Geofisica di esplorazione e applicata

Università degli Studi di Pisa
A Pisa

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  • Laurea
  • Pisa
Descrizione

La Geofisica di Esplorazione è una scienza che sviluppa metodi e tecnologie di indagine non invasiva dell'interno della Terra e applica gli stessi allo studio della superficie, del sottosuolo terrestre, dei manufatti e delle strutture. Il Corso forma geofisici con una preparazione di base approfondita e con capacità specialistiche tali da poter affrontare e risolvere problemi di esplorazione e di caratterizzazione del sottosuolo e di manufatti, sia al fine di applicazioni nel campo dell’Ingegneria e delle Geoscienze, sia al fine di costituire un’adeguata preparazione per l’eventuale inserimento in Istituzioni di ricerca e Dottorati. Il Corso nasce dalla collaborazione fra la Facoltà di SMFN e la Facoltà di Ingegneria dell'Università di Pisa, e le Facoltà di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale e di Ingegneria dell’Informazione del Politecnico di Milano.Il Corso ha durata biennale e si articola in vari percorsi formativi in funzione della Laurea di provenienza: ·il primo anno è dedicato all’apprendimento di metodologie e tecniche specialistiche e all’eventuale integrazione della preparazione di base con conoscenze multidisciplinari;
·nel secondo anno prosegue la formazione specialistica e di tipo professionale con il lavoro di preparazione della Tesi di Laurea Magistrale .Tutti i percorsi formativi prevedono le seguenti caratteristiche: 40 cfu per la tesi; da 32 a 38 cfu per attività geofisiche; almeno 7 cfu a scelta. E’ previsto un numero di esami fra 10 e 12.

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Pisa
Lungarno Antonio Pacinotti, 43 , 56122, Pisa, Italia
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Geofisica

Programma

  • Laboratorio e Campagna di Geofisica (6 cfu)

    • Si tratta di una intensa e continuativa esperienza della durata di almeno 5 giorni durante i quali si apprende l'utilizzo pratico di strumentazione geofisica, comprendente strumenti sismici, elettrici, radar, gravimetrici e magnetometrici. Le attività' di misura vengono realizzate direttamente dagli studenti, suddivisi in squadre di lavoro, ed i dati registrati in campagna vengono successivamente analizzati, elaborati ed interpretati dagli stessi studenti in laboratorio.

      Vengono acquisite conoscenze ed esperienze operative per la conduzione di misure geofisiche e l'elaborazione dei relativi dati .
  • Laboratorio di Elaborazione Numerica di Dati Geofisici (6 cfu)

    • Programma del corso

      Gran parte del corso è dedita ad esercitazioni di laboratorio con strumenti informatici (Matlab) su dati sintetici e reali. La parte teorica è dedicata all’approfondimento del campionamento bidimensionale e agli spettri di Fourier 2D e alle tecniche numeriche di stima della somiglianza fra due funzioni. Le esercitazioni di laboratorio svilupperanno i seguenti argomenti

      Il modello convoluzionale nel dominio dei tempi
      Funzione di riflettività e traccia sismica risultante dal modello convoluzionale. Ondina di Ricker. Esempio di convoluzione dell'ondina di Ricker con una traccia impulsionale ricavata dal modello di velocità del Marmousi.

      Campionamento e Trasformata di Fourier
      Il campionamento di una armonica sinusoidale: problema dell’aliasing. Frequenza di Nyquist. Esempio di trasformata di Fourier di una traccia sismica relativa alla componente verticale di una registrazione accelerometrica del terremoto di Loma Prieta.

      Funzioni di autocorrelazione e cross-correlazione
      Proprietà delle funzioni di autocorrelazione e cross-correlazione. Il rumore random (rumore casuale con distribuzione normale, media zero e varianza unitaria). Comportamento della funzione di autocorrelazione nei confronti del rumore random. Filtraggio adattato.

      La fase di un’ondina.
      Il problema della definizione in valore principale della funzione arctan: swrappamento monodimensionale. Traslazione nei tempi. Rotazione dello spettro lineare di fase.

      Regressione Lineare
      Esempio di regressione lineare sugli arrivi a rifrazione di alcune registrazioni effettuate sulla Frana di Ancona per il calcolo delle velocità del rifrattore.

      Ottimizzazione
      Calcolo dei valori ottimizzati di spessore e velocità di uno strato incognito minimizzando lo scarto tra tempi osservati da sensori posti sul fondale marino e un modello a strati orizzontali.

      Obiettivi formativi

      Il corso mira a far acquisire agli studenti capacità operative nell’utilizzo di strumenti numerici per l’elaborazione di dati geofisici. Al termine del corso lo studente avrà le capacità di sviluppare codici Matlab tali da rappresentare dati geofisici e da risolvere semplici problemi numerici. Soprattutto avrà le conoscenze necessarie per poter intraprendere in autonomia ulteriori approfondimenti.
  • Sismologia d'Esplorazione e log geofisici (9 cfu)

    • Obiettivi formativi

      Il corso, di tipo metodologico, fornisce i concetti fondamentali dei metodi di misure geofisiche in pozzo e sviluppa, con un certo approfondimento, la tecnica di esplorazione tramite prospezioni sismiche a riflessione. I vari esempi applicativi a fini di ricerca di fonti energetiche (idrocarburi e geotermia), per lo studio di strutture crostali e per applicazioni di ingegneria, supportano le parti teoriche e illustrano le molteplici possibilità di applicazione. Al termine del corso lo studente conosce i principali metodi di misure geofisiche in pozzo e ha sviluppato una limitata esperienza di interpretazione. Ha inoltre appreso l’intera sequenza di prospezione sismica, dall’acquisizione all’elaborazione, comprese le sue criticità, e se dotato di opportuno software è in grado di eseguire le elaborazioni necessarie a realizzare sezioni sismiche a riflessione. Infine si è dotato di alcune conoscenze di base sul trattamento dei dati che sono di utilità generale.
  • Attività seminariale (1 cfu)

  • 6 cfu a scelta nel gruppo AFF1

    • Teoria del segnale
    • Trattamento dei dati sperimentali (6 cfu)

    • Teoria dei segnali (6 cfu)

      • Nel corso viene affrontata la rappresentazione dei segnali continui nel dominio della frequenza (trasformata di Fourier) ed esaminata la possibilità di convertire un segnale analogico in uno discreto per mezzo dell’operazione di campionamento. Si procede con la caratterizzazione dei sistemi lineari e tempo-invarianti, attraverso la risposta impulsiva e quella in frequenza. Viene poi introdotta la teoria assiomatica della probabilità, per poter affrontare lo studio dei processi aleatori, della loro caratterizzazione spettrale e della elaborazione attraverso sistemi lineari. L’obiettivo è quindi di mettere gli allievi in grado di avere familiarità con l’analisi spettrale dei segnali, con i modelli probabilistici fondamentali, e di applicare la teoria dei processi aleatori alla estrazione di informazioni utili da dati rumorosi.
    • Elaborazione dei segnali di interesse fisico (6 cfu)

      • Lo studente apprenderà le basi della elaborazone numerica dei segnali ed alcune applicazioni alla fisica. Caratteristiche dei segnali di interesse fisico. Trasformate di Fourier discrete e a tempo discreto. Trasformata z. Sistemi lineari tempo invarianti ad impulso finito ed infinito. Filtri digitali: principi di disegno. Segnali casuali: teorema di Wiener-Kintchine. Teorema del campionamento. Conversione D/A e A/D. Stime spettrali.
  • 12 cfu a scelta nel gruppo CGL

    • Discipline caratterizzanti geologiche
    • Fondamenti di Geologia 1 (6 cfu)

      • Obiettivi Il corso si propone di fornire agli studenti in possesso di lauree di tipo non-geologico, concetti introduttivi fondamentali sull’origine, costituzione e struttura della Terra, la teoria delle tettoniche delle placche, i minerali che costituiscono le rocce terrestri, i processi magmatici intrusivi ed estrusivi, le rocce magmatiche intrusive e vulcaniche. Il corso prevede il contatto fisico con le rocce sia attraverso esercitazioni di laboratorio sia mediante escursioni di terreno. Descrizione Il metodo scientifico in geologia, struttura della Terra e metodi di esplorazione. Tettonica delle placche, velocità e movimenti delle placche, margini divergenti, trasformi e convergenti. Struttura e proprietà fisiche della crosta continentale e della crosta oceanica. Caratteri morfostrutturali dei margini di placca. Struttura atomica della materia e proprietà fisiche dei minerali. Rocce ignee, sedimentarie e metamorfiche. Il ciclo delle rocce. Origine dei magmi, composizione mineralogica e tessiturale delle rocce magmatiche intrusive ed effusive. Attività magmatica e tettonica delle placche. La formazione del magma nelle dorsali oceaniche e lungo i margini convergenti. I vulcani come geosistema, tipi di eruzioni e distribuzione globale del vulcanismo. Laboratorio rocce magmatiche: descrizione delle principali caratteristiche tessiturali delle rocce magmatiche e criteri classificativi.
    • Geomorfologia radar (6 cfu)

      • Obiettivi: Il corso si propone di fornire agli studenti i principi base del funzionamento del Ground Penetrating Radar (GPR) , delle tecniche di processamento dati e delle applicazioni nei principali ambienti geomorfologici. Le applicazioni, dopo un inquadramento teorico, saranno illustrate attraverso la documentazione di casistiche reali. Sono previste esercitazioni pratiche di utilizzo del GPR e di elaborazione dati. Descrizione: Principi elettromagnetici del Ground Penetrating Radar (GPR). Proprietà elettriche e magnetiche di rocce, suoli e fluidi. Risoluzione verticale ed orizzontale, dip-displacements, diffrazioni e riflessioni out-of-line. Cause delle riflessioni GPR nei sedimenti. Ricostruzione della struttura interna dei depositi clastici. Facies radar. Processamento dei dati GPR. Applicazioni del GPR nell'ambiente eolico, costiero, fluviale e glaciale. GPR e permafrost. GPR e tettonica attiva. Utilizzo del GPR per la ricostruzione della fratturazione di materiali geologici.
    • Fondamenti di Geologia 2 (6 cfu)

      • Obiettivi formativi Il corso si propone di fornire agli studenti in possesso di lauree di tipo non-geologico, concetti introduttivi e di base di geologia stratigrafica, strutturale e tettonica per la definizione dei principali ambienti deposizionali, processi sedimentari, strutture tettoniche e meccanismi deformativi che regolano l’evoluzione geologica della crosta terrestre. Il corso prevede a complemento delle lezioni teoriche un laboratorio di analisi e riconoscimento delle rocce sedimentarie e metamorfiche. Descrizione Il ciclo litogenetico: degradazione, erosione, trasporto, deposizione e diagenesi. Processi deposizionali, strutture sedimentarie e ambienti deposizionali. Successioni sedimentarie e unità litostratigrafiche. Tipi di contatti stratigrafici. Regola di Walther. La scala dei tempi e le unità biostratigrafiche. Deformazione finita (stress-strain) alla scala mesoscopica e comportamenti reologici. Deformazione fragile e deformazione duttile: zone di faglia, sistemi plicativi e foliazioni tettoniche. Thrust tectonics: sistemi di thrust, meccanismi di deformazione (fault propagation fold, fault-bend folding) e tettonica di inversione. Strutturazione delle catene collisionali: tettonica a falde e tettonica ad accavallamenti, unità di copertura e unità di basamento. Laboratorio rocce sedimentarie e metamorfiche: descrizione delle principali caratteristiche tessiturali delle rocce sedimentarie e delle rocce metamorfiche e criteri classificativi.
    • Stratigrafia sismica (6 cfu)

      • Il Corso di Stratigrafia sismica si propone di introdurre lo studente all’analisi stratigrafica di sottosuolo attraverso la lettura e l’interpretazione di profili sismici a riflessione e l’analisi di logs di pozzi.
    • Interpretazione sismica di strutture tettoniche (6 cfu)

      • Il Corso di Interpretazione sismica delle Strutture di Sottosuolo si propone di fornire allo studente gli strumenti di base per studi di tettonica regionale integrando le conoscenze sulle strutture geologiche di superficie con l’analisi delle strutture di sottosuolo riconosciute in profili sismici a riflessione.
    • Geologia dei giacimenti petroliferi (6 cfu)

    • Tettonica e Sedimentazione (6 cfu)

  • 6 cfu a scelta nel gruppo CFIS

    • Discipline caratterizzanti fisiche
    • Complementi di Fisica e Matematica (6 cfu)

      • Complementi di analisi: Scalari, vettori e tensori. Proprieta’ dei vettori e operazioni con i vettori. Elementi di calcolo matriciale e tensori. Operazioni e trasformazioni dei tensori. Sistemi lineari e linearizzazione di funzioni. Sviluppi in sarie di Taylor e Fourier. Funzioni di piu’ variabili e operatori vettoriali. Differenziale totale e derivate parziali. Soluzioni di equazioni algebriche. Equazioni differenziali alle derivate parziali. Proprieta' ed esempi di soluzione di equazioni del trasporto. Teoremi di Gauss e Stokes. Applicazioni alla Fisica: Risonanza. Esempi fisici. Applicazioni Teoremi di Gauss e Stokes alla risoluzione di problemi di elettrostatica e magnetostatica. Equazione delle onde. Soluzione generale onda piana e sferica. Onde Longitudinali e trasverse. Obbiettivi minimi del Corso: Buona padronanza degli strumenti di analisi matematica per funzioni di più variabili e analisi tensoriale e capacità di applicarli ai problemi fisici.
    • Strumentazione per la geofisica e geofisica di potenziale (6 cfu)

      • Il corso si propone di fornire gli elementi fondamentali della teoria della misura e i principi fisici di funzionamento della strumentazione in uso nella geofisica, con particolare riferimento ai sensori magnetici, cinematici e gravitazionali. Sarà analizzata la descrizione e la costruzione della scala del tempo e il funzionamento dei sistemi satellitari di localizzazione punto. Verranno infine fornite le nozioni di base della descrizione del campo gravitazionale e del campo magnetico terrestre e della trattazione del dato gravimetrico o magnetometrico rilevato.
    • Fisica delle Rocce (6 cfu)

  • 6 cfu a scelta nel gruppo AFF2

    • Affini e integrative
    • Trattamento dei dati sperimentali (6 cfu)

    • Complementi di Elettromagnetismo ed Ottica (3 cfu)

      • Onde elettromagnetiche Generalità su Equazioni di Maxwell. Derivazione equazione delle onde. Onde longitudinali e trasversali. Confronto fra onde acustiche ed elettromagnetiche. Onde elettromagnetiche piane nel vuoto. Onde e.m. sferiche. Vettore di Poynting ed energia di un’onda e.m. Dipolo oscillante generalità. Esempi di sorgenti di radiazione. Propagazione in mezzi isotropi. Semplice modello per l'indice di rifrazione. Riflessione e rifrazione. Dispersione della luce. Spettroscopio a prisma. Polarizzazione. Caratteristiche generali. Propagazione in mezzi anisotropi. Birifrangenza. Polarizzatori. Interferenza e diffrazione. Generalità. Reticolo di diffrazione. Strumenti ottici e potere risolutivo. Obbiettivi minimi del corso:Conoscenza dei fondamenti delle onde elettromagnetiche e delle proprietà ottiche dei materiali.
    • Elementi di geochimica per geofisici (6 cfu)

      • Attraverso questo Corso lo studente imparerà a capire i meccanismi che regolano il comportamento degli elementi chimici nei sistemi solidi (litosfera), liquidi (idrosfera) e gassosi (atmosfera) che lo aiuteranno a comprendere i principali processi responsabili dell’origine ed evoluzione del nostro pianeta. Contenuti: La formazione degli elementi chimici nell’Universo: dal “Big Bang”alla nucleosintesi stellare. L'origine dell'universo. La formazione ed evoluzione delle stelle e delle galassie. Il diagramma HR di classificazione delle stelle. Abbondanza relativa degli elementi nell’Universo e nel Sistema Solare. Regola di “Oddo-Harkins”. Il frazionamento degli elementi nel sistema solare. La classificazione cosmochimica. Formazione ed evoluzione del sistema solare. Formazione ed evoluzione della Terra. Struttura atomica della materia. Elementi ed isotopi . La carta dei nuclidi. I meccanismi di decadimento degli atomi radioattivi. Le leggi matematiche del decadimento radioattivo e la geocronologia. Classificazione geochimica e cosmochimica degli elementi. Comportamento geochimico dei vari gruppi di elementi che costituiscono le rocce terrestri: gli elementi alcalini e alcalino-terrosi; gli elementi di transizione, i lantanidi, gli attinidi. Rappresentazione delle composizioni chimiche di materiali geologici: elementi maggiori, minori ed in traccia. Cenni sulla struttura e composizione chimica della Terra e dei suoi serbatoi principali. Struttura e composizione del mantello terrestre. Eterogeneità del mantello litosferico ed astenosferico. Composizione del mantello inferiore. Struttura e composizione della crosta terrestre. Crosta oceanica e crosta continentale. Principali meccanismi di formazione della crosta nelle varie ere geologiche. Caratteristiche della crosta in funzione dell'ambiente geodinamico di formazione: crosta di margini divergenti, convergenti, intraplacca. L'atmosfera terrestre. Componenti principali. Componenti non conservativi e principali cause della loro variazione. Origine ed evoluzione della composizione dell'atmosfera. L'effetto "serra" e l'incremento della CO2 nell'ultimo secolo. Meccanismi di sequestro della CO2. L'idrosfera terrestre. Le proprietà dell'acqua. Caratteristiche fisico-chimiche delle acque naturali. Equilibri acquosi. L'acqua oceanica. Variazioni di salinità, clorinità, temperatura, densità e loro influenza sulla circolazione profonda. Composizione delle acque marine e fluviali. Elementi e gas conservativi e non conservativi. Fattori che influenzano la variazione degli elementi non conservativi. Processi di weathering chimico e fisico nelle rocce esposte in superficie. Resistenza dei vari minerali ai processi di weathering chimico. Principali reazioni di weathering chimico: ossidazione, idrolisi, idratazione, dissoluzione, ionizzazione. Fattori ambientali che influenzano lo weathering. Dallo weathering all'origine delle rocce sedimentarie. Formazione dei suoli. Studio dei suoli per l'esplorazione geochimica. Profilo di un suolo. Riciclaggio chimico nei suoli. Variazione delle proprietà chimiche e fisiche nel profilo di un suolo. La classificazione dei suoli per l'esplorazione geochimica: pedalfer, pedocal, lateriti. Formazione di lateriti e bauxiti e loro importanza per l'estrazione mineraria. Distribuzione degli elementi economicamente importanti nei vari tipi di suoli. La mobilità degli elementi nell'ambiente secondario. Fattori che influenzano la mobilità degli elementi: pH ed Eh. Reazioni redox. Celle elettrochimiche. Misura del potenziale redox. Diagrammi Eh-pH di stabilità dell'acqua. La solubilità degli elementi ed il pH di idrolisi. Diagrammi Eh-pH di stabilità del Fe, Cu, Mn.
    • Sistemi subacquei (6 cfu)

      • L’insegnamento ha l’obiettivo di fornire conoscenze integrative nel campo delle tecnologie per l’esplorazione geofisica in ambiente subacqueo. In particolare, l’insegnamento si propone di fornire conoscenze riguardanti la propagazione e le comunicazioni acustiche subacquee, la strumentazione per l’esplorazione del fondale marino (side-scan sonar, ecoscandagli a fasci, sub-bottom profilers, …), i sistemi automatici di raccolta dati, inclusi i robot subacquei autonomi o semi autonomi. L’insegnamento intende sviluppare negli studenti le capacità di pianificare, condurre e interpretare i risultati di sperimentazione geofisica in mare; in particolare, si intende sviluppare la capacità di scelta critica della strumentazione e del suo impiego relativamente all’obiettivo della sperimentazione. L’insegnamento ha l’obiettivo di rendere gli studenti consapevoli delle problematiche, dei limiti fisici e dei necessari compromessi nelle prestazioni dovuti alla complessità ed ai vincoli della sperimentazione in ambito marino. In particolare, si intende sviluppare un approccio razionale e metodologicamente motivato alla scelta, configurazione ed impiego della strumentazione oceanografica.
    • Geoarcheologia e tecniche geofisiche (3 cfu)

      • Programma del corso Introduzione alla Geoarcheologia: tra ricerca archeologica e Scienze della Terra; l’Archeometria. Rapporti tra i resti della cultura materiale e il contesto...

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