Sismologia Osservazionale

1 Struttura del corso di Sismologia Osservazionale
1 Parte I – Riepilogo e richiami teorici 5
1.1 Concetti di base di propagazione delle onde elastiche
1.2 Equazioni di moto e legge costitutiva
1.3 Parametri elastici e velocità delle onde
1.4 Interazione con eterogeneità e strati terrestri
1.5 Attenuazione e fattore di qualità Q
1.6 Onde stazionarie e modi normali della Terra
1.7 Struttura a primo ordine della Terra
1.8 Sorgente sismica
1.8.1 Momento sismico scalare
1.8.2 Tensore del momento sismico
2 Parte II – Strumenti pratici e programmazione
2.1 Installazione e gestione dei codici
2.1.1 Windows
2.1.2 macOS e Linux
2.1.3 Creare un ambiente di lavoro
2.2 Programmazione in Python (richiami di base)
2.3 Librerie sismologiche in Python
2.4 Editor per Python: Jupyter Notebook e Spyder
2.4.1 Jupyter Notebook
2.4.2 Spyder
2.5 Tutorials che faremo in questo corso
2.5.1 Primo tutorial: analisi in frequenza
2.5.2 Secondo tutorial: Elaborazione base di dati sismologici utilizzando
obspy
2.5.3 Terzo tutorial: mappe della velocità di fase delle onde di Rayleigh
con seislib
2.5.4 Quarto tutorial: Inversione bayesiana
2.5.5 Quinto tutorial: problemi inversi, aspetti teorici e CIDER tutorial

3 Parte III – Discussione e letture critiche
3.1 Introduzione
3.2 Modalità di lavoro
3.3 Possibili Metodologie discusse
3.3.1 Argomento 1: Introduzione al dibattito sui plumes del mantello
(Wolfe et al. 2009 e altri papers)
3.3.2 Argomento 2: Spessore della litosfera continentale (Gung et al.
2003; Forte & Perry 2000 e altri)
3.3.3 Argomento 3: Natura di D” (Cobden & Thomas 2012e altri)
3.3.4 Argomento 4: Composizione media e temperatura del mantello (Cammarano et al. 2011 e altri)

3.4 Argomenti e compiti degli studenti

I Moduli A–D (di seguito) approfondiscono le principali tecniche di analisi sismologica. Le tecniche sono applicate nei tutorial e costituiscono gli strumenti metodologici per la lettura e la discussione critica delle pubblicazioni scientifiche.

A Dalle forme d’onda alle observables
A.1 Curve di dispersione da rumore ambientale
A.2 Curve di dispersione da terremoti telesismici: il two-station method
A.3 Picking di fasi sismiche
A.4 Receiver Functions (RF)
A.5 Conclusioni: teoria implicita e natura delle osservabili

B I problemi inversi in Sismologia Osservazionale
B.1 Introduzione
B.2 Il legame tra osservabili e modello
B.3 Formulazione lineare discreta
B.4 Soluzioni e pseudoinversa
B.5 Regolarizzazione
B.6 Quantificazione dell’incertezza
B.7 Analisi di risoluzione
B.8 Spazio del modello, spazio dei dati e significato fisico della SVD
B.9 Approcci non lineari e Bayesiani
B.9.1 Il teorema di Bayes e la logica dell’inferenza
B.9.2 Likelihood e prior nei problemi inversi
B.9.3 Sampling della distribuzione a posteriori: il metodo MCMC
B.9.4 MCMC trans-dimensionale e gerarchica
B.9.5 BayesBay: un framework generale per inversioni Bayesiane
B.9.6 Vantaggi e limiti pratici

C Receiver Functions: Teoria, Metodologia e Applicazioni
C.1 Geometria del problema e rotazioni tridimensionali (NEZ → RTZ → LQT)
C.1.1 Rotazione orizzontale (NEZ → RTZ)
C.1.2 Rotazione verticale (RTZ → LQT)
C.2 Modellazione della risposta del mezzo
C.3 Definizione delle Receiver Functions
C.4 Metodi di deconvoluzione
C.5 Interpretazione delle RFs
C.6 Moveout correction
C.7 Stacking e migrazione (CCP)
C.7.1 Breve accenno alla seismic interferometry
C.7.2 Limiti e assunzioni
C.8 Stima di H e k tramite stacking di Zhu & Kanamori (2000)
C.8.1 Funzione di stacking
C.8.2 Trade-off tra H e k
C.8.3 Vantaggi del metodo H–k
C.8.4 Limiti del metodo
C.9 Conclusioni generali

D Array seismology - and beamforming analysis
D.1 Geometria della Slowness
D.2 Beamforming
D.3 Slant-stack e Vespagrammi
D.4 Analisi f–k (Frequency–Wavenumber)

D.5 Applicazioni alle Strutture Profonde: riflessioni da D”
D.6 Vantaggi e Limitazioni

Buona conoscenza dei fondamenti teorici sulla propagazione delle onde sismiche - Una revisione del background teorico verrà fatta a inizio corso.

- Le dispense e le slide delle lezioni saranno fornite all'inizio del corso.
il materiale proviene da molteplici sorgenti, tra le quali: Stein& Wysession; An introduction to Seismology, Earthquakes and Earth strucuture, Blackwell Publishing

Alle lezioni frontali, saranno affiancati tutorial ed esercizi pratici per tutte le fasi dell'elaborazione dei modelli sismologici: dalle forme d'onda al modello finale. La parte pratica finale verterà sulla lettura critica di pubblicazioni scientifiche.

Lo studente potrà scegliere una pubblicazione scientifica tra quelle trattate durante il corso o a suo piacere (approvata dal docente). L'esame orale verterà sull'esposizione della pubblicazione e su domande su altri argomenti trattati del corso.

1 Struttura del corso di Sismologia Osservazionale
1 Parte I – Riepilogo e richiami teorici 5
1.1 Concetti di base di propagazione delle onde elastiche
1.2 Equazioni di moto e legge costitutiva
1.3 Parametri elastici e velocità delle onde
1.4 Interazione con eterogeneità e strati terrestri
1.5 Attenuazione e fattore di qualità Q
1.6 Onde stazionarie e modi normali della Terra
1.7 Struttura a primo ordine della Terra
1.8 Sorgente sismica
1.8.1 Momento sismico scalare
1.8.2 Tensore del momento sismico
2 Parte II – Strumenti pratici e programmazione
2.1 Installazione e gestione dei codici
2.1.1 Windows
2.1.2 macOS e Linux
2.1.3 Creare un ambiente di lavoro
2.2 Programmazione in Python (richiami di base)
2.3 Librerie sismologiche in Python
2.4 Editor per Python: Jupyter Notebook e Spyder
2.4.1 Jupyter Notebook
2.4.2 Spyder
2.5 Tutorials che faremo in questo corso
2.5.1 Primo tutorial: analisi in frequenza
2.5.2 Secondo tutorial: Elaborazione base di dati sismologici utilizzando
obspy
2.5.3 Terzo tutorial: mappe della velocità di fase delle onde di Rayleigh
con seislib
2.5.4 Quarto tutorial: Inversione bayesiana
2.5.5 Quinto tutorial: problemi inversi, aspetti teorici e CIDER tutorial

3 Parte III – Discussione e letture critiche
3.1 Introduzione
3.2 Modalità di lavoro
3.3 Possibili Metodologie discusse
3.3.1 Argomento 1: Introduzione al dibattito sui plumes del mantello
(Wolfe et al. 2009 e altri papers)
3.3.2 Argomento 2: Spessore della litosfera continentale (Gung et al.
2003; Forte & Perry 2000 e altri)
3.3.3 Argomento 3: Natura di D” (Cobden & Thomas 2012e altri)
3.3.4 Argomento 4: Composizione media e temperatura del mantello (Cammarano et al. 2011 e altri)

3.4 Argomenti e compiti degli studenti

I Moduli A–D (di seguito) approfondiscono le principali tecniche di analisi sismologica. Le tecniche sono applicate nei tutorial e costituiscono gli strumenti metodologici per la lettura e la discussione critica delle pubblicazioni scientifiche.

A Dalle forme d’onda alle observables
A.1 Curve di dispersione da rumore ambientale
A.2 Curve di dispersione da terremoti telesismici: il two-station method
A.3 Picking di fasi sismiche
A.4 Receiver Functions (RF)
A.5 Conclusioni: teoria implicita e natura delle osservabili

B I problemi inversi in Sismologia Osservazionale
B.1 Introduzione
B.2 Il legame tra osservabili e modello
B.3 Formulazione lineare discreta
B.4 Soluzioni e pseudoinversa
B.5 Regolarizzazione
B.6 Quantificazione dell’incertezza
B.7 Analisi di risoluzione
B.8 Spazio del modello, spazio dei dati e significato fisico della SVD
B.9 Approcci non lineari e Bayesiani
B.9.1 Il teorema di Bayes e la logica dell’inferenza
B.9.2 Likelihood e prior nei problemi inversi
B.9.3 Sampling della distribuzione a posteriori: il metodo MCMC
B.9.4 MCMC trans-dimensionale e gerarchica
B.9.5 BayesBay: un framework generale per inversioni Bayesiane
B.9.6 Vantaggi e limiti pratici

C Receiver Functions: Teoria, Metodologia e Applicazioni
C.1 Geometria del problema e rotazioni tridimensionali (NEZ → RTZ → LQT)
C.1.1 Rotazione orizzontale (NEZ → RTZ)
C.1.2 Rotazione verticale (RTZ → LQT)
C.2 Modellazione della risposta del mezzo
C.3 Definizione delle Receiver Functions
C.4 Metodi di deconvoluzione
C.5 Interpretazione delle RFs
C.6 Moveout correction
C.7 Stacking e migrazione (CCP)
C.7.1 Breve accenno alla seismic interferometry
C.7.2 Limiti e assunzioni
C.8 Stima di H e k tramite stacking di Zhu & Kanamori (2000)
C.8.1 Funzione di stacking
C.8.2 Trade-off tra H e k
C.8.3 Vantaggi del metodo H–k
C.8.4 Limiti del metodo
C.9 Conclusioni generali

D Array seismology - and beamforming analysis
D.1 Geometria della Slowness
D.2 Beamforming
D.3 Slant-stack e Vespagrammi
D.4 Analisi f–k (Frequency–Wavenumber)

D.5 Applicazioni alle Strutture Profonde: riflessioni da D”
D.6 Vantaggi e Limitazioni

Buona conoscenza dei fondamenti teorici sulla propagazione delle onde sismiche - Una revisione del background teorico verrà fatta a inizio corso.

- Le dispense e le slide delle lezioni saranno fornite all'inizio del corso.
il materiale proviene da molteplici sorgenti, tra le quali: Stein& Wysession; An introduction to Seismology, Earthquakes and Earth strucuture, Blackwell Publishing

Alle lezioni frontali, saranno affiancati tutorial ed esercizi pratici per tutte le fasi dell'elaborazione dei modelli sismologici: dalle forme d'onda al modello finale. La parte pratica finale verterà sulla lettura critica di pubblicazioni scientifiche.

Lo studente potrà scegliere una pubblicazione scientifica tra quelle trattate durante il corso o a suo piacere (approvata dal docente). L'esame orale verterà sull'esposizione della pubblicazione e su domande su altri argomenti trattati del corso.