• sismicità indotta
• cataloghi sismici

Questo lavoro di tesi è finalizzato allo studio della sismicità stimolata da opere antropiche, in particolare dal riempimento e dalla variazione del livello d'acqua in un invaso artificiale di medie dimensioni.
La sismicità stimolata include quella indotta (induced seismicity), generata da variazioni del campo di sforzo attribuibili esclusivamente ad attività antropiche, e quella innescata o attivata (triggered seismicity), di cui le attività antropiche sono responsabili solo in minima parte, mentre il ruolo principale è svolto dal campo di sforzo pre-esistente dovuto a deformazioni di natura tettonica.
Risulta quindi fondamentale eseguire una caratterizzazione di dettaglio finalizzata alla discriminazione della sismicità naturale da quella stimolata, soprattutto in zone ad elevato potenziale sismogenetico.
A tal fine, particolare attenzione viene rivolta al miglioramento dei cataloghi sismici, da cui si ottengono informazioni riguardanti le caratteristiche di ricorrenza e gli andamenti spazio-temporali dei terremoti, elementi necessari per una stima quantitativa della pericolosità sismica della regione di interesse.
In questo contesto generale, il presente studio è finalizzato alla caratterizzazione della microsismicità osservata in prossimità dell'invaso idrico artificiale “Lago di Pietra del Pertusillo”, situato in Basilicata nel settore assiale dell'Appennino Meridionale. Per quest'area, che presenta un alto potenziale sismogenetico, alcuni studi recenti (e.g., Valoroso et al., 2009) hanno evidenziato una stretta connessione tra la microsismicità registrata nella zona a sud del bacino e il rapido incremento del volume dello stesso durante la fase di ricarica invernale – primaverile. Per tali ragioni, è divenuto di primaria importanza approfondire lo studio della sismicità dell'area, al fine di discriminare la reale natura di questi eventi.
L’area oggetto dello studio è caratterizzata dalla presenza di un giacimento mineralizzato ad olio che rappresenta il giacimento on-shore più grande d’Europa. Il giacimento è composto da trappole di tipo misto, stratigrafico - strutturale, con copertura garantita da sedimenti pliocenici e chiusura laterale di argille plioceniche incuneate lungo i thrust principali. La stratigrafia può dunque essere schematizzata con la presenza della piattaforma carbonatica (piattaforma Apula) sepolta a circa 3-5 km di profondità e sovrastata da depositi flyschoidi pliocenici.
I dati su cui si basa il lavoro di tesi furono acquisiti da una rete sismica locale ad alta densità installata dall'INGV (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia) nel maggio 2005, e mantenuta in funzione per un periodo di 13 mesi. Dall'analisi automatica di questo data set furono rilevati circa 2000 eventi, di cui 744 furono selezionati sulla base della migliore localizzazione avvenuta tramite picking manuale delle onde S (Valoroso et al., 2009). Questi ultimi eventi costituiscono il catalogo di partenza da me utilizzato.
Il primo obbiettivo dello studio è stato rivolto alla valutazione quantitativa dell'energia sismica associata agli eventi osservati. Per tale scopo, è stato sviluppato un codice Matlab dedicato alla stima della magnitudo momento secondo differenti metodi operanti sia nel dominio del tempo che della frequenza. La magnitudo momento, essendo strettamente legata al parametro di sorgente momento sismico, è infatti ritenuta la migliore stima della grandezza di un terremoto in termini di rilascio energetico.
Successivamente, è stata determinata una relazione empirica fra magnitudo momento e magnitudo locale, integrando relazioni analoghe precedentemente determinate da altri studi per intervalli di magnitudo superiori rispetto a quello qui considerato.
Il secondo obbiettivo della tesi consiste invece nell'arricchimento del catalogo disponibile, al fine di approfondire le relazioni fra sismicità e variazioni di volume dell'invaso.
Dal catalogo di partenza, si sono quindi selezionati solo i microsismi localizzati nella zona a sud del bacino idrico del Pertusillo, creando un nuovo catalogo costituito da 469 eventi.
Questi terremoti sono stati utilizzati come forme d'onda di riferimento (template) in una procedura di matched filtering, mirata all'individuazione delle repliche di un segnale noto in una serie temporale continua tramite cross-correlazione. Applicando tale tecnica alla serie di dati continui registrati dalla rete locale INGV nel periodo 2005/2006, si sono rilevati ulteriori 5800 microsismi (eventi slave), a ciascuno dei quali è stata assegnata la medesima localizzazione dell'evento del catalogo originale verso il quale il valore di cross-correlazione risultava massimo. Per ogni evento slave è stata calcolata la magnitudo locale tramite una legge di regressione, per ottenere le informazioni necessarie alle successive analisi statistiche e spazio-temporali.
Le proprietà statistiche del nuovo catalogo, costituito da circa 6300 eventi, sono state investigate tramite il software ZMAP (Wiemer, 2001). Da queste analisi è stata determinata la magnitudo di completezza, definita come la minima magnitudo oltre la quale tutti i terremoti all'interno di una certa zona sono correttamente individuati, ed i parametri a e b che compaiono nella legge di Gutenberg-Richter. La stima dei suddetti parametri è stata effettuata sia per tutta la regione di interesse, che per quattro sub-aree individuate sulla base della densità di epicentri.
Successivamente, si è analizzato l'andamento temporale della sismicità utilizzando la distribuzione cumulativa del numero giornaliero di eventi, osservando una variazione temporale del rateo di rilascio sismico che, in generale, ben si correla con i cicli di variazione del livello dell'invaso. Un risultato particolarmente rilevante riguarda la variazione temporale dell'attività sismica nelle varie sub-aree. I periodi di maggior rilascio energetico, infatti, occorrono a tempi successivi allontanandosi dall'invaso, suggerendo la migrazione del volume sismogenetico in probabile risposta alla propagazione di un fronte di variazione nella pressione di poro, a sua volta generata dai cambiamenti del carico idrostatico dell'invaso.
Per ridurre la dimensionalità del catalogo, è stato poi applicato un metodo di clustering che, sulla base della similitudine delle forme d'onda, ha portato ad una suddivisione del data set completo in sei gruppi distinti, ciascuno dei quali verosimilmente attribuibile all'azione della medesima struttura sismogenetica.
Al fine di misurare eventuali variazioni di velocità sismica nel sottosuolo, i diversi gruppi di eventi simili sono poi stati analizzati utilizzando la tecnica dell'interferometria delle onde di coda (coda wave interferometry, CWI).
Le onde di coda sono gli ultimi arrivi in un sismogramma e sono generate da processi di scattering in corrispondenza di eterogeneità presenti nel mezzo di propagazione. I tempi di tragitto di queste onde, che percorrono traiettorie più lunghe rispetto a quelle seguite dagli arrivi diretti (onde P, S), sono pertanto più sensibili a eventuali perturbazioni nella velocità di propagazione, a loro volta indotte da variazioni nelle proprietà elastiche delle rocce attraversate. Confrontando una coppia di eventi simili (doublet) occorsi a tempi differenti, è quindi possibile misurare possibili fenomeni di interferenza nelle onde di coda, riconducibili a variazioni della velocità di propagazione durante l'intervallo di tempo intercorso fra i due eventi. Tale analisi è stata applicata a circa 300000 coppie di eventi simili; i risultati non hanno evidenziato alcuna variazione statisticamente significativa nelle velocità di propagazione, suggerendo che i volumi rocciosi maggiormente attraversati dai raggi sismici non hanno subito alcun cambiamento consistente nelle proprie caratteristiche elastiche.
Sulla base di tutti questi elementi, è stato infine formulato un semplice modello concettuale per l'interpretazione della sismicità indotta dall'invaso artificiale. Secondo tale schema, la sismicità sarebbe stimolata dalle variazioni nella pressione di poro del basamento carbonatico, conseguenti all'aumento del carico idrostatico dell'invaso durante le fasi di massimo riempimento.
In conclusione, il presente lavoro ha portato ad un approfondimento di vari aspetti della sismicità osservata all'invaso artificiale del Pertusillo, con particolare riferimento a (1) La definizione quantitativa dell'energia liberata durante le sequenze microsismiche associate al processo di ricarica dell'invaso, e (2) Un aumento di oltre un ordine di grandezza nel numero di eventi discriminati, che ha permesso una visione più nitida circa l'evoluzione spazio-temporale della sismicità nella zona investigata.
L'insieme delle metodologie qui applicate può quindi essere considerato come un primo passo verso la definizione delle buone pratiche da impiegarsi nella discriminazione della sismicità indotta da attività o opere antropiche rispetto a quella associata all'azione dei campi di sforzo tettonici.