Registrazione di t e r r e m o t i vicini con s i s m o m e t r i a l u n g o p e r i o d o (Recording of near earthquakes by long-period seismometers) E . MANTOVANI (*) R i c e v u t o il 10 G i u g n o 1972 RIASSUNTO. — V e n g o n o r i p o r t a t e le c a r a t t e r i s t i c h e d e l l a n u o v a r e t e a l u n g o p e r i o d o i n I t a l i a e l a p o s s i b i l i t à di s f r u t t a r e i s i s m o m e t r i d e l l a r e t e p e r l a r e g i s t r a z i o n e d e i s i s m i v i c i n i . SUMMARY. — T h e c h a r a c t e r i s t i c s of t h e l o n g - p e r i o d s e i s m i c n e t w o r k i n I t a l y a r e d e s c r i b e d a n d a m e t h o d t o u s e t h e l o n g - p e r i o d s e i s m o m e t e r f o r t h e r e c o r d i n g of n e a r e a r t h q u a k e s is s u g g e s t e d . L ' I s t i t u t o di Geofisica d e l l ' U n i v e r s i t à di B o l o g n a , i n c o l l a b o r a - zione con le U n i v e r s i t à di K a r l s r u h e e U c l a di Los Angeles, s t a svol- g e n d o u n a ricerca sulla c r o s t a del M e d i t e r r a n e o con p a r t i c o l a r e ri- g u a r d o al b a c i n o del T i r r e n o . Q u e s t a ricerca è c o n d o t t a col m e t o d o b a s a t o sulla d i s p e r s i o n e delle o n d e superficiali, p e r la r e g i s t r a z i o n e delle q u a l i è s t a t a i n s t a l l a t a u n a r e t e d i s t a z i o n i a l u n g o p e r i o d o (4) (Fig. 1, T a b e l l a 1). U n a serie di p r o v e h a p e r m e s s o di m e t t e r e a f u o c o p r i m a e s u p e r a r e p o i i p r o b l e m i connessi con la realizzazione di u n a s t a z i o n e sismica a c o r t o p e r i o d o che u t i l i z z a al p o s t o dei n o r m a l i p e n d o l i a c o r t o i s i s m o m e t r i a l u n g o p e r i o d o della c i t a t a r e t e . (*) I s t i t u t o d i G e o f i s i c a . U n i v e r s i t à di B o l o g n a ( I t a l i a ) . R E G I S T R A Z I O N E D I T E R R E M O T I V I C I N I CON S I S M O M E T R I A L U N G O P E R I O D O 5 5 3 L a s c e l t a degli s t r u m e n t i di u n a s t a z i o n e sismica a c o r t o p e r i o d o è c o n d i z i o n a t a dalle s e g u e n t i esigenze: a) M a s s i m a sensibilità i n c o r r i s p o n d e n z a delle f r e q u e n z e d o v e è g e n e r a l m e n t e c o n c e n t r a t a l ' e n e r g i a delle o n d e P (0,5 -f- 1,5 sec). Q u e s t o f a v o r i s c e u n a s a l i t a r i p i d a del p r i m o i m p u l s o e di conse- g u e n z a precisione nella d e t e r m i n a z i o n e del t e m p o di a r r i v o . b) Discesa ripida d e l l ' a m p l i f i c a z i o n e sia p e r i p e r i o d i > 3 sec, sia p e r quelli < 0,6 sec. L a p r i m a , p e r e v i t a r e il d i s t u r b o di t u t t a l ' e n e r g i a sismica a l u n g o p e r i o d o (onde 8 e superficiali), m a s o p r a t t u t t o p e r r i d u r r e al m i n i m o quello microsismico ( 3 + 7 sec) d o v u t o a p e r t u r b a z i o n i a t m o s f e r i c h e . L a s e c o n d a p e r e v i t a r e l ' a l t r o t i p o di a t - t i v i t à m i c r o s i s m i c a a p i ù a l t a f r e q u e n z a (0,4 + 0,6 sec) c a u s a t a d a d i s t u r b i di c a r a t t e r e locale (traffico, i n d u s t r i e . . . ) . c) M i n o r ritardo possibile t r a l ' a r r i v o del segnale e la s u a re- g i s t r a z i o n e . L e condizioni a) b) c) n o n sono realizzabili c o n t e m p o r a n e a m e n t e . I n f a t t i p e r o t t e n e r e u n r i t a r d o m i n i m o p e r le f r e q u e n z e delle o n d e P s a r e b b e necessario u s a r e g a l v a n o m e t r i e s i s m o m e t r i d i p e r i o d o r i s p e t - t i v a m e n t e < 1 sec e > 1 sec, il che c o n t r a s t a con i p u n t i a) e b), che c o m e si p u ò v e d e r e dalle c u r v e di r i s p o s t a delle figg. 2, 3, p o r t a n o a d u n a s c e l t a di T„ e Ts c o m p r e s i t r a 0,5 e 1,5 secondi. G e n e r a l m e n t e v i e n e d a t o m a g g i o r peso a i p r i m i d u e p u n t i cer- c a n d o di l i m i t a r e il r i t a r d o al m i n i m o possibile. L a scelta del p e r i o d o degli s t r u m e n t i v a f a t t a s t a z i o n e p e r s t a - zione in b a s e ai v a l o r i della c o n t i n g e n t e a t t i v i t à m i c r o s i s m i c a . S T A Z I O N E A C O R T O P E R I O D O C O N S I S M O M E T R O D I I S = 1 5 S E C E G A L - V A N Ó M E T R O D I T„ — 1 , 8 S E C . A n a l i z z i a m o o r a l a p o s s i b i l i t à di o t t e n e r e le c a r a t t e r i s t i c h e pre- c e d e n t i con u n s i s t e m a che al p o s t o di u n p e n d o l o di 0,5 + 1,5 sec, n e i m p i e g h i u n o di 15 secondi. L ' i n c o n v e n i e n t e l e g a t o a l l ' u s o di u n t a l e t i p o di s i s m o m e t r o è lo scarso filtraggio dei p e r i o d i l u n g h i (Fig. 2). P e r e l i m i n a r e o p e r lo m e n o a t t e n u a r e la difficoltà b i s o g n a ricor- r e r e a d u n filtro e l e t t r o n i c o che p u ò essere sia di t i p o a t t i v o , cioè com- 5 5 4 E . M A N T O V A N I F i g . 2 - C u r v e di r i s p o s t a del s i s m o m e t r o , c r i t i c a m e n t e s m o r z a t o , p e r d i v e r s i v a l o r i d e l p e r i o d o . F i g . 3 - C u r v e d i r i s p o s t a n o r m a l i z z a t e d e l g a l v a n ó m e t r o c r i t i c a m e n t e s m o r z a t o . p o s t o (li e l e m e n t i a m p l i f i c a t o r i , sia d i t i p o p a s s i v o , c o m p o s t o d i soli c o n d e n s a t o r i , i n d u t t a n z e , r e s i s t e n z e . Col p r i m o t i p o è possibile o t t e n e r e , o l t r e a d u n a a m p l i f i c a z i o n e del segnale, a n c h e u n t a g l i o m o l t o n e t t o alle f r e q u e n z e v o l u t e : esiste R E G I S T R A Z I O N E D I T E R R E M O T I V I C I N I CON S I S M O M E T R I A L U N G O P E R I O D O 553 t u t t a v i a il p r o b l e m a , n o n s e m p r e risolvibile, d e l l ' e l i m i n a z i o n e del r u - m o r e e l e t t r o n i c o . I n a t t e s a di p e r f e z i o n a r e u n filtro a t t i v o a d a t t o allo scopo si è ricorso a d u n semplicissimo filtro p a s s a - a l t o di t i p o OR (Fig. 4). o 1—1- 1 1 1—t 1 i i l — l — — W! 0,05 O.l li 1 2 3 4 5 IO T (.«, F i g . 4 - A ) s c h e m a del filtro C R e s u a r i s p o s t a in a m p i e z z a B ) e f a s e C ) . I l s i s t e m a i n q u e s t i o n e , che p e r c o m o d i t à è s t a t o c h i a m a t o L C P , v i e n e così a d essere c o m p o s t o d a : 1) S i s m o m e t r o a l u n g o p e r i o d o t i p o S p r e n g n e t h e r S-5007-V m a s s a = 11,2 k g sensibilità = 89 V / m / s e c p e r i o d o = 15 sec. 554 E . M A N T O V A N I 2) G a l v a n ó m e t r o a c o r t o p e r i o d o t i p o C a m b r i d g e 41127/1 s e n s i b i l i t à = 300 m m / j x A p e r i o d o = 1 , 8 sec. 3) F i l t r o p a s s i v o c o s t i t u i t o d a u n a singola cella C E . I n F i g . 5 è r i p o r t a t a la r i s p o s t a i n a m p i e z z a del s i s t e m a i n e s a m e a c c a n t o a quelle d i a l t r i complessi di r e g i s t r a z i o n e sismica. L e c u r v e sono n o r m a l i z z a t e p e r a g e v o l a r e il c o n f r o n t o d e l r a p - p o r t o s e g n a l e - r u m o r e d a cui d i p e n d e n o t e v o l m e n t e la q u a l i t à d i u n s i s m o g r a f o . D a q u e s t o c o n f r o n t o r i s u l t a che il s i s t e m a L C P p r e s e n t a , r i s p e t t o agli a l t r i di F i g . 5, u n filtraggio l e g g e r m e n t e i n f e r i o r e dei m i c r o s i s m i e la s e n s i b i l i t à m a s s i m a s p o s t a t a v e r s o f r e q u e n z e a p p e n a p i ù a l t e . I l c o n f r o n t o f r a i s i s t e m i u s u a l i e quello q u i p r o p o s t o v a com- p l e t a t o con a l c u n e c o n s i d e r a z i o n i sul r i t a r d o del segnale. U n a n o r m a l e s t a z i o n e a c o r t o p e r i o d o , che p e r s e m p l i c i t à consi- d e r i a m o r a p p r e s e n t a t a d a u n s i s t e m a con T, = l s e c e T„ = l s e c , p r e s e n t a u n r i t a r d o t r a l ' a r r i v o delle o n d e P e la loro r e g i s t r a z i o n e 554 E. MANTOVANI d i circa m e z z o p e r i o d o (TC/2 d o v u t o a l s i s m o m e t r o e TC/2 al g a l v a n o - m e t r o ) . Il s i s t e m a L O P p u r e s s e n d o c o m p o s t o d a s t r u m e n t i di c a r a t t e r i - s t i c h e d i v e r s e ( s i s m o m e t r o e filtro) d a l p r e c e d e n t e p r o v o c a u n r i t a r d o p r e s s o c h é a n a l o g o . P e r q u a n t o r i g u a r d a il r i t a r d o del g a l v a n o m e t r o l ' a n a l o g i a t r a i d u e s i s t e m i è e v i d e n t e . Il s i s m o m e t r o a l u n g o p e r i o d o del s i s t e m a L C P , i n v e c e , si diffe- r e n z i a d a quello C P i n q u a n t o la s u a m a g g i o r e i n e r z i a gli p e r m e t t e di r i d u r r e al m i n i m o il r i t a r d o t r a l ' e v e n t o e la sua r e g i s t r a z i o n e . L ' u - nico e f f e t t o è il r i b a l t a m e n t o del segnale, che p r e s e n t e r à q u i n d i m a s - simi al p o s t o di m i n i m i e v i c e v e r s a . L a q u a s i a s s e n z a di r i t a r d o d o v u t o al s i s m o m e t r o v i e n e p e r ò c o m p e n s a t a d a quello i n t r o d o t t o d a l filtro. I n f a t t i p e r f r e q u e n z e di ~ 1 sec, l ' i m p e d e n z a è q u a s i p u r a m e n t e r e a t t i v a e p r o v o c a u n r i t a r d o t r a t e n s i o n e e c o r r e n t e di circa tt/2 (Pig. 4). STAZIONE A CORTO E LUNGO PERIODO L a s e c o n d a p a r t e d e l l ' e s p e r i m e n t o consiste n e l l ' i m p i e g o di u n solo s i s m o m e t r o con p e r i o d o d i 15 sec p e r la r e g i s t r a z i o n e s i m u l t a n e a dei c o r t i e l u n g h i p e r i o d i . 0 P i g . 7 - C i r c u i t i d i c o l l e g a m e n t o t r a il s i s m o m e t r o e i d u e g a l v a n o m e t r i C L p e G c r - A q u e s t o scopo si sono s f r u t t a t e le d u e b o b i n e di u s c i t a di cui è f o r n i t o il s i s m o m e t r o S p r e n g n e t h e r S-5007-V. R E G I S T R A Z I O N E DI T E R R E M O T I V I C I N I CON S I S M O M E T R I A L U N G O P E R I O D O 553 U n segnale è s t a t o n o r m a l m e n t e i n v i a t o al g a l v a n ó m e t r o L P (Tg = 100 sec) e l ' a l t r o al g a l v a n ó m e t r o C P (Tg = 1,8 sec). I l p r o - b l e m a p r i n c i p a l e è quello d i e v i t a r e q u a l s i a s i t i p o di i n t e r a z i o n e t r a i d u e complessi. L e u s c i t e sono e l e t t r i c a m e n t e i n d i p e n d e n t i ed è perciò d a esclu- d e r e u n d i s t u r b o d i r e t t o t r a i d u e circuiti. L ' u n i c a possibilità di i n t e r a z i o n e r i m a n e q u i n d i nella r e a z i o n e che ogni g a l v a n ó m e t r o p u ò a v e r e sul p e n d o l o . Su q u e s t o a r g o m e n t o , esistono già l a v o r i teorici (') in cui si chia- risce che p e r v a l o r i della m a s s a s u p e r i o r e a 7 k g la r e a z i o n e del g a l v a - n ó m e t r o sul p e n d o l o si p u ò c o n s i d e r a r e t r a s c u r a b i l e a t u t t i gli e i ì e t t i p r a t i c i . P e r a g g i u n g e r e alle p r e v i s i o n i t e o r i c h e u n a c o n f e r m a s p e r i m e n t a l e , si è p r o c e d u t o al c o n f r o n t o delle c u r v e di c a l i b r a z i o n e o t t e n u t e con i d u e g a l v a n o m e t r i collegati sia s i n g o l a r m e n t e che c o n t e m p o r a n e a m e n t e al s i s m o m e t r o , col r i s u l t a t o di t r o v a r l e s o v r a p p o n i b i l i e n t r o le fluttua- zioni p r o d o t t e da microsismi, e r r o r i di osservazione ecc. C O N F R O N T O T R A L E C U R V E D I C A L I B R A Z I O N E L a verifica c h e il complesso a l u n g o p e r i o d o n o n v i e n e i n f l u e n - z a t o d a l c o l l e g a m e n t o del g a l v a n ó m e t r o C P al s i s m o m e t r o , è f a t t o m e d i a n t e il c o n f r o n t o t r a le d u e c u r v e di c a l i b r a z i o n e che si o t t e n g o n o nelle condizioni di c o l l e g a m e n t o r a p p r e s e n t a t e in F i g . 8 dagli s c h e m i A) B). L a p r e s e n z a p e r ò d i u n a serie di d i s t u r b i a l e a t o r i c o m e m i c r o s i s m i , d e r i v e t e r m i c h e ecc. r e n d e poco significativo u n c o n f r o n t o d i r e t t o t r a le d u e c u r v e . Si è p e n s a t o perciò di d e t e r m i n a r e p e r la condizione A) u n p a r a m e t r o r a p p r e s e n t a t i v o della s i t u a z i o n e m e d i a e r i s p e t t i v o c a m - p o di v a r i a b i l i t à . Si sono r i c a v a t e e d i g i t a l i z z a t e 10 c u r v e di c a l i b r a z i o n e n e l l a condizione A). Si è o t t e n u t a u n a serie di 45 coefficienti di c o r r e l a z i o n e p r o v e n i e n t i d a t u t t e le c o m b i n a z i o n i di c o n f r o n t i t r a le c u r v e digi- t a l i z z a t e . D a q u e s t a serie si è o t t e n u t o u n v a l o r e m e d i o G = 0,998 e u n o s c a r t o q u a d r a t i c o m e d i o £ = 0,001. Si è poi c o r r e l a t a u n a c u r v a o t t e n u t a nella condizione B) con t u t t e le 10 o t t e n u t e nella condizione A) r i c a v a n d o 10 coefficienti che c o i n c i d e v a n o t u t t i , e n t r o lo s c a r t o f , con il v a l o r m e d i o C. 554 E . M A N T O V A N I R i p e t u t o q u e s t o p r o c e d i m e n t o p e r a l t r e q u a t t r o c u r v e di B) e o t t e n u t i , t r a n n e 2 s u 40 coefficienti, gli stessi r i s u l t a t i p r e c e d e n t i si è d e d o t t o c h e il complesso a l u n g o p e r i o d o n o n s e n t e la p r e s e n z a del g a l v a n ó m e t r o C P . NZA DI SMORZAMENTO CRITICO DEL PENDOLO F i g . 8 - A ) C o m p l e s s o a l u n g o p e r i o d o ; B ) e n - t r a m b i i c o m p l e s s i ( L P - C P ) i n f u n z i o n e c o n t e m - p o r a n e a m e n t e ; C ) c o m p l e s s o a c o r t o p e r i o d o . L o stesso m e t o d o c o n d o t t o con le c u r v e o t t e n u t e nelle condi- zioni B) e C) h a escluso i n f i n e q u a l s i a s i t r a s f e r i m e n t o a p p r e z z a b i l e di e n e r g i a dal g a l v a n ó m e t r o L P a quello C P . R E G I S T R A Z I O N E D I T E R R E M O T I V I C I N I CON S I S M O M E T R I A L U N G O P E R I O D O 553 C I R C I ' I T I D I C O L L E G A M E N T O U n c o r r e t t o f u n z i o n a m e n t o degli s t r u m e n t i r i c h i e d e c h e : 1) I d u e gal v a r i o m e t r i e s i s m o m e t r i s i a n o v i c i n i allo s m o r z a - m e n t o critico. 2) L ' a t t e n u a z i o n e sia del complesso C P che L P sia t a l e d a t e n e r e il livello dei microsismi, nelle r e g i s t r a z i o n i , i n f e r i o r e a 1-2 nini. I n F i g . 7 sono r i p o r t a t i i c i r c u i t i richiesti dalle condizioni p r e - c e d e n t i . L a connessione a T del l u n g o p e r i o d o p r o d u c e lo s m o r z a m e n t o critico sia del p e n d o l o che del g a l v a n o m e t r o L P e la a t t e n u a z i o n e n e c e s s a r i a . I l c i r c u i t o d i a c c o p p i a m e n t o del c o r t o p e r i o d o (leve p r o d u r r e lo s m o r z a m e n t o critico del g a l v a n o m e t r o C P e la g i u s t a a t t e n u a z i o n e del segnale. I n o l t r e d e v e p r e s e n t a r e al s i s m o m e t r o u n ' i m p e d e n z a m o l t o m a g g i o r e della s u a r e s i s t e n z a di s m o r z a m e n t o critico p e r e v i t a r e u n s o v r a s m o r z a m e n t o del p e n d o l o . C O N C L U S I O N I L e c o n s i d e r a z i o n i p r e c e d e n t i p e r m e t t o n o di t r a s f o r m a r e le a t - t u a l i s t a z i o n i a l u n g o p e r i o d o i n stazioni a d o p p i a r e g i s t r a z i o n e , col r i s u l t a t o d i c r e a r e u n a r e t e a c o r t o p e r i o d o che p e r m e t t e r e b b e u n n o t e v o l e m i g l i o r a m e n t o n e l l ' a c c u r a t e z z a con cui v e n g o n o d e t e r m i n a t i i p a r a m e t r i sismici dei t e r r e m o t i vicini e, s o p r a t t u t t o , ili (nielli che s f u g g o n o alle b a s s e sensibilità dei v e c c h i sismografi W i e c k e r t . P e r la t r a s f o r m a z i o n e è sufficiente c o m p l e t a r e ogni s t a z i o n e con u n g a l v a n o m e t r o C P di a l t a sensibilità e con u n r e g i s t r a t o r e f o t o - grafico con velocità d i r o t a z i o n e del t a m b u r o di 6 c m / m i n u t o . L ' a c c u r a t e z z a del t e m p o è g a r a n t i t a dagli orologi a q u a r z o (sin- c r o n i z z a t i v i a r a d i o con u n a s t a z i o n e e m i t t e n t e svizzera) di cui sono o r m a i c o r r e d a t e q u a s i t u t t e le s t a z i o n i della r e t e . S V I L U P P I I r i s u l t a t i c o n s e g u i t i fino a d o r a n o n sono che u n p r i m o p a s s o d e l l ' e s p e r i m e n t o i n corso e r i m a n g o n o q u i n d i s o t t o e s a m e a l c u n i a s p e t t i del n u o v o s i s t e m a c h e p o t r e b b e r o essere passibili di m i g l i o r a m e n t o . 554 E . M A N T O V A N I Il p r i n c i p a l e , c o m e già v i s t o , è il filtraggio dei m i c r o s i s m i , il q u a l e p u r e s s e n d o già q u a s i allo stesso livello degli a l t r i s i s t e m i p e r , noi n o n è a n c o r a del t u t t o s o d d i s f a c e n t e . A q u e s t o scopo si s t a n n o s t u d i a n d o a l t r i t i p i d i filtri c a p a c i di f o r n i r e t a g l i p i ù n e t t i s e n z a i n t r o d u r r e sensibili r i t a r d i del segnale. Vi è i n o l t r e la p o s s i b i l i t à di collegare al s i s m o m e t r o L P u n a serie di g a l v a n o m e t r i con d i v e r s o p e r i o d o . Si o t t e r r e b b e cosi u n i n s i e m e d i c o m p l e s s i sensibili a i n t e r v a l l i d i v e r s i d i f r e q u e n z e , i n t e r e s s a n t i d i v e r s i c a m p i d i s t u d i o c o m e : s i s m i c i t à locale (0,1 1,5 sec), m i c r o s i s m i (2 -f- 8 sec), o n d e superficiali (oltre 10 sec) ecc. R I N G R A Z I A M E N T O E i n g r a z i o il P r o f . M. C a p u t o p e r le f r u t t u o s e discussioni ed i preziosi consigli. B I B L I O G R A F I A (1) CHAKRABAKTY S. K . , 1949. - Response characteristics of electromagnetic seismographs and their dépendance on the instrumental constants. « B u l l . S e i s m . , S o c . A m . », 3 9 , 2 0 5 - 2 1 8 . (2) EATON J . P . , 1957. - Theory of electromagnetic seismographs. « B u l l . S e i s m . , S o c . A m . », 4 7 , 3 7 - 7 5 . ( 3 ) N U T T L I 0 . , M C E V I L L Y V . , 1 9 6 1 . - The response characteristics of long period seismographs of the Saint Louis University network. E a r t h q u a k e N o t e s , S e p t . - D e c . , 1961. ( 4 ) P R E S S P . , E W I N G M . , L E H N E K P . , 1 9 5 8 . - A long period Seismograph system. « T r a n s . A m . G e o p h y s . U n i o n », 3 8 , 106-108. (6) WENNER P . , 1925. - New Seismometer equipped for Electromagnetic dam- ping and electromagnetic and optical magnification. B u r e a u of S t a n d . , « J o u r n . of R e s . », 2 . 9 6 2 - 9 9 9 , R e s . P a p e r N ° 66.