Relazione sull`attivit`a scientifica svolta dal dott. GUIDO RUSSO nel

Relazione sull’attività scientifica
svolta dal dott. GUIDO RUSSO
nel triennio 1/3/00-1/3/03
La mia attività scientifica del triennio si è svolta principalmente nell’ambito
della modellistica dei processi fisici legati al comportamento meccanico delle aree
di interesse geofisico. In particolare, il lavoro si è sviluppato nell’ambito della
modellistica della stabilità meccanica di aree vulcaniche, della deformazione del
suolo in risposta a sovrapressioni in serbatoi magmatici e della simulazione della
propagazione delle onde sismiche in mezzi complessi.
Per quanto riguarda il primo ambito, ho incentrato la mia attenzione sul
Vesuvio. Usando un programma commerciale agli elementi finiti ho stato realizzato un modello 3D schematico del vulcano, basato su di una reologia elastica,
per analizzarne la stabilità meccanica. Questo studio è in qualche modo il
prosieguo di un lavoro del 1997 in cui veniva analizzato l’effetto sulla stabilità
meccanica e sulle deformazioni superficiali della presenza, al di sotto del vulcano,
del basamento carbonatico su cui poggia tutta la Piana campana. Rispetto a
quel lavoro, è stata studiata l’influenza sul campo di stress di un corpo ad alta
rigidità non assisimmetrico posto all’incirca al di sotto del Monte Somma, la cui
presenza è stata messa in evidenza dall’esperimento di sismica attiva TomoVes.
La stabilità meccanica è stata valutata sia in risposta alla sola forza di gravità,
sia in risposta a diverse sorgenti superficiali di pressione e condizioni al contorno
regionali.
Anche i processi di formazione di piccole caldere sono stati oggetto di studio.
L’analisi ha riguardato le condizioni geometriche e di pressione che favoriscono
la formazione di piccole caldere a seguito di eruzioni esplosive. Anche in questo
caso ho usato il metodo degli elementi finiti per creare diversi modelli assisimmetrici per valutare interazione meccanica camera magmatica - superficie, tutti
basati su di una reologia elastica. È stato considerato un range di forme di
camera magmtaica che va dall’ellissoide oblato a quello prolato; per ciascuna di
queste forme sono stati considerati diversi rapporti di scala tra la dimensione
caratteristica della camera e la profondità. Fissando, poi, la forma, è stata
valutato il ruolo di varie condizioni di pressione all’interno della camera. Uno
dei risultati più significativi ottenuti è che la frattura della roccia incassante
avviene in maniera piuttosto diffusa intorno alla parte superiore della camera
magmatica, ma contemporaneamente anche in superficie, ad una distanza dalla
verticale della camera crescente man mano che la camera diventa più profonda.
Questo risultato, naturalmente, dipende dalla pressione sviluppata all’interno
della camera magmatica, in quanto questa deve essere sufficiente a vincere il
carico litostatico della roccia incassante. Il lavoro è ancora in fase di sviluppo;
in particolare, verrà introdotta la presenza di un condotto e della topografia.
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Per quanto riguarda la modellistica delle deformazioni del suolo, anche in
questo caso ho rivolto l’attenzione al Vesuvio, effettuando un’analisi analoga a
quella fatta per la stabilità meccanica. Nel modello 3D agli elemanti finiti sono
state introdotte diverse sorgenti di pressione, tutte interagenti con il basamento
carbonatico ed il corpo ad alta rigidità, ed è stato calcolato il campo di spostamento. Al contrario di quello che avviene per il campo di stress, i risultati hanno
evidenziato una estrema sensibilità dello spostamento superficiale alla presenza
di strutture geologiche di scala pari a quella della sorgente. L’effetto sul campo
di spostamento dell’interazione sorgente-struttura, benché spiegabile attraverso
la fisca del processo, non è intuitivamnte ovvio. Calcoli su modelli 3D simili a
quello sviluppato sono dunque necessari per calibrare al meglio il dispiegamento
di una rete di sorveglianza nel caso di un aumento dell’attività.
L’attività relativa alla modellistica della propagazione del campo d’onda sismico completo si è basata inizialmente sullo sviluppo di un codice alle differenze
finite in 2D. Il codice si basa sulla formulazione stress-velocità del sistema di
equazioni che regola la propagazione delle onde sismiche in un mezzo elastico
implementata su griglia scalata, e consente di considerare modelli di velocità
lateralmente disomogenei. La sorgente può essere tanto esplosiva quanto rappresentata da un meccanismo doppia coppia. Con questo codice ho effettuato uno
studio sulla forma del basamento carbonatico al di sotto del Vesuvio, basato sulla
modellazione diretta dei sismogrammi registrati lungo i profili dell’esperimento
TomoVes. Questo studio ha integrato i risultati dei modelli tomografici, in
quanto questi ultimi sono continui e non consentono una precisa localizzazione
delle discontinuità.
Si è posto poi il problema di introdurre nel codice una reologia viscoelastica.
Questa reologia è particolarmente adatta alle simulazioni di propagazione del
campo d’onda sismico in aree vuilcaniche in quanto le alte temperature posso
degradare le proprietà elastiche dei materiali. Ho cosı̀ portato avanti lo studio
di un metodo per rappresentare la reologia viscoelastica basato sulla sovrapposizione di Solidi Lineari Standard con diversi tempi di rilassamento. Questo
tipo di approccio si adatta bene all’implementazione all’interno di un codice che
simula la propagazione del campo d’onda nel dominio del tempo. Il metodo non
introduce le semplificazioni su cui si basano i metodi di più facile implementazione reperibili in letteratura, ma è comunque di implementazione semplice
rispetto ai metodi più rigorosi.
Il codice continua a essere sviluppato (in collaborazione con altri due ricercatori). Dato il significativo aumento del tempo macchina necessario per il calcolo
con la reologia elastica, si è proceduto in primo luogo alla parallelizzazione del
codice elastico e alla introduzione di bordi assorbenti efficienti. Inoltre, esso è
stato esteso a 3D. I problemi su cui si sta attualmente lavorando sono la ricerca
di una interfaccia utente che consenta di creare modelli di velocità 3D in modo
rapido e semplice, e la ricerca del miglir metodo per l’implementazione della
reologia viscoelastica. Il codice viene attualmente utilizzato per produrre input sismici nell’ambito dei progetti nazionali VIA e TRAIANO finanziati dal
Gruppo Nazionale per la Difesa dai Terremoti, aventi come scopo lo studio e la
riduzione del rischio sismico in aree urbanizzate e dove sono presenti infrastrut2
ture (Irpinia e Sannio).
Rimanendo nell’ambito di progetti di ricerca nazionali, una parte importante
dell’attività di ricerca è stata svolta per il progetto “Metodologie sismiche integrate per lo studio di aree vulcaniche attive; applicazione alla caldera dei Campi
Flegrei” finanziato dal Gruppo Nazionale per la Vulcanologia. Questo progetto
triennale vede coinvolte 9 Unità di Ricerca: due del Dipartimento di Scienze
Fisiche dell’Università di Napoli “Federico II”, una dell’Università di Bari, una
dell’INGV di Roma, una dell’INGV di Milano, una dell’OGS di Trieste, una
dell’Osservatorio Vesuviano, una dell’IDPA di Milano e una del GeoAzur di
Nizza. Nell’ambito del progetto (la cui fine è prevista per dicembre 2003) la mia
attività si inquadra nell’unità di ricerca del Dipartimento che ha per scopo la
modellazione termomeccanica dell’area flegrea. Ho coadiuvato la prof. Giberti,
responsabile della unità, allo sviluppo di un modello termico dell’area flegrea e
nella raccolta di dati di proprietà geofisiche delle rocce flegree, necessarie per lo
sviluppo dei modelli termici e meccanici. Questa attività avrà il suo massimo
sviluppo durante il 2003. Inoltre, ho collaborato all’ esperimento Serapis e alla
creazione di un database sismico.
L’esperimento Serapis, effettuato nel settembre 2001, è consistito nell’effettuazione di più di 4500 energizzazioni da parte della nave oceanografice Nadir
dell’IFREMER lungo dei profili nel golfo di Napoli e nella baia di Pozzuoli.
Lo scopo dell’esperimento è quello di caratterizzare le strutture non esposte
della caldera flegrea e di ricostruire l’andamento del basamneto carbonatico
nell’area. Ho partecipato all’acquisizione dei dati, installando e mantenendo
due stazioni sismiche (una Mars Lite una Lennhartz 5800) ed organizzando
parte della logistica dell’esperimento. Poi ho collaborato alla formattazione
e omogeneizzazione dei dati delle stazioni Lennhartz 5800 e Reftek (circa 16
stazioni su 70). I dati acquisiti cominciano oggi ad essere analizzati.
Per quanto riguarda la creazione del database sismico, sono state raccolte
le registrazioni realizzate dall’Università del Wisconsin con una rete mobile di
circa 12 stazioni nel periodo gennaio-maggio 1984, durante l’ultima crisi bradisismica. Ho effettuato la conversione delle forme d’onda in un formato standard
(SAC) e ho distribuito i dati alle varie unità di ricerca per l’effettuazione della
lettura dei tempi di arrivo delle fasi P e S per gli eventi sismici. Ho partecipato anche all’effettuazione di queste letture, per quanto riguarda la parte di
eventi spettante alle unità di Napoli. L’importanza di questi dati sta nel fatto
che costituiscono un insieme più ampio rispetto a quello usato in tutti gli studi
di tomografia sismica precedenti. Si spera quindi che possa fornire maggiori
dettagli sulle strutture all’interno della caldera flegrea.
Allego alla relazione una lista delle pubblicazioni del triennio.
Napoli, 1/3/03
Guido Russo
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Publications
Russo, G., Zollo, A., Furnari, M.M., and Imparato, A., 2003, Finite difference simulation of complete wavefield: an application to profile A, in Zollo, A.,
Bobbio, A., Gasparini, P., Casale, R., and Yeroyanni, M., Eds., The TomoVes
Seismic Project: Looking Inside Mount Vesuvius: Cuen under sponsorship of
European Commission, project ENV4-980698, e-book.
Russo, G., and Zollo, A., 2003, Short note: A constant Q technique for
numerical simulation of attenuation of seismic body waves: accepted on Geophysics.
Russo, G., and Giberti, G., 2003, Surface deformationon Mt. Vesuvius volcano (Italy) in presence of asymmetric elastic heterogeneities: in press on J.
Volcanol. Geoth. Res.
Russo, G., and Giberti, G., 2000, Mechanical stability of Mt. Vesuvius
volcano: effects of asymmetries on the stress field: Surv. Geophys., 21, 407421.
Oral presentations
Zollo, A., Virieux, J., Makris, J., Auger, E., Boschi, L., Capuano, P.,
Chiarabba, C., D’Auria, L., De Franco, R., Judenherc, S., Michelini, A., Musacchio, G., and SERAPIS group, 2002, High resolution seismic imaging of the
Campi Flegrei caldera, Southern Italy: presented at A.G.U. Fall Meet.
Russo, G., and Giberti, G., 2001, Effect of rigidity heterogeneities on the
deformation field at Mt. Vesuvius: presented at the 26th Gen. Ass. of E.G.S.
Tait, S., Gardner, J.E., and Russo, G., 2000, The formation of calderas
during explosive volcanic eruptions: presented at A.G.U. Fall Meet.
Posters
Zollo, A., Virieux, J., Capuano, P., Chiarabba, C., De Franco, R., Makris,
J., Michelini, A., Musacchio, G., and SERAPIS group, 2002, The SERAPIS
project: high resolution seismic imaging of the Campi Flegrei caldera structure:
presented at the 27th Gen. Ass. of E.G.S.
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