geophysical investigation applied to hydrogeological setting

1. Diapositiva 1
Premessa
The geophyical imaging A differenza della diagnostica medica per immagini (medical imaging), che
valuta delle anomalie o differenze rispetto ad un modello di riferimento noto e per il quale si
rilevano delle variazioni di forma o di valore del parametro fisico, la geofisica per immagini
(geophysical imaging) presenta, in fase interpretativa, dei chiari limiti legati all’assenza di un
modello geologico di riferimento.
Per superare l’ambiguità interpretativa, su alcuni casi di studio si è applicata un’analisi incrociata di
dati geofisici, geologici e idrogeologici.
Il confronto tra più fattori (quali l’attribuzione di un corpo geofisico ad una possibile litologia tipica
del sito, oppure il confronto tra le condizioni di permeabilità e il grado di saturazione) ha permesso
di definire alcuni “modelli” tipici di situazioni idrogeologiche montane e di ottimizzare le modalità di
captazione di sorgenti e pozzi
Crest artesian spring kacakciyolu 1
Recharge area
Raise of
groundwater
Geophysical survey
Modalità di interpretazione di alcuni modelli geoelettrici applicati alla ricerca e captazione di sorgenti e pozzi in ambito montano
Mario Naldi –info@techgea.eu; Paolo Baggio –baggiopao@libero.it
MCR - Workshop di Geofisica, Rovereto 4 dicembre 2014

2. Diapositiva 2
Idrogeologia delle sorgenti montane  modelli di riferimento
Sorgenti per movimento gravitativo
Sorgenti per risalita di
acqua in pressione
(artesiane)
(immagini riprese dal «manuals of drinking
water supply» SKAT, 2001)

3. Diapositiva 3
Modello «backstowing»
Le sorgenti di risalita sono caratterizzate dalla presenza
di una barriera impermeabile che ostacola il deflusso
sotterraneo dell’acqua e ne consente la risalita in
superficie.
La «barriera» può essere costituita da
• Elementi tettonici (faglie) che costituiscono una
barriera impermeabile o che mettono a contatto
litotipi a differente permeabilità
• Elementi morfologici che modellano il substrato
lapideo in modo tale da creare i presupposti per
l’accumulo d’acqua (backstowing) con risalita
dell’acqua in corrispondenza della risalita del
substrato lapideo

4. Diapositiva 4
Modello «backstowing» - barriera di risalita di origine tettonica
Esempio 1
Ricerche idriche per potenziamento impianto idrico ad uso idropotabile a servizio della borgata di
Champlas du Col - Sestriere (TO)
L’attuale approvvigionamento della Borgata di
Champlas du Col si colloca in località Grange
Alp alla quota di 2000-2100 m s.l.m. dove
sono presenti n° 3 sorgenti Apl 1 Alp 2 e Alp 3.
I fabbisogni di incremento di alimentazione di
acqua potabile necessari alle aspettative
future di espansione, risulta essere di circa 1
l/s.
Il settore oggetto di ricerca idrica individuato
sulla base dello studio geologico è posto a
monte dell’abitato di Champlas du Col alla
quota di 1850 m s.l.m., in corrispondenza del
piano Armudeus
DESCRIZIONE GENERALE

5. Diapositiva 5
Modello «backstowing» - barriera di risalita di origine tettonica
Esempio 1
Ricerche idriche per potenziamento impianto idrico ad uso idropotabile a servizio della borgata di
Champlas du Col - Sestriere (TO)
L’area di ricerca si colloca all’interno di un dissesto
gravitativo profondo (DGPV, dissesto gravitativo di
Champlas du Col), impostato nella zona superiore
nell’unità dei calcescisti marmorei e marmi impuri del
Complesso del Lago Nero (UNITA’ PERMEABILE
PER FRATTURAZIONE), che risulta
geometricamente sovrapposta agli scisti filladici di
Cerogne-Ciantiplagna (UNITA’ IMPERMEABILE).
La superficie di contatto tra le unità dei calcescisti
marmorei e quella degli scisti filladici mantiene una
giacitura inclinata verso ovest, con una componente
secondaria verso nord che determina –nei confronti
del pendio- un assetto a reggipoggio.
La particolare configurazione morfologica del
versante (alternanza di aree pianeggianti e in
contropendenza) e la presenza di litotipi acquiferi e
impermeabili, crea i presupposti per la presenza di
fenomeni di accumulo tipo «backstowing» che
alimentano numerose e piccole sorgenti coalescenti
con ambienti umidi di tipo palustre come è il caso
dell’area in esame.
Modello idrogeologico
Area umida (verde)

6. Diapositiva 6
Modello «backstowing» - barriera di risalita di origine tettonica
Esempio 1
Champlas du Col - Sestriere (TO)
Indagini geoelettriche
Area umida
Calcescisto carbonatico
Calcescisto filladico
Area umida
Detrito aerato
B
A
Calcescisto carbonatico
Flussi idrici sotterranei

7. Diapositiva 7
Modello «backstowing» - barriera di risalita di origine tettonica
Esempio 1
Champlas du Col - Sestriere (TO) Perforazione pozzi pilota nelle zone di risalita d’acqua in pressione
Sono stati perforati due piezometri (pozzi
pilota) di piccolo diametro in corrispondenza
delle potenziali zone di risalita (pozzi pilota SH-
P1 e SH-P2)
Nel piezometro SH-P1 l’alimentazione proviene
prevalentemente a partire – 10,30 m dal p.c.
con flusso canalizzato. L’acquifero incontrato
risulta in pressione con livello che rapidamente
si ristabilizzava a -6,3 m da p.c.
Per quanto riguarda il piezometro SH-P2
l’alimentazione proviene da un livello compreso
tra – 6 m circa fino a -3,7 m dal p.c. L’acquifero
incontrato ha una pressione inferiore a SH-P1
con livello che rapidamente si ristabilizzava a
circa -3,0 m da p.c. quota questa poco al di
sopra dei rigurgiti evidenziati fini a -3,7 m.
In generale, il sistema acquifero è
caratterizzato da un acquifero fratturato
alimentato da acqua in pressione nelle
fratture poste prevalentemente a partire –
10,30 m dal p.c. con flusso canalizzato che
tende a risalire per l’effetto barriera creato
dai blocchi massivi di calcescisto
carbonatico

8. Diapositiva 8
5
9
13
17
21
25
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000
Livellodinamicofalda(mdalp.c.)
Tempo di pompaggio (secondi)
Champlas du Col Piezometro-pozzo P1 -
PROVA DI EMUNGIMENTO A GRADINI
Quadro riepilogativo dati
Gradini di portata liv statico Q (l/s) liv dinamico Delta s Qs
1 6,43 0,15 6,71 0,280 0,536
2 6,43 0,36 7,43 1,000 0,360
3 6,43 0,57 8,30 1,870 0,305
4 6,43 0,74 9,48 3,050 0,243
5 6,43 0,83 18,10 11,670 0,071
6 6,43 1,19 24,70 18,270 0,065
Modello «backstowing» - barriera di risalita di origine tettonica
Esempio 1
Champlas du Col - Sestriere (TO) Prove di pompaggio per la valutazione della portata estraibile
La prova di pompaggio a gradini nel SH-P1 ha
evidenziato come il flusso canalizzato di quota
-10.30 m abbia una portata di circa 0.7 l/s con
drastica riduzione a portate superiori
(svuotamento pozzo). La risalita del livello è
pressoché immediata dopo il fermo
pompaggio.

9. Diapositiva 9
Modello «backstowing» - barriera di risalita di origine morfologica
Esempio 2
Saitabat Village - Turkey
Granite hill crest
Existing spring
(irregular flow rate)
old catchment
L’area di ricerca è rappresentata da una sorta di circo glaciale, caratterizzato, alla base, da un’area pianeggiante (ad
una quota di circa 1600 m s.l.m.) e da un rilievo collinare che crea una contropendenza. Al piede del versante
emerge una sorgente (captata) e numerose piccole venute che determinano un impaludamento dell’area
pianeggiante. Il modello idrogeologico prevede un flusso canalizzato nel detrito morenico e risalita dell’acqua al
contatto con l’area pianeggiante (per motivi tettonici o morfologici)
DESCRIZIONE GENERALE
Flat area
Hydrological basin
Glacial deposits
upon granite
bedrock
Il fabbisogno di acqua è pari ad
una portata media di 10 l/s,
decisamente superiore alla
portata attuale (con forti
oscillazioni stagionali).

10. Diapositiva 10
Modello «backstowing» - barriera di risalita di origine morfologica
Esempio 2
Saitabat Village - Turkey Indagini geoelettriche
Granite hill
Groundwater
channelised flow
(predicted)
Main spring
(catchment)
Swamp area with
secondary
outflows

11. Diapositiva 11
Modello «backstowing» - barriera di risalita di origine morfologica
Esempio 2
Saitabat Village - Turkey Indagini geoelettriche
Underground flow to SK1
Main channel - Underground flow to
SK2-3
Granite bedrock
Unsaturated loose deposits

12. Diapositiva 12
Modello «backstowing» - barriera di risalita di origine morfologica
Esempio 2
Saitabat Village - Turkey Indagini geoelettriche
Buried granite spur
(groundwater divide)
Main groundwater channel
Granite
bedrock
Channel feeding SK4 source
Granite
bedrock
Unsaturated loose deposits Swamp area
Le ghiaie sature hanno
una resistività
compresa tra 100 e 200
ohm.m

13. Diapositiva 13
Modello «backstowing» - barriera di risalita di origine morfologica
Esempio 2
Saitabat Village - Turkey MODELLO IDROGEOLOGICO
Hard rock
Groundwater flow
(channelised)
SK 1
SK2-4
Granite spur
(morphologic
barrier)
Trench catchment
position to collect
both the flows

14. Diapositiva 14
Modello «backstowing» - barriera di risalita di origine morfologica
Esempio 2
Saitabat Village - Turkey Realizzazione dell’opera di presa
E’ stata realizzata una trincea
drenante per intercettare la zona
centrale più produttiva dei flussi
canalizzati
La portata media è compresa tra
14 e 15 l/s.

15. Diapositiva 15
Modello «gravity contact»
Le sorgenti per gravità sono caratterizzate dalla
presenza di un livello impermeabile basale che
consente il deflusso canalizzato dell’acqua. Le
sorgenti gravitative emergono al contatto tra
profilo topografico e livello impermeabile.
Sono tra le sorgenti più diffuse in contesto
montano

16. Diapositiva 16
Modello «gravity contact»
Esempio 3
Ricerche idriche per potenziamento
impianto idrico ad uso idropotabile
(località non citabile)
L’esempio illustrato si riferisce alla
dispersione di un rio a carattere
stagionale all’interno di un subalveo
detritico di spessore ignoto, e con
fuoriuscita a valle in alcune
manifestazioni sorgive di tipo «gravity
contact» (a circa 1.5-2 km m di
distanza a valle).
?
?

17. Diapositiva 17
Modello «gravity contact»
Esempio 3
Ricerche idriche per potenziamento impianto idrico ad uso idropotabile (località non citabile)
Indagini geoelettriche
I depositi saturi
(blocchi e ciottoli con
ghiaia) hanno una
resistività compresa tra
500 e 1000 ohm.m
Tratto filtrato
Pompa
perforazione pozzo
nella zona di risalita del
substrato
perforazione pozzo
nella zona di risalita
del substrato

18. Diapositiva 18
Modello «gravity contact»
Esempio 3
Ricerche idriche per potenziamento impianto idrico ad uso idropotabile (località non citabile)
perforazione a -32 m (livello falda)
perforazione a -50 m (strato più produttivo)

19. Diapositiva 19
Modello «gravity contact»
Esempio 3
Ricerche idriche per potenziamento impianto idrico ad uso idropotabile (località non citabile)
Quadro riepilogativo dati
Gradini di portata liv statico Q (l/s) liv dinamico Delta s Qs
1 36,93 13,00 37,36 0,430 30,233
2 36,93 15,00 37,50 0,570 26,316
3 36,93 17,50 38,25 1,320 13,258
La prova di pompaggio a gradini nel PP1 ha evidenziato come il flusso canalizzato di subalveo alimenti una falda di
elevate caratteristiche di permeabilità e immagazzinamento.
La portata richiesta (10-12 l/s) determina abbassamenti minimi del livello dinamico (< 0.5 m)

20. Diapositiva 20
Modello «fracture and tubular spring»
Le sorgenti di frattura sono caratterizzate dalla risalita
di acqua in pressione generalmente lungo intersezioni
di fratture o faglie, con allargamento di tipo carsico o
per dilavamento della zona di faglia (milonite
cataclastica).
Generalmente non sono collegate ad una falda (reticolo
di fratture) ma a singole strutture idroconduttrici che
determinano la fuoriuscita di sorgenti in zone di
substrato lapideo con sottile copertura detritica.

21. Diapositiva 21
Modello «fracture and tubular spring»
0 50 100m
Prod. well
Priority 2
Boreholes
Priority 1
Priority 3
Dry well
Survey
area 1
Survey
area 2
Exploration well
Water well
Borehole
Modello
Esempio 4 Ricerche idriche per stabilimento acque minerali (località non citabile - Brazil)
L’area in esame è posta in una depressione
morfologica nella regione di San Paolo (Brasile),
caratterizzata da una sottile copertura di suolo
argilloso su substrato di scisti
quarzitici/gneiss.
Per aumentare la produzione di acqua minerale
sono stati perforati in passato 5 pozzi profondi
(100 m) e due piezometri, con esito negativo.
E’ stata quindi eseguita una indagine
geoelettrica allo scopo di evidenziare la
presenza di fratture idroconduttrici per il
posizionamento di un nuovo pozzo produttivo
(necessario per l’installazione di una nuova linea
di imbottigliamento)

22. Diapositiva 22
Modello «fracture and tubular spring»Modello
Esempio 4 Ricerche idriche per stabilimento acque minerali (località non citabile - Brazil)
Il rilievo geofisico ha previsto il
tracciamento di linee
perimetrali allo stabilimento
con un elevato numero di
elettrodi (60/80) e spaziatura
minima (1 o 2 m)

23. Diapositiva 23
Modello «fracture and tubular spring»Modello
Esempio 4 Ricerche idriche per stabilimento acque minerali (località non citabile - Brazil)
Di tutte le linee geoelettriche, solo
la linea ERT1 ha evidenziato
un’anomalia correlabile con una
frattura idroconduttrice
A B
A
B
ERT 4
COLOR SCALE
Electrical resistivity - log10 (Ohm·m)
ERT 2
Priority 1
Weathered rock Weathered rock (clay)
Hard rock
(quartzite schist)
Fault/fracture
Shallow GW table
Fractured zone with water
Fractured zone with water

24. Diapositiva 24
Modello «fracture and tubular spring»Modello
Esempio 4 Ricerche idriche per stabilimento acque minerali (località non citabile - Brazil)
A B
A
B
COLOR SCALE
Induced Polarization - mrad
A B
Surface water
Fractured zone with rising water
Shallow waterShallow water
Dry fault
Fractured zone with water
La possibile presenza di acqua nella
frattura è stata confermata anche dalla
misura di polarizzazione indotta (debole
anomalia)

25. Diapositiva 25
Modello «fracture and tubular spring»Modello
Esempio 4 Ricerche idriche per stabilimento acque minerali (località non citabile - Brazil)
Geological Model
Geophysical Model
E’ stato perforato un primo pozzo (priority #4) con
continui problemi di collasso delle pareti. Il pozzo è
stato riperforato a 5 m di distanza con installazione di
un rivestimento definitivo nei primi 20 m

26. Diapositiva 26
Modello «fracture and tubular spring»Modello
Esempio 4 Ricerche idriche per stabilimento acque minerali (località non citabile - Brazil)
Expected water
25-26 m
Expected water
28-30 m
Priority#4 bisPriority#4 bis
L’ispezione con videocamera evidenzia la
risalita di acqua dalla frattura tubulare

27. Diapositiva 27
Modello «fracture and tubular spring»Modello
Esempio 4 Ricerche idriche per stabilimento acque minerali (località non citabile - Brazil)
La prova di pompaggio a gradini evidenzia un
flusso turbolento a partire da 10 m3/h di
portata. Portata ottimale = 20 m3/h

28. Diapositiva 28
Modello «artesian spring»
Le sorgenti «artesiane» sono caratterizzate dalla
risalita di acqua in pressione generalmente nelle zone
di fondovalle per la presenza di un livello impermeabile
che determina un delta piezometrico rispetto all’arae di
ricarica.
Possono essere collegate ad una falda o a un reticolo
diffuso di fratture intercomunicanti che, lungo finestre
tettoniche o zone di apertura delle strutture
idroconduttrici determinano la fuoriuscita di sorgenti.

29. Diapositiva 29
Modello «artesian spring»
Esempio 5 Ricerche idriche per verifica vulnerabilità sorgente di acqua minerale (zona non
citabile)

La sorgente oggetto di valutazione è posta in
una zona a morfologia ondulata, disabitata e
priva di vie di comunicazione, in un contesto
ideale per il prelievo di acqua minerale.
In fase di due diligence per l’acquisizione della
sorgente è sorta la necessità di verificare
l’interferenza tra il flusso di alimentazione della
sorgente e un rio stagionale, posto a circa 30 m
dall’opera di presa.
E’ stata quindi eseguita una indagine
geoelettrica allo scopo di evidenziare il modello
idrogeologico e l’interferenza con le acque
superficiali.

30. Diapositiva 30
Modello «artesian spring»
Esempio 5 Ricerche idriche per verifica vulnerabilità sorgente di acqua minerale (zona non
citabile) – modello geofisico
A
L’indagine geoelettrica ha evidenziato la
presenza di un modello di risalita dell’acqua
lungo un’ampia fascia di alterazione
(arenizzazione granito) con formazione e
sbocco di una sorgente artesiana.
Il rio è diviso da uno sperone roccioso (granito)
che agisce da spartiacque sotterraneo e
impedisce la miscela tra le acque superficiali e
le acque profonde.

31. Diapositiva 31
Modello «artesian spring»
Esempio 5 Ricerche idriche per verifica vulnerabilità sorgente di acqua minerale (zona non
citabile) – modello idrogeologico
Main stream
Licensed
source
Weathered
granite
Shallow water
divide
Massive
granite
(very low
permeability)
GWL
Massive
granite
Massive
granite
Weathered
granite
«Finestra» di apertura del
granito impermeabile e
fuoriuscita di acqua in
pressione

32. Diapositiva 32
Grazie per l’attenzione