Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia Sezione di Napoli Osservatorio Vesuviano Convenzione DPC INGV 2007-2009 Mario La Rocca, Danilo Galluzzo, Simona Petrosino, Paola Cusano, Francesca Bianco, Mario Castellano, Edoardo Del Pezzo RETE MOBILE & LABORATORIO ANALISI AVANZATE (LAV) UNITA FUNZIONALE SISMOLOGIA E SISMOTETTONICA Rapporto per Rendiconto dell attività svolta nel 2008 2009 Pubblicato sotto licenza Creative Commons
LA RETE MOBILE Introduzione Nel corso del 2008 la Rete Sismica Mobile dell Osservatorio Vesuviano ha continuato l attività di ricerca e monitoraggio nelle aree vulcaniche campane con i seguenti scopi: 1) Registrare dati di elevata qualità, in caso di eventi sismici importanti, utilizzando la migliore strumentazione sismica disponibile. 2) Monitorare il rumore sismico al fine di evidenziarne eventuali variazioni imputabili a cambiamenti nello stato dinamico del vulcano. 3) Individuare nuovi siti potenzialmente utilizzabili in caso di emergenza e studiarne le caratteristiche sismiche in modo da definirne il background. Nell ambito dei compiti istituzionali, in accordo con il Coordinatore del Tema Trasversale Coordinato Sorveglianza Sismologica delle aree vulcaniche attive, la Rete Sismica Mobile ha partecipato all emergenza Etna, installando, tra Maggio e Giugno 2008, 7 stazioni sismiche a larga banda nell area sommitale del vulcano. Tali stazioni sono rimaste in acquisizione fino a Settembre con lo scopo di registrare, nelle migliori condizioni possibili, tutti i segnali sismici associati all'eruzione iniziata il 16 maggio 2008. Poche sono state le variazioni sulle stazioni della Rete Mobile posizionate nelle aree vulcaniche campane; la più importante è stata l'installazione della stazione CELB (Figura 1), in località Celle, nel comune di Pozzuoli. CELB acquisisce in modalità continua a 100 sps i segnali sismici prodotti da un sismometro a larga banda Geotech KS2000 (100 s) e da un accelerometro Kinemetrics Episensor FBA-3ST. Sul Vesuvio, in ottobre, sono state installate, in 2 strutture ad hoc (bunker) poste ad ovest ed a sud del cratere, due nuove stazioni, BKWG (bunker ovest), e BKSG (bunker sud) (Figura 2). Entrambe consistono di un sismometro Guralp CMG-40T i cui segnali vengono acquisiti in modalità continua da un apparato Lennartz MARSlite. A Maggio sono state dismesse le stazioni MIRK (Monteforte Irpino, accelerometro) e SMFK (Castel San Giorgio, accelerometro), mentre tra Ottobre e Novembre sono state dismesse le stazioni Lennartz PCM5800 di BKN (Bunker Nord) e BKS (Bunker Sud), sostituite dalle stazioni Lennartz MARSlite. Altri interventi tecnici minori hanno riguardato la sostituzione dell'acquisitore alla stazione BKNG (MARSlite al posto della Taurus). Pertanto, a Dicembre 2008, la Rete Sismica Mobile conta 7 stazioni sismiche a larga banda (di cui 3 multisensore) ed una stazione idrofonica nell'area dei Campi Flegrei, tre stazione a larga banda sul Vesuvio ed una in ambito regionale (SCP2). A queste si aggiungono 2 stazioni PCM5008 con sismometri a corto periodo ai Campi Flegrei e 2 al Vesuvio. Le Tabelle 1, 2 e 3 riassumono le caratteristiche principali di tutta la strumentazione utilizzata in Campania dalla Rete Sismica Mobile durante il 2008. Tutte le stazioni della Rete Sismica Mobile acquisiscono i dati in modalità locale su vari tipi di supporto (hard disk, card PCMCIA, flash card, dischi magneto-ottici). Periodicamente si provvede alla sostituzione dei supporti di acquisizione che vengono decodificati nel Laboratorio Rete Mobile. Per le stazioni dotate di sismometri a larga banda e/o accelerometri (MARSlite, M24, Taurus, Reftek) e per la stazione idrofonica PNI l acquisizione è continua, e solo le stazioni PCM5008, dotate di sismometri a corto periodo, acquisiscono a trigger. Tutti i sismometri utilizzati dalla Rete Mobile sono a tre componenti. Le stazioni multisensore sono uno dei punti di forza della Rete Mobile in quanto garantiscono una registrazione ottimale di ogni tipo di segnale sismico in una banda di frequenze estremamente ampia, non eguagliabile utilizzando un solo sensore. Infatti, i sismometri a larga banda Guralp CMG-40T e Geotech KS2000, caratterizzati da risposta piatta in velocità in un range molto ampio (0.016-50 Hz per il Guralp, 0.01-50 Hz per il Geotech) ed elevata sensibilità, sono strumenti ideali per registrare tutti i segnali sismici comunemente osservabili in ambiente vulcanico, compreso tremore ed eventi VLP. D'altra parte l'accelerometro ha risposta piatta in accelerazione nel range di frequenze 0-50 Hz. Pertanto è utilizzabile sia per osservare gli eventi sismici legati all'attività vulcanica e tettonica, che per osservare segnali di periodo estremamente lungo. In pratica l accelerometro è equivalente ad un tiltmetro in una banda di frequenze molto ampia. Inoltre il range dinamico di 144 db nominali dell acquisitore, corrispondente a 24 bit, associato alle caratteristiche dinamiche dell accelerometro, garantiscono una registrazione ottimale dei segnali sismici associati al massimo evento atteso nelle aree del Vesuvio e dei Campi Flegrei. 3
Interventi della Rete Sismica Mobile ai Campi Flegrei Per quanto riguarda i Campi Flegrei è stata installata la stazione CELB in località Celle, in un sito mai utilizzato prima. La stazione è posizionata a 16 metri di profondità, nei locali sotterranei della Marina Militare. L'aquisitore è una stazione Reftek 130-01 a 6 canali che acquisisce in modalità continua, a 100 campioni al secondo, i segnali di due sensori: un sismometro Geotech KS2000 e un accelerometro Kinemetrics Episensor FBA-EST. La disposizione delle stazioni operative durante il 2008 è mostrata in Figura 1, mentre le caratteristiche tecniche sono riassunte nella Tabella 1. Rete Mobile Campi Flegrei Stazione Acquisitore Sensore Data installazione Sampling Lat Long Quota AMS2 Marslite LE3D/20s Gennaio 2006 125 40.8264 14.1604 35 ASB2 Marslite LE3D/20s Novembre 2004 125 40.8435 14.1459 12 BGNB M24 Guralp CMG-40T Episensor FBA ES-T Ottobre 2005 125 40.8189 14.1454 4 CELB Reftek 130-01 Geotech KS2000 Episensor FBA ES-T Marzo 2008 100 40.8320 14.1231 50 CSI PCM5800 LE-3Dlite Febbraio 2006 125 40.8340 14.1262 89 CUB1 PCM5800 LE-3Dlite Novembre 2007 125 40.8479 14.0534 36 OMN2 Marslite LE-3D/20s Giugno 2005 125 40.8333 14.0904 40 OVD M24 LE-3D/20s 2003 100 40.8197 14.1827 14 TAGB Taurus + Trident Guralp CMG-40T Episensor FBA ES-T Agosto 2005 100 40.8293 14.1736 4 PNI Marslite Idrofoni Ottobre 2006 125 40.8080 14.1593-2 Tabella 1. Caratteristiche strumentali della Rete Sismica Mobile operativa nell area dei Campi Flegrei durante il 2008. 4
Figura 1. Rete Sismica Mobile installata ai Campi Flegrei. Per le specifiche tecniche della strumentazione installata si veda la Tabella 1. Interventi della Rete Sismica Mobile al Vesuvio A Ottobre 2008 sono state installate due nuove stazioni a larga banda nell'area vesuviana: BKWG e BKSG (Figura 2). Entrambe sono composte da acquisitore MARSlite e sismometro Guralp CMG-40T, e i dati vengono acquisiti in modalità continua a 125 campioni al secondo. Per queste due stazioni, installate rispettivamente nei bunker ovest e sud, l'alimentazione è fornita da pannelli solari. Per quanto riguarda la stazione BKNG, già installata dal 2006, l'aquisitore Taurus è stato sostituito con una stazione MARSlite. Rimangono invariate le stazioni PCM5008 con sensori a corto periodo nei siti di SVT (San Vito) e FAL (Falangone). La situazione operativa durante il 2008 è riassunta nella Tabella 2. Rete Mobile Vesuvio Stazione Acquisitore Sensore Data installazione Sampling Lat Long Quota BKNG MARSlite Guralp CMG-40T Febbraio 2006 125 40.8299 14.4298 860 BKSG MARSlite Guralp CMG-40T Ottobre 2008 125 40.8065 14.4220 600 BKWG MARSlite Guralp CMG-40T Ottobre 2008 125 40.8242 14.4142 834 FAL PCM5800 LE-3Dlite Gennaio 2005 125 40.8279 14.4831 176 SVT PCM5800 LE-3Dlite Febbraio 2006 125 40.8229 14.3695 180 Tabella 2. Situazione durante il 2008 e caratteristiche strumentali della Rete Sismica Mobile operativa al Vesuvio. 5
Figura 2. Rete Sismica Mobile installata al Vesuvio. Per le specifiche tecniche della strumentazione installata si veda la Tabella 2. Rete Mobile Regionale Stazione Acquisitore Sensore Data installazione Sampling Lat Long Quota GSM MIRK* Taurus Episensor FBA ES-T Gennaio 2006 100 40.8932 14.7158 490 SI SCP2 Taurus LE-3D/20s Gennaio 2006 100 40.7005 14.8767 220 SI SMFK* MARSlite Episensor FBA ES-T Gennaio 2006 125 40.7753 14.7048 90 NO Tabella 3. Stazioni sismiche e relative caratteristiche strumentali della Rete Sismica Mobile operativa in ambito regionale durante il 2008. Le stazioni MIRK e SMFK sono state dismesse in Aprile per motivi logistici. 6
Gli eventi più interessanti registrati nel 2008 sono stati oggetto di analisi dettagliate. Di seguito vengono descritti alcuni esempi. Eventi in area flegrea Durante il 2008 nell'area flegrea si sono verificate poche decine di eventi sismici, di cui la maggior parte di tipo vulcano-tettonico, e solo alcuni classificabili come eventi a bassa frequenza. Come di consueto molti dei transienti sismici registrati nell'area sono relativi ad eventi artificiali, per lo più esplosioni localizzate nel Golfo di Pozzuoli. In Figura 3 sono mostrati i sismogrammi registrati in occasione del terremoto VT avvenuto il 19.02.2008. Nonostante la bassa magnitudo, M L =1.6, questo evento è stato avvertito dalla popolazione in area epicentrale a causa della modesta profondità ipocentrale. La Figura 3 mostra i sismogrammi registrati da sei stazioni, filtrati nella banda 2-15 Hz per migliorare il rapporto segnale/rumore. Figura 3. Sismogrammi del terremoto VT avvenuto il 19.02.2008 nell'area flegrea. 7
La Figura 4 mostra invece i sismogrammi di un evento a bassa frequenza registrato il 27.04.2008. L'evento è caratterizzato da frequenze nel range 1-5 Hz a tutte le stazioni, e durata di almeno 40 secondi alla stazione CELB, caratterizzata dal miglior rapporto segnale/rumore. Sebbene i sismogrammi siano diversi da altri eventi simili registrati in passato nell'area, essi sono compatibili con una sorgente localizzata nel settore ovest della Solfatara. Figura 4. Sismogrammi dell'evento a bassa frequenza registrato il 27.04.2008. 8
Infine, in Figura 5 sono mostrati i segnali registrati in occasione di una esplosione artificiale localizzata nei pressi di Nisida. Per questo tipo di eventi la registrazione della stazione idrofonica (primo segnale in alto) è particolarmente utile per discriminare le sorgenti localizzate in mare da quelle localizzate a terra. Figura 5. Segnali idrofonico (PNI) e sismici relativi ad una esplosione artificiale registrata il 26.02.2008. 9
Eventi in area vesuviana In Figura 6 sono mostrati i sismogrammi registrati dalle stazioni BKNG e BKWG in occasione del terremoto avvenuto il 22 Ottobre al Vesuvio. L'evento di magnitudo 2.0 è stato localizzato in area craterica. E' interessante notare la notevole differenza di ampiezza alle due stazioni nonostante la distanza ipocentrale sia estremamente simile. Figura 6. Sismogrammi del terremoto avvenuto al Vesuvio il 22.10.2008, registrati alle stazioni BKNG e BKWG. Telesismi Il terremoto di magnitudo Mw=7.9 avvenuto in Cina il 12 Maggio 2008 è stato l'evento sismico più forte registrato nel mondo nel corso dell' anno. In Figura 7 sono mostrati i sismogrammi registrati dalla stazione CELB, filtrati passa basso 0.1 Hz e 0.01 Hz. Nella seconda terna di sismogrammi sono particolarmente evidenti le onde S (tra 1500 e 2100 secondi), le onde superficiali dirette (tra 2100 e 3000 secondi) e le onde superficiali che hanno percorso il ramo più lungo del circolo geodetico (Love tra 7500 e 8400 secondi, Rayleigh tra 8700 e 9600 secondi). Le onde sismiche generate da questo terremoto costituiscono un ottimo test per verificare la risposta del sismometro Geotech KS2000 da poco installato alla stazione CELB. In Figura 8 sono mostrati i rapporti spettrali per le tre componenti del moto tra i segnali registrati a CELG (Geotech KS2000) e BGNG (Guralp CMG-40T). La curva continua indica il rapporto teorico calcolato in base alle funzioni di trasferimento dei due sismometri. Come si può notare l'accordo tra i rapporti sperimentali e il rapporto teorico è abbastanza soddisfacente per periodi nell'intervallo 10 s 200 s, nonostante la distanza tra le stazioni di 2.4 km. 10
Figura 7. Terremoto della Cina del 12 Maggio 2008, M W =7.9, registrato a Pozzuoli dalla stazione CELB. I sismogrammi in alto sono filtrati con passa basso 0.1 Hz, mentre quelli in basso sono filtrati con passa basso 0.01 Hz. A periodi maggiori di 200 secondi il rapporto tra le componenti verticali è molto maggiore del valore atteso, mentre i rapporti tra le componenti orizzontali sono significativamente inferiori al valore atteso. Questo risultato può essere dovuto a un diverso rumore strumentale per i due sensori. Purtroppo la distanza tra le due stazioni non consente di stabilirlo con certezza. Lo stesso risultato potrebbe essere dovuto alle diverse caratteristiche del rumore sismico nei due siti considerati per il confronto. Infatti, nell'area flegrea le sorgenti artificiali di rumore sismico a periodi estremamente lunghi, in genere corrispondenti a deformazioni locali del suolo, sono molteplici a causa dell'elevata urbanizzazione. Analisi dettagliate del rumore sismico nell'intervallo VLP effettuate a tutte le stazioni a larga banda installate nell'area potrebbero contribuire a chiarire la natura del risultato osservabile in Figura 8. 11
Figura 8. Rapporti spettrali calcolati per le tre componenti del moto tra i segnali registrati alle stazioni CELB e BGNB in occasione del terremoto della Cina del 12 Maggio 2008. Nell'intervallo 0.005 Hz 0.1 Hz i rapporti sperimentali seguono abbastanza bene il rapporto teorico indicato dalla curva continua in rosso. Terremoti regionali In Figura 9 sono mostrati i risultati dell'analisi con metodo Zero Lag Cross-Correlation applicato alla rete flegrea in occasione del terremoto regionale avvenuto l'8 Giugno 2008 in Grecia. I sismogrammi delle stazioni munite di sismometri Lennartz LE-3D/20s (AMS2, ASB2, OVD) sono stati deconvoluti per renderli comparabili a quelli delle altre stazioni, quindi l'analisi di array è stata applicata ai segnali filtrati nella banda 0.1-0.2 Hz. La lunghezza d'onda corrispondente a frequenza 0.1 Hz è dell'ordine di alcune decine di km, quindi molto maggiore della distanza tra le stazioni. Pertanto è lecito applicare le tecniche di array. I risultati mostrano che la correlazione del campo d'onda è molto elevata nei primi due minuti, ma anche dopo 10 minuti si osservano molte fasi coerenti nella coda del terremoto. L'inizio del terremoto e la coda P sono caratterizzati da back-azimuth abbastanza stabile intorno al valore teorico di 114, e slowness corrispondente a velocità apparente nell'intervallo 5-7 km/s. 12
Figura 9. Risultati dell'analisi di array applicata alla rete flegrea per il terremoto regionale del 08.06.2008, localizzato in Grecia, di magnitudo 6.4. Nel primo grafico sono mostrati i sismogrammi della stazione BGNG, mentre i successivi mostrano correlazione, back-azimuth e slowness calcolati per le tre componenti del moto del suolo. Back-azimuth e slowness sono mostrati solo per le finestre temporali in cui la correlazione è maggiore di 0.8. 13
IL LABORATORIO DI ANALISI AVANZATE (LAV) Il Laboratorio di Analisi avanzate (LAV) è la struttura afferente alla UF Sismologia che si occupa di effettuare analisi off-line dei dati sismici quali localizzazioni 3D ad alta risoluzione, definizione dei parametri spettrali, studio del rumore sismico. Nel corso del 2008 il LAV ha fornito i seguenti risultati: Vesuvio Le localizzazioni probabilistiche dei terremoti rilevati nel periodo Gennaio Dicembre 2008 sono state ottenute utilizzando il modello di velocità 3D (Scarpa et al., 2002) mediante algoritmi di ricerca su griglia (Lomax et al., 2000). I picking dei tempi di arrivo delle fasi P ed S sono stati effettuati sui segnali rilevati sia alla Rete Permanente che alla Rete Mobile. In Figura 10 sono mostrate le tre sezioni (orizzontale, Nord-Sud, Est-Ovest), con le localizzazioni ottenute per il data-set analizzato. La sismicità risulta concentrata in area craterica ed interessa i primi 2 Km di crosta. Figura 10. Localizzazione delle sorgenti sismiche al Vesuvio; i cerchi corrispondono al valore delle coordinate spaziali per le quali la probabilità è massima. I cerchi blu corrispondono a terremoti con magnitudo superiore ad 1.5. Campi Flegrei Le localizzazioni probabilistiche dei terremoti rilevati nel periodo Gennaio Dicembre 2008 nell area dei Campi Flegrei sono state ottenute mediante algoritmi di ricerca su griglia (Lomax et al., 2000), utilizzando il modello di velocità 3D (Zollo e Judenherc, 2004) derivato da una recente tomografia. Il picking dei tempi di 14
arrivo delle fasi P ed S è stato effettuato sui segnali rilevati sia alla Rete Permanente che alla Rete Mobile. I 19 eventi localizzati hanno profondità ipocentrali inferiori ai 4 Km al di sotto del livello del mare (Figura 11). Figura 11. Localizzazione probabilistica dei terremoti avvenuti ai Campi Flegrei nel 2008. I cerchi indicano sorgenti sismiche con coordinate spaziali per le quali la probabilità è massima. I cerchi blu corrispondono a terremoti con magnitudo superiore ad 1.5. Il giorno 27 Aprile 2008 le stazioni della Rete Mobile poste nell area flegrea hanno rilevato un evento LP. Nella figura 12 sono mostrate le tracce filtrate nella banda 0.2-6.0 Hz e nella figura 13 è presentato lo spettrogramma relativo alla componente verticale della stazione BGNG (galleria SEPSA di Bagnoli). Queste figure mostrano caratteristiche spettrali e di forma d onda simili a quelle caratterizzanti lo sciame dell Ottobre 2006. 15
Figura 12. Segnali sismici relativi all evento LP del 27 Aprile 2008. Sono mostrate le componenti verticali di alcune stazioni sismiche a larga banda. Figura 13. Segnale sismico della componente verticale della stazione BGNG relativo all evento LP del 27 Aprile 2008 e relativo spettrogramma. 16
Analisi temporale del rumore sismico Il monitoraggio delle variazioni di ampiezza del rumore sismico viene effettuato sui dati rilevati alla stazione sismica a larga banda della Rete Mobile ASB2, installata agli Astroni. Tale parametro viene monitorato per rilevare eventuali incrementi nei livelli di rumore che potrebbero essere correlati all insorgenza di tremore vulcanico. Il valore medio (RMS) dell ampiezza del rumore viene calcolato su finestre temporali di 10 minuti estratte dalle registrazioni giornaliere notturne e diurne. L RMS viene calcolato sia sul segnale non filtrato, sia in 3 bande di frequenza (0.05-0.1 Hz, 0.1-1 Hz, 1-5 Hz). Nell area flegrea non si evidenziano particolari variazioni nei livelli di rumore sismico rilevati da Gennaio a Novembre 2008 (Figure 14 e 15). Figura 14. Andamento temporale del valore medio dell ampiezza (RMS) del rumore (fascia oraria notturna) rilevato alla stazione ASB2 (componente E-O). 17
Figura 15. Andamento temporale del valor medio dell ampiezza (RMS) del rumore (fascia oraria diurna) rilevato alla stazione ASB2 (componente E-O). Parole chiave: accelerometro, array, idrofono, sismometro, stazione sismica, telesisma, terremoto vulcanotettonico, terremoto vulcanico a bassa frequenza, Geotech, Guralp, Kinemetrics, Lennartz, MARSlite, Nanometrics, Reftek, Taurus. Ringraziamenti Alcune stazioni della Rete Mobile sono ospitate da enti locali o da privati cittadini che hanno messo a disposizione il sito e in alcuni casi anche l'energia elettrica. Pertanto si ringraziano l'oasi Naturalistica del WWF del Parco degli Astroni (stazione ASB2), l'oasi Naturalistica di Monte Nuovo (Comune di Pozzuoli, OMN2), le famiglie Nardacchione (AMS2) e Iaccarino (CSI), il consorzio COPIN (CELB), la Bagnolifutura S.p.A. (PNI), le Terme di Agnano (TAGB), la Sepsa (BGNB). Inoltre diverse persone hanno contribuito alla raccolta e archiviazione dei dati registrati dalle stazioni della Rete Mobile. In particolare si ringraziano Vincenzo Augusti, Maurizio Ciampi, Paola Cusano, Norma Damiano, Luca De Siena, Simona Petrosino, Anna Tramelli, Lucia Zaccarelli. Bibliografia Lomax A., Virieux J., Volant P. e Berge C. (2000). Probabilistic earthquake location in 3D and layered models: Introduction of a Metropolis-Gibbs method and comparison with linear locations. In Thurber, C.H. and Rabinowitz N. (eds.): Advances in Seismic Event Location, Kluwer, Amsterdam, 101-134. Scarpa R., Tronca F., Bianco F. e Del Pezzo E. (2002). High resolution velocity structure beneath Mount vesuvius from seismic array data. Geophys. Res. Lett., 29 (21): 2040-2044. Zollo A. e Judenherc S. (2004). The Bay of Naples (southern Italy): Constraints on the volcanic structures inferred from a dense seismic survey. J. Geophys. Res., 109, B10312.doi: 10.1029/2003JB002876. 18