Estimating crustal deformation from geodetic data

By the end of the 19th century, geodesy has contributed greatly to the knowledge of regional tectonics and fault movement through its ability to measure, at sub-centimetre precision, the relative positions of points on the Earth’s surface. Nowadays the systematic analysis of geodetic measurements in active deformation regions represents therefore one of the most important tool in the study of crustal deformation over different temporal scales [e.g., Dixon, 1991]. This dissertation focuses on motion that can be observed geodetically with classical terrestrial position measurements, particularly triangulation and leveling observations. The work is divided into two sections: an overview of the principal methods for estimating longterm accumulation of elastic strain from terrestrial observations, and an overview of the principal methods for rigorously inverting surface coseismic deformation fields for source geometry with tests on synthetic deformation data sets and applications in two different tectonically active regions of the Italian peninsula. For the long-term accumulation of elastic strain analysis, triangulation data were available from a geodetic network across the Messina Straits area (southern Italy) for the period 1971 – 2004. From resulting angle changes, the shear strain rates as well as the orientation of the principal axes of the strain rate tensor were estimated. The computed average annual shear strain rates for the time period between 1971 and 2004 are γ˙1 = 113.89 ± 54.96 nanostrain/yr and γ˙2 = -23.38 ± 48.71 nanostrain/yr, with the orientation of the most extensional strain (θ) at N140.80° ± 19.55°E. These results suggests that the first-order strain field of the area is dominated by extension in the direction perpendicular to the trend of the Straits, sustaining the hypothesis that the Messina Straits could represents an area of active concentrated deformation. The orientation of θ agree well with GPS deformation estimates, calculated over shorter time interval, and is consistent with previous preliminary GPS estimates [D’Agostino and Selvaggi, 2004; Serpelloni et al., 2005] and is also similar to the direction of the 1908 (MW 7.1) earthquake slip vector [e.g., Boschi et al., 1989; Valensise and Pantosti, 1992; Pino et al., 2000; Amoruso et al., 2002]. Thus, the measured strain rate can be attributed to an active extension across the Messina Straits, corresponding to a relative extension rate ranges between < 1mm/yr and up to ~ 2 mm/yr, within the portion of the Straits covered by the triangulation network. These results are consistent with the hypothesis that the Messina Straits is an important active geological boundary between the Sicilian and the Calabrian domains and support previous preliminary GPS-based estimates of strain rates across the Straits, which show that the active deformation is distributed along a greater area. Finally, the preliminary dislocation modelling has shown that, although the current geodetic measurements do not resolve the geometry of the dislocation models, they solve well the rate of interseismic strain accumulation across the Messina Straits and give useful information about the locking the depth of the shear zone. Geodetic data, triangulation and leveling measurements of the 1976 Friuli (NE Italy) earthquake, were available for the inversion of coseismic source parameters. From observed angle and elevation changes, the source parameters of the seismic sequence were estimated in a join inversion using an algorithm called “simulated annealing”. The computed optimal uniform–slip elastic dislocation model consists of a 30° north-dipping shallow (depth 1.30 ± 0.75 km) fault plane with azimuth of 273° and accommodating reverse dextral slip of about 1.8 m. The hypocentral location and inferred fault plane of the main event are then consistent with the activation of Periadriatic overthrusts or other related thrust faults as the Gemona- Kobarid thrust. Then, the geodetic data set exclude the source solution of Aoudia et al. [2000], Peruzza et al. [2002] and Poli et al. [2002] that considers the Susans-Tricesimo thrust as the May 6 event. The best-fit source model is then more consistent with the solution of Pondrelli et al. [2001], which proposed the activation of other thrusts located more to the North of the Susans-Tricesimo thrust, probably on Periadriatic related thrust faults. The main characteristics of the leveling and triangulation data are then fit by the optimal single fault model, that is, these results are consistent with a first-order rupture process characterized by a progressive rupture of a single fault system. A single uniform-slip fault model seems to not reproduce some minor complexities of the observations, and some residual signals that are not modelled by the optimal single-fault plane solution, were observed. In fact, the single fault plane model does not reproduce some minor features of the leveling deformation field along the route 36 south of the main uplift peak, that is, a second fault seems to be necessary to reproduce these residual signals. By assuming movements along some mapped thrust located southward of the inferred optimal single-plane solution, the residual signal has been successfully modelled. In summary, the inversion results presented in this Thesis, are consistent with the activation of some Periadriatic related thrust for the main events of the sequence, and with a minor importance of the southward thrust systems of the middle Tagliamento plain.

Calcolo della posizione di reti di stazioni permanenti

Con il trascorrere del tempo, le reti di stazioni permanenti GNSS (Global Navigation Satellite System) divengono sempre più un valido supporto alle tecniche di rilevamento satellitare. Esse sono al tempo stesso un’efficace materializzazione del sistema di riferimento e un utile ausilio ad applicazioni di rilevamento topografico e di monitoraggio per il controllo di deformazioni. Alle ormai classiche applicazioni statiche in post-processamento, si affiancano le misure in tempo reale sempre più utilizzate e richieste dall’utenza professionale. In tutti i casi risulta molto importante la determinazione di coordinate precise per le stazioni permanenti, al punto che si è deciso di effettuarla tramite differenti ambienti di calcolo. Sono stati confrontati il Bernese, il Gamit (che condividono l’approccio differenziato) e il Gipsy (che utilizza l’approccio indifferenziato). L’uso di tre software ha reso indispensabile l’individuazione di una strategia di calcolo comune in grado di garantire che, i dati ancillari e i parametri fisici adottati, non costituiscano fonte di diversificazione tra le soluzioni ottenute. L’analisi di reti di dimensioni nazionali oppure di reti locali per lunghi intervalli di tempo, comporta il processamento di migliaia se non decine di migliaia di file; a ciò si aggiunge che, talora a causa di banali errori, oppure al fine di elaborare test scientifici, spesso risulta necessario reiterare le elaborazioni. Molte risorse sono quindi state investite nella messa a punto di procedure automatiche finalizzate, da un lato alla preparazione degli archivi e dall’altro all’analisi dei risultati e al loro confronto qualora si sia in possesso di più soluzioni. Dette procedure sono state sviluppate elaborando i dataset più significativi messi a disposizione del DISTART (Dipartimento di Ingegneria delle Strutture, dei Trasporti, delle Acque, del Rilevamento del Territorio - Università di Bologna). E’ stato così possibile, al tempo stesso, calcolare la posizione delle stazioni permanenti di alcune importanti reti locali e nazionali e confrontare taluni fra i più importanti codici scientifici che assolvono a tale funzione. Per quanto attiene il confronto fra i diversi software si è verificato che: • le soluzioni ottenute dal Bernese e da Gamit (i due software differenziati) sono sempre in perfetto accordo; • le soluzioni Gipsy (che utilizza il metodo indifferenziato) risultano, quasi sempre, leggermente più disperse rispetto a quelle degli altri software e mostrano talvolta delle apprezzabili differenze numeriche rispetto alle altre soluzioni, soprattutto per quanto attiene la coordinata Est; le differenze sono però contenute in pochi millimetri e le rette che descrivono i trend sono comunque praticamente parallele a quelle degli altri due codici; • il citato bias in Est tra Gipsy e le soluzioni differenziate, è più evidente in presenza di determinate combinazioni Antenna/Radome e sembra essere legato all’uso delle calibrazioni assolute da parte dei diversi software. E’ necessario altresì considerare che Gipsy è sensibilmente più veloce dei codici differenziati e soprattutto che, con la procedura indifferenziata, il file di ciascuna stazione di ciascun giorno, viene elaborato indipendentemente dagli altri, con evidente maggior elasticità di gestione: se si individua un errore strumentale su di una singola stazione o se si decide di aggiungere o togliere una stazione dalla rete, non risulta necessario il ricalcolo dell’intera rete. Insieme alle altre reti è stato possibile analizzare la Rete Dinamica Nazionale (RDN), non solo i 28 giorni che hanno dato luogo alla sua prima definizione, bensì anche ulteriori quattro intervalli temporali di 28 giorni, intercalati di sei mesi e che coprono quindi un intervallo temporale complessivo pari a due anni. Si è così potuto verificare che la RDN può essere utilizzata per l’inserimento in ITRF05 (International Terrestrial Reference Frame) di una qualsiasi rete regionale italiana nonostante l’intervallo temporale ancora limitato. Da un lato sono state stimate le velocità ITRF (puramente indicative e non ufficiali) delle stazioni RDN e, dall’altro, è stata effettuata una prova di inquadramento di una rete regionale in ITRF, tramite RDN, e si è verificato che non si hanno differenze apprezzabili rispetto all’inquadramento in ITRF, tramite un congruo numero di stazioni IGS/EUREF (International GNSS Service / European REference Frame, SubCommission for Europe dello International Association of Geodesy).