Seismology: The hunt for plumes

 

LA CACCIA AI "PLUMES"

 

Tutti i metodi ad alta risoluzione per determinare la struttura interna della Terra, sono basati sull'analisi della propagazione di onde sismiche generate da terremoti o esplosioni. Si tratta di onde elastiche nelle quali la forza di richiamo proviene dalla resitenza dei materiali alla deformazione. In un mezzo a dimensione infinita, queste sono di due principali tipologie: onde di compressione e onde di taglio.  Questo insieme di onde va a comporre le cosidette onde di volume, che si propagano all'interno della Terra.

Le onde sismiche all'interno della Terra viaggiano ad una velocità di diversi chilometri per second, con la velocità delle onde di compressione (Vp) generalmente 1,7 volte maggiore di quella delle onde di taglio (Vs). La velocità di queste onde è diversa per diversi tipi di rocce attraversate, inoltre tende a crescere con l'aumento della presisone (la quale è fortemente legata alla profondità) e, decresce con la temperatura. Attraverso le velocità di propagazione di queste onde conosciamo l'interno della nostra Terra, la quale è suddivisa in vaie zone a composizione approsimativamente omogenea:

• La crosta, le prime decine di chilometri esterni del nostro pianeta
• una zona di 2900-km chiamata mantello, composta principalmente da rocce ultramafiche.
• Un nucleo liquido (raggio 3475 km), al cui centro  (1250-km di raggio) si ha un nucleo solido (nucleo interno).

I limiti tra queste maggiori zone dell'interno del nostro pianeta producono varie tipologie di riflessioni e trasmissioni delle fasi simiche, complicando il sismogramma ottenuto.

 

 

La velocità delle onde sismiche varia anche orizzontalmente, e non solo in senso verticale. Per esempio: la crosta si presenta da 5 a 10 volte più sottile  sotto gli oceani, rispetto a quella sotto i continenti. Inoltre sotto le zone di dorsale oceaniche il mantello si presenta più caldo, con velocità delle onde minore rispetto a zone oceaniche lontane dal ridge, dove il mantello più freddo presenta una velocità maggiore delle onde.  

 

La determinazione della velocità delle onde sismiche nel mantello è uno dei tool più performanti per ricostruire i "plumes". Da quando l'esistenza dei plumes è stata ipotizzata Morgan [1971], la comunità sismologica ha utilizzato molti metodi per la localizzazione di zone ad anomala velocità sotto gli hot spot, correlabili a zone dei plumes.

 

Indicatori di plumes:

 

vari potenziali effetti che i plumes possono avere sulla propagazione delle onde sismiche sono stati teorizzati:

  

-Effetto Termico Diretto: se un plumes esiste nel mantello, si avrà una bassa velocità delle onde nella zona del plumes. Nel mantello superiore, una temperatura di 100K porta ad abbassamenti della Vp dell'1% e della Vs dell'1,7%. La anomalia di temperatura minima che è stata associata ai plumes è di 200K, con un chiaro effetto sulla velocità delle onde sismiche.

-Effetto Termico Indiretto: la variazione di temperaura comporta anche la variazione nella profondità del limite delle fasi polimorfiche nella zona di transizione tra mantello superiore ed inferiore. Questo limite è localizzato dove la pressione causa cambiamenti nella struttura cristallina, comportando una variazione anche nella densità e quindi nella velocità di propagazione delle onde sismiche. Due di queste zone, hanno una evidenza planetaria (410 e 650 km) e sono facilmente individuabili. Anomalie di temperatura, possono causare movimenti verticali di questi limiti ben noti. Tali anomalie sono ben ricostuibili con metodi sismici, uno tra questi il metodo Receiver Functions.
 

-Effetto Chimico: se un plumes esiste, avrà una differente composizione rispetto al materiale circostante. Questo causa una anomalia di velocità delle onde sismiche. Il segno e la magnitudo di tale anomalia è funzione dei minerali che la andranno a comporre.

 

-Fusione: la presenza di anche una piccola quantità di rocce fuse porta grandi effetti nella velocità delle onde sismiche. La presenza di materiale fuso ci indica anomalie temriche, o presenza di rocce a mineralogia con basos punto di fusione. L'intensità dell'effetto di variazione di velocità dipende fondamentalmente dalla forma del corpo fuso, con effetti maggiori dati da layer fini rispetto a corpi sferici (Goes et al., 2000).

 

 

Acknowledgements: 
mantleplumes.org

Le rocce sotto sforzo: come nasce un terremoto

USGS Rock Physics Laboratories: capire le rocce che generano sismi  
Il principale scopo dell'analisi fisica di laboratorio è quello di comprendere la fisica delle faglie sismogenetiche. 
Gli esperimenti di laboratorio sono condotti a pressioni e temperature sismili a quelle dell'interno della Terra, dove i terremoti sono generati. Questi studi includono gli sforzi e le frizioni delle rocce nella zona di faglia, la velocità dele onde sismiche attravers le rocce ed il ruolo dei fluidi e flussi di fluidi nella faglia.

 

Campione di granito utilizzato in uno studio di laboratorio.

I dati ricavati dalle analisi sono studiati congiuntamente ad altri dati geofisici, allo scopo di comprendere i fenomeni che avvengono durante i sismi, come il trigger di un terremoto, la ricorrenza di questi o il moto del suolo.
 
BACKGROUND:
Molti terremoti crostali sono causati dal rapido movimento lungo faglie preesistenti. Questi rapidi movimenti sono relativi all'accumulo di sforzi contrastati dalla frizione la quale, una volta sovrastata dalle forze in gioco, cede con uno spostamento subitaneo dei blocchi di faglia: ecco il sisma. 
La comprensione della frizione esistente tra le rocce della faglia è fondamentale al fine di capire il meccanismo di generazione dei sismi. 
Un modello semplice di questo processo è quello riportato nella figura sotto, dove sono rappresentati un blocco di massa m ed una molla.










 
La massa m riposa sulla superficie, e una forza tangenziale f è applicata a questa massa tirando la molla con bassa velocità. Il plot della forza della molla, rispetto alla deformazione di questa ha un andamento:






La prima parte del grafico presenta un andamento lineare, che rispecchia la deformazione della molla all'applicazione della forza. In una seconda parte il grafico esce dall'andamneto lineare, è qua che il blocco inizia a spostarsi, battendo la forza di attrito con la superficie. Continuando l'applicazione della forza, il blocco tende ad avere uno spostamento repentino che provoca una drastica caduta nella forza della molla. Il ciclo si ripete fino a che il blocco non tende a scivolare ancora verso la direzione della forza tangenziale. Questo comportamento è molto sismile a quello che si ha nelle rocce posizionate ai due lati della faglia, quando vi sia una forza tale da generare un sisma. Nel modello semplice sopra si nota che il ciclo incomincia con un periodo di carico, senza spostamento del blocco, assimilabile al periodo intersismico. Nella fase successiva il materiali di faglia iniziano a perdere consistenza, e si hanno movimenti lenti precursori di uno slittamento veloce. Lo stadio finale è quello del sisma, che con un movimento rapido accomoda la deformazione generata dallo sforzo applicata e la forza cade in modo repentino.


Il modello semplice del blocco e della molla non è però totalmente adeguato alla risoluzione di tale problematica, e non aiuta molto nella simulazione del cmportamento di una faglia sottoposta a temperature e pressioni presenti nelle profondità della Terra. Sono così stati sviluppati svariati apparecchi atti alla simulazione dello scorrimento ri rocce a contatto, come nelle faglie.


Queste apparecchiature hanno permesso di sviluppare alcuni test, largamente usati al fine di comprendere il comportamento di rocce sottoposte a stress. Un primo esempio è quello dell'esperienza biassiale, dove un campione rettangolare è sottoposto a sollecitaizone su due assi, mentre il terzo è lasciato libero. Il campione viene portato a rottura applicando unosforzo differenziale lungo un asse di deformazione del campione. Da queste analisi è possibile determinare il coefficiente di attrito delle rocce, o più giustamente del amteriale di faglia, che molto spesso si presenta in stato fortemente alterato.





Il coefficiente di attrito µ è definito come il rapporto tra lo sforzo di taglio T (sforzo tangenziale applicato nella direzione dello slittamento) e sforzo normale ovvero quello sforzo che tiene unite le rocce tra di loro. Il parametro µ è fondamentale nello studio del comportamento delle rocce sottoposte a stress e quindi nella comprensione della genesi di sismi.




Un altro tipo di prova è quella triassiale, dove un campione di roccia cilindrico viene sigillato all'interno di una mebrana gommosa. A questo punto il capione è sopposto ad una pressione omogenea su tutte le sue parti attraverso una forza idraulica per simulare le condizioni di presione 3D presenti all'interno della Terra. Il campione viene poi portato a rottura applicando una ulteriore forza assiale che rappresenta la simulazione del nostro sforzo tettonico. Quello che si ricava è la forza necessaria alla rottura della roccia intatta, e la forza di attrito necessaria allo scorrimento in una frattura preesistente. Oltre ai parameri visti, un grande effetto sulla rottura è apportato dalla pressione dei fluidi nei pori e dalla temperatura della roccia. Anche queste condizioni sono riprodotte in laboratorio nei test triassiali, introducento acqua e calore nel campione durante il test.

Haiti Earthquake

Tutte le informazioni sul terremoto di Haiti:
Felt Reports: 112405 persone uccise, 196595 feriti, da 800000 a 1 milione di sfollati. Percepito attraverso la reione di Haiti, Repubblica Dominicana, Cuba Jamaica, Puerto Rico e Bahamas, ma anche in Florida (Tampa) e Venezuela (Caracas)

USGS DETAILED INFORMATION:

Magnitude	7.0
Date-Time	Tuesday, January 12, 2010 at 21:53:10 UTC Tuesday, January 12, 2010 at 04:53:10 PM at epicenter Time of Earthquake in other Time Zones
Location	18.457°N, 72.533°W
Depth	13 km (8.1 miles) set by location program
Region	HAITI REGION
Distances	25 km (15 miles) WSW of PORT-AU-PRINCE, Haiti 130 km (80 miles) E of Les Cayes, Haiti 150 km (95 miles) S of Cap-Haitien, Haiti 1125 km (700 miles) SE of Miami, Florida
Location Uncertainty	horizontal +/- 3.4 km (2.1 miles); depth fixed by location program
Parameters	NST=312, Nph=312, Dmin=143.7 km, Rmss=0.93 sec, Gp= 25°, M-type=teleseismic moment magnitude (Mw), Version=9
Source	USGS NEIC (WDCS-D)
Event ID	us2010rja6

ASEETTO TETTONICO DELL'AREA:

Il  Terremoto si localizza nella zona di confine tra la placca caraibica e la placca nord americana (mappa tettonica a placche). Questo limite tra placche è caratterizzato da faglie trasformi a movimento sinistro, con un movimento di circa 20 mm/anno della placca Caraibica verso Est e zone compressive.
 Hatiti occupa la parte Ovest dell'isola di Hispaniola, una delle grandi Antille, situata tra Puerto Rico e Cub. Il moto delle due placche è partizionato tra 2 principali sistemi di faglie trasformi, il sistema settentrionale (Nord Haiti) ed il sistema Enriquillo-Platain Garden localizzato nella parte Sud.
Il terremoto del 12 Gennaio è attribuito al moto sinistro di una faglia traforme (vedi tensore di momento sotto) nel sistema Enriquillo-Platain Garden. Questo sistema accomoda il 50% dello spostamento relativo totale presente tra le 2 placche.

  Principali limiti tettonici dell'areas: zone di subduzione -viola, ridge -rosso e faglie trasformi -verde 
 

 USGS Tensore di momento del terremoto di Haiti
 10/01/12 21:53:24.50
 Centroid:   18.826  -72.162
 Depth  10         No. of sta:125
 Moment Tensor;   Scale 10**19 Nm
   Mrr= 1.63       Mtt=-3.71
   Mpp= 2.08       Mrt= 0.42
   Mrp= 1.93       Mtp= 2.50
  Principal axes:
   T  Val=  4.40  Plg=35  Azm=289
   N        0.26      54      115
   P       -4.65       2       21

 Best Double Couple:Mo=4.5*10**19
  NP1:Strike= 71 Dip=64 Slip=  25
  NP2:       330     68       151
                                      
               -------                
          ------------- P -           
        #####----------   ---         
      #########----------------       
    #############----------------     
   ###############----------------    
   ####   ##########--------------    
  ##### T ###########------------##   
  #####   ############---------####   
  #####################------######   
  ######################--#########   
  #####################--##########   
   ##############---------########    
   -----------------------########    
    -----------------------######     
      ---------------------####       
        -------------------##         
          -----------------           
               -------                
                          

Il sistema Enriquillo-Platain Garden non è stato responsabile di terremoti distruttivi nell'ultima decade, ma sono documentati grandi sismi nel 1860, 1770 e 1751.
Data la dinamica trasforme della faglia che ha generato il sisma, non si è avuto lo sviluppo di Tsunami.

mappa di scuotimento

Aftershock Report:

Nel periodo dall'origine del terremoto al 2010-02-01 la USGS NEIC ha localizzato 50 aftershocks (cosa sono?) di magnitudo maggiore di 4,5.  Le due più grandi scosse secondarie hanno presentato una magnitudo pari a 5,9, la prima di queste è stata registrata 7 minti dopo la scossa principale, mentre la seconda alle 11:30 del 20 Gennaio

Sismogrammi:

 

sismogrammi relativi al terremoto di Haiti registrati in 11 stazioni 

Mappa delle stazioni di registrazione

Region:	Haiti Region
Time (GMT):	2010-01-12 21:53:09
Magnitude:	7.0
Location:	18.5 N, 72.4 W
Depth:	10 km

Elenco delle stazioni di registrazione 

	Station Code	Station Name	Distance to Earthquake
	CU.SDDR	Presa de Sabenta, Dominican Republic	1.2 deg/135 km
	CO.JSC	Jenkinsville, South Carolina	17.6 deg/1959 km
	TA.P26A	Davis Ranch, Arriba, CO, USA	34.0 deg/3779 km
	UW.LEBA	Lebam, WA, USA	50.3 deg/5592 km
	AK.HDA	Harding	66.8 deg/7430 km
	IU.PMSA	Palmer Station, Antarctica	83.2 deg/9253 km
	KZ.ABKAR	Akbulak array,AB31, Kazakhstan	100 deg/11171 km
	IC.BJT	Baijiatuan, Beijing, China	121 deg/13485 km
	AU.ARMA	Armidale, New South Wales	138 deg/15387 km
	II.WRAB	Tennant Creek, NT, Australia	155 deg/17195 km
	AU.XMI	Christmas Island Airport	172 deg/19107 km

Acknowledgements: 


http://www.iris.edu/hq/retm 
http://earthquake.usgs.gov/ 
IRIS on YouTube 

Seismic Tomography (2): "la formulazione del problema inverso"

 

Un problema inverso è uno strumento molto ricorrente in molti rami della matematica e della scienza in generale, il quale è caratterizzato da alcuni parametri di un modello che devono essere ottenuti a partire da dati osservati. Il problema inverso può essere fromulato come composizione di:

1. Dati
2. Parametri di un modello

La trasformazione dai dati ai parametri del modello sono il risultato di una interazione di un sistema fisico, come la Terra.

I problemi di questo tipo sono noti in geofisica, medicina, telerilevamento ed astronomia.

Questa tipologia di problema è tipico per la sua indeterminazione, cioè la soluzione non è soggetta ad univocità.

Un problema inverso ha lo scopo di definire m così che (al massimo della approssimazione):

 dove G è un operatore che descrive esplicitamente la relazione esistente tra i dati d e i parametri del modello m e rappresenta il sistema fisico.  A seconda del contesto G è definito come forward operator, observation operator, oppure observation function.
Nel caso di un problema inverso lineare la relazione tra parametri e dati può essere espressa come:

dove G è una martice chiamata observation matrix mentre d ed m sono vettori. Le dimensioni di G saranno legate alle componenti dei vettori.




 

• esempio di relazione lineare

La situazione risulta molto più complessa quando il problema inverso sia di tipo non lineare. In tal caso nella relazione:

G è rappresentato da un operatore non lineare e la soluzione necessita di un approccio più complesso al fine di ottenere risultati.

Soluzioni a questi problemi sono ottenute sviluppando un inverse scattering problems, formulato dalla scuola matematica russa (Krein, Gelfand, Levitan, Marchenko).




Acknowledgements:

• Inverse Problems Network
• Inverse Problems page at the University of Alabama
• Another Inverse Problems web site
• Albert Tarantola's website, including a free PDF version of his Inverse Problem Theory book, and some on-line articles on Inverse Problems
• Andy Ganse's Geophysical Inverse Theory Resources Page
• Finnish Centre of Excellence in Inverse Problems Research

CARBON CAPTURE & STORAGE: "SALAVARE IL CLIMA E L'ECONOMIA"

Vedi anche: Carbon sequestration, bio-energy with carbon capture and storage, biosequestration, and carbon capture and storage (timeline)
 
Carbon capture and storage (CCS) è una procedura di mitigazione del contributo delle emissioni di combustibili fossili. Questa procedura tenta di ridurre il  global warming attraverso la cattura di anidride carbonica (CO2) da punti di grande emissione ed il suo stoccaggio al di fuori dell'atmosfera.



La tecnica prevede lo stoccaggio della CO2 al'interno di formazioni geologiche, che data la loro composizione chimico-fisica permettono di trattenere la CO2 per un lungo tempo, permettendo di ridurre la presenza di ossidi di carbonio in atmosfera.
L'applicazione di CCS ad impianti di produzione di energia  può ridurre l'emissione di CO2 di circa 80-90% rispetto ad impianti senza CCS.

Geological storage:

Conosciuto anche come geo-sequestration, questo metodo prevede l'iniezione di biossido di carbonio in formazioni geologiche del sottosuolo. Le formazioni maggiormente adatte ad accogliere la CO2 sono quelle dei campi petroliferi e gasiferi, le formazioni saline e quelle ricche in carbone. Queste fromazioni per caratteristiche fisiche come l'alta impermeabilità permettono l'intrappolamento della CO2 che non è così soggetta a fughe verso la superficie. L'iniezione di biossido è particolarmente sviluppata in campi petroliferi, dove questa tecnica è utilizzata anche come metodo stimolante per l'incremento della produzione degli impianti estrattivi (increase oil recovery). 

Attualmente gli Stati Uniti iniettano dai 30 ai 50 milioni di tonnellate di CO2 in campi petroliferi in declino.  Questa procedura di utilizzo di campi petroliferi in declino, presenta indubbivantaggi: l'assetto geologico dell'area di stoccaggio è ben noto, data la precedente esplorazione a scopo di ricerca mineraria, inoltre i costi di stoccaggio sono parzialmente coperti dalla vendita di petrolio prodotto grazie all'aumento di produttività generato dallo stoccaggio di CO2.

Acknowledgements:

wikipedia 

CO2 capture project

schlumberger carbon service

Seismic Tomography: 

La tomografia sismica è una tecnica di imaging che usa le onde sismiche generate dai terremoti o esplosioni, mirata alla creazione di immagini bi o tridimensionali dell'interno della Terra. Questo è il processo utilizzato dalla comunità sismologica al fine di studiare l'inerno del nostro pianeta. Ma come avviene???

Il tempo impiegato da un'onda sismica ad arrivare alla stazione sismologica, può essere utilizzato per calcolare la velocità lungo il raggio sismico. Utilizzando i primi arrivi di onde P registrati in stazioni sismiche di tutto il mondo, è possibile definire zone a maggiore o minore velocità delle onde all'interno della Terra. 

In questa animazione è stato semplificato il concetto, utilizzando un modello di Terra a densità omogenea, con una regione a bassa velocità circolare ipotizzabile come una camera magmatica.  Come si vede attraverso l'osservazione di diversi tempi di arrivo è possibile ricostruire la struttura del sottosuolo, individuando la zona omogenea e la zona a bassa velocità. 

 

 

 

La Tomografi sismica è spesso comparata con la CAT (Computed Axial Tomography) utilizzazta nel campo medico. La CAT utilizza una procedura computerizzata per la definizione di modelli 3D, a partire da immagini 2D realizzate ai raggi X.

 

L'idea base della CAT è questa: una sorgente di energia manda un fascio di raggi X (radiazioni elettromagnetiche) che sono catturate da un computer successivamente al passaggio all'interno del corpo. La scansione viene effettuata variando l'angolo di illuminazione del fascio di raggi X, questo permette di realizzare immagini 3D. I risultati sono forniti dal fatto che i raggi X risultano essere sottoposti a fenomeni di assorbimento di differente entità a seconda della tipologia di materiale che attraversano. Questo fenomeno fornisce immagini a zone più o meno attenuate a seconda dei materiali incontrati, che sono correlabili in campo medico per lo studio del corpo. 

A differenza della tomografia sismica, la CAT non si basa su tempi di percorso dei segnali, bensì sulla loro attenuazione. La tomografia sismica trova molte difficoltà rispetto alla CAT in quanto i raggi sono sottoposti a curvatura e la sogente di energia non è nota nella posizione e nella sua entità.

La conoscenza della velocità delle onde sismiche all'interno della Terra ci permette di trarre importanti conclusioni sulla composizione del nostro pianeta, in quanto la velocità delle onde è fortemente relazionata alla composizione ed allo stato fisico del materiale attraversato.

     (formula 1-velocità onde P  )

                (formula 2-velocità onde S)

 Come si vede dalle formule (1 e 2) la velocità delle onde (P ed S) è relazionata alla densità ed ai parametri elastici (legati alla densità). Possiamo quindi trarre informazioni sullos tato chimico-fisico della zona analizzata dalla velocità di transito delle onde sismiche in questa.

Acknowledgements: 

Wikipedia  

IRIS

youtube

iSeismo...Come trasformare un computer in un sismometro

• IL SUDDEN MOTION SENSOR:
  
  Sudden Motion Sensor è una tecnologia di protezione dati introdotta dalla Apple Computer nei PowerBook e iBook, rispettivamente del 1º gennaio 2005 e del 26 luglio 2005.
  Questa tecnologia controlla l'orientamento del portatile e rileva improvvisi cambiamenti di velocità. I portatili sono progettati per usare questa tecnologia, in modo da evitare danni all'hard disk causati da forti vibrazioni o movimenti, come una caduta. Questa tecnologia è anche stata introdotta nel MacBook Pro e nel MacBook.
  Quando il sensore percepisce un movimento brusco, le testine del disco rigido si separano dai piatti, in modo da prevenire o minimizzare ogni perdita di dati causata da un danno del disco rigido. Quando i sensori rilevano che la posizione e l'orientamento si sono stabilizzati, le testine si sbloccano.
  Siccome questa tecnologia può stabilire l'angolo di inclinazione del portatile e la sua velocità di inclinazione, degli hack permettono di usare questa tecnologia come periferica di input, dove l'output può essere utilizzato in applicazioni sensibili alla rotazione verticale. Per esempio si può usare questa tecnologia in modo che le finestre del portatile vengano visualizzate sempre diritte all'utente, anche se esso è sottosopra.
  IBM ha implementato un sistema simile, conosciuto come Active Protection System, su alcuni ThinkPad, partendo dalla fine del 2003.
  
    
  SEISMAC: 
  
  •  Seismac è una applicazione che permette di trasformare il proprio laptop in un sismometro, sfruttando il Sudden Motion Sensor installato nel vostro Mac. Il software (download) permette la visualizzazione real-time di grafici 3D di accelerazione.
    
    
     
    Seismac 2.0
    Il software permette di gestire la frequenza di campionamento dell'accelerometro, ma non permette il salvataggio di serie temporali di dati. Questo aspetto limita fortemente limita l'utilizzo al real-time.
    
    
    iSeismograph:
    Questo secondo software è in linea di massima molto simile a SeisMac, permettendo di visualizzare grafici di accelerazione 3D real-time; ma allo stesso tempo iSeismograph permette l'esportazione di serie temporali di dati per ogni asse di osservazione. Questo permette di analizzare i dati acquisiti con il proprio Mac e trasformarlo perchè no in uno strumewnto di lavoro. Inoltre l'applicazione permette la sincronizzazione dei dati di accelerazione con video e la visualizzazioni di grafici che comparano il moto secondo 2 assi a scelta, utili nella visualizzazione del moto delle particelle generato dalle oscillazioni. Questo applicativo è limitato da una frequenza di campionamento non nota e non gestibile dall'utente. La frequenza di campionamento osservata esprtando i dati non è stabile e si aggira intorno ai 18 Hz.
    
    
     
    iSeismograph (Download)
    
    
    A corredo del software si trova una interessante guida, inotlre iSeismogaph permette la sincronizzazione dei dati con la George E. Brown, Jr. Network for Earthquake Engineering Simulation, permettendo di scaricare e condividere dati.
    
    
    

    Acknowledgements

  • Apple Inc.
  • Sudden Motion Sensor Java Library
  • Unimotion
  • NEES 
  • Suitable-System