Relazione Attività Ianno

Identificazione e interpretazione dei pattern sismici pre-eruttivi su vulcani effusivi ed esplosivi

UR#	AFFERENZA	RESPONSABILE
1	INGV-OV	Warner Marzocchi
2	Univ. Roma 3	Roberto Scandone
3	INGV-CT	Susanna Falsperla
4	INGV-Roma 1	Antonio Piersanti

- Inizio dello sviluppo di codici numerici matematico-statistici per l´analisi multivariata da effettuare sul database.

- Implementazione del database di Benoit & McNutt relativo all´attività sismica in aree vulcaniche. In particolare, si sono aggiunti i dati relativi ai precursori delle eruzioni vulcaniche con VEI ³4 avvenute nell´ultimo mezzo secolo.

- Sviluppo di codici informatici per omogeneizzare i dati raccolti con quelli del database di Benoit & McNutt.

- Inizio della costruzione del database globale relativo all´attività sismica in aree vulcaniche in un formato compatibile con i codici numerici di analisi multivariata. I codici sono stati sviluppati in FORTRAN.

- Sviluppo di alcuni codici numerici di Pattern Recognition. Il linguaggio utilizzato è il FORTRAN. Fino ad ora si sono sviluppati due codici basati sul K-nearest neighbor rule (codice KNN) e sul Binary Decision Tree algorithm (codice BDT).

- Inizio di simulazioni numeriche per verificare le reali potenzialità dei codici di Pattern Recognition sviluppati. In particolare, si è posta e si porrà particolare attenzione alle performance dei diversi codici di analisi multivariata nel trattamento di dataset con pochi dati e aventi distribuzioni statistiche discrete e non gaussiane.

- Studio critico delle applicazioni della Pattern Recognition nell´ambito geofisico, con particolare attenzione al caso della previsione degli eventi sismici e vulcanici.

- Pianificazione di una strategia futura per l´utilizzo di tali codici numerici di Pattern Recognition in ambito internazionale, all´interno del programma WOVOdat project coordinato dal dr. Christopher Newhall, dell´USGS.

- Analisi dell´accoppiamento tra sismicità regionale ed eruzioni esplosive in collaborazione con l´unità di ricerca coordinata dal dr. Piersanti (TASK 2). I risultati ottenuti indicano che le eruzioni vulcaniche con VEI ³5 sono significativamente legate alla sismicità regionale che avviene 0-5 e circa 30 anni prima l´eruzione. Le distanze tra terremoti e vulcaniche possono anche essere mille chilometri. Si è ipotizzato che il legame sia dovuto alla propagazione dello sforzo co- e post-sismico. Una tale futura modellazione sarà uno degli obiettivi comuni di questa unità e di quella coordinata dal dr. Piersanti.

- Modellizzazione dell´evoluzione temporale delle maggiori eruzioni esplosive ed applicazione all´eruzione del Mt St Helens. L´analisi della sismicità che ha accompagnato l´eruzione del St Helens dimostra il comportamento viscoelastico delle pareti della camera magmatica con tempi di rilassamento dell´ordine dei mesi. Nel corso dell´eruzione la risposta delle pareti ad un rapido svuotamento e decompressione della camera è analogo a quello di un contenitore rigido e la sismicità profonda è causata dal raggiungimento di una decompressione dell´ordine di 5-10 MPa in periodi di tempo dell´ordine di poche ore. Se la decompressione avviene su tempi più lunghi (dell´ordine dei giorni/mesi) prevale il riaggiustamento elastico senza attività sismica.

Per lo Stromboli, la raccolta dei dati è stata curata con riferimento alle seguenti fenomenologie:

Eventi parossistici. Sono state rianalizzate le registrazioni sismiche relative alle sequenze esplosive, rapide successioni di explosion quakes associate ad un vistoso incremento dell´ampiezza del tremore vulcanico. Il materiale raccolto comprende sia registrazioni cartacee che digitali inerenti stazioni a corto periodo ed a larga banda.

Tremore vulcanico. In concomitanza con particolari momenti dell´attività eruttiva del vulcano, sono state selezionate ampie finestre temporali per uno studio sulla polarizzazione del tremore (vedi rif. 2 e 5).

Sismicità locale. Prendendo spunto da risultati di una nostra ricerca già conclusa, è stata estesa al 1999 l´analisi della sismicità crostale a carattere locale che abbraccia circa un secolo di osservazioni da catalogo. L´aggiornamento ha rivelato evoluzioni spazio-temporali delle sorgenti sismiche dei terremoti localizzati all´interno dell´edificio vulcanico, che aprono nuove prospettive nello studio dei meccanismi sismogenetici in quest´area.

Eventi a lungo periodo. La raccolta, che è in fase di avvio, è mirata all´identificazione di questi particolari eventi sismici nel corso dell´eruzione etnea iniziata il 12.07.2001. I dati verranno anche utilizzati per approfondire lo studio delle interazioni fra meccanismi di fratturazione fragile ed eventuali cracks riempiti di fluidi, a completamento di studi già avviati (vedi rif. 6).

Tremore vulcanico. La raccolta dei dati interessa un´ampia finestra temporale caratterizzata da episodi di fontane di lava ed intensa attività stromboliana. Il set selezionato costituisce un utile riferimento per l´inquadramento delle fenomenologie parossistiche che hanno preceduto l´inizio dei fenomeni fratturativi ed effusivi in corso (vedi rif.1 e 4).

- n° 8 pubblicazioni su riviste nazionali, atti, presentazioni a convegni, rapporti tecnici, etc

Sviluppo e perfezionamento del modello sferico, viscoelastico, stratificato ed autogravitante di deformazione co- e postsismica al fine di renderne possibile l´applicazione allo studio delle possibili interazioni tra attività sismica ad alto rilascio energetico ed attività vulcanica esplosiva.

Il modello di deformazione co- e postsismica di partenza [Piersanti et al., 1995; 1997] e´ stato sviluppato e perfezionato sotto vari aspetti. Inizialmente lo si è reso in gradi di calcolare lo sviluppo temporale del campo di stress associato ad un evento sismico su scala locale [Nostro et al., 2001] utilizzando un approccio ibrido geometria sferica/geometria piana applicabile, con buona approssimazione, su scala locale. Il passo successivo, è stato quello di passare dall´approccio ibrido sferico/piano ad un approccio completamente in geometria sferica che permettesse di calcolare l´evoluzione del tensore dello sforzo associato ad un evento sismico in qualsiasi punto del volume terrestre. Dal punto di vista numerico, la difficoltà maggiore nel realizzare un progetto di questo genere consiste nell´altissima precisione numerica richiesta per calcolare le componenti armoniche del tensore degli sforzi per gradi armonici fino a 10.000, necessari per assicurare la convergenza della soluzione in tutte le configurazioni oggetto delle nostre indagini. In particolare, rispetto alle componenti del campo di spostamento, in geometria sferica il calcolo completo del tensore degli sforzi implica la conoscenza delle derivate seconde angolari delle funzioni armoniche sferiche che sono estremamente critiche dal punto di vista della precisione numerica. Successivamente al raggiungimento di questo obbiettivo, i nostri sforzi si sono diretti principalmente in due direzioni. Da una parte, abbiamo dato il via ad una serie di prime applicazioni allo studio del trasferimento di sforzo dalle strutture sismiche a quelle vulcaniche, simulando l´effetto di tutti i terremoti con magnitudo superiore o uguale a 7 (circa 800), avvenuti nell´ultimo secolo, sulle strutture vulcaniche che hanno dato luogo alle più grandi eruzioni esplosive degli ultimi anni (VEI ³ 5). Dall´altra, per poter effettuare simulazioni di maggiore complessità (maggiore dettaglio spazio-temporale, introduzione di ulteriori complessità reologiche, simulazioni modellistico-statistiche utilizzando cataloghi sismici sintetici), stiamo operando il porting e, successivamente, l´ottimizzazione dei nostri codici numerici su di un cluster di supecomputers vettoriali/paralleli NEC SX4.-IBM SP2.

- realizzazione e messa a punto dei pacchetti numerici SferoPiano e VEI (Vulcan Earthquake global Interaction). Si tratta di codici piuttosto complessi: VEI è un pacchetto di parecchie migliaia di righe di programmazione ed una simulazione realistica richiede un tempo macchina su un server scalare di alto livello che va da un giorno ad un mese.

W. Marzocchi, 2001. Remote seismic triggering of large explosive eruptions. J. Geophys. Res., in stampa.

Scandone R., Giacomelli L, 2001. The slow boiling of magma chambers and the dynamics of explosive eruption, in stampa J. Volcanol. Geoth. Res.

Scandone R., Giacomelli L, 2000, Il risveglio dei vulcani esplosivi, Le Scienze, 386, 90-97.

Scandone R., Giacomelli L, 2000, The temporal evolution of explosive eruptions, Atti Convegno GNGTS, Roma, Ottobre 2000, (abstract)

A. Bonaccorso, J.C. Bousquet, N. Bruno, G. Budetta, T. Caltabiano, S. Calvari, D. Carbone, M. Coltelli, R. Corsaro, P. Del Carlo, C. Del Negro, S. Falsaperla, F. Greco, G. Lanzafame, D. Patanè, M. Pompilio, E. Privitera, G. Puglisi, R. Romano, S. Spampinato (2000). L´Etna: stato del vulcano al giugno 2000 e prospettive di attività. Rapporto Istituto Naz. Geof. Vulcan., 55 pp.

S. Falsaperla (2001). Shallow and deep origin of fluid replenishment at Stromboli (Italy): insights from seismic data. Agreement on scientific cooperation DFG-CNR, Final report, Prot. N. 039214, 7 pp.

S. Falsaperla & C. Cardaci (2000). Seismic activity at Stromboli in 1996. In stampa su Acta Vulcanol., 12, 1, 109-111.

S. Falsaperla, D. Patanè, E. Privitera, S. Spampinato (2000). Seismic monitoring of Etna. In: “Mt. Etna: the state of the volcano at June 2000 and overview of activity”. Presentato nella sessione poster del Giubileo dei Ricercatori sul tema: "Contribution of earth science to the mitigation of natural hazards", Roma 6 – 10 Settembre, 2000.

S. Falsaperla & H. Langer (2000). Long-term dynamics of eruptive activity at Stromboli volcano (Italy): insights from volcanic tremor data. Presentato al Fall Meeting di San Francisco, 15 – 19 Dicembre, 2000, EOS Trans. AGU Fall Meet. Suppl., 81: V52F.

S. Falsaperla, E. Privitera, B. Chouet, P. Dawson (2001). Analysis of long period events recorded on Mt. Etna (Italy) in 1992, and their relationship with eruptive activity. Sottoposto a J. Volcanol. Geoth. Res.

Nostro, C., A. Piersanti and M. Cocco, Normal fault interaction caused by coseismic and postseismic stress changes, J. Geophys. Res, in stampa, 2001.

Casarotti E., A. Piersanti, F. P. Lucente and E. Boschi, Global postseismic stress diffusion and fault interaction at long distances, Earth Plan. Sci. Lett. in stampa, 2001.

Casarotti, E., A. Piersanti, F. P. Lucente and E. Boschi, Global postseismic stress diffusion and fault interaction at long distances, riassunto esteso XIX conv. G.N.G.T.S., 2000.

Casarotti, E., A. Piersanti, F. P. Lucente and E. Boschi, Global postseismic stress diffusion and fault interaction at long distances, AGU Fall Meeting, 2000.

Marzocchi, W., E. Casarotti, and A. Piersanti, Large remote earthquakes promote the occurrence of large explosive eruptions, AGU Fall Meeting, 2000.

Casarotti, E., A. Piersanti, F. P. Lucente, Global postseismic stress diffusion and fault interaction at long distances, XXVI EGS Assembly, 2001

UR#	AFFERENZA	RESPONSABILE
1	CNR-CGSDA	Pareschi Maria Teresa
2	art. 23 CSGSDA-CNR	Favalli Massimiliano
3	Borsita	Marina Bisson
4	assegno ricerca CNR-CGSDA	Sulpizio Roberto
5	assegno ricerca Dipartimento di Scienze della Terra, Pisa	Zanchetta Giovanni

- La creazione (o completamento) di DEM per i principali vulcani attivi italiani

E´ stato realizzato un DEM delle Isole Eolie con passo 5m, comprensivo anche della parte batimetrica. I dati sono stati ottenuti a partire da 253 fotogrammi (230mmx230mm) alla scala effettiva 1:23,000, datati 1994-95. L´errore altimetrico è inferiore ai 2m. Per l´area del cono dell´Isola di Vulcano si sono usati dati di Achilli et al. (1998), con un errore altimetrico inferiore ai 50cm.

La parte batimetrica (avente un´estensione di 2700km2) è stata ricostruita a partire da punti dell´IGM, disponibili lungo rotte distanti da qualche decina ad alcune centinaia di metri l´una dall´altra, in funzione della distanza dalla costa, radiali e parallele alle coste stesse. E´ stato sottomesso un lavoro sulla ricostruzione del DTM delle Eolie, comprendente sia la parte emersa che batimetrica, oltre che un lavoro su rivista nazionale, presentazioni a convegni ecc.

I dati di Vulcano sono stati utilizzati, unitamente ad immagini MIVIS, per una analisi delle zone alterare dal punto di vista idrotermale.

A partire dal DEM sono state individuate le nicchie di distacco e la parte a mare del deposito di numerose debris avanches alle isole Eolie. Si tratta di una identificazione completamente nuova in alcuni casi, in altri si modificano proposte avanzate, o, rispetto ai dati di letteratura, viene completata l´informazione grazie alla parte batimetrica. Si sono stimati i volumi delle debris avalanches individuate e si è identificato una zona potenzialmente soggetta a un collassamento nella parte nord del cono di Vulcano. Lo slittamento a mare potrebbe essere causa di danni notevoli, legati in particolare a un´onda di tsunami. E´ stato sottomesso un lavoro in cui si identificano le debris avalanches, i volumi relativi (con l´analisi combinata del DTM emerso e dei depositi a mare) e le età attraverso una datazione delle formazioni precedenti e successive.

Il TIN è stato realizzato per l´intera regione. E´ di grande risoluzione. Per la sua realizzazione si sono usate curve di livello e punti quotati sparsi, applicando per l´interpolazione un algoritmo che pensiamo di brevettare. I dati ricavati hanno permesso di realizzare analisi morfologiche di propensione al dissesto sia al Vesuvio, che sugli Appennini verso Est (valle del Clanio), sottovento rispetto alle eruzioni pliniane del Vesuvio. I risultati sono stati oggetto di un articolo pubblicato su Geology e recentemente di un articolo in press su Geomorphology. I dati del DTM sono stati usati anche per la simulazione degli alluvionamenti nella zona a Nord del Vulcano.

Per quanto riguarda la realizzazione del sito web, su cui consultare i DEMs dei vulcani Italiani ed eventualmente dampare i dati, e in generale il progetto per la messa in rete di cartografia tematica, lo schema di riferimento è stato disegnato, ma non ancora implementato. Questo è dovuto al fatto che avevo avuto una assegnazione nel primo anno di 120 mil., di cui 28 mi sono stati dati direttamente presso il mio Centro e gli altri su fondi direzione. Di questi ultimi ho potuto spendere L.20.545.994. I restanti fondi non sono risultati disponibili. Mancano all´appello dunque circa 72 milioni che non mi hanno consentito di comprare il software di base per la messa in rete e la realizzazione del sito.

- n° pubblicazioni su riviste nazionali, atti, presentazioni a convegni, rapporti tecnici, carte, etc

Pareschi M.T., Favalli M., Giannini F., Sulpizio R., Zanchetta G., Santacroce R. May 5, 1998, Debris flows in circumvesuvian areas (Southern Italy), insights for hazard assessment, Geology, 28, 7, 639-642.

Pareschi M.T., L.Cavarra, M.Favalli, F.Giannini, 2000, GIS and Volcanic Risk management, Natural Hazard, 21, 361-379.

Pareschi, Santacroce, Sulpizio, Zanchetta, Volcanoclastic debris flows in the Clanio Valley (Campania, Italy): Insight for the assessment of hazard potential, Geomorphology, accepted.

Mazzarini F., Pareschi M.T., Sbrana A., Favalli M., Fulignati P., Surface hydrothermal alteration mapping at Vulcano Island using MIVIS data, Internation Journal of Remote Sensing, 2001, 22, 11, 2045-2070.

Pareschi M.T., G.Stefani, A.Varone, L.Cavarra, F.Giannini, A GIS for the archaeological area of Pompeii, Volcanoes Earthquakes & archaeology, McGuire WG, Griffiths DR, Hancock PL, Stewart IS (eds), The Archeology of Geological Catastophes, Geological Society of London, Special Publications, 2000, 171, 143-158.

M.Favalli, M.T.Pareschi, L.Sinapi, M.Bisson, A.Mori, A morphometric model of the Aeolian Islands, Geodinamica Acta, submitted

M.Favalli, R.Mazzuoli, M.T.Pareschi, Large landslides on the volcanic flanks of Aeolian Islands (South Italy) evidenced by DEM images: inferences on natural hazards, submitted

F.Mazzarini, M.T.Pareschi, Uso dei dati MIVIS per il rilevamento dell´alterazione idrotermale in aree vulcaniche attive: l´esempio dell´isola di Vulcano, Seminario “I dati Iperspettrali MIVIS: ricerca e applicazioni”, 7-8 Giugno 2000, GISFORM, Colorno (Pr).

M. Favalli, F.Mazzarini, M.T. Pareschi, Simulation of Volcanic plume dispersion at Mt.Etna (Sicily, Italy), 2001 General Assembly of the EGS, Nice, 26-30 March, 2001.

M.T.Pareschi, GIS tecnology for Volcanic risk management and mitigation, NATO Advanced Research Workshop, GIS for Emergency Preparedness and Health Risk Reduction, Budapest, 22nd-25th April 2001, pag. 32.

M. Favalli, G.Graziani, M.T. Pareschi, M. Ranci, The simulation of non explosive volcanic emissions: the case of the SO2 from the Etna crater, Seventh International Conference on Harmonisation within Atmospheric Dispersion Modelling for Regulatory Purposes, 28-31 May, 2001, Belgirate (Lake Maggiore), Italy

M.T. Pareschi, M.Rosi, A.Meriggi, GIS and Volcanic Risk Management, abstract accepted for oral presentation at the International conference: Cities on Volcanoes, 12-16 February 2001, New Zealand.

Leoni F.M., Pareschi M.T., Santacroce R., Sulpizio R., Zanchetta G, Volcanoclastic debris flows in circumvulcanic areas: the May 5-6 1998, event in the Campanian region, Italy, II International Conference: Cities on Volcanoes, New Zeland, 12-16 February 2001.

S. Barontini , S. Cavazza, M.T. Pareschi , G. Zanchetta , Delineation of sin-eruptive floods in circumvesuvian plain, 2001 General Assembly of the EGS, Nice, 26-30 March, 2001.

M.T. Pareschi, M. Favalli, F. Giannini, M. Bisson, A. Meriggi, Modello altimetrico delle isole Eolie, IAC, Firenze, 2001.

M.Favalli, A. Mori, M.T.Pareschi, L.Sinapi, Il modello tridimensionale dell´arcipelago Eoliano, un esemio di integrazione tra rilievo fotogrammetrico e batimetrico, Bollettino SIFET, in press.