Rumore ambientale e terremoti: possibile distinguere?

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I danni provocati dai terremoti possono essere considerati come il risultato delle caratteristiche geologiche dei siti in cui avvengono, le quali sono studiate al meglio osservando direttamente i movimenti del suolo dovuti ai terremoti. Studi di questo tipo, però, sono ristretti alle aree che presentano un alto livello di sismicità [Nakamura, 1989]. Per ovviare a questa limitazione, sono state effettuate analisi sistematiche del rumore ambientale, che possono essere facilmente realizzate in aree con sismicità bassa o addirittura nulla [Dikmen & Mirzaoglu, 2005]. Il rumore ambientale, essendo un segnale stocastico risultante da un gran numero di processi di origine diversa (antropica, eolica, oceanica, sismica, ecc.), presenta nel tempo un'ampiezza indeterminabile a qualsiasi istante [Bormann, 2002]. In frequenza, invece, è possibile individuare un'oscillazione dell'ampiezza tra un minimo e un massimo [Boashash, 2003]. La conoscenza del rapporto tra le ampiezze della componente orizzontale (O) e di quella verticale (V) del rumore ambientale permette di identificare la frequenza naturale di vibrazione (frequenza di risonanza) del suolo [Nakamura, 1989] e di individuare in modo appropriato le frequenze specifiche di oscillazione di un edificio [Sungkono & Triwulan, 2011]. Sono così valutate rapidamente le caratteristiche dinamiche dei siti, senza bisogno di altre informazioni [McNamara & Buland, 2004]. In Fig. 1 è riportato un esempio di andamento del rapporto O/V in funzione della frequenza, in cui è ben identificata la frequenza di risonanza intorno a 1,4 Hz [Nakamura, 1989]. 

 

Fig.1 -  Andamento del rapporto O/V in funzione della frequenza.

La caratterizzazione dell'ampiezza del rumore ambientale in frequenza è essenziale per valutare le prestazioni di una rete sismica. L'andamento dell'ampiezza, infatti, dipende non soltanto dalla geologia del sito di osservazione e dalle frequenze caratteristiche delle sorgenti che lo hanno prodotto, ma anche dalla risposta del sistema di acquisizione presente alla rete. Tale ampiezza è valutata a partire dalle registrazioni della componente verticale del rumore ambientale ad un gruppo di stazioni sismiche eseguite su più giorni con caratteristiche diverse (ad es. lavorativi e festivi) [McNamara & Buland, 2004]. In Fig. 2 sono riportate, nella parte sinistra, registrazioni di cinque minuti di rumore ambientale eseguite al Complesso Universitario di Monte S. Angelo dell'Università degli Studi di Napoli Federico II. Il segnale nero corrisponde alla registrazione eseguita alle 4:03 di notte del 7 Maggio 2007, quello rosso alle 10:03 di mattina, quello blu alle 16:03 di pomeriggio, e quello verde alle 22:03 di sera [Lepore et al., 2007]. Nella parte destra di Fig. 2, invece, sono riportati diversi andamenti di ampiezza del rumore ambientale in frequenza (tra 0,05 e 20 Hz) distinti sulla base della legenda posta in basso [Lepore, 2006].

Fig.2 -  Andamento nel tempo e in frequenza dell'ampiezza del rumore ambientale.

La definizione dell'ampiezza media del rumore ambientale in frequenza ad una rete sismica è molto utile per stabilire il livello di rilevamento dei terremoti a quella stessa rete. A tale scopo, è vantaggioso ricorrere a modelli che permettono di definire, mediante la simulazione di terremoti intorno ad una rete sismica, l'ampiezza ad essi associata. Questa ampiezza è calcolata servendosi dei valori che assumono caduta di sforzo statico Δσ (differenza tra i valori dello sforzo su una faglia prima e dopo un terremoto, misurata in MPa), la magnitudomomento Mw (grandezza adimensionale che valuta l'intensità del terremoto in termini di energia liberata), e la distanza sorgentericevitore r per ciascun terremoto simulato [Boatwright, 1980]. Una volta caratterizzata l'ampiezza associata ai terremoti simulati, si definisce la soglia di acquisizione dei terremoti come un particolare valore del rapporto tra questa ampiezza e quella associata al rumore ambientale (SNR, Signal to Noise Ratio, valutato in db). Essa è stabilita sulla base delle caratteristiche complessive della rete sismica e dell'ampiezza associata al terremoto più debole atteso. Tutti i terremoti che presentano un valore di questo rapporto maggiore di quello di soglia nell'intervallo di frequenze stabilito in precedenza (tra 0.05 e 20 Hz) saranno identificabili alla rete sismica, distinguendosi dal rumore ambientale presente alle stazioni sismiche. I valori di Δσ, Mw e r, che identificano il primo terremoto simulato che supera la soglia, definiscono il livello di rilevamento dei terremoti ad una specifica rete sismica [Bay, 2003].

In Fig. 3 sono riportati gli andamenti in funzione della frequenza dell'ampiezza spettrale associata a terremoti simulati per Mw variabile da 0.5 a 4.5, Δσ pari a 1, 3, e 10 MPa, e r uguale a 5 km. Per Mw  2.5 si osserva che da una determinata frequenza (frequenza d'angolo) la curva di ampiezza originaria si separa in tre nuove curve a seconda del valore di Δσ [Lepore, 2006].

 

Fig.3 - Andamento dell'ampiezza spettrale associata ai terremoti simulati.

In Fig. 4 sono riportate le curve di SNR in funzione della frequenza calcolate dalla frequenza d'angolo per Δσ = 1, 3, 10 MPa, Mw = 2.0 ÷ 4.5, e r = 5 km. Avendo scelto di fissare la soglia a 6.5 db si osserva che per Δσ = 1 MPa solo i terremoti con Mw  3.0 superano la soglia a qualsiasi frequenza, mentre per Δσ = 3 MPa il superamento avviene già per Mw  2.5. Per Δσ = 10 MPa la curva di SNR con Mw = 2.0 non è riportata, perché la frequenza d'angolo non ricade più (vedi Fig. 3) nell'intervallo di frequenze scelto. Sulla base di quanto affermato in precedenza, si può concludere che il livello minimo di rilevamento dei terremoti è, in questo caso, Mw = 2.5 per Δσ = 3 MPa e distanza sorgente-ricevitore pari a 5 km [Lepore, 2006].

Fig.4 - Andamento del rapporto segnale-rumore in funzione della frequenza.

Bibliografia:

Bay F.: "Spectral shear-wave ground motion scaling in Switzerland", Bull. Seism. Soc. Am., 93, 414-429, 2003. 

Boashash B.: "Time-Frequency Signal Analysis and Processing", 2003. 

Boatwright J.: "A spectral theory for circular seismic sources", Bull. Seism. Soc. Am., 70, 127, 1980. 

Bormann P.: "New manual of seismological observatory practice", IASPEI, 2002. 

Dikmen U., and Mirzaoglu M.: "The seismic microzonation map of Yenisehir-Bursa, NW of Turkey, by means of ambient noise measurements", J. Balkan Geophys. Soc., 8, 53-62, 2005. 

Lepore S., Di Fiore V., and Rapolla A.: "Features of seismic microtremor signals within a building", Proceeding of the 26th GNGTS meeting, 13-15 November 2007, Roma.

Lepore S.: "Una metodologia per la determinazione del livello di detezione di una rete sismica", Tesi di Laurea, Università degli Studi di Napoli Federico II, 2006. 

McNamara D.E., and Buland R.P.: "Ambient noise levels in the continental United States", Bull. Seism. Soc. Am. 94, 1517-1527, 2004. 

Nakamura Y.: "A method for dynamic characteristics estimation of subsurface using microtremor on the ground surface", Q. Rept. Railway Tech. Res. Inst., 30, 25-33, 1989. 

Sungkono D.D.W., and Triwulan W.U.: "Evaluation of buildings strength from microtremor analyses", Int. J. Civ. Environ. Eng., 11, 108-114, 2011.

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