrazzo alto in destra fiume.

Nella prima di queste concavità, nella quale è contenuto l’attuale ramo princi-

pale del fiume, si riconosce un’ampia lente a bassa resistività (< 50 Ohm*m) di uno

spessore massimo di circa sette metri che è attribuibile a sedimenti fini saturi.

Inferiormente si estende una fascia leggermente più resistiva che può rappre-

sentare una fascia residuale di morenico limoso con ghiaie e sabbie da denso a

molto denso; indi l’aumento dei valori di resistività è da collegarsi al substrato

roccioso fessurato e carsificato saturo d’acqua.

Tra il ramo principale e l’isola il substrato si alza a costituire un piccolo dos-

so, fatto verificato nella fase di perforazione orizzontale.

Quindi le zone dell’isola, del ramo secondario e dell’estrema fascia setten-

trionale interessata dall’alta marea (sponda Nord), sono contenute da un terraz-

zo più basso di quello opposto.

In tutta questa zona bassa e con acqua stagnante si estende uno strato di

alcuni metri a valori di resistività molto bassi (< 25 Ohm*m) riconducibili ad

uno strato di limi argillosi organici, allo stato molle, saturi, con alternanze lenti-

colari di sabbie e ghiaie. Segue il substrato roccioso.

Nella sponda Nord (sinistra idrografica), oltre la progressiva 410 m nel ter-

razzo medio, prevalgono ghiaie sabbiose secche superficialmente (> 300 Ohm*m),

quindi il morenico ghiaioso sabbioso molto denso che si sovrappone a una spes-

sa lente di alluvioni fluvio-glaciali ghiaiose e sabbiose (200-250) progressive 410-

440 m (interpretato come probabile Esker) ed infine segue il substrato roccioso

Fig. 7 - Il tratto del «River Boyne» dove è stato

fatto l’attraversamento (in fase di alta marea),

sul fondo si vede l’isola sommersa con abbon-

dante vegetazione; l’acqua in questa fase lam-

bisce la sede stradale.

Fig. 8 - Il «River Boyne» in fase di bassa ma-

rea, foto eseguita dall’isola emersa; si nota il

dislivello non ancora massimo del fiume rispet-

to la sede stradale da dove è stata ripresa la

foto precedente.

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non evidenziato dalla tomografia elettrica per la sua profondità, ma accertato dai

sondaggi geognostici.

Fig. 9. Il difficile passaggio aperto per attraversare l’isola durante la bassa marea.

Fig. 10 - Suggestiva immagine del cantiere durante le ultime fasi della perforazione HDD.

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Fig

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5. CONCLUSIONI

Il profilo di tomografia elettrica, basato sulle caratteristiche di resistività dei

terreni, è risultato in buon accordo con i sondaggi geognostici limitati alle spalle

del ponte, anche se in qualche caso ha evidenziato la possibilità di una maggiore

presenza di sedimenti fini di quella evidenziata dai sondaggi; si ritiene che, spe-

cialmente se si è fatto uso di acqua di perforazione, questa possa aver dilavato

una certa percentuale di fino.

La taratura del profilo è stata basata sulle colonne stratigrafiche dei sondaggi

geognostici proiettati sul profilo geoelettrico, il quale però si trova più a Ovest.

La sezione ha permesso alla Ditta di pianificare correttamente la perforazio-

ne con un minor grado di imprevisti, e di adattare la perforazione alle condizioni

geolitologiche locali.

Si fa presente che il tracciato ha interessato prevalentemente sedimenti mo-

renici limosi nella loro ampia variabilità fino a sfumare a sedimenti prettamente

alluvionali con scarsa frazione fine, interessando limitatamente il substrato roc-

cioso.

6. BIBLIOGRAFIA

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