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Tesi etd-03042016-121425


Tipo di tesi
Tesi di dottorato di ricerca
Autore
ANTONIELLI, BENEDETTA
URN
etd-03042016-121425
Titolo
Tectonics and mud volcanism in the Northern Apennines foothills (Italy) and in the Greater Caucasus (Azerbaijan): a satellite interferometry (InSAR) analysis. Tettonica e vulcanismo di fango lungo il margine Pede-Appenninico emiliano e nel Gran Caucaso (Azerbaijan): un’analisi d’interferometria satellitare (InSAR).
Settore scientifico disciplinare
GEO/03
Corso di studi
SCIENZE DELLA TERRA
Commissione
tutor Prof. Sani, Federico
Parole chiave
  • thrust attivi
  • vulcanismo di fango
  • deformazioni del suolo
  • interferometria
Data inizio appello
03/04/2016;
Disponibilità
completa
Riassunto analitico
ITALIANO
Questo progetto di ricerca ha avuto l’obbiettivo di indagare sull’attività dei vulcani di fango presenti in contesti compressivi (catene a pieghe e thrust) e sulla tettonica delle strutture attive ad essi collegate, tramite la tecnica dell’interferometria radar satellitare.
Le aree di studio sono due fronti orogenici: il margine Pede-appenninico dell’Appennino Settentrionale ed il margine sud-orientale del Grande Caucaso, entrambi caratterizzati dalla presenza di thrust attivi e del fenomeno del vulcanismo di fango. I vulcani di fango che caratterizzano il margine Emiliano-Romagnolo dell’Appennino Settentrionale, consistono generalmente in gryphons che possono raggiungere 3 o 4 m di altezza. Di dimensioni notevolmente maggiori sono invece i vulcani di fango presenti nel Gran Caucaso orientale (Azerbaijan), alcuni dei quali possono essere alti fino a 400 m, con diametro fino a 5 km, pertanto con dimensioni e caratteristiche morfologiche simili a quelle dei vulcani magmatici.
I dati utilizzati per entrambe le zone di studio consistono in immagini radar Envisat, che sono state fornite dall'Agenzia Spaziale Europea (ESA) nel contesto di un progetto CAT1, creato appositamente per questo progetto di dottorato (CAT1 13866, dal titolo: Assessing the relationships between tectonics and mud volcanism by integrating DInSAR analysis and seismic data in active tectonic areas).
La tecnica utilizzata in questo dottorato di ricerca è stata l’interferometria radar satellitare, che è stata impiegata attraverso due distinte metodologie: (1) l’interferometria differenziale (DInSAR) e (2) la Persistent Scatterers Interferometry (PSI). La scelta del tipo di metodologia è stata dettata da diversi fattori, in particolare (i) l’obiettivo specifico da raggiungere (studiare le deformazioni del suolo legate ai vulcani di fango oppure alle anticlinali sepolte), (ii) il numero di immagini Envisat disponibili nell’archivio dell’ESA e (iii) le caratteristiche fisiche delle due diverse aree di studio, (grado di urbanizzazione, uso del suolo, aridità) che incidono fortemente sulla risposta del dato radar.
La tecnica DInSAR si è rivelata un ottimo strumento di analisi della deformazione superficiale presso i vulcani di fango, per quanto riguarda l’area di studio dell’Azerbaijan. Il periodo coperto dalle immagini Envisat utilizzate va da Ottobre 2003 a Novembre 2007. L’analisi di un ristretto set di interferogrammi selezionati in base ai migliori valori di coerenza, ha permesso di identificare importanti deformazioni superficiali in corrispondenza di 5 vulcani di fango, sia durante fasi prossime all’eruzione, sia durante fasi di normale attività di background. È stato possibile quindi osservare l’attività di questi oggetti da un punto di vista dinamico e di monitorare le deformazioni superficiali indotte da episodi di inflazione e deflazione. Tali pattern deformativi mostrano chiare analogie con l’evoluzione spazio-temporale delle deformazioni del suolo di vulcani magmatici descritti in letteratura, in relazione alle varie fasi di attività. Questo risultato rafforza pertanto l’idea che i vulcani di fango e quelli magmatici siano governati da processi simili, quali le variazioni di pressione e volume dei fluidi.
La tecnica PSI ha prodotto risultati di grande interesse per quanto riguarda lo studio delle strutture tettoniche attive del settore più esterno dell’Appennino Settentrionale. Il periodo coperto dalle immagini utilizzate va da settembre 2004 a settembre 2010. I risultati permettono di individuare estese deformazioni del suolo in Pianura Padana, in particolare un (i) segnale di subsidenza (allontanamento rispetto al satellite lungo la linea di vista del satellite, LOS) nella zona a nord-est di Reggio Emilia ed un (ii) segnale di sollevamento (avvicinamento rispetto al satellite lungo la LOS) in alcune zone dell’area di studio tra Reggio Emilia e Piacenza. Purtroppo la bassa risoluzione delle immagini Envisat non ha permesso l’analisi dei piccoli apparati dei vulcani di fango presenti sul margine Pede-appenninico. I dati GPS presenti nell’area di studio sono stati confrontati con i risultati della tecnica PSI. Per permetterne il confronto con le misurazioni da satellite, i dati GPS sono stati proietatti lungo la LOS (line of sight) del satellite. La subsidenza in Pianura Padana è un fenomeno molto ben conosciuto, in quanto si tratta in primo luogo di subsidenza indotta da attività antropiche, quali l’estrazione di acqua. Le aree in sollevamento, che sono l’oggetto di primario interesse di questo lavoro, mostrano deformazioni che vanno da 1 fino a picchi di 2,8 mm/anno. È interessante notare che quasi tutte le aree in sollevamento si trovano in corrispondenza di thrust attivi delle pieghe Emiliane e Ferraresi e sono caratterizzate dalla presenza di sismicità soprattutto storica. Data questa corrispondenza spaziale, avanziamo l’ipotesi (documentata dall’analisi delle serie temporali e dal confronto con le sezioni sismiche con i profili di velocità di deformazione) che esista una correlazione fra l’attività delle anticlinali sepolte sotto la Pianura Padana ed il sollevamento delle zone soprastanti queste strutture e che quest’ultime si sollevino con un movimento di creep asismico. Le faglie inverse attivate in occasione della sequenza sismica del Maggio 2012 (Finale Emilia e Mirandola) potrebbero aver avuto una simile evoluzione pre-sismica, e cioè sollevamento del suolo e scarsa sismicità. Tuttavia il fatto che alcune delle anticlinali di crescita studiate siano in sollevamento non implica che si arrivi necessariamente ad un sisma, anche se i risultati di questo lavoro dovrebbero essere presi in considerazione nella valutazione del rischio sismico dell’area di studio.
Per concludere, le tecniche di interferometria satellite hanno dimostrato di essere efficaci per studiare diversi tipi di processi geologici attivi e costituiscono un mezzo molto vantaggioso per misurare i tassi di deformazione del suolo e quindi per valutare i rischi geologici.

INGLESE
Satellite radar interferometry provides some unique capabilities for assessing geological rates of deformation and therefore for studying active geological processes. This Ph.D. thesis employs the interferometric techniques for studying the activity of mud volcanoes and the ongoing tectonics of the related compressive structures. Mud volcanoes indeed usually develop at convergent plate margins, and occur in fold-and-thrust belts. The study areas are two orogenic fronts, namely: the Northern Apennines margin (Emilia-Romagna region; Northern Italy) and the southeastern Great Caucasus margin (Azerbaijan), both characterized by the presence of active thrust folds and mud volcanism. The latter is typically linked to hydrocarbon traps and leads to the extrusion of subsurface mud breccias that build up a variety of conical edifices. Interferometry has been applied, using Envisat images, through both (1) the Differential Satellite based Synthetic Aperture Radar Interferometry (DInSAR) approach for studying the ground deformations related to mud volcano activity, and (2) the Persistent Scatterers Interferometry (PSI) in order to investigate the ongoing tectonics along fold-and-thrust belt margins.
The first goal has been developed for the Azerbaijan mud volcanoes. The results are encouraging, since it was possible to observe the mud volcanoes activity from a dynamic point of view, and to infer the processes that drive the deformation. The detected ground deformation events at mud volcanoes edifices are in general due to the fluid pressure and volume variations, and they have been observed both (i) in connection with main eruptive events, in the form of pre-eruptive uplift (~20 cm in about two years of cumulative uplift at the Ayaz-Akhtarma mud volcano), and (ii) in the form of short-lived deformation pulses that interrupt a period of quiescence. Important similarities with the deformation pattern of magmatic volcanoes have been proposed.
The second goal has been carried out for the outermost sector of the Northern Apennines including the Po Plain between Piacenza and Reggio Emilia. This study attempts to correlate the superficial deformation signals measured by radar satellite-based sensor with the known geological features. The PSs velocity pattern shows some ground uplift above active thrust-related anticlines (with mean velocities ranging from 1 to 2.8 mm/yr) of the Emilia and Ferrara folds, and part of the Pede-Apennine margin. On this basis, a correlation between the observed ground uplift and the ongoing activity of the tectonic structures is proposed. The results of the current analysis would thus be taken into account when evaluating the seismic hazard of the study region.
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