High Resolution Seismic Imaging of Volcanoes Aldo Zollo Università

Vesuvius, Andy Warhol, 1985
LA STRUTTURA INTERNA DEI
VULCANI MEDIANTE
TECNICHE TOMOGRAFICHE
Thanks to
J. Virieux, E. Auger (Manosque), J.
Battaglia (Clermont-Ferrand), T.Vanorio
(Stanford), D. Latorre (INGV), S.
Judenherc (Agecodagis), N. Maercklin
(Napoli), V. Monteiller (Toulouse), et C.
Satriano (Napoli), D.Dello Iacono
(Napoli), Maurizio Vassallo (Napoli) tra
gli altri
ALDO ZOLLO
UNIVERSITA’ DI NAPOLI FEDERICO II,
NAPOLI, ITALY
Complessità dei Vulcani
- Forte eterogeneità della struttura
interna, variazioni spaziali delle
proprietà fisiche delle rocce
- Varietà dei processi termo-meccanici
che precedono e accompagnano la
risalita del magma e l’eruzione.
- Necessità di un modello
tridimensionale delle proprietà fisiche
delle rocce per simulare i processi di
risalita del magma e l’eruzione
… ma anche rilevare e tracciare nello
spazio e nel tempo le variazioni delle
proprietà del mezzo vulcanico che
potrebbero indicare l’inizio di
un’attività vulcanica.
Island « La REUNION » VOLCANISM
Altitud
e (km)
2
Semet et
al., 2003
0
Lénat and
Bachèlery,
1990
Nercessia
n et al.,
1996
-4
-6
-8
Battaglia
et al.,
2005
- 10
365
Eruptive Cycles?
??
??
 Magmatic
migration towards
the surface?
1
9
9
8
et
?
??
?
 3D geometric
distribution of
reservoirs?
 Time frequency
of deep magmatic
migration?
370
Est
(km)
375
Da Aline Peltier dopo
Ferrazzini et Bachèlery, 2004
1980
2012
Imaging sismico dei vulcani: Sviluppi
nella Ricerca
Sviluppi nella Ricerca
Argomento
Sviluppi tecnologici
Dagli anni 80: reti sismiche digitali sui vulcani. Ultimo decennio: array
sismici densi, portatili, tre componenti, a larga banda, ad elevato
range dinamico e telemetria digitale
Tomografia a scala locale
di terremoti
Immagini vulcaniche di sottosuolo rifinite (con risoluzione spaziale di
pochi chilometri) utilizzando soprattutto tomografia a scala locale
Sismologia a larga banda
dei vulcani
Identificazione e interpretazione fisica dell’ampia varietà di segnali
sismici a larga banda (tremori, eventi bassa frequenza, tornillos,..)
Uso congiunto di sorgenti
attive e passive
L’uso di sorgenti attive minimizza le usuali complicazioni che originano
dal naturale “trade-off” tra la sorgente sconosciuta (in particolare la
profondità) e i parametri del mezzo
Analisi delle forme d’onda Le onde sia convertite che di coda campionano il mezzo più
riflesse/convertite/difratte efficacemente degli arrivi diretti e, per questo motivo, sono più
sensibili a piccole variazioni della struttura. Tomografia del rumore.
Monitoraggio 4-D
Variazioni nella struttura vulcanica sono rilevate e tracciate da
misurazioni sismiche ripetute sullo stesso volume target (time-lapse o
sismica 4-D, interferometria dell’onda di coda e/ o del rumore)
Set-up sperimentale - Sorgenti
Sorgenti
Attive
Energizzazioni
A terra
esplosioni/vibroseis
A mare
esplosioni/cannoni ad
aria compressa
Passive
Sorgenti naturali
Terremoti locali
Telesismi
Rumore ambientale
Set-up sperimentale - Ricevitori
Rete sismica locale
 Array 3D di stazioni a terra
Cavi OBC su
fondo oceano
 Ocean bottom Seismograph
(OBS)
 Ocean Bottom Cables
(OBC, tecnologia MEMS)
 Antenne di sensori sismoacustici sotto-marine
 Array sismici lineari in
pozzo
Array sismico ultradenso a scala
urbana
Sensori OBS
da fondale
marino
Metodologie
 Tomografia dei tempi di
primo arrivo (Travel- e
Delay-Time Tomography
(Vp, Vs)
3D Tomography concept:
Anomaly detection by
backprojection of delay-times
along the rays within the
earth
 Tomografia delle fasi
riflesse/convertite (Vp, Vs,
interfacce)
 Tomografia delle forme
d’onda (Full-waveform)
(Vp, Vs, Qp, Qs, densità)
 Tomografia del rumore
ambientale (Vp, Vs)
 Radiografia dei muoni
(Densità)
High Resolution
Images of Valhall oil
field by acoustic full
waveform inversion
(Etienne et al. 2012)
3-D surface wave
tomography of the Piton
de la Fournaise volcano
using seismic noise
correlations (Brenguier
et al. 2007)
Esplorazione sismica della struttura interna
del Vesuvio e dei Campi Flegrei
•
TomoVes 94:
A terra, sorgente
2D e array di
stazioni
•
•
TomoVes 96:
A terra, sorgente
multi-2D e array di
stazioni
•
MareVes 97:
A mare, array di
sorgenti 3D in mare,
ricevitori a terra
•
Serapis 2001:
A mare, array di
sorgenti 2D-3D a
mare , OBS e
stazioni a terra
Un’enorme mole di dati acquisiti in15
anni di sperimentazione
Il bordo sepolto della caldera dei Campi Flegrei
Iso-velocity surface
at 3 km/s
Immagini tomografiche 3-D della struttura superficiale della
caldera dall’inversione di circa 77000 tempi di arrivo P

Il bordo sepolto della caldera dei Campi Flegrei è
chiaramente rilevato a circa 800–2000 m di profondità, come
un’anomalia positivi di Vp di forma anulare. Ha un diametro di
circa 8–12 km un’altezza di 1–2 km.

Il bordo è probabilmente formato da lava solidificata e/o
tufi con lava inter-stratificata

Modello geofisico e strutturale della
caldera dei Campi Flegrei
Nessuna evidenza
di grossi volumi di
di magma a
profondità
superficiali
Serbatoio di gas ad
una profondità di
circa 3 km
Serbatoio di
magma
parzialmente fuso
ad una profondità
di circa 8 km sotto i
CF, profondità
simile per il Vesuvio
 serbatoio
comune ??
La profondità del
magma è
consistente con
quelle dedotte
dall’analisi delle
inclusioni fluide
nelle rocce eruttate
gas bearing rock layer
Crystallization depth of the
shoshonite phenocryst
assemblage (Mangiacapra,
Civetta & Rutherford,2007)
A. Average 1-D P-velocity model based on PP and PS travel times, and on PS-to-PP amplitude ratios. The dashed line
is the average of the 3-D Vp model
B. Vp/Vs ratio vs depth. The dotted lines are two Vp/Vs depth profiles that were estimated from the local earthquake
tomography (Vanorio et al. 2005)
C. Stratigraphic model
D. Geological sketch model of the Campi Flegrei caldera.
A. Zollo et al., GRL, 2008
Vesuvio: Lo strato magmatico mediocrostale
Una tecnica di migrazione sismica in
profondità, è utilizzata per localizzare
l’interfaccia che riflettente (Auger et
al.,2001;2003)
Estensione orizzontale: circa 20 x 20 km
Spessore: circa 1 km (??)
Profondità: 8-10 km
La variazione di ampiezza normalizzata vs
l’angolo di incidenza permette di vincolare le
velocità P e S al di sotto dell’interfaccia
Velocità P: < 5.5 km/s, best-fit 3.6 km/s
Velocità S: < 1 km/s, best-fit 0.1 km/s
Densità: nessun contrasto di densità
(equilibrio litostatico)
What’s next ?
Tomografia 4D :
 Rilevare e monitorare
cambiamenti spazio-temporali
del mezzo vulcanico
Array sismici densi in
superficie/pozzo
 Rilevare e tracciare segnali
«sotto il livello di rumore»
associati ai movimenti di fluidi
Dalle immagini della tomografia
alla litologia delle rocce :
 Collegare le proprietà
elastiche/anelastiche alla
litologia delle rocce e alle
proprietà fisiche (porosità,
saturazione dei fluidi)
Imaging multiparametrico del
mezzo
 Inversione congiunta di differenti
osservabili fisici (velocità,
densità, resistività, attenuazion ..)
Time-Resolved seismic
tomography detects magma
intrusions at Mount Etna
(Patanè et al., 2003)
Pre-eruzione
Post-eruzione
Quantitative seismic
imaging of complex
structures for seismic
hazard estimation and for
reservoir characterisation:
a key strategy (Virieux et
al., 2004)