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concetti fisici – applicazioni - normativa
Sismologia
Propagazione onde elastiche
parte 10
Polarità fase sismica P
I sismometri (E.M.) sono disegnati per registrare la velocità di vibrazioni
delle particelle nelle direzioni verticali ed orizzontali,
I tempi di arrivo sono precisi grazie alla sincronizzazione con i segnali del
tempo forniti dai satelliti ‘GPS’. Questo permette il confronto delle
registrazioni di diverse stazioni,
Convenzionalmente la polarità della prima fase, dovuta all’onda P, viene
descritta come ‘positiva U «UP» o negativa D «DOWN»’
Onda S non registrata
U+
AAA
N+
Ts-Tp
E+ BBB
terremoto
Stazioni remote per il monitoraggio sismico A-E
Grafico T-X
Distanza Ipocentrale (km)
Ipocentro tempo
second
i
Le stazioni sismologiche misurano il tempo d’arrivo delle diversi fasi
sismiche (P, S: riflesse-rifratte dalle discontinuità principale della terra;
inoltre misurano anche il tempo d’arrivo delle onde superficiali: R ed L).
In particolare condizioni misurano anche onde denominate
«T»: sono le onde che attraversano i mezzi marini (bassa densità e
velocità) ed arrivano in ritardo alle stazioni più vicine di solito dislocate
lungo le coste 4
I parametri dinamici relativi al fuoco sono:
• Magnitudo,
• Parametri di scuotimento
• energia irradiata sotto
forma di onde sismiche,
• momento sismico
Questi parametri dinamici servono:
per valutare gli effetti del terremoto in superficie,
I loro valori si misurano analizzando i sismogrammi
sperimentalmente registrati
Localizzazione terremoti: coordinate geografiche e tempo in UTC
Epicentro, profondità, ipocentro, tempo di origine
• coordinate dell’epicentro (la distanza tra la proiezione
dell’ipocentro sulla superficie libera e la stazione di
rilevamento dell’evento tellurico)
• Coordinate dell’ipocentro o fuoco
il volume nel quale avviene la prima della rottura ed il
susseguente rilascio di energia
• Tempo origine (T0) dell’istante della rottura lungo una
superficie di faglia e l’inizio dell’irradiamento di onde
elastiche
Localizzazione terremoti: coordinate geografiche e tempo in UTC
Epicentro, profondità, ipocentro, tempo di origine
Distanza ipocentrale
Mantovani e Gasparini, 1990 7
Parametri cinematici dei terremoti: sorgente puntiforme (3)
(1) D: distanza epicentrale
epicentro
(2) hd: distanza ipocentrale
(3) Profondità ipocentro
t1, t2: tempo di transito delle fasi sismiche
L’energia elastica si irradia dal fuoco in
forma sferica
Nelle prossime diapositive si presenteranno le tecniche utilizzate per Localizzare un evento tellurico, per la stima della Magnitudo e l’intensità macrosismica: (1) Differenza temporale tempo d’arrivo onde P ed s (2) Calcolo tempo di origine con la tecnica Wadati (3) Determinazione rapporto Vp/Vs (4) Calcolo distanza epicentrale (metodo grafico) (5) Calcolo profondità ipocentro (6) Scale di magnitudo ed intensità
Parametri dinamici terremoti: stima del tempo di
origine tramite l’utilizzo del metodo Wadati!
Il diagramma fu suggerito da Wadati per determinare:
- il tempo di origine del terremoto T0
- il rapporto Vp/Vs
Analisi base di terremoti
Dati richiesti:
tempi di arrivo della fase «P» alla stazione di monitoraggio
sismico (stazione sismologiche)
tempi di arrivo della fase «S» registrati dai
sismometri/accelerometri orizzontali (di norma sono 2
orientati Nord-Sud e W-E)
La differenza tra Tp e Ts (in secondi)
= termine noto come Tempo S-PTerremoto: onde elastiche – Pg e Sg
Concetto schematico dell’arrivo delle fasi sismiche
rumore sismico
ambientalel calcolo della distanza epicentrale
L’identificazione delle fasi sismiche,
necessari per il calcolo delle
coordinate dell’epicentro, ipocentro,
profondità e tempo di origine, sono
stati calcolati i tempi di arrivo, teorici,
come tabelle numeriche e grafici
Tempo-Distanza (figura), che
consentono di predire i tempi di arrivo
delle fasi sismiche P, S,….etc con errore
compreso tra 1 e 2 secondi e che
tengono anche conto della profondità
del fuoco (Ipocentro).
Fase K significa ‘Kern’ in
tedesco, cioè mantello diagramma di Jeffreys-Bullen
www.ifg.tu-clausthal.de/java/rays/rays_how-e.htmllPer
calcolo dellacuriosi
studenti distanza epicentrale
riporto l’indirizzo di un codice di calcolo (win)
che illustra la propagazione delle onde elastiche dal fuoco fino ad
una stazione di monitoraggio sismico
Seismic Waves is a Windows program which illustrates how waves
propagate from an earthquake hypocenter to seismic stations
throughout the earth. One sees waves propagating out from the
epicenter on a three-dimensional view of the earth at the same time
one sees waves propagating through a cross-sectional view of the
earth. These two wave propagation views are synchronized with
actual event waveforms so that as a particular phase arrives at a
station, one sees the effect on the seismogram.
2012.02.20: Program updated. It now has fewer events to make it less confusing and fixes
some problems with recent releases.
To use the program, fetch: seiswave.readme and SeismicWavesSetup.exe (codice presente
nella pagine docente (Download).
http://bingweb.binghamton.edu/%7Eajones/#Seismic%20WavesTecnica numerico-grafica per determinare: • epicentro • Stima profondità evento ‘ipocentro’
A) I sismogrammi forniscono i tempi di arrivo delle onde P ed S dirette; P ed S riflesse più di una volta e Onde R, L, B) I sismogrammi e le fasi sismiche che possono essere registrate sono diversi in funzione della distanza dall’ipocentro del terremoto, C) I parametri necessari per localizzare l’ipocentro sono (x,y,z) ma manca il tempo T0 (origine del terremoto) quindi sono necessari 4 registrazioni per determinare i quattro parametri (incognite) D) Una singola stazione può fornire informazioni circa quanto è distante l’ipocentro, Magnitudo, Durata e contenuto frequenziale della componente del moto sismico misurata dal sismometro e niente altro….
Terremoti – distanza epicentrale – metodo numerico-grafico
• I terremoti generano energia elastica che si propaga nei mezzi
circostanti generalmente in tutte le direzioni ma con intensità
diversa a causa dell’anisotropia, eterogeneità e direzionalità di
rilascio,
• Le onde di volume sono:
• le onde P, che sono le Distanza
più veloci e quindi le prime ad essere
epicentrale
registrate sul sismogramma, e
• le onde S, che viaggiano più lentamente ( ), con
Poisson [σ]=0,25 per rocce compatte (crostali),
• ∆t (P-S o Ts-p) dipende dalla distanza tra epicentro e stazione
• I metodi di localizzazione dei terremoti sono complessi, ma qui
illustriamo i concetti fondamentali per calcolare la distanza
dall’epicentro di un terremoto avvenuto in Appennino Umbro-
Marchigiano e registrato da alcune stazioni della Rete Sismica
Nazionale (RSN dell’INGV),Terremoti – distanza epicentrale – metodo grafico – esempio Italia
Terremoti – distanza epicentrale – metodo grafico In questo grafico è implicito che la Vp e Vs sono note o assunte!
Terremoti – distanza epicentrale – metodo grafico In questo caso l’intersezione dei tre cerchi == distanza epicentrale ?? Se non si intersecano?
Terremoti – distanza epicentrale – metodo grafico
In questo caso l’intersezione dei tre cerchi
== distanza epicentrale
Se non si intersecano?
L’area si trova facendo incrociare tre linee rette congiungenti
i punti di incrocio dei cerchi (in rosso)
dipende dalla
profondità del fuoco e
dal numero delle
stazioni presenti
nell’area ipocentraleTerremoti – localizzazione – profondità ipocentro (h)
: distanza ipocentro – stazione; : tempo di volo onda p; per S sarà quello di onde S
epicentro X stazione
X: distanza punto/area d’incrocio dei cerchi
X
h
Dhp
Assumendo: Vp/Vs=1.73 ipocentro
fattore di Kanamori
---------------------------Terremoto: onde elastiche – Pg e Sg
Notare l’aumenta del tempo che separa l’arrivo ‘P’ dall’arrivo ‘S’
Istante arrivo fase S
Istante arrivo fase P
Sismogramma 1 (H)
Istante arrivo fase P
Sismogramma 2 (Z)
Normalmente l’arrivo della fase S si osserva
sul sismometro orizzontale, ma dipende
anche dall’angolo di incidenza per cui
Istante arrivo fase S qualche volta si può osservare anche la fase
S.Terremoto: onde elastiche – tempo S-p
Il sismologo, Milne, ha scoperto già nel 1889 che la
separazione tra i tempi di arrivo della fase P e quella
S aumenta con l’incremento della distanza
dell’ipocentro
<Tempo S-p La tabella dei tempi di transito è basata sul modello della Terra IASP91 (Kennett e Engdahl (1991). Ovvero i tempi di volo sono stati calcolati assumendo un modello 1D della terra. Ciò può spiegare le differenze osservate nei calcoli forniti da diversi osservatori sismologici. La tabella sotto è stata calcolata per un terremoto profondo 33 km e valori di velocità P ed S forniti dal modello IASP91. NB: Tempi calcolati con errori
Tempo S-p vs. distanza epicentrale. Il foglio excel è protetto e permette soltanto di calcolare distanza epicentrale in funzione dei Ts-p. Il modello di velocità è costituito da due sismo-strati con velocità omogenee medie Vp per la crosta e la parte alta del mantello in base al modello 1D della Terra IASP91. Per scaricare il foglio segui il link al sito docente del corso (Download)
Stima tempo di origine (T0) e rapporto Vp/Vs
Diagramma Wadati (1939)!
P Ts-p (sec)
4
T0=ora + 36.60 sec
3
P
2
S
S
1
4
36 37 38 39 40 41
0 Tempo arrivo fase P
Tempo origine
-1
Determinazione sperimentale del rapporto (Vp/Vs)Stima tempo di origine (T0) e rapporto Vp/Vs
(
- )=
=
: distanza ipocentro – stazione
pendenza
: tempo di volo onda p; per S sarà quello di onde SStima tempo di origine (T0) e rapporto Vp/Vs
Esempio applicativo
Diagramma Wadati!
= Ts-p (sec)
4
T0=ora + min + 36.60 sec
3 pendenza=0.72
=T
2
1
= 0
36 37 38 39 40 41
0
Quando Ts-p=0 Tempo origine
Tempo arrivo fase P
L’intercetto della retta di
regressione con l’ascissa -1
determina il T0Alcune esempi di registrazioni di terremoti
Rete microsismica del Comune di Ferrara
Monitoraggio microsismico del serbatoio
geotermico di Casaglia (Ferrara)Rete microsismica – Diametro Interno e Diametro Esteso
Linee Guida Rete microsismica
– sismicità indotta – D.I. e D.E.
Ministero dell’ambiente (MISE)Terremoti rilevati dal 1990 - 2013
20.05.2012
29.05.2012
20.05.2012Terremoti rilevati nel corso del 2015
Con epicentro all’interno del perimetro della rete
INGV: rilevato ma
localizzato a RO (10 km
a nord)
INOGS: rilevato ma
localizzato a circa 5 km a
NW della rete
Il secondo evento con
Ml:1.5 è stato rilevato
solo dalla rete
microsismicaSismogrammi registrati del terremoto avvenuto all’interno del perimetro della rete
Esempio localizzazione.
Localizzazione terremoto locale non rilevato dalla rete sismologica
nazionale (RSN). Codice di calcolo in ambiente Matlab
Evento del 01/12/2017 02:37:47.3 Ml:1.5, profondità 5.9 km. A 5 km a SE
di Ferrara. Evento non rilevato da RSN - CRS. Coordinate: 44.831°N,
Locate_P 111.682° E. FERR0338.
Matlab Procedura numerica di regressione lineare finalizzata alla minimizzazione dei quadrati dei residui tra i tempi di arrivo
delle fasi sismiche (p, S,…) e i tempi teorici calcolati in base ad un modello sismico generico (1D tipo PREM,
AK135,…etc) oppure, meglio, se il modello è quello di dettaglio dell’area sottoposta a monitoraggio sismico.
ALB Residui tra tempi calcolati e tempi
misurati (sec)
FOR
PON
DEP
SFR
stima errore in secondiSismologia
Propagazione onde elastiche
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