Understanding block rotation of strike-slip fault zones: Paleomagnetic and structural approach

This thesis is focused on the paleomagnetic rotation pattern inside the deforming zone of strike-slip faults, and the kinematics and geodynamics describing it. The paleomagnetic investigation carried out along both the LOFZ and the fore-arc sliver (38º-42ºS, southern Chile) revealed an asymmetric rotation pattern. East of the LOFZ and adjacent to it, rotations are up to 170° clockwise (CW) and fade out ~10 km east of fault. West of the LOFZ at 42ºS (Chiloé Island) and around 39°S (Villarrica domain) systematic CCW rotations have been observed, while at 40°-41°S (Ranco-Osorno domain) and adjacent to the LOFZ CW rotations reach up to 136° before evolving to CCW rotations at ~30 km from the fault. These data suggest a directed relation with subduction interface plate coupling. Zones of high coupling yield to a wide deforming zone (~30 km) west of the LOFZ characterized by CW rotations. Low coupling implies a weak LOFZ and a fore-arc dominated by CCW rotations related to NW-sinistral fault kinematics. The rotation pattern is consistent with a quasi-continuous crust kinematics. However, it seems unlikely that the lower crust flux can control block rotation in the upper crust, considering the cold and thick fore-arc crust. I suggest that rotations are consequence of forces applied directly on both the block edges and along the main fault, within the upper crust. Farther south, at the Austral Andes (54°S) I measured the anisotropy of magnetic susceptibility (AMS) of 22 Upper Cretaceous to Upper Eocene sites from the Magallanes fold-thrust belt internal domains. The data document continuous compression from the Early Cretaceous until the Late Oligocene. AMS data also show that the tectonic inversion of Jurassic extensional faults during the Late Cretaceous compressive phase may have controlled the Cenozoic kinematic evolution of the Magallanes fold-thrust belt, yielding slip partitioning.

Inversion of low frequency seismo-volcanic events

The inversion of seismo-volcanic events is performed to retrieve the source geometry and to determine volumetric budgets of the source. Such observations have shown to be an important tool for the seismological monitoring of volcanoes. We developed a novel technique for the non-linear constrained inversion of low frequency seismo-volcanic events. Unconstrained linear inversion methods work well when a dense network of broadband seismometers is available. We propose a new constrained inversion technique, which has shown to be efficient also in a reduced network configuration and a low signal-noise ratio. The waveform inversion is performed in the frequency domain, constraining the source mechanism during the event to vary only in its magnitude. The eigenvectors orientation and the eigenvalue ratio are kept constant. This significantly reduces the number of parameters to invert, making the procedure more stable. The method has been tested over a synthetic dataset, reproducing realistic very-long-period (VLP) signals of Stromboli volcano. The information obtained by performing the synthetic tests is used to assess the reliability of the results obtained on a VLP dataset recorded on Stromboli volcano and on a low frequency events recorded at Vesuvius volcano.

Quality assessment of a landslide inventory map and its application to land‐use planning. A case study in the Northern Apennines (Emilia‐Romagna region, Italy)

Landslide hazard and risk are growing as a consequence of climate change and demographic pressure. Land‐use planning represents a powerful tool to manage this socio‐economic problem and build sustainable and landslide resilient communities. Landslide inventory maps are a cornerstone of land‐use planning and, consequently, their quality assessment represents a burning issue. This work aimed to define the quality parameters of a landslide inventory and assess its spatial and temporal accuracy with regard to its possible applications to land‐use planning. In this sense, I proceeded according to a two‐steps approach. An overall assessment of the accuracy of data geographic positioning was performed on four case study sites located in the Italian Northern Apennines. The quantification of the overall spatial and temporal accuracy, instead, focused on the Dorgola Valley (Province of Reggio Emilia). The assessment of spatial accuracy involved a comparison between remotely sensed and field survey data, as well as an innovative fuzzylike analysis of a multi‐temporal landslide inventory map. Conversely, long‐ and short‐term landslide temporal persistence was appraised over a period of 60 years with the aid of 18 remotely sensed image sets. These results were eventually compared with the current Territorial Plan for Provincial Coordination (PTCP) of the Province of Reggio Emilia. The outcome of this work suggested that geomorphologically detected and mapped landslides are a significant approximation of a more complex reality. In order to convey to the end‐users this intrinsic uncertainty, a new form of cartographic representation is needed. In this sense, a fuzzy raster landslide map may be an option. With regard to land‐use planning, landslide inventory maps, if appropriately updated, confirmed to be essential decision‐support tools. This research, however, proved that their spatial and temporal uncertainty discourages any direct use as zoning maps, especially when zoning itself is associated to statutory or advisory regulations.

Global and regional sea level variations in the recent past and future: insight from observations and modeling

This work is focused on the analysis of sea–level change (last century), based mainly on instrumental observations. During this period, individual components of sea–level change are investigated, both at global and regional scales. Some of the geophysical processes responsible for current sea-level change such as glacial isostatic adjustments and current melting terrestrial ice sources, have been modeled and compared with observations. A new value of global mean sea level change based of tide gauges observations has been independently assessed in 1.5 mm/year, using corrections for glacial isostatic adjustment obtained with different models as a criterion for the tide gauge selection. The long wavelength spatial variability of the main components of sea–level change has been investigated by means of traditional and new spectral methods. Complex non–linear trends and abrupt sea–level variations shown by tide gauges records have been addressed applying different approaches to regional case studies. The Ensemble Empirical Mode Decomposition technique has been used to analyse tide gauges records from the Adriatic Sea to ascertain the existence of cyclic sea-level variations. An Early Warning approach have been adopted to detect tipping points in sea–level records of North East Pacific and their relationship with oceanic modes. Global sea–level projections to year 2100 have been obtained by a semi-empirical approach based on the artificial neural network method. In addition, a model-based approach has been applied to the case of the Mediterranean Sea, obtaining sea-level projection to year 2050.

Oblique ionograms automatic scaling and eikonal based ray tracing

A method for automatic scaling of oblique ionograms has been introduced. This method also provides a rejection procedure for ionograms that are considered to lack sufficient information, depicting a very good success rate. Observing the Kp index of each autoscaled ionogram, can be noticed that the behavior of the autoscaling program does not depend on geomagnetic conditions. The comparison between the values of the MUF provided by the presented software and those obtained by an experienced operator indicate that the procedure developed for detecting the nose of oblique ionogram traces is sufficiently efficient and becomes much more efficient as the quality of the ionograms improves. These results demonstrate the program allows the real-time evaluation of MUF values associated with a particular radio link through an oblique radio sounding. The automatic recognition of a part of the trace allows determine for certain frequencies, the time taken by the radio wave to travel the path between the transmitter and receiver. The reconstruction of the ionogram traces, suggests the possibility of estimating the electron density between the transmitter and the receiver, from an oblique ionogram. The showed results have been obtained with a ray-tracing procedure based on the integration of the eikonal equation and using an analytical ionospheric model with free parameters. This indicates the possibility of applying an adaptive model and a ray-tracing algorithm to estimate the electron density in the ionosphere between the transmitter and the receiver An additional study has been conducted on a high quality ionospheric soundings data set and another algorithm has been designed for the conversion of an oblique ionogram into a vertical one, using Martyn's theorem. This allows a further analysis of oblique soundings, throw the use of the INGV Autoscala program for the automatic scaling of vertical ionograms.

A multi-instrumental approach to the study of equatorial ionosphere over South America

An extensive study of the morphology and the dynamics of the equatorial ionosphere over South America is presented here. A multi parametric approach is used to describe the physical characteristics of the ionosphere in the regions where the combination of the thermospheric electric field and the horizontal geomagnetic field creates the so-called Equatorial Ionization Anomalies. Ground based measurements from GNSS receivers are used to link the Total Electron Content (TEC), its spatial gradients and the phenomenon known as scintillation that can lead to a GNSS signal degradation or even to a GNSS signal ‘loss of lock’. A new algorithm to highlight the features characterizing the TEC distribution is developed in the framework of this thesis and the results obtained are validated and used to improve the performance of a GNSS positioning technique (long baseline RTK). In addition, the correlation between scintillation and dynamics of the ionospheric irregularities is investigated. By means of a software, here implemented, the velocity of the ionospheric irregularities is evaluated using high sampling rate GNSS measurements. The results highlight the parallel behaviour of the amplitude scintillation index (S4) occurrence and the zonal velocity of the ionospheric irregularities at least during severe scintillations conditions (post-sunset hours). This suggests that scintillations are driven by TEC gradients as well as by the dynamics of the ionospheric plasma. Finally, given the importance of such studies for technological applications (e.g. GNSS high-precision applications), a validation of the NeQuick model (i.e. the model used in the new GALILEO satellites for TEC modelling) is performed. The NeQuick performance dramatically improves when data from HF radar sounding (ionograms) are ingested. A custom designed algorithm, based on the image recognition technique, is developed to properly select the ingested data, leading to further improvement of the NeQuick performance.

Towards the 3D attenuation imaging of active volcanoes: methods and tests on real and simulated data

The purpose of my PhD thesis has been to face the issue of retrieving a three dimensional attenuation model in volcanic areas. To this purpose, I first elaborated a robust strategy for the analysis of seismic data. This was done by performing several synthetic tests to assess the applicability of spectral ratio method to our purposes. The results of the tests allowed us to conclude that: 1) spectral ratio method gives reliable differential attenuation (dt*) measurements in smooth velocity models; 2) short signal time window has to be chosen to perform spectral analysis; 3) the frequency range over which to compute spectral ratios greatly affects dt* measurements. Furthermore, a refined approach for the application of spectral ratio method has been developed and tested. Through this procedure, the effects caused by heterogeneities of propagation medium on the seismic signals may be removed. The tested data analysis technique was applied to the real active seismic SERAPIS database. It provided a dataset of dt* measurements which was used to obtain a three dimensional attenuation model of the shallowest part of Campi Flegrei caldera. Then, a linearized, iterative, damped attenuation tomography technique has been tested and applied to the selected dataset. The tomography, with a resolution of 0.5 km in the horizontal directions and 0.25 km in the vertical direction, allowed to image important features in the off-shore part of Campi Flegrei caldera. High QP bodies are immersed in a high attenuation body (Qp=30). The latter is well correlated with low Vp and high Vp/Vs values and it is interpreted as a saturated marine and volcanic sediments layer. High Qp anomalies, instead, are interpreted as the effects either of cooled lava bodies or of a CO2 reservoir. A pseudo-circular high Qp anomaly was detected and interpreted as the buried rim of NYT caldera.

L’interprete nelle zone di conflitto: situazione attuale e prospettive per il futuro

In quest'elaborato si affronterà l'analisi dell'interprete nelle zone di conflitto, una figura che è sempre più al centro dell'interesse di media internazionali, studenti e professori. Dopo un'introduzione al ruolo e alle funzioni dell'interprete, si analizzerà la tipologia dell'interpretazione di comunità e, successivamente, si punteranno i riflettori sull'interprete nelle aree instabili del pianeta. Particolare rilievo verrà dato a come muti la sua immagine a seconda delle varie parti in guerra e quanto la sua vita sia molto spesso in pericolo. In conclusione, si analizzeranno i progetti di alcune università di interpretazione che hanno risposto piuttosto prontamente alla necessità di una formazione professionalizzante per le figure di interpreti e mediatori interculturali nelle aree sensibili della terra, senza dimenticare le iniziative internazionali volte alla loro protezione.

Secondary Microseisms Characterization and Green’s Function Extraction at the Larderello-Travale Geothermal Field (Italy)

Over the past ten years, the cross-correlation of long-time series of ambient seismic noise (ASN) has been widely adopted to extract the surface-wave part of the Green’s Functions (GF). This stochastic procedure relies on the assumption that ASN wave-field is diffuse and stationary. At frequencies <1Hz, the ASN is mainly composed by surface-waves, whose origin is attributed to the sea-wave climate. Consequently, marked directional properties may be observed, which call for accurate investigation about location and temporal evolution of the ASN-sources before attempting any GF retrieval. Within this general context, this thesis is aimed at a thorough investigation about feasibility and robustness of the noise-based methods toward the imaging of complex geological structures at the local (∼10-50km) scale. The study focused on the analysis of an extended (11 months) seismological data set collected at the Larderello-Travale geothermal field (Italy), an area for which the underground geological structures are well-constrained thanks to decades of geothermal exploration. Focusing on the secondary microseism band (SM;f>0.1Hz), I first investigate the spectral features and the kinematic properties of the noise wavefield using beamforming analysis, highlighting a marked variability with time and frequency. For the 0.1-0.3Hz frequency band and during Spring- Summer-time, the SMs waves propagate with high apparent velocities and from well-defined directions, likely associated with ocean-storms in the south- ern hemisphere. Conversely, at frequencies >0.3Hz the distribution of back- azimuths is more scattered, thus indicating that this frequency-band is the most appropriate for the application of stochastic techniques. For this latter frequency interval, I tested two correlation-based methods, acting in the time (NCF) and frequency (modified-SPAC) domains, respectively yielding esti- mates of the group- and phase-velocity dispersions. Velocity data provided by the two methods are markedly discordant; comparison with independent geological and geophysical constraints suggests that NCF results are more robust and reliable.

Spatial and temporal characterisation of ground deformation recorded by geodetic techniques

A critical point in the analysis of ground displacements time series is the development of data driven methods that allow the different sources that generate the observed displacements to be discerned and characterised. A widely used multivariate statistical technique is the Principal Component Analysis (PCA), which allows reducing the dimensionality of the data space maintaining most of the variance of the dataset explained. Anyway, PCA does not perform well in finding the solution to the so-called Blind Source Separation (BSS) problem, i.e. in recovering and separating the original sources that generated the observed data. This is mainly due to the assumptions on which PCA relies: it looks for a new Euclidean space where the projected data are uncorrelated. The Independent Component Analysis (ICA) is a popular technique adopted to approach this problem. However, the independence condition is not easy to impose, and it is often necessary to introduce some approximations. To work around this problem, I use a variational bayesian ICA (vbICA) method, which models the probability density function (pdf) of each source signal using a mix of Gaussian distributions. This technique allows for more flexibility in the description of the pdf of the sources, giving a more reliable estimate of them. Here I present the application of the vbICA technique to GPS position time series. First, I use vbICA on synthetic data that simulate a seismic cycle (interseismic + coseismic + postseismic + seasonal + noise) and a volcanic source, and I study the ability of the algorithm to recover the original (known) sources of deformation. Secondly, I apply vbICA to different tectonically active scenarios, such as the 2009 L'Aquila (central Italy) earthquake, the 2012 Emilia (northern Italy) seismic sequence, and the 2006 Guerrero (Mexico) Slow Slip Event (SSE).

Ottiche adattive per grandi telescopi

La rituale ciclicità del cielo ed il mistero degli eventi che in esso accadono hanno portato tutte le popolazioni della Terra ad osservarlo e studiarlo fin dai tempi più remoti. È solo con l'avvento del telescopio però, che si viene a conoscenza di una gran moltitudine di oggetti celesti. I primi strumenti ottici in uso erano telescopi rifrattori. Questi presentavano un problema: l’aberrazione cromatica, che oggi sappiamo può essere parzialmente risolta utilizzando obiettivi a doppietto o tripletto acromatico. All’epoca per ovviare il problema, Newton, decise di utilizzare un sistema di specchi curvi e nel 1668 costruì il primo telescopio riflettore. L’era dei grandi telescopi riflettori iniziò nel 18° secolo. Uno dei più grandi telescopi costruiti all’epoca aveva una superficie ottica di circa 122 cm di diametro. Nel creare telescopi di dimensioni maggiori, ci si imbatte in vari problemi. La soluzione adottata nella costruzione di grandi telescopi fino agli anni '80, fu quella di costruire un imponente blocco monolitico come specchio primario. Questo portò alla costruzione di enormi e pesanti telescopi che si dovevano muovere con alta precisione. Spinti al limite delle capacità progettuali e costruttive dell'epoca, nacque un nuovo concetto costruttivo dei telescopi. Si passò da uno strumento passivo ad un sistema attivo, in cui la qualità dell'ottica era ottenuta da un controllo elettronico di strutture deformabili. Con l’ottica attiva fu possibile costruire telescopi di dimensioni sempre maggiori. Tuttavia ci si imbatte in un ulteriore problema: la qualità dell’immagine è degradata dalla turbolenza atmosferica. In questo trattato mi propongo di descrivere una recente tecnica di correzione per rimuovere le distorsioni del fronte d'onda causate dalla turbolenza: l’ottica adattiva.

Caratterizzazione sperimentale di materiali compositi soggetti ad impatto sul bordo

Il materiale composito è entrato nell’ambiente industriale rivoluzionando il concetto di progettazione delle strutture e permettendo il raggiungimento di prestazioni molto più elevate, rispetto ai materiali tradizionali. Infatti, i compositi sono in grado di garantire elevata resistenza e leggerezza, proprietà molto richieste in svariati ambiti industriali. Un suo notevole impiego è riscontrabile nell’industria aeronautica, dove le principali case produttrici di aeromobili hanno investito un apprezzabile quantitativo di risorse economiche nella realizzazione di velivoli con una sempre maggiore percentuale di questo materiale. Il composito, nonostante ci siano testimonianze del suo utilizzo già durante la seconda guerra mondiale, viene tutt’ora ritenuto “nuovo”; questo poiché molte delle sue caratteristiche non sono state ancora esaurientemente analizzate. Le conoscenze ad esso relative presentano ancora, infatti delle lacune, come il loro comportamento a seguito di un impatto. L’obiettivo della presente tesi è quello di indagare, attraverso una campagna sperimentale innovativa, il comportamento del CFRP di fronte a tale problematica, prestando particolare attenzione alla casistica dell’impatto sul bordo. Su tale argomento infatti, non si hanno esempi in letteratura né normative a cui fare riferimento. I campioni, impiegati nel presente studio, sono stati realizzati scegliendo una configurazione cross-ply, che ben si adatta alle successive fasi della campagna. Sui provini ottenuti sono stati eseguiti gli impatti, con l’utilizzo di un pendolo di Charpy, alcuni centrali e altri laterali, con due differenti energie. Questa prima parte della campagna sperimentale è stata svolta presso i laboratori hangar di Forlì, della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna. La caratterizzazione del materiale è avvenuta mediante prove a compressione. Il processo è stato eseguito per verificare l’influenza che l’impatto genera sulle proprietà meccaniche a compressione. Per poter eseguire una campagna di test ottimale, si è vista necessaria un’attenta analisi delle varie attrezzature utilizzabili per le prove a compressione. La scelta è ricaduta sull’attrezzatura CLC (Combined Loading Compression), la quale è risultata essere la più affidabile e maneggevole per le prove oggetto di studio. La fase relativa allo svolgimento delle prove a compressione è stata eseguita presso i laboratori ENEA di Faenza –Unità Tecnica Tecnologie dei Materiali Faenza (UTTMATF).

Studio di un circuito ad alta efficienza in un apparato per terapie diatermiche

Il lavoro presentato di seguito è volto al miglioramento delle prestazioni dell'apparato per la Tecar terapia prodotto da EME.srl. Tale apparato presenta, allo stato attuale, un sistema basato principalmente su circuiti a componenti attivi operanti in regione lineare che producono una oscillazione a 455kHz, la amplificano e infine la adattano alle caratteristiche richieste per tale apparato. Ampiezza dell'oscillazione e corrente sul carico (paziente) vengono controllate mediante un doppio sistema di retroazione: uno analogico e uno basato su microcontrollore. Entrambi i sistemi lavorano sui valori medi di tensione e corrente. Lo scopo di tale elaborato è quello di migliorare tale apparato rendendo possibile il controllo di nuovi parametri, come la frequenza di oscillazione cosa non possibile nell'attuale implementazione. Si valuterà, nell'ambito dell'attività di tesi, se mantenere l'idea costruttiva originale in cui si aveva un oscillatore autonomo con una cascata di amplificazione a efficienza non elevatissima, retroazionato analogicamente e un controllo mediante uC, oppure passare ad una nuova architettura totalmente gestita da uC sfruttando topologie utilizzate in altri macchinari di EME.srl con l'aggiunta di soluzioni tratte dal mondo delle energie rinnovabili. Per lo studio di tale apparato verrà effettuata inoltre una caratterizzazione sperimentale del corpo umano utilizzando la mano di un soggetto volontario per avere un carico campione realistico e cercando ulteriori riscontri in letteratura.

Sensore e interfacce per la misura di conducibilita con impedenza elettrica

Gli oceani coprono quasi il 75% della superficie della terra ed esercitano una grande influenza sulla vita di tutte le specie viventi e sull’evoluzione del clima a livello planetario. I repentini cambiamenti climatici hanno reso sempre piú importante studiarne i comportamenti. L’analisi della salinitá degli oceani é estremamente importante per gli studi sull’ambiente marino; puó essere usata per tracciare le masse d’acqua, descrivendone i flussi e svelandone la correlazione con i processi climatici, puó essere di aiuto ai biologi per studiare gli organismi marini e costituisce un parametro fondamentale per una vasta gamma di sensori. Un sistema autonomo che misuri conducibilitá e temperatura é il primo strumento per determinare la salinitá dell’acqua, sul mercato sono presenti sí numerosi sensori a elevata accuratezza ma necessitano di ingombranti strumenti di laboratorio per funzionare. Sistemi di ridotte dimensioni non sono invece altrettanto accurati ed affidabili. Questa tesi mira a sviluppare un'interfaccia che permetta di analizzare conducibilitá e temperatura con un elevato livello di accuratezza. Particolare attenzione sará posta all’elaborazione delle misure effettuate e alla caratterizzazione degli errori e dell’accuratezza del sistema. Partendo da queste basi in futuro si potrá creare un sistema autonomo a bassissima potenza, alimentato da batterie, che, basandosi sull’iterazione fra il chip impedenziometrico e il PIC, permetta di fare misure per un ciclo di vita di qualche anno.

Modernizzazione dei sistemi satellitari di posizionamento globale (GNSS)

In questa tesi, sono esposti i sistemi di navigazione che si sono evoluti, parimenti con il progresso scientifico e tecnologico, dalle prime misurazioni della Terra, per opera della civiltà ellenica, circa 2.500 anni fa, sino ai moderni sistemi satellitari e ai mai tramontati sistemi di radionavigazione. I sistemi di navigazione devono rispondere alla sempre maggiore richiesta di precisione, affidabilità, continuità e globalità del servizio, della società moderna. È sufficiente pensare che, attualmente, il solo traffico aereo civile fa volare 5 miliardi di passeggeri ogni anno, in oltre 60 milioni di voli e con un trasporto cargo di 85 milioni di tonnellate (ACI - World Airports Council International, 2012). La quota di traffico marittimo mondiale delle merci, è stata pari a circa 650 milioni di TEU (twenty-foot equivalent unit - misura standard di volume nel trasporto dei container ISO, corrisponde a circa 40 metri cubi totali), nel solo anno 2013 (IAPH - International Association of Ports and Harbors, 2013). Questi pochi, quanto significativi numeri, indicano una evidente necessità di “guidare” questo enorme flusso di aerei e navi in giro per il mondo, sempre in crescita, nella maniera più opportuna, tracciando le rotte adeguate e garantendo la sicurezza necessaria anche nelle fasi più delicate (decollo e atterraggio per gli aeroplani e manovre in porto per le grandi navi). Nello sviluppo della tesi si proverà a capire quali e quanto i sistemi di navigazione possono assolvere al ruolo di “guida” del trasporto aereo e marittimo.