Prima di un terremoto o di una eruzione vulcanica la crosta terrestre è sottoposta a tensioni che la deformano lentamente. Queste deformazioni, talvolta vistose, altre volte osservabili solo attraverso misure di elevata precisione, possono rappresentare degli efficaci segni premonitori di eventi sismici ed eruttivi.
Il monitoraggio delle deformazioni lente del suolo è entrato da alcuni decenni a far parte delle metodologie geofisiche applicate allo studio delle aree vulcaniche e sismogenetiche.
Il terremoto si prepara mediante accumulo di sforzi (e quindi deformazioni) intorno alla faglia che poi si romperà. Il terremoto non è altro, quindi, che la liberazione brusca di questa energia, dopo il quale la crosta terrestre si deforma in modo permanente trovando una nuova posizione di equilibrio.
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Lo studio e il monitoraggio delle deformazioni che si verificano in un'area sismo genetica o vulcanica è indispensabile per dare un quadro completo della dinamica di queste aree. Lo studio delle deformazioni co-sismiche e post-sismiche o sin-eruttive e post-eruttive permette invece di dedurre quale è stato il meccanismo del terremoto o dell’eruzione e la risposta dell'area circostante dopo che questo si è verificato.
Rispetto al problema della previsione dei terremoti, quello delle eruzioni è semplificato notevolmente dal fatto che esse nella maggior parte dei casi avvengono all'interno di un'area nota a priori e di ampiezza limitata.
La transizione da una condizione di riposo ad una condizione eruttiva implica necessariamente una migrazione progressiva del magma verso la superficie. Nel corso della risalita il magma esercita una spinta sulle rocce sovrastanti, le solleva inarcandole e le frattura.
Per semplificare si può dire che un vulcano, all'approssimarsi di un evento eruttivo, si gonfia lentamente per l'apporto di magma dal profondo, per poi subire un rapido sgonfiamento quando la massa magmatica viene eruttata in superficie nel corso dell'eruzione o si sposta in aree limitrofe del sottosuolo.
Questo comportamento produce sulla superficie del vulcano deformazioni orizzontali e verticali che vengono rilevate per mezzo di strumenti di alta precisione. L'esatta individuazione e caratterizzazione del campo deformativo e, soprattutto, della sua evoluzione nel tempo, può quindi fornire preziose informazioni per seguire la dinamica della massa magmatica.
L'evoluzione tecnologica degli ultimi decenni permette oggi di rilevare le deformazioni del suolo mediante tecniche geodetiche (o topografiche) molto avanzate e di grande precisione.
Geodimetro e Stazione Totale
Lo strumento che misura le distanze è il geodimetro o distanziometro (tecnica EDM). Questo strumento consente la misura delle deformazioni orizzontali (variazione di distanza tra due capisaldi) con precisione molto elevata (5 mm 1 mm/Km).
La tecnica geodimetrica è una tecnica di geodesia "terrestre", in quanto totalmente basata su strumentazione collocata sulla superficie terrestre. Il principio di funzionamento è basato sull'invio di un raggio di luce ad un riflettore e sulla misura del tempo che il raggio impiega a raggiungere il bersaglio e tornare. Poiché questo tempo è molto piccolo si misura lo sfasamento tra l'onda uscente e l'onda rientrante. Da questo si ottiene la distanza D introducendo nel calcolo la velocità della luce.
Da ciascun punto di stazione (ove viene collocato il geodimetro) vengono misurate le distanze dagli altri punti (ove vengono collocati i riflettori). Ciascun punto, nella maggior parte dei casi, viene misurato da più stazioni per ottenere un alto numero di collegamenti e di vincoli, per questo si parla di Reti Geodetiche terrestri.
Per scopi topografici e geodetici, alle misure di distanza è necessario associano anche misure angolari di precisione per il posizionamento dei punti sulla superficie terrestre; lo strumento in grado di misurare gli angoli orizzontali e verticali, con precisioni di circa 1", è il Teodolite.
Attualmente le misure distanziometriche ed angolari vengono eseguite da strumenti detti "Stazioni Totali" che accorpano le capacità di un geodimetro e quelle di un teodolite. Sono strumenti elettronici evoluti, in grado non solo di eseguire le misure, ma anche di memorizzare i risultati ed eseguire calcoli preliminari per il posizionamento e tracciamento di punti.
Inoltre, alcuni di questi strumenti sono robotizzati, per poter eseguire autonomamente dei cicli di misura ed essere controllati da remoto, come il sistema Theodoros installato a Stromboli.
Livellazione di precisione
| La tecnica di livellazione è utilizzata per lo studio e il monitoraggio dei movimenti verticali su capisaldi di misura opportunamente realizzati nell'area da investigare. La precisione di misura della quota dei capisaldi ottenuta con la tecnica di livellazione è la massima raggiungibile e si aggira intorno al millimetro. |  |
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La livellazione è una tecnica di tipo "terrestre" come quella geodimetrica e le misure vengono eseguite durante campagne di misura; le campagne di livellazione si svolgono seguendo percorsi opportunamente progettati e realizzati per coprire, con il miglior compromesso tra dettaglio spaziale e tempi di esecuzione, l'area interessata dai movimenti verticali. |
La tecnica eseguita è quella della "livellazione dal mezzo" con un livello elettronico o ottico che misura il dislivello tra due stadie per passi successivi. Il monitoraggio dei movimenti verticali viene eseguito in collaborazione con la sezione di Napoli dell'INGV sulla faglia di Trecastagni e sulla faglia della Pernicana all'Etna.
Misure GPS
Il GPS è un sistema di derivazione militare, utilizzato dalla metà degli anni ottanta anche per lo studio della forma della Terra (Geodesia). L'utilizzo a scopi geodetici del GPS si basa sul principio dell'interferometria applicato ai segnali radio emessi da particolari satelliti artificiali che vengono captati da ricevitori posti sulla superficie terrestre. Questi dati, opportunamente elaborati, permettono di conoscere la distanza 3 D (nello spazio) tra due capisaldi e quindi di risalire alle coordinate di una rete di capisaldi con elevatissima precisione (errori inferiori ad 1 cm). E' una tecnica spaziale perchè, pur essendo eseguita tramite strumentazione collocata sulla superficie terrestre, si basa su segnali emessi da veicoli spaziali in orbita (satelliti).
Misura GPS su caposaldo con treppiedi
I principali vantaggi della tecnica GPS per misurare le deformazioni del suolo sono quelli di poter effettuare misure che collegano punti tra loro non visibili ed in qualunque condizione meteorologica; la tecnica GPS è applicata allo studio e monitoraggio delle aree vulcaniche e sismogenetiche della Sicilia dalla fine degli anni '80 eseguendo campagne di misura sulle fitte reti Geodetiche Discrete. Queste reti hanno subìto, nel corso anni, una continua espansione ed evoluzione per ampliare le arere di indagine e per migliorare il dettaglio nella misura del campo di deformazione. Ad esempio, sull'Etna la rete GPS discreta è passata da 9 capisaldi (su treppiede) nel 1988 a circa un centinaio (autocentranti) oggi, con alcune sotto-reti molto fitte per lo studio di alcune strutture particolarmente attive come la faglia della Pernicana e la faglia di S. Leonardello; le misure su quest'ultima faglia vengono eseguite con il coinvolgimento degli studenti delle scuole superiori nell'ambito del Progetto "Laboratorio di Geodinamica - le scuole per il Territorio".
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Caposaldo GPS tipo "autocentrante" |
Caposaldo geodetico su colonnina |
Inoltre, la tecnologia GPS è attualmente in grado di acquisire dati di posizione ad elevata frequenza (da 1 a 20 Hz), mettendo i ricercatori in condizione di monitorare movimenti legati ad eventi molto veloci sulle stazioni delle reti GPS permanenti (p.e. l'apertura di fratture eruttive o il movimento del suolo in occasione di eventi sismici particolarmente forti).
Reti GPS permanenti
Dall’aprile 1995 è stata iniziata, presso la sezione di Catania INGV (prima del 2001 la denominazione era Istituto Internazionale di Vulcanologia), una intensa attività di ricerca scientifica e tecnologica che aveva come scopo la realizzazione di reti monitoraggio delle deformazioni del suolo che permettessero l’analisi della cinematica dei vulcani e delle aree sismogenetiche sia nel breve periodo, in relazione, ad esempio, a improvvise eruzioni o forti terremoti, sia nel lungo periodo, con la finalità di osservare le variazioni del campo di deformazione in modo preciso anche attraverso gli anni. Quest’ultimo studio riveste una particolare importanza perché ad esso sono collegate importanti attività di ricerca finalizzate alla riduzione del rischio vulcanico e sismico della Sicilia Orientale.
Nel corso degli anni l’INGV ha investito fortemente in uomini ed infrastrutture dedicate al monitoraggio GPS in continuo e, infatti, la rete attuale ha raggiunto un elevato numero di stazioni sparse su vulcani ed aree sismogenetiche della Sicilia Orientale (più Pantelleria). Ad oggi, le stazioni operative in queste aree hanno raggiunto il considerevole numero di 70. A queste vanno aggiunti i ponti “WiFi” e radio per la comunicazione tra le stazioni remote e la stazione “master” di catania, dove i dati vengono processati una volta al giorno con procedure “classiche” ed anche in tempo reale, per mezzo di software innovativi che permettono di controllare, secondo dopo secondo, anche piccole variazioni centimetriche che dovessero occorrere nelle aree sotto sorveglianza.
I vulcani monitorati per mezzo delle Reti GPS permanenti INGV CT sono l’Etna (35 stazioni), lo Stromboli (5 stazioni), il complesso Lipari-Vulcano (7 stazioni) e l’Isola di Pantelleria (3 stazioni).
Le aree sismogenetiche monitorate sono, allo stato attuale, quella Iblea (9 stazioni) e quella Messinese (7 stazioni). Le restanti 4 stazioni insistono nella Sicilia centro-occidentale e rappresentano il primo nucleo di estensione della Rete di Monitoraggio GPS in Sicilia Occidentale, nell’ambito di importanti progetti di sviluppo finanziati dalla Regione Sicilia.
Oltre che a finalità di monitoraggio, le stazioni della Rete permanente GPS INGV CT sono dedicate anche a servizi alla collettività quali la possibilità di utilizzare i dati di queste reti anche per lo svolgimento di misure topografiche e GIS da parte di tutti i cittadini interessati (per dettagli vedi http://sicilianet.ct.ingv.it)
Tiltmetri (o clinometri)
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Il monitoraggio sistematico delle variazioni dell’inclinazione del suolo, viene effettuato sui vulcani siciliani da oltre 30 anni utilizzando differenti tipi di sensori ad alta precisione capaci di rilevare inclinazioni del suolo fino a 0.005 microradianti. Un microradiante rappresenta una variazione di pendenza di un millimetro a distanza di un Km. Le misure clinometriche in continuo sui vulcani rappresentano un metodo rapido per l’individuazione di precursori ed uno strumento di studio del comportamento dei vulcani nelle fasi pre e post-eruttive. Variazioni clinometriche che durano da settimane a mesi accompagnano periodi di inflazione, dovute alla risalita magmatica e all’accumulo di stress prima di un’eruzione e le successive fasi di deflazione. Variazioni molto rapide del segnale (da ore a giorni) si osservano durante le fasi intrusive che precederono la venuta in superficie del magma indicando dove è in atto la risalita magmatica. A partire dall’eruzione etnea del 1981 ma in particolare durante i più recenti episodi (1989, 1991-93, 2001, 2002-03 e 2008-09) la clinometria si è rivelata molto utile nel controllo dell’evoluzione dei fenomeni eruttivi fornendo, in combinazione con altri dati di deformazione, un contributo fondamentale nella modellizzazione analitica delle sorgenti magmatiche
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Le reti clinometriche si avvalgono soprattutto di clinometri elettronici installati in foro. Questi strumenti presentano due assi orientati in modo da rilevare una componente "radiale" in direzione del cratere (valori positivi indicano sollevamento ai crateri) e l’altra componente denominata "tangenziale" in direzione ortogonale. Le installazioni realizzate fino agli anni ‘90 raggiungono profondità di pochi metri utilizzando clinometri biassiali AGI 510 (sensibilità 0.02 microrad) e AGI 722 (0.1 microrad). Poiché il segnale clinometrico risente notevolmente di variazioni termiche e termoelastiche, le installazioni effettuate in foro profondo e in galleria sono da preferire in quanto risentono meno del rumore legato alla temperatura che comunque può essere in parte eliminato attraverso processi di filtraggio. Negli ultimi anni sono state realizzate 6 nuove stazioni a profondità comprese tra 10 e 30 m utilizzando clinometri autolivellanti AGI Lily che hanno consentito di avere un notevole miglioramento della qualità dei dati rispetto a quelli ottenuti dalle stazioni più superficiali grazie alla drastica riduzione degli effetti legati alle variazioni termiche. |
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Inoltre presso l’Osservatorio di Pizzi Deneri è attivo un clinometro fluido a braccio lungo (80 metri).
Le reti di stazioni installate sulle isole siciliane comprendono:
- La rete di Vulcano costituita da 5 stazioni di cui 4 profonde (8-10 metri).
- La rete clinometrica dello Stromboli costituita da 3 stazioni in foro di cui una a profondità di 28 metri (COA) è stata strumentata alla fine del 2008 con un clinometro AGI Lily.
- La rete di Pantelleria con 3 stazioni realizzate predisponendo fori profondi (-10 metri).
L’elevata precisione raggiunta dai clinometri rende questa tecnica potenzialmente molto utile anche in aree sismogenetiche. Recentemente è stata installata una stazione profonda 23 metri sugli Iblei utilizzando un clinometro AGI Lily.
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Estensimetria
Gli estensimetri sono strumenti utilizzati per il monitoraggio in continuo, sia in ambito geotecnico (frane) che scientifico (faglie, fratture), al fine di rilevare spostamenti relativi tra capisaldi separati da discontinuità.
Allo stato attuale la principale area interessata al monitoraggio estensimetrico sull’Etna è la Faglia di Trecastagni che ha mostrato durante il 2009 modifiche interessanti.
La faglia di Trecastagni è una struttura che si sviluppa all’interno del territorio della Provincia di Catania tra Trecastagni e San Giovanni la Punta caratterizzata da una direzione circa NNW-SSE interessando buona parte della Strada Provinciale 8/III.
Il sistema comprende due stazioni in continuo ed un sistema discreto di rilevazione comprendente 9 coppie di dischetti metallici posizionati su elementi strutturali (muri di recinzione, ecc.) interferenti con la struttura. Le stazioni in continuo sono costituite da estensimetri a filo Mod. D241A200 della Sisgeo.
Lo strumento è costituito da un cavo d’acciaio teso con tensione costante tra i due punti da controllare; gli spostamenti della frattura sono rilevati da un sensore di spostamento.
Una delle due stazioni (ET2) è stata installata nel maggio 2005 direttamente su una struttura in cemento completamente fratturata. La seconda (ET3) invece è stata realizzata nel 2006-07 sul terreno eseguendo una trincea intersecante la faglia e due pozzetti, distanti 8.5 metri, ancorati al substrato dove sono stati ubicati sia lo strumento che l’ancoraggio del filo che scorre all’interno di un tubo in PVC cementato al suolo.
Alle misure in continuo mediante i suddetti estensimetri a filo sono state affiancate misure discrete con l’utilizzo di un deformometro meccanico con comparatore analogico della Controls (mod. 58-C0230)
L’analisi degli spostamenti misurati tra il 2005 e settembre 2009 lungo la faglia mostra che la struttura, nella zona centro-settentrionale è stata caratterizzata da una dinamica continua, con un tasso medio variabile intorno a ca. 2-3 mm per anno.
A partire dal 14 ottobre 2009 si è avuto un chiaro aumento del tasso di spostamento che ha cumulato in 2 mesi circa 3 mm.
Nello stesso periodo l’area è stata interessata da una microsismicità comprendente almeno 8 eventi superficiali che in qualche caso sono stati chiaramente avvertiti dagli abitanti della zona.
Interferometria da Radar ad apertura sintetica (SAR interferometry In-SAR)
L'InSAR è una tecnica di telerilevamento, messa a punto alla fine degli anni '80 ed ampiamente utilizzata in geofisica, per il rilevamento dei movimenti del suolo, dai primi anni '90.
Fondamentalmente l'InSAR si basa sul confronto tra due immagini radar, acquisite in tempi differenti, sulla stessa area dallo stesso sensore, normalmente installato su satelliti in orbita polare intorno alla Terra. Per aumentare la risoluzione dell'immagine si utilizza una particolare tecnica che, sfruttando il movimento del sensore durante l'acquisizione, simula una antenna sintetica molto più grande (Synthetic Aperture Radar).
Il risultato del confronto tra due immagini radar permette di stimare lo spostamento del terreno in base allo sfasamento delle onde riflesse durante le due acquisizioni. Si ottiene quindi un'immagine detta interferogramma, le cui frange di interferenza sono dovute al movimento del terreno; in altre parole, se la crosta terrestre non subisce movimenti, non si producono frange di interferenza e si ha un'immagine mono-colore. Dall'interferogramma è possibile risalire allo spostamento del terreno, però solo lungo la linea di vista del sensore.
L'InSAR è in grado di fornire informazioni sull'intera area investigata e non su singoli punti, come le normali reti geodetiche. Tuttavia, l'InSAR, da solo, non può misurare gli spostamenti nello spazio in 3 dimensioni, come ad esempio il GPS, per cui le sue informazioni vanno integrate con quelle fornite dalle altre tecniche. Il monitoraggio tramite Telerilevamento Radar viene eseguito dalla sezione di Catania per tutte le aree vulcaniche e sismogenetiche della Sicilia.
Le recenti tecniche di processamento InSAR permettono l'analisi temporale delle deformazioni su lunghi periodi, utilizzando l'intero dataset di immagini radar acquisite dal sensore nell'intervallo scelto.Il prodotto finale di questa catena di processamento sono le velocità medie di deformazione in linea di vista, su ciascun pixel dell'immagine.
Laser Scanner
Il laser a scansione terrestre è una strumentazione sofisticata ed estremamente efficiente nel rilievo di dettaglio del territorio. Il sistema è basato, come le stazioni totali, sull’invio e la ricezione di impulsi laser (infrarosso vicino) e sul calcolo del tempo di volo per calcolare la distanza percorsa. La peculiarità che lo distingue dalle caratteristiche dei metodi classici è la possibilità, grazie ad un sistema ottico meccanico calibrato, di inviare gli impulsi su una griglia angolare molto precisa.
Quindi, la conoscenza dei parametri angolati (sistema polare) ed il calcolo della distanza, permette di localizzare ogni impulso in un sistema relativo interno, il cui centro è il centro strumentale dello scanner. Una informazione aggiuntiva viene fornita come dato di intensità del segnale, in una scala 0-256, permettendo di colorare la nuvola di punti (l’insieme delle coordinate dei punti relativi ad una scansione) e di discriminare differenti materiali o alterazioni.
Come per le stazioni totali, il rilievo con Laser Scanner è una tecnica di geodesia terrestre discreta essendo basata interamente su strumentazione a terra ed esegiuta durante apposite campagne di misura.
Nella primavera estate 2009 sono state eseguite le prime misure nell’arcipelago delle isole Eolie utilizzando lo scanner ILRIS-3D ER (Enhanced Range). In particolare, sull’isola di vulcano è stato rilevato il cratere del “Vulcano della Fossa”, ottenendo così il modello digitale ad alta precisione, e della “Forgia Vecchia”.
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Misure con Laser Scanner sul cratere di Vulcano |
Risultato di una scansione 3D di una porzione del cratere |
Sono stati anche eseguiti dei rilievi sperimentali sull’Isola di Stromboli, per osservare la risposta in presenza di materiali vulcanici molto scuri e cioè poco riflettenti alle frequenze infrarosse di 1500nm (frequenza del segnale utilizzato).
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