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IDENTIFICAZIONE DEI FENOMENI DI SUBSIDENZA PER LIQUEFAZIONE DA DATI DINSAR IN OCCASIONE DEL TERREMOTO EMILIANO DEL

2012

Matteo Albano Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia

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Michele Saroli Dipartimento di Ingegneria Civile e Meccanica, Università di Cassino e del Lazio Meridionale

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Paolo Croce Dipartimento di Ingegneria Civile e Meccanica, Università di Cassino e del Lazio Meridionale

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Marco Chini Centre de Recherche Public – Gabriel Lippman

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Salvatore Stramondo Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia

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Sommario

Nella presente nota si riporta lo studio dei fenomeni di liquefazione verificatisi nella fase cosismica del terremoto emiliano del 20 Maggio 2012. In particolare sono stati identificati fenomeni associabili a liquefazione tramite l’Interferometria Differenziale Radar ad Apertura Sintetica (DInSAR – Differential Interferometry Synthetic Aperture Radar) e si sono valutati i cedimenti indotti al piano campagna. A tale scopo, si sono utilizzate 4 immagini SAR COSMO SkyMed in banda X ad alta risoluzione nel periodo compreso tra il 1 Aprile ed il 6 Giugno 2012. All’interno del campo di deformazione cosismico di natura tettonica si sono individuate aree affette da subsidenza localizzata, probabilmente associata alla compattazione di strati sabbiosi per liquefazione. Lo studio geologico-geotecnico delle aree suddette ha confermato la presenza di uno strato sabbioso profondo potenzialmente liquefacibile. Il cedimento dovuto al liquefazione, calcolato mediante metodi empirici utilizzando i dati ottenuti da prove penetrometriche statiche, risulta in buon accordo con i valori osservati tramite telerilevamento, a meno di discrepanze legate alla variabilità locale dello strato sabbioso o alla sottostima dei cedimenti misurati a causa della decorrelazione del dato SAR.

1. Introduzione

L’interferometria differenziale radar ad apertura sintetica (DInSAR) è una tecnica ampiamente utilizzata per l’identificazione delle deformazioni al suolo a seguito di eventi sismici particolarmente severi (Massonnet et al., 1993). Tale tecnica è stata applicata con successo anche per lo studio di fenomeni particolari quali movimenti lenti di grandi frane a cinematismo profondo (Moro et al., 2007; Moro et al., 2011).

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In particolare la tecnica DInSAR è stata utilizzata per analizzare i fenomeni di subsidenza indotti dalla liquefazione degli strati sabbiosi a seguito del terremoto emiliano del 20 Maggio 2012. Il terremoto (Ml 5.9) ha colpito una vasta area, compresa tra le province di Ferrara, Reggio-Emilia, Modena, Bologna, Mantova e Rovigo, causando numerosi danni a cose e persone. Uno degli effetti cosismici più eclatanti è stato il fenomeno della liquefazione causato dall’aumento della pressione dell’acqua interstiziale contenuta all’interno di strati sabbiosi confinati, le cui manifestazioni (vulcanelli di fango, fratture con fuoriuscita di acqua mista a sabbia) si sono osservate nelle frazioni di San Felice sul Panaro, San Carlo, Sant’Agostino e Bondeno (Emergeo Working Group, 2013).

2. Fenomeni identificati tramite la tecnica interferometrica

Gli effetti indotti dal terremoto sono stati analizzati tramite l’elaborazione dei dati SAR ad alta risoluzione della missione COSMO-SkyMed. Il set di dati acquisito è focalizzato sull’area colpita dal terremoto e comprende due immagini prima del mainshock (presismico) e due immagini dopo il mainshock (post-sismico), in un periodo di tempo compreso tra il 1 Aprile ed il 6 Giugno 2012. Il risultato principale ottenuto dall’elaborazione dei dati SAR è dato dall’interferogramma cosismico dell’intera area analizzata. All’interno dell’interferogramma è stato possibile distinguere delle frange localizzate su cui si è focalizzata l’attenzione. In particolare si è identificata la presenza di un paleocanale (indicato con la freccia bianca in figura 1) la cui esistenza è stata confermata dalla presenza di fratture lineari con fuoriuscita di acqua mista a sabbia dovute alla liquefazione di strati sabbiosi posti più in profondità. Si sono inoltre identificate tre aree (A, B e C in figura 1) in cui si sono osservati e misurati fenomeni di subsidenza localizzati. Si sono misurati spostamenti massimi LOS (lungo la linea di vista del satellite) in allontanamento compresi tra i 2.5 ed i 6 cm.

Figura 1. Dettaglio dell’interferogramma ottenuto dall’analisi dei dati COSMO-SkyMed. I tre rettangoli individuano le aree dove sono stati identificati i fenomeni di subsidenza localizzati, insieme con l’ubicazione delle indagini geotecniche consultate. La freccia bianca indica la presenza di un paleocanale.

M. Albano, M. Saroli, P. Croce, M. Chini, S. Stramondo


Figura 2. Dettaglio della deformazione misurata lungo la linea di vista del satellite (LOS) per le tre aree identificate in figura 1.

3. Analisi della suscettibilità a liquefazione

Le subsidenze localizzate sono probabilmente attribuibili alla compattazione indotta dalla liquefazione di strati sabbiosi profondi. Poiché nelle aree identificate non vi sono evidenze superficiali che confermino tale ipotesi (vulcanelli di fango, fratture con fuoriuscita di acqua mista a sabbia) si è analizzata la suscettibilità a liquefazione dei terreni caratterizzanti le aree subsidenti. Dal database online della regione Emilia Romagna si sono raccolte una serie di indagini geotecniche, ubicate nelle aree suddette o nelle immediate vicinanze. Tali indagini consistono in prove penetrometriche statiche meccaniche (CPT) ed elettriche (CPTE), sondaggi a carotaggio continuo (SC) e a distruzione di nucleo (SD) e stratigrafie di pozzo (PA) (figura 1). Tali indagini hanno permesso di ricostruire la stratigrafia del sottosuolo per i primi 20 metri, caratterizzata dalla presenza di alternanze di sabbie, sabbie limose e argille sabbiose, con locali presenze di terreni organici (Figura 3b). L’indice di classificazione Ic di Robertson (1990) calcolato su 13 prove CPTE distanti tra loro anche 1km, evidenzia la presenza di uno strato sabbioso continuo a profondità variabile tra i 9 ed i 13m dal piano campagna. La suscettibilità a liquefazione di tale strato sabbioso è stata valutata calcolando il fattore di sicurezza a liquefazione espresso tramite la seguente relazione:

𝐹𝐹𝐹𝐹 = 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶/𝐶𝐶𝐹𝐹𝐶𝐶 (1) Dove CSR (Cyclic Stress Ratio) e CRR (Cyclic Resistance Ratio) sono fattori adimensionali che quantificano rispettivamente l’azione sismica e la resistenza del terreno. Il CSR è stato valutato tramite la relazione proposta da Seed & Idriss (1971) mentre il CRR è stato calcolato in funzione della resistenza alla punta dalle 13 prove CPTE raccolte utilizzando il metodo proposto da Robertson & Wride (1998). La falda è stata considerata a circa 3,5 m dal piano campagna. I profili di FS calcolati per ogni CPTE evidenziano coefficienti di sicurezza inferiori all’unità in prossimità dello strato sabbioso suddetto, la liquefazione di tale strato ha quindi probabilmente provocato i cedimenti rilevati tramite interferometria differenziale SAR. Si sono quindi calcolate le deformazioni volumetriche indotte dalla liquefazione dello strato sabbioso



mediante la relazione empirica proposta da Zhang et al. (2002). Dato lo spessore limitato dello strato sabbioso e l’elevata estensione areale dello stesso si è assunto che le deformazioni volumetriche siano dovute unicamente alle deformazioni verticali dello strato. I cedimenti calcolati risultano quindi compresi tra 13 e 16 cm per le aree A e B, mentre sono circa pari a 3 cm per l’area C. La subsidenza misurata tramite SAR risulta quindi confermata dalla modellazione geotecnica, tuttavia, mentre per l’area C gli spostamenti misurati (2,4 cm) sono comparabili con quelli calcolati (3cm), per le aree A e B gli spostamenti misurati (circa 6 cm) sono in disaccordo con quelli calcolati. Ciò è probabilmente dovuto al fatto che mentre per l’area C è presente una prova CPTE ubicata esattamente all’interno dell’area, per le aree A e B le indagini disponibili sono ubicate ad alcune centinaia di metri di distanza. Pertanto la differenza può essere imputabile al modello geotecnico considerato, alla variabilità in spessore e profondità del livello sabbioso o all’aliquota di deformazione non rilevata a causa della de-correlazione del dato SAR.

Figura 3. (a) Profili dell’indice di classificazione Ic di Robertson (1990) ottenuti dalle prove CPTE (in grigio), con indicazione dell’andamento medio (in rosso) e della deviazione standard (in blu); (b) stratigrafia tipo del

sottosuolo dell’area investigata.



Figura 4. Valutazione del fattore di sicurezza a liquefazione secondo il metodo di Robertson & Wride (1998-2009) dai dati delle prove CPTE (simboli in grigio) insieme con l’andamento medio (linea rossa) e la deviazione standard (linee in blu).

4. Conclusioni

In questa nota si evidenzia per la prima volta la potenzialità dell’interferometria SAR nel fornire indicazioni sulle aree in subsidenza cosismica per liquefazione, mediante un approccio multidisciplinare (telerilevamento e analisi geologico-geotecniche) per l’individuazione e la quantificazione dei fenomeni locali prodotti dal terremoto emiliano del 20 Maggio 2013. Tali fenomeni comprendono effetti dovuti alla liquefazione di strati sabbiosi saturi (vulcanelli di fango, fratture con fuoriuscita di acqua mista a sabbia) e subsidenze localizzate. I cedimenti locali rilevati sono stati attribuiti al compattamento indotto dalla liquefazione di strati sabbiosi profondi. Le analisi geologico-geotecniche condotte hanno mostrato che i cedimenti osservati possono essere attribuiti alla liquefazione di uno strato sabbioso ubicato tra i 9 ed i 13 metri dal piano campagna. I cedimenti calcolati tramite back-analysis hanno fornito valori compatibili con i cedimenti misurati, a meno di discrepanze indotte dalla variabilità in spessore e profondità dello strato sabbioso o alla sottostima del cedimento rilevato a causa della de-correlazione del dato SAR.



Bibliografia

Emergeo Working Group (2013). Liquefaction phenomena associated with the Emilia earthquake sequence of May-June 2012 (Northern Italy). Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 13, 935-947.

Massonnet, D., Rossi, M., Carmona, C., Adragna, F., Peltzer, G., Feigl, K., & Rabaute, T. (1993). The displacement field of the Landers earthquake mapped by radar interferometry. Nature, 364, 138–142.

Moro, M., Chini, M., Saroli, M., Atzori, S., Stramondo, S., & Salvi, S. (2011). Analysis of large, seismically induced, gravitational deformations imaged by high resolution COSMO-SkyMed SAR. Geology, 39 (6), 527-530.

Moro, M., Saroli, M. Salvi, S., Stramondo, S., & Doumaz, F. (2007). The relationship between seismic deformation and deep-seated gravitational movements during the 1997 Umbria-Marche (Central Italy) earthquakes. Geomorphology, 89 (3-4), 297-307.

Robertson, P.K. (1990). Soil classification using CPT. Canadian Geotechnical Journal, 27 (1), 151-158.

Robertson, P.K., & Wride, C.E. (1998). Evaluating cyclic liquefaction potential using the cone penetration test. Canadian Geotechnical Journal, 35(3), 442–459.

Seed, H. B., & Idriss, I. M. (1971). Simplified procedure for evaluating soil liquefaction potential. J. Geotech. Engrg. Div.,97 (9), 1249–1273.

Zhang, G., Robertson., P.K., & Brachman, R. (2002). Estimating Liquefaction Induced Ground Settlements from the CPT. Canadian Geotechnical Journal, 39, 1168-1180.


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