Volcanic Tremor at Mt. VesuviusVolcanic Tremor at Mt. Vesuvius

Mario La Rocca1, Danilo Galluzzo2

1) Università della Calabria, Cosenza

2) Osservatorio Vesuviano – INGV, Napoli

Il monitoraggio sismico del Vesuvio

La sismicità del Vesuvio attualmente viene monitorata da una rete sismica locale di circa 25 stazioni e un array sismico di stazioni a corto periodo chiamato VAS.

L'array VAS

L'array VAS fu installato nel 2012 sul versante sud del vulcano. E' composto da 10 sismometri Lennartz LE3D lite (1 Hz), di cui 4 a tre componenti e 6 a componente verticale. L'estensione dell'array è poco più di 300 metri. I dati sono acquisiti a 100 sps su memoria locale. Ad oggi (Novembre 2016) sono stati acquisiti ed elaborati oltre 1650 giorni di dati.

La qualità dei segnali sismici al Vesuvio

Il rumore sismico di fondo nell'area del Vesuvio è piuttosto alto a causa della forte urbanizzazione dell'ambiente circostante. Infatti oltre 1 milione di persone vivono in un raggio di 15 km dal cratere. A causa delle attività antropiche anche le stazioni sommitali sono caratterizzate da ampiezza media del rumore prossima alla curva NHNM nella banda di frequenza 0.5 Hz – 10 Hz.

Sismicità vulcanica del Vesuvio - 1

VT earthquakes (10 Hz < fc < 25 Hz) VT earthquakes are shear failure on a fault plane located inside or below the volcano. Their depth span a broad range (generally 0 to 20-30 km).

Hundreds of VT earthquakes are recorded every year at Vesuvius. They are very small (M<3), located below the crater, and often they occur as swarms.

Long Period signals (fc < 1 Hz) LP volcanic earthquakes are events produced by mass (most likely magma) movement inside the volcanic feeding system. Their depth span a wide range (0 to 30-40 km).

LP seismic signals have never been observed at Vesuvius in modern data.

Sismicità vulcanica del Vesuvio - 2

Low Frequency earthquakes (1 Hz < fc < 5 Hz) LF volcanic earthquakes are events produced by the interaction of fluids (likely volcanic gas and hydrothermal system) with the surrounding rock. Usually they are located at shallow depth (0 to few km). LF events are very rare at Vesuvius, with only few events recognized in the last 15 years.

Volcanic tremor (1 Hz < fc < 8 Hz) Tremor is the most common seismic signal observed at active volcanoes. The source involves fluid-rock interaction and brittle failure as well. The most of tremors are located at shallow depth below the active crater. After the last eruption (1944) volcanic tremor at Vesuvius was first recognized in 2012, after the installation of VAS array. To date two dozens of tremor episodes have been identified in the signals of last 15 years.

Terremoti VT del Vesuvio Durante gli ultimi decenni l'attività sismica del Vesuvio è stata abbastanza bassa, con poche centinaia di eventi ogni anno. La maggior parte di tali eventi è di magnitudo molto piccola (M<2) e risulta localizzata sotto il cratere. Dal 1999 non si verificano terremoti di magnitudo M>3.

I terremoti VT del Vesuvio sono prevalentemente superficiali. La grande maggioranza avviene a profondità minore di 5 km.

Esempio di terremoto VT I terremoti VT del Vesuvio le stesse caratteristiche dei VT osservati in altri vulcani attivi. La frequenza d'angolo è compresa tra 10 Hz e 25 Hz a seconda della magnitudo.L'esempio mostrato qui ha Ts-Tp = 1.1 s alle stazioni sommitali.

Esempio di evento Low Frequency registrato al Vesuvio

Gli eveni LF registrati al Vesuvio sono caratterizzati da corner frequency tra 2 Hz e 5 Hz. Comunque la maggior parte di essi ha forme d'onda diverse dagli LF tipicamente osservati in altri vulcani attivi.

Al Vesuvio la maggior parte degli LF sono terremoti VT Una ispezione attenta dei sismogrammi mostra la presenza inequivocabile di onde P e S. Questa caratteristica è normale nei VT ma rara negli eventi LF tipici di molti vulcani attivi. Tuti gli eventi “LFVT” osservati al Vesuvio hanno Ts-Tp > 1.2s.

La scoperta del tremore vulcanico al VesuvioLa prima osservazione di tremore vulcanico al Vesuvio (dopo l'eruzione del 1944) venne nel 2012 dall'analisi dei segnali sismici registrati dall'array VAS. Questa figura mostra il primo episodio di tremore vulcanico individuato attraverso le analisi dei dati di VAS con tecniche di array.

Un altro esempio di tremore vulcanico In questa figura due brevi episodi di tremore sono caratterizzati da coerenza maggiore rispetto al rumore di fondo e slowness molto piccola, il che indica una sorgente profonda sotto il vulcano.

Esempio di tremore vulcanico registrato dall'array VAS

Esempio di tremore del Vesuvio Il tremore più forte è riconoscibile nei sismogrammi fino a distanza di 90 km dal cratere.

Caratteristiche spettrali del tremore vulcanicoIl tremore vulcanico osservato al Vesuvio è caratterizzato da frequenza d'angolo nell'intervallo 2 Hz – 6 Hz (cioè lo stesso degli eventi “LFVT”).

Una sequenza di coppie P-S nel tremore vulcanico Una attenta analisi dei sismogrammi stacked all'array VAS mostra la presenza di moltissime coppie P-S caratterizzate da Ts-Tp costante. In questo caso Ts-Tp = 1.35 s. Per altri tremori risulta 1.25 s < Ts-Tp < 1.5 s.

Caratteristiche spettrali della sismicità del Vesuvio

Gli spettri degli eventi sismici registrati sul Vesuvio mostrano chiaramente due diversi gruppi. Il primo contiene terremoti VT con Ts-Tp < 1.2 s, mentre il secondo contiene terremoti VT con Ts-Tp > 1.2 s e tremore vulcanico. Questo risultato indica fortemente che LFVT e tremore sono prodotti dallo stesso meccanismo di sorgente.

La profondità della sismicità del Vesuvio Nella localizzazione della sorgente la profondità dipende da molti fattori: 1) il metodo di localizzazione; 2) le stazioni sismiche disponibili; 3) il modello di velocità; 4) l'abilità dell'analista. In ogni caso il vincolo più forte sulla profondità della sorgente è il tempo Ts-Tp. Pertanto abbiamo utilizzato questo parametro misurato alle stazioni sommitali (cioè quelle più vicine all'epicentro) per stimare la profondità.

Risultati

1. Il tremore vulcanico del Vesuvio contiene sequenze di onde P-S con Ts-Tp costante.2. Il tremore vulcanico osservato al Vesuvio ha le stesse caratteristiche spettrali dei

terremoti VT localizzati alla stessa profondità (LFVT). 3. Alla profondità dove è localizzato il tremore non avvengono altri eventi con caratteristiche

spettrali diverse. 4. I terremoti VT localizzati appena sopra la profondità del tremore e degli LFVT hanno

spettro con frequenza d'angolo molto maggiore.

Conclusioni1. Il tremore vulcanico e i VT profondi (LFVT) sono prodotti dallo stesso processo di

sorgente, che è verosimilmente una dislocazione su faglie deboli.

2. La forte differenza spettrale tra gli eventi con Ts-Tp < 1.2 s ed eventi con Ts-Tp > 1.2 s evidentemente è dovuta a differenti proprietà meccaniche delle rocce a tali profondità. Questo suggerisce temperature prossime al limite fragile-duttile alla profondità dove avvengono tremore e LFVT, con possibile presenza di materiale fuso residuo dell'ultima eruzione.

Grazie per l'attenzione

References

La Rocca M, D. Galluzzo (2016). Volcanic Tremor at Mt Vesuvius associated with low frequency shear failures. Earth Planet. Sci. Lett., 442, 32-38, doi: 10.1016/j.epsl.2016.02.048.

La Rocca M., D. Galluzzo (2014). Seismic monitoring of Mt. Vesuvius by array methods. Seism. Res. Lett., vol 85, n 4, 809-816, doi: 10.1785/0220130216.

La Rocca M., D. Galluzzo (2015). Seismic monitoring of Campi Flegrei and Mt. Vesuvius by stand alone instruments. Annals of Geophysics, 58, 5, S0544; doi: 10.4401/ag-6748.

Bianco F., P. Cusano, S. Petrosino, M. Castellano, C. Buonocunto, M. Capello, E. Del Pezzo (2005). Small-aperture array for seismic monitoring of Mt. Vesuvius. Seism. Res. Lett., 76, 3, 344-355.

Cusano P., S. Petrosino, F. Bianco, E. Del Pezzo (2013). The first Long Period earthquake detected in the background seismicity at Mt. Vesuvius. Annals of Geophysics, 56, 4, 2013, S0440; doi:10.4401/ag-6447.

D'Auria L. et al. (2013). The recent seismicity of Mt. Vesuvius: inference on seismogenic processes. Annals of Geophysics, 56, 4, S0442; doi: 10.4401/ag-6448.

Iverson R.M. et al. (2006). Dynamics of seismogenic volcanic extrusion at Mount St Helens in 2004-05. Nature, 444, 439-443, doi: 10.1038/nature05322.

Nishimura T., S. Ueki (2011). Seismicity and magma supply rate of the 1998 failed eruption at Iwate volcano, Japan. Bull. Volc., 73: 133-142, 2011, doi 10.1007/s00445-010-0438-8.

Nishimura T. et al. (2002). Broadband seismic signals associated with the 2000 volcanic unrest of Mount Bandai, northeastern Japan. J. Volc. Geoth. Res., 119, 51-59.

Beam Forming power spectrum

High Resolution power spectrum

Cross-spectral matrix

Semblance

Data analysis with array methods

Data recorded by VAS array are analyzed by applying three methods in several frequency bands.

Example of array analysis results of a signal made up of surface waves