Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia
Unità ‘Geofisica e Tecnologie Marine ‘- Sede di Porto Venere (SP)
Villa Pezzino, Via Pezzino Basso 2 - 19020 Fezzano – La Spezia - Italy
Tel. +39 0187 794401 Fax: +39 .0187. 766400 www.ingv.it
Progetto
Vento, Porti e Mare
Stazioni microsismiche per la misura dei
parametri ondametrici
Cosmo Carmisciano
Bastia, 14-11-2013
Programa cofinanziato con il Fondo Europeo
di Sviluppo Regionale
Programme cofinancé par le il Fonds Européen
de Devéloppement Régional
Sommario della presentazione
•Brevi richiami teorici fondanti il metodo
•Sperimentazione e applicazione a Genova (UNIGE-IIM)
•Applicazione a VPM (Golfo della Spezia) APSP-INGV
•
•
Identificazione dei siti ed analisi preliminari (INGV-AGI-APSP-DLTM-IIM)
La boa ondametrica di calibrazione (INGV-AGI-APSP-HYDRASOLUTION)
•Bibliografia di riferimento
Programa cofinanziato con il Fondo Europeo
di Sviluppo Regionale
Programme cofinancé par le il Fonds Européen
de Devéloppement Régional
Moto ondoso e segnale micorsismico
•
Sin dall’inizio del secolo scorso è noto che il moto ondoso del
mare genera un segnale microsismico che può essere misurato
anche a molti chilometri dalla costa.
Si distinguono due segnali microsismici:
– Primario
• Tsismico=Tmare ~ da 5 a 20s (f ~0.05-0.2Hz)
• Riguarda diversi fenomeni che avvengono in
prossimità della costa
• Il segnale microsismico ha minore energia
•
–
Secondario
• Tsismico=1/2Tmare ~ da 2 a 10 s (f ~0.1-0.5Hz)
• È descritto analiticamente dalla formula di LonguetHiggins (1950)
• Riguarda fenomeni che avvengono in acque profonde
lontano dalla costa
•
Power Spectrum Magnitude [g/ Hz]
10
10
Il fenomeno che produce le onde microsismiche
secondarie è basato sulla variazione della
pressione esercitata dall’acqua sul fondo del
mare.
Il segnale microsismico ha maggiore energia
Picco del segnale
microsismico
secondario
-6
-7
Registrazione
microsismica eseguita a
villa Pezzino
10
-8
Componente X
Componente Y
Componente Z
10
Il microsisma secondario è prodotto dalle onde del
mare e dalle loro riflesse sulla costa: questo
spiega la frequenza doppia delle onde
microsismiche.
Picco del segnale
microsismico
primario
-9
-3
-2
Programa
il Fondo Europeo
10 cofinanziato dicon
10
Sviluppo Regionale
-1
0
Programme
10cofinancé par le il Fonds Européen
10
de Devéloppement
Frequency [Hz]Régional
10
1
Alcuni segnali sismici sono un effetto integrale del moto
ondoso del mare, ben confinato nello spettro del rumore
sismico, presente in un’area piuttosto estesa rispetto al sito
nel quale ha luogo la misura.
Dai dati sismometrici si può
ricavare una stima attendibile
dell’altezza dell’onda significativa
e del periodo.
Ciò è possibile attraverso il ricorso
ad opportuni algoritmi sviluppati
sulla base della bibliografia citata
ed implementati a partire dal 1989.
Per quanto attiene la direzione, allo
stato attuale dell’arte, si fa ricorso
al dato derivato da anemometri
installati in situ.
http://www.fisica.unige.it/motoondoso/
Programa cofinanziato con il Fondo Europeo
di Sviluppo Regionale
Programme cofinancé par le il Fonds Européen
de Devéloppement Régional
Sebbene il segnale sia presente anche a diversi km, tuttavia una
determinazione precisa dell’area utile alla stima dei suddetti parametri non
è possibile senza aver prima caratterizzato il sito stesso.
Si rende necessaria una preliminare calibrazione dell’intero sistema
utilizzando i dati acquisiti con una boa ondametrica che ha proprio la
funzione di riferimento per il sistema durante questa fase.
Programa cofinanziato con il Fondo Europeo
di Sviluppo Regionale
Programme cofinancé par le il Fonds Européen
de Devéloppement Régional
Posizioni geografiche dei siti di misura e delle boe andametriche ISPRA e ODAS
Programa cofinanziato con il Fondo Europeo
di Sviluppo Regionale
Programme cofinancé par le il Fonds Européen
de Devéloppement Régional
Lerici - Castello
Bonassola - Sede CNR
Porto Venere – Sede INGV
Le condizioni da soddisfare per le installazioni sono indicate nel seguente elenco:
•presenza di un ambiente idoneo alla installazione della stazione sismica
onon soggetto al rumore antropico,
opossibilità di realizzare una opportuna base di appoggio per il sismometro,
ovariazioni termiche contenute,
olivello contenuto di umidità;
•presenza della rete di alimentazione elettrica;
•possibilità della connessione ad Internet con rete ethernet;
•possibilità di alloggiamento esterno di una antenna GPS;
•possibilità di alloggiamento esterno per una stazione Meteo;
•possibilità di realizzare le interconnessioni elettriche e di trasmissione dati con apposito cablaggio.
Programa cofinanziato con il Fondo Europeo
di Sviluppo Regionale
Programme cofinancé par le il Fonds Européen
de Devéloppement Régional
Schema delle Stazioni Microsismiche
•
Programa cofinanziato con il Fondo Europeo
di Sviluppo Regionale
Hardware per le stazioni sismiche:
– Sismometro (Accelerometro
AGI)
– Data-logger
– Antenna GPS (esterna)
– Stazione meteo (esterna)
– UPS
Programme cofinancé par le il Fonds Européen
de Devéloppement Régional
Test per la validazione dei siti
Lo scopo dei test è verificare l’eventuale presenza nei siti di sorgenti di rumore vibrazionale che possa inficiare la misura. In effetti, escluso il mare, non ci
sono molte sorgenti nella banda di interesse, ma va tenuto conto anche di eventuali segnali impulsivi che possono dare un effetto su tutto lo spettro. Va
comunque detto che i disturbi impulsivi possono essere eliminati dai dati in fase di pre-analisi mentre quelli che agiscono fuori dalla banda possono essere
rimossi con un opportuno filtraggio.
Sulla base di precedenti esperienze di misura e dai dati reperiti in letteratura è stato scelto un valore minimo limite per lo spettro del rumore di fondo
microsismico pari a circa 5·10-8·g/√Hz.
Nella valutazione di questo rumore di fondo va considerato che, nelle misure di caratterizzazione, le onde sismiche generate dal mare saranno anch’esse
presenti ed il valore determinato sarà da intendere come un limite superiore (il rumore sarà senza dubbio inferiore). Al fine di determinare il valore più vicino
al rumore minimo del sito, sono state analizzate acquisizioni sismometriche eseguite in intervalli di tempo nei quali i valori dell’altezza dell’onda significativa
misurati dalla BOA ISPRA della Spezia erano al loro minimo. Lo spettro del segnale che ci si aspetta è influenzato dall’effetto del mare che produce due picchi
piuttosto larghi sovrapposti ad un fondo che è quello da stimare.
Un altro contributo che può inficiare la misura è quello dovuto alle variazioni di temperatura: esse agiscono generalmente a basse frequenze, molto
inferiori a quelle di interesse; non di meno la qualità dei dati può essere migliorata usando dei sistemi di termostatazione o isolamento termico, non utilizzati
durante questi test.
Programa cofinanziato con il Fondo Europeo
di Sviluppo Regionale
Programme cofinancé par le il Fonds Européen
de Devéloppement Régional
Power Spectrum Magnitude [g/ Hz]
10
10
10
-6
-7
Densità spettrale della registrazione
sismometrica eseguita a Villa Pezzino
Porto Venere, sede dell’ INGV,
16 Marzo 2013
dalle 18:00 alle 24:00.
-8
Componente X
Componente Y
10
10
Componente Z
-9
-10
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
10
1
Frequency [Hz]
Altezza dell’onda significativa Hm0 misurata
dalla BOA ISPRA di La Spezia nel mese di
Marzo. Nelle ore in cui sono stati eseguiti i
test Hm0 era minore di 1 metro.
Programa cofinanziato con il Fondo Europeo
di Sviluppo Regionale
Programme cofinancé par le il Fonds Européen
de Devéloppement Régional
Power Spectrum Magnitude [g/ Hz]
10
10
10
10
-5
Densità spettrale della registrazione
sismometrica eseguita al Castello di
Lerici
27 Marzo 2013
dalle 20:00 alle 24:00
-6
-7
-8
Componente X
Componente Y
Componente Z
-9
10 -3
10
10
-2
10
-1
Frequency [Hz]
10
0
10
1
Altezza dell’onda significativa Hm0 misurata
dalla BOA ISPRA di La Spezia nel mese di
Marzo. Nelle ore in cui sono stati eseguiti i test
la Hm0 era minore di 1 metro
Programa cofinanziato con il Fondo Europeo
di Sviluppo Regionale
Programme cofinancé par le il Fonds Européen
de Devéloppement Régional
Power Spectrum Magnitude [g/Hz]
10
10
10
-6
Componente X
Componente Y
Componente Z
Densità spettrale della
registrazione sismometrica
eseguita nella sede del CNR di
Bonassola
3 Aprile 2013
dalle 15:30 alle 19:00.
-7
-8
-9
10 -3
10
10
-2
-1
10
Frequency [Hz]
10
0
10
1
Altezza dell’onda significativa Hm0 misurata dalla BOA
ISPRA di La Spezia nel mese di Marzo ed i primi giorni di
Aprile. Anche in questo caso, nelle ore in cui sono stati
eseguiti i test la Hm0 era minore di 1 metro
Programa cofinanziato con il Fondo Europeo
di Sviluppo Regionale
Programme cofinancé par le il Fonds Européen
de Devéloppement Régional
Conclusioni Esito dei test
Nome del sito
Villa Pezzino
Castello di
Lerici
Bonassola
Rete
elettrica
Rete
Internet
Alloggiamento
Strumentazione
esterna
Presenza di
disturbi
sismici
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
Legenda
• OK
• Da realizzare/Da valutare
• Non fattibile
Programa cofinanziato con il Fondo Europeo
di Sviluppo Regionale
Alloggiamento
Strumentazione
interna
Programme cofinancé par le il Fonds Européen
de Devéloppement Régional
BIBLIOGRAFIA
[1] Ardhuin F, Balanche A, Stutzmann E, Obrebski M. 2012. From seismic noise to ocean wave parameters : General
methods and validation. Journal of Geophysical Research 117: 1–19.
[2] Donne S., Bean CLI. 2012. Towards a quantification of ocean wave heights off the west coast of Ireland using land
based seismic data. AGU 2012. 7449.
[3] Ardhuin F, Stutzmann E, Schimmel M, Mangeney A. 2011. Ocean wave sources of seismic noise. Journal of Geophysical
Research 116: 1–21.
[4] Bromirski PD. 2009. Earth vibrations. Science 324: 1026–1027.
[5] Barruol G, Reymond D, Fontaine FR, Hyvernaud O, Maurer V, Maamaatuaiahutapu K. 2006. Characterizing swells in
the southern Pacific from seismic and infrasonic noise analyses. Geophysical J. Int. 164: 516–542.
[6] Longuet-Higgins MS. 1950. A theory of the origin of microseism . Philosophical Transactions of the Royal Society of
London. Series A. Mathematical and Physical Sciences 243: 1–35.
Programa cofinanziato con il Fondo Europeo
di Sviluppo Regionale
Programme cofinancé par le il Fonds Européen
de Devéloppement Régional