Seismic strain and seismogenic stress regimes in the crust of the southern Tyrrhenian region

An investigation has been performed to identify and characterize the seismic deformation zones active over the last decades in the region of Italy that has experienced the strongest seismicity during the last centuries. The study is based on the estimate of hypocenter locations, fault plane solutions, seismogenic stress and seismic strain tensor orientations carried out using the entire dataset of the national and local seismic networks, and the recently improved three-dimensional (3D) crustal velocity model of the study area. A series of simulation tests have been performed to evaluate the significance of the earthquake space distribution obtained and whether it was influenced by network geometry problems related to the sea and the lack of ocean bottom seismometers. In the sectors where hypocentral location was synthetically proved to be reliable, space distributions of earthquakes located with epicenter and focal depth errors less than 3 and 4 km, respectively, have been compared with local geology in order to identify seismogenic faults. The dataset of 32 fault plane solutions estimated with fault parameter errors less than 20° has been used to investigate space variations of seismogenic stress and seismic strain orientations over the study area. Stress was found to be uniform in the Messina Strait and southern Calabria where inversion of the available set of 11 fault plane solutions showed clear evidence of an extensional regime. The different orientations of the minimum compressive stress and strain found in this sector, together with the information available on local geology and tectonics, lead us to propose that the seismicity occurring over the last decades in the Messina Strait and southern Calabria was not in general produced at the main faults, but at minor faults activated by the main tectonic stress field acting in the area. To the west, in the sector including western Etna, the Nebrodi chain and the western Aeolian Islands, analysis of the available set of 16 fault plane solutions revealed a certain degree of stress heterogeneity with an apparent prevalence of north–south compression. This east to west change of stress–strain regimes is evaluated in the light of current hypotheses regarding the geodynamics of the study region

Localizzazione probabilistica 3D (NonLinLoc) applicata all’area calabro-peloritana

Sono presentati e discussi i risultati preliminari relativi ad una ri-localizzazione probabilistica non-lineare 3D dei terremoti dell’area compresa tra il Tirreno meridionale e l’Arco Calabro-Peloritano (Italia meridionale). Scopo del lavoro è dimostrare che l’applicazione di un’approccio probabilistico non-lineare nella localizzazione dei terremoti può fornire dei risultati più accurati ai fini della sorveglianza, ovviando al problema degli outlier, rispetto alle tecniche di localizzazione lineari (e.g. Hypoellipse), che minimizzano simultaneamente tutti i residui tra fasi osservate e calcolate. Il programma utilizzato è NonLinLoc [Lomax, et al., 2000; Lomax, et al., 2001; Lomax, 2005; http://www.alomax.net/nlloc; NonLinLoc di seguito] il quale permette di effettuare un’efficiente ricerca globale dello spazio dei parametri ipocentrali (coordinate spaziali e tempo origine) ottenendo una stima della funzione densità di probabilità (pdf, probability density function) a posteriori. La pdf fornisce una descrizione completa della localizzazione e delle sue incertezze; il campionamento dello spazio dei parametri ipocentrali è stato fatto mediante la tecnica Oct-tree nella regione compresa tra 37.75 e 39.40 N in latitudine e tra 14.80 e 16.80 E in longitudine, e utilizzando tutti gli eventi con profondità H ≤30 km. La struttura dell’Oct-tree è stata imposta in 100,000 celle ed un insieme di queste celle viene poi salvata in modo da poter rappresentare graficamente la pdf mediante nubi di punti a diversa densità. Il dataset utilizzato per le nostre analisi è composto da 1,304 terremoti, di 1.0<M<4.3, registrati nel periodo compreso tra il 1994 e il 2006; il modello di velocità 3D adottato è stato ottenuto da Barberi et al., 2008 [poster presentato a questo convegno] invertendo lo stesso dataset, mediante l’utilizzo del software TomoDD. I risultati ottenuti sono stati confrontati sia con le localizzazioni 1D (Hypoellipse) che con quelle 3D. Si evidenzia una maggiore clusterizzazione degli eventi e, soprattutto, un evidente miglioramento della qualità delle localizzazioni utilizzando il modello di velocità crostale 3D. Per cui riteniamo che, l’applicazione del metodo probabilistico associato ad un buon modello di velocità 3D, può essere utilizzato ai fini di sorveglianza

Localizzazione probabilistica 3D (NonLinLoc) applicata all’area calabro-peloritana

Sono presentati e discussi i risultati preliminari relativi ad una ri-localizzazione probabilistica non-lineare 3D dei terremoti dell’area compresa tra il Tirreno meridionale e l’Arco Calabro-Peloritano (Italia meridionale). Scopo del lavoro è dimostrare che l’applicazione di un’approccio probabilistico non-lineare nella localizzazione dei terremoti può fornire dei risultati più accurati ai fini della sorveglianza, ovviando al problema degli outlier, rispetto alle tecniche di localizzazione lineari (e.g. Hypoellipse), che minimizzano simultaneamente tutti i residui tra fasi osservate e calcolate. Il programma utilizzato è NonLinLoc [Lomax, et al., 2000; Lomax, et al., 2001; Lomax, 2005; http://www.alomax.net/nlloc; NonLinLoc di seguito] il quale permette di effettuare un’efficiente ricerca globale dello spazio dei parametri ipocentrali (coordinate spaziali e tempo origine) ottenendo una stima della funzione densità di probabilità (pdf, probability density function) a posteriori. La pdf fornisce una descrizione completa della localizzazione e delle sue incertezze; il campionamento dello spazio dei parametri ipocentrali è stato fatto mediante la tecnica Oct-tree nella regione compresa tra 37.75 e 39.40 N in latitudine e tra 14.80 e 16.80 E in longitudine, e utilizzando tutti gli eventi con profondità H ≤30 km. La struttura dell’Oct-tree è stata imposta in 100,000 celle ed un insieme di queste celle viene poi salvata in modo da poter rappresentare graficamente la pdf mediante nubi di punti a diversa densità. Il dataset utilizzato per le nostre analisi è composto da 1,304 terremoti, di 1.0<M<4.3, registrati nel periodo compreso tra il 1994 e il 2006; il modello di velocità 3D adottato è stato ottenuto da Barberi et al., 2008 [poster presentato a questo convegno] invertendo lo stesso dataset, mediante l’utilizzo del software TomoDD. I risultati ottenuti sono stati confrontati sia con le localizzazioni 1D (Hypoellipse) che con quelle 3D. Si evidenzia una maggiore clusterizzazione degli eventi e, soprattutto, un evidente miglioramento della qualità delle localizzazioni utilizzando il modello di velocità crostale 3D. Per cui riteniamo che, l’applicazione del metodo probabilistico associato ad un buon modello di velocità 3D, può essere utilizzato ai fini di sorveglianza

Structural features of the Pernicana Fault (M. Etna, Sicily, Italy) inferred by high precise location of the microseismicity

The north-eastern flank of Mt. Etna is crossed by an important and active tectonic structure, the Pernicana Fault having a mean strike WNW–ESE. It links westward to the active NE Rift and seems to have an important role in controlling instability processes affecting the eastern flank of the volcano. Recent studies suggest that Pernicana Fault is very active through sinistral, oblique-slip movements and is also characterised by frequent shallow seismicity (depth < 2 km bsl) on the uphill western segment and by remarkable creeping on the downhill eastern one. The Pernicana Fault earthquakes, which can reach magnitudes up to 4.2, sometimes with coseismic surface faulting, caused severe damages to tourist resorts and villages along or close this structure. In the last years, a strong increase of seismicity, also characterized by swarms, was recorded by INGV-CT permanent local seismic network close the Pernicana Fault. A three-step procedure was applied to calculate precise hypocentre locations. In a first step, we chose to apply cross-correlation analysis, in order to easily evaluate the similarity of waveforms useful to identify earthquakes families. In a second step, we calculate probabilistic earthquake locations using the software package NONLINLOC, which includes systematic, complete grid search and global, non-linear search methods. Subsequently, we perform relative relocation of correlated event pairs using the double-difference earthquake algorithm and the program HypoDD. The double-difference algorithm minimizes the residuals between observed and calculated travel time difference for pairs of earthquakes at common stations by iteratively adjusting the vector difference between the hypocenters. We show the recognized spatial seismic clusters identifying the most active and hazarding sectors of the structure, their geometry and depth. Finally, in order to clarify the geodynamic framework of the area, we associate these results with calculated focal mechanisms for the most energetic earthquakes

Terremoti con effetti macrosismici in Sicilia orientale nel periodo Gennaio 2009 - Dicembre 2013

Sono analizzati ed elaborati i dati dei rilievi macrosismici relativi ai terremoti verificatisi in Sicilia nel periodo 2009-2013. Si tratta di eventi che hanno provocato effetti macrosismici di rilievo e/o danneggiamento per la maggior parte localizzati nellâ area etnea, cui si aggiungono alcuni terremoti di magnitudo moderata, legati a sequenze sismiche significative verificatisi nei settori ibleo, peloritano e eoliano. I dati sono stati raccolti e elaborati secondo le procedure operative di prassi adottate in questi casi dal gruppo QUEST (ex-TTC 1.11 â Osservazioni e monitoraggio macrosismico del territorio nazionaleâ ) dellâ INGV, e successivamente parametrizzati secondo gli standard adottati per la compilazione del catalogo CPTI e banca dati macrosismica DBMI (ex-TTC 5.1 â Banche dati e metodi macrosismiciâ )

Caratterizzazione sismica del sistema strutturale Pernicana - Provenzana (settore NE dell'Etna) attraverso l'utilizzo di differenti tecniche di rilocalizzazione.

Il fianco nord-orientale dell’Etna è interessato da un noto sistema strutturale denominato Pernicana-Provenzana, che ha un andamento WNW–ESE. Esso è collegato ad ovest ad un altro importante elemento strutturale, il Rift di Nord-Est, che mostra avere un ruolo importante nel controllo dei fenomeni di instabilità del fianco orientale del vulcano. La sismicità associata a questo sistema strutturale è di tipo superficiale (max 2-3 km b.s.l.) e rilevanti fenomeni di creeping sono rilevabili sul suo segmento orientale. I terremoti associati a questo sistema di faglie, che possono raggiungere magnitudo sino a 4.3, qualche volta con fenomeni di fagliazione superficiale, hanno provocato danni importanti alle principali strutture alberghiere ed ai paesi ubicati in prossimità della struttura. Nel presente lavoro, sono riportati i risultati di uno studio di dettaglio della sismicità localizzata lungo tale sistema strutturale, nel periodo 1999-2009. I terremoti registrati dalla rete sismica permanente dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia – Sezione di Catania, localizzati con un modello 1D utilizzando l’algoritmo Hypoellipse (Gruppo Analisi Dati Sismici, 2010), sono stati rilocalizzati applicando due differenti tecniche di localizzazione: NonLinLoc sviluppato da Lomax et al. (2000) e HypoDD proposto da Waldhauser & Ellsworth (2000). La prima metodologia è basata su un processo di ricerca globale, nello spazio 3D, dei parametri di localizzazione che possono essere ottenuti utilizzando diversi algoritmi. Il metodo HypoDD, che non prevede l’utilizzo di un modello 3D, è invece basato sull’algoritmo della doppia differenza che minimizza i residui tra le differenze dei traveltime osservati e calcolati per coppie di terremoti a stazioni comuni. L’applicazione di tali tecniche ha permesso di ottenere localizzazioni ipocentrali di migliore qualità, fondamentali per la caratterizzazione sismica della struttura. L’applicazione di queste differenti metodologie ha permesso di evidenziare che il sistema strutturale Pernicana- Provenzana risulta composto da segmenti caratterizzati da differenti rilasci di energia sismica. Sono stati individuati due cluster principali di terremoti, la cui distribuzione spaziale ha evidenziato un differente verso nell’immersione dei piani di faglia collegabili a questa sismicità. Infine, l’applicazione di tecniche di cross-correlazione delle forme d’onda registrate nel periodo indagato ha consentito di individuare “famiglie” di terremoti. L’analisi spazio – temporale delle famiglie individuate ha evidenziato per alcune di esse, una ricorrenza temporale ed ha permesso di ipotizzare che l’applicazione di un campo di stress sul sistema Pernicana-Provenzana potrebbe essere capace di attivare le stesse sorgenti sismiche in differenti periodi

Surface and deep strain at Mt. Etna volcano (Sicily, Italy) during the 2003-2004 inflation phase

We carried out a study of the seismicity and ground deformation occurred on Mount Etna volcano after the end of 2002-2003 eruption and before the onset of 2004-2005 eruption, and recorded by the permanent local seismic network run by Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia - Sezione di Catania and by the geodetic surveys carried out in July 2003 and July 2004 on the GPS network. We provided a description of seismicity rate and main seismic swarms which occurred during the investigated period. Mostly of the earthquakes are clustered in two main clusters located on the north-eastern (E-W aligned and above the sea level) and south-eastern (NW-SE aligned and from 3 to 8 Km below the sea level) sectors of the volcano. in order to better understand the kinematic processes of the volcano, the 3D relocation were used to compute fault plane solutions and a selected dataset was inverted to determine stress and strain tensors. The focal solutions on the north-eastern sector show clear left-lateral kinematics along an E-W fault plane, in good agreement with the Pernicana fault kinematics. The focal solutions on the south-eastern sector show a main right-lateral kinematics along a NW-SE fault plane evidencing a roughly E-W oriented compression coupled with a N-S extension. Surface ground deformation affecting Mt Etna and measured by GPS surveys highlights a marked inflation during the same period, mainly visible on the western and upper sectors of the volcano; on the contrary, its eastern side shows an exceptionally strong seawards and downwards motion with displacements ranging from 5 up to 10 cm along the coastline. The 2D geodetic strain tensor distribution was calculated on a 1.5 km spaced grid, in order to detail the strain axes orientation above the entire GPS network. The results of the 2D geodetic strain calculation evidenced the very strong extension (mainly along an- ENE-WSW axis) of the summit area that was already considered as the cause of the 2004-2005 eruption; this main ENE-WSW extension continues throughout the eastern flank, but here coupled with a WNW-ESE contraction, meaning a right-lateral shear along a NW-SE oriented fault plane. The opposite deformation of the eastern sector of the volcano, as measured by seismicity and ground deformation has to be interpreted by considering the different depths of the two signals. Seismic activity along the NW-SE alignment is, in fact, located between 3 and 8 km b.s.l. and it is then affected by the very strong additional EW compression induced by the inflating source located by inverting GPS data just westwards and at the same depth. Ground deformation measured by GPS at the surface, on the contrary, is mainly affected by the shallower dynamics of the eastern flank, fastly moving towards East that produces an opposite (extension) E-W strain. It is also meaningful, confirming the decoupling between the surface and deep strain, that all the seismicity of the south-eastern sector lies beneath the sliding plane already modeled by geodetic data for the same time interval and for the 2004-2006 period and also beneath the deeper one previously modeled during the 1993-1998 period when the eastern flank velocity was much slower

La sequenza sismica nel versante nord-occidentale dell'Etna del 19-27 Dicembre 2009 : evidenze di ricarica magmatica profonda?

E’ stata analizzata la sequenza sismica che ha interessato il versante nord-occidentale dell’Etna nel periodo 19-27 dicembre 2009 (Fig. 1). Essa è stata caratterizzata da oltre 400 scosse di magnitudo compresa tra 1.0 e 4.8, localizzate ad una profondità tra 20 e 30 km, con un rilevante rilascio energetico, come si osserva dalla distribuzione temporale del numero delle scosse e dell’energia ad esse associata nel tempo (Fig. 2). È interessante notare come l’energia rilasciata durante la sequenza risulti essere quasi il triplo dell’energia del periodo sineruttivo 2008, pur essendo pressoché uguale il numero di scosse registrate. In questo settore dell’area etnea, caratterizzato da sismicità profonda, poco frequente e di modesta energia, la modalità di rilascio sismico della sequenza in oggetto costituisce un elemento di novità. Infatti, più del 50% delle scosse si sono verificate nel corso delle prime 24 ore, come tipicamente osservato nel corso di sciami vulcanici sineruttivi. E’ importante evidenziare che nell’area etnea eventi sismici con profondità focali comprese tra i 10 e i 30 km vengono considerati dei veri e propri “markers” di attività vulcanica (e.g. Puglisi et al., 2001), in quanto si verificano abbastanza regolarmente durante i periodi intra-eruttivi e possono essere messi in relazione con i meccanismi di ricarica magmatica (e.g. Bonaccorso, 2001). Essi sono principalmente localizzati nei settori occidentale e meridionale del vulcano lungo strutture orientate NO-SE e NNO-SSE e, occasionalmente, lungo strutture orientate NE-SO (Patanè et al., 2004). Pertanto è ragionevole ipotizzare che il fenomeno oggetto del presente studio possa essere ricondotto ad una fase di ricarica profonda del sistema magmatico etneo

Terremoti con effetti macrosismici in Sicilia orientale nel periodo Gennaio 2006 - Dicembre 2008

The macroseismic surveys of earthquakes occurred in Sicily during the time-span 2006-2008, are hereinafter presented. Analysed data mainly concern events located in the volcanic region of Mt. Etna, together with other regional shocks which have produced relevant macroseismic effects in northern and southern Sicily. Data have been collected following the guidelines of the QUEST working group (QUick Earthquake Survey Team, and then processed according to the procedures used for compiling the catalogue and macroseismic database issued in the framework of the TTC (Transversely Coordinated Theme) 5.1 “Banche dati e metodi macrosismici” of INGV

Instrumental seismic catalogue of Mt. Etna earthquakes (Sicily, Italy): ten years (2000-2010) of instrumental recordings

Instrumental seismic catalogues are an essential tool for the zonation of the territory and the production of seismic hazard maps. They are also a valuable instrument for detailed seismological studies regarding active volcanoes and, above all, for interpreting the magma dynamics and the evolution of eruptive phenomena. In this paper, we show the first instrumental earthquake catalogue of Mt. Etna, for the period 2000-2010, with the purpose of producing a homogeneous dataset of 10 years of seismological observations. During this period, 16,845 earthquakes have been recorded by the seismic network run by the Istituto Nazionale di Geofisica and Vulcanologia, Osservatorio Etneo, in Catania. A total of 6,330 events, corresponding to approximately 40% of all earthquakes recorded, were located by using a one-dimensional VP velocity model. The magnitude completeness of the catalogue is equal to about 1.5 for the whole period, except for some short periods in 2001 and 2002-2003 and at the end of 2009. The reliability of the data collected is supported by the good values of the main hypocentral parameters through the time. The spatial distribution of seismicity allowed the highlighting of several seismogenetic areas characterized by different seismic rates and focal depths. This seismic catalogue represents a fundamental tool for several research aiming to a better understanding of the behavior of an active volcano such as Mt. Etna