Seismic tomography of Italy (with special regard to Southern Tyrrhenian)

Abstract

The topic of my PhD thesis is a seismic tomography which has as object of investigation Italy, particularly Southern Italy and Southern Tyrrhenian. This tomography has been obtained by means of inversion of teleseismic data. Seismic tomography is a method of investigation which is considerably stabilized in the field of Geophysics. Its goal is the achievement of a tridimensional velocity model of a subsoil of a determined area. For reaching this aim, it is necessary to gather arrival times of seismic events registered by seismic stations that are distributed in an opportune way on the area subject to process of investigation and an one-dimensional velocity model (that is, velocity only in function of depth). Through this last one, there is the computation of theoretical travel times for each pair seismic event – seismic station. This particular phase of method is called forward problem. Then, there is the computation of the difference between observed travel times and these theoretical travel times, a difference named residual. This is the description of so-called inverse problem. The computation happens in an iterative way and it stops when the residual is minimum. Obtained tridimensional velocity model corresponds with the model where residual is minimum. The entire process of operation of a seismic tomography is completely described in first chapter of this thesis. The second chapter describes the phenomen of subduction, that is of a particular process which happens, under determined conditions, at convergent boundaries of plates. I have dedicated a chapter to this phenomen because the area subject to this research, the basin of Southern Tyrrhenian, is a result of a roll-back subducting Ionian slab. After a paragraph dedicated to a general description of tectonic plates theory, other paragraphs describe the kinematics and the dynamics of subduction processes. This seismic tomography has been obtained by inversion of teleseismic travel times. This particular kind of choice has been made because teleseismic ray travel in upper mantle at high depths, so their inversion could supply us a good resolution of an area that we want to investigate until depth of 500-600 km. The third chapter of my PhD thesis is dedicated to teleseisms. In particular, there is a description of classification of seismic events according to their epicentral distance and how we can interpretate various seismic phases on a teleseismic seismogram. A paragraph is about the nomenclature of same seismic phases deriving from the reflection and the refraction of the waves on the discontinuity surfaces present in Earth's inner. The fourth and last chapter of my PhD thesis contains the results of research and their interpretation. First paragraph is dedicated to a brief summary of geological history of Southern Tyrrhenian. Second paragraph is dedicated to a description of software used for the research, that is FMTT (Fast Marching Teleseismic Transform), created by Nick Rawlinson in 2008. Third paragraph is dedicated to description of my data. I have utilised 1929 teleseisms (only P phases) recorded in period 1990-2012 by 122 southern Italian seismic station directly connected to ISC (International Seismological Centre). I have obtained several sections at various level of depth, from 25 km to 500 km and I have obtained several profiles NS and EW at fixed values of longitude from 14° to 16° and latitude, from 37° to 40° respectively. Results, compared with previous works in that area, confirm the presence of a subducting slab in Southern Tyrrhenian. Finally, my PhD thesis is enriched by various appendixes, which describe in a particular way mathematical techniques and geophysical definitions which I have used. [edited by author]

La mia tesi di Dottorato descrive una tomografia sismica dell'Italia, e in particolare di quella meridionale e del Basso Tirreno, ottenuta mediante l'inversione di dati telesismici. La tomografia sismica è oramai un metodo di indagine notevolmente consolidato nel campo della Geofisica e consiste nel ricavare un modello di velocità tridimensionale del sottosuolo di una determinata regione. Quest'ultimo si ottiene avendo a disposizione i tempi di arrivo di eventi sismici registrati da stazioni sismiche distribuite in maniera opportuna sull'area da indagare e un modello di velocità di partenza unidimensionale. Infatti, sfruttando quest'ultimo si calcolano per gli eventi sismici considerati dei tempi di arrivo teorici (questa fase prende il nome di PROBLEMA DIRETTO). Poi si calcola la differenza tra i tempi di arrivo realmente osservati e quelli teorici, che prende il nome di residuo (questa fase prende il nome di PROBLEMA INVERSO) e si procede in maniera iterativa in maniera che il residuo sia minimo. Il modello di velocità da ottenere è quello che corrisponde al residuo minimo. Il primo capitolo della tesi descrive la trattazione matematica della tomografia sismica, dopo un paragrafo introduttivo dedicato all'uso in generale dei metodi inversi in geofisica. La tomografia sismica si dice locale se gli eventi considerati sono locali. Si dice telesismica – come quella oggetto della mia tesi – se gli eventi considerati sono, lapalissianalmente, telesismi. Il secondo capitolo parla quindi dei telesismi, della loro definizione riguardo alla classificazione degli eventi sismici in base alla distanza epicentrale e delle fasi sismiche che si possono leggere da un sismogramma di un telesisma. Questo capitolo comprende un paragrafo sulla nomenclatura delle fasi sismiche e soprattutto quelle derivanti dalla riflessione e rifrazione delle onde su tutte le superfici di discontinuità presenti all'interno della Terra. E, a tal proposito, il terzo capitolo è un'introduzione alla struttura dell'interno della Terra con attenzione particolare che viene rivolta al fenomeno della subduzione. Questo perché uno slab di subduzione è presente all'interno del Basso Tirreno, zona “protagonista” della mia indagine tomografica. Il quarto capitolo è dedicato alla storia geologica del Basso Tirreno e alle evidenze delle precedenti indagini geofisiche che hanno visto questa area sotto la lente di ingrandimento. L'ultimo capitolo riguarda i risultati della mia indagine e la loro interpretazione. Ho utilizzato i tempi di arrivo di fasi P di 1929 telesismi (selezionati in base a un intervallo di magnitudo, a un minimo di stazioni registranti e all'intervallo di residuo di stazione) registrati nel periodo 1990-2012 da 122 stazioni dell'Italia centro-meridionale collegate all'ISC (International Seismological Centre). I risultati sembrerebbero, confrontati con quelli dei lavori precedenti, confermare la presenza di uno slab di subduzione nel Basso Tirreno. [a cura dell'autore]