Assessment of Seismic Bedrock in Deep Alluvial Plains. Case Studies from the Emilia-Romagna Plain
Abstract
:1. Introduction
Definitions of Cover Sediments, Geological Substratum, Seismic Bedrock
2. Useful Documents
3. Geological Framework
4. Case Studies
4.1. Marginal Area
4.2. Distal Areas
4.2.1. High Structural Zones
4.2.2. Other Areas
5. Results
6. Conclusions
- In the foothills, where the coarse deposits of alluvial fan are prevalent, the seismic bedrock is sometimes difficult to identify; the roof of the first coarse horizon from the surface often constitutes an important velocity discontinuity and Vs already exceeds 800 m/s in the gravel horizons at a depth of a few tens of meters;
- In the distal areas, where the alluvial sequence is made up of fine sediments (alternating sands, silts, and clays), the Vs of alluvial deposits is generally less than 500 m/s; in this context, three typical situations were recognised:
- At the top of the higher buried ridges, where the thickness of alluvial sediments is less than 150 m, the seismic bedrock is generally well recognizable and tends to coincide with the geological substratum;
- In the other areas of the Emilia-Romagna plain, the thickness of alluvial sediments is greater than 150 m and the geophysical data usually indicate two important Vs contrasts: the first generally corresponds to the basal unconformity of one of the alluvial units (AES6 or AES), while the second generally corresponds to the base of alluvial deposits (or the roof of the geological substratum); in these successions the seismic bedrock seems to correspond to the lower alluvial cycle (AEI), but it cannot be excluded that it is deeper and coincides with the geological substratum;
- Along the Adriatic Coast and in the Po delta the thickness of alluvial sediments is greater than 300 m everywhere and the geophysical data indicate the absence of significant velocity contrasts; Vs is generally low in the whole upper alluvial cycle and reaches 800 m/s at depth of at least 300–350 m; in this context as well, the seismic bedrock seems to correspond to the lower alluvial cycle (AEI) or to the geological substratum.
Supplementary Materials
Funding
Institutional Review Board Statement
Informed Consent Statement
Data Availability Statement
Conflicts of Interest
References
- Seed, H.B.; Idriss, I.M. Influence of soil conditions on ground motion during earthquakes. J. Soil Mech. Found. Div. ASCE 1969, 95, 99–137. [Google Scholar] [CrossRef]
- Seed, H.B.; Romo, M.P.; Sun, J.I.; Jaime, A.; Lysmer, J. The Mexico Earthquake of September 19, 1985—Relationships between Soil Conditions and Earthquake Ground Motions. Earthq. Spectra 1988, 4, 687–729. [Google Scholar] [CrossRef]
- Mascandola, C.; Massa, M.; Barani, S.; Albarello, D.; Lovati, S.; Martelli, L.; Poggi, V. Mapping the Seismic Bedrock in the Po-Plain (Italy) through ambient vibration monitoring. Bull. Seism. Soc. Am. 2019, 109, 164–177. [Google Scholar] [CrossRef]
- Nakamura, Y. A method for dynamic characteristics estimation of subsurface using microtremors and the ground surface. Q. Rep. RTRI Jpn. 1989, 30, 25–33. [Google Scholar]
- Bonnefoy-Claudet, S.; Cotton, F.; Bard, P.Y. The nature of noise wavefield and its applications for site effects studies. A literature review. Earth-Sci. Rev. 2006, 79, 205–227. [Google Scholar] [CrossRef]
- SM Working Group. Guidelines for Seismic Microzonation. Conference of Regions and Autonomous Provinces of Italy—Civil Protection Department, Rome, Italy. 2015. Available online: http://www.protezionecivile.gov.it/httpdocs/cms/attach_extra/GuidelinesForSeismicMicrozonation.pdf? (accessed on 1 July 2021).
- Deliberazione di Giunta della Regione Emilia-Romagna n. 630, 29/4/2019: Atto di Coordinamento Tecnico Sugli Studi di Microzonazione sismica per la Pianificazione Territoriale e Urbanistica (artt. 22 e 49, L.R. n. 24/2017). Boll. Uff. Regione Emilia-Romagna, 6/5/2019, n. 143 (Parte Seconda). Available online: https://ambiente.regione.emilia-romagna.it/it/geologia/sismica/indirizzi-per-studi-microzonazione-sismica (accessed on 1 July 2021).
- Decreto Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti 17/01/2018: Aggiornamento delle “Norme Tecniche per le Costruzioni”. G. U. Repubblica Italiana, 20/2/2018, n. 42, Suppl. Ordin. n. 8. Ist. Polig. e Zecca dello Stato, Roma. Available online: https://www.gazzettaufficiale.it/eli/gu/2018/02/20/42/so/8/sg/pdf (accessed on 1 July 2021).
- EN 1998-1: Eurocode 8: Design of structures for Earthquake Resistance—Part 1: General Rules, Seismic Actions and Rules for Buildings. The European Union per Regulation 305/2011, Directive 98/34/EC, Directive 2004/18/EC. Available online: https://www.phd.eng.br/wp-content/uploads/2015/02/en.1998.1.2004.pdf (accessed on 1 July 2021).
- Bordoni, P.; Haines, J.; Di Giulio, G.; Milana, G.; Augliera, P.; Cercato, M.; Martelli, L.; Cara, F.; The Cavola Experiment Team. Cavola experiment site: Geophysical investigations and deployment of a dense seismic array on a landslide. Ann. Geophys. 2007, 50, 627–649. [Google Scholar]
- Regione Emilia-Romagna; ENI Agip Divisione Esplorazione e Produzione. Riserve Idriche Sotterranee della Regione Emilia-Romagna; Di Dio, G.M., Ed.; S.EL.CA: Firenze, Italy, 1998; p. 120. [Google Scholar]
- Regione Lombardia; ENI Divisione Agip. Geologia Degli Acquiferi Padani della Regione Lombardia; Carcano, C., Piccin, A., Eds.; S.EL.CA: Firenze, Italy, 2002; p. 132. [Google Scholar]
- Irace, A.; Clemente, P.; Natalicchio, M.; Ossella, L.; Trenkwalder, S.; De Luca, D.A.; Mosca, P.; Piana, F.; Polino, R.; Violanti, D. Geologia e Idrostratigrafia Profonda della Pianura Padana Occidentale; Regione Piemonte—Direzione Ambiente, CNR—Istituto di Geoscienze e Georisorse—U. O. Torino, Università degli Studi di Torino—Dip. Scienze della Terra. La Nuova Lito: Firenze, Italy, 2009; 126p, ISBN 978-88-904554-0-7. [Google Scholar]
- Molinari, F.C.; Severi, S.; Boldrini, G.; Dugoni, G.; Rapti Caputo, D.; Martinelli, G.; Colombani, N.; Gargini, A.; Mastrocicco, M.; Messina, A. Risorse idriche Sotterranee della Provincia di Ferrara; Regione Emilia-Romagna—Servizio Geologico Sismico e dei Suoli, Provincia di Ferrara—Servizio Politiche della Sostenibilità e Cooperazione Internazionale, Università degli Studi di Ferrara—Dipartimento di Scienze della Terra; DM Map: Firenze, Italy, 2007; p. 80. [Google Scholar]
- Pieri, M.; Groppi, G. Subsurface geological structure of the Po Plain (Italy); C.N.R., Prog. Fin. Geodinamica; Agip S.p.A., S. Donato Milanese: Milano, Italy, 1981; Volume 414, pp. 1–13. [Google Scholar]
- Martelli, L.; Bonini, M.; Calabrese, L.; Corti, G.; Ercolessi, G.; Molinari, F.C.; Piccardi, L.; Pondrelli, S.; Sani, F.; Severi, P. Carta Sismotettonica della Regione Emilia-Romagna e Aree limitrofe, scala 1:250.000 (Edizione 2016). Regione Emilia-Romagna-SGSS, CNR-IGG sez. FI, Università degli Studi di Firenze-DST, INGV sez. BO. D.R.E.AM. Italia. 2017. Available online: https://ambiente.regione.emilia-romagna.it/it/geologia/pubblicazioni/cartografia-geo-tematica/carta-sismotettonica-della-regione-emilia-romagna-e-aree-limitrofe-edizione-2016 (accessed on 1 July 2021).
- Boccaletti, M.; Martelli, L. (Eds.) Carta Sismotettonica della Regione Emilia-Romagna, Scala 1:250.000. Regione Emilia-Romagna–SGSS, CNR-IGG. SELCA, Firenze. 2004. Available online: https://ambiente.regione.emilia-romagna.it/it/geologia/pubblicazioni/cartografia-geo-tematica/carta-sismotettonica-della-regione-emilia-romagna (accessed on 1 July 2021).
- Boccaletti, M.; Corti, G.; Martelli, L. Recent and active tectonics of the external zone of the northern Apennines (Italy). Int. J. Earth Sci. Geol. Rundsch. 2011, 100, 1331–1348. [Google Scholar] [CrossRef]
- Martelli, L.; Romani, M. (Eds.) Microzonazione Sismica e Analisi della Condizione Limite per L’emergenza delle Aree Epicentrali dei Terremoti della Pianura Emiliana di Maggio-Giugno 2012 (Ordinanza del Commissario Delegato—Presidente della Regione Emilia-Romagna n. 70/2012). Final Report and Annexes. 2013. Available online: https://ambiente.regione.emilia-romagna.it/it/geologia/sismica/pdf/MSord70_relazione.pdf/@@download/file/MSord70_relazione.pdf (accessed on 1 July 2021).
- Cremonini, G.; Ricci Lucchi, F. (Eds.) Guida alla Geologia del Margine Appenninico-Padano; Guide Geologiche Regionali, Società Geologica Italiana; Pitagora: Bologna, Italy, 1982; p. 247. [Google Scholar]
- Rovida, A.; Locati, M.; Camassi, R.; Lolli, B.; Gasperini, P.; Antonucci, A. Italian Parametric Earthquake Catalogue (CPTI15), Version 3.0. Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV). 2021. Available online: https://doi.org/10.13127/CPTI/CPTI15.3 (accessed on 1 July 2021).
- Laurenzano, G.; Priolo, E. Studio Sismologico per la Caratterizzazione della Risposta Sismica di sito ai Fini della Microzonazione Sismica di Alcuni Comuni della Regione Emilia-Romagna. Relazione Sull’attività Svolta. OGS-CRS, 2013. Annex 1.8 of “Microzonazione Sismica e Analisi della Condizione Limite per L’emergenza delle Aree Epicentrali dei Terremoti della Pianura Emiliana di Maggio-Giugno 2012 (Ordinanza del Commissario Delegato—Presidente della Regione Emilia-Romagna n. 70/2012)”. Available online: http://mappegis.regione.emilia-romagna.it/gstatico/documenti/ord70_20121113/Allegato_1_8_rsl_OGS.pdf (accessed on 1 July 2021).
- Paolucci, E.; Albarello, D.; D’Amico, S.; Lunedei, E.; Martelli, L.; Mucciarelli, M.; Pileggi, D. A large scale ambient vibration survey in the area damaged by May-June 2012 seismic sequence in Emilia Romagna, Italy. Bull. Earthq. Eng. 2015, 13, 3187–3206. [Google Scholar] [CrossRef]
- Laurenzano, G.; Priolo, E.; Mucciarelli, M.; Martelli, L.; Romanelli, M. Site response estimation at Mirandola by virtual reference station. Bull Earthq. Eng. 2017, 15, 2393–2409. [Google Scholar] [CrossRef] [Green Version]
- Klin, P.; Laurenzano, G.; Romano, M.A.; Priolo, E.; Martelli, L. ER3D: A structural and geophysical 3D model of central Emilia-Romagna (Northern Italy) for numerical simulation of earthquake ground motion. Solid Earth Discuss. 2019. [Google Scholar] [CrossRef] [Green Version]
- Lai, C.G.; Poggi, V.; Famà, A.; Zuccolo, E.; Bozzoni, F.; Meisina, C.; Bonì, R.; Martelli, L.; Massa, M.; Mascandola, C.; et al. An inter-disciplinary and multi-scale approach to assess the spatial variability of ground motion for seismic microzonation: The case study of Cavezzo Municipality in Northern Italy. Eng. Geol. 2020, 274. [Google Scholar] [CrossRef]
- Autorità di Bacino del Fiume Po. Verifiche Tecniche delle Vasche di Laminazione sugli Affluenti del Fiume Po. Progetto S.I.S.M.A. (Stabilità All’input Sismico dei Manufatti Arginali). 2011. Available online: http://www.adbpo.it/download/Sismica/Casse_Espansione/ (accessed on 1 July 2021).
- Autorità di Bacino del fiume Po. Progetto Strategico per il Miglioramento delle Condizioni di Sicurezza Idraulica dei Territori Lungo L’asta Medio-Inferiore del Fiume Po. La Verifica Sismica. Autorità di Bacino del Fiume Po e Dipartimento della Protezione Civile “Argini del Fiume Po—Progetto Sismica”, Accordo di Programma tra Autorità di Bacino del Fiume Po, Regione Emilia-Romagna, Regione Lombardia e Agenzia Interregionale per il Fiume Po. 2014. Available online: https://adbpo.gov.it/argini-del-fiume-po-progetto-sismica/ (accessed on 1 July 2021).
- Pergalani, F.; Compagnoni, M.; Madiai, C.; Simoni, G.; Vannucchi, G.; Martelli, L. Seismic vulnerability of the embankments of reservoir basins for flood reduction located on the tributary streams of the Po river (Italy). Ing. Sismica 2013, 30, 67–93. [Google Scholar]
- Martelli, L.; Severi, P.; Biavati, G.; Rosselli, S.; Camassi, R.; Ercolani, E.; Marcellini, A.; Tento, A.; Gerosa, D.; Albarello, D.; et al. Analysis of the local seismic hazard for the stability tests of the main bank of the Po river (Northern Italy). Boll. Geofis. Teor. Appl. 2014, 55, 119–134. [Google Scholar]
- Lai, C.G.; Bozzoni, F.; Famà, A.; Zuccolo, E. Rapporto Tecnico. Valutazione del Potenziale di Liquefazione al Porto di Ravenna. Convenzione n. 134/2017, EUCENTRE—Ente Autorità di Sistema Portuale del Mare Adriatico Centro-Settentrionale. 2017. Available online: https://va.minambiente.it/File/Documento/223808 (accessed on 10 July 2021).
- Copioli, C.; Carlini, R.; Albarello, D.; Filippini, M.; Martelli, L. Relazione di Microzonazione Sismica di Secondo Livello. Quadro Conoscitivo PSC, Sistema Ambientale e Naturale. 2011. Available online: https://www.comune.rimini.it/sites/comune.rimini.it/files/b.rel_.sis_.1304501251.pdf (accessed on 1 July 2021).
- Albarello, D.; Lunedei, E.; Pileggi, D.; Copioli, C.; Filippini, M.; Martelli, L. Extensive ambient Vibration Survey Supporting a “Level 2” Seismic Microzoning of an Urban Area: The Case of Rimini. 30° GNGTS, sess. 2.2, Trieste 14-17/11/2011. Available online: http://www3.ogs.trieste.it/gngts/files/2011/S22/Presentazioni/AlbarelloAl_GNGTS2-2.pdf (accessed on 10 July 2021).
- Tarabusi, G.; Caputo, R. The use of HVSR measurements for investigating buried tectonic structures: The Mirandola anticline, northern Italy, as a case study. Int. J. Earth Sci. 2016, 106, 341–353. [Google Scholar] [CrossRef]
- Garofalo, F.; Foti, S.; Hollender, F.; Bard, P.Y.; Cornou, C.; Cox, B.R.; Ohrnberger, M.; Sicilia, D.; Asten, M.; Di Giulio, G.; et al. InterPACIFIC project: Comparison of invasive and non-invasive methods for seismic site characterization. Part I: Intra-comparison of surface wave methods. Soil Dyn. Earthq. Eng. 2016, 82, 222–240. [Google Scholar] [CrossRef] [Green Version]
- Minarelli, L.; Amoroso, S.; Tarabusi, G.; Stefani, M.; Pulelli, G. Down-hole geophysical characterization of middle-upper Quaternary sequences in the Apennine Foredeep, Mirabello, Italy. Ann. Geophys. 2016, 59, S0543. [Google Scholar] [CrossRef]
- Mantovani, A.; Abu-Zeid, N.; Bignardi, S.; Tarabusi, G.; Santarato, G.; Caputo, R. Seismic noise-based strategies for emphasizing recent tectonic activity and local site effects: The Ferrara Arc, Northern Italy, case study. Pure Appl. Geophys. 2019, 176, 2321–2347. [Google Scholar] [CrossRef]
- Pileggi, D.; (EGIS System srl, Siena, Italy). Personal communication, 2014.
Ground Frequency | Unconsolidated Sediments Thickness |
---|---|
Fn ≤ 0.6 Hz | H ≥ 130 m |
0.6 < Fn ≤ 1.2 Hz | 170 ≤ H < 50 m |
1.2 < Fn ≤ 2 Hz | 80 ≤ H < 20 m |
2 < Fn ≤ 5 Hz | 30 ≤ H < 8 m |
5 <Fn ≤ 20 Hz | H ≤ 12 m |
Main Characteristics of the Zones | Marginal Area | Distal Areas | ||
---|---|---|---|---|
Top of the Main Structural Highs | Other Areas | |||
Synclines, Limbs, and Minor Anticlines | Coast and Po Delta | |||
Geological features | Alluvial sequence made up of plurimetric and decametric coarse horizons | Thickness of the alluvial sequence H ≤ 150 m | Thickness of the alluvial sequence H > 150 m | Thickness of the alluvial sequence H > 300 m |
Ground Frequencies | Fn > 5 Hz | Fn = 0.8–1.4 Hz | Fn = 0.2–0.3 Hz; Fn = 0.7–Hz | No Fn in the 0.2–10 Hz range |
Seismo-Stratigraphic Discontinuities | Top of the shallower plurimetric coarse horizon (usually Upper Pleistocene age) | Top of the geological substratum | Basal unconformities of the main alluvial units (e.g., AES6, AES, AEI) | No seismo-stratigraphic discontinuities |
Seismic Bedrock (Vsbedrock/Vscover > 2 or Vs ≥ 800 m/s) | Plurimetric/decametric coarse horizon (Middle Pleistocene age), usually at depth between 40 m and 100 m | Geological substratum | Lower alluvial cycle (AEI) or geological substratum | Lower alluvial cycle (AEI) or geological substratum |
Publisher’s Note: MDPI stays neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations. |
© 2021 by the author. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
Share and Cite
Martelli, L. Assessment of Seismic Bedrock in Deep Alluvial Plains. Case Studies from the Emilia-Romagna Plain. Geosciences 2021, 11, 297. https://doi.org/10.3390/geosciences11070297
Martelli L. Assessment of Seismic Bedrock in Deep Alluvial Plains. Case Studies from the Emilia-Romagna Plain. Geosciences. 2021; 11(7):297. https://doi.org/10.3390/geosciences11070297
Chicago/Turabian StyleMartelli, Luca. 2021. "Assessment of Seismic Bedrock in Deep Alluvial Plains. Case Studies from the Emilia-Romagna Plain" Geosciences 11, no. 7: 297. https://doi.org/10.3390/geosciences11070297
APA StyleMartelli, L. (2021). Assessment of Seismic Bedrock in Deep Alluvial Plains. Case Studies from the Emilia-Romagna Plain. Geosciences, 11(7), 297. https://doi.org/10.3390/geosciences11070297