Complessità della sorgente sismica

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1 Complessità della sorgente sismica Alessio Piatanesi Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia

2 Introduzione (1) Numero rilevante di megaterremoti (M 9): Sumatra 2004; Cile 2010; Giappone 2011 E di terremoti più piccoli ma devastanti: Pakistan 2005; Sichuan 2008; Haiti 2010; Sviluppo reti osservative (sismologiche, geodetiche, marine e satellitari) / crescita capacità computazionali: Risoluzione e precisione senza precedenti Questa nuova lente d ingrandimento puntata sulla sorgente sismica, ne ha rivelato in molti casi una complessità inaspettata.

3 Introduzione (2) complessità = eterogeneità spaziali e temporali, correlazione o non correlazione fra parametri, valori fuori scala di alcune grandezze, ecc Uno strumento fondamentale: ricostruzione del processo di rottura tramite inversione dei dati geofisici

4 Schema della presentazione modelli di sorgente sismica dati utilizzati per ricostruire la sorgente sismica problema inverso per la sorgente sismica alcuni aspetti della complessità della sorgente sismica, casi di studio: Parkfield, 2004, M=6 (ricorrenza temporale, precursori, direttività rottura, distribuzione di slip) Sumatra, 2004, M=9.2 (rottura unilaterale 1200km, ) L Aquila, 2009, M=6.2 (eterogeneità spazio-temporale della rottura) Cile, 2010, M=8.8 (eterogeneità spaziale dello slip, bassa correlazione slip-accoppiamento intersismico) Tohoku-oki, 2011, M=9.0 (concentrazione slip, slip superficiale, bassa correlazione slipaccoppiamento intersismico) implicazioni della complessità della sorgente

5 Sorgente sismica: rappresentazione puntiforme (1) A seguito del terremoto di San Francisco del 1906, Reid interpretò il fenomeno come dovuto allo spostamento istantaneo (dislocazione) di due porzioni di crosta terrestre lungo una superficie di discontinuità (faglia). A partire da questa evidenza osservativa e nell ambito della teoria classica dell elasticità, vennero successivamente formulati diversi modelli di sorgente sismica, con lo scopo di poterne determinare i parametri fondamentali dall analisi dei dati disponibili. Uno dei modelli più semplici di sorgente sismica è la sorgente puntiforme doppia coppia: si basa sull equivalenza, in termini di onde elastiche emesse, tra una dislocazione su una superficie interna e una doppia coppia di forze a momento torcente nullo. Naturale generalizzazione al momento tensore (tensore simmetrico 3x3, 6 componenti indipendenti).

6 Sorgente sismica: rappresentazione puntiforme (2) Pattern di radiazione e determinazione dei meccanismi focali Meccanismo focale e geometria di fagliazione Catalogo dei meccanismi focali (CMT Harvard) Regime tettonico (distensivo, compressivo, trascorrente)

7 Sorgente sismica: rappresentazione faglia estesa (1) Generalmente le faglie geologiche sono strutture multiscala geometricamente complesse. Sono caratterizzate da una o più faglie principali, dalle quali si possono diramare segmenti secondari a formare reti 3D. Hollywood-Santa Monica-Malibu Coast fault Santa Ynez fault San Andreas fault Los Angeles basin R. Crippen, JPL Palos Verdes fault Newport-Inglewood fault Raymond fault Whittier fault Sierra Madre fault Kumano basin, Nankai trough, Japan Moore et al., 2007

8 Sorgente sismica: rappresentazione faglia estesa (2) Tuttavia, in molti casi e per quasi tutti gli scopi pratici, le faglie sono approssimate da superfici piane o comunque semplici. Chile, 2010

9 Sorgente sismica: rappresentazione faglia estesa (3) Per ottenere una descrizione cinematica completa del processo di rottura, è necessario definire, su ogni punto della superficie di faglia i seguenti parametri: tempo di inizio della dislocazione: t r durata della dislocazione (rise time): τ dislocazione totale: D tot direzione della dislocazione (angolo di rake): λ dipendenza temporale della dislocazione: f(t) Velocità di dislocazione Dtot Dislocazione τ

10 Sorgente sismica: rappresentazione faglia estesa (4) Esempio di un modello cinematico di sorgente sismica su faglia estesa: Niigata, Giappone, 2007 Mw=6.6. Cirella et al., GRL, 2008

11 Il terremoto come sorgente di onde Una sorgente sismica può generare campi d onda di varia natura. -) onde elastiche nella terra solida: onde di volume (P, S) onde superficiali (Rayleigh e Love) -) quando la sorgente sismica è localizzata al di sotto dei fondali oceanici, l accoppiamento terra solida-terra liquida genera onde di pressione (onde T) e di gravità (tsunamis) che si propagano negli oceani -) inoltre, l accoppiamento terra solida-atmosfera e oceanoatmosfera può generare infrasuoni in atmosfera e perturbazioni della ionosfera.

12 Dati utilizzati In linea di principio, tutta la radiazione emessa durante un terremoto può essere utilizzata per studiare le caratteristiche della sorgente sismica -) Sismogrammi = registrazioni del moto del suolo: accelerometri e sismometri larga banda -) Misure statiche e ad alta frequenza dello spostamento del suolo: sensori GPS -) Misure statiche del campo di spostamento: interferometria radar da satellite (InSAR) -) Mareogrammi= registrazioni delle variazioni di livello marino: mareografi, sensori di pressione oceanici, boe GPS)

13 Dati utilizzati: sismogrammi Accelerometri e sismometri larga banda/ampia dinamica -) sismogrammi in accelerazione, velocità o spostamento -) forma d onda non saturate, -) banda di frequenza utilizzata per studi di sorgente (da 0 a 1-2Hz) Acc. NS EW UD Vel.

14 Dati utilizzati: GPS Misure statiche e cinematiche (1 Hz) dello spostamento del suolo a 3 componenti Tohoku-oki, spostamento cosismico (rosso) e postsismico (blu) Tohoku-oki, spostamento misurato a MIZU (140km dall epicentro)

15 Dati utilizzati: Interferometria radar satellitare Misura lo spostamento statico del suolo lungo la linea di vista satellite-ricevitore

16 Dati utilizzati: mareogrammi Mareografi: generalmente istallati nei porti, misurano le variazioni di livello del mare

17 Dati utilizzati: sensori di pressione oceanici OBP: strumento posizionato in mare aperto (in prossimità delle zone di subduzione) che misura la pressione sul fondo indotta da variazioni dello spessore della colonna d acqua

18 Problema inverso per la sorgente sismica 1 d: dati (sismogrammi, mareogrammi,.) m: parametri che caratterizzano la sorgente sismica (dislocazione,velocità di rottura, ) G: operatore che lega lo spazio dei parametri ai dati osservati Il problema diretto si può scrivere in tutta generalità come: d=g(m) Solo in alcuni casi G dipende linearmente dai parametri, ma in generale ciò non è vero: il problema inverso per la sorgente sismica è un problema inverso non lineare.

19 Problema inverso per la sorgente sismica 2 Il problema inverso non lineare per la sorgente sismica viene oggi affrontato come un problema di ottimizzazione globale. Definire la parametrizzazione della sorgente e quindi i parametri da invertire. Il problema e spesso ad alta dimensionalità (N>100) Occorre definire la funzione da ottimizzare. In genere si minimizza una norma L2 o funzione di correlazione tra forme d onda Svariate tecniche di ottimizzazione (soprattutto di tipo global search ): simulated annealing (più spesso simulated quenching) algoritmi genetici

20 Problema inverso per la sorgente sismica 3 Punti cruciali dell inversione non lineare per la sorgente sismica carico computazionale ma le risorse computazionali sono in crescita costante analisi degli errori sul modello appraisal statistico sull ensemble dei modelli esplorati approccio Bayesiano

21 Parkfield, California 2004, Mw=6.0 (1)

22 Parkfield, California 2004, Mw=6.0 (2) Tomografia sismica (Bleibinhaus et al., 2007) A B Crosta più rigida Crosta meno rigida B La teoria prevede una modalità di rottura specifica bimateriale con una direzione di rottura preferenziale nella direzione del moto del blocco meno rigido (sud-est) A

23 Parkfield, California 2004, Mw=6.0 (3) Custodio et al., JGR, 2007 Evento del 1966 Evento del 2004 L evento del 1966 (e del 1934) hanno rotto in direzione sud-est.ma non quello del 2004 (nord-ovest)

24 Sumatra, Indonesia 2004, Mw=9.2 (1) Contesto tettonico e rotture principali lungo il megathrust di Sonda (Subarya et al.,nature, 2006) Convergenza obliqua tra placca Australiana-Indiana e placca di Sonda-microplacca di Burma Rottura del 2004 scavalca zone che si sono rotte in precedenza Rottura unilaterale verso Nordovest di circa 1200 km

25 Sumatra, Indonesia 2004, Mw=9.2 (2) Progressione della rottura (ottenuta tramite tecnica di back-projection) Ishii et al., Nature, 2006

26 Sumatra, Indonesia 2004, Mw=9.2 (3) Dati e metodi diversi: immagine consistente della rottura Ishii et al., Nature, 2006 Lorito et al., JGR, 2010 Sismogrammi alta frequenza -) Mareogrammi, tracce altimetriche satellitari= dati bassa frquenza -) Dati GPS statici Inversione congiunta non lineare

27 L Aquila, Italia centrale 2009, Mw=6.2 (1) Terremoto ottimamente registrato 14 accelerogrammi (rete RAN e stazione MedNet AQU); 36 stazioni GPS (INGV-Ring, GNSSA, ISPRA, ITALPOS e ASI) ; D < 70 km;

28 L Aquila, Italia centrale 2009, Mw=6.2 (2) Sismogrammi strong motion Banda di frequenza: Hz; Spostamenti GPS Interferogramma Envisat discendente

29 L Aquila, Italia centrale 2009, Mw=6.2 (3) Modello sorgente estesa ottenuto dall inversione congiunta non lineare di dati strong motion, GPS e InSAR Cirella et al., GRL, 2009

30 L Aquila, Italia centrale 2009, Mw=6.2 (4) Evoluzione spazio-temporale della rottura (velocità della dislocazione)

31 L Aquila, Italia centrale 2009, Mw=6.2 (5) Velocità locale della rottura Modo di rottura Cirella et al., GJI, sottomesso

32 Maule, Cile 2010, Mw=8.8 (1) Un caso interessante di come nuove evidenze portano a interpretazioni diverse La zona era considerata un gap sismico Madariaga et al., Science, 2010 Zona fortemente accoppiata Moreno et al., Nature, 2010

33 Maule, Cile 2010, Mw=8.8 (2) -) Misure GPS ( ) -) Determinazione accoppiamento pre-sismico tra le placche lungo il megathrust -) Confronto con distribuzioni di slip preliminari della sorgente -) Si trova una forte correlazione distribuzione slip-accoppiamento presismico Moreno et al., Nature, 2010

34 Maule, Cile 2010, Mw=8.8 (3) E una conferma di ciò che alcuni studi sembrano aver verificato in altre zone del mondo (Sumatra) ed è esattamente ciò che i sismologi sperano accada sistematicamente. Perché: - Se siamo in grado di determinare l accoppiamento pre-sismico, - se i grandi terremoti avvengono (o meglio dislocano maggiormente) dove questo è alto, - e se abbiamo anche qualche informazione su dove sono avvenuti i terremoti precedenti ----> abbiamo un modo per sapere dove avverranno i prossimi grandi teremoti (ed eventualmente quanto potrebbero essere forti)

35 Maule, Cile 2010, Mw=8.8 (4) Tuttavia, alcuni mesi dopo, un altro studio giunge ad una conclusione fondamentalmente opposta (lorito et al., Nature Geoscience, 2011). Gli autori determinano una distribuzione di slip più robusta e maggiormente vincolata, ottenuta invertendo congiuntamente dati di natura diversa e soprattutto acquisiti in nearsource (mareogrammi, immagini radar interferometriche da satellite, GPS e livellazione). - max slip a Nord del gap - deficit di slip nel gap di Darwin - correlazione limitata tra slip e coupling Lorito et al., Nature Geoscience, 2011

36 Maule, Cile 2010, Mw=8.8 (5) L accoppiamento intersismico è condizione necessaria ma non sufficiente per la dislocazione l accoppiamento non si identifica con il campo di prestress Altri fattori controllano lo slip: la storia pregressa della faglia durante molti cicli di rottura, le condizioni di frizione, la struttura geometrica

37 Tohoku-oki, Giappone 2011, Mw=9.0 (1) E stato il terremoto più forte avvenuto in Giappone in almeno gli ultimi 150 anni Un terremoto di questa grandezza e in quella zona non era stato considerato in nessuno scenario Molta attenzione era stata ed è focalizzata su una zona più a Sudovest (Nankai-Tonankai-Tokai) dove un terremoto di M 9 è considerato lo scenario massimo atteso (come rottura dei 3 segmenti in un unico evento) Tohoku-oki, 2011 Nankai-Tonankai-Tokai

38 Tohoku-oki, Giappone 2011, Mw=9.0 (2) Dati geodetici: GPS a terra e GPS transponders su fondo mare Dati marini: boe GPS, sensori di pressione oceanici

39 Tohoku-oki, Giappone 2011, Mw=9.0 (3) Dati registrati in zona sorgente! 2011 Tohoku-oki

40 Tohoku-oki, Giappone 2011, Mw=9.0 (4) Modello sorgente estesa ottenuto dall inversione Confronto dati-sintetici < 220 km < 300 km Romano et al., in preparazione

41 Tohoku-oki, Giappone 2011, Mw=9.0 (5) Altezza di runup Altezza della colonna d acqua < 220 km < 300 km

42 Applicazioni: previsione e allerta rapida tsunami (1) Il sistema giapponese di allerta tsunami ha permesso di salvare centinaia di migliaia di vite umane dopo 3 min dopo 47 min JMA A posteriori il Giappone sta rivedendo l intero sistema perché lo ritiene non adatto in caso di megatsunami. Per lanciare un allerta più precisa si dovrebbe essere in grado di stimare correttamente la magnitudo o, meglio ancora la distribuzione di slip in tempo utile. JMA

43 Applicazioni: previsione e allerta rapida tsunami (2) Il terremoto-tsunami di Tohoku-oki, grazie all inedita quantità di dati (anche in zona sorgente) permette di fare, a posteriori, esperimenti di determinazione rapida della sorgente. Dataset near real-time Dataset completo GPS-Buoys Bottom pressure gauges GPS on land GPS acoustic transponders < minuti Romano et al., in preparazione Arrivo delle onde più grandi sulla costa = minuti In linea di principio è possibile stimare correttamente la sorgente e lanciare un allerta più precisa

44 Applicazioni: ShakeMaps Il concetto di una ShakeMaps è quello di acquisire rapidamente le informazioni sul moto del suolo e produrre una mappa di valori di picco dello scuotimento Tuttavia, la limitata copertura di stazioni rende necessaria l integrazione dei valori misurati con valori predetti ai siti dove le stazioni non sono presenti. L inclusione degli effetti di sorgente finita fornisce una ShakeMaps più realistica Allen, 2007

45 Applicazioni: Progettazione resistente ai terremoti (1) Lo scuotimento al suolo dipende fortemente dalle eterogeneità spazio-temporali della rottura Bacino di Los Angeles: Effetto della direttività della rottura lungo un segmento della faglia di San Andreas Olsen et al., GRL, 2006

46 Applicazioni: Progettazione resistente ai terremoti (2) Lo scuotimento al suolo dipende fortemente dalle eterogeneità spazio-temporali della rottura Niigata, Giappone, 2007 Centrale nucleare di Kashiwazaki-Kariwa Cirella et al., GRL, 2008

47 Conclusioni (1) Dai risultati mostrati in questa relazione, la sorgente sismica appare come un processo di rottura caratterizzato da eterogeneità spaziali e temporali molto evidenti. E probabile che lo sviluppo delle reti osservative e l utilizzo di nuovi tipi di dati ci rivelerà una realtà ancora più complessa. Oggi tuttavia, non ho potuto parlare della modellazione dinamica dei terremoti, dove la cinematica del processo di rottura è il risultato delle condizioni di sforzo nella crosta e delle proprietà di frizione delle faglie. Questi studi e gli esperimenti di frattura condotti in laboratorio, in ambiente controllato e in condizioni simili a quelle reali, possono fornire spiegazioni alle complessità osservate nei terremoti reali.

48 Conclusioni (2) Mi preme sottolineare che lo studio della sorgente sismica non riveste solo un interesse puramente scientifico ma ha anche un impatto importante sulla società. Abbiamo visto che la capacità di ricostruire rapidamente il processo di rottura di un terremoto tsunamigenico permette di stimarne più correttamente l impatto e di lanciare allerte più precise. Abbiamo evidenze che la propagazione delle onde sismiche nella crosta terrestre è fortemente eterogenea a tutte le scale. Ma sappiamo che la complessità del campo d onda dipende anche dalla complessità della sorgente sismica. Comprendere e prevedere la variabilità dei movimenti forti del suolo durante un terremoto è una questione cruciale, che i sismologi possono affrontare a beneficio dell ingegneria sismica, la quale ha in carico la progettazione resistente delle strutture sulla base delle sollecitazioni stimate.