Onde di Rayleigh - CGT-Learning - Università degli Studi di Siena

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI SIENA
FACOLTA’ DI SCIENZE MATEMATICHE FISICHE E NATURALI
Corso di Laurea in Geologia Applicata
Centro di GeoTecnologie
Osservazioni sulla distanza critica in relazione allo sviluppo di onde
di Rayleigh generate da un terremoto e confronto con la teoria
Relatore: dott. Tommaso Colonna
Co-relatore: Prof. Paul M. Davis
Co-relatore: Prof. Paolo Conti
Tesi di laurea di
Antonio Di Matteo
Anno Accademico 2008-2009
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UCLA
Department of Earth and Space Sciences
University of California, Los Angeles
Università degli Studi di Siena
CGT
Centro di GeoTecnologie
Foto CGT
Laboratorio di Geofisica
Prof. Paul Davis
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1. Obiettivi della tesi e fasi di lavoro
2. Elementi teorici


Sismologia
Le onde sismiche (le onde superficiali)
3. I diversi impieghi delle onde superficiali e i metodi per la
loro individuazione su sismogramma

In Sismologia ed Ingegneria
4. Presentazione del metodo di studio realizzato
5. Ricerca degli eventi e analisi dei dati
6. Risultati
7. Conclusioni
3
Verificare alcuni fondamenti teorici di sismologia
legati alla genesi delle onde di Rayleigh mediante
l’analisi di casi reali (terremoti)
Quanto dovrà essere lontana una stazione per poter
1. Ricerca degli
eventi sismici
naturali
registrare le onde di Rayleigh ?
2. Analisi dei
sismogrammi
I dati sperimentali sono stati analizzati considerando
le condizioni al contorno (assetto geologico strutturale, morfologia e profondità dell’evento)
Quanto le condizioni al contorno influenzano i
risultati ottenuti ?
3. Analisi delle
caratteristiche
al contorno
4. Confronto con
la teoria
4
Le onde sismiche
Si generano dal moto vibratorio delle particelle di un corpo.
Sono definite come una perturbazione elastica che si
propaga da punto a punto attraverso un materiale
1. Onde di volume (body waves)
2. Onde superficiali (surface waves)
si propagano esclusivamente nella parte
superficiale della terra e si suddividono in onde
di Love e onde di Rayleigh.
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Si formano dall’interazione delle onde P - SV con la superficie libera
Sorgente sismica
Onde P
Onde superficiali
Onde SV
Onde di volume
Onde di
Rayleigh
Esempio di propagazione
Particle Motion
Effetti sulle strutture
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Modello semplificato degli effetti di un terremoto
Terremoto
Propagazione delle onde di volume
Propagazione delle onde P - S
all’interno della terra
Propagazione delle onde superficiali
Arrivi sequenziali dei diversi tipi di
onde
Effetti dei diversi tipi d’onda alle
strutture
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•In Sismologia: studio della struttura terrestre
Dispersione
Struttura terrestre
•In Geoingegneria: caratterizzazione dei suoli e monitoraggio strutturale
MASW (NTC 2008)
microzonazione sismica
(VS 30)
Structural Healt Monitoring
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Radiale
Verticale
Relazione di fase
Esempio teorico
Dettaglio di un sismogramma analizzato
t= T/2
t= T/4
Particle motion
t= 3T/4
t= 0
Esempio teorico
Dettaglio di un terremoto analizzato
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Le onde di Rayleigh necessitano una minima quantità di volume per formarsi
Considerando la teoria di Aki and Richards, dal testo Quantitative Seismology, si ricava
che il range spaziale, nel quale il primo arrivo delle onde di Rayleigh viene sviluppato,
(in condizioni ideali) deve essere almeno 5 volte maggiore della profondità della
sorgente *
Per un terremoto
avvenuto a 5 km di
profondità avremo un
raggio di 25 km in cui
non ci sono onde di
Rayleigh
 È possibile prevedere a quale distanza da un terremoto avremo le prime onde
di Rayleigh?
 In quali condizioni possiamo applicare questa teoria?
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(* ) Quantitative Seismology, Aki & Richards (2002)
1) Ricerca eventi sismici naturali
Google Earth
USGS
STP
Real time earthquakes
(Database sismici)
(Download data)
2) Preparazione dei dati grezzi per le fasi di analisi
Rotazione “SAC”
Analisi preliminare dei dati “SAC”
3) Filtraggio
Creazione dei filtri per circa 950 segnali sismici “MatLab”
4) Analisi
Creazione di una
componente radiale
prevista “MatLab”
Correlazione
“MatLab”
Individuazione delle
onde di Rayleigh
Confronto con i
riferimenti teorici
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Abbiamo bisogno di utilizzare sismogrammi provenienti da eventi
naturali registrati in condizioni ottimali
• stazione a 3 componenti
• elevato numero di terremoti
• un assetto geologico ed
una morfologia “semplice”
per evitare disturbi al segnale
e per avvicinarci il più
possibile alle condizioni
teoriche
• caratteristiche tecniche di ogni
terremoto come l’esatta posizione
geografica, la profondità e la
magnitudo
Rete sismica della California
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L’area del Mojave Desert occupa circa 57,000 km2 tra gli stati della California, Nevada,
Utah ed Arizona
140 km
FAGLIA: Camp Rock-Emerson
TIPO DI FAGLIA: trascorrente dx
LUNGHEZZA: circa 35 km
SLIP RATE: 1 mm/a
Carta geografica della California
2 Formazioni rocciose
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Terremoto di Landers, 28 /6/1992, M=7.3, e successivo sciame sismico
Rete sismica installata dall’ USGS per il monitoraggio degli aftershocks
 30 Stazioni a 3 componenti
 Elevata conoscenza dell’area
 Molti eventi a disposizione
 Geologia omogenea
 Morfologia pianeggiante
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Tectonics Observatory
(TO) Caltech
Institutes of Geophysics and
Geology, UNAM
500 km di stendimento sismico
(Messico)
Center for Embedded
Network Sensors (CENS),
UCLA
Zona di subduzione
Center for Geosciences,
UNAM
Risultati del progetto MASE
Possibilità di lavorare su un ampio dataset molto controllato
Condizioni ottimali per monitorare la propagazione e la diffusione delle onde sismiche
Le caratteristiche al contorno sono in netto contrasto con quelle teoriche
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Stazione EORD
Array MASE
Stazione
Terremoto
I dati forniti dall’array MASE sono
sprovvisti delle informazioni di
EVLA-EVLO
Quindi si è proceduto alla
creazione di un nuovo dataset con
tutte le informazioni necessarie
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alla rotazione
Rotazione
• Radiale
• Trasversale
Filtraggio
• Migliorare il segnale
• Eliminazione del noise
È stato applicato un filtro del tipo Butterworth, con valori:
[b,a]=butter(6,.015,'low');
f_ELR=filter(b,a,detrend(ELR.d));
t= T/2
Analisi del Particle motion
dal segnale filtrato
t= T/4
t= 3T/4
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t= 0
Metodo per l’individuazione delle onde di Rayleigh
Caso reale analizzato
Caso ideale teorico
Isolamento della componente
Verticale ed individuazione delle
frequenza caratteristica
Creazione di una componente Radiale
prevista (v) e sovrapposizione con la
componente Radiale reale (b)
Correlazione delle tracce “Radiale Reale - Radiale Prevista” mediante ambiente
MatLab
Valori di correlazione >50% confermano la presenza di onde di Rayleigh
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Stazione EORD
Solo i terremoti con rapporto:
distanza dall'evento
5
profondità
hanno generato onde di Rayleigh
È possibile prevedere la minima distanza
dall’evento sismico per registrare onde
di Rayleigh
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 Array MASE
Non è possibile prevedere la minima
distanza utile dal terremoto per
registrare onde di Rayleigh
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 Le analisi dei terremoti provenienti dall’area di Landers hanno fornito una corrispondenza
molto elevata tra casi reali e principi teorici, dando la possibilità di verificare la teoria di Aki &
Richards (2002) con casi reali
Sulla base di un dataset di 12 terremoti, 11 hanno dato risultati in conformità alla teoria
È stato possibile prevedere a quale distanza si possono registrare onde di Rayleigh generate da
un terremoto
 Nel caso dell’array MASE non è stato possibile avere le stesse conclusioni in quanto le
condizioni al contorno, a differenza dell’area di Landers, differiscono troppo da quelle imposte
nelle teoria
Infatti il risultato teorico deriva da un’analisi analitica di un semispazio omogeneo, con sorgente
puntiforme, mentre l’area su cui si sviluppa l’array MASE è caratterizzato da grandi eterogeneità
geologico - strutturali ed una morfologia accidentata
 Questo risultato conferma l’importanza della valutazione dell’effetto delle caratteristiche al
contorno mediante un’analisi matematica di dettaglio, in grado di poter dare un peso alle
condizioni a contorno come tipo di sorgente, omogeneità del mezzo di propagazione, effetto
della topografia ed effetto della profondità, in modo da poter conoscere l’effettiva incidenza di
questi fattori sulla generazione e propagazione delle onde di Rayleigh
Questo approccio rappresenta la naturale prosecuzione del presente lavoro
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Grazie per l’at
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distanza dall'evento
5
profondità
Relazione di fase tra la
componente Radiale e
Verticale
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Stazione EORD
Solo i terremoti con rapporto
“distanza dall’evento-profondità” > 5
hanno generato onde di Rayleigh
È possibile prevedere la minima distanza
dall’evento sismico per registrare onde
di Rayleigh
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