L'uso di tecniche di tomografia elettrica per la caratterizzazione di siti inquinati

In many environmental problems, e.g. in the case of contaminated sites, studying the stratigraphy of the subsoil is a fundamental step, as it allows the assessment of preferential pathways for the contaminants migration, which need to be considered to design the remediation phase. In a contaminated site, identifying the presence of clay layers is essential, as they act as aquicludes, limiting the migration of pollutants and protecting the aquifers. However, if there are discontinuities in the clay layer, contaminants can migrate freely to deeper layers and reach the aquifers. The geoelectric method, and in particular electrical resistivity tomography (ERT), is one of the most common geophysical techniques for the analysis of the superficial subsoil, since this method allows to measure the variations of some physical properties of the soil. This thesis therefore aims to highlight the importance of a priori information to correctly design the acquisition and to highlight the limits of surface electrical computational tomography (ERT) using the direct current (DC) resistivity method in complex scenarios through the use of synthetic models. In the first part of the thesis, we will show: (1) the physical principles that govern the propagation of current lines in the subsurface (Ohm's law, Laplace's law and Archie's law); (2) the different techniques and configurations (Wenner, Dipole-dipole, etc.) to collect data in the field; (3) the use of a priori information during the measurement; (4) the importance of evaluating the quality of DC resistivity measurements through the stacking process and the use of reciprocal measurements, fundamental for a correct inversion of the data; (5) the forward modeling to generate the synthetic dataset of a subsurface model and of an electrode configuration; (6) the inverse modeling to determine the distribution of electrical properties of the subsurface. Then, the difficulty of accurately defining the thickness of conductive clay layers intercalated with more resistive materials (e.g. gravels) will be discussed. The effect of varying thickness and depth of these layers on surface ERT measurements will be examined, in relation to different configurations and lengths of the electrode line. Furthermore, the effectiveness of ERT in identifying discontinuities in the clay layer, such as those caused by paleochannels, will be evaluated. Such discontinuities are problematic in hydrological context, as they prevent the clay layers from acting as perfect aquicludes, allowing communication between surface contaminants and deep aquifers. Finally, an example of the application of inversion models will be given in a case study where these techniques were applied, highlighting the use of electrical tomography in a real context.

Nell'analisi delle problematiche ambientali, come quelle relative ai siti contaminati, lo studio del sottosuolo rappresenta una fase importante. In particolare, capire la sua stratificazione consente di tracciare il percorso seguito dai contaminanti e, successivamente, pianificare interventi di bonifica. In un sito contaminato, l’identificazione della presenza di strati di argilla è fondamentale, poiché agiscono come acquiclude, limitando la migrazione degli inquinanti e proteggendo le falde acquifere. Tuttavia, se nello strato argilloso sono presenti discontinuità, i contaminanti possono migrare liberamente verso strati più profondi e raggiungere le falde. Il metodo geoelettrico, e in particolare la tomografia della resistività elettrica (ERT), è una delle tecniche geofisiche più comuni per l’analisi del sottosuolo superficiale, in quanto, questo metodo consente di misurare le variazioni di alcune proprietà fisiche del terreno. Con questa tesi quindi si vuole evidenziare l’importanza delle informazioni a priori per fare una corretta progettazione dell’acquisizione ed evidenziare i limiti della tomografia elettrica (ERT) da superficie attraverso il metodo della resistività in corrente continua (CC) in scenari complessi attraverso l’uso di modelli sintetici. Nella prima parte della tesi verranno trattati: (1) i principi fisici che regolano la propagazione delle linee di corrente nel sottosuolo (le leggi di Ohm, legge di Laplace e legge di Archie); (2) le diverse tecniche e configurazioni (Wenner, Dipolo-dipolo, ecc.) per raccogliere i dati sul campo; (3) l’utilizzo di informazioni a priori durante la misurazione; (4) l'importanza di valutare la qualità delle misure di resistività CC attraverso il processo di stacking e l’uso delle misure reciproche, fondamentali per una corretta inversione dei dati; (5) la modellazione forward per generare il dataset sintetico di un modello di sottosuolo e di una configurazione di elettrodi; (6) la modellazione inversa per determinare la distribuzione delle proprietà elettriche del sottosuolo. In seguito, si discuterà della difficoltà di definire con precisione lo spessore degli strati di argilla conduttiva intercalati con materiali più resistivi (ad esempio ghiaie). Verrà esaminato l'effetto che la variazione dello spessore e della profondità di tali strati ha sui rilievi ERT da superficie, in relazione a diverse configurazioni e lunghezze della linea di elettrodi. Inoltre, si valuterà l'efficacia dell'ERT nell'identificare discontinuità nello strato di argilla, come quelle causate da paleocanali. Tali discontinuità sono problematiche in ambito idrologico, in quanto impediscono agli strati di argilla di agire come acquiclude perfetti, permettendo la comunicazione tra contaminanti superficiali e falde acquifere profonde. Infine, si farà un esempio sull’applicazione di modelli di inversione in un caso studio in cui sono state applicate queste tecniche, evidenziando l'uso della tomografia elettrica in un contesto reale.