Nell’ambito di un progetto pilota per l’iniezione e lo stoccaggio di CO2 da effettuarsi nell’area di Cortemaggiore (PC), la Sezione di Milano-Pavia
dell’INGV è stata incaricata dell’attività di monitoraggio sismico di superficie. A tale scopo è stata realizzata una rete costituita da 7 stazioni. I sensori sono posizionati in un’area di dimensioni
di circa 6x2 km. Tutte le stazioni sono dotate di acquisitore digitale a 24 bit tipo Lennartz M24/NET con ricevitore del segnale di tempo GPS. L’area è caratterizzata da un forte disturbo antropico ed industriale. Per migliorare la qualità del segnale, 4 sensori sono installati in pozzo alla profondità di 100 metri. Per le stazioni in pozzo il sensore usato è il Lennartz LE-3D/BH mentre in superficie viene utilizzato LE-3Dlite MKII. I 2 sensori presentano caratteristiche tecniche simili, con frequenza propria pari ad 1 Hz, limite
superiore in frequenza di 80 Hz e range dinamico di 136 dB. In questo lavoro sono stimati i livelli di microtremore sismico e viene valutata la soglia di
detezione, ovvero il valore minimo di magnitudo registrabile in funzione della distanza dalla sorgente sismica

Augliera, P.

D'Alema, E.

Franceschina, G.

Lovati, S.

Marzorati, S.

Massa, M.

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LIVELLI DI DETEZIONE DA STAZIONI SISMICHE IN POZZO 
 
Paolo Augliera1, Gianlorenzo Franceschina1, Marco Massa1, Sara Lovati1,  
Ezio D’Alema2, Simone Marzorati2 
 
1Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Sezione di Milano-Pavia - Sismologia Applicata all’Ingegneria 
2Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Centro Nazionale Terremoti 
 
 
Introduzione 
 
Nell’ambito di un progetto pilota per l’iniezione e 
lo stoccaggio di CO2 da effettuarsi nell’area di 
Cortemaggiore (PC), la Sezione di Milano-Pavia 
dell’INGV è stata incaricata dell’attività di 
monitoraggio sismico di superficie. A tale scopo è 
stata realizzata una rete costituita da 7 stazioni. I 
sensori sono posizionati in un’area di dimensioni 
di circa 6x2 km. Tutte le stazioni sono dotate di 
acquisitore digitale a 24 bit tipo Lennartz 
M24/NET con ricevitore del segnale di tempo 
GPS. L’area è caratterizzata da un forte disturbo 
antropico ed industriale. Per migliorare la qualità 
del segnale, 4 sensori sono installati in pozzo alla 
profondità di 100 metri. Per le stazioni in pozzo il 
sensore usato è il Lennartz LE-3D/BH mentre in 
superficie viene utilizzato LE-3Dlite MKII. I 2 
sensori presentano caratteristiche tecniche simili, 
con frequenza propria pari ad 1 Hz, limite 
superiore in frequenza di 80 Hz e range dinamico 
di 136 dB. In questo lavoro sono stimati i livelli di 
microtremore sismico e viene valutata la soglia di 
detezione, ovvero il valore minimo di magnitudo 
registrabile in funzione della distanza dalla 
sorgente sismica.  
 
Stima dei livelli di microtremore sismico 
 
Una prima valutazione deriva dalla misurazione 
dei valori RMS dei segnali. Per le stazioni in 
superficie il valore di RMS passa mediamente da 
8.3x10-7 m/s durante il giorno, a 3.8x10-7 m/s nelle 
ore notturne. Per le stazioni in pozzo l’RMS risulta 
pari a 3.4x10-7 m/s e 3.0 x10-7 m/s nelle ore diurne 
e notturne, rispettivamente. Lo strumento in pozzo 
presenta una riduzione del livello di rumore 
sismico di un fattore 2.5 circa, rispetto alle stazioni 
poste in superficie. In quest’area altamente 
urbanizzata ed industrializzata, l’installazione a 
100 m in pozzo consente quindi di ottenere un 
livello del segnale diurno paragonabile a quello 
che si riscontrerebbe durante la notte per le stazioni 
in superficie. Per giungere ad una valutazione più 
accurata del livello di rumore, che tenga conto dei 
differenti contributi in frequenza, si procede 
all’analisi spettrale del segnale registrato. Una 
pratica consolidata consiste nel rappresentare il 
contenuto spettrale del rumore in termini di densità 
dello spettro di potenza (PSD) misurato in deciBel 
(dB). In tal modo i risultati ottenuti possono essere 
confrontati con le curve standard di riferimento 
New High Noise Model (NHNM) e New Low Noise 
Model (NLNM) ricavate da Peterson [1993] 
dall’analisi dei dati di microtremore sismico di 75 
stazioni distribuite in diverse parti del mondo. In 
questo caso, le analisi di rumore sono state 
effettuate selezionando, per ogni stazione, 1488 
registrazioni 3-componenti, ciascuna della durata 
di un’ora. Le tracce sono state corrette per la linea 
di base e per la risposta dello strumento e un 
tapering del 10% è stato applicato all’inizio e alla 
fine del segnale prima di calcolare la trasformata di 
Fourier (FFT). Allo scopo di ridurre la varianza, le 
ampiezze spettrali, sono state moltiplicate per una 
funzione di smoothing utilizzando la finestra di 
Konno & Omachi [1998] con parametro b=20.  
La scelta di questo tipo di funzione, che agisce su 
scala logaritmica, consente di ottenere una maggior 
risoluzione nell’individuazione di eventuali picchi 
in bassa frequenza. 
 
 
 
 
Figura 1. PDF dello spettro di potenza (PSD) del 
rumore sismico registrato alla stazione C047 
(componente Nord-Sud). Le linee tratteggiate 
indicano i livelli NHNM ed NLNM. 
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Lo spettro di potenza del segnale in velocità è stato 
calcolato con una risoluzione di 0.0166 Hz ed i 
segnali sono stati acquisiti a 200 campioni al 
secondo. Le registrazioni di rumore microsismico 
risultano comunemente caratterizzate dalla 
presenza di numerosi disturbi, di origine 
prevalentemente antropica, che possono 
influenzare anche notevolmente la variabilità dello 
spettro di potenza. Per aumentare la stabilità della 
misura della PSD viene perciò solitamente 
calcolata la funzione di distribuzione (PDF) dello 
spettro, utilizzando il maggior numero di sequenze 
di segnale disponibili [McNamara & Buland, 
2004]. Come esempio viene mostrata la funzione 
di distribuzione dello spettro di potenza in velocità 
misurato per la componente Nord-Sud di una delle 
stazioni in pozzo (Figura 1). 
A conferma della particolare rumorosità di questi 
siti, i livelli di rumore sismico misurati risultano 
compatibili con la curva di riferimento NHNM. 
Non si evidenziano differenze significative fra le 
tre componenti, con livelli di rumore 
indicativamente attorno a -135 dB e -145 dB 
nella banda di frequenza 1-10 Hz, per le stazioni 
poste in superficie e in pozzo, rispettivamente. 
In Figura 2 vengono riportate le curve medie 
delle funzioni di distribuzione per una stazione 
in superficie ed una in pozzo per le 3 
componenti del moto. Per la componente Nord-
Sud vengono inoltre riportati i valori 
corrispondenti al 5° e al 95° percentile (±2std).  
Per le stazioni in superficie, il livello di disturbo, 
indicativamente attorno a -130 dB per f=1 Hz, 
diminuisce fino a -140 dB/-145 dB per f=10 Hz e 
si attesta attorno a -160 dB per f=30 Hz. Su tutta la 
banda di frequenze utili per la detezione di eventi 
sismici di bassa magnitudo (1-30 Hz), la stazione 
in pozzo presenta un guadagno di circa 7.3 dB. 
Nella banda di frequenza 1-10 Hz, il guadagno 
risulta invece 11.9 dB. 
 
Livelli di detezione 
 
Le analisi di rumore presentate nel paragrafo 
precedente sono state impiegate per valutare il 
livello di detezione della rete. A tal fine, sono stati 
simulati i valori di PSD registrabili dalle stazioni 
installate, corrispondenti ad ipotetici eventi sismici 
di diversa magnitudo localizzati a differenti 
distanze dalla rete. 
Poiché vengono simulati terremoti di magnitudo 
non particolarmente elevata, è stato utilizzato un 
modello a sorgente puntiforme, adottando la forma 
funzionale prevista da Brune [1970; 1971] per 
definire lo spettro di Fourier dell’evento. 
 
 
Figura 2. Valori medi per le 3 componenti e 
deviazione standard per la componente Nord-Sud 
della PSD del rumore sismico registrato alle 
stazioni C001 e C047. 
 
 
Il modello, ampiamente utilizzato nella pratica 
ingegneristica quando si intendano trascurare gli 
effetti di finitezza della faglia e gli effetti di 
direttività della rottura, è completamente definito 
da due parametri: il momento sismico del 
terremoto, MO, legato alla magnitudo, e la 
frequenza d’angolo, fC, legata alle dimensioni 
lineari della sorgente. Alternativamente, lo spettro 
di sorgente può essere definito dai valori di MO e 
della caduta di sforzo, Δσ, dato che risulta Δσ ~ 
MO fC3. È importante notare che lo spettro di 
Fourier in velocità presenta un massimo assoluto in 
corrispondenza della corner frequency dell’evento. 
Quest’ultima può essere perciò definita come la 
frequenza caratteristica delle onde sismiche emesse 
dalla sorgente. L’attenuazione delle onde sismiche 
viene simulata introducendo un termine 
moltiplicativo, dipendente dalla frequenza e dalla 
distanza, nella definizione dello spettro di Fourier, 
allo scopo di rappresentare gli effetti di diffusione 
geometrica, di attenuazione anelastica e di 
dispersione. Secondo un’approssimazione 
ampiamente utilizzata, l’attenuazione può essere 
parametrizzata mediante due soli parametri: il 
fattore di qualità per f=1 Hz, QO [Lay & Wallace, 
1995], e il parametro di decadimento spettrale, k 
[Anderson & Hough, 1984]. 
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70 
 
L’ampiezza dello spettro di Fourier in velocità delle 
onde S registrate a distanza ipocentrale R dalla 
sorgente, V(f), viene calcolata dalla seguente 
relazione: 
 
! 
V(f)=
C "MO
R
2? " f
1+
f
fC
# 
$ 
% 
& 
' 
( 
2
" exp )
? "R
? "QO
# 
$ 
% 
& 
' 
( " exp )k?f( )
 
 
nella quale β rappresenta la velocità delle onde S e la 
costante C dipende da β, dalla densità del mezzo, ρ, e 
dal fattore di forma della radiazione, Rθφ. 
L’applicazione di una legge di scala, che regola il 
rapporto fra le dimensioni della sorgente e la 
dinamica della rottura, consente poi di ridurre ad uno 
il numero di parametri necessari per definire lo 
spettro di sorgente. In questo lavoro viene impiegata 
una legge di scala a caduta di sforzo costante con Δσ 
= 5 MPa. Inoltre, come di consueto, viene impiegata 
la relazione di Hanks & Kanamori [1979] per 
ricavare il momento sismico a partire dalla 
magnitudo ipotizzata. Per quanto riguarda 
l’attenuazione, studi relativi all’area Lombarda 
indicano QO = 48.5 [Castro et al., 1993], mentre il 
valore del parametro k di decadimento spettrale può 
essere definito sulla base delle informazioni 
disponibili riguardanti la geologia locale.  
 
 
 
 
Figura 3. PSD medie per noise registrato ed eventi 
simulati. La sigla BNM indica le PSD medie del 
noise in pozzo, SNM quelle in superficie.  
In questo lavoro, il valore di QO è stato fissato a 50, 
mentre il valore di k, fissato a 0.06 s, è stato scelto 
sulla base del confronto fra gli spettri di potenza 
simulato e osservato di un terremoto di bassa 
magnitudo registrato dalle stazioni della rete. In 
Figura 3 sono raffigurati gli spettri di potenza 
simulati ottenuti applicando la tecnica descritta, per 
magnitudo da 1 a 3 e con una sorgente posta ad una 
distanza di 4 km. 
Come risulta evidente dall’analisi di Figura 3, ad 
ogni evento simulato corrisponderà, per una data 
magnitudo, una particolare corner frequency per lo 
spettro ottenuto. Ad esempio per magnitudo 3 la 
corner frequency è intorno ai 5 Hz.  
Come noto, tale valore è inversamente proporzionale 
alla frequenza ed aumenta quindi al diminuire della 
magnitudo. Per la definizione del livello di detezione 
viene utilizzato il valore della PSD ottenuta alla 
corner frequency dell’evento simulato, che avevamo 
appunto precedentemente definito come la frequenza 
caratteristica delle onde sismiche emesse dalla 
sorgente, per ognuna delle magnitudo e distanze 
considerate. Questo valore viene confrontato con il 
livello del noise osservato alla stazione per quella 
particolare frequenza. In questo lavoro poniamo il 
limite del rapporto segnale su disturbo a 5 (14 dB).  
Dall’analisi di Figura 4 si può valutare che le stazioni 
in pozzo, nella zona in esame particolarmente 
urbanizzata, permettono di abbassare la soglia di 
magnitudo di un valore pari a circa 0.5. km. La linea 
tratteggiata indica la soglia del rapporto 
segnale/noise. 
 
 
 
Figura 4. Livelli di detezione per le stazioni in 
superficie ed in pozzo per eventi a distanze di 1 e 2. 
  
 
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71 
 
Bibliografia 
 
Anderson J.G., Hough S. (1984). A model for the 
shape of Fourier amplitude spectrum of 
acceleration at high frequencies, Bull. seism. Soc. 
Am., 74, 1969-1994.  
Brune J.N. (1970). Tectonic stress and the spectra of 
seismic shear waves from earthquakes, J. 
Geophysical Res., 75, 4997-5009. 
Brune J.N. (1971). Correction, J. Geophysical Res., 
76, 5002.  
Castro R., Pacor F., Petrungaro C. (1993). Confronto fra 
diversi metodi per la stima dell’attenuazione delle 
onde sismiche applicati nelle regioni Lombardia e 
Sicilia, Atti del 12° Convegno del G.N.G.T.S., 
Roma 24-26 novembre 1993, Vol. I, 179-192.  
Hanks T.C., Kanamori H. (1979). A moment magnitude 
scale, J. Geophysical Res., 84, 2348-2350. 
Konno K., Omachi T. (1998). Ground-Motion 
Characteristics Estimated from Spectral Ratio 
between Horizontal and Vertical Components of 
Microtremor, Bull. seism. Soc. Am., 88, 228-241. 
Lay T., Wallace T.C. (1995). Modern global 
seismology, International Geophysics Series, 58, 
Academic Press, San Diego (USA), 521 pp. 
McNamara, D.E., Buland R.P. (2004). Ambient Noise 
Levels in the Continental United States, Bull. seism. 
Soc. Am., 94, 1517-1527. 
Peterson (1993). Observation and modelling of seismic 
background noise, U.S.G.S. Tech. Rept., 93-
322, 1-95. 
 
 
 


Livelli di detezione da stazioni sismiche in pozzo

http://www.earth-prints.org/bitstream/2122/7388/1/2011_Miscellanea_INGV_Augliera_et_al.pdf

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