• analisi interferometrica
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• interferometria
• Montecarlo
• norma L1
• onde di coda
• regressione lineare
• terremoto

RIASSUNTO:
Le onde di coda rappresentano gli arrivi tardivi in un sismogramma e risultano da processi di diffusione (scattering) alle numerose eterogeneità presenti nel mezzo di propagazione. I tempi di tragitto di queste onde, che percorrono traiettorie molto più lunghe rispetto a quelle seguite dagli arrivi diretti, sono pertanto molto sensibili ad eventuali perturbazioni nella velocità di propagazione.
I parametri fisici che controllano la velocità di propagazione delle onde sismiche sono a loro volta dipendenti da fattori quali lo stato di sforzo, il grado di saturazione e quello di microfratturazione delle rocce. Per questi motivi, la misura precisa delle variazioni nelle velocità sismiche, rappresenta un promettente campo di investigazione per l’individuazione di probabili segnali precursori a forti terremoti.
Basata su queste premesse teoriche, l’interferometria delle onde di coda (coda wave interferometry, CWI) è una tecnica recente che permette di misurare, con una precisione molto elevata, eventuali cambiamenti nella velocità di propagazione delle onde elastiche. Sostanzialmente l’interferenza nelle onde di coda viene misurata comparando una coppia di eventi molto simili, denominata doppietta (doublet), ovvero due eventi che condividono il meccanismo focale, l’ipocentro e sono stati registrati da un medesimo strumento collocato nel medesimo luogo. Se nel tempo che intercorre tra il primo e il secondo evento della doppietta, si ha una variazione nelle velocità sismiche, le onde di coda mostrano un’interferenza che permette, grazie alla tecnica CWI, una stima molto accurata dell’entità del cambiamento.
In questa tesi si applica il metodo CWI allo sciame sismico che ha preceduto il terremoto de L’Aquila del 6 Aprile 2009, con lo scopo di individuare possibili fenomeni precursori di questo devastante terremoto. Le registrazioni sismiche utilizzate provengono da due istallazioni strumentali differenti: dall’antenna UNDERSEIS, collocata nei laboratori sotterranei del Gran Sasso dell’INFN, e da una stazione della Rete Sismica Nazionale dell’INGV denominata AQU, ubicata nella città de L’Aquila. Attraverso un algoritmo di tipo Short Time Average/Long Time Average per la detezione di eventi sismici, si è individuata una base di dati iniziale costituita da 8100 e 288 piccoli terremoti per UNDERSEIS ed AQU, rispettivamente. Da questi due cataloghi, utilizzando un calcolo di similarità basato sul coefficiente di correlazione, si sono individuate 780 ed 260 doppiette per l’array e la stazione singola, rispettivamente.
Le doppiette così individuate per entrambe le istallazioni, sono distribuite in modo abbastanza uniforme lungo l’intervallo temporale compreso tra il 1 gennaio e il 6 Aprile 2009, e costituiscono il dataset di partenza sul quale applicare la tecnica CWI. Nell'implementazione del metodo, molta attenzione è stata dedicata al calcolo dell’errore da attribuire alle misure. Utilizzando il metodo della radice quadrata dei residui si ottengono valori eccessivamente sovrastimati, di gran lunga superiori agli ordini di grandezza attesi per le variazioni di velocità. L'impiego di una tecnica di tipo Montecarlo porta invece ad incertezze decisamente minori. Considerato ciò, abbiamo attribuito alle misure un errore di ±0.04%, corrispondente all’errore più alto individuato con tecnica Montecarlo. Poiché l’antenna UNDERSEIS è composta da 19 stazioni a 3 componenti, per ogni doppietta sono disponibili le registrazioni di 19*3 canali. È chiaro che l’array, rispetto alla singola stazione, rappresenta uno strumento ideale per ottenere misure robuste.
Ciò nonostante, l'applicazione del metodo CWI ai dati di UNDERSEIS ha portato a variazioni percentuali di velocità che non sono state ritenute significative, essendo di gran lunga minori degli errori sperimentali. Viceversa, la stazione AQU (ubicata in area epicentrale), mostra un incremento percentuale della velocità di propagazione di circa 0.1%, visibile su ogni componente, immediatamente dopo un terremoto di magnitudo M=4 occorso 6 giorni prima della scossa principale.
Un prima osservazione che emerge dall'esame di questi risultati riguarda l'estrema rapidità del cambiamento di velocità, che vediamo accadere su intervalli nell’ordine delle ore. La variazione di velocità così individuata, lascia spazio a diverse interpretazioni. In accordo con un modello proposto recentemente [Lucente et al., 2011], una possibile interpretazione implica un aumento della pressione dei fluidi nei pori, conseguente alla fratturazione dovuta al sisma di M=4. Un'altra interpretazione plausibile prevede che l'aumento della velocità di propagazione delle onde sismiche sia conseguente ad un incremento dello stress statico post sismico.
Nel caso qui trattato, la tecnica CWI si è rivelata efficace quando applicata nelle immediate vicinanze dell’area epicentrale, mentre non ha prodotto risultati accettabili già ad una distanza di 15Km, ovvero la distanza che intercorre tra la città dell’Aquila e la posizione dell’array UNDERSEIS.

ABSTRACT:
Coda waves represent the late arrivals in a seismogram and are interpreted in terms of scattering processes at the heterogeneities of the propagation medium. These waves travel through trajectories which are much longer than that of the direct arrivals; therefore, the respective travel times are very sensitive to small perturbation in propagation velocity. Physical parameters controlling the propagation velocity of seismic waves are dependent from factors such as stress state, saturation and micro-fracturing. For all these reasons, the accurate measure of seismic velocity variations, represent a very promising investigation field for finding likely precursors of strong earthquakes.
Based on these theoretical premises, coda wave interferometry (CWI) is a recent technique able to measure, with very high precision, possible changes in the propagation velocity of the elastic waves. Substantially, the interferences in the coda waves are measured comparing two similar seismic events (called doublet), that are two events sharing the same focal mechanism, the same hypocenter and that are recorded at different times by the same instrument located in the same position. If, during the time interval in between the first and the second event, a variation in the seismic velocities occurs, coda waves show an interference that allow, thanks to CWI method, a very accurate estimate of the relative change in seismic velocity.
In this thesis I apply the CWI method to data from the seismic swarm that preceded the Mw = 6.3 L’Aquila earthquake (April 6th 2009), with the ultimate goal of finding possible precursor phenomena to this devastating event. I used seismic recordings from two different instrumental deployments: the first is the UNDERSEIS antenna, located in the Gran Sasso underground laboratories (INFN); the second is a single, three-component station pertaining to the national seismic network of INGV, called AQU, located in the town of L’Aquila. Application of a LongTimeAverage/ShortTime Average algorithm allowed building an initial database of 8100 and 288 triggers for UNDERSEIS and AQU datasets, respectively. From these two catalogues, using a similarity analysis based on the cross-correlation coefficient, I then found 780 and 260 doublets for the array and the single station, respectively.
The doublets that I identified for each installation, are distributed quite uniformly through the period spanning from January 1th to April 6th, and they represent the starting dataset for applying the CWI technique. In implementing the method, I posed much attention to the evaluation of measurement uncertainties. Using the residuals square root method I obtained a significant overestimate of experimental errors, much higher than the observed velocity variations . A Montecarlo technique, instead, produced definitely smaller errors. Considering this, I attributed to the measurements an error of ± 0.04%, corresponding to the highest error found with Montecarlo method.
Since the UNDERSEIS antenna is composed by 19 three component stations, for each individual earthquake 19*3 recordings are available. It is clear that the antenna, with respect to the single station, represents the ideal instrument for achieving robust measurements. Despite that, the application of CWI technique on UNDERSEIS data led to non-meaningful velocity variations, these latter ones being much lower than the experimental errors. On the other hand, AQU station (located in the epicentral area) showed an increment of about 0.1%, visible at any component, immediately after an earthquake of magnitude M=4, occurred a week before the mainshock.
A first observation that arise from these results is the extreme rapidity of velocity change, which occurred on a time interval on the order of hours . The velocity variation thus found can be interpreted in different ways. According to a recently-published study [Lucente et al., 2011], a possible interpretation imply an increment of fluids pore pressure, following the cracking caused by the M=4 earthquake. Another plausible scenario imply that the increment in the seismic wave propagation velocity depends from the post seismic rise of static stress.
For the case treated in this study, CWI technique demonstrated to be an effective method when applied to data collected the very vicinity of hypocentral area, whereas it did not produce acceptable results at a distance of about 15Km, that is the distance between L’Aquila town and the UNDERSEIS array position.