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FURTHER - The role of FlUids in the pReparaTory pHase of EaRthquakes in Southern Apennines

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Francesca Di Luccio

L'obiettivo di questo progetto è stabilire il ruolo dei fluidi nella fase preparatoria dei terremoti in Appennino meridionale. Ci proponiamo di studiare l'intero percorso dei fluidi dalla sorgente alla crosta superiore dove si verificano i maggiori terremoti, utilizzando un approccio interdisciplinare che include dati sismologici, geochimici, geodetici e geo-spaziali. L'interazione di fluidi, strutture attive poco profonde e profonde e la sismicità sarà esplorata a scala locale e regionale rivelando la struttura sismica sotto l'Appennino meridionale, ma anche a larga scala mettendo in evidenza segnali, se ce ne sono, che possono essere interpretati come precursori di grandi terremoti.

Ci concentreremo su tre aree dell'Appennino meridionale, in particolare le catene montuose del Sannio-Matese e del Pollino, e l'area di degassamento della CO2 profonda nella zona di Mefite d'Ansanto, che copre una superficie di ~ 700 m2 (Figure 1 e 2). Abbiamo selezionato queste aree target perché a) sono sismicamente attive, b) sono caratterizzate da emissioni di gas ricche di CO2 e / o acque termali, e c) in queste regioni l’occorrenza dei terremoti è stata già messa in relazione alla presenza di fluidi (Amoroso et al., 2017; Chiodini et al., 2010; Di Luccio et al.2018; Esposito et al., 2020; Napolitano et al., 2019). Uno studio sistematico e multidisciplinare delle tre aree contribuirà a comprendere la relazione tra degassamento superficiale e sismicità da scala locale a scala regionale. La motivazione del nostro studio nasce dal voler rispondere alle seguenti domande: è la sismicità che innesca la risalita dei fluidi in superficie o invece i movimenti fluidi sono la sorgente della sismicità? In che modo i fluidi risalgono in superficie? I fluidi modulano l'ampiezza e la profondità dei terremoti? In che modo l'attività sismica e la deformazione superficiale influenzano il ciclo idrologico delle grandi falde acquifere? In che modo la struttura 3D della litosfera e del mantello dell'Appennino meridionale cambia con o agevola la risalita di fluidi ricchi di CO2 di origine profonda durante i grossi terremoti? A larga scala, l'accoppiamento litosfera-atmosfera-ionosfera mostra qualche segnale di coinvolgimento di fluidi nella fase preparatoria dei terremoti?

Per rispondere a queste domande, dobbiamo capire la relazione causa-effetto tra fluidi e sismicità nelle aree target, studiando l’evoluzione spazio-temporale della dinamica dell’Appennino meridionale. Per fare questo raccoglieremo e analizzeremo i dati e i risultati che otterremo dalle seguenti attività di ricerca:

• Implementazione di un esperimento temporaneo per monitorare la sismicità, le emissioni di CO2 e la deformazione nel sito di Mefite d'Ansanto.
• Creazione di cataloghi di terremoti ad alta risoluzione della sismicità dell'Appennino meridionale, combinando la detezione di eventi con tecniche di “matched filters” e “Convolutional Neural Networks” con tecniche di localizzazione sismica di alta precisione a loro volta basate su metodi di cross-correlazione e doppia differenza in grado di mettere in evidenza nei dettagli la geometria delle faglie attive e l’andamento della sismicità.
• Il catalogo così rifinito verrà poi utilizzato per l’applicazione di tecniche di tomografia a scala locale (Local Earthquake Tomography, LET) e per l'analisi dei parametri anisotropi. Le variazioni crostali delle velocità sismiche e di VP / VS nel tempo e nello spazio saranno utilizzate per caratterizzare le zone di faglia, rivelare sorgenti di fluidi, indagare i cambiamenti precursori della sismicità e le proprietà fisico - idrauliche nelle regioni interessate da sciami o sequenze sismiche.
• Uno studio completo del campo d'onda di fasi convertite (convertite P-S e “Receiver Function”, RFs, S-P) dai terremoti telesismici ci permetterà di vincolare la struttura dell'Appennino meridionale (inclusi lo spessore dei sedimenti e della crosta, nonché la distribuzione dei fluidi).
• Analizzeremo le complessità delle forme d'onda a larga banda delle fasi P e S e la loro dipendenza dall’azimut implementando dei modelli alle differenze finite che ci permettano di risolvere e vincolare le caratteristiche strutturali dei siti di registrazione.
• Caratterizzazione dell'evoluzione spaziale e temporale delle sorgenti sismiche. Determinazione delle soluzioni del tensore momento e dei rapporti spettrali S / P per lo studio del processo di rottura. Verrà anche eseguita l’analisi della “slip tendency” delle faglie a diverse pressioni di fluido.

• Analisi della sismicità e di “ambient noise” utilizzando tecniche di array nel dominio del tempo e della frequenza.
• Analisi della sismicità storica e studio delle interazioni tra terremoti e processi idrologici.
• Raccolta di serie storiche di degassamento della CO2 terrestre; confronto delle misure raccolte e dei dati idrogeologici con l'evoluzione temporale della sismicità registrata e delle deformazioni superficiali.
• Analisi delle serie temporali delle stazioni GPS (GNSS) che ci consentono di correlare le variazioni di deformazione con i flussi di fluidi sia superficiali che profondi.
• Analisi dell’accoppiamento dei geo-strati litosfera, atmosfera e ionosfera (LAIC) mediante dati satellitari, atmosferici e sismici.

Un ulteriore obiettivo rilevante del nostro studio multidisciplinare è rafforzare la collaborazione tra i ricercatori INGV in diversi campi delle Geoscienze per creare un pool di esperti in grado di far avanzare la comprensione dei processi geodinamici e quindi di contribuire a ridurre l'impatto dei disastri naturali. La collaborazione di esperti INGV con ricercatori della Louisiana State University (LSU), dell'Università della Calabria (UNICAL) e dell'Università di Perugia (UNIPG) che lavorano sulla modellazione geodinamica e sulla geofisica crostale, riunendo diverse competenze in Scienze della Terra sarà il punto di forza e stimolerà le attività di ricerca.

Gli obiettivi delle attività e delle ricerche proposte corrispondono perfettamente ai “Terms of Reference” menzionati nelle Call for Proposal dei Dipartimenti Terremoti, Vulcani e Ambiente. Proponiamo uno studio multidisciplinare all'avanguardia in aree sismiche caratterizzate da fluidi di origine poco conosciuta combinando metodologie innovative e consolidate.

Il progetto include personale proveniente da diverse Sezioni INGV: Sismologia e Tettonofisica (Roma1); Osservatorio Nazionale Terremoti (ONT); Geomagnetismo, Aeronomia e Geofisica Ambientale (Roma2); Osservatorio Vesuviano (OV); Osservatorio Etneo (OE); Bologna; Pisa.

Bibliografia

Amoroso et al. (2017). From velocity and attenuation tomography to rock physical modeling: Inferences on fluid-driven earthquake processes at the Irpinia fault system in southern Italy. Geophys. Res. Lett., https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/2016GL072346

Chiodini et al. (2010). Non‐volcanic CO2 Earth degassing: Case of Mefite d’Ansanto (southern Apennines), Italy. Geophys. Res. Lett., https://doi.org/10.1029/2010GL042858

Di Luccio et al. (2018). Seismic signature of active intrusions in mountain chains. Sci. Adv. https://advances.sciencemag.org/content/4/1/e1701825

Esposito et al. (2020). Concurrent deformation processes in the Matese massif area (Central-Southern Apennines, Italy). Tectonophysics, https://doi.org/10.1016/j.tecto.2019.228234

Napolitano et al. (2019). Scattering and absorption imaging of a highly fractured fluid-filled seismogenetic volume in a region of slow deformation. Geoscience Frontiers, https://doi.org/10.1016/j.gsf.2019.09.014

Le attività di ricerca proposte sono organizzate in 5 Work Package (WP) come descritto di seguito e il Coordinatore Scientifico di ogni WP è indicato in grassetto.

WP 1. Sismologia

WP 1.1. Cataloghi Sismici ad alta risoluzione. Coordinatore scientifico: L. Valoroso 

Personale: S. Cianetti, P. De Gori, C. Giunchi, L. Improta, D. Piccinini, L. Zuccarello)

WP 1.2. Struttura sismica. Coordinatore scientifico: C. Piromallo

Personale: P. De Gori, F. Di Luccio, L. Improta, P. Persaud, D. Piccinini, R. Tondi, L. Valoroso, G. Ventura)

WP 1.3. Sorgente sismica. Coordinatore scientifico: G. Calderoni

Personale: P. Roselli, L. Scognamiglio

WP 1.4. Sismicità e ambient noise. Coordinatore scientifico: P. Cusano 

Personale: P. Del Gaudio, D. Galluzzo, G. Gaudiosi, A. Gervasi, M. La Rocca, G. Milano, L. Nardone, S. Petrosino, L. Zuccarello

WP 2. sismicità storica. Coordinatore scientifico: L. Cucci

Personale: C. Castellano, A. Tertulliani

WP 3. Geochimica. Coordinatore scientifico: N. Voltattorni

Personale: C. Cardellini, G. Chiodini, D. Cinti, A. Gasparini, L. Pizzino, A. Sciarra): 

WP 4. Geodesia. Coordinatore scientifico: A. Esposito

Personale: G. Brandi, A. Galvani, M. Palano, G. Pietrantonio, F. Riguzzi, V. Sepe)

WP 5. Geo-spazio. Coordinatore scientifico: A. De Santis

Personale: G. Cianchini, A. Piscini, D. Sabbagh

La Proposta è organizzata in 6 Unità di Ricerca (RU) per coordinare il budget assegnato. Abbiamo limitato il numero di RU come richiesto. Sono indicate le UR, i coordinatori, il personale e il WP di riferimento, mentre non sono inclusi nelle UR il Personale di altre istituzioni.

RU1-Pisa. Catalogo dei terremoti. Coordinatore: D. Piccinini

Personale: S. Cianetti, C. Giunchi, L. Zuccarello (PISA, WP1.2 & WP1.4) 

1. De Gori, L. Improta, L. Valoroso (ONT, WP1.1 & WP1.2)

RU2-RM1A.Sismologia. Coordinatore: C. Piromallo

Personale: F. Di Luccio, R. Tondi, G. Ventura (ROMA 1, WP1.2) 

1. Calderoni, P. Roselli, L. Scognamiglio (ROMA 1, WP1.3) 
2. Castellano, L. Cucci, A. Tertulliani (ROMA 1, WP2) 

RU3-RM1B. Geochimica. Coordinatore: A. Sciarra

Personale: G. Chiodini, D. Cinti, A. Gasparini, L. Pizzino, N. Voltattorni (ROMA1, WP3)

RU4-ONT. Geodesia. Coordinatore: A. Esposito

Personale: A. Galvani, G. Pietrantonio, F. Riguzzi, V. Sepe (ONT, WP4)

1. Palano (CT, WP4)

RU5-RM2. Geo-spazio. Coordinatore: A. De Santis

Personale: G. Cianchini, A. Piscini, D. Sabbagh (ROMA 2, WP5)

RU6-NA. Sismicità e ambient noise. Coordinatore: P. Cusano

Personale: G. Del Gaudio (ONT), D. Galuzzo (OV), G. Gaudiosi (OV), A. Gervasi (ONT), G. Milano (OV), L. Nardone (OV), S. Petrosino (OV)

FURTHER - The role of FlUids in the pReparaTory pHase of EaRthquakes in Southern Apennines

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Francesca Di Luccio

The goal of this project is to establish the role of fluids in the preparatory phase of earthquakes in the Southern Apennines, Italy. We aim to investigate the whole pathway of fluids from the source to the upper crust where major earthquakes occur, using a cross-disciplinary approach that includes seismological, geochemical, geodetic and geospace data. The interplay of fluids, shallow and deep-seated active structures and seismicity will be explored at a local and regional scale, imaging the seismic structure beneath the Southern Apennines, but also at larger scale revealing signals, if any, that can be interpreted as precursory of large earthquakes.

We will focus on three areas of the Southern Apennines, specifically the Sannio-Matese and Pollino mountain ranges and the Mefite d’Ansanto deep CO2 degassing area, which covers a surface area of ~700 m2 (Figs. 1 & 2). We selected these target areas because a) they are seismically active, b) they are characterised by CO2-rich gas emission and/or thermal waters, and c) in these regions the earthquake occurrence has been related to fluids (Amoroso et al., 2017; Chiodini et al., 2010; Di Luccio et al. 2018; Esposito et al., 2020; Napolitano et al., 2019). A systematic and multidisciplinary study of the three areas will contribute to understanding the relationship between surface degassing and seismicity from local to regional scale. 

Answers to the following questions are challenging and motivate our study: is the seismicity triggering fluid ascent to the surface or do fluid movements instead trigger seismicity? How do fluids upraise to the surface? Do fluids modulate the magnitude and depth of earthquakes? How does seismic activity and surface deformation affect the hydrological cycle of large aquifers? How does the three-dimensional Southern Apennines lithosphere-mantle structure change with/accommodate the deep CO2-rich fluid discharges during large-moderate earthquakes? At a large scale, does the lithosphere-atmosphere-ionosphere coupling show any signal of fluid involvement in the preparatory phase of earthquakes?

In order to answer the above questions, we need to understand the cause-effect relationship between fluids and seismicity in the study area, addressing the spatial and temporal evolution of the Southern Apennines active dynamics. This will be done by collecting and analysing data and integrating the results from the following research activities:

• Deployment of a temporary experiment to monitor the seismicity, CO2 emissions and deformation at the Mefite d’Ansanto site.
• Creation of high-resolution earthquake catalogues of the Southern Apennines seismicity, combining matched-filter event detection and Convolutional Neural Networks with precise relative earthquake locations techniques, based on cross-correlation and double-difference methods, to highlight the fine-scale geometry of active faults and seismicity pattern.
• The enhanced catalogue will be used for the Local Earthquake Tomography (LET) and the analysis of anisotropic parameters. Crustal variations of seismic velocities and VP/VS in time and space will be used to characterise fault-zones, detect fluid reservoirs and investigate precursory changes of seismicity and physical/hydraulic properties in the source regions of earthquake and swarm-type sequences. 
• A comprehensive study of the converted and scattered wavefield (e.g., P-to-S wave and S-to-P receiver functions) from teleseismic earthquakes will provide key constraints on the structural architecture of the Southern Apennines (including sediment and crustal thickness, and fluid distribution). 
• Analysis of broadband P and S waveform complexities; their azimuthal dependence will be exploited and modelled by a 3D finite difference technique to resolve and constrain structural features near the recording site.
• Characterisation of the spatial and temporal evolution of seismic sources. Determination of full moment tensor solutions and of the S/P spectral ratios to study the rupture process. Slip tendency analysis of the faults at different fluid pressures will also be done. 
• Analysis of seismicity and ambient noise by using array techniques in time and frequency domains.
• Analysis of historical seismicity and investigation of the interactions between earthquakes and hydrological processes.
• Collection of a long time series of CO2 Earth degassing; comparison of the collected measurements and hydrogeological data, with the temporal evolution of the recorded seismicity and surface deformation. 
• 3D Global navigation satellite systems (GNSS) time-series station positions that allow us to correlate strain variations with fluid flows, for shallow or deep-seated fluids.
• Analysis of geolayers - Lithosphere, Atmosphere and Ionosphere Coupling (LAIC) by satellite, atmospheric and seismic data.

A further relevant objective of our multidisciplinary study is to strengthen the collaboration among INGV researchers in different fields within geosciences, in order to create a pool of experts able to advance the understanding of the geodynamic processes and thus to contribute in reducing the impact of natural disasters. The collaboration of INGV experts with scientists from the Louisiana State University (LSU), University of Calabria (UNICAL) and University of Perugia (UNIPG) working on geodynamic modelling and crustal geophysics, will bring together different expertise in Earth Sciences and will mutually encourage innovative and stimulating research.

The activity objectives and the proposed research perfectly match the “Terms of references” mentioned in the Call for Proposals. We propose a cutting-edge, multidisciplinary study in seismic areas, characterised by poorly known-source fluids, combining innovative and well-established methodologies. 

The project includes personnel from different INGV Sections: Sismologia e Tettonofisica (Roma1); Osservatorio Nazionale Terremoti (ONT); Geomagnetismo, Aeronomia e Geofisica Ambientale (Roma2); Osservatorio Vesuviano (OV); Osservatorio Etneo (OE); Bologna; Pisa.

References

Amoroso et al. (2017). From velocity and attenuation tomography to rock physical modeling: Inferences on fluid-driven earthquake processes at the Irpinia fault system in southern Italy. Geophys. Res. Lett., https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/2016GL072346

Chiodini et al. (2010). Non‐volcanic CO2 Earth degassing: Case of Mefite d’Ansanto (southern Apennines), Italy. Geophys. Res. Lett., https://doi.org/10.1029/2010GL042858

Di Luccio et al. (2018). Seismic signature of active intrusions in mountain chains. Sci. Adv. https://advances.sciencemag.org/content/4/1/e1701825

Esposito et al. (2020). Concurrent deformation processes in the Matese massif area (Central-Southern Apennines, Italy). Tectonophysics, https://doi.org/10.1016/j.tecto.2019.228234

Napolitano et al. (2019). Scattering and absorption imaging of a highly fractured fluid-filled seismogenetic volume in a region of slow deformation. Geoscience Frontiers, https://doi.org/10.1016/j.gsf.2019.09.014

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The proposed research activities are organised in 5 Work Packages (WP) as in the following text and the Scientific Coordinator of each WP is indicated in bold.

WP 1. Seismology

WP 1.1. High-resolution earthquake catalogs. Scientific Coordinator: L. Valoroso 

Personnel: S. Cianetti, P. De Gori, C. Giunchi, L. Improta, D. Piccinini, L. Zuccarello)

WP 1.2. Seismic structure. Scientific Coordinator: C. Piromallo

Personnel: P. De Gori, F. Di Luccio, L. Improta, P. Persaud, D. Piccinini, R. Tondi, L. Valoroso, G. Ventura)

WP 1.3. Seismic source. Scientific Coordinator: G. Calderoni

Personnel: P. Roselli, L. Scognamiglio

WP 1.4. Seismicity and ambient noise. Scientific Coordinator: P. Cusano 

Personnel: P. Del Gaudio, D. Galluzzo, G. Gaudiosi, A. Gervasi, M. La Rocca, G. Milano, L. Nardone, S. Petrosino, L. Zuccarello

WP 2. Historical seismicity. Scientific Coordinator: L. Cucci

Personnel: C. Castellano, A. Tertulliani

WP 3. Geochemistry. Scientific Coordinator: N. Voltattorni

Personnel: C. Cardellini, G. Chiodini, D. Cinti, A. Gasparini, L. Pizzino, A. Sciarra): 

WP 4. Geodesy. Scientific Coordinator: A. Esposito

Personnel: G. Brandi, A. Galvani, M. Palano, G. Pietrantonio, F. Riguzzi, V. Sepe)

WP 5. Geospace. Scientific Coordinator: A. De Santis

Personnel: G. Cianchini, A. Piscini, D. Sabbagh

The Proposal is organised in 6 Research Units (RU) to coordinate the assigned budget. We limited the number of RUs as required. The RUs, coordinators, personnel and WP of reference are indicated, while Personnel from other institutions are not included in the RUs.

RU1-Pisa. Earthquake catalogue. Budget Coordinator: D. Piccinini

Personnel: S. Cianetti, C. Giunchi, L. Zuccarello (PISA, WP1.2 & WP1.4) 

1. De Gori, L. Improta, L. Valoroso (ONT, WP1.1 & WP1.2)

RU2-RM1A.Seismology. Budget Coordinator: C. Piromallo

Personnel: F. Di Luccio, R. Tondi, G. Ventura (ROMA 1, WP1.2) 

1. Calderoni, P. Roselli, L. Scognamiglio (ROMA 1, WP1.3) 
2. Castellano, L. Cucci, A. Tertulliani (ROMA 1, WP2) 

RU3-RM1B. Geochemistry. Budget Coordinator: A. Sciarra

Personnel: G. Chiodini, D. Cinti, A. Gasparini, L. Pizzino, N. Voltattorni (ROMA1, WP3)

RU4-ONT. Geodesy. Budget Coordinator: A. Esposito

Personnel: A. Galvani, G. Pietrantonio, F. Riguzzi, V. Sepe (ONT, WP4)

1. Palano (CT, WP4)

RU5-RM2. Geospace. Budget Coordinator: A. De Santis

Personnel: G. Cianchini, A. Piscini, D. Sabbagh (ROMA 2, WP5)

RU6-NA. Seismicity and ambient noise. Budget Coordinator: P. Cusano

Personnel: G. Del Gaudio (ONT), D. Galuzzo (OV), G. Gaudiosi (OV), A. Gervasi (ONT), G. Milano (OV), L. Nardone (OV), S. Petrosino (OV)