CAP. 4

 

ATTENUAZIONE DELLE ONDE SISMICHE: IL PARAMETRO Qc

    

            Il fattore di qualita' Q e' un parametro del mezzo in cui si propagano le onde sismiche che ne misura l’elasticità. Il suo inverso Q-1 rappresenta l'attenuazione. Q puo' essere scomposto in due termini: Qi (intrinseco) e' il fattore che tiene conto dell'assorbimento anelastico, Qs indica il contributo dello scattering, termine con cui si intende la dissipazione dell'energia da parte di entita' casualmente distribuite nello spazio (Pulli, 1984; Herraiz ed Espinosa, 1987; Fowler, 1990).

     Qc e' una misura di Q che si ottiene dall'analisi delle onde di coda di eventi sismici, nell'ipotesi che lo scattering sia singolo, puntuale e isotropo. Si considera cioe' che le onde di coda siano costituite da onde primarie che hanno subito scattering una volta sola da entita' puntuali, uniformemente distribuite nello spazio.

     Dove la traccia non e' disturbata si possono distinguere due parti nello spettro, una piu' ripida e una meno. Per la seconda, che sfuma nel rumore di fondo, secondo Gao et al.(1983) e' meno valida l'ipotesi di scattering singolo.

     Un altro assunto e' che le onde primarie 'scatterate' siano onde di volume (in particolare onde S), trascurando cioe' l'effetto di quelle generate da onde di superficie. Un'altra assunzione e' l'approssimazione di un mezzo inconfinato (Pulli, 1984).      

     Il parametro Qc mostra prevalentemente una marcata dipendenza dalla frequenza (Aki e Chouet, 1975). Il grado di dipendenza puo' essere considerato come un indice del livello di attivita' tettonica. Ad esempio per gli Stati Uniti Centrali Singh ed Hermann (1983) hanno determinato Qc(f)=1000f.20. Invece nell'area in subduzione del Giappone Q varia di un fattore 10 tra f=1.5Hz ed f=25Hz. Roecker et al. (1982) in Hindukush hanno notato tra l'altro che la dipendenza di Qc dalla frequenza decresce con la profondita'.

     La variazione di Qc con l'intervallo di tempo di analisi della coda (lapse time), viene interpretata dalla maggior parte degli autori come una dipendenza di Qc dalla profondita' e da alcuni come dovuta ai limiti dell'ipotesi di scattering singolo. Anche l'intervallo di profondita', all'interno del quale gli eventi vengono localizzati, sembra condizionare il valore di Qc (Ibanez et al., in stampa).

 

 

    4.1 CALCOLO DI Qc

     Sono stati analizzati i sismogrammi di 339 eventi locali registrati dalla rete temporanea durante il periodo Agosto "89-Dicembre "90 (vedi capitolo 2). In Figura 4.1, unitamente agli eventi e alle stazioni utilizzate per determinare le coordinate focali dei terremoti, sono anche indicate la linea dello spartiacque e la finestra tettonica delle Alpi Apuane.

      Per il calcolo di Qc e' stata adottata la procedura di calcolo semi-automatica sperimentata da Eva et al. (1991) per le Alpi Occidentali. Essa utilizza il metodo di Aki e Chouet (1975), con la correzione apportata da Sato (1977) per i casi in cui la distanza epicentro-stazione non sia trascurabile. La funzionalita' di questa procedura risiede nella possibilita' del controllo interattivo dell'analisi computerizzata.

     Il metodo si basa sull'esistenza di una relazione lineare che lega una funzione dell'ampiezza del sismogramma (la densita' di ampiezza spettrale)  al fattore di qualita' Qc (vedi appendice B).    

     Per la scelta di quelli piu' convenienti, i valori di Qc ottenuti, sono stati suddivisi in 5 classi di affidabilita' in funzione del rapporto segnale/rumore, del numero di punti della regressione lineare e della regolarita' nel decadimento della densita' di ampiezza spettrale. Per le successive elaborazioni e' stata utilizzata solo la prima classe di dati.  

     Per non introdurre errori dipendenti dalla qualita' dei segnali, sono stati scartati ad esempio gli spettri contaminati da rumore e picchi anomali dovuti ad effetti al sito. Inoltre la densita' di ampiezza spettrale e' stata calcolata per intervalli di frequenza sufficientemente piccoli, data la dipendenza di Qc da questo parametro, e ad intervalli di tempo di 1 secondo, dato che cio' influisce sulla stima della retta di regressione. E' stata infine valutata, fin dove possibile, tutta la coda, anche per evitare di calcolare la retta su pochi punti: l'intervallo di tempo indagato o 'lapse time' (differenza tra tempo di fine analisi e tempo origine) e' risultato in media di 30 s.

      Poiche' il riconoscimento del tempo di inizio coda non e' sempre agevole ed oggettivo, il metodo utilizzato prevede il controllo della procedura automatica da parte dell'operatore e la sua eventuale correzione. L'operatore inoltre puo' scartare quei valori di Qc che risultino negativi o tendenti a infinito.

     A causa delle assunzioni e dei problemi operativi, si e' mediato su tutti i percorsi di raggio possibili, per estrarre un valore di Qc medio valido come primo riferimento per questa regione.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 4.1 -Distribuzione dei terremoti, del periodo Agosto 1989-Dicembre 1990, che sono stati utilizzati per il calcolo di Qc. Sono riportati gli elementi tettonici significativi e la posizione delle stazioni (cerchi pieni per quelle della rete temporanea della Garfagnana, triangoli per quelle della rete ING, rombi per quelle della rete IGG).

 

 4.2 Qc REGIONALE

 

     Data la dipendenza di Qc dalla frequenza, si e' cercato per quale intervallo di frequenza il valore di Qc fosse piu' stabile. Per l'area in studio si e' osservato che f=8Hz e in generale le frequenze centrali utilizzate (6, 8, 10, 12Hz) denotano una maggiore stabilita' di Qc rispetto a quelle estreme.  Questo risultato e' concorde con quanto trovato da Eva et al. (1991) per le Alpi Occidentali e attribuito a un maggior contenuto energetico della banda di centro per eventi di bassa energia. Anche per queste frequenze sono state tuttavia trovate alcune differenze (ad es. 2 o piu' mode) fra una stazione e l'altra, che possono essere attribuibili ai limiti del metodo e a variazioni regionali effettive di Qc (Costi, 1990).

     Una prima media di Qc e' stata eseguita su tutti i percorsi, stazione per stazione, per f=8Hz. Cio' ha portato all'osservazione di un minimo a VINC (Qc=290) e un massimo a LAGD (Qc=400).

     Per eseguire un confronto fra regioni diverse, si e' mediato nell'intervallo di frequenza 6-12Hz, ottenendo un valore di Qc paragonabile a quello delle Alpi Occidentali (Qc=410). Per avere un valore di Qc medio con la minima deviazione standard possibile, e' occorso pero' considerare un intervallo di frequenza molto piu' ristretto. Per f=8Hz (frequenza di riferimento anche per le elaborazioni successive) abbiamo ottenuto Qc=370 che assumiamo come valore medio regionale. Tale quantita' e' riferibile ad un volume circa semiellissoidico (80x80x60km3) con l'asse minore lungo la verticale sotto la stazione centrale di PONT. La deviazione standard che riguarda questo e i successivi valori medi ottenuti e' dell'ordine del 25%.

 

 

4.3 DIPENDENZA DI Qc DALLA FREQUENZA

 

     La dipendenza di Qc dalla frequenza e' del tipo

 

                         Qc=Q0fn                  (1)

 

ed i termini Q0 ed n della relazione (1) possono essere importanti indici del livello di attivita' tettonica (Aki e Chouet, 1975; Aki, 1980; Pulli e Aki, 1981; Roecker et al., 1982; Pulli, 1984).

     Per ottenere Q0 ed n in Appennino Nord-Occidentale, sono stati calcolati i valori medi relativi a ciascuna banda di frequenza visualizzandoli in un diagramma 'attenuazione-frequenza' (Figura 4.2), in cui vengono

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 4.2 - Diagramma che illustra la dipendenza di Qc dalla frequenza in cui i valori osservati di Qc vengono confrontati con la funzione che meglio li approssima con il metodo dei minimi quadrati. confrontati con la funzione che meglio li approssima, calcolata col metodo dei minimi quadrati. Risulta che 

                        Qc=56f.92.

 

In altre parole, per la nostra area (per lapse time <40s), la variazione di Qc con la frequenza e' simile a quella di aree tettonicamente attive.

     Rilevati i valori di Qc, e' stato possibile controllare, a posteriori, la validita' dell'assunzione di 'scattering singolo'. E' stato calcolato, con la relazione di Dainty e Toksoz (1981), riportata in appendice B, il cammino libero medio minimo delle onde di coda, in questa regione, confrontandolo col raggio dei volumi, all'incirca sferici, entro i quali si generano.

     Per dedurre un valore minimo di L si e' posto Qi=infinito,  come suggerito da Roecker et al. (1982), f=2Hz, Qc(f)=50 e vsmin=3Km/s. Da cui Lmin risulta di 75Km.

     Il volume all'interno del quale viaggiano le onde di coda ha la forma di un'ellissoide la cui intersezione con la superficie (nel caso in cui fuoco e stazione giacciano in superficie) e' stata descritta da Pulli (1984) in funzione della velocita' delle onde (v), del lapse time (t) e della distanza epicentro-stazione (R). Da alcune prove eseguite su un campione di percorsi si e' notato che le dimensioni dei semiassi non differiscono molto fra loro e si possono quindi considerare coincidenti. Cio' e' coerente col fatto che, per i terremoti locali analizzati, la distanza R e' trascurabile in relazione al volume attraversato dalle onde. Cosi' il raggio sorgente- scatterer (r) diventa uguale a vt/2 (Clerici e Ferulano, 1989). Se v=vsmax=3.5Km/s e il lapse time al massimo e' t=40s, il raggio risulta (al massimo) rmax=70Km, inferiore a Lmin, per cui l'ipotesi e' verificata.

 

 

4.4 STRUTTURA DI Qc

 

     Per valutare un'eventuale variazione di Qc con la profondita' e' stato innanzitutto messo in relazione Qc con il lapse time, trovando, per f=8Hz, un sostanziale incremento di Qc passando dalla classe di lapse time intorno a 15s a quelle intorno a 25 e 35s (Figura 4.3). Tuttavia tra la classe 25s e quella 35s si nota una diminuzione del gradiente di Qc rispetto al lapse time. 

     E' stata poi ricavata la struttura di Qc con il metodo sviluppato da Del Pezzo e De Martino (1992). Il metodo (descritto in appendice B) si basa su considerazioni geometriche e sull'ipotesi che Qc(tlapse)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 4.3 - Grafico Qc-tlapse che illustra la variazione del Qc medio relativo a 3 classi di lapse time (15, 25 e 30s). sia la media dei Qc in ogni strato, pesati per il proprio volume.

     Per questo lavoro sono stati utilizzati valori medi di Qc, per ogni valore di tlapse, e una velocita' delle onde S variabile tra 3.6km/s e 4.1km/s.

     E' risultato che Qc aumenta, seppure in modo irregolare, con la profondita', come si puo' vedere dalla Figura 4.4. Nella figura e' riportato un valore di Qc, funzione della profondita' Z, ricavato dopo avere eseguito un lisciamento dei dati di Qc(tlapse) mediante il ricalcolo di ogni valore di Qc come media di una finestra di 5 punti (Press et al., 1989). Anche in questo diagramma, come in quello di Figura 4.3, si nota che la funzione e' scomponibile in due parti a diversa pendenza.

     Una variazione di Q con la profondita' era gia' stata messa in evidenza, per questa regione, da Drakatos et al. (1990), attraverso l'inversione di dati macrosismici: era stato trovato un Q relativamente alto nei primi 30km e piu' basso in profondita'. L'analisi del presente lavoro mette in evidenza un aumento di pendenza con la profondita' nella funzione che descrive la struttura di Qc. La rottura di pendenza si verifica intorno a 40km. Tale risultato concorderebbe, tra l'altro, con le ipotesi di raddoppio crostale e inversione di velocita', avvalorate dai dati di sismica a rifrazione (Buness & Giese, 1990). Nel prossimo capitolo questi dati verranno confrontati con quelli di sismicita' e di velocita' delle onde sismiche e che, insieme ai dati di tomografia telesismica, convergono verso questa  ipotesi.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 4.4 - Curva  che  mostra la  dipendenza di Qc dalla profondita' ricavata applicando il metodo di Del Pezzo e De Martino (1992). Sono anche rappresentati i limiti di variabilita' (linea punteggiata).

 

 

un metodo di calcolo di Qc

 

sismicità e onde sismiche in Appennino Nord-Occ.

 

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