STUDIO DELL’ATTIVITÀ SISMO-VULCANICA DEL MT. ETNA MEDIANTE TECNICHE D’ARRAY

Volcanoes exhibit a large variety of seismic signals involved in dynamic interactions between magma movements, degassing and pressurized conditions. Their characteristics often provide important clues on the transport mechanisms and eruption processes. The source localization and analysis of these signals play a key role in the study of volcano dynamics, but they require specific techniques and/or networks geometries due to their unique features. In the last decades, small aperture seismic arrays have become a reliable and useful tool for tracking the seismic sources in volcanic areas. New methods of source localization, based on estimations of back-azimuth and apparent velocity of seismo-volcanic sources, have received considerable attention in volcano research, but were not often used as operational routines for volcano monitoring. In order to address these challenges, volcanic tremor, Long Period and Very Long Period events recorded at Mt. Etna during eruptive activity in 2010-2011 were analysed through array techniques. In this thesis, the research work was mainly divided into three different phases: (i) analysis of the features of seismic signals, to determine their wavefield properties and the frequency range of analysis reliable for the array processing; (ii) source location of the seismic signals, to image the plumbing system of the volcano; (iii) implementation of a Matlab Graphic User Interface, to provide a useful and user-friendly tool for analytical routines at volcanological observatories. For these studies, we used the data archived during seismic array experiments performed in the 2010-2011 period, integrated with those recorded by seismic permanent network managed by Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Osservatore Etneo. From the results obtained in these studies, we infer that variation of the features of signals and source locations are time-related to pressurization and depressurization dynamics of the plumbing system of Mt. Etna during the different phases of eruptive activity. In addition, we argue that arrays methods could be considered as additional and powerful tools in the hazard assessment and in the development of early-warning systems of a volcano.

I vulcani mostrano una grande varietà di segnali sismici che solitamente si originano grazie alle interazioni dinamiche tra il magma e i fenomeni di degassamento e pressurizzazione del sistema di alimentazione. Le caratteristiche di tali segnali spesso forniscono informazioni sui meccanismi di trasporto del magma e sui processi eruttivi. Infatti, la localizzazione e l’analisi dei segnali sismo-vulcanici giocano un ruolo fondamentale nello studio delle dinamiche che interessano un vulcano. Tuttavia, a causa delle caratteristiche dei segnali sismo-vulcanici, tali studi richiedono l’utilizzo di specifiche tecniche d’analisi e/o di particolari geometrie delle reti di acquisizione dati. Negli ultimi decenni, gli array sismici sono diventati uno strumento molto affidabile per la localizzazione della sorgente dei segnali sismici registrati in aree vulcaniche. Le cosiddette tecniche d’array, basate sulla stima del vettore “slowness”, hanno ricevuto una notevole attenzione soprattutto per scopi di ricerca; tuttavia, tali tecniche ancora non sono utilizzate di routine per il monitoraggio sismico nelle aree vulcaniche. Con lo scopo di affrontare queste problematiche, sono stati analizzati i segnali sismici del tremore vulcanico e degli eventi a lungo (“Long Period”; LP) e a lunghissimo periodo (“Very Long period”; VLP) registrati all’Etna durante il periodo 2010-2011, utilizzando le tecniche d’array. Il lavoro di questa tesi è stato articolato in tre fasi: (i) analisi delle proprietà dei segnali sismici, per determinare le loro caratteristiche principali e per valutare un intervallo di frequenza ottimale per l’analisi in tecnica d’array; (ii) localizzazione della sorgente dei segnali sismici, per ricostruire porzioni del sistema di alimentazione dell’Etna; (iii) implementazione di un software con interfaccia grafica in ambiente Matlab, per fornire uno strumento “user-friendly” utile per le routine d’analisi presso le sedi di monitoraggio sismico e vulcanico. Per queste attività di studio, sono stati utilizzati i dati acquisiti durante alcuni esperimenti sismici condotti all’Etna durante il 2010 e il 2011, i quali prevedevano l’installazione di array sismici nei pressi dell’area sommitale etnea. Allo stesso tempo, questi dati sono stati integrati con quelli registrati dalla rete permanente di stazioni sismiche gestita dall’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Osservatorio Etneo. Dai risultati ottenuti in questi studi, è possibile dedurre che, durante l’attività eruttiva all’Etna, le proprietà e le sorgenti dei segnali sismo-vulcanici sono correlate temporalmente con i fenomeni di pressurizzazione e depressurizzazione che interessano il sistema di alimentazione del vulcano. Inoltre, le analisi condotte in questi studi potrebbero essere uno strumento valido ai fini della valutazione della pericolosità vulcanica e dello sviluppo di sistemi d’allerta in vulcani attivi.