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SHAKEmovie: Propagazione delle onde sismiche del terremoto (Mw 5.5), 18 gennaio 2017 in provincia dell’Aquila

L’INGV ha realizzato il video dell’animazione della propagazione sulla superficie terrestre delle onde sismiche generate dal terremoto di magnitudo Mw 5.5 delle ore 11.14 italiane del 18 gennaio 2017 che ha coinvolto le province di L’Aquila e Rieti.


Le onde di colore blu indicano che il suolo si sta muovendo velocemente verso il basso, quelle di colore rosso indicano che il suolo si sta muovendo verso l’alto. L’intensità del colore è maggiore per spostamenti verticali più veloci.
Ogni secondo dell’animazione rappresenta un secondo in tempo reale.
La velocità e l’ampiezza delle onde sismiche dipende dalle caratteristiche della sorgente sismica, dal tipo di suolo che attraversano e anche dalla topografia. Esse, quindi, non si propagano in maniera uniforme nello spazio e luoghi posti alla stessa distanza dall’epicentro risentono del terremoto in maniera completamente diversa.

La procedura con cui è stata generata l’animazione è descritta in questo articolo.

a cura di Emanuele Casarotti e Federica Magnoni (INGV).


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Le shakemap: una pronta ed efficace visualizzazione dello scuotimento prodotto da un terremoto

Le mappe di scuotimento (ShakeMap) forniscono una immediata visualizzazione del livello di scuotimento (shaking) di una zona colpita o interessata da un terremoto.
L’INGV da diversi anni calcola le ShakeMap (http://shakemap.rm.ingv.it; http://cnt.rm.ingv.it/help#impatto) che riportano i valori di picco registrati da accelerometri e sismometri, principalmente forniti dalla Rete Accelerometrica Nazionale (RAN) del Dipartimento per la Protezione Civile e dalla Rete Sismica Nazionale (RSN) dell’INGV, presenti nella zona del terremoto. Ove non sono presenti valori osservati, il software interpola i dati avvalendosi, ad esempio, delle leggi di attenuazione dello scuotimento con la distanza disponibili per l’area in esame.

Le mappe riportano sia valori fisici come ad esempio accelerazione e velocità di picco del suolo sulle componenti orizzontali, che una trasposizione di questi valori in intensità macrosismica (Mercalli Cancani Sieberg, MCS) che ovviamente non è osservata ma stimata dai dati. Questa distribuzione del risentimento atteso fornisce una prima indicazione sul livello di scuotimento osservato e quindi del potenziale impatto, informazione molto utile alla Protezione Civile per il coordinamento e l’organizzazione delle squadre di soccorso in caso di terremoti rilevanti.

intensity_M6_main

ShakeMap (mappa di scuotimento) espressa in intensità strumentale (scala di intensità Mercalli-Cancani-Sieberg, MCS) dell’evento principale M6.0 delle ore 03.36 italiane del 24 agosto 2016, determinata utilizzando i dati della Rete Sismica Nazionale dell’INGV (triangoli rossi), della Rete Accelerometrica Nazionale (RAN, triangoli blu) e la faglia estesa ricavata da dati sismologici (rettangolo grigio). La stella rappresenta l’epicentro.

La mappa di scuotimento dell’evento principale di magnitudo M6.0 avvenuto alle ore 03.36 italiane del 24 agosto 2016 (mostrata nella figura sopra) espressa in termini di intensità in scala Mercalli-Cancani-Sieberg (MCS) è ottenuta convertendo i valori di picco del moto del suolo (espresso in termini di accelerazione e in velocità) in intensità attraverso una relazione empirica ricavate dai dati registrati e macrosismici disponibili.

La legenda riportata alla base della figura indica la scala per la conversione da valori di accelerazione e velocità a intensità. Nel caso specifico, il valore massimo è superiore al grado VIII della scala MCS, mentre valori minimi ai bordi della mappa sono circa del V-VI grado.

Figura 2. Medesime mappe di scuotimento della Figura 1 presentate in forma semplificata. In particolare, le mappe evidenziano il livello di scuotimento utilizzando colori vieppiù “caldi” man mano che scuotimento aumenta. La dicitura WEAK-STRONG-SEVERE (debole-forte-severa) consente una rapida valutazione anche del potenziale impatto dell’evento.

Confronto tra le mappe di scuotimento (in forma semplificata) di quattro diversi terremoti della sequenza sismica in corso in Italia centrale. In particolare, le mappe evidenziano il livello di scuotimento utilizzando colori più caldi (dall’azzurro al rosso intenso) man mano che scuotimento aumenta. La dicitura WEAK-STRONG-SEVERE (debole-forte-severo) definisce il livello di scuotimento (shaking) e consente una rapida valutazione del potenziale impatto dell’evento.

Nella figura qui sopra sono mostrate le mappe semplificate di quattro diversi terremoti della sequenza sismica in Italia centraleil terremoto di magnitudo M3.1 avvenuto il 1 settembre alle ore 01.55 UTC in provincia di Macerataquello di magnitudo M4.2 avvenuto il 28 Agosto alle ore 15.55 UTC in provincia di Ascoli Picenoil terremoto di magnitudo M5.3 avvenuto il 24 Agosto alle ore 02.33 UTC in provincia di Perugia e l’evento principale della sequenza, di magnitudo M6.0 avvenuto il 24 Agosto alle ore 01.36 UTC in provincia di Rieti.

Tali mappe adottano la stessa scala di colore per le intensità fornendo, tramite la dicitura WEAK-STRONG-SEVERE (debole-forte-severo), anche una prima idea del livello di scuotimento del suolo prodotto dal terremoto. In pratica, con WEAK (azzurro) lo scuotimento è appena avvertito. Con STRONG (verde-giallo) la scossa si avverte molto distintamente e forte e, in taluni casi, potrebbe anche causare danni lievi (per es. crepe nell’intonaco). Infine, lo scuotimento è molto forte (SEVERE) arrecando danni consistenti fino al collasso di interi edifici quando il colore passa dall’arancio al rosso intenso.
Nel confrontare le mappe calcolate per i quattro eventi sismici, è importante ricordare che, in termini di energia elastica rilasciata durante il processo di rottura sulla faglia all’origine del terremoto, vi è un fattore di 32 per ogni unità di magnitudo. Pertanto, tra terremoti di magnitudo M3.1 e di magnitudo M6.0, l’energia rilasciata si differenzia di circa 30.000 volte (vedi anche http://cnt.rm.ingv.it/help#magnitudo).
Le mappe illustrano proprio la differenza di scuotimento indotto da terremoti che rilasciano, come onde sismiche e quasi istantaneamente, quantità  molto diverse di energia elastica immagazzinata precedentemente nelle rocce stesse.

a cura di Alberto Michelini, Licia Faenza e Valentino Lauciani, INGV-CNT.

Nota: Le ShakeMap, calcolate per tutti i terremoti con magnitudo M ≥ 3.0 che si verificano in Italia e nelle zone circostanti, sono pubblicate sul sito web http://shakemap.rm.ingv.it/. Qualora risultino disponibili nuove informazioni o ulteriori dati relativi al terremoto (e.g. la dimensione della faglia del terremoto -faglia estesa-, nuovi dati da reti gestite da altri enti) le mappe vengono aggiornate per migliorare la definizione dello scuotimento del terreno, in particolare nelle zone epicentrali.


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Visualizziamo in 3D la faglia sorgente del terremoto di Amatrice

In questo video 3D viene mostrata una rappresentazione al computer della localizzazione preliminare del piano medio di rottura (piano che approssima la faglia sorgente) del terremoto di Amatrice del 24 agosto ore 03:36 italiane.

Il piano è stato ottenuto da un modello matematico che utilizza i valori dello spostamento del suolo dovuti alla dislocazione profonda della faglia, ricavati da dati satellitari InSAR (ulteriori informazioni nel report INGV).

L’evento principale della sequenza, di magnitudo 6.0 è il simbolo rosso. I simboli viola sono gli altri eventi maggiori della sequenza. I puntini neri sono tutti gli altri eventi localizzati dall’INGV fino al 29 agosto.
I colori sul piano di faglia indicano il valore dello scorrimento relativo dei due lembi di crosta terrestre sui due lati della rottura, variabile tra il grigio = 0 e il blu = 1.3 metri.

Il paese di Accumoli si trova sulla verticale dell’area di massimo scorrimento sulla faglia (area blu più superficiale).

Sulla superficie le linee rosse rappresentano le tracce di faglie dalla bibliografia geologica, mentre la linea viola indica l’emersione del piano di faglia stimato dal modello. La traccia della faglia sorgente individuata è molto vicina alle tracce delle faglie del M. Gorzano/Laga, a sud, e alla faglia del M. Vettore a nord.
Il modello, benché attualmente basato su decine di migliaia di punti di misura, non è ancora definitivo e la posizione della traccia (o anche il numero delle faglie) potrebbero cambiare.


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SHAKEmovie: Propagazione delle onde sismiche del terremoto (Mw 6.0), 24 agosto 2016 in provincia di Rieti

L’INGV ha realizzato il video dell’animazione della propagazione sulla superficie terrestre delle onde sismiche generate dal terremoto di Mw 6.0 delle ore 03.36 del 24 agosto 2016 che ha coinvolto le province di Rieti, L’Aquila, Perugia, Ascoli Piceno, Teramo.


Le onde di colore blu indicano che il suolo si sta muovendo velocemente verso il basso, quelle di colore rosso indicano che il suolo si sta muovendo verso l’alto. L’intensità del colore è maggiore per spostamenti verticali più veloci.
Ogni secondo dell’animazione rappresenta un secondo in tempo reale.
La velocità e l’ampiezza delle onde sismiche dipende dalle caratteristiche della sorgente sismica, dal tipo di suolo che attraversano e anche dalla topografia. Esse, quindi, non si propagano in maniera uniforme nello spazio e luoghi posti alla stessa distanza dall’epicentro risentono del terremoto in maniera completamente diversa.

L’animazione è generata attraverso questa procedura:

1) le onde sismiche sono registrate dei sismometri della Rete Sismica Nazionale dell’INGV e vengono analizzati per determinare i parametri fondamentali del terremoto come epicentro, tempo origine, magnitudo. Per i terremoti con magnitudo superiore a 3.5 viene calcolato anche il “tensore del momento sismico” che è una descrizione matematica delle forze in gioco sulla faglia che ha generato l’evento.

2) viene costruito un modello tridimensionale della regione interessata che include complessità geologiche come la Moho e la presenza di suoli “soffici” (come i sedimenti alluvionali della Pianura Padana e di alcuni bacini appenninici).

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La tomografia sismica è un metodo usato per lo studio dell’interno della terra in cui determinare la velocità delle onde sismiche attraverso l’analisi dei sismogrammi. In figura alcune sezioni del modello tomografico 3D utilizzato in questa simulazione, i colori rappresentano le diverse velocità delle onde sismiche P, dal rosso (2000 m/s) nelle aree con velocità minori (bacini alluvionali) fino al blu scuro (8000 m/s) nelle aree più veloci. (Di Stefano & Ciaccio 2014)

3) utilizzando il modello 3D ed il tensore momento sismico, viene simulata la propagazione delle onde sismiche tenengo conto della risposta sismica locale, come l’amplificazione delle onde nei bacini alluvionali (terreni soffici) e l’aumento di velocità delle onde in terreni rocciosi.
Le equazioni sono risolte attraverso il software SPECFEM3D (Peter et al. 2012, https://github.com/geodynamics/specfem3d), al cui sviluppo collaborano ricercatori INGV.

4) i sismogrammi e l’evoluzione dei valori della velocità del suolo sulla superficie terrestre sono salvati e visualizzati attraverso Paraview (http://www.paraview.org)

Questo tipo di simulazioni è possibile solo recentemente, da quando sono disponibili supercomputer che permettono di eseguire calcoli in parallelo. Per questa simulazione (relativamente piccola) sono stati utilizzati 512 processori, per un totale di 5000 minuti di tempo calcolo e 256 GB di memoria.

L’analisi della differenze tra i sismogrammi prodotti da questo tipo di simulazioni e quelli misurati in realtà offrono informazioni cruciali non solo per la determinazione della sorgente sismica e delle caratteristiche del sottosuolo ma anche per la previsione delle scuotimento del suolo prodotto da ipotetici eventi sismici.

Dettaglio tecnico:
per ridurre i tempi di calcolo e viste le limitate conoscenze attuali dei dettagli del sottosuolo, la simulazione in questa animazione è relativamente “a bassa frequenza”, visualizza cioè le frequenze delle onde fino a 0.5 Hz. Questo significa che il fronte d’onda “interagisce” con oggetti delle dimensioni di 1.5-2 km. La risposta sismica locale è quindi limitata agli effetti di strutture geologiche di queste dimensioni. Aumentando il contenuto in frequenze, si evidenzierebbero dettagli più piccoli e, ad esempio, l’amplificazione dovuta ai sedimenti.

a cura di Emanuele Casarotti e Federica Magnoni (INGV).


Bibliografia:

Peter Daniel, Dimitri Komatitsch, Yang Luo, Roland Martin, Nicolas Le Goff, Emanuele Casarotti, Pieyre Le Loher, et al. 2011. “Forward and Adjoint Simulations of Seismic Wave Propagation on Fully Unstructured Hexahedral Meshes.” Geophys. J. Int. 186 (2): 721–39. doi:10.1111/j.1365-246X.2011.05044.x.

Global Shakemovie: http://global.shakemovie.princeton.edu

R. Di Stefano, M.G. Ciaccio, The lithosphere and asthenosphere system in Italy as inferred from the Vp and Vs 3D velocity model and Moho map, Journal of Geodynamics, Volume 82, December 2014, Pages 16-25, ISSN 0264-3707, http://dx.doi.org/10.1016/j.jog.2014.09.006.


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