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 Anno Accademico Tesi di laurea di Antonio Di Matteo

2 UCLA Department of Earth and Space Sciences University of California, Los Angeles Università degli Studi di Siena CGT Centro di GeoTecnologie Prof. Paul Davis Foto CGT Laboratorio di Geofisica

1.Obiettivi della tesi e fasi di lavoro 2.Elementi teorici 3.I diversi impieghi delle onde superficiali e i metodi per la loro individuazione su sismogramma 4.Presentazione del metodo di studio realizzato 5.Ricerca degli eventi e analisi dei dati 6.Risultati 7.Conclusioni 3  Sismologia  Le onde sismiche (le onde superficiali)  In Sismologia ed Ingegneria

Verificare alcuni fondamenti teorici di sismologia legati alla genesi delle onde di Rayleigh mediante l’analisi di casi reali (terremoti) 4 1.Ricerca degli eventi sismici naturali 2.Analisi dei sismogrammi Q uanto dovrà essere lontana una stazione per poter registrare le onde di Rayleigh ? 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

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. 5

Si formano dall’interazione delle onde P - SV con la superficie libera 6 Esempio di propagazione Particle Motion Effetti sulle strutture Sorgente sismica Onde di volume Onde superficiali Onde P Onde SV Onde di Rayleigh

7 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

8 In Sismologia: studio della struttura terrestre In Geoingegneria: caratterizzazione dei suoli e monitoraggio strutturale MASW (NTC 2008) microzonazione sismica (VS 30) Structural Healt Monitoring Struttura terrestre Dispersione

Particle motion 9 Esempio teorico Dettaglio di un sismogramma analizzato Esempio teoricoDettaglio di un terremoto analizzato Relazione di fase Radiale Verticale t= 0 t= T/2 t= T/4 t= 3T/4

10 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 * Le onde di Rayleigh necessitano una minima quantità di volume per formarsi 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? (* ) Quantitative Seismology, Aki & Richards (2002) In quali condizioni possiamo applicare questa teoria?

11 4) Analisi Creazione di una componente radiale prevista “MatLab” Correlazione “MatLab” Individuazione delle onde di Rayleigh Confronto con i riferimenti teorici 3) Filtraggio Creazione dei filtri per circa 950 segnali sismici “MatLab” 2) Preparazione dei dati grezzi per le fasi di analisi Rotazione “SAC”Analisi preliminare dei dati “SAC” 1) Ricerca eventi sismici naturali Google Earth Real time earthquakes USGS (Database sismici) STP (Download data)

12 stazione a 3 componenti Abbiamo bisogno di utilizzare sismogrammi provenienti da eventi naturali registrati in condizioni ottimali elevato numero di terremoti caratteristiche tecniche di ogni terremoto come l’esatta posizione geografica, la profondità e la magnitudo un assetto geologico ed una morfologia “semplice” per evitare disturbi al segnale e per avvicinarci il più possibile alle condizioni teoriche Rete sismica della California

13 L’area del Mojave Desert occupa circa 57,000 km 2 tra gli stati della California, Nevada, Utah ed Arizona FAGLIA: Camp Rock-Emerson TIPO DI FAGLIA: trascorrente dx LUNGHEZZA: circa 35 km SLIP RATE: 1 mm/a Carta geografica della California 140 km 2 Formazioni rocciose

14 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

15 Tectonics Observatory (TO) Caltech Institutes of Geophysics and Geology, UNAM Center for Embedded Network Sensors (CENS), UCLA Center for Geosciences, UNAM 500 km di stendimento sismico (Messico) Risultati del progetto MASE Zona di subduzione 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

16 Stazione EORD Array MASEI 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 alla rotazione Terremoto Stazione

17  Rotazione Radiale Trasversale È stato applicato un filtro del tipo Butterworth, con valori: [b,a]=butter(6,.015,'low'); f_ELR=filter(b,a,detrend(ELR.d));  Filtraggio Migliorare il segnale Eliminazione del noise  Analisi del Particle motion dal segnale filtrato t= 0 t= T/2 t= T/4 t= 3T/4

18 Metodo per l’individuazione delle onde di Rayleigh Caso reale analizzatoCaso ideale teorico Isolamento della componente Verticale ed individuazione delle frequenza caratteristica Correlazione delle tracce “Radiale Reale - Radiale Prevista” mediante ambiente MatLab Valori di correlazione >50% confermano la presenza di onde di Rayleigh Creazione di una componente Radiale prevista (v) e sovrapposizione con la componente Radiale reale (b)

19  Stazione EORD Solo i terremoti con rapporto: hanno generato onde di Rayleigh È possibile prevedere la minima distanza dall’evento sismico per registrare onde di Rayleigh

20  Array MASE Non è possibile prevedere la minima distanza utile dal terremoto per registrare onde di Rayleigh

21 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 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 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

22 Grazie per l’attenzione

23 Relazione di fase tra la componente Radiale e Verticale

24  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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