Improving the quality of seismic monitoring by development of novel ground motion prediction techniques

Seismic monitoring employs sensitive seismographs to record the ground motion generated by earthquakes. It provides tools to study regional and global seismicity that are fundamental when applied inside seismic hazard assessment. A continuous effort is necessary to improve monitoring for both hazard assessment and direct applications in civil protection and engineering contexts (e.g., shakemaps). The first step towards improving monitoring tools and models is to carefully select and handle data. A strict selection and processing procedure tailored to the specific kinds of employed data is followed to ensure the quality of the ensuing results. A novel definition of instrumental intensity for Italy is proposed, to provide a forecast of expected macroseismic intensity based on the ground motion shaking level. It is intended to substitute Ground Motion to Intensity Conversion Equations (GMICEs), which are linear relationships that do not correctly treat intensity and its associated uncertainty. A model based on Gaussian Naïve Bayes (GNB) classifiers is developed and calibrated for a set of ground shaking parameters, providing integer-valued intensity forecasts with a known, class-specific associated probability. The results are tested against a more classical GMICE formulation calibrated on the same dataset. Instrumental intensity based on GNB definition is proved to possess better performance on unseen data and better capability of capturing data uncertainty with respect to GMICEs. Forecasts based on peak ground parameters (velocity and acceleration) are selected as most suitable for direct application in seismic monitoring products and converted in a ready-to-use piecewise scale. An algorithm for Fourier amplitude spectra modelling is developed to perform parametric inversion and provide estimates of site-specific soil behaviour. A flexible software is developed that supports the customization of employed models, uncertainty estimators, weighting coefficients, reference settings, inversion techniques and number of inversion steps. A case study area in the North-Eastern Italy region is chosen based on seismo-tectonics considerations, and spectral parameters are estimated for a set of selected events and stations. Site-specific amplification curves are built from a combined analysis of inversion products and residuals, and a set of candidate stations to be used as regional rock amplification reference is suggested. Comparison with literature values reinforces the reliability of the results, especially in the case of source and site terms. Validation against different model parametrizations confirms the stability of the inversion algorithm and suggests additional steps to improve the estimate of path attenuation features. A case scenario is built to exemplify the possible use of the developed tools. Estimated amplification curves are found to be compatible with independent empirical observations and suitable for employment in hazard assessment models to better constrain site-specific response.

L’attività di monitoraggio sismico è basata sull’uso di sismografi ricettivi per la registrazione del moto del suolo causato dai terremoti. Gli strumenti sviluppati nell’ambito del monitoraggio sismico permettono di studiare la sismicità a livello sia regionale che globale e trovano un uso strategico nel contesto della stima della pericolosità sismica. Uno sforzo continuo è necessario per migliorare gli strumenti al servizio del monitoraggio sismico e le conseguenti applicazioni, sia nel campo della stima della pericolosità che in contesti di protezione civile ed ingegneria sismica, come ad esempio nelle mappe di scuotimento del suolo. Il primo fondamentale passo per migliorare gli strumenti e i modelli sviluppati nell’ambito del monitoraggio sismico è un corretto ed accurato trattamento dei dati. Un’attenta procedura di selezione ed elaborazione è stata seguita sulla base del tipo specifico di dati impiegati, differenziando tra dati strumentali, metadati e valori assegnati da esperti. Una nuova definizione di intensità strumentale, la quale fornisce una previsione dell’intensità macrosismica sulla base del livello di scuotimento del suolo, viene proposta per il caso dell’Italia. Lo scopo è sostituire le equazioni lineari comunemente impiegate a tale scopo (Ground Motion to Intensity Equations, GMICE), che per loro natura non riescono a trattare in modo completamente corretto il dato dell’intensità macrosismica e la relativa incertezza. Un modello basato sulla tecnica dei classificatori di Bayes Gaussiani (Gaussian Naïve Bayes, GNB) è stato sviluppato e calibrato per un set di diversi parametri di moto del suolo. Tale modello fornisce stime di intensità su classi intere, in accordo con la definizione originaria di classi di intensità, ed una relativa probabilità associata. I risultati sono stati testati rispetto ad una formulazione delle più classiche GMICE calibrata sullo stesso gruppo di dati. L’intensità strumentale basata sulla definizione da GNB è risultata fornire prestazioni migliori in termini di applicazione su dati indipendenti e di capacità di catturare l’incertezza associata al dato. Le stime di intensità basate sull’uso di parametri di massimo moto del suolo (in velocità e in accelerazione) sono risultate le più adatte all’applicazione diretta nei prodotti di monitoraggio sismico e convertite in una scala spezzata adatta all’uso. Un algoritmo per la modellazione degli spettri di ampiezza di Fourier è stato sviluppato per effettuare un’inversione parametrica da cui ottenere stime di comportamento specifico al sito. Il relativo software è stato sviluppato in maniera flessibile per permettere un facile adattamento nella selezione dei modelli, degli stimatori di incertezza, dei coefficienti di peso, del sito di riferimento, della metodologia e del numero di passi usati nell’inversione. Sulla base di osservazioni sismotettoniche è stata individuata un’area nella regione del Nord-Est Italia, da usare come caso di studio per la stima dei parametri spettrali associati ad un gruppo di eventi e stazioni sismiche. Le curve di amplificazione al sito sono state ricostruite dall’analisi congiunta dei prodotti e dei residuali dell’inversione, ed è stato di conseguenza suggerito un gruppo di stazioni adatte ad essere usate come riferimento per il livello regionale di amplificazione su roccia. Il raffronto con la letteratura ha confermato l’affidabilità dei risultati ottenuti, in particolar modo per i termini relativi alle sorgenti sismiche e ai siti. La validazione rispetto a diverse scelte di parametrizzazione ha confermato la stabilità dell’algoritmo di inversione e fornito suggerimenti per migliorare la stima dei parametri legati all’attenuazione lungo il percorso sismico. Le stime ottenute per le curve di amplificazione sono adatte all’uso nei modelli di stima della pericolosità sismica.