GUIDA OPERATIVA GEOELETTRICA MULTIELETTRODO · bidimensionali. Il sistema permette di ricostruire la distribuzione spaziale in due dimensioni della resistività ... Ogni tipo di array

Multielettrodo

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GUIDA OPERATIVA

GEOELETTRICA

MULTIELETTRODO

Multielettrodo


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Procedura geoelettrica multielettrodo - tomografia

Generalità

Il sistema dei profili elettrici superficiali con dispositivo multi-array (multielettrodo)

rappresenta una metodologia innovativa delle misure geoelettriche classiche.

La tomografia di resistività elettrica (acronimo ERT) consiste nella caratterizzazione

geoelettrica e dimensionale, con elevato dettaglio, delle strutture presenti lungo sezioni

bidimensionali.

Il sistema permette di ricostruire la distribuzione spaziale in due dimensioni della resistività

reale nel sottosuolo con una risoluzione che dipende dalla distanza tra gli elettrodi e dal

tipo di array.

L'avvento della multielettrodica negli anni novanta ha consentito di effettuare ERT che

restituiscono immagini 2D e 3D della distribuzione della resistività nel sottosuolo mediante

l'impiego di uno svariato numero di elettrodi disposti secondo una geometria definita detta

dal tipo di dispositivo adottato (array).

L’innovazione rispetto ai profili di resistività è rappresentata dalla possibilità di effettuare un

grande numero di misure in tempi brevi e dalla successiva elaborazione con programmi di

inversione bidimensionale. Tale tecnica consente inoltre di operare anche in presenza di

terreni morfologicamente irregolari (topografia) previo rilievo delle quote relative tra gli

elettrodi; tale informazione sarà poi presa in considerazione in fase di elaborazione dei

dati.

Il valore di resistività che si misura, è una resistività apparente perché le linee di corrente

che consentono di valutare tale parametro, hanno attraversato più formazioni rocciose:

misuriamo cioè un valore anomalo rispetto al valore che si misurerebbe in un sottosuolo

omogeneo ed isotropo. Questo dato non è semplicemente il valore medio delle resistività

degli "elettrostrati" incontrati, ma è definito da una funzione più complessa in quanto

dipende sia dalle resistività dei vari litotipi attraversati che dai loro spessori.

Grazie al fatto che la distribuzione della resistività apparente è legata allo spessore, alla

localizzazione, alla forma e alla resistività dei litotipi che la corrente ha oltrepassato, che

dalle misure si possono ottenere informazioni sul sottosuolo investigato.

Tutti gli elettrodi sono collegati, mediante un apposito cavo multi conduttore a bassa

impedenza, allo strumento di acquisizione. La corrente viene applicata ad una coppia di

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elettrodi misurando poi la differenza di potenziale tra tutte le altre coppie di elettrodi

disponibili nella configurazione scelta. Si passa poi ad una seconda coppia di

trasmissione e cosi via fino a raggiungere il numero massimo di misure indipendenti sui

poli e dipoli disponibili.

Alla fase di acquisizione delle misure di resistività apparente segue quella di

interpretazione delle stesse che in gergo tecnico si chiama inversione; tecnica che

prevede il simultaneo ricorso ad algoritmi di modellazione numerica agli elementi finiti (o

alle differenze finite) e a metodologie di ottimizzazione ai minimi quadrati. La procedura

iterativa di risoluzione consente di arrivare ad una stima della distribuzione delle resistività

reali che si traduce in un immagine grafica da essere interpretata.

Modalità di acquisizione

Cenni teorici

Per le misure multielettrodo l’attrezzatura dovrà essere costituita da un georesistivimetro digitale che dovrà essere in grado di eseguire, via software, le seguenti operazioni principali: - misura e memorizzazione della resistenza di contatto degli elettrodi; - misura, memorizzazione e azzeramento dei potenziali spontanei; - esecuzione di ripetuti cicli di misura e calcolo della “deviazione standard”; - possibilità di impostare cicli di misura di durata diversa; - risoluzione delle misure di 30 nV; - memorizzazione delle misure: resistività, dV, I, dev. Stand. e geometria elettrodi; - unità di controllo e gestione degli elettrodi; - cavo multicanale dotato di elettrodi definiti “intelligenti” (smart electrodes) in quanto dotati di una elettronica interna che ne consente l’utilizzo sia come elettrodi di corrente che di potenziale, oppure cavo multicanale con elettrodi comuni in acciaio inox, rame o ottone per gli strumenti con elettronica totalmente interna alla macchina. La potenza immessa dal trasmettitore dovrà essere commisurata alla profondità massima da raggiungere; a titolo di esempio si riportano di seguito alcune indicazioni di massima: • fino a 200 m => 18 W min, 0.5 mA min, ± 200 V min; • per stendimenti di lunghezza > di 200m => 100 W min, 1 mA min, ± 400 V min. In ogni caso di norma l’errore tra gli stacks impostati (min 3) non dovrà superare l’1%.

Infine la strumentazione dovrà consentire l’impostazione di almeno 4 finestre temporali per

la misura della caricabilità (PI).

L’acquisizione dei dati di dV e I su ogni singolo quadripolo è alla base delle misure

geoelettriche.

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Dal momento che esistono altre sorgenti di differenza di potenziale oltre alla corrente I da

noi iniettata, e indispensabile adottare una procedura di misura che elimini dalla misura di

dV le altre componenti non legate a I. Le altre cause di dV nel suolo possono essere:

potenziali spontanei (dovuti a sorgenti all’interno della terra, quali la presenza di corpi

mineralizzati, o il flusso dell’acqua nel mezzo poroso – in quest’ultimo caso si parla di

streaming potential), correnti telluriche (ovvero correnti nel suolo causate per induzione

elettromagnetica dai flussi di ioni nella ionosfera) ed effetti di polarizzazione agli elettrodi

stessi (se non usiamo elettrodi non polarizzabili, come di solito accade).

Nelle misure in corrente continua non interessa distinguere la causa di queste altre

differenze di potenziale al dipolo MN, ma solo rimuoverle. Pertanto la procedura di misura

e quella di iniettare una corrente I cui viene commutato il verso con un certo periodo di

commutazione, lasciando dei periodi in mezzo in cui non viene iniettata corrente (un’onda

quadra): in questo modo lo “zero” ovvero il potenziale non dovuto all’iniezione di +I, -I ad

AB viene identificato facilmente e rimosso.

Si osservi che utilizzando in questo modo un’onda quadra non si lavora propriamente in

corrente continua. Ma la procedura è adeguata perchè i tempi durante i quali la corrente e

tenuta costante sono lunghi (da centinaia di ms a qualche secondo) rispetto ai tempi di

rilassamento del sistema, per cui le differenze di potenziale transitorie possono essere

osservati se necessario ma non impattano la misura in corrente continua.

Schema rappresentativo dell'onda quadra e degli effetti di polarizzazione indotta.

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Prima di eseguire la misura è indicato conoscere gli scopi e gli obiettivi da raggiungere

attraverso l'indagine cosi da impostare in maniera adeguata la particolare scelta del tipo di

dispositivo da utilizzare in funzione ovviamente anche del contesto lavorativo come lo

spazio a disposizione e la logistica.

Si riassumono di seguito le caratteristiche principali degli array più comuni.

Ogni tipo di array ha un proprio utilizzo ottimale in determinate condizioni geologiche, in

base alla sua sensitività. La sensitività è un indice di quanto un cambiamento di

resistività del terreno influenzi la misura di potenziale, e risulta con questo in relazione di

proporzionalità diretta.

Di norma i dispositivi Wenner e Wenner-Schlumberger sono più adatti ad evidenziare

variazioni verticali, il dispositivo dipolo-dipolo è più adatto ad evidenziare variazioni

laterali ma presenta un rapporto segnale/rumore più sfavorevole, il dispositivo polo-dipolo

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presenta un rapporto segnale/rumore migliore e consente inoltre di scendere più in

profondità, il dispositivo del gradiente multiplo risulta un buon compromesso tra capacità

risolutiva sia in senso laterale che verticale e rapporto segnale /rumore comparabile ai

dispositivi Wenner e Schlumberger.

Più nel dettaglio l’array Wenner consente di ottenere medesimi risultati con un minor

numero di misure rispetto alle altre geometrie, garantendo una buona copertura

orizzontale. La sensitività è distribuita perlopiù orizzontalmente attraverso il centro del

profilo, ecco perchè è indicato per rilevare variazioni verticali più che orizzontali.

L’intensità del segnale è inversamente proporzionale al fattore geometrico, 2πa

(piuttosto piccolo), quindi essendo il segnale molto forte, risulta andare più in profondità

rispetto alle altre geometrie. La profondità di investigazione è circa la metà della

spaziatura “a” .

Il dipolo-dipolo è sensitivo a variazioni orizzontali, quindi all’individuazione di strutture

orizzontali come livelli sedimentari. Pur garantendo una risoluzione orizzontale maggiore

rispetto all’array Wenner, la profondità di investigazione è inferiore. Un altro svantaggio è

la debolezza del segnale per alti valori di “n”, in quanto il voltaggio è inversamente

proporzionale ad n3. Ciò significa che a parità di corrente la resistività misurata scende

circa di 200 volte quando n aumenta da 1 a 6. Un metodo per ridurre questa caduta di

potenziale, è quello di aumentare la spaziatura “a”. Perciò, al fine di usare in maniera

soddisfacente questo array, lo strumento deve presentare un’alta sensitività ed un buon

circuito di rifiuto del rumore ed in fase di misura si consiglia di controllare

l’accoppiamento elettrodi-suolo che deve risultare ottimale.

Una configurazione del tipo " Wenner-Shlumberger è un'ibrida ed è indicata in aree

contenenti sia strutture verticali che orizzontali, e rappresenta un buon compromesso tra

il Wenner ed il dipolo-dipolo.

Esistono poi array del tipo Polo-Polo che consentono di scendere in profondità a

discapito della risoluzione che resta comunque troppo bassa.

Anche l’array polo-dipolo presenta una buona copertura orizzontale, ma l’intensità del

segnale è maggiore rispetto al dipolo-dipolo, e non è sensitivo al noise come l’array polo-

polo. Essendo asimmetrico produce anomalie asimmetriche anche su strutture

simmetriche. Per eliminare questo effetto le misure vengono ripetute secondo una

disposizione inversa, quindi combinate.

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Software EMLab

Per consentire un controllo adeguato e migliorare la fase preparatoria dell'indagine

multielettrodo si è sviluppato il software EMLab attraverso il quale si possono impostare i

parametri necessari per una corretta impostazione della sequenza da utilizzare.

Si rimanda al manuale del software per una trattazione approfondita dell'argomento.

Il software consente di generare diverse tipologie di array sia 2D che 3D, il numero di

livelli (layer) così da avere un controllo sulla profondità di indagine.

Generata la sequenza si esporta un file .sem che può essere caricato sullo strumento e

cosi richiamato per eseguire la misura.

Eseguita la misura e salvato il file in formato tsv, il software può essere utilizzato anche

come prima fase del processing dei dati attraverso operazioni di filtraggio come ad

esempio eliminare errori > del 10% o eliminare le misure con resistività < di 1.

L'inserimento della topografia da attribuire a ciascun elettrodo e il settaggio della

geometria sono fondamentali per il processo di inversione; attraverso un'interfaccia il

software permette l'inserimento delle coordinate di ciascun elettrodo in diversi sistemi di

riferimento.

Il file cosi è esportabile in .dat per poi essere aperto e elaborato attraverso opportuni

programmi di inversione.

EMLab permette la gestione dei propri clienti in modo da facilitare le operazioni di

creazione della reportistica e la creazione di eventuali report di statistiche.

In campagna

La fase di acquisizione propriamente di campagna prevede in genere l'utilizzo di

stendimenti composti da un minimo di 32 elettrodi equispaziati regolarmente lungo il

profilo da indagare o nel caso di stendimenti 3D lungo le direzioni X ed Y dell'area.

Posizionati gli elettrodi e connessi tramite apposite pinze ai cavi multipolari da collegare

allo strumento, si può procedere all'accensione dello strumento.

Prima di configurarlo è fondamentale eseguire e salvare il TEST dei picchetti attraverso

il quale si inizia una procedura di verifica delle connessioni degli elettrodi e calcolare la

resistenza di contatto tra un elettrodo e il successivo suo consecutivo; in pratica il test fa

scorrere corrente e misura la resistenza di contatto tra i due elettrodi. Durante il test, in

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blu si visualizzano gli elettrodi correttamente collegati mentre in rosso quelli che non

risultano in comunicazione.

Nell'esempio di figura 3 il picchetto n. 7 è isolato, mentre tutti gli altri hanno resistenza

di contatto di circa 1 kOhm.

Esito del test.

Se è necessario intervenire per ricollegare un elettrodo, assicurarsi prima che il test sia

terminato, onde evitare di esporsi al pericolo di assorbire scariche elettriche.

Al termine del test è possibile salvare in un file il risultato, per eventuali successivi

riferimenti, premendo il bottone 'Salva'.

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SCHEMA DI COLLEGAMENTO PER LE MISURE CON L’UTILIZZO DEL CAVO PER

PROSPEZIONE GEOELETTRICA

Collegamento fino a 48 elettrodi.

Collegamento con box di espansione e 96 elettrodi.

Eseguito il TEST dei picchetti si può passare alla fase di configurazione dello

strumento. Per prima cosa nella casella 'Canali da utilizzare' selezionare il numero di

elettrodi di cui è formato lo stendimento. Ogni misura viene eseguita dallo strumento

immettendo corrente prima con una polarità e poi con quella opposta, allo scopo di

Elettrodi 1-24

….

Elettrodi 25-48

….

BOX 24-48 n.1

Elettrodi 49-72

….

Elettrodi 73-96

….

prolunga interlink

Elettrodi 1-24

………………

Elettrodi 25-48

………………

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ridurre al minimo il fenomeno di polarizzazione dei picchetti. Nel 'Diagramma di

energizzazione' è possibile definire i tempi di immissione di corrente e di pausa tra una

energizzazione e la successiva. Per modificare posizionarsi su uno dei tratti verticali del

diagramma e trascinarlo verso sinistra o verso destra. I tempi mostrati sono quelli di

default, adatti alla maggior parte delle situazioni. La selezione della casella ‘Onda

simmetrica’ assicura che i tempi di immissione della corrente con entrambe le polarità

siano uguali.

Inoltre, per ogni configurazione degli elettrodi, è possibile iterare la misura da 2 a 10

volte ed ottenere come risultato la media dei valori ottenuti. Impostare la voce 'Media su

n iterazioni' sul valore desiderato. Se si richiedono almeno due iterazioni, al termine di

ogni misura sarà riportata anche una indicazione di deviazione standard.

Se si seleziona la casella 'misura solo i potenziali spontanei' non sarà generata alcuna

corrente e saranno registrati solo i valori dei potenziali spontanei misurati per ciascuna

configurazione degli elettrodi.

Selezionare la casella 'misura caricabilità' per eseguire contemporaneamente alle

misure di resistività anche quelle di caricabilità (o polarizzazione indotta). Poiché la

determinazione di questo parametro richiede il campionamento della curva di scarica del

potenziale dopo una energizzazione, i tempi del diagramma di energizzazione saranno

automaticamente aumentati, se necessario. Ciò comporta naturalmente un sensibile

aumento della durata complessiva di un sondaggio.

L'impostazione 'corrente minima (mA)' determina il valore di corrente che lo strumento

dovrà raggiungere, aumentando gradualmente la tensione tra gli elettrodi A e B, prima di

registrare la misura. I valori più comunemente usati sono compresi tra 50 e 300 mA. Per

ottenere correnti più intense, in siti caratterizzati da resistività relativamente elevate,

come ad esempio in presenza di rocce ignee o metamorfiche, potrebbe essere

necessario utilizzare un generatore esterno, in quanto il prodotto della tensione generata

tra A e B e della corrente che scorre tra gli stessi elettrodi (DV*I) non deve superare al

potenza nominale del generatore.

In alcune situazioni può essere utile limitare la tensione massima di energizzazione, per

prevenire l’intervento del fusibile di protezione del generatore.

Nella casella ‘Tensione massima’ è possibile selezionare valori compresi tra 50 Volt e

800 Volt. Tenere presente che l’impostazione di un valore di tensione troppo basso può

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impedire il raggiungimento della corrente minima richiesta per la misura. In tal caso la

misura stessa viene comunque registrata con il valore di corrente più alto ottenuto.

Normalmente lo strumento utilizza il valore assoluto della differenza di potenziale

misurata tra gli elettrodi M e N per il calcolo della resistività.

Configurato lo strumento si procede a selezionare l'array da utilizzare (file.sem) e

impostare l'intervallo tra i picchetti. Si sottolinea che se non viene generata la sequenza

appositamente dall'utente, nello strumento sono già presenti diversi array che possono

essere utilizzati denominate per dispositivo e per numero di elettrodi.

Facendo click sul bottone 'Apri', lo strumento carica la tabella selezionata e chiede di

inserire la distanza tra due elettrodi consecutivi dello stendimento.

Durante il caricamento viene eseguita una serie di test sulle configurazioni per

verificarne la correttezza formale. Per il calcolo automatico del coefficiente geometrico,

utilizzato per la determinazione della resistività apparente, si assume che gli elettrodi

siano equidistanti ed allineati (ad eccezione al più di quelli “all'infinito” nelle configurazioni

polo-polo e polo-dipolo).

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Tabella di misura

Ad ogni misura viene attribuito un numero progressivo e vengono mostrati gli elettrodi utilizzati. L'esecuzione restituirà i seguenti valori: o la corrente immessa (I in mA);

o il potenziale misurato tra M ed N (V in mV);

o il potenziale spontaneo, misurato immediatamente prima dell'energizzazione e già

sottratto dalla misura di V;

o la resistività apparente (r in Ohm x metro) calcolata;

o la deviazione standard dei campionamenti;

o la caricabilità (M in msec) (se attivata in configurazione).

E' preferibile eseguire qualche misura di prova prima di iniziare l'intera sequenza. A tale

scopo toccare la riga corrispondente in tabella. La freccia sulla sinistra dello schermo

indica la misura selezionata. Premere quindi il bottone 'Misura singola'.

Nelle caselle etichettate I: e V: sono mostrati rispettivamente i valori di corrente e di

potenziale misurati istante per istante, mentre l'indicatore al di sotto si illumina di rosso

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ogni volta che il generatore di tensione è attivo. Dopo alcuni secondi la riga selezionata

viene aggiornata con il risultato. E' possibile stimare la bontà dell'acquisizione

rapportando percentualmente la deviazione standard con la misura di resistività.

Rapporti dell'ordine del 5-10% possono essere considerati normali. Se si leggono valori

di V molto bassi (dell'ordine di 1-2 mV o meno) può essere necessario ritornare in

configurazione (premendo il bottone 'Esci') ed aumentare di qualche decina di

milliampère la corrente minima richiesta.

Terminata la verifica delle impostazioni, selezionare la prima misura non ancora

eseguita e premere il bottone 'Inizia sequenza'. Dopo una richiesta di conferma, lo

strumento esegue una dopo l'altra tutte le misure previste dalla tabella. Se necessario, è

possibile bloccare la sequenza premendo il bottone 'Interrompi'.

In tal caso lo strumento termina la misura eventualmente già in corso e rimane in

attesa di ulteriori comandi da parte dell'utente.

Dopo aver interrotto la sequenza o al termine della stessa è necessario procedere al

salvataggio dei dati acquisiti nella memoria interna dello strumento e/o sul pen-drive USB

in dotazione. Premere quindi il bottone 'Salva'. Come intervallo tra i picchetti sarà

riportato quello già specificato all'inizio, mentre il tipo di configurazione deve essere

reimpostato manualmente. Questo è particolarmente importante quando si intende

esportare i dati direttamente nel formato .dat utilizzato dai software di inversione

RES2DINV di Geotomo software / ZONDRES di Zond software, in quanto la codifica

interna del formato varia sensibilmente tra i vari tipi di configurazione.

Premendo il bottone OK viene mostrata la finestra per scegliere la cartella di

destinazione del file, assegnargli un nome e definirne il formato.

Come si vede è possibile selezionare cinque formati diversi.

In ogni caso è consigliabile anzitutto salvare nel formato 'valori separati da tabulazione'

(estensione .tsv), che conserva tutti i valori visualizzati in tabella e consente quindi di

riaprire il file sullo strumento stesso.

Si vuole ricordare che il file .tsv può essere riaperto attraverso il software EMLab per

effettuare le opportune analisi come ad esempio filtrare alcuni dati o inserire la

topografia.

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Per poter utilizzare direttamente con RES2DINV / ZONDRES il file generato, entrare

nuovamente nella funzione di salvataggio e scegliere il formato DAT. Quest'ultimo

conserva unicamente i valori di resistività apparente e le coordinate dei punti di misura.

Principi di elaborazione

Alla fase di acquisizione delle misure di resistività apparente segue quella di

interpretazione, in gergo tecnico si parla del processo di inversione, tecnica che

prevede il ricorso ad algoritmi di modellazione numerica agli elementi finiti (o differenze

finite) e a metodologie di ottimizzazione ai minimi quadrati.

La procedura iterativa consente di arrivare ad una stima della distribuzione della

resistività reali nel mezzo investigato che si traduce in un profilo 2d o 3D di efficace

comprensione come quello riportato di seguito.

Attraverso questo processo è poi possibile fare le dovute considerazioni.

L’elaborazione dei dati procederà secondo due fasi successive:

ricostruzione di “pseudosezioni” di resistività / caricabilità, previo filtraggio / pulizia tramite l’utilizzo di appositi software;

calcolo dei valori di resistività reale tramite inversione bidimensionale e sviluppo di un adeguato modello di distribuzione della resistività del sottosuolo mediante software di inversione ad elementi finiti e/o distinti, che dovrà essere in grado di applicare l’eventuale correzione topografica.

In prima approssimazione la pseudosezione visualizza la distribuzione dei dati con la

profondità. Un valido ausilio all'interpretazione della tomografia elettrica è dato dai programmi di

inversione come quello di Loke, purché se ne conoscano i limiti ed i risultati forniti non vengano presi "tout court" ma con spirito critico.

Pertanto si vuole sottolineare che se sono possibili diversi modelli, data una serie di valori di resistività, i programmi di inversione forniscono una delle possibili soluzioni e non la soluzione.

Alla luce di queste considerazioni del tutto generali è evidente che non esiste una corrispondenza biunivoca tra valore di resistività riscontrato nel modello e materiale presente nel suolo e nel sottosuolo: solo un’interpretazione che tenga conto delle caratteristiche geologiche, archeologiche e fisiche del sito indagato può dipanare il rebus dato dalla variabilità dei valori di resistività.

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RESISTIVITA' TIPO

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MATERIALE RESISTIVITA (Ω•m) CONDUTTIVITA’ (Siemen/m)

ROCCE IGNEE E METAMORFICHE

Granito 5x10 3 – 10 6

Basalto 103 - 106 10-6 - 10-3

Slate 6x102 - 4x107 2.5x10-8 - 1.7x10-3

Marmo 102 – 2.5x108 4x10-9 - 10-2

Quarzite 102 - 2x108 5x10-9 - 10-2

ROCCE SEDIMENTARIE

Arenaria 8 - 4x103 2.5x10-4 - 0.125

Argilla 20 - 2x103 5x10-4 - 0.05

Calcare 50 - 4x102 2.5x10-3 - 0.02

SUOLI ED ACQUA

Argilla 1 - 100 0.01 - 1

Alluvioni 10 - 800 1.25 x10-3 - 0.1

Acqua di falda 10 - 100 0.01 - 0.1

Acqua marina 0.2 5

ALTRI MATERIALI

Ferro 9.074x10-8 1.102x107

KCl 0,01M 0.708 1.413

NaCl 0,01M 0.843 1.185

Acido acetico 0,01 M 6.13 0.163

Xylene 6.998x1016 1.429x10-17

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