2-D modeling of topographic effects using three basic geometries and the spectral-element method Giuseppe Di Giulio Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia,

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1 2-D modeling of topographic effects using three basic geometries and the spectral-element method Giuseppe Di Giulio Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Sede di L'Aquila 34° Convegno Trieste, 17-19 Novembre 2015

2 specfem2D (Codice agli elementi spettrali **) https://geodynamics.org/cig/software/specfem2d/ Computational Infrastructure for Geodynamics (CIG) is a community-driven organization that advances Earth science by developing and disseminating software for geophysics and related fields. [ weak formulation dell’equazione del moto, campo d’onda discretizzato usando high-degree Lagrange polinomi, e l’integrazione basata sul metodo Gauss-Lobatto-Legendre, matrice delle masse diagonale ] combina la flessibilità dei metodo agli elementi finiti nel trattare geometrie complesse e condizioni all’interfaccia con l’accuratezza dei metodi spettrali Vantaggi mesh distorte, anche costruite con generatori esterni accuratezza, precisione e ridotta dispersione numerica nel propagare onde di volume, onde di superficie e onde convertite. ridotte onde fittizie dai bordi (PML: Perfectly matched layers) non necessita di CPU particolarmente potenti per modelli 2D semplici ** Chaljub, E., D. Komatitsch, J.P. Vilotte, Y. Capdeville, B. Valette, and G. Festa, 2007, Spectral element analysis in seismology. In R.-S. Wu and V. Maupin, editors, Advances in wave propagation in heterogeneous media, volume 48 of Advances in Geophysics, pages 365–419. Elsevier- Academic Press, London, UK. Komatitsch, D. & J.P. Vilotte, 1998, The spectral element method: An efficient tool to simulate the seismic response of 2D and 3D geological structures, Bull. Seism. Soc. Am. 88(2), 368-392. Priolo, E., J.M. Carcione, and G. Seriani, 1994, Numerical simulation of interface waves by high‐order spectral modeling techniques. The Journal of the Acoustical Society of America, 95(2), 681-693. Modellazioni 2D

3 Mesher interno del codice specfem2d (circa 270000 elementi rettangolari). Tre lati del dominio (lato sinistro, destro e inferiore) come strati assorbenti (PML). 250 ricevitori (spaziatura di 12 m) 300 m 600 m Semicerchio 300 m Pendio (45°) 300 m 600 m Triangolo Vp 2000 m/s; Vs 1000 m/s Qp 200; Qs 100 Vp 2000 m/s; Vs 1000 m/s Qp 200; Qs 100 Vp 2000 m/s; Vs 1000 m/s Qp 200; Qs 100 x z Codice Specfem2d Tre geometrie usate. Onde piane P-SV verticalmente incidenti. Input Ricker 5 Hz. Polarizzazione input P e S tenute separate. Rosso: ampiezze - Blu: ampiezze + Modellazione numerica (effetto topografico)

4 Ricker input Le polarizzazioni di input P and S sono state tenute separate con distinti run. Prima ho considerato un modello con onda in-plane polarizzata S, poi ho ripetuto la modellazione considerando una sorgente polarizzata P.

5 09/12/13 Semicerchio Triangolo Pendio Polarizzazione della sorgente S e compon. X Polarizzazione della sorgente P e compon. Z

6 Semicerchio x z

7 Triangolo x z

8 Pendio x z

9 09/12/13 Semicerchio Triangolo Pendio 2 1 0.2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 f (Hz) distance (m) 1.6 1 0.4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 f (Hz) distance (m) 1 1.5 0.6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 f (Hz) distance (m) 1.8 1 0.2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 f (Hz) distance (m) 1 2.2 0.2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 f (Hz) distance (m) 1 1.8 0.2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 f (Hz) distance (m) Rapporti spettrali SSR [ X/Xref and Z/Zref ] Polarizzazione della sorgente S e compon. X [X/Xref] Polarizzazione della sorgente P e compon. Z [Z/Zref]

10 distance (m) 2.2 1.8 1.4 1 0.6 f(Hz) 4 3 2 1 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2 1 0.2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 f (Hz) distance (m) 1.6 1 0.4 1 2 3 4 5 6 7 f (Hz) distance (m) 1.8 1 0.2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 f (Hz) halfcircle triangle slope halfcircle triangle slope distance (m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 f(Hz) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 9 8 (X/Xref) (Z/Zref) X Xref

11 pgd 300 m 600 m Fattore di aggravio topografico

12 Effetto topografico (Mt. Ocre) Registrazione del mainshock aquilano tramite una stazione gps ad high rate* Registrazione di diversi aftershocks della sequenza aquilana tramite una stazione sismica co-locata misure di vibrazione ambientale in diversi punti nell’intorno Esperimenti sismici ad hoc (array 2D e 1D) per stimare il profilo Vs Castello Ocre Castello Ocre * Avallone, A. et al., 2011, Very high rate (10 Hz) GPS seismology for moderate‐magnitude earthquakes: The case of the Mw 6.3 L’Aquila (central Italy) event, Journal of Geophysical Research, 116, B02305, doi:10.1029/2010JB007834 Avallone, A. et al., 2014, Waveguide effects in very high rate GPS record of the 6 April 2009, Mw 6.1 L'Aquila, central Italy earthquake. Journal of Geophysical Research, 119(1), 490-501, doi: 10.1002/2013JB010475 I dati indicano un segnale amplificato e polarizzato N+60° a circa 1Hz

13 frequency (Hz) Castello Ocre Fossa village Vp 2000 m/s Vs 1000 m/s Qp 200 Qs 100 densità 2.5 g/cm^3 A. Caserta* PSV code using a triangle mesh generator. https://www.cs.cmu.edu/~quake/triangle.html A B AB SSR Amplitude * Caserta, A. 1998. A time domain finite-difference technique for oblique incidence of antiplane waves in heterogeneous dissipative media. Annals of Geophysics 41(4), 617-631. Caserta, A. & P. Lanucara, 2000. Computer animation as a tool to visualize effects of seismic wave propagation inside heterogeneous media. Annals of Geophysics 43(1), 119-134. Caserta, A. et al., 2002. Numerical modelling of dynamical interaction between seismic radiation and near-surface geological stuctures: a parallel approach. Computer & Geosciences 28(9), 1069-1077. Modellazione Mt. Ocre (Caserta code) distance (m) Elevation (m)

14 Rapporti spettrali SSR X/Xref Modellazione Mt. Ocre (specfem2d code)

15 Ocre Castello Ocre Mt. Ocre frequency (Hz) distance (m) SSR Amplitude Fossa village Picchi topografici multipli Vp 2000 m/s Vs 1000 m/s Qp 200 Qs 100 densità 2.5 g/cm^3 Elevation (m)

16 frequency (Hz) Vp 2000 Vs 1000 Vp 1000 Vs 500 2 1.5 1 0.5 SSR Amplitude distance (m) 2 1.6 1 0.4 t=1.1 sec t=1.3 sec t=0.8 sec t=2.0 sec t=2.2 sec t=4.0 sec t=2.6 sec t=1.6 sec Mt. OCRE variando le velocità

17 Estratto da Avallone, A. et al., 2014, Waveguide effects in very high rate GPS record of the 6 April 2009, Mw 6.1 L'Aquila, central Italy earthquake. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 119(1), 490-501, doi: 10.1002/2013JB010475

18 Conclusioni Modellazioni 2D, di onde piane che si propagano in geometrie irregolari, evidenziano pattern di amplificazione e deamplificazione. Questi pattern dipendono dalla frequenza e dalla geometria. Modelli omogenei restituiscono un livello massimo di amplificazione (in termini di SSR) di circa 2. In siti con topografia accentuata dati sperimentali spesso evidenziano polarizzazione (anche in siti su roccia), e amplificazioni maggiori rispetto le modellazioni 2D. Altre tipologie di amplificazione (faglie, fratturazione degli ammassi rocciosi, eterogeneità geologiche) sono da investigare. Ad esempio nel caso studio di Ocre, l’effetto di sito osservato è interpretato in termini di una low-velocity fault zone.

19 Effetto topografico Fattori di amplificazione topografica prescritte dalle NTC08. Tratto da Spudich et al. (1996). Tarzana hill: esempio di registrazioni di un evento di M 2 lungo due linee ortogonali di strumenti sismici. Spudich, P. et al., 1996. Directional topographic site response at Tarzana observed in aftershocks of the 1994 Northridge California earthquake: implications for mainshocks motions. Bull. Seismol. Soc. Am. 86, 193-208.

20 Zoom of the mesh points d  min /5

21 Redrawn from Avallone, A. et al., 2014, Waveguide effects in very high rate GPS record of the 6 April 2009, Mw 6.1 L'Aquila, central Italy earthquake. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 119(1), 490-501, doi: 10.1002/2013JB010475

22 Vp 2000 Vs 1000 OCRE P-SV modeling PLANA t=1.1 sec t=1.3 sec 250 ricevitori t=0.8 sec t=2.0 sec Vp 2000 Vs 1000 250 ricevitori t=2.2 sec t=4.0 sec t=2.6 sec t=1.2 sec t=1.6 sec Vp 1000 Vs 500 t=0.6 sec OCRE simulazione variando le velocità