T4 Fisica dei terremoti e scenari cosismici



Descrizione
    Pilastro dell’ attività della struttura è lo studio della fisica dei terremoti, ovvero di quel complesso di processi (meccanici e chimici), in mutua interazione e potenzialmente in competizione, che caratterizzano una struttura sismogenetica. Obiettivo della LdA è la comprensione dei fenomeni di genesi (nucleazione), propagazione dinamica, arresto di una rottura in una zona sismogenetica, nonché dei meccanismi post–sismici ed inter–sismici. Nonostante i notevoli progressi compiuti, la descrizione deterministica della meccanica delle faglie non è ancora completa poiché ancora si ignorano la legge costitutiva che governa i fenomeni dissipativi, le mutue interazioni tra faglie e le condizioni iniziali. Avanzamenti nella disciplina avvengono mediante studi spettrali broadband della sorgente sismica, modellazione numerica ad alta frequenza del processo radiativo e della propagazione di onde (sismiche e di tsunami) in volumi complessi, creazione di scenari di scuotimento e deformazione sempre più realistici (volti alla realizzazione di scenari di scuotimento deterministici site–specific). La comprensione della sorgente sismica è completata da inversioni di dati (registrati in seguito ad eventi reali) e dall’ analisi di evidenze sperimentali (di laboratorio e di campagna).
 
Obiettivo strategico (OS)
    La sfida più rilevante è quella di unire, tramite un approccio multidisciplinare, lo sviluppo di modelli teorici e matematici (basati sulla microfisica e le proprietà dei materiali), la modellazione numerica (sviluppo ed utilizzo di codici numerici avanzati), l’ analisi di dati sismologici e geodetici (rilevati dalle infrastrutture di ricerca), le evidenze raccolte da esperimenti di laboratorio (di tipo “friction”, ovvero con superfici di discontinuità già presenti, e di tipo “fracture”, ovvero rottura di campioni intatti e formazione di nuove superfici di scorrimento) condotti in condizioni realistiche (alte velocità unite ad alte pressioni) su campioni di rocce, le osservazioni geologiche di campagna (su faglie attive). Questa compenetrazione sinergica di metodologie di indagine — ed il loro mutuo coordinamento — rappresenta un contributo decisivo nella comprensione dei modelli costitutivi che governano il sistema faglia, del bilancio energetico di un terremoto, della energia rilasciata mediante onde sismiche e per il riconoscimento di un’ eventuale fase di accelerazione del processo prima della rottura sismica, testimoniante l’ imminente realizzazione di un terremoto. Un accento sarà dato anche alla definizione ed alla riduzione delle incertezze associate ai parametri fondamentali di un evento sismico (meccanismo focale, dinamica della rottura, effetti di sito, scenari di scuotimento, leggi di attenuazione, etc.): la nostra capacità di indagare la fisica della sorgente sismica e le relative implicazioni pratiche, infatti, dipende anche dalla nostra capacità di conoscere, determinare e ridurre le incertezze in gioco evidenziando quali modelli, soluzioni e tecniche di analisi veramente permettano di affermare qualcosa di nuovo nel nostro settore.

Obiettivi annuali (OA)
[ In corsivo i progetti collegati. Non sono elencati i progetti sottomessi ]

OA1. Modelli teorici della sorgente sismica
    La ricerca in questo ambito mira a comprendere da un punto di vista teorico come si comporta una faglia, quale sia il bilancio energetico di un terremoto, come si possono descrivere quantitativamente le differenti fasi di nucleazione, propagazione, cicatrizzazione, arresto e ricaricamento intersismico. Sia su basi teoriche che su basi empiriche sono state proposte numerose leggi costitutive per descrivere la sorgente sismica ed i fenomeni che la caratterizzano. Lo sviluppo di modelli teorici nuovi e più generali consente di simulare (tramite esperimenti numerici) condizioni e realizzare scenari realistici e spesso lontani da quelli raggiungibili in esperimenti di laboratorio. La produzione di un catalogo di eventi dinamici sintetici — derivante dalle applicazioni precedentemente descritte — rappresenta un naturale complemento rispetto ai cataloghi di inversioni cinematiche già esistenti. Inoltre, saranno studiate le distribuzioni spaziali e le variazioni temporali del parametro b della legge Gutenberg–Richter sul piano di faglia, mediante l’ analisi di differenti strutture sismogenetiche e nelle varie fasi del ciclo sismico.
-    ERC GLASS

OA2. Sorgente sismica e propagazione dell’ energia elastica in mezzi complessi
    In questo tema rientrano le ricerche sulla propagazione nei mezzi fortemente eterogenei (anche attraverso tomografia in velocità ed attenuazione, nel caso di eterogeneità a piccola scala), sui mezzi anisotropi (shear–wave splitting), sulla parametrizzazione in termini stocastici della propagazione nei mezzi complessi (scattering), sulla funzione di trasferimento di sito, e sull’ applicazione dei metodi stocastici per la generazione di sismogrammi sintetici. L’ anisotropia crostale sarà anche studiata mediante analisi sintetiche mediante elementi spettrali. Enfasi sarà data allo studio delle leggi di scala dello spettro sismico per i terremoti di bassa magnitudo. Inoltre, saranno confrontati risultati teorici previsti da modelli di propagazione (di terremoti reali, anche storici) con evidenze sperimentali raccolte sul campo (anche su strutture architettoniche) e con diverse metodologie di indagine. Verrà anche effettuata l’ analisi delle cross–correlazioni del rumore sismico ambientale per il monitoraggio delle variazioni di velocità sismica nella crosta superficiale, con applicazione a 3 aree target: L’ Aquila, il Pollino e l’ Emilia.              L’ analisi delle deconvoluzioni da rumore sismico ambientale sarà anche applicato alle Due Torri di Bologna, al fine di effettuare un monitoraggio delle caratteristiche elastiche delle torri. Mediante la registrazione di segnali sismici di piccoli terremoti (anche di magnitudo negativa) con sensori sismici a tre componenti in pozzi di media profondità (100-250 m), in Alta Valle del Tevere sarà compiuta un’ analisi sistematica dei parametri che caratterizzano la sorgente sismica, al fine di studiare le leggi di scala e lo spettro sismico per i terremoti di bassa magnitudo. Verrà effettuato uno studio della direttività degli eventi della sequenza de L’ Aquila 2009.
-    COST Action TIDES, ERC GLASS, FIRB_ABRUZZO, NERA, MARSITE, Premiale12 PLUTO, Premiale12 NORTH, SIMIT, VERCE

OA3. Inversione del processo di rottura cosismico
    Proseguiranno le analisi del processo di rottura cosismico tramite una tecnica di inversione non lineare congiunta di diversi tipi di dati (strong motions, GPS, InSAR e forme d’ onda di tsunami) con applicazioni alla sequenza sismica Emilia 2012 e di due terremoti tsunamigenici (Solomon Islands 2013 e Cile 2014). Inoltre saranno studiati alcuni fattori che controllano la distribuzione dello slip e la storia temporale della rottura (rigidità, accoppiamento delle placche, caratteristiche dell’ attrito), anche tramite alcuni esperimenti condotti presso il laboratorio HP–HT della sezione Roma1.
-    ASTARTE, MARSITE

OA4.  Modello crostale 3–D
    Saranno effettuati tests di risoluzione dei modelli di velocità tridimensionali provenienti da dati di sismica attiva, vincolati da dati di pozzi profondi e da dati di geologia di superficie, per l’ area del Near Fault Observatory dell’ Alta Valle del Tevere (TABOO). Verrà elaborato un modello di velocità tomografico tradizionale (vP, vS, vP/vS) e sarà fatto un confronto dei due tipi di modelli di velocità 3D.
-    DPC–B2, EPOS, FIRB ABRUZZO, MARSITE, PRACE IMAGINE_IT, SIMIT

OA5. Scienze computazionali ed analisi di dati massivi
    La velocità con cui vengono raccolte informazioni sul nostro pianeta supera in questo momento la capacità di estrarre conoscenze da essa. Le scienze computazionali e l’ analisi di dati massivi nelle scienze della terra solida determinano importantissime risorse per numerosi settori della sismologia. Si propone di sviluppare e perseguire i) un investimento formativo per consolidare ed ampliare le esperienze; ii) un piano coerente e di ampio respiro per l’ acquisizione, la gestione, il mantenimento e l’ aggiornamento di una infrastruttura HPC (High Performance Computing) interna ad INGV e iii) l’ incremento del numero di ricercatori coinvolti nelle scienze computazionali. Inoltre, si prevede di identificare transienti di origine antropica (esplosioni di cava e low–frequency events) registrati nell’ area del Near Fault Observatory dell’Alta Valle del Tevere, tramite tecniche di cross–correlazione del segnale sismico registrato in continuo. Saranno generati vari cataloghi sismici (database interrogabili) a diversa risoluzione (con parametri sorgente e parametri elastici).
-    ASTARTE, DPC–B2, EPOS, FIRB ABRUZZO, GMTIS, MARSITE, PON MASSIMO, PRACE IMAGINE_IT, SHAKEnetworks, VERCE

OA7. Accoppiamento litosfera–atmosfera–ionosfera
    Come noto, le conoscenze e le tecnologie attuali non consentono la previsione del luogo preciso, il tempo e la magnitudo dei futuri terremoti. Tuttavia, negli anni più recenti è stata osservata una serie di casi in cui durante le ultime fasi del processo di preparazione di un forte terremoto si rilevano diversi segnali anomali che ne anticipano il verificarsi imminente. Un possibile trasferimento di energia e/o particelle tra litosfera e gli strati sovrastanti di atmosfera e ionosfera produrrebbe alcuni effetti atmosferici e ionosferici osservabili, quali le variazioni anomale della radiazione termica nell’ infrarosso (IR) nella bassa atmosfera, e della densità elettronica e il contenuto totale di elettroni (TEC) nella ionosfera. Nel 2015, ci si propone di studiare accoppiamenti termici e/o elettromagnetici nelle aree epicentrali delle sequenze sismiche L’ Aquila 2009 ed Emilia 2012.
-    Missione satellitare CSES (CEA e CNSA), SAGA-4-EPR (2010-2012), ESA SAFE, ESA TEMPO

OA8. Italian Radon Monitoring Network
    Alla termine del 2015 tutte le stazioni dell’ Italian Radon Monitoring Network (IRMN) avranno registrato una serie temporale di dati maggiore di un anno ed in particolare le 5 facenti parte del laboratorio naturale per lo studio della faglia Alto Tiberina (TABOO). Ci aspettiamo quindi nuove importanti evidenze dallo studio comparato dei segnali registrati attraverso l’ applicazione (ed il contemporaneo e contestuale miglioramento) di tecniche di analisi del dato specificatamente sviluppate. Contemporaneamente, contiamo di installare un minimo di 2 nuove stazioni all’ anno per il prossimo triennio. Per massimizzare la capacità di estrazione di informazione dai dati e valorizzarne opportuni modelli interpretativi, utilizzeremo in parallelo anche un approccio sperimentale di laboratorio, sfruttando                  l’ importante ed innovativo risultato recentemente raggiunto (realizzazione di un circuito chiuso per la misurazione in continua ad 1 Hz del Radon emesso da campioni di roccia sottoposti a carico compressivo e torsionale).
-    Premiale12 PLUTO, TABOO

OA9. Strumenti non lineari per lo studio e la caratterizzazione di sequenze sismiche
    Si propone di studiare sequenze e sciame sismici considerare come fenomeni olistici all’interno di un sistema critico, nel quale applicare i concetti non lineari tipici del caos e della teoria dell’ informazione. Si analizzerà in dettaglio il rilascio di momento sismico modificato e l’ entropia di alcune recenti sequenze sismiche italiane (con possibilità di applicazioni anche a sequenze straniere).
-    ESA SAFE

OA10. Terremoti ricorrenti
    Il tema dei terremoti ricorrenti è di grande attualità nella definizione del ciclo sismico di una specifica asperità. Alcuni studi preliminari hanno dimostrato l’ esistenza di eventi che avvengono con identiche caratteristiche sulla faglia Alto Tiberina (ATF), in Appennino Centrale, e in special modo nelle faglie antitetiche alla ATF. Verrà approfondito questo studio, nonché le problematiche associate con il concetto di periodo intersismico, tempo di ritorno e ricorrenza di terremoti. Le analisi sistematiche delle forme d’ onda di eventi registrati saranno confrontati con esperimenti di laboratorio con le stesse litologie.

OA11. Analisi multi–disciplinare near fault
    Verrà aggiornamento il database multidisciplinare del Near Fault Observatory dell’ Alta Valle del Tevere con           l’ inserimento sistematico di serie temporali alta risoluzione dei dati delle reti sismica, geodetica e geochimica. Il database sarà utilizzato per effettuare analisi inter-disciplinari e statistiche della fase di preparazione di piccoli e medi terremoti. Verranno compiute analisi InSAR delle deformazioni crostali legate al ciclo sismico nelle zone della sequenza Emilia 2009, Matese 2013, Iblei, faglia Altotiberina, Mattinata, lungo le faglie di Lembang (West Java), di Tabriz (Iran), di Ganos (Turchia), di Cefalonia (Grecia). Saranno infine prodotte elaborazione di modelli di primo ordine per ricavare lo slip rate sulle faglie.
-    EPOS, NSF BASATO, Premiale12 PLUTO, TABOO

OA12. Studi multidisciplinari per la comprensione del danno causato dal terremoto
    Mediante l’ integrazione di misure e rilievi di telerilevamento e geofisici (laser a scansione terrestre (TLS), termografia infrarosso (IRT), Fotogrammetria Structure from Motion (SfM) e misure tromometriche (low cost) per l’ analisi modale operazionale (OMA)) verranno condotti studi per comprendere i danni causati da un evento sismico su edifici, le condizioni delle strutture, gli accoppiamenti con il terreno. Mediante mappe morfologiche ripetute nel tempo ed estratte da modelli geometrici multi–temporali è possibile identificare le porzioni di edifici storici soggette a deformazioni significative legate ad effetti cosismici e non a fattori ambientali. Tali misure sono state valutate per essere realizzate anche in condizioni di emergenza sismica e sono state applicate a torri e campanili interessati dalla sequenza Emilia 2012. Saranno realizzate applicazioni della fotogrammetria SfM per lo studio delle deformazioni cosismiche in ambito urbano o per un’ analisi ed eventuale monitoraggio low cost in aree interessate da dissesto idrogeologico (frane, versanti, etc.).

OA13. Studi di laboratorio
    L’ approccio sperimentale in laboratorio “ad alte pressioni ed alte temperature” è volto a i) investigare tutti i processi non direttamente accessibili in natura; ii) semplificare, condizionare e controllare le condizioni al contorno in cui il processo ha il suo svolgimento; iii) ricostruire le condizioni che hanno prodotto le evidenze di terreno; iv) determinare e produrre i vincoli necessari alla modellazione sia numerica che analitica. In laboratorio è possibile simulare (in un sistema di riferimento di tipo Lagrangiano) la meccanica di un punto di una faglia. Grande attenzione sarà posta nel cercare di approcciare il più possibile le condizioni alle quali si verifica un terremoto reale, sia in termini di sforzo di confinamento che, simultaneamente, in termini di velocità di scorrimento. Inoltre, sarà sviluppata una metodologia di analisi delle onde ad ultrasuoni che vengono propagate durante gli esperimenti su campioni di rocce sottoposti a variazioni di sforzo normale e di taglio, con l’ intenzione di conoscere quali sono le proprietà fisiche delle zone di faglia e i processi fisici che innescano la rottura. I risultati di tali analisi saranno confrontati con i parametri fisici che caratterizzano la sorgente di microterremoti (anche di magnitudo negativa) studiata attraverso segnali raccolti da stazioni sismiche come quelli della rete TABOO.
-    ERC GLASS, ERC NOFEAR, EPOS, Premiale12 PLUTO,Premiale12 NORTH, TABOO

Gruppi di ricerca ( GdR ) coinvolti
    Allo stato, la LdA coinvolge cinque Gruppi di Ricerca (GdR; tra parentesi il responsabile locale): Bologna (Andrea Bizzarri), CNT (Stefano Salvi), Napoli (Edoardo Del Pezzo; contempla anche un ricercatore della sezione di Palermo), Roma 1 (Emanuele Casarotti) e Roma 2 (Angelo De Santis, contempla anche un ricercatore della sezione di Palermo).



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