Analisi dei segnali sismici di bassa frequenza (< 0.5 Hz) registrati a Stromboli

Nel settembre del 1997 l’attività sismica del vulcano Stromboli (isole Eolie, Italia) è stata monitorata con sismometri a larga banda. I segnali sismici registrati durante questa campagna mostrano la tipica attività stromboliana, con esplosioni sovrapposte a tremore vulcanico persistente. Le esplosioni si sono verificate con un ritmo leggermente superiore a quello ritenuto normale (fino a 20-30 esplosioni ogni ora. La natura a larga banda delle esplosioni di Stromboli è stata dettagliatamente analizzata. La sorgente dei cosiddetti VLP è stata localizzata e forti vincoli sulla geometria e sulla dinamica della sorgente sono stati posti. Viceversa le caratteristiche del tremore a bassa frequenza richiedono ulteriori investigazioni. L’obiettivo del presente lavoro è dunque quello di approfondire, con un’ampia statistica, lo studio di lunghe serie di tremore a bassa frequenza (0.02-0.5 Hz), partendo dai risultati preliminari ottenuti da De Martino et al. (2004). Analisi spettrali effettuate sul tremore di Stromboli mostrano la presenza di armoniche con periodo intorno a 30-40 secondi. Più in generale, lo spettro appare diviso approssimativamente in tre bande di frequenza: 1-10 Hz, 0.1-1 Hz, 0.02-0.1 Hz. Le ampiezze delle armoniche appartenenti a questa ultima banda di frequenze (armoniche di lungo periodo) sono, di norma, nettamente inferiori a quelle della prima banda e confrontabili con quelle della seconda perciò, a parte alcuni tratti di tremore, queste oscillazioni non si distinguono nei sismogrammi non filtrati. Anche queste armoniche, come tutta l’attività sismica dello Stromboli, hanno componenti planari preponderanti rispetto alla verticale. L’evoluzione nel tempo (spettrogramma) dell’ampiezza delle armoniche di lungo periodo mostra che queste frequenze sono spesso discontinue. Solo in una fase dell’acquisizione esse appaiono intense e praticamente continue, tanto da risultare visibili anche nei sismogrammi originali. L’energia delle armoniche di lungo periodo è stata determinata, attraverso analisi di Fourier, per circa 180 tratti di tremore lunghi tre minuti. Il risultato mostra che più del 70% dei tremori selezionati ha energia raccolta in uno stesso intervallo. Questa frazione sale fino all’85% quando la lunghezza dei tremori si riduce ad un minuto e mezzo. Per evidenziare le proprietà del tremore di lungo periodo sono state utilizzate tecniche applicate di norma in sismologia insieme a tecniche ancora poco diffuse in questo ambito. Alle seconde appartiene l’analisi delle componenti indipendenti (ICA). L’algoritmo che esegue questa analisi separa le componenti indipendenti da un segnale che ne contiene una mistura lineare. Per fare questo viene massimizzata la non-gaussianità dei segnali estratti. Questa analisi, effettuata sui segnali di tremore di Stromboli filtrati sotto 0.5 Hz, ha fornito due componenti indipendenti. Esse si distinguono per il contenuto in frequenza. Infatti, una componente estratta è composta quasi esclusivamente da un pacchetto di frequenze intorno a 30-40 secondi di periodo e corrisponde alle armoniche di lungo periodo, l’altra ha armoniche con periodo intorno a 3 s e costituisce la banda di frequenza centrale. L’aspetto della seconda componente è quello di un battimento. L’analisi di polarizzazione è stata effettuata sul tremore filtrato sotto 0.5 Hz. L’algoritmo usato è quello di Kanasawich (1981). Questa analisi mostra due direzioni di polarizzazione diverse per i segnali di tremore filtrati tra 0.02 e 0.1 Hz e tra 0.1 e 0.5 Hz, caratterizzando ulteriormente le due componenti indipendenti estratte dall’ICA. Le proiezioni dei vettori di polarizzazione sul piano E-W N-S, calcolati sui segnali di tremore filtrato tra 0.1 e 0.5 Hz registrati a più stazioni, sono tutte dirette verso una zona che si trova a NW dell’area craterica. In questa zona è stata localizzata anche la sorgente delle esplosioni (Chouet et al., 2003). Invece, i vettori di polarizzazione calcolati su tremore filtrato tra 0.02 e 0.1Hz, in modo da isolare le armoniche di lungo periodo, proiettati sul piano E-W N-S si distinguono dai precedenti in maniera evidente, seppure non individuano univocamente una zona sorgente. Infatti, i segnali sismici di lungo periodo, registrati dalle stazioni più in alto (top), presentano una direzione di polarizzazione quasi ortogonale alla zona sorgente delle esplosioni, mentre tali segnali, registrati da alcune stazioni ad altezza intermedia (middle), puntano verso una zona lungo la Sciara del Fuoco. Per entrambi i segnali indipendenti la sorgente appare superficiale giacché l’angolo di dip risulta uguale o maggiore di 80°. I moti orbitali sul piano E-W N-S, calcolati sui sismogrammi della velocità filtrati nelle due bande descritte sopra, confermano i risultati dell’analisi di polarizzazione. Inoltre essi mostrano che alcune stazioni middle hanno registrato i segnali di lungo periodo con altissima rettilinearità (prossima a uno), mentre alle altre stazioni la direzione di polarizzazione di queste onde non appare con questa evidenza, pur essendo quasi sempre identificabile. Nell’ambito delle applicazioni tipiche della sismologia, è stato utilizzato il modello di sorgente sferica di Mogi per ricavare informazioni sulla sorgente delle armoniche di lungo periodo, nell’approssimazione di deformazioni statiche e mezzo elastico. La posizione di tale sorgente è stata fissata coincidente con quella delle esplosioni individuata da Chouet et al. (2003). Con questo modello la sorgente (le bolle) risulta avere raggio compreso tra 4 e 10 metri. Inoltre, la variazione di volume che genererebbe le armoniche di lungo periodo è di circa 6 metri cubi. Per ricavare informazioni sul sistema dinamico alla base dei segnali di lungo periodo è stata utilizzata la tecnica introdotta da Takens (1981), con cui è stata ricostruita l’evoluzione nello spazio delle fasi corrispondente a tali segnali. Questi punti giacciono su un attrattore la cui dimensione frattale è stata calcolata attraverso il procedimento descritto da Grassberger e Procaccia (1983). La dimensione stimata è circa 1.05. Ovvero, il sistema dinamico che genera il tremore di lungo periodo è molto semplice e la dinamica asintotica avviene in una zona dello spazio delle fasi che è, praticamente, un ciclo limite. Inoltre, risulta che tutti i tremori di lungo periodo sono generati dallo stesso sistema dinamico. Infatti, attraverso il procedimento descritto da Paladin e Vulpiani (1987) si è visto che tutte le traiettorie, associate a queste componenti armoniche e relative a 180 tratti di tremore differenti, giacciono sullo stesso attrattore.