Lezione 5

Proprietà dielettriche dei mezzinaturali di interesse geofisicoMetodologie Elettromagnetiche per la Geofisica – lezione n.5Dipartimento di Fisica “Edoardo Amaldi”

Proprietà dielettriche dei mezzinaturali di interesse geofisicoI minerali e le misture di minerali sono dei buoni isolanti dielettrici.Questi hanno una permettività relativa che varia da 3 a 8 ed hannoconducibilità praticamente nulla.I suoli, le rocce ed i materiali da costruzione come il cemento ol’asfalto posseggono degli spazi vuoti tra i loro grani, che possonoessere facilmente riempiti di aria, acqua od altro materiale.L’acqua è il materiale più polarizzabile (alta permettività) contenutonei materiali di interesse geofisico ed è inevitabilmente presente neipori dei materiali terrestri (tranne che in casi estremi).L’acqua presente nei pori contiene una certa quantità di sali e dielettroliti ad elevata mobilità, ed è perciò la principale causa dellaconducibilità di questi materiali.Metodologie Elettromagnetiche per la Geofisica – lezione n.5Dipartimento di Fisica “Edoardo Amaldi”

Proprietà dielettriche di materiali anidriNormalmente le rocce anidrepresentano solo contributi atomici edelettronici alla polarizzazione, diconseguenza in genere la dispersioneè minima o trascurabile sino afrequenze di 10 12 Hz. e la permettivitàreale è indipendente da tutti gli altriparametri tranne che dalla bulkdensityMetodologie Elettromagnetiche per la Geofisica – lezione n.5Dipartimento di Fisica “Edoardo Amaldi”

Proprietà dielettriche di materiali anidriDolomiaIl comportamento non dispersivo delle rocce secche a frequenze aldi sopra dei 100 MHz è confermato da diversi lavori sperimentaliMetodologie Elettromagnetiche per la Geofisica – lezione n.5Dipartimento di Fisica “Edoardo Amaldi”

Proprietà dielettriche di materiali anidriNel caso di rocce anidre, la permettività della roccia, nel suocomplesso, è funzione della permettività dei grani e dellaporosità (ovvero della quantità di aria presente nei pori)Rayleigh Mixing FormulaLa permittività ε Pdi una polvere dipende dalla densità stessa della polvereρ Pe dalla permittività ε Be dalla densità bulk ρ Bdel materialeMetodologie Elettromagnetiche per la Geofisica – lezione n.5Dipartimento di Fisica “Edoardo Amaldi”

Proprietà dielettriche di materiali anidriAlle basse frequenze, invece, ilvalore della permettività ε èfunzione della frequenza e dellatemperatura1 diabase, 2 diorite,3 e 4 gabbro, 5 diabase, 6sienite, 7 olivina, 8 e 10 granito e 9 ossidianaMetodologie Elettromagnetiche per la Geofisica – lezione n.5Dipartimento di Fisica “Edoardo Amaldi”

Permettività in funzione della porositàe della densitàε =Φ+ −Φ ε ' = 2.26ρ T+ 10.96( ') 6.51(1 )Rust et al., 1999Frequency 0.01-10 MHzQueste equazioni non fittano I dati relativi ai basalti(ossidi di Fe-Ti???)Metodologie Elettromagnetiche per la Geofisica – lezione n.5Dipartimento di Fisica “Edoardo Amaldi”

Dispersione dei basaltiMetodologie Elettromagnetiche per la Geofisica – lezione n.5Dipartimento di Fisica “Edoardo Amaldi”

Permettività di roccevulcaniche asciutteTipo diroccia(TAS)Contenuto di SiO 2(%Wt)Campioniε’±∆ε’Asciutte(T room )ε”±∆ε”Leucitite 42.87 V1 6.3±0.2 0.2 ±0.1Trachy-BasaltTrachy-BasaltBasalticAndesiteBasalticAndesiteAndesiteTrachyte48.62 E3 5.9±0.2

Proprietà magnetiche di suoli e rocceMetodologie Elettromagnetiche per la Geofisica – lezione n.5Dipartimento di Fisica “Edoardo Amaldi”

Proprietà magnetiche di suoli e rocceCampioniGlass beads + magnetiteNatural grains (NG)Glass beads + magnetiteCrushed grains (CG)Metodologie Elettromagnetiche per la Geofisica – lezione n.5Dipartimento di Fisica “Edoardo Amaldi”µ 'µ "32.521.510.500.060.050.040.030.020.01500-800250-500125-25040-1501-500% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40%0magnetite volume fraction (%)500-800250-500125-25040-1501-500 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40%magnetite volume fraction (%)

Proprietà dielettriche dell’acquaAl di sotto di ∼10 10 Hz, k’ èindipendente da ω ma varia infunzione della temperaturak′ =k0( T)Metodologie Elettromagnetiche per la Geofisica – lezione n.5Dipartimento di Fisica “Edoardo Amaldi”

Proprietà dielettriche dell’acquaTypical conductivities of electrolytes, and examples from the Great Lakes.Natural sourcemS/mMeteoric waters(from precipitation)Surface waters(lakes & rivers)1 to 300.3 for very pure waters10,000 for salt lakes2 to 30 in igneous regions10 to 100 in sedimentary regionsSoil waters Up to 10,000average around 10Ground waterMine waters (copper, zinc etc. i.e.sulphates)6 to 30 in igneous regions1,000 in sedimentary regionsnot usually less than 3,000Note that Lake Superior is the westernmost lake and therefore in an igneous region, whileLake Ontario is the easternmost or sedimentary region. This may contribute to the generallymore conductive waters of the eastern lakes.The UBC Geophysical inversion facilityMetodologie Elettromagnetiche per la Geofisica – lezione n.5Dipartimento di Fisica “Edoardo Amaldi”

Proprietà dielettriche dell’acquaAdapted from Keller and Frischknecht, 1996Metodologie Elettromagnetiche per la Geofisica – lezione n.5Dipartimento di Fisica “Edoardo Amaldi”

Proprietà dielettriche di suoli e rocce inpresenza d’acquaLa presenza dell'acqua all'interno dei suoli e delle rocce, nemodifica in modo radicale le caratteristiche dielettriche.Effetto della presenza diumidità sullapermettività reale e sullatangente di perdita di uncampione di rocciaintatto e polverizzatoMetodologie Elettromagnetiche per la Geofisica – lezione n.5Dipartimento di Fisica “Edoardo Amaldi”

Proprietà dielettriche di suoli e rocce inpresenza d’acquaIl contenuto d’acqua influisce sia sulla parte reale che su quellaimmaginaria della permettività di un suolo o di una rocciaMetodologie Elettromagnetiche per la Geofisica – lezione n.5Dipartimento di Fisica “Edoardo Amaldi”

Proprietà dielettriche di suoli e rocce inpresenza d’acquaLimo argilloso contenete il15% in peso d'acquaI valori della parteimmaginaria e dellatangente di perdita sonopiccoli per frequenzeintorno ai 100 MHz, e sonomassimi alle bassefrequenze.La parte reale, invece, haun andamento quasicostante nelrange 10 7 -10 9 Hz.Metodologie Elettromagnetiche per la Geofisica – lezione n.5Dipartimento di Fisica “Edoardo Amaldi”

Proprietà dielettriche di suoli e rocce inpresenza d’acquaRisposta in frequenza di ε’ di uncampione di arenaria saturatocon acqua dolceI fenomeni fisici che influiscono sulle perditeall'interno dei suoli sono differenti afrequenze differentiMetodologie Elettromagnetiche per la Geofisica – lezione n.5Dipartimento di Fisica “Edoardo Amaldi”

Proprietà dielettriche di suoli e rocce inpresenza d’acquaValori dellapermettività reale edimmaginaria, infunzione dellaconcentrazione diNaCl (quelli calcolatirappresentati concurve continue,quelli misurati conpunti) e per diverseporosità, relative acampioni di rocciacalcareaMetodologie Elettromagnetiche per la Geofisica – lezione n.5Dipartimento di Fisica “Edoardo Amaldi”

Proprietà dielettriche di suoli e rocce inpresenza d’acquaLa porosità della roccia, influisce notevolmentesui valori di permettività, non solo nel caso disoluzioni saline, ma anche nel caso in cui i porisiano riempiti di acqua a basso contenuto dielettrolitiAl crescere della porosità (i punti si riferisconoalle misure effettuate) cresce anche la partereale della permettivitàAnche il grado di saturazione inacqua del campione di suolo oroccia influenza parte reale edimmaginaria della permettivitàMetodologie Elettromagnetiche per la Geofisica – lezione n.5Dipartimento di Fisica “Edoardo Amaldi”

Proprietà dielettriche di suoli e rocce inpresenza d’acquaVariazione della parte reale e diquella immaginaria dellapermettività, in funzione dellafrequenza, per due diversetemperature, relativa ad uncampione di argilla.Sia per la parte reale che perquella immaginaria, l'effettodella temperatura è più fortealla basse frequenze che aquelle alte.Questo fatto è in accordo con ilcomportamento dell'acquapura, per la quale l'effetto dellatemperatura è forte sullapermettività statica, mentre èpraticamente nullo a frequenzeottiche.Metodologie Elettromagnetiche per la Geofisica – lezione n.5Dipartimento di Fisica “Edoardo Amaldi”