Un articolo di recente pubblicato sulla rivista Fraunhofer parla delle tecniche di imaging utilizzate per lo studio del sottosuolo. Tra questi ultimi, il metodo della riflessione sismica consiste nell’inviare onde acustiche al sottosuolo, alla profondità di migliaia di metri sotto la superficie terrestre. I segnali riflessi forniscono agli scienziati informazioni sulle caratteristiche del sottosuolo. È così che si possono scoprire i giacimenti di petrolio e gas.
Nonostante l’Europa si stia impegnando nel non usare in futuro i combustibili fossili, una conoscenza accurata delle strutture rocciose resta importante per una migliore comprensione dei giacimenti ad oggi conosciuti.
Il sottosuolo della Terra potrebbe essere un luogo chiave per immagazzinare il gas serra. Tramite algoritmi per la computazione automatica dei nuovi metodi di calcolo ad alta prestazione, i ricercatori del Fraunhofer Institute for Industrial Mathematics ITWM sono ora in grado di elaborare i dati sismici in modo più dettagliato. La tecnologia potrebbe anche essere utile per la costruzione di parchi eolici.
La riflessione sismica
La riflessione sismica è un metodo efficicace e non distruttivo per esplorare il sottosuolo. Essa viene utilizzata per la ricerca di giacimenti di petrolio, gas e acqua calda. Si tratta di trasmettere onde acustiche nel terreno e registrare i segnali riflessi. I risultati indicano la composizione e la struttura del sottosuolo, aiutando a localizzare i serbatoi.
La tecnologia funziona sia a terra che in mare aperto su aree all’interno della piattaforma continentale. La chiave per produrre risultati significativi è l’elaborazione e l’analisi dei dati registrati. Il Fraunhofer Institute for Industrial Mathematics ITWM di Kaiserslautern ha ulteriormente sviluppato il metodo di elaborazione dei dati. Con questo miglioramento delle tecniche di imaging sismico, i dati grezzi subiscono più fasi di elaborazione per creare un’immagine estremamente dettagliata del fondale marino e della sua complessa struttura sotterranea.
Il processo SF GRT (“Generalized Radon Transform”)
Gli esperti di Fraunhofer utilizzano il processo SF GRT (denominato dagli esperti Fraunhofer “Generalized Radon Transform”) sviluppato durante la ricerca Il Dr. Norman Ettrich, uno dei responsabili dello studio per High-Performance Computing e Seismic e il suo team hanno utilizzato algoritmi innovativi di machine learning (ML) per perfezionare il pacchetto software ad un livello più elevato di dettaglio e hanno ottimizzato l’architettura informatica sottostante.
Esso fornisce immagini dettagliate e precise di strutture rocciose sotto il fondale marino. Ciò consente di identificare le dimensioni, la struttura e la forma dei serbatoi di petrolio e gas sotto la superficie – entro pochi metri di precisione. Per questo progetto, Fraunhofer ITWM ha creato uno studio interdisciplinare, unendo le sue competenze in geofisica, matematica e informatica.
I dati raccolte da navi specializzate
Scoprire nuovi giacimenti di petrolio e gas sotto il fondo marino non è affatto l’obiettivo principale, però. Norman Ettrich spiega: “A causa della diminuzione dell’utilizzo dei combustibili fossili, l’interesse dei paesi europei per la scoperta di nuovi giacimenti di petrolio e gas sta calando. L’Europa è più interessata ad esaminare i serbatoi noti e quelli già in uso.” Dopo tutto, la tecnologia può anche essere utilizzata per trovare luoghi adatti per i gas serra come il deposito di CO2 nel sottosuolo.
La ricerca della superficie e del sottosuolo del fondo marino richiede navi specializzate che spesso coprono migliaia di chilometri quadrati in linee rette. Trascinano armi ad aria e idrofoni dietro di loro.
La trasmissione delle onde sonore
Le pistole ad aria trasmettono un impulso acustico ogni 25 metri. Nell’acqua, le onde sonore viaggiano ad una velocità di 1.480 m/s, penetrando gli strati rocciosi sotto il fondale marino. In casi estremi, le onde acustiche possono viaggiare attraverso 3.000 metri di acqua, prima di passare attraverso altri 11.000 metri sotto il fondale marino.
I segnali riflessi vengono poi rilevati sulla superficie del mare da idrofoni altamente sensibili. “In questo modo, ogni impulso crea una traccia sismica. Queste tracce forniscono informazioni su quanto tempo intercorre tra l’emissione e la ricezione. Questo tempo di propagazione è anche influenzato dalla composizione e dalla dimensione di ogni strato roccioso.
Il fondale viene esplorato da più angolazioni
Poiché il segnale acustico viene captato da più idrofoni, il fondo marino può essere analizzato da più angolazioni. La forza, il tempo di propagazione e l’angolo del segnale forniscono informazioni cruciali sulle caratteristiche, la struttura e lo spessore della formazione rocciosa. Questo include informazioni su se un particolare strato è molto poroso e se i pori sono pieni di petrolio o gas, per esempio”.
Volumi di dati in terabyte
Durante una tipica esplorazione, una nave specializzata percorrerà centinaia di linee parallele attraverso l’area da studiare. Lungo ogni linea vengono emessi migliaia di impulsi di aria compressa e ogni impulso viene catturato come segnale riflesso da migliaia di idrofoni. Il risultato di questo è centinaia di milioni di tracce di dati raccolti, che ammonta a numerosi terabyte di informazioni. Per gestire questa enorme quantità di dati, gli esperti di calcolo di Kaiserslautern hanno sviluppato concetti speciali di calcolo ad alte prestazioni (HPC).
I dati vengono prima filtrati, modificati e preimpostati. Il sottosuolo può essere mappato, utilizzando il metodo di migrazione sismica. Per migliorare ulteriormente la qualità dell’elaborazione dei dati dopo la migrazione, vengono introdotti algoritmi di elaborazione ML sempre più completamente automatizzati.
Gli algoritmi ML
“La particolare forza del nostro metodo, che è rafforzata dagli algoritmi ML, è che non utilizza più astrazioni nell’analisi dei dati che finirebbero per compromettere l’accuratezza dell’analisi“, spiega Ettrich. Il risultato è una rappresentazione visiva dettagliata della complessa struttura del sottosuolo.
Identificare tali oggetti di diffrazione con il metodo della riflessione sismica può essere molto utile anche per il posizionamento delle turbine eoliche nei parchi eolici al largo. La tecnologia Fraunhofer analizza il sottosuolo, segnalando così i siti rocciosi particolarmente duri che ostacolano l’installazione dell’albero della turbina nel fondale marino. Questo aiuta ad evitare perdite economiche ingenti in futuro.
