Scienze della terra

Un materiale si definisce isotropico quando le sue proprietà non cambiano in funzione della direzione secondo cui vengono misurate. Al contrario, se il mezzo è caratterizzato da una dipendenza direzionale delle sue proprietà, è chiamato anisotropico. Tradizionalmente, l’esplorazione sismica è basata sul processamento e interpretazione di dati acustici relativi a mezzi considerati sismicamente isotropici. Tuttavia, l’isotropia è sempre un modello approssimato per descrivere le formazioni geologiche, specialmente nel caso di bacini sedimentari. L’imaging sismico e la stima delle velocità sismiche nel sottosuolo risultano essere inaccurati quando dati relativi a mezzi anisotropici vengono processati con l’assunzione di isotropia. Conseguentemente è importante definire il modello e l’intensità dell’anisotropia che contraddistinguono l’area in esame e utilizzare queste informazioni per il processamento dei dati sismici. Lo scopo principale di questo studio consiste nella caratterizzazione dell’anisotropia degli scisti bituminosi del giacimento di Abbott, presenti nel Bacino di Arkoma, Oklahoma, USA. I dati consistono in registrazioni sismiche ottenute da due stendimenti di superficie composti da geofoni a sola componente verticale e da accelerometri a tre componenti, acquisite durante la fratturazione idraulica del giacimento. Il monitoraggio sismico di superficie è generalmente meno costoso se comparato al monitoraggio da pozzo, specialmente quando i pozzi di osservazione non sono disponibili e devono essere perforati. La tecnica da superficie è basata sull’acquisizione di dati sismici da centinaia di ricevitori opportunamente distribuiti al suolo ed offre una visione del campo d’onda molto più ampia rispetto al monitoraggio da pozzo, generalmente limitato a qualche decina di ricevitori vicini tra loro. Inoltre, l’analisi dei tempi di arrivo di dati acquisiti da reti di ricevitori di superficie costituisce un metodo più robusto rispetto agli studi di polarizzazione di cui sono oggetto i dati di monitoraggio sismico da pozzo. L’inconveniente è un rapporto segnale rumore sensibilmente più basso a causa delle eterogeneità geologiche presenti in prossimità della superficie. Durante il trattamento degli scisti bituminosi di Abbott, è stato registrato qualche centinaio di eventi microsismici e di questi sono stati analizzati i dieci eventi più forti, oltre che i dati derivanti da scoppi di perforazione. La Vertical Transverse Isotropy (VTI) è, senza dubbio, il modello anisotropico più comune in bacini sedimentari, specialmente in presenza di scisti. La velocità sismica in mezzi VTI varia quando la direzione di propagazione si discosta dalla verticale ma non al variare dell’azimut. L’analisi dei dati sismici relativi alle onde P ha confermato che il modello VTI è quello che meglio si adatta agli scisti di Abbott e/o alle rocce sovrastanti. In mezzi omogenei ed anisotropici di tipo VTI i tempi di arrivo delle onde P ed S si discostano dal moveout iperbolico, che invece caratterizza la propagazione in mezzi omogenei ed isotropici. La non-iperbolicità dei tempi di percorso delle onde sismiche può essere utilizzata per la stima dei parametri di anisotropia. I tempi di arrivo ottenuti dai dati sperimentali possono essere approssimati attraverso l’utilizzo di equazioni analitiche che esprimono i tempi di percorso in funzione dei suddetti parametri di anisotropia. Questa tecnica di inversione è stata testata con dati sintetici e successivamente applicata ai dati del giacimento di Abbott. Dai tempi di arrivo delle onde P ed SH di dieci eventi microsismici sono stati stimati i tre parametri di anisotropia di Thomsen, mentre per quattro scoppi di perforazione è stata applicata l’inversione delle sole onde compressionali. Inoltre è stata accuratamente analizzata la sensibilità del metodo alla presenza di rumore e di eventuale inaccuratezza dei parametri di input. Le inversioni dei tempi di arrivo delle onde P prodotte dagli scoppi di perforazione forniscono parametri di anisotropia tra loro consistenti, mentre i risultati dai tempi di arrivo delle onde compressionali e di taglio relativi agli eventi microsismici sono caratterizzati da una moderata dispersione. Questo risultato può essere spiegato dalla minore accuratezza e più ampia distribuzione spaziale delle sorgenti microsismiche, se paragonate agli scoppi di perforazione. Inoltre, le proprietà elastiche del volume di roccia nell’intorno di ciascuna sorgente microsismica, così come le sue proprietà anisotropiche, variano durante il processo di fratturazione costituendo una possibile causa della dispersione dei parametri di anisotropia stimati. Le inversioni dei tempi di arrivo delle onde SH forniscono elevati valori del parametro di anisotropia associato a questi segnali sismici. Tuttavia è importante sottolineare che si tratta di un’espressione della anisotropia effettiva del mezzo e non di quella intrinseca. Lo shear-wave splitting è considerato un robusto indicatore di anisotropia sismica. Nell’ambito di questo studio, questo fenomeno viene trattato in modo esaustivo, con particolare riguardo ai mezzi VTI. Il tempo di ritardo tra le due onde di taglio soggette a splitting può essere stimato dai dati sismici e quindi invertito per ottenere i parametri di anisotropia. La stima dei tempi di ritardo attraverso il metodo della cross-correlazione fornisce risultati consistenti per ricevitori vicini. L’inversione dei tempi di ritardo è basata sulle approssimazioni dei tempi di percorso delle onde SH ed SV in mezzi debolmente anisotropici e conferma l’anisotropia piuttosto pronunciata già messa in evidenza dalle analisi dei tempi di arrivo delle onde P ed SH. Sono state anche implementate tecniche di analisi dello shear-wave splitting più sofisticate, adatte a modelli di anisotropia più generali. Tuttavia, questi metodi già ampiamente utilizzati per l’analisi di eventi telesismici hanno fornito risultati poco affidabili, principalmente a causa del basso rapporto segnale-rumore caratterizzante i dati del giacimento di Abbott.