9.4. Investigații geofizice

Intuiție

Geofizica este ecografia terenului: nu taie nimic, acoperă repede suprafețe mari și arată unde se schimbă ceva. Ca la ecografie, imaginea trebuie citită de cineva care știe ce caută și confirmată, în câteva puncte, cu o „biopsie”, adică un foraj.

Investigațiile geofizice măsoară de la suprafață (sau din foraje) câmpuri fizice – viteza undelor elastice, rezistivitatea electrică, permitivitatea dielectrică, câmpul gravitațional, câmpul magnetic – ale căror variații reflectă contrastele de proprietăți dintre roci. Ele au trei avantaje față de foraje: acoperă suprafețe mari la cost redus, dau o imagine continuă (secțiuni, hărți) în locul unor puncte izolate și nu perturbă terenul. Dezavantajul lor fundamental este neunicitatea interpretării: aceeași anomalie poate fi produsă de structuri diferite, iar proprietatea fizică măsurată nu este un parametru geotehnic. De aceea geofizica nu înlocuiește forajele, ci le extinde: forajele dau „adevărul” în câteva puncte, geofizica îl interpolează și îl extrapolează între ele, cu condiția calibrării pe foraje. Tratatele de referință ale domeniului sunt Telford et al. (1990), Kearey et al. (2002) și Reynolds (2011); Tabelul 9.3 rezumă metodele folosite în geologia inginerească.

Tabelul 9.3 Metode geofizice utilizate în investigarea amplasamentelor.

Metoda	Proprietatea măsurată	Aplicații tipice	Adâncime / limitări
Seismică de refracție	viteza undelor P (\(V_p\))	adâncimea rocii de bază, grosimea zonei alterate, excavabilitate, nivelul apei	10–50 m; cere creșterea vitezei cu adâncimea (strat ascuns, inversiune de viteză)
Seismică de reflexie	\(V_p\), impedanță acustică	structuri adânci, falii, baza bazinelor	zeci de metri–km; rezoluție slabă în primii 10–20 m
MASW	dispersia undelor Rayleigh \(\to\) \(V_s(z)\)	\(V_{s,30}\), clasa de teren, modul dinamic \(G_0\)	20–40 m; model 1D, mediere laterală
Downhole / crosshole	\(V_p\), \(V_s\) în foraj	\(V_s(z)\) de precizie, \(G_0\), calibrarea MASW	adâncimea forajului; cost mai mare
ERT	rezistivitatea electrică	goluri carstice, zone de falie, argilă/nisip, nivel freatic, umpluturi, poluare	10–100 m (funcție de lungimea profilului); echivalență, contrast redus în terenuri uscate
GPR (georadar)	permitivitate (reflexia undelor radio)	conducte, beciuri, goluri, stratificație superficială, armături	0,5–15 m; penetrare mică în argile și sub apă
Gravimetrie	densitate (anomalia Bouguer)	goluri carstice și miniere, baza umpluturilor, falii	microgravimetrie: goluri la adâncimi \(<\) 20–30 m; corecții laborioase
Magnetometrie	susceptibilitate magnetică	obiecte feroase îngropate, filoane bazice, contacte între roci	superficial; perturbări urbane

9.4.1. Metodele seismice

Metodele seismice folosesc undele elastice produse de o sursă artificială (lovitura unui ciocan pe o placă, căderea unei greutăți, o mică explozie) și înregistrate de geofoni aliniați pe un profil. Vitezele undelor de compresiune și de forfecare depind de modulii elastici și de densitatea mediului (Secțiunea 7.4.1): în pământuri afânate \(V_p\) este de 300–800 m/s (dar sare la circa 1500 m/s sub nivelul apei, viteza sunetului în apă), în roci alterate 1000–2500 m/s, în roci compacte 3000–6000 m/s.

Seismica de refracție se bazează pe legea lui Snell: o rază care ajunge la interfața dintre un strat cu viteza \(V_1\) și un substrat cu viteza \(V_2 > V_1\) sub unghiul critic \(i_c\), definit prin

(9.8)\[ \sin i_c = \frac{V_1}{V_2}, \]

se propagă de-a lungul interfeței cu viteza \(V_2\) și emite continuu energie înapoi spre suprafață sub același unghi (unda de cap, head wave; Figura 9.5b). La geofonii apropiați de sursă prima sosire este unda directă, cu timpul \(t = x/V_1\); de la distanța de intersecție \(x_c\) încolo, unda refractată, deși parcurge un drum mai lung, ajunge prima, cu timpul

(9.9)\[ t = t_i + \frac{x}{V_2}, \qquad t_i = \frac{2h\sqrt{V_2^2 - V_1^2}}{V_1 V_2} \quad\Longrightarrow\quad h = \frac{t_i\,V_1 V_2}{2\sqrt{V_2^2 - V_1^2}} = \frac{x_c}{2}\sqrt{\frac{V_2 - V_1}{V_2 + V_1}}, \]

în care \(t_i\) este timpul de intersecție (ordonata la origine a dreptei refractate) și \(h\) grosimea stratului superior. Diagrama timp–distanță (Figura 9.5a) este deci formată din două drepte cu pantele \(1/V_1\) și \(1/V_2\), din care se citesc direct cele două viteze, iar din \(t_i\) sau din \(x_c\) adâncimea interfeței. Pentru interfețe înclinate se trage profilul din ambele capete (tir direct și invers), iar pentru mai multe strate relațiile se generalizează; programele moderne de tomografie de refracție inversează timpii de sosire într-un model continuu de viteze. Metoda este cea mai folosită pentru determinarea adâncimii rocii de bază, a grosimii zonei de alterare și a excavabilității rocilor (roci cu \(V_p\) sub circa 1500–2000 m/s se pot excava cu utilaje, cele mai rapide necesită derocare), dar cere ca viteza să crească cu adâncimea: un strat moale sub unul mai rigid (inversiune de viteză) sau un strat subțire intermediar (strat ascuns) nu sunt detectate și falsifică adâncimile. Seismica de reflexie, care înregistrează undele reflectate de interfețe, este metoda de bază a prospecțiunii petroliere; în geotehnică se aplică mai rar, pentru structuri adânci și pentru identificarea faliilor, deoarece rezoluția ei în primii 10–20 m este slabă.

Figura 9.5 Principiul seismicii de refracție pentru un model cu două strate: (a) diagrama timp–distanță a primelor sosiri, cu dreptele undei directe (panta \(1/V_1\)) și undei refractate (panta \(1/V_2\)), timpul de intersecție \(t_i\) și distanța de intersecție \(x_c\); (b) traseul razelor: unda directă și unda refractată critic, care se propagă de-a lungul interfeței cu viteza \(V_2\).

Pentru proiectarea seismică interesează în primul rând viteza undelor de forfecare \(V_s\), pentru că ea guvernează amplificarea mișcării seismice în depozitele de suprafață (Secțiunea 7.4.3). Parametrul de clasificare a terenului este viteza medie ponderată pe primii 30 m,

(9.10)\[ V_{s,30} = \frac{30}{\displaystyle\sum_{i=1}^{n} \frac{h_i}{V_{s,i}}}, \]

în care \(h_i\) și \(V_{s,i}\) sunt grosimea și viteza fiecărui strat din primii 30 m; pe baza ei SR EN 1998-1 (ASRO, 2004) definește clasele de teren A–E (roca A: \(V_{s,30} > 800\) m/s; terenul moale D: sub 180 m/s), iar codul românesc P 100-1 (MDRAP, 2013) folosește condițiile locale de teren în completarea zonării prin perioada de control \(T_C\) (Secțiunea 7.6.2). NP 074-2022 (anexa K) impune determinarea \(V_s\) prin sondaje seismice până la cel puțin 30 m pentru lucrările din categoria geotehnică 3 amplasate în zone cu \(a_g \ge 0{,}15g\). \(V_s\) se măsoară fie de la suprafață, prin MASW (multichannel analysis of surface waves), metodă care exploatează dispersia undelor Rayleigh – undele de perioadă mai lungă pătrund mai adânc și „simt” straturile mai rigide – și inversează curba de dispersie într-un profil \(V_s(z)\) (Park et al., 1999), fie în foraje, prin metodele downhole (sursa la suprafață, geofon triaxial coborât în foraj la diferite adâncimi) și crosshole (sursa într-un foraj, receptori în unul sau două foraje alăturate, la aceeași adâncime), care dau profile mai precise, dar necesită foraje tubate cu PVC și cimentate. Din \(V_s\) și densitate se obține modulul de forfecare la deformații mici, \(G_0 = \rho V_s^2\), parametru de bază al analizelor dinamice și al calculului tasărilor în domeniul deformațiilor mici.

9.4.2. Tomografia de rezistivitate electrică (ERT)

Metodele electrice măsoară rezistivitatea \(\rho\) a terenului (în \(\Omega\)m), care depinde mai puțin de mineralele rocii și mult mai mult de porozitate, de saturație și de salinitatea apei din pori și de conținutul de argilă: argilele și apele mineralizate au rezistivități mici (1–50 \(\Omega\)m), nisipurile și pietrișurile umede valori medii (50–500 \(\Omega\)m), calcarele compacte, rocile magmatice și pietrișurile uscate valori mari (500–10 000 \(\Omega\)m), iar golurile umplute cu aer valori practic infinite. Într-un dispozitiv cvadripolar (Figura 9.6a) se injectează un curent \(I\) prin doi electrozi (A, B) și se măsoară diferența de potențial \(\Delta V\) între alți doi (M, N); pentru un semispațiu omogen rezistivitatea rezultă din

(9.11)\[ \rho_a = K\,\frac{\Delta V}{I}, \qquad K_{\text{Wenner}} = 2\pi a, \qquad K_{\text{Schlumberger}} = \pi\,\frac{L^2 - l^2}{2l}, \]

în care \(K\) este factorul geometric al dispozitivului, \(a\) distanța dintre electrozii echidistanți ai dispozitivului Wenner, iar \(L = AB/2\) și \(l = MN/2\) semidistanțele dispozitivului Schlumberger. Pentru un teren neomogen valoarea obținută este o rezistivitate aparentă \(\rho_a\), medie ponderată a volumului parcurs de curent, care crește cu depărtarea electrozilor: adâncimea de investigare este de ordinul \(a/2\) până la \(a\) pentru Wenner, respectiv \(AB/4\) până la \(AB/3\) pentru Schlumberger (Reynolds, 2011). Sondajul electric vertical clasic (mărirea progresivă a \(AB\) în jurul unui punct) a fost înlocuit de tomografia de rezistivitate electrică (ERT, electrical resistivity tomography): zeci de electrozi (uzual 48–96) sunt înfipți la distanțe egale de 1–5 m în lungul unui profil și conectați printr-un cablu multiconductor la un aparat care comută automat combinațiile de electrozi; miile de valori \(\rho_a\) obținute sunt inversate numeric într-o secțiune 2D (sau un bloc 3D) de rezistivități „adevărate” (Figura 9.6b).

Figura 9.6 Principiul metodei rezistivității electrice: (a) dispozitivul Wenner cu patru electrozi echidistanți, liniile de curent și echipotențialele, relațiile de calcul pentru dispozitivele Wenner și Schlumberger; (b) secțiune de rezistivitate schematică pe un amplasament calcaros, cu acoperiș argilos conductiv, zonă de falie cu umplutură argiloasă, gol carstic rezistiv și forajul de calibrare care confirmă interpretarea.

ERT este metoda geofizică cea mai folosită în geologia inginerească, deoarece contrastele de rezistivitate corespund adesea celor de interes practic: golurile carstice și galeriile miniere (rezistive), zonele de falie și de forfecare cu umplutură argiloasă (conductive), limita argilă–nisip, adâncimea rocii de bază sub un acoperiș argilos, nivelul freatic în nisipuri, extinderea umpluturilor și a penei de poluare, suprafețele de alunecare (Secțiunea 8.6). Limitările ei sunt: principiul echivalenței (un strat subțire foarte rezistiv sau foarte conductiv nu poate fi separat de unul mai gros cu contrast mai mic), scăderea rezoluției cu adâncimea, dificultatea contactului electric în terenuri uscate sau pe beton și asfalt și perturbațiile produse de rețelele metalice îngropate. Din nou, calibrarea pe foraje este obligatorie: în Figura 9.6b, fără forajul F1, anomalia rezistivă ar putea fi interpretată la fel de bine ca un bloc de calcar compact sau ca un gol.

9.4.3. Georadarul, gravimetria și magnetometria

Georadarul (GPR, ground penetrating radar) emite impulsuri electromagnetice de înaltă frecvență (25–1000 MHz) printr-o antenă deplasată pe suprafață și înregistrează ecourile reflectate de interfețele dintre materiale cu permitivitate dielectrică \(\varepsilon_r\) diferită. Viteza undei și adâncimea reflectorului sunt

(9.12)\[ v = \frac{c}{\sqrt{\varepsilon_r}}, \qquad d = \frac{v\,t}{2}, \]

în care \(c\) este viteza luminii în vid și \(t\) timpul dublu de parcurs; în nisip uscat (\(\varepsilon_r \approx 4\)–6) \(v \approx 0{,}12\)–0,15 m/ns, în pământuri saturate (\(\varepsilon_r \approx 20\)–30) viteza scade la jumătate. Rezoluția georadarului este excelentă (centimetri la frecvențe mari), dar adâncimea de pătrundere este invers proporțională cu frecvența și cu conductivitatea electrică a terenului: în argile umede semnalul este absorbit în primul metru, în nisipuri uscate și în calcare poate ajunge la 10–15 m. Se folosește pentru localizarea conductelor, a beciurilor și a fundațiilor vechi, a golurilor de sub platforme și pavaje, a armăturilor din beton și a stratificației superficiale.

Gravimetria măsoară variațiile minime ale accelerației gravitaționale produse de contrastele de densitate; după corecțiile de latitudine, altitudine (Bouguer), relief și derivă instrumentală, anomaliile negative locale indică deficit de masă – goluri carstice, galerii miniere, umpluturi afânate în paleovăi – iar cele pozitive corpuri dense. Microgravimetria, cu gravimetre de precizie de câțiva microgali și rețele dese de puncte, detectează goluri de câțiva metri la adâncimi de ordinul a 10–20 m. Magnetometria măsoară câmpul magnetic total sau gradientul lui; ea reacționează la susceptibilitatea magnetică, mare la rocile bazice (bazalte, andezite) și la obiectele feroase, și se aplică pentru cartarea filoanelor și a contactelor între roci magmatice și sedimentare, pentru localizarea rezervoarelor, conductelor și obiectelor metalice îngropate și, în arheologie, a structurilor arse. Ambele metode sunt puternic perturbate în mediul urban.

9.4.4. Adâncimea de investigare și integrarea cu forajele

Fiecare metodă are o adâncime de investigare proprie, dictată de geometria dispozitivului (lungimea profilului seismic sau electric), de frecvența semnalului (georadar) și de contrastul proprietăților; ca regulă generală, adâncimea de investigare crește cu lungimea dispozitivului, iar rezoluția scade cu adâncimea. Programul geofizic se concepe pornind de la întrebarea geologică (unde este roca de bază? există goluri? unde trece falia?) și de la contrastul fizic pe care ea îl produce, se dimensionează pentru adâncimea necesară și se calibrează pe cel puțin un foraj amplasat pe profil. Combinarea a două metode independente (de exemplu ERT și seismică de refracție) reduce mult ambiguitatea interpretării. Rezultatele geofizice se raportează ca secțiuni interpretate, cu indicarea explicită a incertitudinilor, și devin parte a modelului geologic al amplasamentului (Secțiunea 9.6.3).