19 Geologia e Litologia Misura e Localizzazione Terremoti

Geologia e Litologia 2010 2011
Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Come si misura
la forza di un terremoto ?
Magnitudo
Intensità
(Dati strumentali)
(Dati macrosismici)
Movimento oscillatorio
del terreno
Effetti sull’ambiente, sull’uomo e sulle
strutture antropiche
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Propagazione delle onde
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Sismografo
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Sismometri vecchi e nuovi
Sismometri
digitali
Sismometri
meccanici
Weichert
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Sismogrammi
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Magnitudo “Richter” (1935)
Stazione sismica di riferimento
(a 100 km da epicentro)
Terremoto di riferimento: M=1
Ampiezza oscillazione: 0,001 mm
Ampiezza oscillazione registrata
M=log10 --------------------------------------------Ampiezza oscillazione di riferimento
Stazione sismica a 100 km da epicentro
Magnitudo Richter (scala logaritmica)
ampiezza del movimento
sismogramma
magnitudo
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Ricostruzione della scala magnitudo
Sample of the data used by Richter to construct the magnitude scale for southern California. The
symbols represent observed peak ground motions for earthquakes recorded during January of 1932
(different symbols represent different earthquakes). The dashed lines represent the reference
curve for the decrease in peak-motion amplitude with increasing distance from the earthquake. A
magnitude 3.0 earthquake is defined as the size event that generates a maximum ground motion of 1
millimeter (mm) at 100 km distance.
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Ricostruzione della scala magnitudo
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
La magnitudo di terremoti che avvengono a distanze
ML ed Ms
epicentrali diverse dai 100 km può essere calcolata se si
conosce la legge di attenuazione dell’ampiezza delle
diverse onde sismiche con la distanza epicentrale.
Richter ricavò nel 1935 la seguente equazione della
Magnitudo locale (ML) per terremoti superficiali
californiani con distanze epicentrali tra 200 e 1.500 km:
ML = log10 Amax + 3 log – 3,37
(fattore correttivo per la distanza)
Amax = ampiezza massima in mm
(onde P, S o superficiali)
= distanza epicentrale (km)
Il sistema trovava una buona applicazione fino a (ML) =
6,5 (al di sopra l’energia veniva sottostimata).
Gutenberg e Richter nel 1936
definirono
la
Magnitudo
MS,
determinata in basa al valore della
massima ampiezza del movimento
del suolo (in micron) prodotto da
onde Rayleigh di periodo uguale a
20 sec.
MS = log A + a f(, h) + b
a e b = due costanti;
h
= profondità ipocentrale;
f(,h) = funzione che deve essere determinata per ogni
stazione sismografica.
(buone applicazioni fino a Magnitudo 8)
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Parametri relativi alla zona di sorgente
Per costruire modelli realistici dei processi sismogenetici sono stati studiati altri parametri relativi
alla zona di sorgente del sisma (caratteristiche della zona focale e dinamica del processo di
fratturazione), deducibili dalle informazioni contenute nei sismogrammi.
Meccanismo focale
Momento sismico
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Meccanismo focale
Per costruire modelli realistici dei processi sismogenetici sono stati studiati altri parametri relativi
alla zona di sorgente del sisma (caratteristiche della zona focale e dinamica del processo di
fratturazione), deducibili dalle informazioni contenute nei sismogrammi.
Sulla base della teoria del rimbalzo elastico (lenta deformazione,
rottura con spostamento e rimbalzo, nuova posizione di equilibrio),
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Meccanismo focale
Per costruire modelli realistici dei processi sismogenetici sono stati studiati altri parametri relativi
alla zona di sorgente del sisma (caratteristiche della zona focale e dinamica del processo di
fratturazione), deducibili dalle informazioni contenute nei sismogrammi.
Sulla base della teoria del rimbalzo elastico (lenta deformazione,
rottura con spostamento e rimbalzo, nuova posizione di equilibrio),
i segnali registrati nei sismografi
ubicati intorno all’epicentro (verso e
ampiezza del primo impulso P o S)
permettono di individuare zone in
compressione e in distensione
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Meccanismo focale
Per costruire modelli realistici dei processi sismogenetici sono stati studiati altri parametri relativi
alla zona di sorgente del sisma (caratteristiche della zona focale e dinamica del processo di
fratturazione), deducibili dalle informazioni contenute nei sismogrammi.
Sulla base della teoria del rimbalzo elastico (lenta deformazione,
rottura con spostamento e rimbalzo, nuova posizione di equilibrio),
i segnali registrati nei sismografi
ubicati intorno all’epicentro (verso e
ampiezza del primo impulso P o S)
permettono di individuare zone in
compressione e in distensione
e di conseguenza l’orientazione del
piano di faglia e il movimento relativo
dei due lati della faglia.
Proiezione utilizzata per la rappresentazione dei meccanismi
focali (F ipocentro, E epicentro, quadranti compressivi in nero).
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Meccanismo focale
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Meccanismo focale
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Momento sismico
Un ulteriore parametro relativo alla zona di sorgente del sisma, deducibile dalle informazioni
contenute nei sismogrammi, è il Momento Sismico (Mo).
In fisica:
momento = forza x braccio (distanza dal centro di rotazione di un sistema).
Considerando due differenti blocchi di una faglia a contatto ed in moto relativo:
M0 = μ * A * d
Mo = momento sismico dyne/cm
μ = modulo di rigidità dyne/cm2
A = area di rottura
cm2
d = scorrimento medio cm
(Aki, 1966; De Polo & Slemmons, 1990)
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Momento sismico
Un ulteriore parametro relativo alla zona di sorgente del sisma, deducibile dalle informazioni
contenute nei sismogrammi, è il Momento Sismico (Mo).
M0 = μ * A * d
Mo = momento sismico dyne/cm
μ = modulo di rigidità dyne/cm2
A = area di rottura
cm2
d = scorrimento medio cm
(Aki, 1966; De Polo & Slemmons, 1990)
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Stress drop = slip/dimensione faglia
Stress drop
(Modello di Brune)
Δσ~ M0fc3
Nel modello di Brune lo stress drop
sostituisce la dimensione della faglia nella
descrizione della sorgente sismica Æ
Nel contesto del processo di rottura del terremoto lo stress drop è la differenza di sforzo sul
piano di faglia prima e dopo la rottura. Quindi dipende dalle proprietà fisiche della roccia
interessata e dalla loro variazione sul piano di taglio. In effetti alcune zone della superficie di
faglia possono essere più “forti” di altre e quindi sostenere e rilasciare uno sforzo superiore
rispetto ad altre porzioni della faglia.
Lo stress drop statico è quindi un valore “mediato”, funzione dell’energia totale liberata dal
terremoto (ricavata dal momento sismico o dalla magnitudo) e della dimensione della rottura. In
effetti si può modellare la rottura in modo da definire la distribuzione del Δσ sul piano di rottura.
In altre parole, l’energia rilasciata durante un terremoto viaggia come onde sismiche, che si
esprimono soprattutto come moti vibratori del suolo, direttamente collegati al suo Δσ.
Quindi lo stress drop, che si spera essere “caratteristico” di una faglia sismogenetica, anzi di
una regione, è importante per modellare la sorgente sismica e quindi il conseguente moto del
suolo atteso in un particolare luogo (leggi di attenuazione). In particolare, il comportamento
dello Δσ con l’aumentare della magnitudo, ha un impatto pratico molto rilevante per le stime di
hazard sismico,
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Stress drop = slip/dimensione faglia
Stress drop
(Modello di Brune)
Δσ~ M0fc3
Nel modello di Brune lo stress drop
sostituisce la dimensione della faglia nella
descrizione della sorgente sismica Æ
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
dynamic stress drop = 7 Mo / 16 r3
Eshelby (1957)
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Ω0
fc
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Magnitudo momento
I sismologi hanno di recente sviluppato una scala standard di magnitudo che e' completamente
indipendente dal tipo di strumento utilizzato definita Magnitudo Momento (Mw) derivata dal
momento sismico (Mo).
Conversione del momento sismico (Mo) in magnitudo Mw):
Mw = 2 / 3 * log (M0) - 10.73
10
La magnitudo Mw è utilizzata generalmente per forti terremoti
e può' assumere valori anche negativi.
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Magnitudo
ML Magnitudo Locale
Introdotta da Richter, calcolata abbastanza rapidamente con stazioni della rete locale (tipo Wood
Anderson) a 600 km massimo dall'epicentro, attraverso la misura dell'elongazione massima del
sismogramma. Il campo di applicabilità è vasto.
MS Magnitudo
Viene calcolata sull'arrivo delle onde superficiali, e di conseguenza non risulta adeguata per i
terremoti profondi (in grado di produrre onde superficiali poco sviluppate).
MO Momento Sismico Scalare
E' proporzionale (come anche il Momento tensore) al rilascio di deformazione elastica nella zona
ipocentrale e rappresenta l'energia sismica rilasciata (1023-25 dyne cm). E' calcolato generalmente
attraverso il metodo CMT (dallo spettro di spostamento delle onde S).
MW Magnitudo Momento
Viene calcolato attraverso i dati del Tensore Momento Sismico e del Momento Sismico Scalare
(Mo), che vengono determinati con il metodo CMT. Non sempre ci sono i dati per calcolarlo.
Tempi di calcolo molto lunghi, ma molto attendibili in quanto vengono utilizzate le onde di volume
a periodi lunghi (T>30 sec.) registrate su stazioni a scala globale (Rete Sismografica Globale), con
distanze ipocentrali anche di 2000 km ( telesismiche).
MD Magnitudo Durata
Viene calcolata molto rapidamente ma lascia incertezze (in modo particolare per i grossi terremoti
che sono seguiti da repliche in rapida successione sulla coda dell'evento principale). I valori sono
affidabili solo per magnitudo basse. MD sottostima generalmente l'evento se confrontato con ML.
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Magnitudo Æ scala logaritmica
1 grado M Æ 10 volte ampiezza scuotimento
1 grado M Æ energia ca. 32 volte superiore
Magnitudo
Simbolo
Onda
M range
distanza
T
Durata
MD
durata scuotimento
<4
0-400 km
-
Locale Richter
ML
S o superficie
2-6
0-400
0.8 s
Body-Wave
mb
P (eventi profondi)
4-7
16-100°
1s
Surface-Wave
Ms
Raleigh
5-8
20-180°
20 s
Momento
Mw
Area rottura, Slip
>3,5
tutte
>100 s
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Metodo CMT (Centroid Moment Tensor)
Sistema sviluppato ad Harvard, viene applicato per stimare i parametri fondamentali di
tutti i terremoti con magnitudo elevate (M > 4.0) su tutto il globo. Utilizza le onde di
volume a periodi lunghi e fornisce:
• Tensore Momento Sismico;
• Momento Sismico Scalare (MO);
• Meccanismi focali;
• Geometria della faglia.
Sequenza di Colfiorito
Data
Ora (GMT)
MS
ML
MW
26-set
00:33
5,5
5,6
5,7
26-set
09:40
5,8
5,8
6,0
14-ott
15:23
5,4
5,5
5,7
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Modelli di rottura
cercano di spiegare: diverse grandezze terremoti in varie regioni della terra,
rotture multiple (terremoti in seguenza) e aftershocks sul piano
barriere
asperità
prima
sforzo
dopo
terremoto
scorrimento
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Legge di Gutenberg & Richter
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
ENERGIA DEL TERREMOTO
La magnitudo e il momento sismico sono relazionabili all’energia irradiata da un terremoto
sotto forma di onde elastiche (esclusa l’energia dissipata in calore). Richter e Guttenberg
svilupparono per primi una relazione tra magnitudo ed energia, sulla base dei segnali
registrati nei sismografi.
log ES = 11.8 + 1.5 MW (erg)
Altre formule sono seguite a quella di Richter e Guttenberg, ma sostanzialmente variando i
valori delle costanti b e c.
log E
=
b
+
c M
Più recentemente è stata sviluppata la relazione tra momento sismico ed energia delle onde
sismiche. Kanamori, H., 1977
Energia = Momento / 20.000
L’energia sismica emessa annualmente è compresa tra 1025 e 1026 erg.
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Come si localizza
un terremoto ?
Movimento del
terreno
Dromocrone
Effetti sull’ambiente,
sull’uomo e sulle
strutture antropiche
Intensità
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Localizzazione
strumentale
Dromocrone
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Rete
sismometrica
italiana
Strumenti:
•Corto periodo 1 sec
•Larga banda > 20 sec
•Analogici
•Digitali
•1 o 3 componenti
•trasmissioni real time o near real
time a sala operativa
in radiofrequenza, linee telefoniche dedicate, via satellite
e tramite rete GAR.
da Sito INGV
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Stazione sismometrica
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Come si misura
la forza di un terremoto ?
Magnitudo
Intensità
(Dati strumentali)
(Dati macrosismici)
Movimento oscillatorio
del terreno
Effetti sull’ambiente, sull’uomo e sulle
strutture antropiche
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Intensità
Effetti sull’uomo,
sulle cose e
sull’ambiente
Scala MCS
Mercalli – Cancani – Sieberg
(1930)
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Intensità
Scala MCS
Mercalli – Cancani – Sieberg
(1930)
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
I grado: Pane, amore e gelosia
(L. Comencini) 1954
III grado: The sisters
(L. Comencini) 1938
II grado: Il diavolo alle quattro
(M. Le Roy) 1961
IV grado: San Francisco
(W. Van Dyke) 1936
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Cinema e
terremoti
V grado: Terremoto
(M. Robson) 1975
VII grado: Sodoma e Gomorra
(R. Aldrich e S. Leone) 1962
VI grado: Flame of barbary coast
(J. Kane) 1945
VIII grado: Terremoto
(M. Robson) 1975
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Cinema e
terremoti
IX grado: The sisters
(L. Comencini) 1938
XI grado: San Francisco
(W. Van Dyke) 1936
X grado: Superman
(R. Donner) 1978
XII grado: Fantasia
(W. Disney) 1940
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Intensità
Dipende da:
Fattori naturali
magnitudo
profondità ipocentrale
distanza epicentrale
durata
numero e tipo di scosse
Da Gastaldi, Carta del
Terremoto di San Severo,
1627
natura e morfologia del terreno (fattori locali)
Fattori antropici
tipologia e forma dei fabbricati e delle fondazioni
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Natura e morfologia del terreno (fattori locali)
Intensità
Definizione dell’earthquake ground motions
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Intensità
Natura e morfologia del terreno (fattori locali)
Danneggiamenti differenziati del Colosseo
Valle alluvionale recente (Olocene)
Valle alluvionale antica (Pleistocene medio)
A) Riporti (Olocene)
B) Alluvioni (Olocene)
C) Unità Aurelia (Pleist. medio)
D) Tufi antichi (Pleist. medio)
E) Unità b Paleotevere 2 (Pleist. medio)
F) Unità a Paleotevere 2 (Pleist. medio)
G) Bedrock (Pliocene sup.)
A
D
C
E
F
B
G
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Scale di Intensità fine secolo XIX
De Rossi, 1873
De Rossi - Forel, 1883
Mercalli, 1897
Mercalli, 1902
Intensità
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Scale di Intensità secolo XX e XXI
Intensità
Scala MCS (Mercalli – Cancani – Sieberg), 1930
non tiene conto del tipo di fabbricati (buona per i terremoti storici)
influ
de
enza
Scala MM (Modified Mercalli), 1931
lla ti
Scala MM (Modified Mercalli), 1956
o
gia c
p o lo
tiene conto del tipo di fabbricati (4 classi) ma non della qualità
Scala MSK (Medvev – Sponheuer - Karnik), 1964
tiv
strut
tiene conto del tipo di fabbricati (3 classi) e del danneggiamento (%)
a
Scala EMS (European Macroseismic Scale), 1992
Scala ESI (Environmental Seismic Intensity), 2007
basata solo sugli effetti cosismici ambientali; indipendente dal livello
di sviluppo economico della regione colpita dal terremoto
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Intensità
Confronto
tra varie scale di intensità
(Reiter, 1990)
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Effects
-Cracks
in saturated soil and/or loose alluvium up to 1 cm,
in saturated soil and/or loose alluvium a few cm,
in saturated soil and/or loose alluvium up to 10 cm,
in saturated soil and/or loose alluvium a few dm up to one m
on road backfills and on natural terrigenous slopes over 10 cm
on the dry ground or on asphalted roads
-Faults
in terrigenous terrains and in rocky terrains
-Liquefaction and or mud volcanoes and/or susidence
-Landslides in sand or gravel dykes
in terrigenous slopes
-Rockfalls
-Clouding in the closed water bodies and formation of waves
-Water bodies new formation
-Flooding
-Water level variation of the groundwater level and the flow rate of springs
Intensity
(MSK) (MCS)
VI
VIII
IX
X
VII - IX
VII – XI
XI - XII
IX – X
VII – X
VI – XI
IX – XII
VII – IX
VIII – XII
X – XII
V-X
VIII
X
VIII
X – XI
XI
X – XI
VII
X - XI
X – XI
VII – VIII
XII
X
VII - X
Summary table of the effects on the ground described in the intensity scales
ESI2007 SCALE
(Environmental Seismic Intensity Scale)
The ESI scale is based on
environmental effects only
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Come si localizza
un terremoto ?
Movimento del
terreno
Dromocrone
Effetti sull’ambiente,
sull’uomo e sulle
strutture antropiche
Intensità
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Localizzazione
macrosismica
(Studio Macrosismico)
Carte delle intensità, attribuite sulla base
delle descrizioni dei danneggiamenti
Lo studio macrosismico di un terremoto viene effettuato rilevando direttamente i
danni e le reazioni delle persone in tutta l’area in cui il sisma è stato avvertito, e
confrontando i dati raccolti con la scala di Intensità.
Ad ogni località viene assegnato un grado di intensità, che sintetizza con un singolo
valore il quadro di massimo risentimento, cercando di escludere i cosiddetti effetti
di sito, cioè condizioni di instabilità legate a particolari situazioni geomorfologiche
e geotecniche, che tendono ad amplificare localmente le onde sismiche e quindi a
determinare effetti superiori al valore effettivo.
L’intensità risulterà massima nell’area epicentrale (Intensità Epicentrale o
semplicemente Io) e decrescerà con la distanza secondo leggi di attenuazione in
genere variabili con la direzione, fino a zone prive di effetti.
Dopo aver riportato su di una carta i valori delle intensità per tutte le località prese
in considerazione, si tracciano delle linee chiuse (isosisme o piani quotati) che
definiscono zone in cui il terremoto si è manifestato con la stessa intensità.
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Localizzazione
macrosismica
Terremoto del
Sannio del
1688
(Studio Macrosismico)
Carte delle intensità, attribuite sulla base
delle descrizioni dei danneggiamenti
Isosisme
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
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Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto
Magnitudo e Intensità a confronto
Magnitudo
finestra temporale
stretta
(XX sec.)
Intensità
ampia
(documentazione storica
per più di 2.000 anni)
lettura e interpretazione di dati storici
diversa attendibilità nei diversi
periodo storici
affidabilità del dato
dati strumentali
(formule non
approssimative)
esigenza diversa nei vari paesi di
smorzare o accentuare gli effetti
influenza della presenza dell’uomo
e delle sue strutture