Panepinto, Stefano

Continuous gravity recordings in volcanic area could play a fundamental role in the monitoring of active volcanoes and in the prediction of eruptive events too. This geophysical methodology is utilized, on active volcanoes, in order to detect mass changes linked to magma transfer processes and, thus, to recognize forerunners to paroxysmal volcanic events. Spring gravimeters are still the most utilized instruments for microgravity studies because of their relatively low cost and small size, which make them easy to transport and install. Continuous gravity measurements are now increasingly performed at sites very close to active craters, where there is the greatest opportunity to detect significant gravity changes due to a volcanic activity. Unfortunately, spring gravity meters show a strong influence of meteorological parameters (i.e. pressure, temperature and humidity), especially in the adverse environmental conditions usually encountered at such places. As the gravity changes due to the volcanic activity are very small compared to other geophysical or instrumental effects we need a new mathematical tool to get reliable gravity residuals susceptible to reflect the volcanic effect. In the following we present and discuss a preliminary work about the confrontation between the traditional filtering methodology and the Wavelet transform. The overall results show that the performance of the wavelet-based filter seems better than the Fourier one. Moreover, the possibility of getting a multi-resolution analysis and study local features of the signal in the time domain makes the proposed methodology a valuable tool for gravity data processing.

Continuous gravity observations performed in the last few years, both at Mt. Etna and Stromboli, have prompted the need to improve the tidal analysis in order to acquire the best corrected data for the detection of volcano related signals. On Mt. Etna, the sites are very close to each other and the expected tidal factor differences are negligible. It is thus useful to unify the tidal analysis results of the different data sets in a unique tidal model. This tidal model, which can be independently confirmed by a modeling of the tidal parameters based on the elastic response of the Earth to tidal forces and the computation of the ocean tides effects on gravity, is very useful for the precise tidal gravity prediction required by absolute or relative discrete gravity measurements. The change in time of the gravimeters’ sensitivity is also an important issue to be checked since it affects not only the results of tidal analysis but also the accuracy of the observed gravity changes. Conversely, if a good tidal model is available, the sensitivity variations can be accurately reconstructed so as to retune observed tidal records with the synthetic tide, since the tidal parameters are assumed to be constant at a given location.

A procedure for the construction of 3D velocity-density models and earthquake relocation by integrated inversion of P and S wave traveltimes and Bouguer anomaly distribution was applied to a large data set concerning the Sicilian area and portions of the surrounding basins.

In May 2007, to monitor the seismic processes taking place in the Ionian region, the Centro Nazionale Terremoti, department of INGV, in the frame of the NERIES project (NA6), extended offshore through the deposition of 3 Ocean Bottom Seismometers (OBS) its seismic network. During this experiment the magnitudes of completeness (the magnitude of the smallest events that can be reliably and completely detected by the network) appreciably decreased and the precision of hypocenter estimation of medium-large magnitude earthquakes with epicentres in the Ionian Sea increased. However traveltime-based location methods are inapplicable to many earthquakes recorded only by the OBS’s. The most effective and economical methods to locate small-magnitude seismic events recorded by single three-component stations are based on the polarization analysis of broadband seismic data. The classical polarization analysis assumes that the signal is noise free, nevertheless the 3C recording includes both signal and noise and the polarization analysis is reliable only if the signal to noise ratio is very high. To statistically improve the polarization estimated attributes, we applied a noise correction to the covariance matrix. This correction is based on the assumption that in the selected time-window the noise can be regarded as a stochastic process stationary both in the time and in the space domain. To locate the earthquake hypocenters we used the back-azimuth and emergence angle of P-phase and Ts-Tp delay time. This parameters were estimated by polarization analysis. Using the 1D velocity model proposed by de Voogd (1992) for this region of Ionian Sea, we mapped the emersion angle of the seismic ray and the Ts-Tp delay time as functions of epicentral distance and focal depth. We used the punctual estimates of these parameters and the confidence intervals to determine their intersection region. This method defines in the vertical azimuthal plane the area containing the focus position with some probability. The application of this procedure to about 100 seismic events recorded only by a single OBS, allow to detect low energy seismicity near to the Hyblean-Maltese escarpement.

Per meglio comprendere e monitorare i processi sismo-tettonici in atto nell’area Euro- Mediterranea, negli ultimi decenni si è assistito allo sviluppo in quest’area di oltre un centinaio di reti di monitoraggio sismico a terra. Tuttavia il monitoraggio sismico della regione Euro- Mediterranea tramite sole stazioni a terra è di difficile attuazione; numerosi sono infatti gli eventi sismici con epicentro in mare. L’effetto dell’insufficiente copertura in molte aree prevalentemente offshore delle reti sismiche produce un immagine della sismicità Mediterranea incompleta e distorta. Uno degli obbiettivi del progetto NERIES, attività NA6, è l’estensione offshore delle reti sismiche tramite l’impiego di OBS (Ocean Bottom Seismometer). Nel 2007, all’interno del suddetto progetto, l’OBS Lab (CNT, INGV) ha deposto tre OBS in prossimità di uno dei tre siti chiave proposti da ESONET (European Sea Floor Observatory Network) nello Ionio Meridionale (D’Anna et al., 2008a, 2008b, 2008c, 2008d). Lo Ionio Meridionale e le aree limotrofe, sismicamente molto attive sono attualmente soggette ad una rapida deformazione; i diversi modelli geodinamici del Mediterraneo propongono per la crosta ionica una probabile origine oceanica (Catalano et al., 2001; Finetti e Del Ben, 2005). L’attività sismica, perlopiù superficiale, è in gran parte localizzata lungo gli archi Ellenico, Egeo e Calabro, la Sicilia orientale e la scarpata Ibleo-Maltese. La distribuzione della sismicità e l’evoluzione geodinamica dell’area ionica sono in gran parte determinati dalla convergenza della placca Africana e Euroasiatica (Finetti e Del Ben, 2005). La prima campagna OBS ha permesso di raccogliere dati sismologici per oltre 9 mesi da tre diversi OBS; la seconda conclusasi nel febbraio 2009 ha aggiunto al database sismologico della stazione OBS A3 ulteriori 10 mesi di registrazione in continuo. Durante le 2 campagne l’array di OBS ha registrato oltre 1000 eventi, di cui circa 200 telesismi, 800 eventi regionali e oltre 200 eventi non localizzati da stazioni a terra. In Fig. 1 sono riportati i segnali di velocità e di pressione registrati dalla stazione OBS A3, di un evento telesismico di magnitudo pari a 7.2 con epicentro nella regione dello Xinjiang-Xizang. In una fase preliminare si è voluto valutare l’effetto di queste stazioni sulle performance di localizzazione della Rete Sismica Nazionale applicando il metodo SNES (Seismic Network Evaluation through Simulation, D’Alessandro et al., 2009). Per il calcolo delle mappe SNES è stato stimato il valore medio del rumore sismico sulla componente verticale delle tre stazioni OBS. Le mappe dell’errore sulla stima dell’ipocentro di Fig. 2 sono state calcolate come il raggio della sfera equivalente dell’ellisoide di confidenza al 95% (Radious of Equivalent Spere, RES), per magnitudo pari a 2.5 e 3, fissando la profondità ipocentrale a 15 km. La mappa di Fig. 2 mostra come un’estesa area dello Ionio meridionale risulti meglio coperta in seguito all’installazione delle tre stazioni OBS; in particolare è evidente un notevole miglioramento del RES che in alcune aree prima non coperte scende sotto il valore di 2 km. Gli eventi ben localizzati dalle reti dell’INGV, dell’EMSC, dell’USGS e dalla rete sismica nazionale greca sono stati utilizzati per determinare gli azimuth delle componenti orizzontali degli OBS attraverso un’analisi di correlazione dei back-azimuth ottenuti tramite l’analisi di polarizzazione dei segnali 3C degli OBS e i corrispondenti back-azimuth dedotti dalle loro localizzazioni (D’Alessandro et al., 2008). Successivamente l’analisi di polarizzazione e lo studio dei tempi di arrivo delle onde P ed S ha permesso di effettuare una localizzare approssimativa di molti degli eventi non localizzati dalla rete sismica nazionale. Per un’accurata stima della distanza epicentrale è stato necessario ricavare un modello ottimale di velocità delle onde P ed S per l’area in esame. Per definire un modello 1D di velocità delle onde P per l’area ionica, sono stati invertiti i tempi di arrivo di oltre 300 fasi P degli eventi regionali registrati. Dell’intero dataset sono stati scelti solamente gli eventi con RMS inferiore a 0.3s e errore standard di localizzazione minore di 3.0 km. Sulla base delle informazioni attualmente disponibili per l’area del bacino ionico e delle aree circostanti, sono stati inoltre scartati gli eventi con ipocentro superficiale in aree intensamente deformate; per queste aree sono state selezionati solo gli evensorgente alla stazione è stato risolto in maniera analitica per i raggi rifratti e tramite la tecnica dello “shooting” per le onde dirette. Nella soluzione del problema diretto è stata considerata anche la profondità delle stazioni. Il modello di velocità delle onde S è stato ottenuto invertendo le curve di dispersione del modo fondamentale delle onde di Rayleigh. L’inversione congiunta dei tempi di viaggio e delle curve di dispersione ha permesso di definire un unico modello 1D di velocità. Il modello ottenuto e i risultati della localizzazione saranno esposti durante il convegno.

In 2007-2008, we installed on Mt. Etna two deep tilt stations using high resolution, self-leveling instruments. These installations are a result of accurate instrument tests, site selection, drilling and sensor positioning that has allowed detecting variations related to the principal diurnal and semidiurnal tides for first time on Mt. Etna using tilt data. We analyzed the tidal effects recorded on tilt signals and we removed tidal effects from signals, thereby allowing to detect changes of about 20 nrad with a considerable improvement in respect to the previous installation. Tilt changes have accompanied the Mt. Etna main eruptive phases and are generally related to the rapid rise of magma and formation of dikes and eruptive fissures. However, tilt changes may characterize lava fountains, earthquakes, and inflation-deflation phases. The 2008-2009 eruption represents an example of the potential of the tiltmeters we used, which provides new perspectives for highly precise monitoring of ground deformation on volcanoes.

This study summarizes the results obtained by using a processing method based on wavelet transform for noise-filtering of continuous gravity data. Continuous gravity recordings in vol- canic area could play a fundamental role in the monitoring of active volcanoes and in the prediction of eruptive events too. This geophysical methodology is used, on active volcanoes, in order to detect mass changes linked to magma transfer processes and, thus, to recognize forerunners to paroxysmal volcanic events. Spring gravimeters are still the most utilized in- struments for this type of microgravity studies. Unfortunately, spring gravity meters show a strong influence of meteorological parameters, especially in the adverse environmental condi- tions usually encountered at such places. As the gravity changes due to the volcanic activity are very small compared to other geophysical or instrumental effects, we need a new mathematical tool to get reliable gravity residuals susceptible to reflect the volcanic effect. The aim of the present work is to get a first evaluation about the comparison between the traditional filtering methodology and the wavelet transform. The overall results show that the performance of the wavelet-based filter seems better than the Fourier one. Moreover, the possibility of getting a multi-resolution analysis and study local features of the signal in the time domain makes the proposed methodology a valuable tool for gravity data processing.