Dal nucleo al terremoto dell'Aquila: la Terra vista con gli interferometri geodetici del Gran Sasso - Antonella Amoruso, Luca Crescentini ...
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Dal nucleo al terremoto dell'Aquila:
la Terra vista con gli interferometri
geodetici del Gran Sasso
Antonella Amoruso, Luca Crescentini
Dipartimento di Fisica, Università di Salerno
XCVI Congresso Nazionale
Premessa Lo scuotimento del suolo causato dal passaggio di onde sismiche e misurato mediante sismometri inerziali è stato per ben oltre un secolo lo strumento principale per studiare l'interno della Terra. Le pricipali limitazioni dei sismometri inerziali comprendono una rapida diminuzione della sensibilità al diminuire della frequenza delle oscillazioni del suolo e la scarsa capacità di registrare transienti lenti.
Premessa
Tali limitazioni sono superate dal monitoraggio continuo ad alta sensibilità
delle deformazioni
Estensimetri a barra (Moxa)
Dilatometri ed
estensimetri
da pozzo
Estensimetri a filo (BFO)
I vantaggi degli interferometri laser: ➢ possiedono una stabilità a lungo termine (e quindi una larghezza di banda) molto migliore degli strumenti meccanici ➢ mediano le eterogeneità elastiche a piccola scala ➢ sono in grado di misurare la deformazione anche in roccia porosa satura di fluidi (situazione molto comune)
Grandezza misurata:
Cambiamento di lunghezza di A-B e B-C
due componenti indipendenti del
tensore delle deformazioni (vicino alla
superficie solo tre componenti sono
indipendenti)
B 90 m C
90
m
A
Grandezza misurata:
Cambiamento di lunghezza di A-B e B-C
Vantaggi: installazione profonda
Svantaggi: rumore dai laboratori
B 90 m C
90
m
A
Configurazione strumentale:
Interferometri di Michelson a bracci diseguali
B C
A
Configurazione strumentale: B C
Interferometri di Michelson a bracci diseguali A
B
Configurazione strumentale: B C
Interferometri di Michelson a bracci diseguali A
B
Configurazione strumentale: B C
Interferometri di Michelson a bracci diseguali A
A(C)Configurazione strumentale:
Interferometri di Michelson a bracci diseguali
B
C
AConfigurazione strumentale:
Interferometri di Michelson a bracci diseguali
B
C
AConfigurazione strumentale:
Interferometri di Michelson a bracci diseguali
Crescentini, L., Renzella, G.,
1991. A wide-band high-
sensitivity laser strainmeter. Rev.
Sci. Instrum., 62, 1206-1209
Crescentini, L., Amoruso, A.,
Fiocco, G., and Visconti, G.,
1997. Installation of a high-
sensitivity laser strainmeter in a
tunnel in central Italy, Rev. Sci.
Instrum., 68, 3206-3210.
Amoruso, A., Crescentini, L.,
2009. The geodetic laser
interferometers at Gran Sasso,
Italy: recent modifications and
correction for local effects. J.
Geodyn., 48, 120-125Esempio di registrazione (BA)
Esempio di registrazione (BA)
La risoluzione nominale (in l/l) è migliore di 10-12
In linea di principio, non esiste un limite superiore a l/l
La larghezza di banda va dal continuo a ≈ 200 Hz
PERTANTO
è (almeno in linea di principio) possibile osservare l'intero spettro
geodinamico:
onde sismiche a corto e lungo periodo
oscillazioni libere della Terra
terremoti lenti
maree terrestri
fenomeni stagionali (ad es. variazioni dell'acquifero)
deformazioni tettonichePrincipali risultati:
Dal nucleo della Terra al terremoto dell'Aquila
➔ Risonanza mareale della nutazione libera del nucleo
➔ Oscillazioni libere eccitate dal terremoto di Sumatra del
2004
➔ Terremoti lenti nella regione del Gran Sasso
➔ Scorrimento asismico successivo al terremoto aquilano
del 2009
➔ Limiti sui fenomeni presismici associati al terremoto
aquilano del 2009Maree Terrestri (Free Core Resonance) La nutazione libera del nucleo (FCN) è un modo rotazionale dovuto ad un accoppiamento di pressione tra il nucleo liquido ed il mantello solido che agisce come forza di richiamo. Nel sistema di riferimento celeste appare come un moto retrogrado del polo celeste con un periodo di circa 430 giorni. Nel sistema di riferimento terrestre è visto come un moto diurno. La FCN causa una risonanza nella risposta della Terra alla forzante mareale. Il periodo della risonanza TFCR (situato nella banda mareale diurna) ed il fattore di qualità Q dipendono dall'ellitticità della separazione nucleo-mantello (CMB), all'anelasticità della Terra, e dall'accoppiamento viscomagnetico del CMB.
Maree Terrestri (Free Core Resonance) Periodo e fattore di qualità sono usualmente ottenuti usando VLBI e maree digravità. Dopo anni di controversie, l'analisi congiunta di registrazioni pluriennali da molte stazioni ha fornito (Ducarme et al., 2009) TFCR ≈ 430 giorni siderali e Q ≈ 15000
Maree Terrestri (Free Core Resonance) Abbiamo ottenuto gli stessi risultati analizzando solo 4 anni di dati della Stazione Interferometrica del Gran Sasso Ulteriori analisi con un maggior numero di dati sono in corso per ridurre l'incertezza sui risultati
Le oscillazioni libere
possono essere eccitate da
Oscillazioni libere della Terra terremoti di grande entità.
J. Park, A. Amoruso, L. Crescentini, and E.
Boschi, Long-period toroidal earth free oscillations
from the great Sumatra–Andaman earthquake
observed by paired laser extensometers in Gran
Sasso, Italy, Geophys. J. Int., 173, 887, 2008.Oscillazioni libere della Terra L'inviluppo delle oscillazioni libere con periodo T1000 s sono previsti meno bene. L'ampiezza della 0T2 è sovrastimata al Gran Sasso di un fattore 2, mentre altri modi sono sottostimati (ad es. 0T5). La discrepanza della 0T2 è stata confermata da alcune stazioni sismiche con rumore particolarmente basso. Le spiegazioni più plausibili coinvolgono una componente di scorrimento lento e soprattutto l'effetto dello tsunami sulle coste dell'Oceano Indiano.
Terremoti lenti E' un evento saltuario simile ad un terremoto usuale, ma che rilascia l'energia con tempi caratteristici molto più lunghi. I terremoti lenti potrebbero rivestire un ruolo importante nei processi di ridistribuzione degli sforzi. L. Crescentini, A. Amoruso, and R. Scarpa, Constraints on Slow Earthquake Dynamics from a Swarm in Central Italy, Science, 286, 2132, 1999. A. Amoruso, L. Crescentini, A. Morelli, and R. Scarpa, Slow rupture of an aseismic fault in a seismogenic region of Central Italy, Geophys. Res. Lett., 29(24), 2219, 2002. A. Amoruso, L. Crescentini, M. Dragoni and A. Piombo, Fault slip controlled by gouge rheology: a model for slow earthquakes, Geophys. J. Int., 159, 347, 2004.
Terremoti lenti
Sismicità lenta ed usuale come
conseguenza di un unico
fenomeno di ridistribuzione dello
sforzo che ha interessato gran
parte degli Appennini.Terremoti lenti
Nuova legge di scala tra la
dimensione degli eventi (momento
sismico) e la durata della rottura,
diversa da quella dei terremoti usuali.
Sismicità lenta ed usuale come
conseguenza di un unico
fenomeno di ridistribuzione dello
sforzo che ha interessato gran
parte degli Appennini.Terremoti lenti
L'esistenza di una particolare
legge di scala per i terremoti
lenti è stata recentemente
confermata usando oltre 10
anni di dati da tutto il mondo,
coprenti circa 10 ordini di
grandezza.
S. Ide, G. C. Beroza, D.
R. Shelly, and T.
Gran Sasso
Uchide, A scaling law
for slow earthquakes,
Nature, 447, 76, 2007.Il terremoto aquilano del 6 aprile 2009 Deformazione presismica (A. Amoruso & L. Crescentini, GRL, 2010) Limiti (i più stretti posti fino ad ora) sulla dimensione ed entità della sorgente di possibili fenomeni presismici; Limiti (i più stretti posti fino ad ora) sulla dimensione ed entità della nucleazione precedente la rottura. Deformazione cosismica Inaffidabile a causa della presenza di filtri nell'elettronica Deformazione postsismica (primi giorni) (A. Amoruso & L. Crescentini, GRL, 2009) Propagazione “diffusiva” lenta della fattura verso la superficie (ore) Afterslip (giorni). Deformazione postsismica (settimane successive) Analisi in corso
Anomalia deformativa causata da un'inclusione (zona di
preparazione) in presenza di un campo regionale di sforzo
altrimenti uniforme (Dobrovolsky et al., 1979)
s
Earthquake
preparation zoneMesi prima del terremoto
Nessuna evidenza di segnali anomali coerenti con ampiezza
maggiore di poche decine di nanostrain
Il volume di una possibile inclusione deve essere
inferiore ad un centinaio di km3Mesi prima del terremoto (ammittanza mareale) Non si riscontra nessun cambiamento della risposta mareale, entro 0.5% in ampiezza e 0.5° in fase (i più stretti limiti posti fino ad ora)
La mancanza di deformazione presismica apprezzabile è stata recentemente confermata dall'analisi delle immagini SAR (minore sensibilità ma ben maggiore copertura spaziale) Lanari et al., GRL, 2010
Ultimi 10 giorni prima del terremoto
Ultimi 10 giorni prima del terremoto:
dilatanza sulla faglia sorgente?
Se il segnale fosse dovuto a dilatanza, il volume interessato
sarebbe di una decina di km3, in accordo con l'apertura di fratture
in roccia satura nella regione circostante il foreshock del 30
marzo e con le misure di Vp/Vs in Di Luccio et al., 2010.Ultimi 10 giorni prima del terremoto:
dilatanza sulla faglia sorgente?
Se il segnale fosse dovuto a dilatanza, il volume interessato
sarebbe di una decina di km3, in accordo con l'apertura di fratture
in roccia satura nella regione circostante il foreshock del 30
marzo e con le misure di Vp/Vs in Di Luccio et al., 2010.Da ore a secondi prima dell'evento: nessun segnale di nucleazionel
24h
M < 0.05% Meq
2h
M < 0.005% Meq
10s
M < 0.0005% MeqTerremoto del 6 Aprile 2009
Fratture
superficiali
(Emergeo
Working
group,
up
2009)
pe
rf
Faglia e
au
lt e
distribuzione
dg
di
low
e
scorrimento
e
rf
da Walters et
au
al. (2009)
lt e
dg
eTerremoto del 6 Aprile 2009 Segnale corretto per le maree terrestri, gli effetti ambientali ed i gradini cosismici. Dati ricampionati ad 1 cps.
Terremoto del 6 Aprile 2009
Possibile spiegazione: Afterslip su una precisa
regione del piano di faglia, capace di causare
B C ~ -1.8 B A
Segnale corretto per le maree terrestri, gli effetti ambientali ed i
gradini cosismici. Dati ricampionati ad 1 cps.Terremoto del 6 Aprile 2009 Segnale corretto per le maree terrestri, gli effetti ambientali ed i gradini cosismici. Dati ricampionati ad 1 cps.
Terremoto del 6 Aprile 2009
Possibile spiegazione: propagazione lenta della frattura
Segnale corretto per le maree terrestri, gli effetti ambientali ed i
gradini cosismici. Dati ricampionati ad 1 cps.Terremoto del 6 Aprile 2009 Segnali smussati (dopo sottrazione dell'afterslip) Modello di propagazione diffusiva
Terremoto del 6 Aprile 2009
Fratture
superficiali
(Emergeo
Working
group,
up
2009)
pe
rf
Faglia e
au
lt e
distribuzione
dg
di
low
e
scorrimento
e
rf
da Walters et
au
al. (2009)
lt e
dg
eTerremoto del 6 Aprile 2009
possible
slip
diffusion
pathsTerremoto del 6 Aprile 2009
afterslip
regionConferme da dati SAR Lanari et al., Surface displacements associated with the L’Aquila 2009 Mw 6.3 earthquake (Central Italy): new evidences from DinSAR time series analysis, Geophys. Res. Lett., 2010
Conferme da dati SAR
Regione dell'afterslip da
Amoruso & Crescentini, 2009
Lanari et al., Surface displacements associated with the L’Aquila 2009 Mw
6.3 earthquake (Central Italy): new evidences from DinSAR time series
analysis, Geophys. Res. Lett., 2010Grazie per l'attenzione
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