MUSE

MUSE - M​ultiparametric and m​U​ltiscale ​S​tudy of ​Earthquake preparatory phase in the central and northern Apennines

Enrico Serpelloni

Obiettivi

Questo progetto si propone di indagare i processi di fagliazione e l'evoluzione dei pattern di sismicità durante sequenze sismiche multi-scala, basandosi su cataloghi di terremoti ad alta risoluzione, incrociati con serie temporali multidisciplinari (geodetiche e geochimiche). L'analisi sistematica di dati multidisciplinari ad alta risoluzione raccolti vicino alle sorgenti sismiche prima, durante e dopo l'inizio di un episodio di deformazione tettonica ci aiuteranno a identificare le eventuali segnature geo-fisiche/chimiche della fase preparatoria ed evolutiva dei terremoti.

Nel progetto lavoreremo alla individuazione e caratterizzazione di segnali coerenti nel tempo e nello spazio in serie temporali multiparametriche e dei processi sottostanti, come la migrazione dei fluidi, l'accumulo di deformazione elastica, episodi di accelerazione della deformazione crostale, responsabili della generazione dei terremoti. A tal fine, quantificheremo e valuteremo statisticamente le relazioni spaziali e temporali tra le osservazioni geodetiche, sismologiche, geochimiche e idrologiche raccolte a diverse scale temporali e spaziali attorno ad aree soggette a deformazione tettonica attiva.

Le analisi comparative dei dati multidisciplinari, organizzate sotto forma di serie temporali che descrivono l'evoluzione nel tempo di vari parametri, miglioreranno la nostra capacità di rilevare e caratterizzare i cambiamenti nei pattern temporali e/o spaziali dei parametri associati ai processi di deformazione che si verificano prima, durante e dopo un terremoto. Particolare enfasi sarà data allo studio del ruolo dei fluidi (sia da sorgenti superficiali che profonde) e al cosiddetto comportamento di scorrimento su faglia “mix mode”. I terremoti sono stati a lungo considerati come semplici instabilità da attrito, in cui l'energia elastica immagazzinata viene rilasciata improvvisamente; in tali normali (veloci) terremoti la rottura cresce a una velocità determinata dalle velocità delle onde elastiche, pochi km/s, e le velocità di scorrimento raggiungono i 1-10 m/s. Tuttavia, studi recenti mostrano che le faglie scorrono anche attraverso tremore sismico, terremoti a bassa frequenza, eventi di scivolamento lento e altre modalità di scorrimento. Questi fenomeni, noti anche come terremoti lenti, rappresentano modalità di rottura che hanno dimostrato di avere un ruolo chiave nella fase preparatoria ed evolutiva di un terremoto.

I risultati di questo progetto permetteranno una validazione statistica degli eventuali segnali transienti riscontrati nelle serie temporali multidisciplinari e dei relativi meccanismi che si verificano in relazione all'accumulo / rilascio dello stress crostale e alla deformazione associata al ciclo sismico. Per raggiungere questo obiettivo miriamo a migliorare la risoluzione dei cataloghi dei terremoti, sia in termini di posizioni ipocentrali sia di magnitudo di completezza, studiando l’eventuale clusterizzazione spaziale e temporale dell'attività sismica, i cambiamenti temporali e spaziali dei tassi di sismicità, variazioni del parametro b della GR, variazioni nei parametri elastici e velocità del mezzo (dall'analisi del rumore sismico e dell'anisotropia sismica). Tali osservazioni sismologiche verranno confrontate con l' evoluzione temporale della deformazione del suolo derivata da osservazioni geodetiche e l'evoluzione temporale e spaziale dei dati geochimici e idrologici.

Una componente chiave del progetto sarà l’implementazione di tecniche di “feature extraction” per confrontare le serie temporali ottenute dall’analisi dalle varie osservazioni multiparametriche. Questa analisi sarà condotta al fine di individuare caratteristiche comuni, tendenze e deviazioni dalle tendenze (es. change points), dalle serie temporali sismologiche, geodetiche, geochimiche e idrologiche. I risultati saranno utilizzati sia per filtrare le osservazioni originali da segnali associati a processi non tettonici (es. idrologici e/o antropici) sia per costruire modelli che descrivano la sorgente tettonica e non tettonica.

Focalizzeremo la nostra attenzione su due aree principali lungo l'Appennino Centrale e Settentrionale (Fig.1 e 2): 1) la regione interessata dalla  sequenza sismica Amatrice-Visso-Norcia del 2016, che ha colmato il gap tra le due più importanti sequenze sismiche italiane negli ultimi 20 anni (Umbria-Marche 1997-98 e L'Aquila 2009) e 2) l'area dell'alta valle del Tevere, dove dal 2010 è attivo il cosiddetto Near Fault Observatory della faglia Altotiberina (TABOO-NFO). TABOO è un'infrastruttura di monitoraggio multidisciplinare che consente l'accesso immediato e aperto a insiemi spazialmente e temporalmente densi e ad alta risoluzione di dati sismologici, geodetici e geochimici, e prodotti scientifici derivati ​​(Fig. 2). In questo settore della catena Appenninica verrà implementata una nuova rete di strainmeter e sismometri in pozzo, consentendo un aumento significativo della nostra capacità di rilevamento di piccole deformazioni, associate a processi “near fault” o innescate da processi in campo lontano.

Il progetto MUSE sarà anche l'ambiente culturale all’interno del quale verranno eseguiti alcuni esperimenti in collaborazione con colleghi appartenenti a istituzioni straniere, anche nel quadro di altri progetti europei attivi. I tre esperimenti saranno finalizzati a testare 1) la risposta nella deformazione locale alle variazioni delle acque sotterranee negli acquiferi carsici nell'area del Gran Sasso, 2) l'impatto dell'utilizzo di tecniche innovative per il monitoraggio dei terremoti attraverso l’utilizzo di cavi in fibra ottica, 3) imaging delle strutture attive attraverso il monitoraggio del rumore sismico con tecniche basate sull'utilizzo di centinaia di sensori sismici (moderni e leggeri). Le ultime due iniziative saranno realizzate nell'area del Near Fault Observatory TABOO, dove la presenza di una densa rete di stazioni sismiche, geodetiche e geochimiche consentirà un monitoraggio complementare e multidisciplinare dei transienti tettonici.

Organizzazione in Work Package (WP)

Il progetto è organizzato in tre attività principali. Ogni attività è organizzata in WP e task o esperimenti.

Attività 1

WP1 - Misure geodetiche

Responsabile: R. Devoti (ONT). 

Partecipanti: E. Serpelloni (ONT), L. Anderlini (BO), A. Cavaliere (BO), E. Madler (UNIBO)

WP2 - Misure geochimiche e meteo-climatiche

Responsabile: A. Caracausi (PA). 

Partecipanti: M. Camarda (PA), G. Capasso (PA), A. Pisciotta (PA)

WP3 - Misure sismologiche

Responsabile: L. Zaccarelli (BO)

Task 1 - Analisi delle forma d'onda sismica e cataloghi sismici

Partecipanti: P. Baccheschi (ONT ), L. Chiaraluce (ONT), R. Di Stefano (ONT), B. Lolli (BO), G. Vannucci (BO), L. Zaccarelli (BO), P. Gasperini (UNIBO), M. Sugan (OGS ), A. Vuan (OGS)

Task 2 - Sismologia statistica

Partecipanti alla: R. Console (RM1), G. Falcone (RM1), M. Murru (RM1), M. Taroni (RM1), C.Montuori (RM2), B. Lolli (BO), G. Vannucci (BO), P. Gasperini (UNIBO), L. Gulia (UNIBO), E. Biondini (UNIBO)

Task 3- Analisi del rumore sismico

Partecipanti: I. Molinari (BO) , L. Zaccarelli (BO), F. Cara (RM1), M. Vassallo (RM1)

Attività 2

WP4 - Modellazione di serie temporali e interpretazione dei risultati

Responsabile: L. Faenza (ONT)

Attività 1 - Modellazione di serie temporali

Partecipanti: L. Zaccarelli (BO), A. Garcia (BO), G. Falcone (RM1), M. Vassallo (RM1). M taroni (RM1), L. Chiaraluce (ONT), A. Gualandi (ONT), R. Devoti (ONT), L. Faenza (ONT), E. Serpelloni (ONT), E. Mandler (UNIBO), G. Poggiali (UNICAM).

Task 2 - Modellazione e interpretazione dei segnali comuni

Partecipanti: L. Anderlini (BO), A. Bizzarri (BO), A. caracausi (PA), L. Chiaraluce (ONT), E. Serpelloni (ONT), ME Belardinelli (UNIBO ), E. Mandler (UNIBO).

Attività 3 - Esperimenti locali e applicazione di nuove tecniche di monitoraggio ad alta risoluzione

Esperimento 1 - Idro-geodesia 

Responsabile: R. Devoti (ONT)

Esperimento 2 - Fibra Ottica

Responsabile: I. Molinari (BO)

Esperimento 3 - Rumore sismico

Responsabile: L. Zaccarelli (BO)

Collaborazioni internazionali

Université Grenoble Alpes ISTerre (FR), ETH-Zurich (CH)

Organizzazione in Unità di Ricerca (UR)

UR1 - Sezione di Bologna

Responsabile: L. Zaccarelli. 

Partecipanti: L. Anderlini **, A. Bizzarri, A. Cavaliere, A. Garcia, B. Lolli, I. Molinari, G. Vannucci, P. Gasperini *, L. Faenza, E. Serpelloni, M. Vassallo, F Cara

UR2 - Sezione di Palermo.

Responsabile: A. Caracausi. 

Partecipanti: M. Camarda, G. Capasso, A. Pisciotta

UR3 - Osservatorio Nazionale Terremoti

Responsabile: P. Baccheschi. 

Partecipanti: L. Chiaraluce, R. Devoti, R. Di Stefano, A. Gualandi **

UR4 - Sezione Roma 1 

Responsabile: M. Murru. 

Partecipanti: G. Falcone, C. Montuori, R. Console *, M. Taroni **

* Assegnista di ricerca

** Contratto a tempo determinato / AdR

MUSE - M​ultiparametric and m​U​ltiscale ​S​tudy of ​Earthquake preparatory phase in the central and northern Apennines

Enrico Serpelloni

Activity Objectives

In this project we aim at investigating faulting processes and seismicity pattern evolution during multi-scale seismic sequences, based on high resolution earthquakes catalogues, crossed with long-lasting multidisciplinary (geodetic and geochemical) time series. The systematic analysis of high-resolution multidisciplinary data collected in the near source areas before, during and after the onset of a tectonic deformation episode, will help us to identify the geo-physical/chemical signatures of the earthquakes preparatory and evolutionary phase.

We will work on the detection and spatio-temporal characterisation of consistent signals within multiparametric time-series, underlying processes, such as fluid migration, elastic strain build-up and accelerating crustal deformation episodes, accountable for the earthquake generation. To this end, we will quantify and statistically validate the spatial and temporal relationships between the geodetic, seismological, geochemical and hydrological observations, collected at different temporal and spatial scales around actively deforming areas.

The comparative analyses of multidisciplinary data, organised in time series describing the temporal and spatial evolution, will improve our ability to detect and characterise changes in the spatial and/or temporal pattern of parameters associated with deformation processes occurring before, during and after an earthquake. Particular emphasis will be given to the investigation of the role of fluids (from both shallow and deep sources) and to the so-called “mix mode” fault slipping behaviour. Earthquakes have long been thought as simply frictional stick-slip instabilities, in which stored elastic energy is released suddenly; in such normal (fast) earthquakes, the rupture grows at a rate driven by elastic wave speeds, a few km/s, and fault slip rates reach 1-10 m/s. However, recent studies show that faults also fail via seismic tremor, low frequency earthquakes, slow slip events, and other modes of fault slip. These phenomena, known collectively as slow earthquakes, represent modes of failure that have been proven having a key role in the earthquake preparatory and evolutionary phase.

The results of this project will provide a statistical validation of eventual multidisciplinary transient signals and related mechanisms, occurring in relationship with crustal stress accumulation/release and earthquake cycle deformation. In order to achieve this objective, we aim at improving earthquake catalogues resolution in terms of both hypocentral locations and completeness magnitude, studying the temporal and spatial clustering of seismic activity, the temporal and spatial changes in seismicity rates, changes in the b-value or in the elastic parameters and velocities (from the analysis of seismic noise and seismic anisotropy). Such seismologically-based observations will be compared with the temporal evolution of ground deformation, derived from geodetic observations and the temporal and spatial evolution of geochemical and hydrological data.

Thus, a key component of the project will be the development of feature extraction techniques to compare the multiparametric observational time-series. This analysis will be conducted in order to extract common features, trends and deviations from trends (e.g. change points), from the seismological, geodetic, geochemical and hydrological observational time-series. The common and cross-disciplinary outcomes will be used to both ”clean” the original observations from non-tectonic processes (e.g. hydrological and/or anthropogenic effects) and to comprehensively build models, describing tectonic and non-tectonic forcing.

We will focus our attention in two main areas along the Central and Northern Apennines (Fig. 1 and 2): 1) the region recently interested by a significant seismic sequence in 2016, the Amatrice-Visso-Norcia area, filling the gap between the two most important Italian seismic sequences occurred in the last 20 years (Umbria-Marche 1997-98 and L’Aquila 2009) and 2) the upper Tiber valley area where from 2010, the so called Altotiberina Near Fault Observatory (TABOO-NFO) exists. TABOO is a multidisciplinary monitoring infrastructure allowing immediate and open access to spatially and temporally dense, high resolution sets of seismological, geodetic and geochemical data and derived scientific products (Fig. 2). It is worth noting that a new network of borehole strain and seismometers will be deployed in this area, allowing a dramatic increase of our detection capability of small strain changes, associated with near-fault processes or “triggered” by far-field processes.

MUSE will also be the cultural environment to perform a few local experiments, in collaboration with colleagues pertaining to foreign institutions, in the framework of European projects. The three experiments will be finalised to test the 1) local deformation response to groundwater changes in karst aquifers (in the Gran Sasso area), 2) the impact of using innovative techniques for earthquake monitoring like fiber optic cables and 3) the near-source imaging through noise monitoring techniques based on the deployment of hundreds of (modern and light) seismic sensors. The last two initiatives will be performed in the TABOO area, where the presence of dense seismic, geodetic and geochemical stations will allow a complementary and multidisciplinary monitoring of the tectonic transients.

Organisation in Work Package (WP)

The project is organised in three main Activities. Each Activity is organised in WP and Tasks or Experiments.

Activity 1

WP1 - Geodetic Measurements

Responsible: R. Devoti (ONT). 

Participants: E. Serpelloni (ONT), L. Anderlini (BO), A. Cavaliere (BO), E. Madler (UNIBO)

WP2 - Geochemical and meteo-climatic measurements

Responsible: A. Caracausi (PA). 

Participants: M. Camarda (PA), G. Capasso (PA), A. Pisciotta (PA)

WP3 - Seismological measurements

Responsible: L. Zaccarelli (BO)

Task 1 - Earthquake waveform analysis and seismic catalogues

Participants: P. Baccheschi (ONT), L. Chiaraluce (ONT), R. Di Stefano (ONT), B. Lolli (BO), G. Vannucci (BO), L. Zaccarelli (BO), P. Gasperini (UNIBO), M. Sugan (OGS), A. Vuan (OGS)

Task 2 - Statistical seismology

Participants: R. Console (RM1), G. Falcone (RM1), M. Murru (RM1), M. Taroni (RM1), C. Montuori (RM2), B. Lolli (BO), G. Vannucci (BO), P. Gasperini (UNIBO), L. Gulia (UNIBO), E. Biondini (UNIBO)

Task 3- Analysis of the seismic noise

Participants: I. Molinari (BO), L. Zaccarelli (BO), F. Cara (RM1), M. Vassallo (RM1)

Activity 2

WP4 - Time-series modelling and interpretation of the results

Responsible: L. Faenza (ONT)

Task 1 - Time-series modelling

Participants: L. Zaccarelli (BO), A. Garcia (BO), G. Falcone (RM1), M. Vassallo (RM1). M taroni (RM1), L. Chiaraluce (ONT), A. Gualandi (ONT), R. Devoti (ONT), L. Faenza (ONT), E. Serpelloni (ONT), E. Mandler (UNIBO), G. Poggiali (UNICAM).

Task 2 - Modelling and interpretation of common signals

Participants: L. Anderlini (BO), A. Bizzarri (BO), A. caracausi (PA), L. Chiaraluce (ONT), E. Serpelloni (ONT), M.E. Belardinelli (UNIBO), E. Mandler (UNIBO).

Activity 3 - Local experiments and application of new high-resolution monitoring techniques

Experiment 1 -  Hydro-geodesy 

Responsible: R. Devoti (ONT)

Experiment 2  - Fiber Optics

Responsible: I. Molinari (BO)

Experiment 3 - Seismic Noise

Responsible: L. Zaccarelli (BO)

International collaborations

Université Grenoble Alpes ISTerre (FR), ETH-Zurich (CH)

Organisation in Research Units (UR)

UR1 - Sezione di Bologna

Responsible: L. Zaccarelli. 

Participants: L. Anderlini**, A. Bizzarri, A. Cavaliere, A. Garcia, B. Lolli, I. Molinari, G. Vannucci, P. Gasperini*, L. Faenza, E. Serpelloni, M. Vassallo, F. Cara

UR2 - Sezione di Palermo.

Responsible: A. Caracausi. 

Participants: M. Camarda, G. Capasso, A. Pisciotta

UR3 - Osservatorio Nazionale Terremoti

Responsible: P. Baccheschi. 

Participants: L. Chiaraluce, R. Devoti, R. Di Stefano, A. Gualandi**

UR4 - Sezione Roma 1 

Responsible: M. Murru. 

Participants: G. Falcone, C. Montuori, R. Console*, M. Taroni**

* Research Associate

** Temporary contract / AdR