STUDIO DELLE SEQUENZE SISMICHE DELL AREA DEL MONFERRATO (PIEMONTE, ITALIA)

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1 M. Massa (1), E. Eva (2), C. Eva (1) e D. Spallarossa (1) (1) Dipartimento per lo Studio del Territorio e delle sue Risorse, Genova (2) Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Roma STUDIO DELLE SEQUENZE SISMICHE DELL AREA DEL MONFERRATO (PIEMONTE, ITALIA) Riassunto. Il 21 agosto 2000 ed il 18 luglio 2001 l area del basso Monferrato (Piemonte, Italia) è stata colpita da due eventi sismici caratterizzati rispettivamente da magnitudo locale (Ml) pari a 5.1 e 4.8. Storicamente l area in studio è stata scarsamente caratterizzata dall occorrere di eventi sismici particolarmente energetici. I cataloghi storici documentano esclusivamente isolate scosse risalenti al 1369 ed al 1952 (entrambe MCS VII). Durante gli ultimi trent anni l evento sismico più rilevante si è verificato nel 1982 (Md = 4.4) in una zona 10 km ad Ovest dell area considerata. L obbiettivo principale di questa ricerca è stato quello di individuare una relazione tra sismicità e geometria delle strutture attivate. Durante il periodo agosto 2000-luglio 2001 la rete sismica permanente dell Italia Nord Occidentale (RSNI), gestita dal Dip.Te.Ris. (Università di Genova) ha registrato circa 230 eventi sismici, compresi nel range di magnitudo , e localizzati entro un area, avente raggio di circa 10 km, nei pressi di Acqui Terme (AL). STUDY OF SEISMIC SEQUENCES OCCURRED IN THE MONFERRATO AREA (PIEMONTE, ITALY) Abstract. The 21th of August 2000 and the 18th of July 2001 the area of the Monferrato (Piemonte, Italia) has been affected by two energetic earthquakes characterized respectively by a local magnitude (Ml) of 5.1 and 4.8. In the past this area has been seldom affected from seismic events; well documented main shocks occurred in this region on the 1369 and on the 1952 (either with MCS VII). During the last thirty years the most energetic earthquake that affected the Monferrato area, with Ml = 4.4, occurred on the 1982 in an area located 10 km toward West respect to the studied epicentral zone. The aim of this work is to find a relation between recent seismicity and seismogenic sources. In the period August 2000-July 2001 the RSNI (Seismic Network of Northwestern Italy), menaged from the DIP.TE.RIS (University of Genova), recorded about 230 seismic events with a local magnitude range between 1.5 and 5.1, occurred in an area, with radius of about 10 km, located near Acqui Terme (AL). DATA SET E METODOLOGIE UTILIZZATE Nel presente lavoro è stato utilizzato un data set composto da circa 230 terremoti registrati dalla rete sismica RSNI (Fig. 1), operante nell Italia Nord Occidentale dal Le localizzazioni di partenza, ottenute utilizzando tutte le letture disponibili di tutte le stazioni della rete permanente (sia stazioni a sola componente verticale, sia stazioni a tre componenti) e calcolate tramite il codice Hypoellipse (Lahr, 1979), mostrano una evidente distribuzione della sismicità in direzione NE-SW (Fig. 2), la quale potrebbe rappresentare sia la reale configurazione dell area epicentrale, sia essere la conseguenza di errori durante le procedure di localizzazione. Questi ultimi possono derivare principalmente dall elevata distanza della stazione della rete RSNI più prossima all area epicentrale (PCP a circa 40 km), dall elevato gap azimutale della rete rispetto all area stessa ed alla mancanza di un affidabile modello di velocità. Al fine di effettuare qualsiasi interpretazione di tipo sismotettonico si è quindi resa necessaria un tipo di analisi basata su tecniche che permettano di individuare cluster di eventi sismici sulla base

2 della somiglianza di forme d onde dei medesimi. In tal senso è stata utilizzata una tecnica basata sui picchi di cross-correlazione normalizzata (Frankel, 1982; Console and Di Giovanbattista, 1987; Planet and Cansi, 1988; Pechmann and Thorbjarnardottir, 1990; Deichmann and Garcia-Fernandez, 1992; Haase et al., 1995), applicata all intero data set, allo scopo di individuare ed isolare quelle che vengono definite cluster o famiglie di eventi sismici (Tsujura, 1983). Fig. 1 - Stazioni sismiche della rete fissa RSNI (rete sismica Italia Nord Occidentale). In figura sono indicate le stazioni, a sola componente verticale, considerate durante l analisi di somiglianza di forme d onda (PZZ, PCP, FIN). Gli eventi appartenenti ad una singola famiglia sismogenetica sono caratterizzati da comune meccanismo focale, simili valori di magnitudo, e quasi identico percorso del raggio di propagazione il quale implica una notevole vicinanza tra gli ipocentri rispetto alle lunghezze d onda ed alle dimensioni delle eterogeneità presenti nell area intorno alla sorgente. Una volta individuati i cluster presenti nell area si è proceduto ad una loro rilocalizzazione in relativo. In questo studio si è utilizzata una tecnica basata sul double difference algorithm messo a punto da Waldhauser e Ellshworth (2000). Questo metodo consente di effettuare una simultanea rilocalizzazione di eventi distribuiti in un ampio range distanza ipocentrostazione, prendendo in considerazione sia le differenze di tempo desunte dalle travel-time ricavate dal catalogo sismico sia le differenze di tempo desunte dalle procedure di cross correlazione.

3 Fig. 2 - Orientazione degli assi degli ellissoidi degli errori ottenuti tramite le procedure di localizzazione applicate all intero data-set. RISULTATI Le famiglie sismogenetiche ottenute dalle matrici di cross-correlazione, ricavate plottando i valori di picco della funzione di cross correlazione normalizzata, applicata all intero data set, sono state ricavate considerando le stazioni sismiche a sola componente verticale di Stroppo (PZZ), Finale Ligure (FIN) e Piancastagna (PCP) (Fig. 1). Le suddette stazioni sono state scelte sia in base ad un analisi del rapporto segnale disturbo (considerando una finestra di circa 4 s a partire dal primo arrivo sia della fase P sia della fase S) sia in base alla copertura azimutale che le stesse offrono relativamente alla distribuzione dell area epicentrale. Durante l analisi delle forme d onda è stata considerata per ognuna delle tre stazioni sopra menzionate una soglia di somiglianza in grado di garantire allo stesso tempo sia il numero massimo di famiglie di terremoti sia il maggior numero di componenti caratterizzanti le medesime. Dopo varie prove sono stati considerati come ottimali i seguenti valori dei coefficienti di crosscorrelazione (valori di soglia): PZZ 0.90 (90%), PCP 0.85 (85%), FIN 0.95 (95%) (Fig 3). A causa dell elevato rumore riscontrato in corrispondenza della fase P unito a possibili fenomeni attenuativi coinvolgenti le componenti meno energetiche dei sismogrammi, l analisi di somiglianza delle forme d onda è stata effettuata considerando esclusivamente la fase S. Analizzando i risultati delle matrici ottenute (Fig. 3), filtrando i sismogrammi considerati nel range di frequenza 2-8 Hz e considerando una finestra temporale di 4 s a partire dal primo arrivo della fase S, è stato possibile discriminare, per le tre stazioni analizzate, 4 famiglie sismogenetiche : la prima (10-13 eventi, considerando singolarmente le diverse stazioni, e le relative soglie precedentemente determinate per ognuna di esse, che hanno fornito per la famiglia considerata il numero minimo e massimo di eventi) rappresenta i foreshocks relativi all evento del (Ml = 5.1), la seconda (27-42 eventi) rappresenta gli aftershocks relativi all evento medesimo, la

4 terza (12-16 eventi) rappresenta eventi di bassa energia verificatisi nell ottobre 2000 e la quarta (da 69 eventi) rappresenta gli aftershocks relativi all evento del (Ml = 4.8). Fig. 3 - Matrici di cross-correlazione normalizzata ottenute alle stazioni PZZ, PCP e FIN. In ascissa è indicato il periodo temporale considerato. Le stelle nere indicate all interno delle matrici indicano la posizione dei due mainshocks. Sulla destra della figura sono riportate gli epicentri degli eventi appartenenti a ciascuna famiglia ottenuta alle tre stazioni analizzate. A causa dell elevata interdistanza caratterizzante gli epicentri delle famiglie ottenute (Fig. 3) e considerando l elevata somiglianza (soglia minima pari all 85% alla stazione PCP) delle forme d onda degli eventi appartenenti alle stesse (Fig. 4) è possibile ipotizzare, a causa della sfavorevole geometria della rete RSNI rispetto

5 all area epicentrale, la presenza di errori sistematici durante la prima fase di localizzazione. Fig. 4 - Esempio di sismogrammi registrati alla stazione PCP, filtrati nella banda di frequenza 2-8 Hz, relativi ad eventi appartenenti alla famiglia 2 (aftershocks dell evento del ); in figura è riportata la finestra temporale considerata durante la procedura di somiglianza di forme d onda (4 sec a partire dall arrivo della fase S); è possibile notare il basso grado di somiglianza dei sismogrammi sulla fase P dovuto in parte a fenomeni di attenuazione riguardanti la prima fase, causati dalla non trascurabile distanza del network RSNI rispetto all area epicentrale. Una volta individuati i cluster presenti nell area è stata effettuata una localizzazione in relativo basata sul double difference algorithm (Waldhauser e Ellshworth, 2000). I tempi di arrivo derivanti dai cataloghi sismici, e relativi a tutte le stazioni RSNI disponibili, sono stati integrati, ove possibile, dai tempi ottenuti dalle matrici di cross-correlazione calcolate alle tre stazioni per le quali è stata effettuata un analisi di somiglianza dei sismogrammi (PZZ, PCP, FIN). Un procedimento di rilocalizzazione basato esclusivamente sui tempi di cross-correlazione non è risultato nel nostro caso applicabile a causa della scarsità di dati. L analisi di rilocalizzazione ha comunque consentito di clasterizzare parzialmente l intera sismicità, ridistribuendo gli epicentri in modo tale da poter distinguere in maniera chiara un area epicentrale sviluppata in direzione NE-SW (Fig. 5), ed una contemporanea migrazione spaziotemporale della sismicità, passante da eventi superficiali, caratterizzanti la famiglia 1 (agosto 2000), sino ad eventi profondi appartenenti alla famiglia 4 (luglio 2001). Le sezioni ipocentrali ottenute (Fig. 5) trovano un buon accordo con lo strike di uno dei due piani nodali ottenuti attraverso il calcolo dei meccanismi focali sia dei mainshocks sia dell evento maggiormente energetico appartenente a ciascuna delle famiglie sismogenetiche riconosciute (Fig. 6).

6 Fig. 5 - Confronto tra le localizzazioni iniziali ottenute tramite l utilizzo del codice Hypoellipse e ed i risultati ottenuti a seguito della successiva procedura di rilocalizzazione effettuata tramite il codice HypoDD. Sulla sinistra sono visibili in grigio le originali posizioni ipocentrali ed in nero quelle derivate dal procedimento di rilocalizzazione applicata all intero data-set. Sulla destra sono messe in evidenza (in nero) le posizioni ipocentrali degli eventi appartenenti alle famiglie individuate rispetto all intera sismicità rilocalizzata. Il cluster caratterizzante gli eventi superficiali rappresenta gli ipocentri appartenenti alla famiglia 1; gli ipocentri compresi tra le profondità di 8 e 16 km si riferiscono alle famiglie 2 e 3, mentre quelli al di sotto di 16 km rappresentano la famiglia 4.

7 Fig. 6 - Meccanismi focali calcolati per i due mainshocks e per l evento maggiormente energetico appartenente a ciascuna delle famiglie individuate. A - mainshock ; B - mainshock ; C - famiglia 1; D - famiglia 2; E - famiglia 3; F - famiglia 4. per ognuna delle soluzioni focali ottenute è visibile la presenza di un piano nodale verticalizzato, avente strike pari a circa 50. CONCLUSIONI Il presente studio ha avuto lo scopo di descrivere sia temporalmente che spazialmente le sequenze sismiche del 2000 e del 2001 verificatesi nell area del

8 basso Monferrato, e caratterizzare conseguentemente le strutture sismogenetiche responsabili dell attività sismica. I principali risultati possono essere riassunti nei seguenti punti: gli eventi considerati, fortemente concentrati nello spazio, non sembrano evidenziare successive riattivazioni riguardanti la medesima ed ipotetica sorgente, evidenziando al contrario una costante migrazione degli ipocentri proporzionale all approfondimento degli stessi; le famiglie sismogenetiche ottenute sono caratterizzate, passando dalla famiglia 1 (agosto 2000) alla famiglia 4 (luglio 2001), da localizzazioni ipocentrali in progressivo approfondimento, evidenziando in tal modo una migrazione ipocentrale in direzione NE-SW, proporzionale all approfondimento degli ipocentri stessi; il cluster rappresentante la famiglia 1, in base alle localizzazioni iniziali ed alle risultanze della successiva procedura di rilocalizzazione, comunque fortemente vincolata dalle posizioni ipocentrali di partenza, risulta collocato in un range di profondità (1-4 km) anomalo rispetto al resto della sismicità. In tal senso non è da escludersi, a causa di possibili errori di localizzazione dovuti alla sfavorevole ubicazione dell area epicentrale rispetto al network RSNI, un falso collocamento del cluster in questione, responsabile inoltre dell evidente poco giustificabile gap di sismicità compreso tra 4 e 8 km (Fig. 5); essendo l area in esame caratterizzata nei i primi km di profondità da stratificazioni sedimentarie di origine marina, non è altresì giustificabile, in base alla reologia del mezzo in questione, la posizione ipocentrale dei due main events (compresa per entrambi entro i primi 2 km) ottenuta tramite le localizzazioni di partenza; nonostante, a causa del differente contenuto in frequenza dei due eventi maggiormente energetici rispetto al resto della sismicità, non sia stato possibile effettuare una diretta analisi comparativa delle forme d onda, è comunque possibile sostenere l ipotesi di appartenenza per quanto riguarda l evento del alla famiglia 2 (relativi aftershock) e per quanto riguarda l evento del alla famiglia 4 (relativi aftershock). Precedenti studi (Cattaneo et al., 1999) affermano infatti che se una rilevante percentuale di aftershock relativi ad un main event formano, in base alle risultanze derivate da analisi di somiglianza dei sismogrammi, una famiglia simogenetica è giustificabile assegnare come appartenente alla medesima anche l evento maggiormente energetico; in base alle suddette considerazioni ed ai risultati ottenuti tramite i meccanismi focali calcolati (Fig. 6) è possibile ipotizzare una reale clasterizzazione della sismicità in esame molto più accentuata ed in modo particolare concentrata in un range di profondità compreso esclusivamente tra 8 e 16 km; la distribuzione della sismicità ottenuta attraverso le analisi effettuate è in accordo con la presenza di strutture strike-slip, originatesi durante i processi tettonici riguardanti la giunzione Alpi-Appennini occorsa nel periodo Oligocene-Miocene (Piana et al., 1997); le soluzioni focali calcolate (Fig. 6), con particolare riferimento al piano nodale verticalizzato avente direzione pari a circa 50 e caratterizzante tutti gli eventi esaminati, trovano un buon accordo con la presenza di strutture trascorrenti.

9 BIBLIOGRAFIA Cattaneo M., Augliera P., Spallarossa D. and Lanza V., 1999: A waveform similarity approach to investigate seismicity patterns, Natural Hazard 19, pp. Console R. and Di Giovanbattista R.; 1987: Local earthquake relative locations by digital record, Phys. Earth Planet. Interiors 47, Deichmann N. and Garcia-fernandez M.; 1992: Rupture geometry from high-precision relative hypocentre locations of microearthquake clusters, Geophys. J. Int. 110, Frankel A.; 1982: Precursor to a magnitude 4.8 earthquake in the virgin Islands: spatial clustering of small earthquakes, anomalous focal machnisms, and earthquake doublets, Bull. Seism. Soc. Am. 72, Haase J.S., Shearer P.M. and Aster R.C.; 1995: Constrains on temporal variations in velocity near anza, California, from analysis of similar event pairs, Bull. Seism. Soc. Am. 85, Lahr J.C.; 1979: Hypoellipse: a computer program for determining local earthquake parameters, magnitude, and first motion pattern, U.S. Geol. Surv., Open file report pp. Pechmann J.C. and Thorbjarnardottir B.S.; 1990: Waveforms analysis of two preshock-mainshockaftershock sequences in Utah, Bull. Seism. Soc. Am. 80, Piana F., D'Atri A. and Orione P.; 1997: The Visone Formation, a marker of the early Miocene tectonics in the Alto Monferrato domain (Terziary Piemonte Basin, NW Italy), Mem. Sci. Geol. 49, Plantet J.L. and Cansi Y.; 1988: Accurate epicenters location with a large network. Exemple of the 1984/1985 Remiremont sequence, in Seismic Hazard in Mediterranean regions, J. Bonnin et al., (Editors), ESCS, EEC, EAEC, Brussels and Luxembourg, Tsujiura M.; 1983: Characteristic frequencies for earthquake families and their tectonic implications: evidence from earthquake swarms in the Kanto District, Japan, Pure Appl. Geophys. 121, Waldhauser F. and Ellsworth W.; 2000: A double-difference Earthquake location Algorithm: Method and Application to the Northern Hayward Fault, California, Bull. Seism. Soc. Am. 90, 6,