Daniela Morelli. Dipartimento di Fisica e Astronomia Università degli Studi di Catania INFN Sezione di Catania
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1 Daniela Morelli Dipartimento di Fisica e Astronomia Università degli Studi di Catania INFN Sezione di Catania Relazione su invito, Bologna 3 Settembre 1 Sezione di Catania 1
2 Misure di radon come precursore di terremoti Scholz C.H.,et al Science, 181; in Gasparini & Mantovani Fisica della Terra Solida Liguori Editore Bologna 4 Settembre 1
3 Misure di radon come precursore di terremoti Emanazione Trasporto Rinculo Diffusione Diffusione Convezione Bologna 4 Settembre 1 3
4 Modelli di Diffusione Plate sheet model Gautier et al. Geochimica et Cosmochimica, Vol. 63, No. 5, pp (1999) Bologna 4 Settembre 1 4
5 Modelli di Diffusione Infinite source model = + C D d dc D v d C d λ V velocità del gas D coefficiente di diffusione D dz D dz + z D D v λ sinh + = h v D D D z h v C C λ sinh ) ( exp + h D D sinh Wattananikorn et al. Rad. Mea. Vol. 9, No.6, pp (1998) Bologna 4 Settembre 1 5
6 Anomalie Radon Modello dilatanza diffusione Apertura di nuove fratture Chiusura di vecchie fratture Ridistribuzione Modello o frattura valanga a aa Aumento dello stress tettonico Aree vulcaniche Grande regione fratturata Aumento del flusso di calore Bologna 4 Settembre 1 6
7 Esempi Amritsar India del nord Singh et Al. Rd Radon Monitoring i in Radioprotection, Environmental and/or Earth Science (1991) Terremoto del gennaio 1994 Kobe (Giappone) Igarashi et Al. Science Vol. 69 pp (1995) Eruzione Cerro Negro Nicaragua Connor et Al. J. Volc. And Geoth. Res (1996) Bologna 4 Settembre 1 7
8 Leggi empiriche sui precursori Relazione fra tempo di accadimento e magnitudo (Fleischer) Log t = M.16.1 < t < 7 giorni Log t =.6M 1. t > 7 giorni Forti terremoti (Sing) M>5 M ( λδr / ) = log Kt λ costante di decadimento del Rn ΔR variazione della conc. di Rn K=cost=3.96x1 17 Magnitudo minima in funzione della distanza dall epicentro (Hauksson) M > M min = (.3 ±.) log( D) (.4 ±.3) Magnitudo distanza distanza tempo D = 1. 43M (Dobrovolsky) log DT =.63M (Martinelli[1991]) Bologna 4 Settembre 1 8
9 Attività Laboratorio di Fisica dell Ambiente Dipartimento di Fisica Università degli Studi di Catania Misure in situ Misure in continuo di Radon in-soilil Mt. Etna; correlazioni con parametri meteo ed eventi geodinamici Profilo verticale di concentrazione radon e coefficiente di diffusione Profili orizzontali di concentrazione radon lungo piani di faglia Misure in laboratorio Contenuto di radionuclidi in campioni di roccia e di acqua Rate di esalazione radon in ambiente controllato (temperatura, porosità, permeabilità, pressione) Bologna 4 Settembre 1 9
10 Misure in situ: campionamento in continuo Progetto MIUR Cluster 11 Misure di gas radon in continuo (rate 1min) a 1 m. di profondità stazioni sismiche e meteorologiche Inizio misure Luglio 1 Bologna 4 Settembre 1 1
11 Correlazione con l attività sismica periodo 1 NW 4 NE M <.5 NW NE Numero terremoti 1/7/1 /7/1 1/8/1 11/8/1 1/8/1 31/8/1 1/9/1 /9/1 3/9/1 1/1/1 /1/1 3/1/1 9/11/1 19/11/1 9/11/1 9/1/1 19/1/1 9/1/1 8/1/ 18/1/ 8/1/ 7// 17// 7// 9/3/ 19/3/ 9/3/ 8/4/ 18/4/ 8/4/ 8/5/ 18/5/ 8/5/ 7/6/ 17/6/ 7/6/ 7/7/ N-earthquake data 1/7/1 /7/1 1/8/1 11/8/1 1/8/1 31/8/1 1/9/1 /9/1 3/9/1 1/1/1 /1/1 3/1/1 9/11/1 19/11/1 9/11/1 9/1/1 19/1/1 9/1/1 8/1/ 18/1/ 8/1/ 7// 17// 7// 9/3/ 19/3/ 9/3/ 8/4/ 18/4/ 8/4/ 8/5/ 18/5/ 8/5/ 7/6/ 17/6/ 7/6/ 7/7/ N-earthquake data SW 1 SE SW 1/7/1 /7/1 1/8/1 11/8/1 1/8/1 31/8/1 1/9/1 /9/1 3/9/1 1/1/1 /1/1 3/1/1 9/11/1 19/11/1 9/11/1 9/1/1 19/1/1 9/1/1 8/1/ 18/1/ 8/1/ 7// 17// 7// 9/3/ 19/3/ 9/3/ 8/4/ 18/4/ 8/4/ 8/5/ 18/5/ 8/5/ 7/6/ 17/6/ 7/6/ 7/7/ 4 N-earthquake data 1/7/1 /7/1 1/8/1 11/8/1 1/8/1 31/8/1 1/9/1 /9/1 3/9/1 1/1/1 /1/1 3/1/1 9/11/1 19/11/1 9/11/1 9/1/1 19/1/1 9/1/1 8/1/ 18/1/ 8/1/ 7// 17// 7// 9/3/ 19/3/ 9/3/ 8/4/ 18/4/ 8/4/ 8/5/ 18/5/ 8/5/ 7/6/ 17/6/ 7/6/ 7/7/ SE N-earthquake data SW SE NW 3 NE M >.5 NW NE 1/7/1 /7/1 1/8/1 11/8/1 1/8/1 31/8/1 1/9/1 /9/1 3/9/1 1/1/1 /1/1 3/1/1 9/11/1 19/11/1 9/11/1 9/1/1 19/1/1 9/1/1 8/1/ 18/1/ 8/1/ 7// 17// 7// 9/3/ 19/3/ 9/3/ 8/4/ 18/4/ 8/4/ 8/5/ 18/5/ 8/5/ 7/6/ 17/6/ 7/6/ 7/7/ 1 N-earthquake data 1/7/1 /7/1 1/8/1 11/8/1 1/8/1 31/8/1 1/9/1 /9/1 3/9/1 1/1/1 /1/1 3/1/1 9/11/1 19/11/1 9/11/1 9/1/1 19/1/1 9/1/1 8/1/ 18/1/ 8/1/ 7// 17// 7// 9/3/ 19/3/ 9/3/ 8/4/ 18/4/ 8/4/ 8/5/ 18/5/ 8/5/ 7/6/ 17/6/ 7/6/ 7/7/ 1 N-earthquake data 4 SW 1 1/7/1 /7/1 1/8/1 11/8/1 1/8/1 31/8/1 1/9/1 /9/1 3/9/1 1/1/1 /1/1 3/1/1 9/11/1 19/11/1 9/11/1 9/1/1 19/1/1 9/1/1 8/1/ 18/1/ 8/1/ 7// 17// 7// 9/3/ 19/3/ 9/3/ 8/4/ 18/4/ 8/4/ 8/5/ 18/5/ 8/5/ 7/6/ 17/6/ 7/6/ 7/7/ 1 3 SW N-earthquake data 1/7/1 /7/1 1/8/1 11/8/1 1/8/1 31/8/1 1/9/1 /9/1 3/9/1 1/1/1 /1/1 3/1/1 9/11/1 19/11/1 9/11/1 9/1/1 19/1/1 9/1/1 8/1/ 18/1/ 8/1/ 7// 17// 7// 9/3/ 19/3/ 9/3/ 8/4/ 18/4/ 8/4/ 8/5/ 18/5/ 8/5/ 7/6/ 17/6/ 7/6/ 7/7/ SE N-earthquake data SW SE Bologna 4 Settembre 1 11
12 log E M.4 M = (Richter 1958) Strain realase Bq/m 3 N 18 NW NE NE 17 3 E[erg]. 4.x1 4 4.x1 1 6.x14 8.x14 1.x15 1.x15. 4.x1 4 4.x14 6.x1 8.x14 1.x15 1.x15 1.4x15 1.6x15 NW M <.5 Bq/m N /7/1 1/7/1 31/7/1 1/8/1 /8/1 3/8/1 9/9/1 19/9/1 9/9/1 9/1/1 19/1/1 9/1/1 8/11/1 18/11/1 8/11/1 8/1/1 18/1/1 8/1/1 7/1/ 17/1/ 7/1/ 6// 16// 6// 8/3/ 18/3/ 8/3/ 7/4/ 17/4/ 7/4/ 7/5/ 17/5/ 7/5/ 6/6/ 16/6/ 6/6/ 6/7/ 11/7/1 1/7/1 31/7/1 1/8/1 /8/1 3/8/1 9/9/1 19/9/1 9/9/1 9/1/1 19/1/1 9/1/1 8/11/1 18/11/1 8/11/1 8/1/1 18/1/1 8/1/1 7/1/ 17/1/ 7/1/ 6// 16// 6// 8/3/ 18/3/ 8/3/ 7/4/ 17/4/ 7/4/ 7/5/ 17/5/ 7/5/ 6/6/ 16/6/ 6/6/ 6/7/ DATA 8 SW 7 SE DATA E[erg] 1x1 5 x15 5 3x1 4x15 5x x1 4.x15 6.x15 8.x1 1.x16 1.x16 1.4x16 1.6x16. 5.x1 8 1.x x1 9.x1 9.5x SW Linear Regression for biancavilla_sw: Y = A + B * X Parameter Value Error A.6669E E9 B R SD N P E M >.5 SE g] g] 3x1 1 4x1 1 5x1 1 11/7/1 1/7/1 31/7/1 1/8/1 /8/1 3/8/1 9/9/1 19/9/1 9/9/1 9/1/1 19/1/1 9/1/1 8/11/1 18/11/1 8/11/1 8/1/1 18/1/1 8/1/1 7/1/ 17/1/ 7/1/ 6// 16// 6// 8/3/ 18/3/ 8/3/ 7/4/ 17/4/ 7/4/ 7/5/ 17/5/ 7/5/ 6/6/ 16/6/ 6/6/ 6/7/ 11/7/1 1/7/1 31/7/1 1/8/1 /8/1 3/8/1 9/9/1 19/9/1 9/9/1 9/1/1 19/1/1 9/1/1 8/11/1 18/11/1 8/11/1 8/1/1 18/1/1 8/1/1 7/1/ 17/1/ 7/1/ 6// 16// 6// 8/3/ 18/3/ 8/3/ 7/4/ 17/4/ 7/4/ 7/5/ 17/5/ 7/5/ 6/6/ 16/6/ 6/6/ 6/7/ DATA 3 1 DATA Linear Regression for biancavilla_se: Y = A + B * X Parameter Value Error A E E9 B E E6 R SD N P E E[erg E[erg 1x1 1 x1 1 NW Rn [Bq/m 3 ] Rn [Bq/m 3 ] NE 8 1.x1 1.5x18.x18.5x1 8 1.x1 9 NW M >.5 Bq/m 3 N NW NE NE Bq/m 3 N E[erg] 8 4.x1 6.x18 8.x x1 7 1.x x1 8.x Linear Regression for vena_nw: Y = A + B * X Parameter Value Error A E E8 B R SD N P E Linear Regression for vena_ne: Y = A + B * X Parameter Value Error A E E8 B R SD N P E x1 7..x1 8 E[erg] E[erg]..x1 8 4.x1 8 6.x1 8 8.x1 8 11/7/1 1/7/1 31/7/1 1/8/1 /8/1 3/8/1 9/9/1 19/9/1 9/9/1 9/1/1 19/1/1 9/1/1 8/11/1 18/11/1 8/11/1 8/1/1 18/1/1 8/1/1 7/1/ 17/1/ 7/1/ 6// 16// SW DATA SE // 8/3/ 18/3/ 8/3/ 7/4/ 17/4/ 7/4/ 7/5/ 17/5/ 7/5/ 6/6/ 16/6/ 6/6/ 6/7/ 11/7/1 1/7/1 31/7/1 1/8/1 /8/1 3/8/1 9/9/1 19/9/1 9/9/1 9/1/1 19/1/1 9/1/1 8/11/1 18/11/1 8/11/1 8/1/1 18/1/1 8/1/1 7/1/ 17/1/ 7/1/ 6// 16// 6// 8/3/ 18/3/ 8/3/ 7/4/ 17/4/ 7/4/ 7/5/ 17/5/ 7/5/ 6/6/ 16/6/ 6/6/ 6/7/ DATA E[erg] 1.5x1 9.x G 4G 5G Rn [Bq/m 3 ] Rn [Bq/m 3 ]. 5.x1 8 1.x19 1G G 11/7/1 1/7/1 31/7/1 1/8/1 /8/1 3/8/1 9/9/1 19/9/1 9/9/1 9/1/1 19/1/1 9/1/1 8/11/1 18/11/1 8/11/1 8/1/1 18/1/1 8/1/1 7/1/ 17/1/ 7/1/ 6// 16// 6// 8/3/ 18/3/ 8/3/ 7/4/ 17/4/ 7/4/ 7/5/ 17/5/ 7/5/ 6/6/ 16/6/ 6/6/ 6/7/ 11/7/1 1/7/1 31/7/1 1/8/1 /8/1 3/8/1 9/9/1 19/9/1 9/9/1 9/1/1 19/1/1 9/1/1 8/11/1 18/11/1 8/11/1 8/1/1 18/1/1 8/1/1 7/1/ 17/1/ 7/1/ 6// 16// 6// 8/3/ 18/3/ 8/3/ 7/4/ 17/4/ 7/4/ 7/5/ 17/5/ 7/5/ 6/6/ 16/6/ 6/6/ 6/7/ DATA DATA Radon Vs Strain realase Bologna 4 Settembre
13 Magnitudo distanza tempo D= 1.43 M (Dobrovolsky) 8 7 Theoretical data Experimental data NE SW Data M D-sper. [km] D-teor. [km] 5/4/ /4/ /4/ /4/ /4/ /5/ /1/ /1/ /3/ logdt=.63m (Martinelli [1991]) logdt D [km] Magnitude M Bologna 4 Settembre 1 13
14 NE Radon ed eventi sismici Inizio eruzione 3/11/ M3.5 7/1/ /1/1 /1/ 11/3/ 3/4/ 19/6/ 8/8/ 7/9/ 16/11/ 5/1/3 4//3 data Bologna 4 Settembre 1 14 Bq/m 3
15 Attività vulcanica Misure luglio Andamento temporale della concentrazione di gas radon Media giornaliera NE 6/1/4 15/4/4 Bq/m SW 1 9 /7/1 8/1/1 5// 16/5/ 4/8/ /1/ 1/3/3 /6/3 8/9/3 8 data 6 4 Eruzioni: Bq/m 3 - Luglio 1-7 Ottobre - 7 Settembre 4 1/7/ 7/1 9/8/ 8/1 18/1/ 1/1 7/1/ 1/1 6/1/ 1/ 17/3/ 3/ 6/5/ 5/ 5/6/ 6/ 14/8/ 8/ 3/1/ 1/ /11/ 11/ 11/1/ 1/3 /3/ 3/3 1/4/ 4/3 1/6/ 6/3 3/7/ 7/3 18/9/ 9/3 7/11/ 11/3 7/1/ 1/3 15// /4 5/4/ 4/4 5/5/ 5/4 14/7/ 7/4 data Differente comportamento nei versanti SW e NE Bologna 4 Settembre 1 15
16 Confronto dati radon e meteorologici 1 55 Incremento della concentrazione di radon: ERUZIONE 3 NO ERUZIONE 4 ERUZIONE Nessuna anomalia nei parametri meteorologici i Bologna 4 Settembre 1 16
17 Ottobre Curve cumulative Radon, power spectrum e strain release Novembre dicembre CRn >4% Agosto Agosto Dicembre Aumento repentino 7/1/ Aumento t dopo l inizio della fase eruttiva, dovuto probabilmente al flusso di calore per la risalita del magma Aumento tremore luglio eruzione accompagnata da diversi terremoti Bologna 4 Settembre 1 17
18 Settembre Dicembre 3 settembre Incremento di radon aumento strain release strain release costante e conc. Radon elevate inizio eruzione Eruzione non esplosiva magma degassato Settembre - Ottobre 4 Bologna 4 Settembre 1 18
19 Confronto fra concentrazione di radon ed effective stress Gennaio 3 Aprile 5 log 1 N=a bm 1136 eventi o.9<m<3.9 Bologna 4 Settembre 1 19
20 Misure in situ: campionamento integrato profili verticali di concentrazione di Rn profili di temperatura, di pressione e di umidità contenuto di radionuclidi 1-Vena -Cugno di Mezzo 3-Santa Venerina 4-Ragala Bologna 4 Settembre 1
21 Misure integrate: rivelatori a tracce nucleari CR-39 Rivelatore Sistema di lettura Calibrazione Attacco chimico: NaOH 6M 98 C 1h Radon and Natural Radioactivity Research Laboratory (UCD) Bologna 4 Settembre 1 1
22 Profilo verticale di Radon C λ ( z) = C 1 exp z = D Radon e parametri meteorologici Radon (Bq/m 3 ) Andamento Stagionale Vena cm 4 cm 6 cm 8 cm 1 cm Radon (Bq/m 3 ) Cugno di Mezzo cm 4 cm 6 cm 8 cm 1 cm Tem mperatura a Pressione e Radon (Bq/m 3 ) Radon Temperatura /6 11/7 5/7 9/8 1/9 1/9 1/1 5/1 15/11 1/1 13/1 13/ -- Data Radon Pressione Radon (Bq/m 3 ) /6 11/7 5/7 9/8 1/9 1/9 1/1 5/1 15/11 1/1 13/1 13/ Temperatura ( C) Pressione (mbar) Pressione (mbar) Temperatura ( C) R= Rn (Bq/m 3 ) R= Data Rn(Bq/m 3 ) 4/611/75/79/81/91/91/15/115/111/113/113/ -- 4/6 11/7 5/7 9/8 1/9 1/9 1/1 5/1 15/11 1/1 data data Radon (Bq/m 3 ) Santa Venerina 4/6 5/7 9/8 1/9 1/1 5/1 15/11 1/1 13/1 13/ -- cm 4 cm 6 cm 8 cm 1 cm Radon (Bq/m 3 ) Ragala 4/611/75/79/81/91/91/15/115/111/113/113/ -- cm 4 cm 6 cm 8 cm 1 cm Umi idità Radon (Bq/m 3 ) Radon Umidità /6 11/7 5/7 9/8 1/9 1/9 1/1 5/1 15/11 1/1 13/1 13/ -- Data Umi idità (%) Umidità (% %) Rn (Bq/m 3 ) R=-.4 data data Bologna 4 Settembre 1
23 C Rn = a T au + a3p a4 Radon e parametri meteorologici Radon (Bq/m 3 ) misurato calcolato Nel periodo agosto-settembre settembre si registra una anomalia non imputabile ai parametri meteorologici 6 4/6 11/7 5/7 9/8 1/9 1/9 1/1 5/1 15/11 1/1 13/1 13/ Data Spettro in frequenza del tremore vulcanico registrato prima e durante l anomalia Prima dell anomalia Radon e tremore vulcanico I siti di Cugno di Mezzo e Santa Venerina sembrano essere più sensibili al geodinamismo dell apparato vulcanico Durante l anomalia Riscontro anche con i dati da IC Radon (Bq/m 3 ) Radon (Bq/m 3 ) don (Bq/m 3 ) Ragala S. Venerina Cugno di Mezzo 4/6 11/7 5/7 9/8 1/9 1/9 1/1 5/1 15/11 1/1 13/1 Rad Radon (Bq/m 3 ) 13/ -- Vena Data Bologna 4 Settembre 1 3
24 Misure di radioattività lungo faglie attive La faglia della Pernicana Struttura transtensiva sinistra estesa per circa 8 km lungo il fianco NE Elevato tasso di attività, creep asismico Bologna 4 Settembre 1 4
25 Sito di misura Misure passive integrate CR39 Misure attive istantanee Rivelatori al Si Misure in continuo Rivelatori al Si AB 14 m slm CD 137 m slm Misure istantanee di flusso di CO mediante uno spettrofotometro IR Bologna 4 Settembre 1 5
26 Profilo AB Piano di faglia Correlazione Rn CO Profilo CD Piano di faglia Bologna 4 Settembre 1 6
27 Analisi di laboratorio Caratterizzazione i di campioni i di rocce, di tipo sedimentario, i di tipo metamorfico e magmatico. Spettroscopia γ per la determinazione del contenuto di radionuclidi tramite un HpGe Can technique per la determinazione del rate di esalazione Bologna 4 Settembre 1 7
28 Esalazione Radon Chλt λ +1 / λ e E = A λ t [ t ( 1 )] 1 [ Bqm h ] CVtλ λ +1 / λ e [ ( 1 )] E = M λ t M t 1 1 [ Bqkg h ] E E δ Ei δ C + δ C h = i Surface exhalation rate h δ C E M E M δ M M = δ C + δ V + M V E E M Mass exhalation rate 8 magmatiche 5 magmatiche i i i i i Rn Surface exhalation rate (mbqm - h -1 ) -1 ) Rn mass exhalation rate (mbqkg -1 h Sedimentarie Sedimentarie Flysch di monte Soro Formazione arenacea Tripoli Trubi Calcare micritico Metamorfi Ve Cugno di mezzo Santa Venerina Flysch di monte Soro Formazione arenacea Tripoli Trubi Calcare micritico Metamorfiti II Vena Cugno di mezzo Santa Venerina -- ti II na 5 -- Bologna 4 Settembre 1 8
29 Rate di esalazione e contenuto di radionuclidi Radon E [ mbqm h 1 ] 6 3 Ra[ A e contenuto di Bq / m ] ROCCE SEDIMENTARIE E METAMORFICHE ROCCE MAGMATICHE Ra (Bq q/m 3 ) r=,77 6 Ra (Bq qkg -1 ) r=, Rate di esalazione Rn (mbqm - h -1 ) Rate di esalazione Rn (mbqm - h -1 ) Bologna 4 Settembre 1 9
30 Misure di Radioattività in Acqua Progetto POR Misura 3.15 In collaborazione con Institute of Physics University of Silesia, Katowice Poland Radon Radio Bologna 4 Settembre 1 3
31 Uranio Misure di Radioattività in Acqua Bologna 4 Settembre 1 31
32 Area di indagine Area idrogeologica etnea Risultati 6 Pozzi (triangoli) - 4 Sorgenti (cerchi) 3 Gallerie (quadrati) Bologna 4 Settembre 1 3
33 Conclusioni i Misure di concentrazione di radon in soil a partire dal 1 Coefficiente i t di diffusione i attraverso profili verticali di concentrazione radon Rateo di esalazione attraverso analisi di laboratorio Caratterizzazione delle faglie mediante profili orizzontali Nessuna correlazione stretta con fenomeni sismici (M 3) Possibile correlazione con attività vulcanica Attività in corso Studio del processo di trasporto del Radon in ambiente vulcanico attraverso sia misure in laboratorio con parametri controllati (temperatura, porosità, permeabilità, ) sia confronto con modelli di trasporto dei gas. Bologna 4 Settembre 1 33
34 Hanno collaborato Prof.ssa Immè (1,) Prof. Patanè (3) ; Prof. Lo Nigro (1); Dr. Giammanco (4); Dr. Neri (4); Prof Mc Laughlin (5); Dr. Kozlowska (6); Dr. La Delfa (3) (1) Dipartimento di Fisica e Astronomia; () INFN Sezione di Catania; (3) Dipartimento di Scienze Geologiche; (4) INGV Sezione di Catania; (5) R&NRR Lab, University Dublino (6) Institute of Physics University of Silesia, Katowice Poland Ilaria Altamore Cristina Antoci Massimo Aranzulla Silvia Cammisa Roberto Catalano Vincenzo Chieffalo Enzo Fontana Gabriella Mangano Rosario Mineo Alessia Rosselli Tazzer Bologna 4 Settembre 1 34
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