Tomografia dai primi arrivi della linea sismica CROP18a (Toscana meridionale)

Lo scopo del lavoro di tesi è quello di effettuare uno studio tomografico di velocità utilizzando i primi arrivi ottenuti nella linea sismica CROP18, acquisita nell’ambito del progetto CROsta Profonda. In particolare si fa uso dei dati della linea 18a, situata a ovest di Larderello con orientamento circa NW - SE. Questa area è nota per la presenza di risorse geotermiche sfruttabili, sviluppatesi successivamente alla messa in posto di corpi intrusivi ad alta temperatura. I dati consistono di 198 shots di produzione realizzati con cariche esplosive. Di questi, 196 sono stati acquisiti con la tecnica Near Vertical Reflection e 2 con la tecnica expanding spread. I primi sono caratterizzati da un offset massimo di 7.5 km mentre gli expanding spread hanno un offset di circa 40 km. La tomografia è un problema inverso non lineare che si articola secondo diverse fasi. Nella prima fase, viene stabilito un modello di velocità di prova, utilizzato per tracciare i raggi e calcolare i tempi di primo arrivo nella configurazione sorgenti-ricevitori desiderata. Successivamente vengono calcolati i residui, ovvero la differenza tra tempi predetti e osservati. Infine, la somma quadratica (norma L2) di tali residui viene minimizzata per ottenere le correzioni, in termini di differenze di velocità o lentezze, da apportare al modello iniziale. L’intero processo viene ripetuto iterativamente, fino a quando non si hanno più variazioni significative nel modello ottenuto e/o nel residuo totale. Il primo passo del lavoro è consistito nella lettura (picking) dei tempi di primo arrivo sulle registrazioni sismiche ottenute da ciascun canale. Per tale procedura è stato utilizzato il software ProMAX. Per la successiva inversione dei tempi di primo arrivo, è stato poi effettuato uno studio per comparare il metodo di funzionamento ed i risultati di due diversi codici di calcolo. Il primo di questi è ProMAX, software realizzato per l’analisi dei dati di sismica attiva, che include anche un modulo per l’inversione tomografica bidimensionale. Ciò che lo caratterizza è l’impiego del metodo di Langan e Lerche per il tracciamento raggi, che viene effettuato nella prima iterazione, utilizzando un modello di partenza generato automaticamente dal software. Le prestazioni di ProMAX sono state investigate effettuando delle inversioni tomografiche di dati sintetici generati per due diversi modelli di prova. In questa fase il calcolo è stato ripetuto numerose volte per diverse combinazioni dei parametri di regolarizzazione, al fine di verificarne l’effetto sul risultato finale. Ciò ha permesso di comprendere al meglio il funzionamento del software, che non essendo stato progettato per le tomografie, risulta abbastanza complesso e rigido nei vari passaggi da eseguire. Gli output restituiti da tale programma sono dei modelli 2D di velocità, delle mappe di densità di raggi, i tempi residui prima e dopo l’inversione. Tuttavia, non risulta possibile visualizzare le traiettorie dei raggi nella fase di ray tracing. Nella seconda parte del lavoro si è proseguito con l’inversione degli stessi dati tramite un diverso software. Il codice scelto è stato PROFIT, ideato specificatamente per l’esecuzione di tomografie, che utilizza procedure differenti da ProMAX. Il tracciamento dei raggi è infatti realizzato seguendo un metodo di tipo bending, e viene ripetuto ad ogni iterazione su modelli via via aggiornati. Anche in questo caso si è partiti dall’inversione dei dati sintetici per passare poi a quelli reali. Sono state generate molteplici inversioni variando in primo luogo il modello di partenza. Per ogni modello iniziale, sono state realizzate altre inversioni per la scelta ottimale dei parametri di regolarizzazione. PROFIT risulta essere molto più immediato da comprendere e da utilizzare, e allo stesso tempo è molto più flessibile. Gli output creati da PROFIT sono numerosi ed è possibile visualizzare modelli di velocità, traiettorie dei raggi e anomalie calcolate ad ogni iterazione, oltre alla capacità di adattamento (fit) dei dati predetti a quelli osservati, e all’errore quadratico totale (RMS) associato. Una volta terminate le inversioni sono stati confrontati i risultati ottenuti con i diversi software ed i differenti parametri. In generale si può osservare che ProMAX, pur essendo vantaggioso dal punto di vista dei tempi di calcolo, restituisce dei risultati meno attendibili e con artefatti, oltre ad avere una minore capacità di risoluzione. Al contrario PROFIT ha una maggiore risoluzione e fornisce dei risultati più affidabili, associando al risultato la stima dell’errore. Tuttavia, nonostante i diversi metodi e procedure seguite, la distribuzione delle velocità nei modelli finali è abbastanza coerente. Infine, è stata data un’interpretazione geologica dei risultati ottenuti, concentrando l’attenzione sulle basse profondità (fino ad un massimo di 3 km) poiché queste sono le aree più vincolate. È in questa porzione infatti che il numero di raggi, e in particolare dei loro incroci, è più elevato. Le velocità trovate variano dai 2.5 km/s ai 4 km/s nei livelli più superficiali e in generale si ha un aumento di velocità con la profondità. Tali valori sono riconducibili a depositi sedimentari e alle Unità Liguri che affiorano nella zona attraversata dalla linea sismica. Si osserva inoltre un intervallo, le cui velocità sono comprese tra 2.5 e 3.5 km/s, legato alla presenza di una struttura inclinata che si approfondisce in direzione NW. Tra i 500 m e i 3 km, massima profondità da considerare ben definita, le velocità calcolate sono di 5-6.5 km/s, con alcune aree localizzate in cui si hanno picchi di 7 km/s