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Geologia e Litologia 2010 2011Geologia e Litologia 2010 2011Appunti di sismologia:Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremoto

Come si misura la forza di un terremoto ?

Movimento oscillatorio del terreno

Effetti sull’ambiente, sull’uomo e sulle strutture antropiche

Magnitudo(Dati strumentali)

Intensità(Dati macrosismici)


Propagazione delle onde


Sismografo


Sismometri vecchi e nuovi

SismometrimeccaniciWeichert

Sismometridigitali


Sismogrammi


sismogramma

magnitudo

Magnitudo “Richter” (1935)

Magnitudo Richter (scala logaritmica)ampiezza del movimento

Ampiezza oscillazione registrataM=log10 ---------------------------------------------

Ampiezza oscillazione di riferimento

Stazione sismica a 100 km da epicentro

Stazione sismica di riferimento(a 100 km da epicentro)Terremoto di riferimento: M=1Ampiezza oscillazione: 0,001 mm


Sample of the data used by Richter to construct the magnitude scale for southern California. Thesymbols represent observed peak ground motions for earthquakes recorded during January of 1932 (different symbols represent different earthquakes). The dashed lines represent the referencecurve for the decrease in peak-motion amplitude with increasing distance from the earthquake. Amagnitude 3.0 earthquake is defined as the size event that generates a maximum ground motion of 1millimeter (mm) at 100 km distance.

Ricostruzione della scala magnitudo


Ricostruzione della scala magnitudo


La magnitudo di terremoti che avvengono a distanze epicentrali diverse dai 100 km può essere calcolata se si conosce la legge di attenuazione dell’ampiezza delle diverse onde sismiche con la distanza epicentrale.

Richter ricavò nel 1935 la seguente equazione della Magnitudo locale (ML) per terremoti superficiali californiani con distanze epicentrali tra 200 e 1.500 km:

ML = log10 Amax + 3 log – 3,37

Amax = ampiezza massima in mm(onde P, S o superficiali)

= distanza epicentrale (km)

Gutenberg e Richter nel 1936 definirono la Magnitudo MS, determinata in basa al valore della massima ampiezza del movimento del suolo (in micron) prodotto da onde Rayleigh di periodo uguale a 20 sec.

MS = log A + a f( , h) + b

a e b = due costanti; h = profondità ipocentrale;f( ,h) = funzione che deve essere determinata per ogni

stazione sismografica. (buone applicazioni fino a Magnitudo 8)

(fattore correttivo per la distanza)

Il sistema trovava una buona applicazione fino a (ML) = 6,5 (al di sopra l’energia veniva sottostimata).

ML ed Ms


Per costruire modelli realistici dei processi sismogenetici sono stati studiati altri parametri relativi alla zona di sorgente del sisma (caratteristiche della zona focale e dinamica del processo di fratturazione), deducibili dalle informazioni contenute nei sismogrammi.

Parametri relativi alla zona di sorgente

Meccanismo focale

Momento sismico



Meccanismo focale

Sulla base della teoria del rimbalzo elastico (lenta deformazione, rottura con spostamento e rimbalzo, nuova posizione di equilibrio),



Meccanismo focale


i segnali registrati nei sismografi ubicati intorno all’epicentro (verso e ampiezza del primo impulso P o S) permettono di individuare zone in compressione e in distensione



Meccanismo focale


e di conseguenza l’orientazione del piano di faglia e il movimento relativo dei due lati della faglia.

i segnali registrati nei sismografi ubicati intorno all’epicentro (verso e ampiezza del primo impulso P o S) permettono di individuare zone in compressione e in distensione

Proiezione utilizzata per la rappresentazione dei meccanismi focali (F ipocentro, E epicentro, quadranti compressivi in nero).


Meccanismo focale


Meccanismo focale


Un ulteriore parametro relativo alla zona di sorgente del sisma, deducibile dalle informazioni contenute nei sismogrammi, è il Momento Sismico (Mo).

Momento sismico

In fisica:

momento = forza x braccio (distanza dal centro di rotazione di un sistema).

Considerando due differenti blocchi di una faglia a contatto ed in moto relativo:

M0 = μ * A * d

Mo = momento sismico dyne/cm μ = modulo di rigidità dyne/cm2

A = area di rottura cm2

d = scorrimento medio cm

(Aki, 1966; De Polo & Slemmons, 1990)


Un ulteriore parametro relativo alla zona di sorgente del sisma, deducibile dalle informazioni contenute nei sismogrammi, è il Momento Sismico (Mo).

Momento sismico

M0 = μ * A * d

Mo = momento sismico dyne/cm μ = modulo di rigidità dyne/cm2

A = area di rottura cm2

d = scorrimento medio cm

(Aki, 1966; De Polo & Slemmons, 1990)


Nel contesto del processo di rottura del terremoto lo stress drop è la differenza di sforzo sul piano di faglia prima e dopo la rottura. Quindi dipende dalle proprietà fisiche della roccia interessata e dalla loro variazione sul piano di taglio. In effetti alcune zone della superficie di faglia possono essere più “forti” di altre e quindi sostenere e rilasciare uno sforzo superiore

rispetto ad altre porzioni della faglia. Lo stress drop statico è quindi un valore “mediato”, funzione dell’energia totale liberata dal

terremoto (ricavata dal momento sismico o dalla magnitudo) e della dimensione della rottura. In effetti si può modellare la rottura in modo da definire la distribuzione del Δσ sul piano di rottura.

In altre parole, l’energia rilasciata durante un terremoto viaggia come onde sismiche, che si esprimono soprattutto come moti vibratori del suolo, direttamente collegati al suo Δσ.

Quindi lo stress drop, che si spera essere “caratteristico” di una faglia sismogenetica, anzi di una regione, è importante per modellare la sorgente sismica e quindi il conseguente moto del suolo atteso in un particolare luogo (leggi di attenuazione). In particolare, il comportamento

dello Δσ con l’aumentare della magnitudo, ha un impatto pratico molto rilevante per le stime di hazard sismico,

Δσ~ M0fc3Nel modello di Brune lo stress drop

sostituisce la dimensione della faglia nella descrizione della sorgente sismica

Stress drop = slip/dimensione faglia(Modello di Brune)Stress drop


Stress drop = slip/dimensione faglia(Modello di Brune)Stress drop

Δσ~ M0fc3Nel modello di Brune lo stress drop

sostituisce la dimensione della faglia nella descrizione della sorgente sismica


dynamic stress drop = 7 Mo / 16 r3

Eshelby (1957)


fc

Ω0


I sismologi hanno di recente sviluppato una scala standard di magnitudo che e' completamente indipendente dal tipo di strumento utilizzato definita Magnitudo Momento (Mw) derivata dal momento sismico (Mo).

Conversione del momento sismico (Mo) in magnitudo Mw):

La magnitudo Mw è utilizzata generalmente per forti terremoti e può' assumere valori anche negativi.

Mw = 2 / 3 * log10(M0) - 10.73

Magnitudo momento


ML Magnitudo LocaleIntrodotta da Richter, calcolata abbastanza rapidamente con stazioni della rete locale (tipo Wood Anderson) a 600 km massimo dall'epicentro, attraverso la misura dell'elongazione massima del sismogramma. Il campo di applicabilità è vasto.

MS MagnitudoViene calcolata sull'arrivo delle onde superficiali, e di conseguenza non risulta adeguata per i terremoti profondi (in grado di produrre onde superficiali poco sviluppate).

MO Momento Sismico ScalareE' proporzionale (come anche il Momento tensore) al rilascio di deformazione elastica nella zona ipocentrale e rappresenta l'energia sismica rilasciata (1023-25 dyne cm). E' calcolato generalmente attraverso il metodo CMT (dallo spettro di spostamento delle onde S).

MW Magnitudo MomentoViene calcolato attraverso i dati del Tensore Momento Sismico e del Momento Sismico Scalare (Mo), che vengono determinati con il metodo CMT. Non sempre ci sono i dati per calcolarlo. Tempi di calcolo molto lunghi, ma molto attendibili in quanto vengono utilizzate le onde di volume a periodi lunghi (T>30 sec.) registrate su stazioni a scala globale (Rete Sismografica Globale), con distanze ipocentrali anche di 2000 km ( telesismiche).

MD Magnitudo DurataViene calcolata molto rapidamente ma lascia incertezze (in modo particolare per i grossi terremoti che sono seguiti da repliche in rapida successione sulla coda dell'evento principale). I valori sono affidabili solo per magnitudo basse. MD sottostima generalmente l'evento se confrontato con ML.

Magnitudo


tutte

20-180°

16-100°

0-400

0-400 km

distanza

-< 4durata scuotimentoMDDurata

>3,5

5-8

4-7

2-6

M range

20 sRaleighMsSurface-Wave

>100 sArea rottura, Slip MwMomento

P (eventi profondi)

S o superficie

Onda

1 smbBody-Wave

0.8 s MLLocale Richter

TSimboloMagnitudo

Magnitudo scala logaritmica1 grado M 10 volte ampiezza scuotimento1 grado M energia ca. 32 volte superiore


Metodo CMT (Centroid Moment Tensor)

Sistema sviluppato ad Harvard, viene applicato per stimare i parametri fondamentali di tutti i terremoti con magnitudo elevate (M > 4.0) su tutto il globo. Utilizza le onde di volume a periodi lunghi e fornisce:• Tensore Momento Sismico;• Momento Sismico Scalare (MO);• Meccanismi focali;• Geometria della faglia.

Sequenza di Colfiorito

5,75,55,415:2314-ott

6,05,85,809:4026-set

5,75,65,500:3326-set

MWMLMSOra (GMT)Data


sforzo

prima

dopoterremoto

scorrimento

asperità barriere

Modelli di rotturacercano di spiegare: diverse grandezze terremoti in varie regioni della terra,

rotture multiple (terremoti in seguenza) e aftershocks sul piano




Legge di Gutenberg & Richter


log ES = 11.8 + 1.5 MW (erg)

Kanamori, H., 1977

ENERGIA DEL TERREMOTOLa magnitudo e il momento sismico sono relazionabili all’energia irradiata da un terremoto sotto forma di onde elastiche (esclusa l’energia dissipata in calore). Richter e Guttenberg svilupparono per primi una relazione tra magnitudo ed energia, sulla base dei segnali registrati nei sismografi.

Più recentemente è stata sviluppata la relazione tra momento sismico ed energia delle onde sismiche.

Energia = Momento / 20.000

log E = b + c M

Altre formule sono seguite a quella di Richter e Guttenberg, ma sostanzialmente variando i valori delle costanti b e c.

L’energia sismica emessa annualmente è compresa tra 1025 e 1026 erg.


Come si localizza un terremoto ?

Movimento del terreno

Effetti sull’ambiente, sull’uomo e sulle

strutture antropiche

Dromocrone Intensità


Dromocrone

Localizzazione strumentale


Strumenti:•Corto periodo 1 sec•Larga banda > 20 sec

•Analogici•Digitali•1 o 3 componenti•trasmissioni real time o near realtime a sala operativa in radiofrequenza, linee telefoniche dedicate, via satellite

e tramite rete GAR.

da Sito INGV

Retesismometrica

italiana


Stazione sismometrica


Come si misura la forza di un terremoto ?

Movimento oscillatorio del terreno

Effetti sull’ambiente, sull’uomo e sulle strutture antropiche

Magnitudo(Dati strumentali)

Intensità(Dati macrosismici)


Effetti sull’uomo, sulle cose e

sull’ambiente

Scala MCS Mercalli – Cancani – Sieberg

(1930)

Intensità


Intensità

Scala MCS Mercalli – Cancani – Sieberg

(1930)


I grado: Pane, amore e gelosia (L. Comencini) 1954

II grado: Il diavolo alle quattro (M. Le Roy) 1961

III grado: The sisters(L. Comencini) 1938

IV grado: San Francisco (W. Van Dyke) 1936


Cinema e terremoti

V grado: Terremoto (M. Robson) 1975

VI grado: Flame of barbary coast (J. Kane) 1945

VII grado: Sodoma e Gomorra(R. Aldrich e S. Leone) 1962

VIII grado: Terremoto (M. Robson) 1975


Cinema e terremoti

IX grado: The sisters(L. Comencini) 1938

X grado: Superman (R. Donner) 1978

XI grado: San Francisco (W. Van Dyke) 1936

XII grado: Fantasia (W. Disney) 1940


Dipende da:Dipende da:

Fattori naturaliFattori naturali

magnitudomagnitudo

profonditprofonditàà ipocentraleipocentrale

distanza epicentraledistanza epicentrale

duratadurata

numero e tipo di scossenumero e tipo di scosse

natura e morfologia del terreno (fattori locali)natura e morfologia del terreno (fattori locali)

Fattori antropiciFattori antropici

tipologia e forma dei fabbricati e delle fondazionitipologia e forma dei fabbricati e delle fondazioni

Intensità

Da Gastaldi, Carta del Terremoto di San Severo,

1627

Geologia e Litologia 2010 2011Geologia e Litologia 2010 2011Appunti di sismologia:Appunti di sismologia: come si misura e si localizza un terremotoNatura e morfologia del terreno (fattori locali) Intensità

Definizione dell’earthquake ground motions


IntensitàDanneggiamenti differenziati del Colosseo

Natura e morfologia del terreno (fattori locali)

Valle alluvionale recente (Olocene)

Valle alluvionale antica (Pleistocene medio)

A) Riporti (Olocene)

B) Alluvioni (Olocene)

C) Unità Aurelia (Pleist. medio)

D) Tufi antichi (Pleist. medio)

E) Unità b Paleotevere 2 (Pleist. medio)

F) Unità a Paleotevere 2 (Pleist. medio)

G) Bedrock (Pliocene sup.)

A

BC

D

E F

G


De Rossi, 1873

IntensitàScale di Intensità fine secolo XIX

De Rossi - Forel, 1883

Mercalli, 1897

Mercalli, 1902


Scala MM (Modified Mercalli), 1931

influenza della tipologia costruttiva

Scala MCS (Mercalli – Cancani – Sieberg), 1930non tiene conto del tipo di fabbricati (buona per i terremoti storici)

Scala MM (Modified Mercalli), 1956tiene conto del tipo di fabbricati (4 classi) ma non della qualità

Scala MSK (Medvev – Sponheuer - Karnik), 1964tiene conto del tipo di fabbricati (3 classi) e del danneggiamento (%)

IntensitàScale di Intensità secolo XX e XXI

Scala EMS (European Macroseismic Scale), 1992

Scala ESI (Environmental Seismic Intensity), 2007basata solo sugli effetti cosismici ambientali; indipendente dal livellodi sviluppo economico della regione colpita dal terremoto


Confrontotra varie scale di intensità(Reiter, 1990)

Intensità


Summary table of the effects on the ground described in the intensity scales

Effects Intensity (MSK) (MCS)

-Cracks in saturated soil and/or loose alluvium up to 1 cm,- in saturated soil and/or loose alluvium a few cm,- in saturated soil and/or loose alluvium up to 10 cm,- in saturated soil and/or loose alluvium a few dm up to one m- on road backfills and on natural terrigenous slopes over 10 cm- on the dry ground or on asphalted roads-Faults in terrigenous terrains and in rocky terrains-Liquefaction and or mud volcanoes and/or susidence-Landslides in sand or gravel dykes- in terrigenous slopes-Rockfalls-Clouding in the closed water bodies and formation of waves-Water bodies new formation-Flooding-Water level variation of the groundwater level and the flow rate of springs

VIVIIIIXX

VII - IXVII – XIXI - XIIIX – XVII – XVI – XIIX – XIIVII – IX

VIII – XIIX – XIIV - X

VIII

XVIII

X – XIXI

X – XIVII

X - XIX – XI

VII – VIIIXIIX

VII - X

ESI2007 SCALE

(Environmental Seismic Intensity Scale)

The ESI scale is based on environmental effects only


Come si localizza un terremoto ?

Movimento del terreno

Effetti sull’ambiente, sull’uomo e sulle

strutture antropiche

Dromocrone Intensità


Localizzazione macrosismica

(Studio Macrosismico)Carte delle intensità, attribuite sulla base

delle descrizioni dei danneggiamenti

Lo studio macrosismico di un terremoto viene effettuato rilevando direttamente i danni e le reazioni delle persone in tutta l’area in cui il sisma è stato avvertito, e confrontando i dati raccolti con la scala di Intensità.

Ad ogni località viene assegnato un grado di intensità, che sintetizza con un singolo valore il quadro di massimo risentimento, cercando di escludere i cosiddetti effetti di sito, cioè condizioni di instabilità legate a particolari situazioni geomorfologiche e geotecniche, che tendono ad amplificare localmente le onde sismiche e quindi a determinare effetti superiori al valore effettivo.

L’intensità risulterà massima nell’area epicentrale (Intensità Epicentrale o semplicemente Io) e decrescerà con la distanza secondo leggi di attenuazione in genere variabili con la direzione, fino a zone prive di effetti.

Dopo aver riportato su di una carta i valori delle intensità per tutte le località prese in considerazione, si tracciano delle linee chiuse (isosisme o piani quotati) che definiscono zone in cui il terremoto si è manifestato con la stessa intensità.


Localizzazione macrosismica

Terremoto delSannio del

1688

(Studio Macrosismico)Carte delle intensità, attribuite sulla base

delle descrizioni dei danneggiamenti

Isosisme



Magnitudo

affidabilità del dato dati strumentali(formule non

approssimative)

lettura e interpretazione di dati storici

diversa attendibilità nei diversi periodo storici

esigenza diversa nei vari paesi di smorzare o accentuare gli effetti

influenza della presenza dell’uomoe delle sue strutture

finestra temporale stretta (XX sec.)

ampia (documentazione storica

per più di 2.000 anni)

Magnitudo e Intensità a confronto

Intensità

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