1 Dottoranda: Ramona Guida Tutor: Giovanni Iannaccone INGV – Osservatorio Vesuviano Dottorato di...

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Dottoranda:

Ramona Guida

Tutor:

Giovanni IannacconeINGV – Osservatorio Vesuviano

Dottorato di Ricerca in Rischio Sismico - XXIII ciclo

Studio e Analisi e di Segnali Sismici registrati in mare da Sistemi Idrofonici

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Sommario

Eventi Sismici in ambiente marino e onde acustiche

CUMAS: Cabled Underwater Multisensor Array data

Il fondo marino: un proiettore acustico

Prospettive future: la rete di idrofoni

Collocazione

Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono

La Ricerca in atto: segnali sismici e metodologie FEM

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Propagazione e Analisi

di segnali sismiciin ambiente marino

Detezione di Segnali Sismici provenienti

dal sub-bottom marino con Idrofoni

Influenza della massa d’acqua

sulla propagazionedi Segnali Sismici

Collocazione

Il moto cui è interessato il fondo marino quando un evento sismico si verifica nel sub-bottom dà origine in mare a perturbazioni della massa d’acqua.Le oscillazioni attorno alla posizione di riposo delle particelle che si trovanosull’interfaccia fra il fondo marino e la colonna d’acqua sovrastante determinanoregioni spazialmente alternate di compressione e rarefazione del mezzo notecome onde di pressione o onde acustiche.

Eventi Sismici in ambiente marino e Onde Acustiche

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Nell’assunzione che il fluido in cui si propaga l’onda sia elastico, isotropo,stazionario, lineare, continuo, omogeneo e perfetto, allora il valore del campo dipressione immesso in acqua da un evento sismico, all’istante t e in un puntodello spazio (x,y,z) è fornito dall’equazione di D’Alembert

2

2

22

2

2

2

2

2 1

t

p

cz

p

y

p

x

p

La perturbazione legata all’onda si propaga nel mezzo in modo tale che lapropria ampiezza in ogni punto dello spazio è funzione del tempo, mentre inogni istante in ciascun punto dipende dalle coordinate geometriche del puntostesso


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Nell’assunzione che le variabili dell’onda siano funzione di una sola coordinata spaziale, allora l’onda di pressione è un’onda piana e l’equazione d’onda è

2

2

22

2 1

t

p

cx

p

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Supponendo che la fonte di generazione del campo di pressione in mare sia un piano vibrante, allora nella derivazione dell’espressione del campo di pressione si assume che l’intera superficie si muova con velocità v alternativamente lungo la perpendicolare al piano. Se dS costituisce il singolo elemento infinitesimo appartenente al piano e animato con velocità v, allora il campo di pressione totale agente sull’elemento di superficie dA in un punto generico p(x,y,z) sarà


S

cdSvdAzyxP 0),,(

Supponendo che la fonte di generazione del campo di pressione in mare sia un piano vibrante, allora nella derivazione dell’espressione del campo di pressione si assume che l’intera superficie si muova con velocità v alternativamente lungo la perpendicolare al piano. Se dS costituisce il singolo elemento infinitesimo appartenente al piano e animato con velocità v, allora il campo di pressione totale agente sull’elemento di superficie dA in un punto generico p(x,y,z) sarà


S

cdSvdAzyxP 0),,(

v

Dove è la densità del mare e c la velocità di propagazione dell’onda acustica in mare (1500m/sec).

c

99

Metodologia: ipotizzare il fondo marino come radiatore pianoe utilizzare sistemi di detezione e tecniche di analisi tipicamente utilizzati nella sonaristica tradizionale per l’acquisizione e il trattamento di Segnali Sismici provenienti dal sub-bottom

Il fondo marino: un proiettore acustico

Gli Idrofoni nella detezionedi Segnali Sismici

provenienti dal Sub-bottom marino

1010

Il CUMAS: Cabled Underwater Module for Acquisition of Seismological data

Concepito per applicazioni specifiche di monitoraggiodi fondali marini in areevulcaniche, mira a integrare larete di monitoraggio sismico deiCampi Flegrei presente a terra estendendo quest’ultima al settore marino della caldera che ne coprecirca la terza parte.Equipaggiato fra gli altri sensoridi un idrofono, CUMAS ha consentito di acquisire segnalisismici come segnali acustici

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Il set di dati a disposizione oggetto di analisi e registrato dal modulo CUMASè relativo a un evento sismico verificatosi in Grecia nel giugno 2008; l’evento è stato registrato tanto dal sismometro di fondo quanto dall’idrofonoposizionato a un metro da esso.

0 500 1 103 1.5 10

30

1 104

2 104

3 104

4 104

3.146 104

1.375 103

v2

1.201 1030 tempo

0 500 1 103 1.5 10

32 10

4

1 104

0

1 104

2 104

1.52 104

1.6 104

v

1.201 1030 tempo

Vz al sismometro P all’idrofono

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Il set di dati a disposizione oggetto di analisi e registrato dal modulo CUMASè relativo a un evento sismico verificatosi in Grecia nel giugno 2008; l’evento è stato registrato tanto dal sismometro di fondo quanto dall’idrofonoposizionato a un metro da esso.

0 500 1 103 1.5 10

30

1 104

2 104

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0 500 1 103 1.5 10

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1.201 1030 tempo

Vz al sismometro P all’idrofono

S

z cdSvdAzyxP 0),,(

Il confronto è lecito se si ipotizza, come già stabilito, il fondo marino comeradiatore piano animato da velocità Vz e pertanto il campo di pressione immessoin acqua da esso è pari al prodotto della Vz registrata al sismometro per la c del suono in acqua (supposto =1)

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0 500 1 103 1.5 10

30

1 104

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3.146 104

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1.201 1030 tempo

0 500 1 103 1.5 10

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1 104

0

1 104

2 104

1.52 104

1.6 104

v

1.201 1030 tempo

Sismometro Idrofono

Ciascun set di dati comprende un totale di 120100 campioni distanziati con un tc=0.01sec.La differenza fra i segnali ai due strumenti è netta: mentre quello al sismometrorisulta essere completamente immerso nel rumore ambientale, quello all’idrofonoè distinguibile in modo netto, di natura fortemente impulsiva presenta valoridell’ampiezza ben oltre il rumore ambientale.

Ciò è da imputare al fatto che l’idrofono percepisce la sola componente longitudinale del moto e sono quindi assenti gli effetti di disturbo delleonde di taglio presenti invece al sismomertro

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0 10 20 30 40 500

1 104

2 104

3 104

2.122 104

0

vfma

500 freq

0 10 20 30 40 500

2 104

4 104

6 104

8 104

6.52 104

0

v2fma

500 freq


Sismometro

Idrofono

L’analisi spettrale dei segnali registrati dai due strumenti hamesso in evidenza la caratteristicafortemente impulsiva del segnale all’idrofono. Quest’ultimo infattiè interessato da uno spettro a larga banda che ne rende difficilela caratterizzazione e separazione dal rumore ambientale che in mareoccupa le medesime frequenze occupate dal segnale sismico percepitodall’idrofono.

1515


L’analisi nel dominio del tempo ha fornito al contrario risultati incoraggiantiper quanto attiene all’idrofono. Per ciascun set di dati, sul quale è stato operato il valore assoluto e poi il quadrato per derivare l’energia associata a ciascun segnale, è stata calcolata una media temporale con finestra mobile di 1000campioni con un overlap di 999

0 500 1 103 1.5 10

30

1 104

2 104

3 104

4 104

3.146 104

1.375 103

v2

1.201 1030 tempo

0 500 1 103 1.5 10

32 10

4

1 104

0

1 104

2 104

1.52 104

1.6 104

v

1.201 1030 tempo

Sismometro

Idrofono

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0 500 1 103 1.5 10

31 10

3

2 103

3 103

4 103

5 103

6 103

5.453 103

1.129 103

aa

1.191 1030 bb

0 500 1 103 1.5 10

30

1 103

2 103

3 103

4 103

5 103

4.451 103

241.8

aa

1.191 1030 bb


Sis

mom

etro

Idro

fono

L’inviluppo dei valori medicalcolati in ciascuna finestramobile ha consentito di tracciare l’andamento temporale dell’energia associata ai segnali rilevati dai sue strumenti.L’elaborazione ha determinato una riduzione della potenza del rumore non correlato, esaltando la presenza del segnale utile, interessato da un fronte di salita molto ripido soprattutto per il segnale all’idrofono

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0 500 1 103 1.5 10

31 10

3

2 103

3 103

4 103

5 103

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1.129 103

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1.191 1030 bb

0 500 1 103 1.5 10

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1 103

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4.451 103

241.8

aa

1.191 1030 bb


Sis

mom

etro

Idro

fono

Il fatto invece che il segnale al sismometro presenti una distribuzione dell’energia distribuita su un intervallo di tempo maggiore fa sì ch’esso perda la caratteristica impulsiva limitandone di fatto la rilevabilità

L’inviluppo dei valori medicalcolati in ciascuna finestramobile ha consentito di tracciare l’andamento temporale dell’energia associata ai segnali rilevati dai sue strumenti.L’elaborazione ha determinato una riduzione della potenza del rumore non correlato, esaltando la presenza del segnale utile, interessato da un fronte di salita molto ripido soprattutto per il segnale all’idrofono

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Le due forme d’onda, private poi del valor medio, sono state segmentate in frame di 1024 campioni e analizzate tramite processore FFT

0 500 1 103 1.5 10

30

1 104

2 104

3 104

4 104

3.146 104

1.375 103

v2

1.201 1030 tempo

0 500 1 103 1.5 10

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4

1 104

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1 104

2 104

1.52 104

1.6 104

v

1.201 1030 tempo

Sismometro

Idrofono

1919

matvS


matv

Il livello dei campioni spettrali in deciBel, nella gamma 0-50Hz e relativamente a ciascuno strumento, nel tempo e in frequenza descrive delle superfici

Sismometro Idrofono

freq freq

tem

po

tem

po

2020


matvS matv

Nella forma d’onda al sismometro così analizzata si evidenzia quanto i caratteri del sisma si confondano con quelli del rumore ambientale, mentre all’idrofonosiano evidenti in modo netto.

Sismometro Idrofono

2121


matvS

matv

La caratteristica di elevata detectabilità che caratterizza il segnale sismicoall’idrofono fa ipotizzare che l’impiego di una rete di idrofoni nella rivelazione di eventi sismici che avvengono nel sub-bottom marino può comportare una maggiore efficacia rispetto a quella offerta dai sistemi preposti a questa funzione.

Sismometro Idrofono

0 500 1 103 1.5 10

31 10

3

2 103

3 103

4 103

5 103

6 103

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1.129 103

aa

1.191 1030 bb 0 500 1 10

3 1.5 103

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1 103

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4.451 103

241.8

aa

1.191 1030 bb

Si è potuto notare infatti un maggiore contrasto di energiaquando si confrontano l’eventosismico e il rumore rivelati da unidrofono piuttosto che da unsismometro

Dottorato di Ricerca inRischio Sismico XXIII ciclo

Utilizzando una rete di idrofoni, gli elementi di differenziazione legati alle diverse quote di ciascun sensore si prestano anche alla funzione di filtraggio di perturbazioni acustiche non provenienti dal fondo ma collocate spettralmente nella gamma del sisma.Il segnale associato a un evento sismico e rivelato da un idrofono presenta infattila caratteristica impulsiva, che non è presente in quella rilevata dal sismometro.




matv

Il suo spettro quindi, più disperso in frequenza, consente di elaborare algoritmi in grado di ridurre il disturbo di sorgenti rumorose che si collocano nella gamma delle bassissime frequenze e di separare inoltre quelle a caratteristica monocromarica.


La rete di idrofoni consentirebbe inoltre di correlare temporalmente i segnali registrati, ottenendo guadagni di processo superiori collegati al beamforming.Se è il tempo di ritardo relativo all’arrivo di un segnale Si all’idrofono i-simorispetto al tempo di un idrofono di riferimento, allora il fascio relativoalla rete di idrofoni sarà

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iiN tStBeam

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L’attività di ricerca in fase iniziale di sviluppo si propone come obiettivo l’utilizzo di algoritmi FEM (Finite Element Modeling) per lo studio di come glistrati superficiali del fondo marino e più in generale la massa d’acqua agiscanosulla propagazione e trasformazione dei segnali sismici.

La Ricerca in atto: Segnali Sismici e metodologie FEM

L’utilizzo di algoritmi di tal genere unitamente a tecniche e metodologie di analisi tipicamente utilizzate nell’ambito della sonaristica tradizionale apre nuove prospettive a ricerche e sviluppi futuri nella Sismologia Marina

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Grazie per l’attenzione

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