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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/7391

Title: Inversion for slip on a finite fault and fast estimation of seismic parameters in the point source case
Authors: Gallo, Antonella
Supervisor/Tutor: Costa, Giovanni
Issue Date: 12-Mar-2012
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: ABSTRACT One of the principal goals of seismology is to infer the nature of an earthquake source from observations of seismic ground motion. This work shall discuss the seismic source both in the 2D finite-fault and in the point-source approximation. By inverting 3-component accelerograms the rupture history and the slip distribution for the Mw 6.3 earthquake occurred in central Italy on April 6, 2009 are determined. The method of linear programming is used for the inversion and the simplex method is applied to solve the linear programming problem (Das and Kostrov, 1994). All known parameters, such as crustal structure and station distribution are kept fixed and a large-enough fault area is considered. Physical constraints such as the positivity of the slip rates on the fault and a pre-assigned seismic moment are used to stabilize the solution. Using synthetic data with a checkerboard slip distribution shows that the obtainable spatial resolution is around 2 km. Observed records acquired from local stations of the national strong-motion network are inverted. Only data from rock stations distributed uniformly around the fault at epicentral distances less than 80 km are used. The accelerograms are filtered at 1 Hz and about 15 seconds of the signals are modelled. The obtained slip distribution shows a single major asperity and is in agreement with other similar studies of the L’Aquila earthquake. The main event of L’Aquila is used to validate a stable and automatic procedure implemented by SeiSRaM group (Dep. of Mathematics and Geosciences, University of Trieste) for the SE Alps transfrontier network to estimate in real time the seismic moment, moment magnitude and corner frequency of events recorded by broad-band velocimeters and accelerometers. The procedure has two steps: the first one consists in an interface with the Antelope system (a software that manages the network) from which pre-processed waveforms are retrieved. The second step consists in estimating the seismic moment and the corner frequency by spectral analysis. The S-wave train is identified through an automatic picking procedure of Antelope software or, if that procedure fails, through the estimates arrival times based on the travel-time. The transversal component of motion is used to minimize conversion effects. The analyzed frequency window is selected on the basis of the signal-to-noise ratio (SNR). The source spectrum is obtained by correcting the signals for geometrical spreading and intrinsic attenuation. For the latter, different relationships are tested for frequency-dependent Q value in order to characterize the anelastic proprieties of the seismic region. Source spectra for both velocity and displacement are computed and, following Andrews (1986), the seismic moment and the corner frequency are estimated. The procedure is successfully validated using the recordings of some recent strong earthquakes like Carnia 2002 (Mw=4.9), Bovec 2004 (Mw =5.1), Parma 2008 (Mw =5.4) and Aquila 2009 (Mw =6.3) and the recording of some minor events in the SE Alps area for which independent seismic moment and Mw estimates are available. Since one year the procedure is applied to events recorded by the National Accelerometric Network (RAN). The agreement between moment magnitudes estimated by the SeiSRaM procedure and the INGV local magnitudes is very good.
RIASSUNTO I terremoti sono fenomeni fisici molto complessi a partire dai processi di sorgente alla determinazione della magnitudo, argomenti fondamentali nelle indagini sismologiche. Questa tesi si propone di indagare i processi fisici degli eventi sismici. L’approccio è studiare la sorgente sismica del terremoto a partire dai dati delle registrazioni, 'decifrando' le informazioni contenute in esse con l’uso sia delle teorie fisiche che con modelli matematici. In questo lavoro si discute la sorgente sismica sia nel suo modello più semplice, il caso della sorgente puntiforme, sia nella sua descrizione realistica con dimensioni finite. Una descrizione teorica delle caratteristiche e delle rappresentazioni della sorgente estesa sono rappresentate nel Cap. 1. Sono descritti i fondamenti teorici che, sulla base di numerosi studi sperimentali, sembrano meglio descrivere gli eventi sismici, gli strumenti matematici che governano i processi di rottura, i modelli che rappresentano meglio la situazione fisica che sta alla base dei terremoti, quali il modello di Haskel ed il modello di Brune (1970) e l’approssimazione della sorgente estesa come somma di sorgenti puntiformi. Il tema centrale di questo studio riguarda la comprensione e la modellazione cinematica del processo di rottura di un terremoto su una faglia finita, attraverso l'inversione dei dati accelerometrici. L’inversione di dati simici permette di ottenere gran parte delle informazioni sul comportamento spazio-temporale del processo di rottura. L'approccio cinematico consente di interpretare le forme d’onda che si irradiano dalla sorgente in termini di spostamento relativo lungo il piano di faglia in funzione dello spazio e del tempo (la storia dello scorrimento). Usando il teorema di rappresentazione, lo spostamento registrato da una stazione durante un terremoto può essere espresso in termini della distribuzione di scorrimento sulla superficie di faglia. Assumendo che la faglia sia piana e la direzione di scorrimento costante, il problema può essere discretizzato, vincolato e ricondotto ad un sistema di equazioni lineare Ax=b (Cap. 2). La soluzione a questo problema è tutt’altro che banale. E’ ben noto che il problema è instabile e dal punto di vista computazionale questa instabilità è equivalente alla non unicità della soluzione. Quindi, per ottenere una soluzione definita vi è la necessità di inserire alcuni vincoli fisici nel processo di sorgente in aggiunta alla semplice richiesta di riprodurre i dati osservati (Das e Kostrov, 1990, Das e Suhadolc, 1996). Strumento fondamentale nella procedura di calcolo e cuore della procedura di inversione adottata in questa tesi, il metodo del simplesso viene introdotto nell’ambito dello studio della programmazione lineare e applicato ad un piccolo esempio esplicativo (Cap. 3). Seguendo la formulazione sviluppata da Das e Kostrov (1990,1994) si è applicata la procedura di inversione all’evento principale dell’Aquila avvenuto il 6 aprile 2009. Dopo una breve descrizione geologica dell’Aquila, della struttura utilizzata e del modello di sorgente adottato (Cap. 4) vengono presentati i risultati sia in termini di distribuzione del momento sismico sulla faglia sia in termini di confronto tra le forma d’onda reali e sintetiche (Cap. 5). E’ la prima volta che si utilizzano dati reali con il tempo assoluto. Questo ha portato non pochi problemi principalmente nella scelta del modello di velocità e nella scelta delle stazioni. Sono state considerate solo stazioni della Rete Accelerometrica Nazionale (RAN) su roccia con distanze epicentrali tra 20 km ed 80 km. Attraverso test sintetici e confrontando con quanto riportato in letteratura, è stato scelto il modello di sorgente che meglio si adatta ai dati disponibili. Tutte le inversioni sono state fatte imponendo vincoli fisici quali la casualità, la positività e il momento prefissato totale. Questi vincoli sono stati necessari per avere una soluzione più stabile. Sono stati investigati differenti modelli di faglia, differenti distribuzioni di stazioni e due modelli di velocità. I risultati migliori sono stati ottenuti considerando una faglia lunga 28 km a larga 12 km discretizzata in celle 2km per 2 km, e considerando solo le quattro stazioni situate sul tetto di faglia (Saraò et al.,1996). Il modello di velocità è quello proposto da Costa et al. (1992). La distribuzione del momento mostra somiglianze con i risultati ottenuti dell’inversione di dati sismici proposta da altri autori, confermando che la massima energia è nella parte SE della faglia. Nella seconda parte della tesi l’attenzione si è focalizzata sulla determinazione dei parametri di sorgente. Si è utilizzata la procedura implementata dal gruppo SeisRaM del Dipartimento di Matematica e Geoscienze, che stima in real-time il momento sismico, la magnitude da momento e la frequenza d’angolo. La determinazione della grandezza di un terremoto è un problema aperto. Esistono differenti scale di magnitudo e differenti metodi di calcolo, tanto da ottenere diversi valori per lo stesso evento, da parte dei diversi enti che li determinano. Nel Cap. 6 sono trattate le scale di magnitudo in uso ed in particolare la magnitudo da momento. Infine, sono descritti due metodi utilizzati per il calcolo in real-time della magnitudo da momento, tra cui il metodo di Andrews (1986) utilizzato nella procedura. Nel Cap. 7 dopo una descrizione della procedura automatica, si riportano la validazione ed i risultati. Questo metodo automatico stima in real-time i parametri di sorgente degli eventi delle Alpi sud orientali registrati dalla rete Transfrontaliera e da circa un anno anche degli eventi registrati dalla RAN. La procedura è stata validata sugli eventi recenti avvenuti in Italia e Slovenia: L’Aquila 2009, Parma 2008, Bovec 2004 e Carnia 2002. Il confronto della magnitudo da momento stimata della procedura in studio e quella calcolata con metodi di inversione da altri istituzioni è molto buono, dimostrando l’affidabilità e la robustezza di questo metodo. Questo è stato confermato dalla stima della magnitudo degli ultimi eventi avvenuti in Italia durante la scrittura finale di questa tesi: Verona, 24 gennaio 2012 e Reggio Emilia, 25 gennaio 2012. La magnitudo stimata in real-time dalla procedura è in ottimo accordo con quella stimata dall’INGV. Inoltre sia l’Agenzia sismologica della Slovenia, l’ARSO, che quella romena hanno richiesto di poter utilizzare questa procedura real-time. Questo lavoro spera di essere una fonte di utili suggerimenti nello studio dei processi di sorgente.
PhD cycle: XXIV Ciclo
PhD programme: GEOFISICA DELLA LITOSFERA E GEODINAMICA
Description: 2010/2011
Keywords: Seismic source inversion
seismic moment
moment magnitude
Main language of document: en
Type: Tesi di dottorato
Doctoral Thesis
Scientific-educational field: GEO/10 GEOFISICA DELLA TERRA SOLIDA
NBN: urn:nbn:it:units-9131
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