http://hdl.handle.net/2122/56 2013-05-25T08:32:46Z http://hdl.handle.net/2122/8478 Title: Integrating new and traditional approaches for the estimate of slip-rates of active faults: examples from the Mw 6.3, 2009 L’Aquila earthquake area, Central Italy Authors: Civico, Riccardo; Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Sezione Roma1, Roma, Italia Abstract: This thesis developed a multidisciplinary and multi-scale investigation strategy based on the integration of traditional and innovative approaches aimed at improving the normal faults seismogenic identification and characterization, focusing mainly on slip-rate estimate as a measure of the fault activity. The L’Aquila Mw 6.3 April 6, 2009 earthquake causative fault was used as a test site for the application, testing, and refinement of traditional and/or innovative approaches, with the aim to 1) evaluate their strength or limitations 2) develop a reference approach useful for extending the investigation to other active faults in the area and 3) translate the results of the methodological approaches into new inputs to local seismic hazard. The April 6, 2009 L’Aquila earthquake occurred on a so far poorly known tectonic structure, considered having a limited seismic potential, the Paganica - San Demetrio fault system (PSDFS), and thus has highlighted the need for a detailed knowledge in terms of location, geometry, and characterization of the active faults that are the potential sources for future earthquakes. To fill the gap of knowledge enhanced by the occurrence of the 2009 L’Aquila earthquake, we developed a multidisciplinary and multiscale‐based strategy consisting of paleoseismological investigations, detailed geomorphological and geological field studies, as well as shallow geophysical imaging and an innovative methodology that uses, as an alternative paleoseismological tool, core sampling and laboratory analyses but also in situ measurements of physical properties. The integration of geomorphology, geology as well as shallow geophysics, was essential to produce a new detailed geomorphological and geological map of the PSDFS and to define its tectonic style, arrangement, kinematics, extent, geometry and internal complexities. Our investigations highlighted that the PSDFS is a 19 km-long tectonic structure characterized by a complex structural setting at the surface and that is arranged in two main sectors: the Paganica sector to the NW and the San Demetrio sector to SE. The Paganica sector is characterized by a narrow deformation zone, with a relatively small (but deep) Quaternary basin affected by few fault splays. The San Demetrio sector is characterized by a strain distribution at the surface that is accommodated by several tectonic structures, with the system opening into a set of parallel, km-spaced fault traces that exhume and dissect the Quaternary basin. The integration of all the fault displacement data and age constraints (radiocarbon dating, optically stimulated luminescence (OSL) and tephrochronology) resulting from paleoseismological, geomorphological, geophysical and geological investigations played a primary role in the estimate of the slip-rate of the PSDFS. Slip-rates were estimated for different time intervals in the Quaternary, from Early Pleistocene (1.8 Ma) to Late Holocene (last 5 ka), yielding values ranging between 0.09 and 0.58 mm/yr and providing an average Quaternary slip-rate representative for the PSDFS of 0.27 - 0.48 mm/yr. We contributed also to the understanding of the PSDFS seismic behavior and of the local seismic hazard by estimating the max expected magnitude for this fault on the basis of its length (ca. 20 km) and slip per event (up to 0.8 m), and identifying the two most active fault splays at present. Our multidisciplinary results converge toward the possibility of the occurrence of past surface faulting earthquakes characterized by a moment magnitude between 6.3 and 6.8, notably larger than the 2009 event, but compatible with the M range observed in historical earthquakes in the area. The slip-rate distribution over time and space and the tectonic style of the PSDFS suggested the occurrence of strain migration through time in the southern sector, from the easternmost basin-bounding fault splay toward the southwestern splays. This topic has a significant implication in terms of surface faulting hazard in the area, because it can contribute defining the fault splays that have a higher potential to slip during future earthquakes along the PSDFS. By a methodological point of view, the multidisciplinary and multiscale‐based investigation strategy emphasizes the advantages of the joint application of different approaches and methodologies for active faults identification and characterization. Our work suggests that each approach alone may provide sufficient information but only the application of a multidisciplinary strategy is effective in providing robust results and in defining a proper framework of active faults. 2011-12-31T23:00:00Z http://hdl.handle.net/2122/8359 Title: Studio e realizzazione di un protocollo di compressione dati per reti di sensori sismici Authors: Larocca, G.; Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Sezione Catania, Catania, Italia Abstract: Abstract Permanent seismic network management, in a country defined by active volcanoes, as well as a tectonic faults network, involve evaluating a great number of working and efficiency parameters, especially when risks are of a different nature and can cause economic damage to the local region. One example is the Permanent Seismic Net managed by the Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia(INGV), Catania Section, in Italy, which comprises about sixty seismic stations, using analogical and digital technology, located around Mt. Etna, the Peloritani and Hyblean areas, southern Calabria and in the Aeolian archipelago. Digital technology enables increasing management performance, signal to noise ratio and firmness, allowing gradual upgrades from analogical to digital stations. On the other hand, it introduces some new problems such as the small capacity of the transmission channel (available bandwidth), which is hard to manage and causes data acquisition delays. The seismic signals, in particular, after digitization, are compressed to make better use of the available channel. The use of a lossless compression algorithm causes variable efficiency that depends, generally, on the kind of signal to compress. We know that signals that change frequently in a time window, and that have a high RMS amplitude, are more difficult to compress with lossless compression, and hence need more bandwidth. Instead, signals with a low RMS amplitude and that change little in a time window, are better compressed with lossless compression and require smaller space channels. Various active volcanic phenomenology in eruption phases, could cause a big variation in some seismic signal parameters like RMS amplitude, this variation causes channel bandwidth consumption increase. This implies an efficiency evaluation of the Nanometrics® transmission protocol and compression algorithm used by the remote station instruments, especially in critical stages as when a volcano is preparing to erupt. Alternative protocols are proposed to increase the global evaluation quality of the Nanometrics® protocol and compression algorithm used by the RSP instrumentation. Comparisons between solutions are made by studying the relationship between seismic signal RMS amplitude and its bandwidth consumption. Studying the compression algorithm and researching potential optimization, helps build a plausible evaluation of the bandwidth needed in the critical stages that are typical in active volcanoes like Etna. 2006-06-30T22:00:00Z http://hdl.handle.net/2122/8357 Title: Multiresolution Spherical Wavelet Analysis in Global Seismic Tomography Authors: Carannante, S.; Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Sezione CNT, Roma, Italia Abstract: Every seismic event produces seismic waves which travel throughout the Earth. Seismology is the science of interpreting measurements to derive information about the structure of the Earth. Seismic tomography is the most powerful tool for determination of 3D structure of deep Earth's interiors. Tomographic models obtained at the global and regional scales are an underlying tool for determination of geodynamical state of the Earth, showing evident correlation with other geophysical and geological characteristics. The global tomographic images of the Earth can be written as a linear combinations of basis functions from a specifically chosen set, defining the model parameterization. A number of different parameterizations are commonly seen in literature: seismic velocities in the Earth have been expressed, for example, as combinations of spherical harmonics or by means of the simpler characteristic functions of discrete cells. With this work we are interested to focus our attention on this aspect, evaluating a new type of parameterization, performed by means of wavelet functions. It is known from the classical Fourier theory that a signal can be expressed as the sum of a, possibly infinite, series of sines and cosines. This sum is often referred as a Fourier expansion. The big disadvantage of a Fourier expansion is that it has only frequency resolution and no time resolution. The Wavelet Analysis (or Wavelet Transform) is probably the most recent solution to overcome the shortcomings of Fourier analysis. The fundamental idea behind this innovative analysis is to study signal according to scale. Wavelets, in fact, are mathematical functions that cut up data into different frequency components, and then study each component with resolution matched to its scale, so they are especially useful in the analysis of non stationary process that contains multi-scale features, discontinuities and sharp strike. Wavelets are essentially used in two ways when they are applied in geophysical process or signals studies: 1) as a basis for representation or characterization of process; 2) as an integration kernel for analysis to extract information about the process. These two types of applications of wavelets in geophysical field, are object of study of this work. At the beginning we use the wavelets as basis to represent and resolve the Tomographic Inverse Problem. After a briefly introduction to seismic tomography theory, we assess the power of wavelet analysis in the representation of two different type of synthetic models; then we apply it to real data, obtaining surface wave phase velocity maps and evaluating its abilities by means of comparison with an other type of parametrization (i.e., block parametrization). For the second type of wavelet application we analyze the ability of Continuous Wavelet Transform in the spectral analysis, starting again with some synthetic tests to evaluate its sensibility and capability and then apply the same analysis to real data to obtain Local Correlation Maps between different model at same depth or between different profiles of the same model. 2008-05-31T22:00:00Z http://hdl.handle.net/2122/8000 Title: Analisi dei fenomeni franosi di crollo e del danneggiamento agli edifici indotti dalla sequenza sismica dell'Umbria - Marche (settembre - ottobre 1997) Authors: Marzorati, Simone; Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Sezione CNT, Roma, Italia Abstract: Lo studio dei fenomeni franosi avvenuti a seguito della scossa del 14 ottobre 1997 si è conclusa con la produzione di una mappa della suscettibilità alle frane di crollo. Il metodo condotto non era mai stato applicato a questo tipo di frane in Italia, sia perché la tecnologia informatica non era ancora adatta ad elaborare dati georeferenziati e quindi si potevano solo fornire indicazioni qualitative (vedi caso del Friuli) ed inoltre non erano disponibili banche dati sufficienti sugli effetti indotti dai terremoti passati. La mappa prodotta ha il limite di riferirsi ad un terremoto specifico, ossia con una sorgente sismica ed una magnitudo ben definite. La mappa riguarda quindi un solo evento, in quanto modificando i due dati suddetti è possibile creare scenari diversi, anche in zone diverse da quella studiata. Il lavoro svolto ha evidenziato innanzitutto l'importanza della raccolta dei dati, in quanto disponendo di informazioni dettagliate riferite al territorio è possibile in breve tempo, con l'utilizzo dei SIT, redarre una mappa come quella del presente studio. Fondamentale è il modello digitale del terreno da cui sono state ricavate le pendenze, fortemente correlate alle frane, ma anche i dati sismici; infatti invece della legge proposta si potrebbe applicare ad esempio una legge di attenuazione migliore, oppure considerare un parametro sismico che rappresenti meglio il terremoto. In ogni caso, lo studio proposto ha evidenziato come le frane di crollo siano ben correlate a certi parametri; questo, in un'ottica di gestione e pianificazione del territorio, pone l'accento sulla prevedibilità di questo tipo di frane. Infatti non è solo necessario prevedere un terremoto nello spazio e nel tempo, ma anche gli effetti che un terremoto può causare, in modo da poter ridurre i rischi per l'uomo. L'analisi relativa al danneggiamento degli edifici ha prodotto vari risultati. In primo luogo è stato possibile, in un tempo relativamente breve (pochi mesi), redarre le mappe del danneggiamento relativo all'intera area colpita dal sisma. Il metodo proposto possiede la caratteristica di valutare il danneggiamento omogeneamente sul territorio, considerando poche e distinte classi di danno, facilmente individuali per fotointerpretazione. Il materiale necessario è rappresentato dalle foto aeree di un volo effettuato appena dopo l'evento e dai dati ISTAT relativi agli edifici residenziali. Anche se non si possono fornire dei valori quantitativi precisi, in quanto si sottostimano i danni minori, i risultati dello studio possono essere comunque utilizzati per individuare le priorità di intervento e valutare una prima assegnazione dei finanziamenti per la ricostruzione. 2001-03-19T23:00:00Z http://hdl.handle.net/2122/7970 Title: crustal fracturing field and presence of fluid as revealed by seismic anisotropy: case-histories from seismogenic areas in the Apennines Authors: Pastori, Marina; Università degli studi di Perugia Abstract: During the last decades, the study of seismic anisotropy has provided useful information for the interpretation and evaluation of the stress field and active crustal deformation. Seismic anisotropy can yield valuable information on upper crustal structure, fracture field, and presence of fluid-saturated rocks crossed by shear waves. Several studies worldwide demonstrate that seismic anisotropy is related to stress-aligned, filled-fluid micro-cracks (EDA model, Crampin et al., 1984b; Crampin, 1993). The seismic anisotropy is an almost ubiquitous property of the Earth and the Shear Wave Splitting is the most unambiguous indicator of anisotropy, but the automatic estimation of the splitting parameters is difficult because the effect of the anisotropy on a seismogram is a second order, not easily detectable effect. Different researchers developed automated techniques aimed to study the Shear Wave Splitting: in this study, the results of different codes are compared in order to evaluate the best method for automatic anisotropy evaluation. In the last three years, an automatic analysis code, “Anisomat+”, was developed, tested and improved to calculate the anisotropic parameters: fast polarization direction () and delay time (∂t). “Anisomat+” consists of a set of MatLab scripts able to retrieve automatically crustal anisotropy parameters from three-component seismic recordings of local earthquakes. It needs waveforms and hypocentral parameters in the format routinely archived by the Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV). The code uses horizontal component cross-correlation method: a mathematical algorithm aimed to measure the similarity of the pulse shape between two shear waves. Anisomat+ has been compared to other two automatic analysis codes (SPY and SHEBA) and tested on three zones of the Apennines (Val d’Agri, Tiber Valley and L’Aquila surroundings). It was observed that, if the number of measures is large enough, at each station the average values of the parameters (fast direction and delay time) are comparable. The main goal in developing of an automatic code was to have tool able to work on a big amount of data, in a short time, by reducing the errors due to the subjectivity. These two acquirements are very useful and are the basis to develop a quasi real-time monitoring of the anisotropic parameters. The anisotropic parameters, resulting from the automatic computation, have been interpreted to determine the fracture field geometries; for each area, I defined the dominant fast direction and the intensity of the anisotropy, interpreting these results in the light of the geological and structural setting and of two anisotropic interpretative models, proposed in the literature. In the first one, proposed by Zinke and Zoback (2000), the local stress field and cracks are aligned by tectonics phases and are not necessarily related to the presently active stress field. Therefore the anisotropic parameters variations are only space-dependent. In the second, EDA model (Crampin, 1993), and its development in the APE model (Zatsepin and Crampin, 1995) fluid-filled micro-cracks are aligned or ‘opened’ by the active stress field and the variation of the stress field might be related to the evolution of the pore pressure in time; therefore in this case the variation of the anisotropic parameters are both space- and time- dependent. I recognized that the average of fast directions, in the three selected areas, are oriented NW-SE, in agreement with the orientation of the active stress field, as suggested by the EDA model, proposed by Crampin (1993), but also, by the proposed by Zinke and Zoback model; in fact, NW-SE direction corresponds also to the strike of the main fault structures in the three study regions. The mean values of the magnitude of the normalized delay time range from 0.005 s/km to 0.007 s/km and to 0.009 s/km, respectively for the L'Aquila (AQU) area, the High Tiber Valley (ATF) and the Val d'Agri (VA), suggesting a 3-4% of crustal anisotropy (Piccinini et al., 2006). In each area are also examined the spatial and temporal distribution of anisotropic parameters, which lead to some innovative observations, listed below. o The higher values of normalized delay times have been observed in those zones where most of the seismic events occur. This aspect was further investigated, by evaluating the average seismic rate, in a time period, between years 2005 and 2010, longer than the lapse of time, analyzed in the anisotropic studies. This comparison has highlighted that the value of the normalised delay time is larger where the seismicity rate is higher. o In the Alto Tiberina Fault area the higher values of normalised delay time are not only related to the presence of a high seismicity rate but also to the presence of a tectonically doubled carbonate succession. Therefore, also the lithology, plays a important role in hosting and preserving the micro-fracture network responsible for the anisotropic field. o The observed temporal variations of anisotropic parameters, have been observed and related to the fluctuation of pore fluid pressure at depth possibly induced by different mechanisms in the different regions, for instance, changes in the water table level in Val D’Agri (Valoroso et al., GJI submitted), occurrence of the April 6th Mw=6.1 earthquake in L’Aquila (Lucente et al., 2010). Since these variations have been recognized, it is possible to affirm that the models that better fit my results, both in term of fast directions and of delay times, seems to be those proposed by Crampin (1993) and Zatsepin & Crampin (1995), respectively EDA and APE models. 2011-02-16T23:00:00Z http://hdl.handle.net/2122/7961 Title: INFORMATION FROM SEISMIC AMBIENT NOISE: TECHNIQUES TO INVESTIGATE GEOLOGICAL PROPERTIES Authors: Ladina, Chiara; Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Sezione CNT, Roma, Italia Abstract: Questa ricerca si propone come spunto per approfondire la conoscenza delle caratteristiche del noise sismico ambientale attraverso osservazioni di dati sperimentali. L’utilizzo di registrazioni di noise sismico ambientale è funzionale alla conoscenza del segnale che si sta trattando e alla strumentazione impiegata. Le prime informazioni per quanto riguarda l’analisi del noise riguardano la sua origine e la sua natura. Inoltre il segnale sismico ambientale riguarda un’ampia banda di frequenze, la quale potrebbe non essere intercettata completamente da un sensore sismico oppure con ampiezze così ridotte da non essere riprodotte dal sistema di registrazione (per limiti di fabbricazione dello strumento). Quindi prima di effettuare una qualsiasi indagine di noise sismico ambientale è necessario saper scegliere la giusta strumentazione. Lo strumento deve poter rappresentare le frequenze volute e restituire il segnale. Ad oggi gli strumenti hanno un elevato livello tecnologico tale da poter registrare il segnale generato da un sensore sollecitato dal moto del terreno. Alle registrazioni dei terremoti si sovrappongono registrazioni di altri segnali che hanno differenti origine e che degradano la qualità della traccia sismica. Questo tipo di segnale che interferisce con la registrazione di un terremoto è definito rumore: ‘noise’. Recentemente, per alcune applicazioni sismologiche si è preferito utilizzare rumore sismico ambientale rispetto a registrazioni di terremoti. Il noise è generato da sorgenti che immettono energia nel terreno che tende a propagarsi sotto forma di onde. Il noise generalmente produce vibrazioni continue del terreno dette microtremori (Okada, 2003). In zone urbanizzate le sorgenti del noise possono essere un qualsiasi strumento meccanico che interagisce col terreno. Questo noise è definito antropico, cioè causato dall’attività dell’uomo, ed ha contenuto in frequenza a partire da circa 1 Hz. Il noise ambientale, invece, non viene percepito dall’uomo ed è prodotto da sorgenti naturali a frequenze più basse (0.1-1 Hz). I microtremori sono utilizzati comunemente in sismologia in quanto lo studio dell’origine e sulla natura del rumore sismico sono stati approfonditi. Quindi il noise sismico viene ricercato ed utilizzato per molti studi; esso è composto da diversi tipi di onde elastiche: onde di Rayleigh e Love, che forniscono informazioni anche di tipo geologico sul sottosuolo. La situazione più semplice che permette lo studio delle onde è 1D, in questo caso la velocità delle onde di taglio è un parametro fondamentale (Vs). questo parametro può essere individuato attraverso metodi come SASW (Spectral Analysis of Superficial Waves), processi di inversione permettono di ricavare profili di velocità. Utilizzando le tecniche dei rapporti spettrali, è possibile determinare l’amplificazione delle ordinate spettrali del moto orizzontale di un sito rispetto ad uno di riferimento (SSR, Standard Spectral Ratio: Borcherdt, 1970), oppure è possibile calcolare la funzione di trasferimento attraverso il rapporto tra lo spettro della componente orizzontale del moto rispetto a quella verticale (HVSR, Horizontal to Vertical Spectral Ratio: Lermo and Chavez-Garcia, 1993). Tali tecniche necessitano di un buon rapporto segnale/disturbo in modo da rappresentare le proprietà medie del mezzo di propagazione. Lo studio delle strutture geologiche locali e superficiali è legato al fatto che esse siano la causa determinante degli ‘effetti di sito’ generati dalla propagazione delle onde di un terremoto in prossimità della superficie terrestre. Studi di forti terremoti hanno evidenziato nel tempo come le caratteristiche geologiche superficiali possono determinare amplificazioni e prolungamento della sollecitazione del moto sismico del terreno. L’entità dei danni subiti in alcune aree poste all’interno di bacini sedimentari ha dato un forte impulso agli studi di microzonazione con lo scopo di ridurre e mitigare il rischio sismico. Gli effetti di sito sono legati alla topografia superficiale del substrato affiorante o sommerso, presenza di sedimenti soffici e presenza di forti discontinuità laterali. Le maggiori amplificazioni sono state osservate su stratificazioni sedimentarie tipo bacini lacustri o valli riempite di sedimenti alluvionali (Bindi et al., 2001, Shapiro et al. 2001; Boore, 2004). L’applicazione di tecniche per ottenere informazioni sulle caratteristiche geologiche e geotecniche, utili per gli effetti di sito, incontra problemi pratici quando gli esperimenti vengono effettuati in zone altamente urbanizzate. Queste difficoltà pratiche sono state superate utilizzando metodi basati sullo studio dei microtremori, i quali sempre presenti in ogni momento, hanno un ampio contenuto in frequenza e sono composti principalmente da onde superficiali. Con i microtremori è possibile ottenere informazioni sui periodi dei picchi di amplificazione (tecnica dei rapporti spettrali di Nakamaura: Nakamura, 1989), mentre attraverso tecniche in array vengono ricavate le curve di dispersione per ottenere profili di velocità degli strati geologici superficiali. La raccolta dei dati utilizzati in questa ricerca è stata svolta in questi tre anni di lavoro. I dati sono stati reperiti attraverso campagne sismiche di misura con lo scopo di apprendere le modalità di acquisizione del dato direttamente sul campo. Le campagne di misure sono state eseguite a seguito del terremoto de L’Aquila del 6 Aprile 2009. Questo tipo di attività è stato eseguito con l’ausilio di stazioni sismiche velocimetriche ed accelerometriche disponibili della Sezione di Milano dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV-MI) nell’ambito dell’attività di microzonazione svolta con il Dipartimento di Protezione Civile (DPC). In particolare sempre a causa del terremoto del 6 Aprile uno studio particolare è stato richiesto per il paese di Castelvecchio Subequo. Questo centro abitato sorge a 40 km di distanza della zona epicentrale ma ha riscontrato un elevato livello di danno ritenuto elevato per la distanza del centro dall’epicentro del terremoto. Il paese come molti altri vicini ha subito un differente livello di danno tra la zona centrale, nonché parte più storica del paese e la zona relativamente più moderna. Una caratteristica specifica di questo centro è inoltre la conformazione geologica e morfologica del rilievo sul quale è costruito. Infatti, la litologia è caratterizzata da un diverso grado di fratturazione lungo la sua dorsale. A questo scopo due diverse campagne di misura per registrare il noise sismico sono state eseguite. La prima ha interessato la parte abitata del paese con maggior attenzione per la parte storica e la seconda uno studio più approfondito delle caratteristiche geologiche della formazione rocciosa e la relativa risposta sismica. La prima parte ha portato ad eseguire misure nella parte centrale e sul lato orientale ed occidentale del paese. Questo ha permesso di verificare la diversa amplificazione nelle varie parti del paese. Inoltre alcune misure sono state svolte anche in rilievi di interessi pubblico, come ad esempio la scuola elementare e vicino alla Chiesa. La seconda parte ha permesso di caratterizzare i pinnacoli che si trovano alla fine del paese e che coincidono con la parte finale del centro storico. Su queste strutture sono state eseguite misure di noise sismico alla base e in sommità. Queste misure hanno mostrato che queste strutture non hanno nessun tipo di amplificazione e che quindi i danni all’interno del paese sono dati da una concomitanza di caratteristiche geologiche e morfologiche insieme. Visto la particolare posizione del paese si è anche installata una rete di monitoraggio composta da tre stazioni: una sulle pendici del Monte Urano, una alla base e una installata su roccia nella parte finale del centro storico. Il M. Urano si trova vicino all’abitato di Castelvecchio Subequo. Questa attività di monitoraggio ha permesso di verificare il diverso grado di amplificazione. È risultata maggiormente amplificata la componente orizzontale registrata nel centro storico. Un’attività parallela, ma sempre riguardante campagne di misure sismica, si è svolta nella conca Subequana. Lo scopo di questa attività è stato quello di ricostruire attraverso osservazioni geologiche, del gruppo geologico che stava studiando l’area, e analisi di registrazioni sismiche l’ipotetico andamento in profondità del substrato roccioso. Le osservazioni geologiche hanno evidenziato diverse litologie per l’area e un graduale passaggio da una formazione rocciosa a sedimenti proprio nella zona della conca. Il passaggio dalla formazione rocciosa ai sedimenti sarebbe poi marcato da un segmento della faglia della conca Subequana. Le indagini geofisiche e geologiche si sono ritrovate concordi sui relativi risultati e hanno permesso di ipotizzare l’approfondimento della valle. In questa attività di campagna i dati sono stati reperiti direttamente sul terreno ed in seguito sono stati analizzati con la tecnica Horizontal to Vertical Spectra Ratio (HVSR), utilizzata sia per quanto riguarda il noise che per le registrazioni dei terremoti della rete temporanea di monitoraggio. L’analisi del dato, il suo processamento ha interessato maggiormente la seconda fase del lavoro. In questa fase il reperimento di dati è stato eseguito direttamente presso la sede di Ancona del Centro Nazionale Terremoti (CNT). I dati in questo caso sono stati analizzati a partire dal loro formato originale, in questo caso MSEED, fino alla trasformazione nel formato richiesto per eseguire le analisi. In particolare ci si è interessati dell’area dell’Alto Val Tiberina una zona a confine tra Umbria-Marche. Quest’area, ritenuta sede ci continua attività sismica, è monitorata da una rete di monitoraggio che permette di raccogliere i dati in continuo. Questi dati possono essere reperiti presso la Sede di Ancona, dove vengono archiviati e una parte di questi viene inviata al centro acquisizione di Roma del CNT. Questi dati sono stati processati attraverso il calcolo delle cross-correlazioni utilizzando la tecnica Multi Window Cross-Spectrum (MWCS) per la prima volta eseguita da Poupinet et al. (1984). L’utilizzo di questa tecnica ha permesso di ottenere variazioni di velocità dell’area interessata confrontando i dati con l’attività sismica della zone e la possibile influenza di microsismi nelle variazioni riscontrate. Quindi una parte importante e considerevole di questo lavoro è stata l’esperienza acquisita durante l’attività di campo per l’installazione delle stazioni sismiche, la loro manutenzione e la consistente attività di processamento con l’applicazione di procedure di conversione dai dati originali in dati utili per le analisi. 2012-04-04T22:00:00Z http://hdl.handle.net/2122/7960 Title: FENOMENOLOGIA DEL NOISE SISMICO AMBIENTALE: DALLA CONOSCENZA DEL SEGNALE ALLE APPLICAZIONI EMPIRICHE Authors: Simone, Marzorati; Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Sezione CNT, Roma, Italia Abstract: Per l’uomo, il terremoto è la sollecitazione meccanica di natura oscillatoria la quale, una volta percepita, maggiormente si imprime nella memoria. Nel corso della Storia, probabilmente l’uomo ha iniziato a crearsi una coscienza dell’esistenza dei terremoti per il fatto che li ha percepiti attraverso il suo corpo, oltre a vedere la loro potenzialità distruttiva agire sui manufatti e colpire le vite dei suoi simili. Il corpo umano può essere visto come un sistema meccanico composto da sottosistemi con massa, proprietà elastiche e di smorzamento differenti; tale sistema, se sottoposto ad una sollecitazione di una certa intensità e caratterizzata da un dato contenuto in frequenza, ha una risposta conseguente, la quale può raggiungere e superare la soglia umana di percezione. Le varie parti del corpo umano entrano in risonanza per differenti intervalli di frequenza; ad esempio gli organi addominali hanno un range di frequenza di risonanza compreso tra 4 e 8 Hz, le spalle tra 4 e 5 Hz, la testa tra 20 e 30 Hz, le gambe, a seconda dell’angolatura, tra 2 e 20 Hz. Per sollecitazioni inferiori a 2 Hz, il corpo umano si comporta come una massa unica, seguendo omogeneamente gli spostamenti della struttura vibrante con la quale è a contatto; quindi al disotto di tale frequenza la vibrazione non viene percepita. In queste bande di frequenze, la soglia umana di percezione si colloca, secondo la normativa UNI 9614 (RIF.), ad un livello pari a 71 dB di accelerazione ponderata. Il terremoto possiede un’intensità ed un contenuto in frequenza che è percepito profondamente dal corpo umano. Mercalli propose la prima scala per classificare l’intensità di un terremoto, modificata nel 1930 da Sieberg (scala MCS: Sieberg, 1930). Essa si basa sull’effetto distruttivo arrecato ai manufatti; in tale scala il grado minore di intensità è relativo ai terremoti che non sono percepiti dagli esseri umani, ma sono registrati dagli strumenti sismici; i gradi successivi si distinguono per una sempre maggiore percezione del terremoto da parte della popolazione colpita. Gli strumenti sismici moderni hanno raggiunto un livello tecnologico che permette di registrare senza distorsione il segnale generato da un sensore sollecitato dal moto del terreno fino ad ampiezze ben al di sotto della soglia umana. Come avviene in un qualunque processo di misura, però, alla registrazione del terremoto si sovrappone sempre la registrazione di alcuni segnali che hanno origine differente e che degradano la qualità della traccia sismica. In sismologia, qualunque segnale che interferisce con la registrazione di un terremoto viene generalmente considerato rumore (noise). Per aumentate la quantità di informazioni estraibili dalla traccia sismica, gli effetti del rumore devono essere ridotti il più possibile e l’ampiezza relativa del segnale sismico rispetto a quella del rumore (definito come rapporto segnale/disturbo) fornisce un’indicazione della qualità della registrazione. Per alcune applicazioni sismologiche, però, il segnale di interesse non è costituito dalla registrazione delle oscillazione del terreno prodotte da un terremoto, ma dalla registrazione del rumore sismico ambientale che, invece, durante la registrazione di un terremoto costituisce una parte del noise che degrada la qualità della registrazione. Il noise sismico ambientale è generato, in analogia con un terremoto, da sorgenti in grado di immettere energia nel terreno che si propaga poi come onde per deformazioni elastiche della Terra. Il noise sismico ambientale produce delle vibrazioni continue del terreno chiamate microtremori, che hanno, generalemente, spostamenti da 10-4 a 10-2 mm (Okada, 2003) . In zone urbanizzate o nelle vicinanze di molte attività umane, spesso è possibile che l’uomo percepisca le vibrazioni appartenenti al noise sismico ambientale, in quanto le sorgenti possono essere costituite da qualsiasi mezzo meccanico che interagisce col terreno, come il traffico veicolare o i macchinari industriali. Questo noise è definito ‘culturale’ in quanto prodotto dall’uomo e dalla sua attività sul territorio; esso è sempre presente anche se con livelli di percezione differenti ed ha un contenuto in frequenza a partire da circa 1 Hz (Kulhanek, 1990). Ciò di cui invece l’uomo non ha percezione è del noise ambientale prodotto da sorgenti naturali (come ad esempio gli eventi meteorologici oceanici) che inducono vibrazioni continue nel tempo a frequenze più basse. Nell’intervallo di frequenza tra 0.1 e 1 Hz, i microtremori vengono comunemente inseriti nella categoria “microsismi”. I microtremori sono utilizzati dalla comunità scientifica sismologica in quanto la conoscenza dell’origine e della natura del noise ambientale è stata approfondita fino a comprenderne l’utilità per le applicazioni sismologiche. Quindi il noise sismico ambientale non è più visto solo come un disturbo da scartare; esso è composto da diversi tipi di onde elastiche e soprattutto è caratterizzato da un alto contenuto di onde superficiali (Rayleigh e Love) le quali trasportano utili informazioni sulle caratteristiche delle strutture geologiche del sottosuolo. La propagazione delle onde elastiche in una struttura geologica è determinata dalla complessità degli strati, dalla loro profondità, dalla velocità di taglio e di compressione, dalla densità e dal fattore di attenuazione dei materiali. La situazione più semplice da schematizzare è quella mono-dimensionale (1D), in cui le proprietà geologiche e geotecniche sono descritte seguendo un profilo verticale: in questo caso la velocità di taglio delle onde (Vs) ha un’importanza fondamentale nella propagazione. I metodi convenzionali per ottenere informazioni sul parametro Vs sono invasivi e dispendiosi, consistendo nella realizzazione di pozzi. Di recente, si sono affermati metodi come SASW (Spectral Analysis of Superficial Waves) (Stokoe et al 1989; Tokimatsu, 1995; Socco and Strobbia, 2004) che permettono di indagare le proprietà dispersive delle onde superficiali in mezzi eterogenei, le quali si propagano lungo l’interfaccia suolo-aria; attraverso processi di inversione vengono ricavati i profili di velocità a partire dalle curve di dispersione della velocità (Herrmann, 1994; Wathelet et al., 2004). Tali metodi utilizzano sorgenti attive per ricavare i dati sperimentali ed hanno una profondità di penetrazione di alcune decine di metri ed un limitato range di frequenza di analisi (Tokimatsu, 1995). In casi di sedimenti profondi alcune centinaia di metri, l’esplorazione dovrebbe avvenire con carichi esplosivi o mezzi meccanici che permettono di generare segnali con lunghezza d’onda sufficientemente lunghe per poter investigare profondità maggiori. Utilizzando le tecniche dei rapporti spettrali, è possibile determinare l’amplificazione delle ordinate spettrali del moto orizzontale di un sito rispetto ad uno di riferimento (SSR, Standard Spectral Ratio: Borcherdt, 1970), oppure è possibile restituire la funzione di trasferimento attraverso il rapporto tra lo spettro della componente orizzontale del moto rispetto a quella verticale (HVSR, Horizontal to Vertical Spectral Ratio: Lermo and Chavez-Garcia, 1993). I rapporti spettrali vengono comunemente calcolati utilizzando le serie temporali di eventi sismici locali. Tali tecniche necessitano di un numero di dati statisticamente significativo, con un buon rapporto segnale/disturbo, in modo da rappresentare le proprietà medie del mezzo di propagazione. L’importanza dello studio delle strutture geologiche locali e superficiali è dato dal fatto che esse sono la causa determinante degli ‘effetti di sito’ generati dalla propagazione delle onde di un terremoto (il quale è la causa scatenante) in prossimità della superficie terrestre. Attualmente è largamente accettato dalla comunità scientifica sismologica ed ingegneristica l’esistenza di ‘effetti di sito’ o di ‘amplificazione locale’, che indicano le deformazioni che il campo d’onda sismico subisce in prossimità della superficie terrestre, in relazione alla caratteristiche geologiche locali. Fin dalla fine del 1800, da quando è nata la sismologia strumentale ed è stato possibile rappresentare il moto del suolo durante un terremoto in diverse posizioni sul territorio, i sismologi hanno riconosciuto la variabilità ad esso collegata. Nel 1898, Milne affermava che è facile selezionare due stazioni a distanza di 1000 piedi una dall’altra per osservare una differenza di ampiezza del moto orizzontale anche di 5-10 volte (Milne, 1898). Gli studi di recenti forti terremoti (ad es., Michoacan 1985, Armenia 1988, Loma Prieta 1989, Iran 1990, Filippine 1990, Northridge 1994, Kobe 1995, Izmit 1999, El Salvador 2001, Bam 2003, tra gli altri) hanno evidenziato come le caratteristiche geologiche superficiali possono determinare amplificazioni e prolungamento della sollecitazione del moto sismico del terreno. L’entità dei danni subiti da alcune metropoli costruite su sedimenti soffici o incoerenti all’interno di bacini sedimentari, ha dato un forte impulso agli studi di microzonazione con lo scopo di ridurre e mitigare il rischio sismico. Nella realtà italiana, gli effetti di sito vengono riproposti alla luce di terremoti moderati che esaltano l’aspetto della vulnerabilità del costruito a fronte dell’amplificazione del campo sismico. Gli effetti di sito sono legati alla topografia superficiale del substrato affiorante o sommerso, alla presenza di sedimenti soffici e alla presenza di forti discontinuità laterali. Le maggiori amplificazioni sono state osservate su stratificazioni sedimentarie tipo bacini lacustri o valli riempite di sedimenti alluvionali (Hisada, 1993; Bard 1994; Bonilla et al. 1997; Bielak, 2000; Bindi et al., 2001, Shapiro et al. 2001; Semblat et al., 2002; Boore, 2004). L’applicazione delle tecniche per ottenere informazioni sulle caratteristiche geologiche e geotecniche, utili allo studio degli effetti di sito, incontra dei problemi pratici quando gli esperimenti devono o dovrebbero essere effettuati in zone altamente urbanizzate, dove il rischio sismico aumenta per l’alto grado di esposizione delle infrastrutture e costruzioni antropiche. E’ difficile ottenere i permessi per utilizzare esplosivi o mezzi meccanici che generano vibrazioni del terreno in ambiente urbano; i costi spesso sono troppo elevati per essere accettati dalle amministrazioni locali; è complicato trovare più siti che permettano installazioni di array sismici con configurazione rettilinea o circolare. In caso di sismicità bassa o moderata ed in caso di sorgenti attive poco intense, i segnali registrati sono degradati dal disturbo antropico, non permettendo una lettura corretta delle caratteristiche del campo d’onda; quindi non è possibile raccogliere un data set utile alle analisi. Queste difficoltà pratiche sono superate dai metodi che utilizzano i microtremori, i quali sono sempre presenti in ogni momento, hanno un ampio contenuto in frequenza e sono composti principalmente da onde superficiali, ipotesi che permette di utilizzare le proprietà dispersive legate alla velocità delle onde (Tokimatsu, 1995; Chouet et al. 1998). Con un abbattimento considerevole dei costi, dai microtremori è possibile ottenere informazioni sui periodi dei picchi di amplificazione (tecnica dei rapporti spettrali di Nakamaura: Nakamura, 1989), mentre attraverso tecniche in array vengono ricavate le curve di dispersione da cui ottenere i profili di velocità degli strati geologici superficiali. Anche in questo caso le tecniche riproducono le proprietà medie del mezzo analizzato in un’ottica 1D. Quando sono presenti forti variazioni laterali nei siti di analisi, i risultati vengono falsati da effetti bi- (2D) o tri-dimensionali (3D), dovuti alla topografia del substrato o alla generazione di onde superficiali indotte dai bacini sedimentari che vengono intrappolate negli strati superficiali. 2007-01-15T23:00:00Z http://hdl.handle.net/2122/7887 Title: Studio multidisciplinare per la caratterizzazione ed identificazione di aree sismicamente attive in Appennino: metodi geologici, geofisici e statistici Authors: Pierdominici, S.; Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Sezione Roma1, Roma, Italia Abstract: Lo studio effettuato in questa tesi di Dottorato ha lo scopo di integrare metodologie di analisi diverse - geologiche, geofisiche e statistiche - per contribuire alla determinazione del potenziale sismico, che è la diretta espressione dell’attività del campo di stress attualmente agente e responsabile della sismicità. Queste tre diverse metodologie sono state applicate in due aree selezionate ubicate lungo la catena appenninica, in corrispondenza delle conche intramontane di origine tettonica. La scelta di queste aree si basa anche sul presupposto che esse possano avere un notevole potenziale sismico essendo caratterizzate da importanti eventi storici di elevata magnitudo. Tra le metodologie applicate in questo studio, i metodi geologici mirano alla comprensione dell’evoluzione quaternaria delle depressioni intrappenniniche con particolare riguardo al riconoscimento ed alla valutazione delle evidenze di tettonica attiva. I metodi geofisici sono stati applicati per studiare e definire meglio il campo di stress attraverso l’analisi dei dati di borehole breakout, dei meccanismi focali dei terremoti e del test di Leak-off. Tutte le tecniche sono volte a determinare le componenti relative al campo di stress quali orientazione (Shmin ed asse-T), tipo di regime (normale, trascorrente o inverso) e sua quantificazione (pressioni in MPa). È stato inizialmente affrontato uno studio della sismicità storica e strumentale, attraverso l’analisi dei vari cataloghi, per integrare le conoscenze sulla geodinamica dell’Appennino, sull’assetto geologico-strutturale profondo, sulla definizione delle strutture sismogeniche, sulla distribuzione e sul potenziale sismico delle aree campioni. È stata affrontata l’analisi delle sequenze sismiche per determinare la distribuzione areale ed in profondità degli eventi, l’orientazione ed il tipo di regime di stress e la stima del tensore dello stress regionale mediante il metodo di inversione di GEPHART & FORSYTH (1984). Infine, sono stati applicati due metodi statistici per studiare la distribuzione spazio-temporale dei terremoti tramite due approcci non-parametrici: l’analisi multivariata che implementa il dato di sismicità con quello geologico-strutturale (FAENZA et al., 2003) ed il metodo di TANNER & WONG, 1984) che utilizza solo i dati di sismicità relativi ad un campione omogeneo. Infine, è stata calcolata la probabilità di evento nelle due aree campioni. 2003-12-31T23:00:00Z http://hdl.handle.net/2122/7188 Title: Modeling the European crust for seismic wave propagation Authors: Molinari, Irene; Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Sezione Bologna, Bologna, Italia Abstract: Looking into the structure, composition and behaviour of the Earth is one of the main goals of the seismic studies. Many geophysical problems — such as surface wave, group velocity and full waveform tomography , determination of mantle flows, gravity studies, source inversion — need plausible models as starting point for such studies. Crustal structure varies greatly over small scale length and has a strong effects on seismic waves. A priori models of the crust are thus often used to model seismic wave propagation at large distance and to account for shallow structure when imaging upper mantle structure. Focusing on forward earthquakes simulations, plausible crustal and mantle models are the first step to obtain realistic seismograms and results. Recent development in computer facilities and numerical methods — Spectral Element Method, ADER-DG method, Finite Difference method — enable to solve the wave equation in 3D complex media with high accuracy. These methods require a discrete representation of the investigation domain (mesh) through which we propagate wave. To model seismic wave propagation at the scale of a continent — i.e. signals travelling to stations a few hundred or thousand kilometers from the earthquake source — we have a problem connected to the detail and reliability of current models, that are sufficiently accurate when we look at the global scale, but often miss significant features at the scale of sedimentary basins and mountain ranges, that become very important as we zoom closer. Reliable and detailed information on these structures exist, for instance deriving from active-source studies, but are often not integrated in wide-area compilations such as desirable. At the European scale, it becomes clear that current crustal models are not adequate for modeling regional datasets with enough detail. The global model CRUST2.0 is frequently used for crustal correction and wave propagation, but its resolution is too low for continental-scale studies. Many other detailed information are available, but at different scales, with different information contents, and following different formats: this information needs to be merged into a larger-scale, coherent representation. The other important issue is that connected to the faithful implementation of a known structure in computational meshes used in forward simulations of wave propagation. The shallow crustal discontinuities indeed are difficult to represent, because of the small size of the shallower elements of the mesh that lead to a very short time step. In this study, I am mostly interested in addressing these two fundamental issues, i.e. how to retrieve a ’good’ crustal model for Europe, on the basis of existing knowledge, and how to best represent it for efficient, but accurate, numerical simulation of seismic wave propagation. In the first part (Chapter 1), we analyse the surface wave sensitivity to the crustal structure presenting an exercise, based on surface wave dispersion matching, to reparameterize CRUST2.0 global model in a simpler grid that can be considered equivalent to CRUST2.0 in modeling surface waves. The models is tested from a wave propagating point of view with SPECFEM-3D code. We collect all the informations available on the this region and we create a new comprehensive reference crustal model for the European plate (Chapter 2) that describes the complex structure of the Europe with higher resolution and more plausibility than previous models. However, we can improve the resolution of such large scale compilation: we collect tens of seismic lines in the East Alps region (Chapter 3) building up, applying a geostatistics technique, a complete regional crustal model of that area that was included in EPcrust. This would be an example in which new local models could be developed and integrated in the continental one. The results are available on www.bo.ingv.it/eurorem/EPcrust. Since new models are available, before starting a 3D implementation of the models in numerical methods, in Chapter 4 we quantitatively analyse in 2D the influence of the representation and uncertainties in the knowledge of crustal parameters on simulated wave field. We evaluate different synthetic test cases respect to the reference, analysing the frequency and source-receiver-distance dependence of our approximations. For the simulations, we use an high order ADER-DG scheme implemented in the SeisSol2D code able to honour the discontinuities in the crust with high fidelity. From a seismological point of view the next step after developing a model would be a validation of the model itself. In chapter 5, we go through a validation process of EPcrust. The main goal is to understand if our new model is able to give a better fit of the real data. We use the Spectral Element Method as implemented in SPECFEM3D-Globe. This choice would be a compromise between accuracy of the representation of the crustal structure and computational cost. The ADER-DG methods, well suited for an accurate representation of the sharp interface within the crust, is at the moment computationally too expensive for 3D simulations at continental scale. At the and of this thesis, we give a brief overview on methods and theory applied to obtain our results. 2011-04-30T22:00:00Z http://hdl.handle.net/2122/6761 Title: Calibration and validation (Cal/Val) of Remote Sensing data and spectral characterization of volcanic rocks Authors: Amici , Stefania; Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Sezione CNT, Roma, Italia Abstract: A calibration method has been applied on satellite data in the visible infrared spectral range from which spectral reflectance and emissivity may be retrieved. This dissertation describes the steps needed for multispectral/hyperspectral data calibration and a number of algorithms for reflectance and emissivity retrieval. The methodology is applied to retrieve reflectance and emissivity of volcano Teide and is validated through a comparison with “ground truth”. The “ground truth” spectra have been acquired during a field campaign carried on September 2007. As application of calibrated-validated data, the classification of the volcano Teide and the temperature map are discussed. 2010-03-27T23:00:00Z