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An empirical vertical-to-horizontal (V/H) spectral ratio model for shallow-crustal and upper-mantle earthquakes: insights from the S-net seafloor stations in the Japan Trench region

Questo studio presenta un modello empirico del rapporto spettrale verticale-orizzontale (V/H) per i movimenti del suolo offshore nella regione della Fossa del Giappone, derivato dalle stazioni sottomarine S-net, il quale rivela che i rapporti V/H offshore sono significativamente inferiori ai valori onshore a causa dell'attenuazione dello strato d'acqua e sono fortemente influenzati da fattori quali la distanza di rottura, le condizioni di sepoltura e la classe del sito.

Autori originali: Shili Sheng, Jingyang Tan, Qinghui Lai, Qi Zhang

Pubblicato 2026-09-30

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CC BY 4.0

Autori originali: Shili Sheng, Jingyang Tan, Qinghui Lai, Qi Zhang

Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo

Quando un terremoto colpisce, il terreno non si limita a scuotersi lateralmente; esso subisce anche scossoni verticali. Gli ingegneri che progettano edifici, ponti e piattaforme offshore devono tenere conto di questo movimento verticale, poiché può essere altrettanto distruttivo dello scuotimento orizzontale. Per comprendere quanto possa essere forte questa forza verso l'alto, gli scienziati osservano il rapporto tra lo scuotimento verticale e quello orizzontale. Sulla terraferma, questa relazione è ben compresa, ma l'oceano presenta una storia diversa. L'acqua non è un terreno solido; è uno strato fluido che si trova tra la crosta terrestre e i sensori posizionati sul fondale oceanico. Questo strato modifica il modo in cui le onde sismiche viaggiano, spesso smorzando gli scossoni verticali in modi che i modelli terrestri non possono prevedere. Per decenni, gli ingegneri che progettano strutture offshore hanno dovuto fare affidamento su regole empiriche basate sulla terraferma, una pratica che potrebbe essere o troppo conservativa o pericolosamente imprecisa.

Un team di ricercatori si è messo in viaggio per sostituire queste congetture con dati certi, concentrandosi sulla vasta rete di sensori nota come S-net, che delinea il fondo della Fossa del Giappone. Questa regione è un punto critico per potenti terremoti, dove la crosta oceanica si immerge sotto la placca continentale. I ricercatori hanno raccolto migliaia di registrazioni da queste stazioni sottomarine, catturando le vibrazioni sia dai terremoti crostali superficiali che da eventi più profondi all'interno del mantello superiore. Hanno accuratamente selezionato questi dati, separando i sensori che erano sepolti in trincee scavate nel fondale da quelli situati direttamente sul fondo dell'oceano, e hanno categorizzato il fondale stesso in base al modo in cui vibra. Analizzando la relazione tra lo scuotimento su e giù e quello laterale attraverso questo enorme insieme di dati, hanno mirato a costruire un nuovo, accurato modello specifico per l'ambiente oceanico.

I risultati hanno rivelato una differenza chiara e significativa tra l'oceano e la terraferma. Lo scuotimento verticale misurato sul fondale oceanico era costantemente molto più debole di quanto osservato sulla terraferma, in particolare per gli scossoni rapidi e ad alta frequenza che si verificano nel primo istante di un terremoto. Lo strato d'acqua agisce come un filtro, assorbendo gran parte di questa energia verticale prima che raggiunga i sensori. Infatti, lo scuotimento verticale in mare era spesso solo la metà della forza dello scuotimento verticale registrato sulla terraferma per lo stesso terremoto. Questo reperimento suggerisce che l'uso di modelli basati sulla terraferma per la progettazione offshore potrebbe portare a sovrastimare le forze verticali, con il rischio di generare strutture inutilmente costose o eccessivamente pesanti.

Oltre a confermare che l'oceano smorza il movimento verticale, lo studio ha scoperto come vari fattori cambino questa relazione. I ricercatori hanno scoperto che la distanza dal terremoto è importante; man mano che le onde sismiche viaggiano più lontano attraverso il fondale oceanico, il rapporto tra scuotimento verticale e orizzontale tende ad aumentare. Anche la profondità del terremoto gioca un ruolo, con i terremoti più profondi che mostrano un modello di scuotimento verticale diverso rispetto a quelli più superficiali. Forse più importante, lo studio ha evidenziato che la condizione della stazione sul fondale marino stesso modifica le misurazioni. I sensori sepolti nel fondale marino hanno registrato modelli di scuotimento verticale diversi rispetto a quelli posizionati sopra il sedimento, specialmente durante gli scossoni iniziali e rapidi. Il team ha inoltre sviluppato un modo per classificare i siti del fondale marino in base alle loro frequenze di vibrazione naturale, permettendo previsioni più precise di come diversi tipi di fondali oceanici risponderanno a un terremoto.

Quando i ricercatori hanno confrontato il loro nuovo modello specifico per l'oceano con i modelli esistenti utilizzati per la terraferma, le differenze sono state nette. I modelli basati sulla terraferma prevedevano scuotimenti verticali molto più elevati di quanto registrato dai sensori oceanici. Ciò conferma che la fisica dell'ambiente oceanico non può essere ignorata. Il nuovo modello fornisce uno strumento su misura per ingegneri e scienziati, offrendo un quadro realistico di come si muove il fondale marino durante un terremoto. Comprendendo che lo strato d'acqua riduce significamente lo scossone verticale, e tenendo conto delle condizioni specifiche del fondale e della distanza dal sisma, questo lavoro offre una base più affidabile per progettare strutture offshore sicure ed efficienti in una delle regioni più sismicamente attive del mondo.

Sintesi Tecnica: Un modello empirico del rapporto spettrale verticale-orizzontale (V/H) per terremoti della crosta superficiale e del mantello superiore nella regione della Fossa del Giappone

Problematica
Sebbene le reti di osservazione sismica offshore si siano espanse globalmente, rimane la necessità premente di norme di progettazione sismica specifiche per l'ambiente offshore. Esistono discrepanze significative tra i moti del suolo offshore e onshore, in particolare per quanto riguarda l'ampiezza della componente verticale e il rapporto spettrale verticale-orizzontale (V/H). Studi precedenti indicano che i moti del suolo verticali offshore sono sistematicamente attenuati rispetto a quelli onshore, specialmente nell'intervallo a breve periodo, a causa dell'effetto di soppressione della colonna d'acqua. Tuttavia, gli esistenti modelli di previsione V/H sono prevalentemente derivati da registrazioni di moto forte onshore. L'applicabilità di questi modelli onshore agli ambienti offshore è discutibile, e le specifiche influenze delle sorgenti, dei percorsi e delle condizioni del sito sui rapporti V/H offshore — in particolare utilizzando i dati dell'estesa rete S-net (Seafloor Observation Network for Earthquakes and Tsunamis) lungo la Fossa del Giappone — non sono state sufficientemente investigate.

Metodologia
Questo studio sviluppa un modello empirico del rapporto spettrale V/H per terremoti della crosta superficiale e del mantello superiore nella regione della Fossa del Giappone, utilizzando 9.892 registrazioni di moto del suolo provenienti da 150 stazioni oceaniche S-net. La metodologia ha previsto le seguenti fasi:

Elaborazione e selezione dei dati: Le registrazioni sono state filtrate per escludere sensori con angoli di rotazione >0,1°, con errori di forma d'onda o con bassi rapporti segnale-rumore (SNR < 3) nell'intervallo 0,1–20 Hz. Sono stati mantenuti solo eventi con $M_w \ge 4,0$ e almeno tre registrazioni a tre componenti di alta qualità.
Classificazione del sito: A causa dell'indisponibilità di dati convenzionali $V_{S30}$ per le stazioni oceaniche, lo studio ha utilizzato uno schema di classificazione del sito (SC1–SC4) basato sulla frequenza predominante ( $T_n$ ) identificata tramite il metodo del rapporto spettrale orizzontale-verticale (HVSR). Le stazioni sono state ulteriormente categorizzate in base alle condizioni di sepoltura (sepolte in fosse con profondità <1500 m rispetto a non sepolte sul fondale marino con profondità >1500 m).
Formulazione del modello: È stato costruito un modello empirico utilizzando un approccio di regressione a effetti casuali. La forma funzionale include:
- Termine di sorgente: Incorpora la magnitudo del momento ( $M_w$ ), la profondità focale ( $h$ ) e il meccanismo di faglia (normale, inversa, trascorrente). Un termine di magnitudo lineare è stato selezionato in base all'analisi di regressione.
- Termine di percorso: Caratterizza la propagazione geometrica utilizzando la distanza di rottura ( $R_{rup}$ ). Lo studio ha investigato un termine di interazione magnitudo-distanza, ma lo ha escluso dal modello finale a causa di una significatività statistica incoerente tra i periodi e per mantenere la parsimonia del modello.
- Termine di sito: Sono state testate tre formulazioni utilizzando il Criterio di Informazione di Akaike (AIC). La formulazione ottimale ha utilizzato indicatori di classe del sito ( $SC_i$ ) e indicatori di condizione di sepoltura ( $S_b, S_u$ ) moltiplicati per il logaritmo naturale della frequenza fondamentale del sito.
Validazione: Le prestazioni del modello sono state valutate attraverso analisi dei residui tra eventi ( $\tau$ ) e entro l'evento ( $\sigma$ ). Il modello è stato inoltre confrontato con modelli V/H onshore consolidati (Bommer et al., 2011; Pezeshk et al., 2022; Tan e Hu, 2021).

Contributi chiave e risultati
Lo studio fornisce un modello di previsione V/H regionalizzato e diverse scoperte chiave riguardanti le caratteristiche del moto del suolo offshore:

Discrepanza Offshore vs. Onshore: I rapporti spettrali V/H offshore sono generalmente significativamente inferiori ai rapporti onshore, particolarmente nell'intervallo a breve periodo. I valori V/H offshore variano tipicamente tra 0,15 e 0,50, circa la metà dei valori onshore. Ciò supporta l'ipotesi che lo strato d'acqua attenui le componenti verticali ad alta frequenza.
Effetti di Magnitudo e Profondità Focale: L'effetto della magnitudo del momento mostra una chiara dipendenza dal periodo. La profondità focale mostra un effetto di attenuazione principalmente negli intervalli di medio e lungo periodo ( $T > 0,12$ s), dove i rapporti V/H diminuiscono all'aumentare della profondità.
Distanza di Rottura ed Effetti di Percorso: I rapporti V/H offshore tendono ad aumentare con l'aumentare della distanza di rottura. Questa dipendenza dalla distanza diventa più pronunciata ai periodi più lunghi ( $T > 1,0$ s).
Condizioni di Sepoltura: Le condizioni di sepoltura delle stazioni esercitano un'influenza significativa. Per periodi $T < 0,7$ s, le stazioni sepolte mostrano generalmente rapporti V/H più elevati rispetto alle stazioni non sepolte. Al contrario, per $T > 1,0$ s, i rapporti V/H diminuiscono progressivamente da classe di sito SC1 a SC4, indipendentemente dalla condizione di sepoltura.
Meccanismo di Faglia: Gli eventi di faglia normale producono generalmente rapporti V/H più elevati rispetto agli eventi di faglia inversa e trascorrente.
Prestazioni del Modello: Il modello proposto dimostra basse deviazioni standard entro l'evento e totali. L'analisi dei residui conferma che il modello è non distorto rispetto alla magnitudo, alla profondità focale, alla distanza di rottura e ai parametri di classificazione del sito utilizzati.

Significatività
L'articolo afferma che il modello empirico proposto fornisce un riferimento necessario per la valutazione del rischio sismico offshore e la progettazione sismica di strutture offshore, affrontando specificamente la componente verticale del moto del suolo. Lo studio dimostra che i modelli V/H onshore sovrastimano sistematicamente la proporzione del moto del suolo verticale negli ambienti offshore, in particolare per le misure ad alta frequenza come la PGA. Di conseguenza, gli autori concludono che i modelli onshore non possono essere applicati direttamente all'ingegneria offshore senza modifiche. Il modello sviluppato, basato sull'esteso dataset S-net, offre una base più accurata per prevedere i rapporti spettrali V/H offshore, tenendo conto esplicitamente degli unici effetti di sorgente, percorso e sito della regione della Fossa del Giappone.

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