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Nuovi sensori svelano i movimenti della Faglia della Pernicana, Etna

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di/of Alessandro Bonforte

L’Etna e le sue faglie sono un laboratorio naturale perfetto ed efficace per testare nuove ipotesi scientifiche, approcci e tecnologie. Infatti, non solo il vulcano con la sua attività eruttiva, ma anche le faglie che attraversano i suoi versanti mostrano una continua dinamica. Queste faglie scorrono, a volte lentamente e continuamente, a volte improvvisamente, generando terremoti anche di media energia. In questo articolo si illustra il caso della faglia della Pernicana, sul fianco nord-est del vulcano, una delle faglie più attive al mondo, per provare un nuovo approccio di misura delle deformazioni del suolo. E’ stata testata qui una nuova tecnologia basata su sensori a basso costo, con una precisione minore rispetto alle stazioni delle reti geodetiche permanenti e mobili ma potenzialmente più idonei per questo genere di ambienti, dove si attendono grosse deformazioni (che richiedono quindi minore sensibilità) e dove il rischio di perdere o danneggiare la strumentazione è alto (la scelta di tecnologia a basso costo minimizza quindi i rischi derivanti da eventuali perdite).

È stata installata una rete di otto stazioni (Figura 1) per lo studio delle deformazioni del suolo basate sul sistema satellitare globale di navigazione (Global Navigation Satellite System – GNSS) a basso costo, lungo la parte alta e centrale della faglia della Pernicana, per testare il monitoraggio delle deformazioni vulcano-tettoniche di questa struttura. Questa indagine è stata condotta da ricercatori dell’INGV Osservatorio Etneo, dell’ Università di Durham e della Geospatial Research Limited, ed è stata finanziata dal Global Challenges Research Fund (GCRF) Global Impact Accelerator Account.

Figura1
Figura 1 – Mappa di Google che mostra la posizione delle otto stazioni intorno alla faglia (in rosso).  Figure 1 – Google map showing the location of the eight stations across the fault (in red)

Le stazioni sono alimentate da batterie e pannelli fotovoltaici (Figura 2) e trasmettono i dati tramite un modem cellulare GSM per essere elaborati ogni ora. L’impatto ambientale della strumentazione è molto basso (Figura 3): l’antenna GNSS è incollata alla roccia ed è quasi invisibile; la piccola valigetta contenente tutta la sensoristica è posizionata sotto il piccolo pannello solare (Figura 4). Queste stazioni sono in grado di fornire il valore di spostamento del suolo con precisione centimetrica e a frequenze temporali fino a 20 Hz.

Figura2
                                                                                     Figura 2 – Controllo dei dati alla stazione ET08                                                                                 Figure 2 – Data check at ET08 station
Figura3
                                                             Figura 3 – Impatto visivo di una stazione di monitoraggio                                                       Figure 3 – Visual impact of a monitoring station
Figura4
                                                                           Figura 4 – Manutenzione alla stazione ET02                                                                              Figure 4 – Maintenance work at ET02 station

Le stazioni sono state installate nell’arco di cinque giorni a fine novembre 2018 da un team misto tra i tre partner (Figura 5) e hanno registrato in continuo le deformazioni, anche quelle correlate all’evento eruttivo del 24 dicembre 2018, e alla relativa crisi sismica. Le stazioni sono ancora tutte funzionanti e stanno continuando ad acquisire dati utilissimi per la ricerca scientifica e tecnologica.

Figura5
                                                                   Figura 5 – Installazione della stazione ET05                                                                       Figure 5 – Installation of ET05 station

Il vasto set di dati acquisito è in fase di analisi. Le serie delle deformazioni registrate mostrano la sequenza dei movimenti della faglia della Pernicana e, soprattutto, quelle associate all’eruzione e crisi sismica di dicembre 2018 (Figura 6).

Figura6
Figura 6 – Serie storica della variazione della distanza tra le stazioni ET01 ed ET02, a cavallo della faglia della Pernicana, dal 22 al 28 dicembre 2018. Le linee grigie mostrano i dati grezzi, le linee spesse e colorate sono le variazioni mediate.                                                                                                                                                                                     Figure 6 – Time series of the distance between ET01 and ET02 stations, across the Pernicana fault, from December 22 to December 28, 2018. Grey lines show the raw data, solid colored lines are averaged time series.

Questo prototipo di rete ha dimostrato che i sensori GNSS a basso costo sono in grado di monitorare le deformazioni del suolo di piccole aree come quelle intorno ad una faglia, con tempi di risposta (minuti, ore) idonei al monitoraggio e a scenari che richiedono rapide informazioni. È in preparazione una pubblicazione che descriverà l’installazione della rete e i risultati ottenuti.

The faults of Etna: a natural laboratory

Mt. Etna volcano and its (or her?) faults are a huge and efficient natural laboratory for testing new scientific hypotheses, methodologies and technology. In fact, not only the volcano itself, with its eruptive activity, but also all faults cutting the slopes of this big mountain, show continuous dynamics. They move sometimes slowly in a continuous way, sometimes suddenly by releasing seismic waves. Here  we describe the case of the Pernicana fault on the NE flank of Mt. Etna, that is actually one of the most active faults in the world, to test a new approach for measuring ground deformation. A new technology based on low-cost hardware, giving a less precise result, with respect to the claddoc geodetic instrumentation, but potentially suitable for this kind of environment, where strong deformation (stronger than the background noise) are expected and risk of damaging is high (the choice of low-cost equipment is aimed at reducing the cost/risk ratio).

A network of eight low-cost stations (Figure 1), based on the Global Navigation System Signals (GNSS) was installed along the higher and middle portions of the Pernicana fault on the north-eastern flank of Etna to test the monitoring capabilities of volcano-tectonic deformation. This proof-of-concept study has been carried out by researchers from INGV- Osservatorio Etneo, from Durham University and from Geospatial Research Limited, and was part-funded by the Global Challenges Research Fund (GCRF) Global Impact Accelerator Account.

The stations are powered by batteries and photovoltaic modules (Figure 2) and they transmit data by a GSM modem to be processed every hour. Impact on the environment is very low (Figure 3): The small GNSS antenna is attached to the rocky outcrop and is almost invisible; the small case containing all the hardware is placed under the solar panel (Figure 4). These sensors are able to provide information about the ground deformation with a centimeter-level accuracy and a frequency up to 20 Hz. The stations were installed over five days in late-November 2018 by a joint team (Figure 5), and captured systematic surface displacement, also those related to the December 24th eruption and associated seismic sequence.

We are analysing the big dataset acquired. Ground deformation time series will show the history of the deformation across the Pernicana fault and, especially, those associated to the December 2018 eruption and seismic crisis (Figure 6). All sensor are still working and collecting very useful data for scientific and technological Research.

The proof-of-concept study has demonstrated the suitability of low-cost GNSS sensors for use as monitoring tool in ongoing and rapid-response scenarios. A publication detailing the deployment of the network and the results is now in preparation.