L'Università di Nottingham ha sviluppato uno strumento di monitoraggio remoto per aiutare le autorità a gestire la sicurezza pubblica e le questioni ambientali nelle miniere di carbone abbandonate di recente.

Lo strumento utilizza immagini radar satellitari per acquisire misurazioni su scala millimetrica dei cambiamenti nell'altezza del terreno. Tali misurazioni possono essere utilizzate per monitorare e prevedere i livelli delle acque sotterranee e i cambiamenti nelle condizioni geologiche in profondità sotto la superficie terrestre nelle ex aree minerarie.

Con una lunga storia di estrazione del carbone, il progetto è stato testato nel Regno Unito su scala regionale, ma ha implicazioni globali dato il calo mondiale della domanda di carbone a favore di fonti energetiche più sostenibili.

Il metodo è stato implementato sui bacini carboniferi del Nottinghamshire, che sono stati abbandonati di recente nel 2015, quando l'ultima profonda miniera, Thoresby Colliery, chiude i battenti per sempre.

Quando le miniere profonde sono chiuse, le acque sotterranee che in precedenza venivano pompate in superficie per rendere sicura l'attività mineraria, viene lasciato risalire fino a quando non viene riportato al suo livello naturale in un processo chiamato rimbalzo.

Il rimbalzo delle acque sotterranee attraverso le ex miniere necessita di un attento monitoraggio; spesso contenente contaminanti può inquinare corsi d'acqua e acque potabili; portare a inondazioni localizzate; rinnovare la subsidenza mineraria, sollevamento del terreno e riattivare le faglie geologiche se aumentano troppo velocemente. Tali problemi possono causare problemi costosi e pericolosi che devono essere affrontati prima che il terreno venga riproposto.

L'Autorità per il carbone ha quindi bisogno di informazioni dettagliate sul tasso di rimbalzo attraverso i vasti sistemi minerari che gestisce, in modo da sapere esattamente dove rilassarsi o aumentare il pompaggio per controllare i livelli delle acque sotterranee.

Misurare la velocità e l'ubicazione del rimbalzo dell'acqua della miniera è quindi fondamentale per gestire efficacemente i rischi ambientali e di sicurezza negli ex bacini carboniferi, ma difficile da raggiungere. Le acque sotterranee possono fluire in direzioni impreviste attraverso cavità all'interno e tra le miniere di carbone vicine e scaricare in superficie in aree non ritenute a rischio.

Nel passato, prevedere dove scorrerà l'acqua della miniera era fortemente dipendente dai piani minerari; documenti imprecisi o incompleti che a volte hanno più di un secolo; e dati del pozzo. Costa circa £ 20, da 000 a £ 350K ciascuno, i pozzi sono costosi da perforare e sono spesso scarsamente situati in vasti bacini carboniferi, lasciando vuoti di misura.

Più di recente elevazione, la subsidenza e altri movimenti geologici sono stati monitorati applicando l'Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) alle immagini acquisite dai satelliti radar. Però, questa tecnica di interferometria ha funzionato storicamente solo nelle aree urbane (al contrario di quelle rurali), dove il radar può rilevare oggetti stabili, come edifici o binari ferroviari, a terra per riflettere regolarmente sul satellite.

Questo studio utilizza una tecnica InSAR avanzata, chiamato sottoinsieme intermittente di piccola linea di base (ISBAS), sviluppato dall'Università di Nottingham e dalla sua società spin-out Terra Motion Ltd. InSAR utilizza pile di immagini satellitari della stessa posizione scattate ogni pochi giorni o settimane, il che rende possibile rilevare anche i minimi cambiamenti topografici nel tempo. Unicamente, ISBAS InSAR è in grado di calcolare misurazioni di deformazione del terreno su terreni sia urbani che rurali. Questo è utile quando si mappano ex aree minerarie, che spesso si trovano nelle zone rurali. Sopra i bacini carboniferi del Nottinghamshire, Per esempio, la copertura del suolo è prevalentemente rurale, con quasi l'80% di terreni agricoli, pascoli e aree seminaturali.

Una tale densità di misurazioni ha significato condurre lo studio, Ph.D. dell'Università di Nottingham. lo studente David Gee ha potuto sviluppare un metodo semplice ed economico per modellare il rimbalzo delle acque sotterranee dai cambiamenti di movimento della superficie. Lo studio ha trovato un collegamento definitivo tra le misurazioni del movimento del suolo e l'innalzamento dei livelli dell'acqua della miniera. Spesso il cedimento o il sollevamento del terreno si verificano a seguito di cambiamenti nelle acque sotterranee, dove gli strati si comportano un po' come una spugna, espandendosi quando si riempie di fluido e si contrae quando viene drenato.

Con una copertura spaziale quasi completa dei dati InSAR, potrebbe colmare le lacune di misurazione tra i pozzi per mappare il cambiamento nei livelli delle acque minerarie in tutto il bacino carbonifero. Il modello prende in considerazione sia la geologia che la profondità delle acque sotterranee per determinare il vero tasso di rimbalzo e aiutare a identificare dove possono verificarsi problemi associati al rimbalzo.

Lo studio è intitolato "Modellazione del rimbalzo delle acque sotterranee in bacini carboniferi recentemente abbandonati utilizzando DInSAR, "pubblicato sulla rivista Telerilevamento dell'ambiente .

David Gee, che ha sede presso il Nottingham Geospatial Institute presso l'Università, disse, "Ci sono diversi bacini carboniferi attualmente in fase di rimbalzo dell'acqua delle miniere nel Regno Unito, dove il sollevamento della superficie è stato misurato utilizzando InSAR. Nei bacini carboniferi del Nottinghamshire, il confronto quantitativo tra la deformazione misurata dal modello e l'InSAR conferma che il sollevamento è causato dal recupero dell'acqua di mina."

All'inizio è stato generato un modello in avanti per stimare il sollevamento della superficie in risposta ai cambiamenti misurati nei livelli delle acque sotterranee dal monitoraggio dei pozzi. David ha calibrato e convalidato il modello utilizzando ISBAS InSAR su dati radar ENVISAT e Sentinel-1. Ha quindi invertito le misurazioni InSAR per fornire una stima della variazione dei livelli delle acque sotterranee. Successivamente, i tassi invertiti sono stati utilizzati per stimare il tempo necessario alle acque sotterranee per rimbalzare e identificare le aree del bacino carbonifero più a rischio di scarichi superficiali.

"Misure InSAR, quando combinato con la modellazione, può aiutare con la caratterizzazione dei processi idrogeologici che si verificano in ex siti minerari. La tecnica ha il potenziale per dare un contributo significativo alla strategia di progressivo abbandono dei bacini carboniferi recentemente chiusi, " ha detto Davide.

I risultati dell'InSAR offrono una fonte supplementare di dati sui cambiamenti delle acque sotterranee che aumentano le misurazioni del pozzo. Significa che il monitoraggio può essere effettuato a distanza, quindi è meno laborioso per gli organismi nazionali come l'Agenzia per l'ambiente (che gestisce i rischi come inondazioni, inquinamento e terreni contaminati) e la Coal Authority (che ha il mandato di gestire l'eredità delle miniere di carbone sotterranee in termini di sicurezza pubblica e subsidenza).

Il modello ha già segnalato che alcune parti dei giacimenti di carbone che non si comportano come previsto in precedenza, che potrebbero influenzare i piani di risanamento esistenti.

Davide spiega, "La parte più profonda del bacino carbonifero del Nottinghamshire settentrionale, Per esempio, non sta rimbalzando come previsto, il che suggerisce che i piani minerari qui potrebbero non essere completamente accurati. La stabilità è confermata dall'InSAR e dal modello:il monitoraggio futuro di quest'area aiuterà a identificare se o quando si verificherà un rimbalzo.

"I prossimi passi per il progetto sono integrare i nostri risultati in uno strumento di screening esistente sviluppato dall'Agenzia per l'ambiente e dall'Autorità per il carbone per aiutare le autorità di pianificazione locali, sviluppatori e consulenti progettano sistemi di drenaggio sostenibili nelle aree dei bacini carboniferi. I primi risultati, generato su scala regionale, hanno il potenziale per essere esteso a tutti i bacini carboniferi del Regno Unito, con l'ausilio delle mappe nazionali InSAR, "aggiunge Davide.

Luca Bateson, Geologo senior di telerilevamento del British Geological Survey, disse, "I dati InSAR offrono una fantastica opportunità per rivelare come si sta muovendo il terreno, tuttavia abbiamo bisogno di studi come quello di David per capire a cosa si riferiscono questi movimenti del suolo e cosa significano. lo studio di Davide, non solo fornisce questa comprensione, ma fornisce anche uno strumento in grado di convertire i movimenti del suolo InSAR in informazioni sui livelli delle acque minerarie che possono essere utilizzate per prendere decisioni informate".

Dott. Andrew Sowter, Direttore tecnico presso Terra Motion Ltd, spiega, "Studi come questo ci dimostrano il valore, come una piccola azienda commerciale, nell'investire nel lavoro di collaborazione con l'Università. Ora abbiamo un notevole, convalidato, risultato che si basa sul nostro metodo ISBAS InSAR e dimostrabilmente supportato da una serie di importanti parti interessate. Ciò ci consentirà di penetrare ulteriormente nel mercato in una vasta gamma di applicazioni critiche finora etichettate come difficili per le tecniche InSAR più convenzionali, in particolare quei mercati relativi all'estrazione e iniezione di fluidi sotterranei in zone più temperate, zone di vegetazione".