Dott. Geol. Giuseppe Di Capua Dott. Geol. Giuseppe Di Capua 19 52 2002ᆖᆢT09:26:00Z 2002ᆖᆢT09:48:00Z 5 4229 24107 Gruppo Nazionale per la Difesa dai Terremoti 200 48 29605 9.2812 75 14

TEMA DI RICERCA: 2

 

TITOLO DEL PROGETTO: Sviluppo e confronto  di  metodologie  per la valutazione della pericolosità sismica in aree sismogenetiche: applicazione  all'Appennino  Centrale e Meridionale

 

DURATA DEL PROGETTO: 36 mesi

 

COORDINATORE SCIENTIFICO:

Massimo Cocco

Istituto Nazionale di Geofisica

Via di Vigna Murata 605, 00143 Roma

Tel.: 0651860401

Fax: 065041181

e-mail: cocco@ingv.it

 

 

Introduzione

Il Progetto di ricerca intitolato Sviluppo e Confronto di Metodologie per la Valutazione della Pericolosità Sismica  in Aree Sismogenetiche:  Applicazione all'Appennino Centrale e Meridionale è stato positivamente considerato dalla Commissione di Valutazione della Protezione Civile e quindi finanziato per il triennio 2000񮖣.

In questa breve relazione è nuovamente descritto il programma di ricerca, leggermente rivisto dopo la riduzione del finanziamento richiesto effettuata dalla Commissione di Valutazione. In realtà, il piano di lavoro è rimasto praticamente immutato con la sola rinuncia ad effettuare in modo sistematico le simulazioni relative al terremoto dell'Irpinia. In altre parole il gruppo proponente ritiene prioritario focalizzare gli sforzi sulle simulazioni per l'area training di Colfiorito. L'eventuale inclusione di una successiva area training dipenderà dai risultati ottenuti per l'area di Colfiorito.

 

 

Descrizione del programma di ricerca

Il progetto di ricerca ha obiettivi sia di carattere metodologico che applicativo. La parte applicativa verrà suddivisa tra ricerche nelle aree training, dove verranno elaborate e calibrate le tecniche di simulazione basandosi sul confronto metodologico e con i dati, e ricerche in quelle test dove invece si cercherà sia di aumentare il livello delle conoscenze disponibili sia di sfruttare le potenzialità delle tecniche di simulazione proposte. L'area training è quella di Colfiorito. Le aree test sono: Città di Castello, Val D'Agri. Una ulteriore area test che potrebbe essere inclusa qualora la pianificazione del lavoro lo consentisse è Avezzano.

 

Metodologie

 

Le metodologie proposte si distinguono in quelle originali, che saranno sviluppate completamente nell'ambito del progetto, e quelle esistenti che devono essere comunque calibrate ed ottimizzate per garantire la loro applicabilità agli scopi del progetto. Lo sviluppo metodologico è focalizzato alla simulazione di sismogrammi sintetici. Inoltre, la disponibilità di dati originali e di ottima qualità ci spinge ad uno sviluppo metodologico anche per gli altri obiettivi indirizzati alla caratterizzazione delle sorgenti sismiche, della struttura crostale e degli effetti di sito.

In sintesi l'attività di ricerca per gli aspetti metodologici si può riassumere nei seguenti punti:

  1. Riprocessamento ed interpretazione di linee di sismica attiva per la definizione delle sorgenti sismiche e della struttura crostale (UR1, UR4 & UR7).

  2. Metodi elettromagnetici per l'identificazione di zone di faglia (UR3).

  3. Metodi di valutazione delle leggi di attenuazione del moto del suolo a distanza regionale mediante regressioni di dati digitali strong e weak motion, e successiva modellazione in termini di parametri anelastici e spreading geometrico in un ampio intervallo di frequenze. è possibile l'integrazione di dati provenienti da strumentazione non calibrata nei data set analizzati.

  4. Sviluppo ed applicazione di tecniche stocastiche - deterministiche basate sulla descrizione della complessità della rottura secondo il modello k2 (Herrero-Bernard,1998) (UR3).

  5. Studio parametrico di modelli quasi-dinamici mediante simulazioni numeriche. (UR3).

  6. Sviluppo e validazione di simulazione stocastica derivata dal metodo di Boore utilizzando gli inviluppi sintetici  del movimento del terreno calcolati per sorgenti estese (UR1).

  7. Sviluppo di metodi 3-D per il calcolo del moto del suolo generato da terremoti in strutture geologiche realistiche: Metodo Pseudospettrale Globale (Chebyshev - Fourier) (GPM) (UR2) e differenze finite (UR3).

  8. Sviluppo di metodi per il calcolo di sismogrammi sintetici mediante le Funzioni di Green Empiriche (UR1 & UR3).

  9. Modellazione di sismogrammi con il metodo della Somma Modale per sorgenti sia puntiformi che estese (UR5).

  10. Confronto delle capacità predittive di modelli deterministici e probabilistici: messa a punto di modelli probabilistici per i parametri di ingresso dei codici di calcolo dei sismogrammi sintetici con le tecniche   dell'analisi Bayesiana (UR4).

  11. Caratterizzazione geofisica dei terreni superficiali e valutazione degli effetti di sito mediante inversione generalizzata  ed il metodo dei rapporti spettrali e della funzione ricevitore (UR2, UR4, UR6).

  12. Sviluppo di metodologie di inversione di tempi di arrivo per la definizione del modello di velocità/attenuazione (UR2) e delle relative incertezze associate.

  13. Applicazione di tomografia di attenuazione (Q) basata sui rapporti spettrali (UR2) e sulle ampiezze del moto (UR1, UR3).

 

Le metodologie proposte sono per la maggior parte dedicate alla simulazione e alla previsione del moto del terreno durante un terremoto (punti 2,3,4,5 & 6). Esse sono basate in larga maggioranza sul calcolo di sismogrammi sintetici emessi da sorgenti estese. La caratterizzazione di tali sorgenti ha anche una sua connotazione metodologica (punti 1, 2).  In questo caso le metodologie proposte (UR1 & UR7) sono ispirate ed adattate da tecniche di interpretazione dei dati sviluppate nell'ambito dell'esplorazione petrolifera o di indagine della struttura crostale, garantendo un elevato grado di accuratezza nella definizione dei parametri di velocità e di interfaccia. In questo contesto, deve essere inserita la partecipazione dell'ENI che garantirà anche le competenze necessarie per l'interpretazione delle linee sismiche.

Alcuni gruppi stranieri contribuiranno alle simulazioni dello scuotimento del terreno nelle aree selezionate, fornendo la loro esperienza professionale in questo settore e mettendo a disposizione le loro metodologie originali. In particolare, contribuiranno:

 

La partecipazione di questi Istituti stranieri garantisce un valido confronto ed un inserimento del progetto in un ampio contesto scientifico internazionale.

 

Database

 

I diversi set di dati utilizzati in questo progetto possono essere così riassunti:

 

Si rileva che l'alta qualità dei dati analizzati conferisce un notevole grado di multidisciplinarietà ed un carattere innovativo alle attività pianificate nel progetto.

 

Aree campione: laboratori di sperimentazione (Applicazioni)

 

Il progetto prevede diversi obiettivi applicativi che sono mirati alla definizione delle geometrie e dei meccanismi di sorgente così come delle proprietà elastiche e anelastiche del mezzo di propagazione nelle aree campione. In particolare, si deve sottolineare la valenza scientifica del lavoro svolto nelle aree training dove, essendo garantito un minimo livello di conoscenze che verrà ulteriormente approfondito e migliorato nel corso del progetto, sarà possibile simulare i sismogrammi osservati con sismogrammi sintetici completi. Quindi la prima fase applicativa sarà concentrata sulle aree training. Simultaneamente verranno iniziati tutti gli studi necessari a migliorare le conoscenze sulle sorgenti e sulla struttura crostale nelle aree test. Queste ricerche aumenteranno l'applicabilità delle metodologie sviluppate in queste aree.

In sintesi le attività a carattere applicativo previste nell'ambito del progetto possono essere così riassunte:

  1. Raccolta, revisione e definizione dei modelli di sorgente e della struttura crostale nelle aree training.

  2. Determinazione degli effetti di sito da registrazioni weak motion e loro correlazione con altri dati raccolti in situ (es.: dati geotecnici, geologico-stratigrafici).

  3. Determinazione delle leggi di attenuazione dei valori di picco e delle ampiezze spettrali per le aree training. Successiva applicazione alle aree test.

  4. Interpretazione delle linee di sismica attiva per l'area di Colfiorito (training) e successivamente per le  aree test (Città di Castello e Val D'Agri) finalizzata alla definizione di un modello di velocità discontinuo 2-D/3-D da utilizzare nelle simulazioni strong motion.

  5. Installazione di reti temporanee nelle zone test selezionate per l'acquisizione di dati di microterremoti.

  6. Raccolta e revisione dei modelli di sorgente e della struttura crostale nelle zone tests.

  7. Simulazioni del moto del suolo e loro confronto per le aree training.

  8. Simulazioni del moto del suolo e loro confronto per le aree test.

  9. Valutazione degli intervalli di variabilità dei parametri strong motion (valori di picco ed ordinate spettrali) in relazione alla complessità della sorgente e della propagazione.

 

 

Articolazione del progetto, organigramma, prodotti e obiettivi della ricerca.

Semestre luglio-dicembre 2000

 

Il progetto è suddiviso nei seguenti 5 macro-obiettivi che riassumono le principali attività di ricerca:

 

Task 1

Caratterizzazione Geometrica e Meccanica delle Sorgenti

(P. Montone, ING - Roma)

 

Questo macro-obiettivo sarà principalmente rivolto ad una revisione critica dei dati esistenti sull'area training di Colfiorito e a nuovi studi sulle due aree test di Città di Castello e Val d'Agri. Lo stato della conoscenza sismologica, geologica, tettonica e quindi della modellistica è attualmente ben differente da un'area all'altra. Verranno studiate con nuovi dati le zone oggi meno conosciute al fine di caratterizzare la struttura sismogenetica ma anche di definirne i processi di rottura alla sorgente e l'andamento del campo di stress sia arealmente che in profondità. In particolare le tematiche di ricerca che verranno affrontate sono relative a: 1) Analisi di sismicità che comprenderà un'analisi di dettaglio della sismicità attuale nelle aree prescelte attraverso l'attuazione di sezioni sismiche crostali ad hoc, analisi di meccanismi focali, analisi di aftershocks, analisi di sequenze e inversioni del tensore di stress. Lo scopo è quello di definire lo spessore crostale sismogenetico, il meccanismo predominante e più probabile di fagliazione, la geometria (con diversi gradi di dettaglio) delle strutture sismogenetiche, la geometria del tensore di stress per la ricostruzione del campo di stress locale. 2) Analisi di linee sismiche a riflessione di proprietà Eni nell'area di Colfiorito, Città di Castello e Val d'Agri. L'Eni ha pienamente aderito a questo progetto mettendo a disposizione della ricerca le linee sismiche effettuate dagli anni 80 ad oggi nelle aree di nostro interesse e soprattutto collaborando con noi nella interpretazione delle linee stesse. Per alcune di queste aree quali Colfiorito e Città di Castello, le linee sismiche a disposizione sono piuttosto vecchie (anni 1980ᇩ), ovvero processate con sistemi che non permettevano di ottenere una visione ottimale delle strutture che a noi interessano. Attualmente esistono nuove tecniche che verranno utilizzate all'interno di questa linea capaci di processare i dati originali e in grado di ottenere una risoluzione maggiore e soprattutto più idonea alle nostre ricerche. Per altre aree quali la Val d'Agri-Vallo di Diano, le linee sismiche sono recenti e saranno solo re-interpretate con il supporto dei dati sismologici già in nostro possesso. 3) Analisi della Sismicità Storica mediante una revisione dei dati esistenti nelle zone d'interesse e una loro rilettura critica. 4) Analisi delle faglie attive mediante una revisione dei dati già pubblicati nelle zone d'interesse e una loro rilettura critica rispetto al resto dei dati. 5) Analisi dei Dati di stress attivo che verrà effettuata mediante l'inserimento dei dati esistenti a completamento della caratterizzazione geometrica delle strutture e l'acquisizione di nuovi dati di stress (breakouts) nelle aree scelte. 6) Studi di Tettonica in senso lato che verranno effettuati mediante una revisione dei dati esistenti e l'acquisizione di nuovi dati con studi geologico-strutturali delle aree prescelte al fine di definire la struttura tettonica e se possibile la sua evoluzione nel tempo rispetto alla struttura sismogenetica attuale.

 

Prodotti/Obiettivi della ricerca:

 

 

Task 2

Caratterizzazione della struttura crostale (elastica ed anelastica)

(A. Michelini, OGS - Trieste)

 

In questo macro-obiettivo verranno sviluppate, validate ed applicate metodologie originali per ottenere la miglior definizione possibile di strutture crostali realistiche ad alta risoluzione, in termini di velocità e di attenuazione (Q). Parallelamente, saranno acquisiti nuovi dati di alta qualità la cui elaborazione permetterà di migliorare il quadro delle conoscenze sulle aree test di questo progetto. Questo obiettivo (complementare ai tasks 1 e 5) è fondamentale per poter risolvere dei modelli accurati da utilizzare nella sintesi diretta dei sismogrammi che saranno confrontati con i dati osservati (tasks 4 e 5). Inoltre, i risultati potranno essere usati per una maggiore comprensione in chiave sismotettonica delle zone investigate.

La prima fase di lavoro comprende l'analisi dei dati digitali di alta qualità, come quelli disponibili per il training site di Colfiorito-Sellano.

Nella seconda fase, si acquisiranno nuovi dati digitali per il test site di Città di Castello, mentre per la Val d'Agri si compilerà un modello specifico utilizzando i profili di sismica attiva esistenti (task 1).

Per l'analisi dei dati relativi ai training site, si analizzeranno:

i dati registrati durante la sequenza di Colfiorito dalla fitta rete di stazioni mobili installate nella zona epicentrale in modo da ottenere un modello crostale ad alta risoluzione;

i dati di sismica attiva/passiva registrati localmente a Sellano (PG) durante il progetto TOMOSEL (Rapporto n. 15, Progetto Microzonazione Sismica Umbria-Marche) con il fine di ottenere un'immagine ad altissima risoluzione (inferiore alla decina di metri) della collina/crinale su cui sorge il paese gravemente danneggiato dalle scosse dell'ottobre 1997. (Questa analisi è complementare a quella degli effetti di sito nella medesima località individuata nel task 5 ed al punto a).

Il prodotto di queste ricerche consisterà in una serie di modelli tridimensionali di velocità ed attenuazione da fornire ai partecipanti al task 4.

Per il test site Città di Castello, si svolgerà un'acquisizione mirata avvalendosi dell'esperienza già maturata a Colfiorito-Sellano. In particolare, si intende svolgere un'acquisizione ad alta risoluzione utilizzando le stazioni sismiche mobili in dotazione ai vari enti partecipanti (stimate in circa una quarantina, tutte di alta qualità)[1]. L'acquisizione dati a fini tomografici si svolgerà in sinergia con quella per la valutazione degli effetti di sito (task 5) e si prevede di farla partire ad inizio progetto per un periodo da valutare in funzione del livello di sismicità. Come risultato si intende ottenere un modello crostale di dettaglio, che sarà opportunamente compendiato con altri dati disponibili (es.: CROP03) laddove manchi l'opportuna risoluzione.  Per il test site Val d'Agri, si è già in contatto con l'ENI (task 1) per ottenere l'interpretazione delle loro linee, sulla cui base verrà costruito il modello strutturale di velocità ed attenuazione da fornire per il task 4.

 

Prodotti/Obiettivi della ricerca:

 

 

Task 3

Determinazione delle Leggi di attenuazione del moto del terreno

(L. Malagnini, ING - Roma)

 

Le leggi di attenuazione sono generalmente determinate effettuando regressioni su grandi insiemi di dati accelerometrici registrati durante forti terremoti. In Italia sono disponibili i lavori di Sabetta e Pugliese (1987, 1996), che forniscono relazioni empiriche per l'attenuazione dei valori di picco del moto del suolo (accelerazione e/o velocità orizzontale) e degli spettri di risposta. La disponibilità di dati strong motion è tradizionalmente condizione necessaria per studi di questo tipo, anche se le relative banche dati nel nostro Paese non sono molto fornite. I lavori di Sabetta e Pugliese citati poco sopra, ad esempio, utilizzano poche decine di forme d'onda accelerometriche (190 e 95, rispettivamente) registrate in occasione di 17 terremoti appenninici e del Friuli. Noi proponiamo una metodologia di nuova concezione, che può utilizzare sia dati sismometrici che accelerometrici (weak- e strong-motion). La possibilità di usare dati weak-motion si traduce nella disponibilità immediata di banche dati estremamente grandi, e nella relativamente facile acquisizione di nuovi dati nelle regioni in cui le distribuzioni delle registrazioni siano carenti.

I parametri che definiscono lo scuotimento del terreno che si osserva in occasione di un evento sismico sono determinati dalle caratteristiche della sorgente (magnitudo, profondità, azimuth, geometria della faglia), del sito di osservazione (natura e geometrie della geologia superficiale) e dall'azione di attenuazione introdotta dalla propagazione crostale. Lo scopo è di isolare e quantificare gli effetti di attenuazione relativi alla propagazione crostale nelle aree scelte (Colfiorito, Città di Castello ed Appennino Meridionale). I parametri di attenuazione ottenuti nelle aree citate saranno confrontati con quelli calcolati per il resto della regione appenninica.

 

Prodotti/Obiettivi della ricerca:

 

 

Task 4

Validazione di metodologie per il calcolo di sismogrammi sintetici

(A. Zollo, Università di Napoli “Federico II”)

 

Questo macro-obiettivo comprende studi di carattere metodologico ed applicativo finalizzati alla predizione del movimento forte del suolo considerando modelli realistici di frattura sismica e di propagazione.

Per ciò che riguarda la sorgente saranno implementate ed applicate tecniche per la descrizione di processi complessi di frattura che prevedono una distribuzione eterogenea dei parametri dinamici sulla superficie di faglia. Diverse metodologie per il calcolo del campo d'onda completo o in approssimazione ad alta frequenza in mezzi 1-D/3-D saranno inoltre sviluppate ed applicate in questo ambito e verranno interfacciate con modelli di sorgente complessa. Le metodologie saranno validate attraverso il confronto delle simulazioni strong motion con le osservazioni nelle aree training per modelli di sorgente e propagazione definiti da studi condotti in altre task di questo progetto. Nella fase applicativa alle aree testing l'obiettivo ultimo è la costruzione di scenari di scuotimento in riferimento a diversi parametri strong motion (valori di picco del moto del suolo, ordinate spettrali e durata del segnale) i cui intervalli di variazione massima saranno definiti mediante l'uso di approcci di tipo statistico-deterministico.

 

Prodotti/Obiettivi della ricerca:

 

 

Task 5

Caratterizzazione degli effetti di sito

(A. Rovelli, ING - Roma)

 

Le attività relative al macro-obiettivo saranno sviluppate sia sulla base del materiale attualmente disponibile sia programmando misure ad hoc dedicate alla raccolta di dati mirati alla determinazione degli effetti di sito.

La disponibilità di informazioni è estremamente differenziata per le varie aree (training, test) scelte dal progetto. In particolare, per la zona di Colfiorito-Sellano-Nocera Umbra si dispone di notevoli quantità di informazioni, alcune già elaborate in altre sedi altre mai elaborate finora, mentre per le altre aree previste nel programma si dispone di dati notevolmente più carenti. In ogni caso sia per le aree test che per le aree training si effettuerà una raccolta sistematica di tutte le informazioni relative a: morfologia  delle aree interessate; caratteristiche geologiche e geotecniche dei terreni di copertura; dati provenienti da indagini geofisiche utili ad individuare le geometrie dei terreni di copertura.

Si curerà inoltre la raccolta di tutte le registrazioni sismiche strong e weak motion disponibili utili alla valutazione degli effetti di sito nelle aree training, in particolare per l'area di Sellano si utilizzeranno i dati raccolti nell'ambito dell'esperimento TOMOSEL per il quale si dispone di circa 70 eventi di piccola magnitudo registrati da una rete densa di stazioni sismiche unitamente a dati di microtremore (task 2).

Per le aree training  si prevede una campagna di acquisizione di dati di microtremore in corrispondenza dei siti accelerometrici, per i quali si dispone di registrazioni strong motion, su cui applicare la tecnica dei rapporti spettrali H/V da confrontare con gli analoghi rapporti valutati per le registrazioni strong motion.

Per l'area test di Città di Castello, sono previste prove in situ per la determinazione della velocità delle onde di taglio nei terreni di copertura e misure analoghe ottenute mediante tecniche di array.

Nell'area di Città di Castello si prevede anche una estesa campagna di raccolta di dati di microtremore e weak motion mirata alla valutazione del contenuto in frequenza del moto e della sua variabilità anche a piccola scala.  Tale attività si baserà sull'installazione di una rete sismica temporanea in grado di registrare eventi di piccola magnitudo molto frequenti nell'area.

Si applicheranno tecniche spettrali, rapporti spettrali rispetto a siti di riferimento o rapporti spettrali H/V, sia su dati di microtremore che, qualora disponibili, su dati weak e strong motion.

Da punto di vista metodologico una particolare attenzione verrà posta alle problematiche inerenti la diffrazione indotta ai bordi di bacini sedimentari e la presenza di effetti di amplificazione su siti rocciosi.  A tal fine si prevede l'utilizzo di array di sensori ubicati con geometrie particolari in aree ristrette dove gli effetti sopra descritti siano più possibili.

Obiettivo finale del task è la definizione di funzioni di trasferimento, ottenute a partire dalle osservazioni disponibili, con modellazioni 1D, 2D e, ove possibile 3D (tecniche alle differenze finite e boundary elements), da utilizzare per modificare il moto al bedrock valutato attraverso le procedure di simulazione previste dal task 4.

 

Prodotti/Obiettivi della ricerca:

 

 

Attività 2000

 

Area Training di Colfiorito

 

 

Area Test di Città di Castello

 

 

Area Test della Val D'Agri

 

 

 

Unità di ricerca partecipanti

 

Unità di Ricerca 1

Coordinatore del Progetto

e Responsabile Scientifico:

Massimo Cocco, ING-Roma

Unità di Ricerca 2

Responsabile Scientifico:

Enrico Priolo, OGS-Trieste

Unità di Ricerca 3

Responsabile Scientifico:

Aldo Zollo, Università di Napoli “Federico II”

Unità di Ricerca 4

Responsabile Scientifico:

GianLorenzo Franceschina, ING-GNDT c/o IRRS-Milano

Unità di Ricerca 5

Responsabile Scientifico:

Peter Suhadolc, DST-Università di Trieste

Unità di Ricerca 6

Responsabile Scientifico:

Paolo Augliera, ING-GNDT c/o DipTeRis-Università di Genova

Unità di Ricerca 7

Responsabile Scientifico:

Alfredo Mazzotti, DST-Università di Milano