Rumore sismico

 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Rumore sismico segnale di bassa ampiezza (10-­‐7 – 10-­‐2 mm) C u r v e d i d e n s i t à sempre presente nelle registrazioni sismiche. spe@rale di rumore sismico (Peterson, 1993), costruite da daE sismici acquisiE d a 7 5 s t a z i o n i dislocate in tu@o il mondo. NLNM: livello minimo di rumore, livelli di rumore al di so@o di questo sono osservaE molto raramente. N H N M : l i v e l l o massimo di rumore. 1 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca senza filtro
0.2 – 0.4 Hz
2 – 4 Hz
10 – 20 Hz
stazione sismica MOL (Norvegia) della Norwegian Na/onal Seismic Network. La scala è la stessa per le qua@ro tracce e i numeri a destra indicano la massima ampiezza in counts. 2 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Spe@ro di ampiezza dello spostamento del suolo 10 µm 10-­‐1 µm 10-­‐3 µm microsisma microtremore 10-­‐5 µm 0.1 1 10 secondi periodo Le curve punEnate corrispondono ai livelli massimo, medio e minimo pubblicaE da Brune e Oliver (1959); le curve tra@eggiate corrispondono a due esempi estremi osservaE in USA; le curve conEnue corrispondono a i limiE di variabilità osservaE in Europa, su bedrock in un’area trafficata (Seismological Observatory Prac/ce, Willmore, 1979), da Havskov 3 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Il traffico veicolare produce amplifica il segnale a alte frequenze (≥10 Hz). 4 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Il rumore sismico viene studiato per differenE finalità: determinare le frequenze di risonanza dei sedimenE di copertura negli studi sulla risposta sismica locale (misure a stazione singola tri-­‐assiale) studiare effe] di polarizzazione nella propagazione (misure a stazione singola tri-­‐assiale) determinare la stru@ura di velocità del so@osuolo (misure di array) 5 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Stazione singola array di stazioni che registrano contemporaneamente in diversi punE della superficie terrestre entro piccole distanze (< 1 km). 6 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Array sismico al Mt. Vesuvio. In basso: esempio di registrazione di un minuto di rumore a d u n a s i n g o l a stazione triassiale. (Saccoro] et al., JVGR 2001) 7 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Analisi spe@rale del rumore sismico registrato al Vesuvio. Si nota una componente a bassa frequenza a@ribuibile all’azione del moto ondoso. Il rumore a frequenza > 1 Hz ha origine antropica e la sua a m p i e z z a m o s t r a u n a variabilità nell’arco della giornata 8 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca La risposta sismica locale Simulazione nella ci@à di Roma, da Rovelli, 1991, Le Scienze 100 m 9 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca il caso più semplice :
[ρ(Vs)]rock/ [ρ(Vs)]sed = 6.2
ρs, βs, ξs H
ρr, βr, ξr SH
Amplificazione
[ρ(Vs)]rock/ [ρ(Vs)]sed = 2.5
8
4
0
f0
frequenza
f0 =
VS
4H
10 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Metodo HVSR Il metodo HVSR applicato ai microtremori è stato sviluppato in Giappone negli anni ’70 ed è stato diffuso da Nakamura alla fine degli anni ’80. VS
HS
h
soft layer
VB
HB
HVSR
bedrock
rumore
SH
HS ( f )
A( f ) ≈
= HVSR
VS ( f )
f0
frequenza (Hz)
stima della funzione di amplificazione, A(f ), di uno strato superficiale
11 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca profilo Vs HVSR V S (m/s)
H/V onde Rayleigh 0
profondità (m)
HVSR rumore osservato -40
HVSR rumore sinteEco -80
-120
700
1400
f0
da Fah D. and al., 2001 Geophys. J. Int., 145, 535-­‐549 12 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Polarizzazione La polarizzazione di un’onda rappresenta la direzione del ve@ore spostamento della parEcella del mezzo so@oposta a oscillazione. Onde P polarizzate parallelamente alla direzione di propagazione; Onde S hanno una polarizzazione ad essa ortogonale (SV polarizzate nel piano verEcale, SH polarizzate nel piano orizzontale) Onde di Love polarizzate nel piano orizzontale, normale alla direzione di propagazione; Onde di Raileigh polarizzate nel piano verEcale contenente la direzione di propagazione 13 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Polarizzazione 14 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca La sEma del ve@ore di polarizzazione di segnali sismici la cui direzione di propagazione è nota, può contribuire a definire i Epi di onde. Nel caso del rumore, questo è generato da sorgenE mulEple non note e quindi non si hanno informazioni sulla composizione del campo d'onda. Tu@avia svolgendo una analisi di polarizzazione del segnale rumore in stre@e bande di frequenza, se si osserva una coerenza temporale nella orientazione del ve@ore di polarizzazione, allora si può dedurre la presenza di un campo d'onda direzionale associato a qualche sorgente localizzata o a qualche stru@ura che condiziona la propagazione. 15 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Analisi di dire7vità negli HVSR del rumore ambientale Secondo quanto previsto dal metodo HVSR il rapporto spe@rale tra la componente orizzontale e la componente verEcale del rumore sismico dipende da effe] di sito. In parEcolare un mezzo 1D cosEtuito da uno strato sedimentario poggiante su basamento di roccia genera un picco significaEvo nella curva HVSR. Definiamo tale picco, dovuto ad un effe@o di sito, picco straEgrafico. F r e q u e n z a fondamentale di risonanza del sito a 10 Hz determinata dal conta@o tra 5 m di argille e il b a s a m e n t o c a l c a r e o (Castellaro, 2008) 16 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Tale picco corrisponde ad un massimo nella componente orizzontale dello spostamento e ad un minimo nella componente verEcale. Nell’ipotesi che il rumore sismico sia cosEtuito prevalentemente da onde di Rayleigh tale condizione si verifica in corrispondenza della frequenza fondamentale di risonanza dei sedimenE che cara@erizzano il sito. 17 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca da Castellaro, 2008 18 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Per valutare se lo spe@ro HVSR calcolato in un sito mostri un picco in ampiezza di origine straEgrafica, si procede nel modo seguente: Si ruotano le componenE orizzontali del segnale registrato al sito secondo differenE direzioni da da 0 fino a 180 °, con passo di 10° e si calcola la curva HVSR per ogni coppia di azimut. Esempio n.1. Distribuzione degli HVSR in funzione dell'angolo di rotazione e della frequenza. Il picco non mostra variazioni azimutali (picco straEgrafico) 19 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca V Esempio n. 2. Il picco a 0.8 Hz nella curva HVSR presenta una a m p i e z z a c h e v a r i a azimutalmente. Questo può essere connesso ad effe] di dire]vità nella propagazione 20 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Un esempio, la faglia di Pernicana, Mt. Etna La faglia di Pernicana (PFS) è una delle stru@ure te@oniche più significaEve del Mt. Etna, sul fianco NE. È una faglia strike-­‐slip con direzione E-­‐W e lunghezza di circa 18 km. Negli ulEmi decenni, la porzione centrale della PFS è s t a t a c a r a @ e r i z z a t a d a p r o c e s s i d i c r e e p c o n spostamento di circa 2 cm / anno [Azzaro et al., 2001; Obrizzo et al., 2001]. Le zone di faglia a]va in area vulcanica, come la PFS, sono solitamente cara@erizzate da rocce fra@urate e possono f u n g e r e d a p e r c o r s i p r e f e r e n z i a l i p e r l a migrazione di fluidi (da Di Giulio et a., JGR 2009) 21 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Esempio di registrazione delle tre componenE di rumore sismico ad un sito nell’area etnea in prossimità della faglia e spe@ri di Fourier delle tre componenE del segnale registrato (da Di Giulio et al., JGR 2009) 22 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca RisultaE delle analisi di polarizzazione e di dire]vità degli HVSR a differenE siE nell’area di faglia. Notare la variazione della polarizzazione ai due laE della faglia (da Di Giulio et al., JGR 2009) 23 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Anche se la vera causa della polarizzazione osservata è sconosciuta, la ne@a rotazione del ve@ore di polarizzazione nella zona di faglia può essere dovuta ad una anisotropia del mezzo indo@a dal regime di sforzi in a@o (Di Giulio et al., JGR 2009) 24 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Esempio n.2 : studio della polarizzazione del segnale rumore sismico registrato in prossimità di un tunnel Gro@a di Seiano, Napoli La Gro@a di Seiano è una galleria arEficiale di età romana che a@raversa, con direzione NW-­‐SE, collina di Posillipo, acirca 120 m di profondità. È lunga 773 m con una larghezza compresa tra i 2,5 e i 7 m, ed un’altezza che varia tra 4 e 8 m. 25 Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Ubicazione del tunnel di Seiano nella ci@à di Napoli, collina di Posillipo e geometrie di acquisizione del segnale sismico (da Maresca et al., Journ. 26 of Seismol. 2014) Sismologia e Geologia dei Terremo/ – Modulo A -­‐ C.L.M. Scienze e Tecnologie Geologiche – a.a. 2014/15 – R. Maresca Misure nel tunnel Misure in superficie RisultaE delle analisi di polarizzazione. I siE ubicaE nel tunnel non mostrano significaEvi effe] di direzionalità nella polarizzazione del segnale rumore. I siE ubicaE in superficie mostrano effe] di polarizzazione che si interpretano dovuE all’azione di sorgenE arEficiali (da 27 Maresca et al., 2014)