INGV – Osservatorio Vesuviano 27/03/2017 Dottorato di Ricerca in Rischio Sismico - XXIII ciclo Studio e Analisi e di Segnali Sismici registrati in mare da Sistemi Idrofonici Tutor: Giovanni Iannaccone INGV – Osservatorio Vesuviano Dottoranda: Ramona Guida

Sommario Collocazione 27/03/2017 Sommario Collocazione Eventi Sismici in ambiente marino e onde acustiche Il fondo marino: un proiettore acustico CUMAS: Cabled Underwater Multisensor Array data Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono Prospettive future: la rete di idrofoni La Ricerca in atto: segnali sismici e metodologie FEM

Segnali Sismici provenienti 27/03/2017 Collocazione Propagazione e Analisi di segnali sismici in ambiente marino Detezione di Segnali Sismici provenienti dal sub-bottom marino con Idrofoni Influenza della massa d’acqua sulla propagazione di Segnali Sismici

Eventi Sismici in ambiente marino e Onde Acustiche 27/03/2017 Eventi Sismici in ambiente marino e Onde Acustiche Il moto cui è interessato il fondo marino quando un evento sismico si verifica nel sub-bottom dà origine in mare a perturbazioni della massa d’acqua. Le oscillazioni attorno alla posizione di riposo delle particelle che si trovano sull’interfaccia fra il fondo marino e la colonna d’acqua sovrastante determinano regioni spazialmente alternate di compressione e rarefazione del mezzo note come onde di pressione o onde acustiche.

Eventi Sismici in ambiente marino e Onde Acustiche 27/03/2017 Eventi Sismici in ambiente marino e Onde Acustiche Nell’assunzione che il fluido in cui si propaga l’onda sia elastico, isotropo, stazionario, lineare, continuo, omogeneo e perfetto, allora il valore del campo di pressione immesso in acqua da un evento sismico, all’istante t e in un punto dello spazio (x,y,z) è fornito dall’equazione di D’Alembert La perturbazione legata all’onda si propaga nel mezzo in modo tale che la propria ampiezza in ogni punto dello spazio è funzione del tempo, mentre in ogni istante in ciascun punto dipende dalle coordinate geometriche del punto stesso

Eventi Sismici in ambiente marino e Onde Acustiche 27/03/2017 Eventi Sismici in ambiente marino e Onde Acustiche Nell’assunzione che le variabili dell’onda siano funzione di una sola coordinata spaziale, allora l’onda di pressione è un’onda piana e l’equazione d’onda è

Eventi Sismici in ambiente marino e Onde Acustiche 27/03/2017 Eventi Sismici in ambiente marino e Onde Acustiche Supponendo che la fonte di generazione del campo di pressione in mare sia un piano vibrante, allora nella derivazione dell’espressione del campo di pressione si assume che l’intera superficie si muova con velocità v alternativamente lungo la perpendicolare al piano. Se dS costituisce il singolo elemento infinitesimo appartenente al piano e animato con velocità v, allora il campo di pressione totale agente sull’elemento di superficie dA in un punto generico p(x,y,z) sarà

Eventi Sismici in ambiente marino e Onde Acustiche 27/03/2017 Eventi Sismici in ambiente marino e Onde Acustiche Supponendo che la fonte di generazione del campo di pressione in mare sia un piano vibrante, allora nella derivazione dell’espressione del campo di pressione si assume che l’intera superficie si muova con velocità v alternativamente lungo la perpendicolare al piano. Se dS costituisce il singolo elemento infinitesimo appartenente al piano e animato con velocità v, allora il campo di pressione totale agente sull’elemento di superficie dA in un punto generico p(x,y,z) sarà Dove r0 è la densità del mare e c la velocità di propagazione dell’onda acustica in mare (1500m/sec). r0 c v

Gli Idrofoni nella detezione 27/03/2017 Il fondo marino: un proiettore acustico Metodologia: ipotizzare il fondo marino come radiatore piano e utilizzare sistemi di detezione e tecniche di analisi tipicamente utilizzati nella sonaristica tradizionale per l’acquisizione e il trattamento di Segnali Sismici provenienti dal sub-bottom Gli Idrofoni nella detezione di Segnali Sismici provenienti dal Sub-bottom marino

27/03/2017 Il CUMAS: Cabled Underwater Module for Acquisition of Seismological data Concepito per applicazioni specifiche di monitoraggio di fondali marini in aree vulcaniche, mira a integrare la rete di monitoraggio sismico dei Campi Flegrei presente a terra estendendo quest’ultima al settore marino della caldera che ne copre circa la terza parte. Equipaggiato fra gli altri sensori di un idrofono, CUMAS ha consentito di acquisire segnali sismici come segnali acustici

Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono 27/03/2017 Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono Il set di dati a disposizione oggetto di analisi e registrato dal modulo CUMAS è relativo a un evento sismico verificatosi in Grecia nel giugno 2008; l’evento è stato registrato tanto dal sismometro di fondo quanto dall’idrofono posizionato a un metro da esso. Vz al sismometro P all’idrofono

Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono 27/03/2017 Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono Il set di dati a disposizione oggetto di analisi e registrato dal modulo CUMAS è relativo a un evento sismico verificatosi in Grecia nel giugno 2008; l’evento è stato registrato tanto dal sismometro di fondo quanto dall’idrofono posizionato a un metro da esso. Il confronto è lecito se si ipotizza, come già stabilito, il fondo marino come radiatore piano animato da velocità Vz e pertanto il campo di pressione immesso in acqua da esso è pari al prodotto della Vz registrata al sismometro per la c del suono in acqua (supposto r0=1) Vz al sismometro P all’idrofono

Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono 27/03/2017 Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono Ciascun set di dati comprende un totale di 120100 campioni distanziati con un tc=0.01sec. La differenza fra i segnali ai due strumenti è netta: mentre quello al sismometro risulta essere completamente immerso nel rumore ambientale, quello all’idrofono è distinguibile in modo netto, di natura fortemente impulsiva presenta valori dell’ampiezza ben oltre il rumore ambientale. Ciò è da imputare al fatto che l’idrofono percepisce la sola componente longitudinale del moto e sono quindi assenti gli effetti di disturbo delle onde di taglio presenti invece al sismomertro Sismometro Idrofono

Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono 27/03/2017 Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono L’analisi spettrale dei segnali registrati dai due strumenti ha messo in evidenza la caratteristica fortemente impulsiva del segnale all’idrofono. Quest’ultimo infatti è interessato da uno spettro a larga banda che ne rende difficile la caratterizzazione e separazione dal rumore ambientale che in mare occupa le medesime frequenze occupate dal segnale sismico percepito dall’idrofono. Sismometro Idrofono

Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono 27/03/2017 Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono L’analisi nel dominio del tempo ha fornito al contrario risultati incoraggianti per quanto attiene all’idrofono. Per ciascun set di dati, sul quale è stato operato il valore assoluto e poi il quadrato per derivare l’energia associata a ciascun segnale, è stata calcolata una media temporale con finestra mobile di 1000 campioni con un overlap di 999 Sismometro Idrofono

Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono 27/03/2017 Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono L’inviluppo dei valori medi calcolati in ciascuna finestra mobile ha consentito di tracciare l’andamento temporale dell’energia associata ai segnali rilevati dai sue strumenti. L’elaborazione ha determinato una riduzione della potenza del rumore non correlato, esaltando la presenza del segnale utile, interessato da un fronte di salita molto ripido soprattutto per il segnale all’idrofono Sismometro Idrofono

Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono 27/03/2017 Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono L’inviluppo dei valori medi calcolati in ciascuna finestra mobile ha consentito di tracciare l’andamento temporale dell’energia associata ai segnali rilevati dai sue strumenti. L’elaborazione ha determinato una riduzione della potenza del rumore non correlato, esaltando la presenza del segnale utile, interessato da un fronte di salita molto ripido soprattutto per il segnale all’idrofono Il fatto invece che il segnale al sismometro presenti una distribuzione dell’energia distribuita su un intervallo di tempo maggiore fa sì ch’esso perda la caratteristica impulsiva limitandone di fatto la rilevabilità Sismometro Idrofono

Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono 27/03/2017 Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono Le due forme d’onda, private poi del valor medio, sono state segmentate in frame di 1024 campioni e analizzate tramite processore FFT Sismometro Idrofono

Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono 27/03/2017 Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono Il livello dei campioni spettrali in deciBel, nella gamma 0-50Hz e relativamente a ciascuno strumento, nel tempo e in frequenza descrive delle superfici tempo tempo freq freq Sismometro Idrofono

Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono 27/03/2017 Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono Nella forma d’onda al sismometro così analizzata si evidenzia quanto i caratteri del sisma si confondano con quelli del rumore ambientale, mentre all’idrofono siano evidenti in modo netto. Sismometro Idrofono

Prospettive future: la rete di idrofoni 27/03/2017 Prospettive future: la rete di idrofoni La caratteristica di elevata detectabilità che caratterizza il segnale sismico all’idrofono fa ipotizzare che l’impiego di una rete di idrofoni nella rivelazione di eventi sismici che avvengono nel sub-bottom marino può comportare una maggiore efficacia rispetto a quella offerta dai sistemi preposti a questa funzione. Si è potuto notare infatti un maggiore contrasto di energia quando si confrontano l’evento sismico e il rumore rivelati da un idrofono piuttosto che da un sismometro Sismometro Idrofono

Prospettive future: la rete di idrofoni 27/03/2017 Prospettive future: la rete di idrofoni Utilizzando una rete di idrofoni, gli elementi di differenziazione legati alle diverse quote di ciascun sensore si prestano anche alla funzione di filtraggio di perturbazioni acustiche non provenienti dal fondo ma collocate spettralmente nella gamma del sisma. Il segnale associato a un evento sismico e rivelato da un idrofono presenta infatti la caratteristica impulsiva, che non è presente in quella rilevata dal sismometro.

Prospettive future: la rete di idrofoni 27/03/2017 Prospettive future: la rete di idrofoni Il suo spettro quindi, più disperso in frequenza, consente di elaborare algoritmi in grado di ridurre il disturbo di sorgenti rumorose che si collocano nella gamma delle bassissime frequenze e di separare inoltre quelle a caratteristica monocromarica.

Prospettive future: la rete di idrofoni 27/03/2017 Prospettive future: la rete di idrofoni La rete di idrofoni consentirebbe inoltre di correlare temporalmente i segnali registrati, ottenendo guadagni di processo superiori collegati al beamforming. Se ti è il tempo di ritardo relativo all’arrivo di un segnale Si all’idrofono i-simo rispetto al tempo t0 di un idrofono di riferimento, allora il fascio relativo alla rete di idrofoni sarà

La Ricerca in atto: Segnali Sismici e metodologie FEM 27/03/2017 La Ricerca in atto: Segnali Sismici e metodologie FEM L’attività di ricerca in fase iniziale di sviluppo si propone come obiettivo l’utilizzo di algoritmi FEM (Finite Element Modeling) per lo studio di come gli strati superficiali del fondo marino e più in generale la massa d’acqua agiscano sulla propagazione e trasformazione dei segnali sismici. L’utilizzo di algoritmi di tal genere unitamente a tecniche e metodologie di analisi tipicamente utilizzate nell’ambito della sonaristica tradizionale apre nuove prospettive a ricerche e sviluppi futuri nella Sismologia Marina

Grazie per l’attenzione 27/03/2017 Grazie per l’attenzione