Waveforms analysis to improve earthquake location procedures: theory and applications

Abstract

Nell'analisi di routine di segnali sismici registrati sia da reti fisse sia temporanee è abbastanza comune riconoscere, alle varie stazioni, coppie (doublets) o gruppi (multiplets) di eventi sismici caratterizzati da forme d'onda molto simili. Tali eventi se localizzati in corrispondenza di una ristretta fascia geografica costituiscono, se caratterizzati da comune meccanismo sorgente, quelle che vengono definite “famiglie sismogenetiche” (Tsujiura, 1983). Il riconoscimento di terremoti caratterizzati (se registrati ad una comune stazione) da sismogrammi molto simili consente indagini di dettaglio in grado di fornire informazioni molto più accurate rispetto ad una semplice localizzazione di routine; determinare una relazione diretta tra famiglie sismogenetiche e strutture geologiche presenti in una determinata area consente infatti di discriminare all’interno della stessa la presenza di sorgenti potenzialmente attive. In particolare, uno studio prolungato nel tempo dell’occorrenza di terremoti aventi le caratteristiche sopra riportate rappresenta lo strumento fondamentale al fine della determinazione dei periodi di riattivazione delle sorgenti individuate. L’analisi di somiglianza di forme d’onda può essere implementata sia nel dominio del tempo sia nel dominio delle frequenze, utilizzando a seconda dei casi tecniche basate rispettivamente sulle funzioni di cross correlazione e di cross spettro. In caso di analisi nel dominio delle frequenze i segnali analizzati sono ottenuti a partire da sismogrammi convertiti in spettri tramite l’utilizzo della funzione trasformata di Fourier. A causa del non sempre soddisfacente rapporto segnale disturbo caratterizzante le registrazioni fornite dalle reti sismiche fisse RSNI (Rete Sismica Italia Nord Occidentale) ed RSLG (Rete sismica Lunigiana-Garfagnana), gestite direttamente dalla sezione geofisica dell’Università di Genova ed utilizzate come base di partenza per gli studi effettuati, nel presente lavoro di tesi sono state implementate tecniche di analisi del segnale sismico esclusivamente nel dominio del tempo. Al fine di determinare in termini oggettivi un adeguato settaggio per tutti i parametri coinvolti in un’analisi di somiglianza di forme d’onda si è compiuto uno studio di dettaglio considerando come test la sismicità dell’Appennino Settentrionale (area Lunigiana- Garfagnana) registrata dalla rete fissa RSLG nel periodo 1999 - 2003. In base alle risultanze derivate da una preliminare analisi del rapporto segnale disturbo effettuata a ciascuna stazione della rete RSLG, è stato selezionato un data set composto da circa 1.000 terremoti, aventi magnitudo locale compresa tra 1.5 e 4.1. L’analisi delle forme d'onda è stata implementata nel dominio del tempo utilizzando la funzione di cross correlazione normalizzata. A differenza di recenti studi su doublets sismici, per ogni singolo sismogramma è stata analizzata una finestra temporale comprendente tutte le fasi del segnale considerato. Molteplici test eseguiti hanno infatti dimostrato come effettuare un’analisi di somiglianza considerando ridotte porzioni di sismogramma (pochi secondi) conduca in modo inequivocabile alla determinazione di famiglie sismogenetiche erroneamente sovradimensionate. Come sottolineato in Ferretti et al., 2005 (accettato in via preliminare per la pubblicazione sulla rivista “Bulletin Seismological Society of America”) l’indice di cross-correlazione calcolato considerando un’adeguata finestra temporale, comprendente fase P, fase S e parte della coda, consente di ottenere valori di similitudine dipendenti anche da componenti di segnale strettamente legate alla propagazione nel mezzo. Una volta ottenuti affidabili indici di somiglianza si è proceduto alla determinazione, a partire da coppie di terremoti simili (doublets), di una soglia minima di cross correlazione (indice di somiglianza) riferita a ciascuna stazione utilizzata, da applicare al fine di discriminare quelle che vengono definite famiglie sismogenetiche (multiplets). A tale scopo è stata applicata una innovativa procedura (Ferretti et al., 2005) in grado di considerare sia le componenti verticali sia le componenti orizzontali dei segnali registrati a tutte le stazioni della rete sismica considerata. Il raggruppamento in famiglie è stato effettuato utilizzando la “bridging technique” (Aster and Scott, 1993), considerandone vantaggi e svantaggi rispetto alle metodologie classiche. Il risultato finale è stata la determinazione di 27 multiplets, ognuno dei quali riconosciuto da più stazioni con valori minimi di somiglianza superiori all’ 80%. Considerando le famiglie sismogenetiche maggiormente significative (in termini di componenti) e contemporaneamente localizzate internamente alla rete RSLG, è stata applicata a ciascuna di esse una procedura di localizzazione in relativo tramite l’utilizzo del “double difference algorithm” (Waldhauser and Ellsworth, 2000). L’accuratezza dei parametri ipocentrali ottenuta tramite la procedura di ri-localizzazione è stata testata analizzando due differenti data set, composti rispettivamente da eventi localizzati internamente ed esternamente alla rete RSLG. I risultati ottenuti hanno messo in evidenza la buona affidabilità del metodo per eventi sismici localizzati internamente al network ed allo stesso tempo una scarsa significatività dei risultati considerando un data set caratterizzato al contrario da eventi sismici caratterizzati da elevato gap azimutale e non trascurabile distanza ipocentro-prima stazione. Per ciascuna famiglia rilocalizzata è stato calcolato, ove possibile, il meccanismo focale cumulato al fine di determinare l’orientazione del piano di faglia principale. Una successiva applicazione delle metodologie sopra descritte è stata effettuata utilizzando come data set di partenza circa 250 terremoti, registrati dalla rete sismica RSNI nel periodo Agosto 2000 - Luglio 2001, localizzati in una ristretta area geografica ubicata pochi km a NO di Acqui Terme (Monferrato, Piemonte) (Massa et al., 2005, accettato in via preliminare per la pubblicazione sulla rivista “Journal of Seismology”). L’analisi di doublets unita ad una successiva procedura di localizzazione in relativo ha condotto alla determinazione di 5 multiplets, ognuno dei quali aventi parametri di localizzazione caratterizzati, se paragonati ai medesimi derivati dalla localizzazione di bollettino, da un brusco decremento degli errori. Le nuove localizzazioni delle famiglie sismogenetiche, nonostante abbiano consentito di definire per l’area in studio una distribuzione di sismicità interpretabile in riferimento alle conoscenze concernenti l’assetto geologico strutturale dell’area stessa, rimangono in questo caso affette, per quanto riguarda le coordinate assolute, da non trascurabili errori insiti nelle localizzazioni di partenza. La configurazione del network a disposizione, sia in termini di gap azimutale sia in termini di distanza epicentri-stazione, non ha consentito, relativamente alla posizione dell’area epicentrale, di ottenere affidabili localizzazioni assolute. Il confronto dei risultati derivanti dall’applicazione di medesime metodologie, a partire da differenti condizioni al contorno, ha consentito di definire le condizioni limite di applicabilità delle stesse, le quali se utilizzate senza alcun criterio di selezione condurranno in generale ad un mancato miglioramento delle condizioni di partenza e/o a risultati erronei. La parte conclusiva degli studi trattati è stata dedicata allo sviluppo di un nuovo algoritmo di localizzazione assoluta basato esclusivamente su un’analisi di somiglianza di forme d’onda effettuata ad una singola stazione di riferimento (Massa et. al. 2005, sottomesso alla rivista “Journal of Geophysical Research”). Tale procedura è stata implementata considerando come riferimento la stazione mono-componente di Sant’Anna di Valdieri (rete sismica RSNI), ubicata nelle Alpi Sud Occidentali, in prossimità del confine italo-francese. Sono stati raccolti in un data base di partenza, accuratamente selezionato a seguito di un’analisi del rapporto segnale disturbo, circa 2.700 sismogrammi verticali, registrati in un’area di 40 km x 40 km nel periodo 1985-2004. L’analisi di somiglianza, precedentemente descritta è stata in grado di discriminare per il periodo considerato 80 multiplets, a ciascuno dei quali è stato possibile associare un evento master (evento di riferimento) in corrispondenza del quale fare collassare le coordinate ipocentrali di tutti gli eventi appartenenti alla famiglia associata al medesimo. Utilizzando il data set di multiplets ricavato per il periodo in esame, l’algoritmo di localizzazione è stato testato utilizzando un data set ridotto composto da circa 100 terremoti, registrati nell’area in studio nel periodo Gennaio 2003 - Giugno 2004. Tramite la suddetta metodologia di localizzazione, basata esclusivamente sui risultati derivati da un’analisi di forme d’onda nel dominio del tempo, è stato possibile localizzare circa il 50% degli eventi appartenenti al data set ridotto. Il vantaggio principale di tale procedura, rispetto alle tecniche usualmente utilizzate per determinare le coordinate ipocentrali di eventi sismici, risulta l’indipendenza della medesima da errori derivanti da sfavorevoli geometre di rete rispetto all’area epicentrale, dal numero di stazioni (fasi registrate), dalla distanza ipocentro-prima stazione e da errori di lettura delle fasi sismiche da parte di un operatore. L’attenzione rivolta allo studio delle sequenze sismiche, con la conseguente possibilità di dare una corretta caratterizzazione alle strutture sismogenetiche presenti nelle aree considerate, rappresenta uno passo fondamentale per qualsiasi tipo di studio disciplinare successivo; la qualità dei risultati ottenibili attraverso la costruzione di modelli tomografici e di propagazione (sulla base dei quali vengono effettuati gli studi di rischio sismico) dipende infatti dagli errori ottenuti durante le procedure di localizzazione dei terremoti e di conseguenza dalla corretta individuazione delle strutture sismogenetiche responsabili degli stessi.