Ambient seismic noise to image and monitor the propagation medium elastic properties in georesource exploration and exploitation areas

Abstract

Traditional seismological methods for the study of the Earth structure are based on the information that can be extracted from direct waves emitted by seismic sources such as earthquakes or explosions. Useful information about the Earth interior, that is not directly available, can also be contained in the ambient seismic noise sources. In the last 15 years the interest in these alternative methods has grown because they are particularly advantageous both for economic reasons and for overcoming some limitations of the traditional techniques. Indeed, they offer the opportunity for studying areas without a localized natural or artificial sources and can be used to assess the aseismic response of the subsurface. Correlations of ambient seismic noise traces are used to reconstruct the Earth impulse responses (Green’s function) between two receivers as if a source was placed at one of them. From these information it is possible to reconstruct the elastic properties of the propagating medium in terms of spatial and temporal velocity variations of the seismic waves that travel through it, performing an ambient noise tomography. Velocity changes in the propagation medium are closely related to the physical mechanisms triggering natural or inducing earthquakes processes. The aim of this thesis is the application of methods based on ambient noise analysis to the areas where industrial operations for the geo-resources exploration and exploitation take place. Any energy technologies can originate several environmental risks among which seismic risk, therefore application of efficient methods can enhance the ability to monitor and reduce seismic risks in specific areas. This work was carried out within the three-year project S4CE (Science For Clean Energy) started in 2017 and funded by the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program (https://science4cleanenergy.eu/). This multi-disciplinary consortium aimed to improve the knowledge on the mechanisms concerning the sub-surface geo-energy operations in order to better monitor, quantify and reduce the environmental risks that may derive from it. The Università degli Studi di Salerno was one of the main partners and dealt with the management of data on microseismicity and the study of induced seismicity. In the 2019, the Università degli Studi di Salerno started to coordinate the three-year project MATISSE (Methodologies for the AssessmenT of anthropogenic environmental hazard: Induced Seismicity by Sub-surface geo-resources Exploitation) financed by the Italian Ministry of Education, University and Research, PRIN 2017. This thesis work is also part of this project, developed for detecting and quantifying the potential environmental hazards related to sub-surface geo-energy exploitation. It was analysed the continuous noise recorded of two sites where different energy technologies was implemented for the exploitation of their geo-resources. This enabled testing of the methodology in different types of areas and industrial operations, and to assess differences and limitations. .. [edited by Author]

In sismologia i metodi tradizionali per lo studio della struttura della Terra si basano su informazioni che possono essere estratte dalle onde emesse da sorgenti sismiche quali terremoti o esplosioni. Informazioni utili sull’interno della Terra possono essere contenute anche in sorgenti di rumore sismico ambientale. Negli ultimi 15 anni l’interesse in questi metodi alternativi si è ampliato in quanto risultano essere particolarmente vantaggiosi sia per motivi economici sia perché permettono di superare i limiti delle tecniche tradizionali. Tali metodi, infatti, offrono l’opportunità di studiare aree in assenza di sorgenti naturali o artificiali e possono essere usati per valutare la risposta asismica del sottosuolo.Le correlazioni delle tracce di rumore sismico ambientale permettono di ricostruire la risposta della Terra agli impulsi (Funzione di Green) tra due ricevitori immaginando che ad uno di essi agisca una sorgente. Da queste informazioni è possibile ricostruire le proprietà elastiche del mezzo di propagazione in termini di variazioni di velocità spaziali e temporali delle onde sismiche che lo attraversano, realizzando una tomografia da analisi di rumore sismico. Le variazioni di velocità nel mezzo di propagazione sono strettamente legate ai meccanismi fisici di innesco dei processi sismici naturali o indotti. Lo scopo di questa tesi è quello di applicare i metodi basati sull’analisi di rumore sismico ambientale alle aree in cui si svolgono le operazioni industriali per l’esplorazione e lo sfruttamento delle georisorse. Le tecnologie energetiche possono originare diversi rischi ambientali tra cui il rischio sismico, quindi l'applicazione di metodi efficienti può migliorare la capacità di monitorare e ridurre i rischi sismici in aree specifiche. Il lavoro di tesi è stato svolto nell'ambito del progetto triennale S4CE (Science For Clean Energy), iniziato nel 2017 e finanziato dal programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell'Unione Europea (https://science4cleanenergy.eu/). Questo consorzio multidisciplinare è stato istituito per migliorare le conoscenze in vari campi sui meccanismi riguardanti le attività svolte per lo sfruttamento delle risorse energetiche del sottosuolo allo scopo di poter meglio monitorare, quantificare e ridurre i rischi ambientali che ne possono derivare. L'Università degli Studi di Salerno è stato uno dei partner principali occupandosi della gestione dei dati sulla microsismicità e dello studio della sismicità indotta. Questo lavoro di tesi, inoltre, fa parte del progetto triennale MATISSE (Methodologies for the AssessmenT of anthropogenic environmental hazard: Induced Seismicity by Sub-surface geo-resources Exploitation) finanziato dal Ministero dell'Istruzione, dell'Università e della Ricerca (PRIN 2017) e coordinato dall’ Università degli Studi di Salerno. Il progetto iniziato nel 2019 è stato sviluppato allo scopo di rilevare e quantificare i potenziali rischi ambientali legati allo sfruttamento delle geo-energie sub-superficiali. Sono state analizzate le registrazioni in continua di rumore di due siti in cui sono state implementate diverse tecnologie energetiche per lo sfruttamento delle loro georisorse. Questo ha permesso di testare la metodologia per tipi di aree e operazioni industriali diverse, valutandone le differenze e i limiti. .. [a cura dell'Autore]