Processing ed interpretazione di dati GPR relativi ad accumuli detritici in condizioni di permafrost

Questo lavoro di tesi ha come obiettivo quello di esplorare le potenzialità del metodo Ground-Penetrating Radar (GPR) nel rilevare la presenza di orizzonti saturi in ghiaccio all’interno di accumuli detritici che coprono i versanti di alta montagna. La presenza di questi orizzonti dipende da condizioni climatiche di permafrost, cioè di temperature sottosuperficiali persistentemente al di sotto di 0 °C. La sfida del GPR, come quella di altri metodi geofisici impiegati in questi contesti, è di rilevare coerentemente riflessioni provenienti da orizzonti caratterizzati dalla distribuzione di quattro fasi: solida, ghiaccio, aria e acqua (all’interno dei pori in proporzioni variabili), ed in particolare quelle generate da orizzonti saturi o semi-saturi in ghiaccio. Sono state eseguite prospezioni GPR in bassa frequenza (25 MHz), in modalità continua, con antenne non schermate. La bassa frequenza è stata scelta per aumentare la profondità di indagine, rinunciando ad una elevata risoluzione. Per ovviare alla forte irregolarità della superficie topografica, fortemente accidentata, l’acquisizione è stata effettuata durante la stagione invernale, con una copertura nevosa, accettando però di aggiungere alla sottosuperficie uno strato fortemente conduttivo e quindi attenuante le onde EM. L’indagine è stata svolta su un accumulo di versante che per caratteristiche geomorfologiche indicava la probabile presenza di permafrost, un rock glacier, cioè un accumulo detritico eterometrico (sabbia, ghiaia, blocchi) la cui deformazione meccanica del permafrost interno ne ha causato il lento movimento verso il basso (permafrost creeping). Il rock glacier scelto, si trova nelle Alpi Marittime e si sviluppa da circa 2.550 m a 2.350 m all’interno della Valle del Vej del Bouc. In questa regione alpina diversi altri studi, anche geofisici (tomografia elettrica multielettrodo, ERT), hanno dimostrato l’esistenza di permafrost, tuttavia, mai con il metodo GPR. Sono stati acquisiti un profilo longitudinale lungo l’asse del rock glacier, e quattro profili trasversali. Il controllo delle distanze lungo la direzione di survey è stato effettuato tramite un odometro a filo ed il posizionamento finale delle misure è stato materializzato nel sistema UTM tramite un DGPS. I dati raccolti sono stati dapprima sottoposti a pre-processing con lo scopo di: 1. Ricostruire le geometrie dei profili GPR, associandoli alle coordinate GPS corrispondenti e proiettandoli in un sistema georeferenziato; 2. Eliminare drift strumentali generati da fenomeni induttivi (de-trending o dewow); 3. Allineamento ad un tempo zero comune dell’inizio della registrazione delle varie tracce. Il processing dei dati è consistito in operazioni di filtraggio nel dominio del tempo (bandpass filter) dello spazio (background removal e boxcar filter), di recupero delle ampiezze (AGC gain function), di miglioramento della risoluzione verticale (deconvoluzione spettrale). Particolare attenzione è stata dedicata nel calcolo della velocità di propagazione delle onde EM costruendo un modello di velocità 1D tramite il metodo dell’iperbole sintetica. Questo modello è stato poi usato per la migrazione dei dati (migrazione di Kirchhoff). Infine, data l’esistenza di una topografia variabile è stato necessario eseguire una correzione statica della posizione dell’inizio delle singole tracce di registrazione, adattandole ai dati altimetrici forniti dal GPS. La seconda parte della tesi è consistita nell’interpretazione dei dati, ispirandosi ai concetti della radar stratigraphy. Sono state quindi individuate facies radar delimitate al top e alla base da superfici radar, corrispondenti rispettivamente ad orizzonti (crio)stratigrafici e discontinuità stratigrafiche (unconformities). Sulla base delle evidenze raccolte nei singoli profili è stata individuata la riflessione corrispondente al top del permafrost (individuando così lo spessore dello strato superficiale non congelato), una facies radar associata allo spessore di permafrost (orizzonte detritico con ghiaccio interstiziale), la riflessione del substrato roccioso. Inoltre, sono state individuate riflessioni la cui geometria è compatibile con una genesi legata alla deformazione dello stato di permafrost causata dal movimento. Queste figure di riflessione potrebbero essere coerenti con strutture di tipo fragile, come fratture o superfici di scivolamento interne tramite le quali parti di volume del rock glacier si sono accavallate su altre. Questi meccanismi deformativi dei rock glacier sono stati già messi in evidenza in letteratura. Infine, l’interpretazione si è giovata, sia come calibrazione ma anche come verifica puntuale, della disponibilità di dati di resistività elettrica ottenuti in corrispondenza di una parte di uno dei profili GPR. I dati geoelettrici non sono stati ottenuti in questa Tesi, ma comunque il confronto con quelli GPR ha permesso di verificare costituzione, profondità e origine dei vari orizzonti interpretati. Dal profilo geoelettrico tomografico sono stati infatti ricostruiti “log” di resistività elettrica in posizioni selezionate e poi sovrapposti al profilo GPR, consolidando il modello di sottosuperficie ricostruito. Le conclusioni della Tesi mettono in evidenza come l’applicazione del metodo GPR alla rilevazione del permafrost in accumuli detritici ha avuto successo. Condizioni determinati sono, però, quelle di: 1. Operare quando la superficie topografica è “regolarizzata” dalla copertura nevosa; 2. Ricostruire un modello di velocità il più accurato possibile per rendere efficaci le operazioni di migrazione e anche di correzione topografica; 3. Effettuare le misure, comunque, durante la stagione fredda quando lo strato detritico superficiale e gli strati interni più profondi sono quasi del tutto privi di acqua allo stato liquido; 4. Se possibile, è opportuno realizzare un’indagine geoelettrica tomografica anche di lunghezza limitata per calibrare spessori ed interpretazione degli orizzonti. In sostanza, è possibile affermare che il GPR, analogamente ad altri metodi geofisici (es. ERT) può rappresentare uno strumento utile nell’individuazione del permafrost anche nelle regioni montuose delle medie latitudini. Questo risultato riveste una particolare rilevanza non solo per gli studi volti al monitoraggio della stabilità dei versanti detritici, che possono costituire una fonte di rischio per infrastrutture ed insediamenti, ma anche per la valutazione delle risorse acqua allo stato solido rappresentate dal permafrost nei corpi detritici come i rock glacier