INFORMATION FROM SEISMIC AMBIENT NOISE: TECHNIQUES TO INVESTIGATE GEOLOGICAL PROPERTIES

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.