Detection of nanoseismic events related to slope instabilities in the quarry district of Coreno Ausonio (Italy)

Nanoseismic monitoring is a passive geophysical technique used to identify and locate weak seismic events (down to local magnitudes, ML, around -3). This technique was applied in the open-pit quarry district of Coreno Ausonio (central Italy) to detect possible gravity-induced slope instabilities resulting from quarry rock blasting. After identifying an active quarry, an engineering-geological survey was carried out to characterise the jointed rock mass on an abandoned wall in front of the quarry. Four main joint sets were surveyed and their geometric and mechanical properties were measured in order to carry out stability analyses that evidenced scarce proneness to failure of the investigated wall. The analysis of seismic records obtained during three monitoring surveys, performed through the NanoseismicSuite software, made it possible to detect and characterise 15 blasts, of which 3 from the reference quarry and 12 from nearby quarries within the district, as well as 27 weak slope instability events (23 collapses and 4 failures). While failures originated from different areas of the quarry district, collapses occurred in a site characterised by an abandoned quarry having a wall more prone to gravity-induced instabilities than the one previously characterised.

Le cave per l’estrazione di materiale roccioso rappresentano contesti in cui possono aver luogo eventi di instabilità gravitativa causati dalle continue sollecitazioni cui sono soggette le pareti produttive, principalmente connesse alle vibrazioni dovute alle esplosioni necessarie alle operazioni di disgaggio. La necessità di gestione del rischio da frana per la salvaguardia del personale impegnato nell’attività estrattiva ha portato, nel tempo, alla richiesta di attivare sistemi di monitoraggio nelle aree di coltivazione mineraria e di cava. Nel presente lavoro il monitoraggio nanosismometrico, una tecnica di geofisica passiva recentemente sviluppata per le indagini di microsismicità, è stato impiegato nel distretto di cave a cielo aperto di Coreno Ausonio (in provincia di Frosinone). Il monitoraggio nanosismometrico consente l’individuazione e la localizzazione di deboli eventi sismici, fino a magnitudo locale (ML) nell’ordine di -3, attraverso l’impiego di quattro sensori sismometrici disposti secondo una specifica geometria di array detta SNS (Seismic Navigation System). Dopo aver individuato una cava in cui erano programmate esplosioni per la volata delle pareti in roccia, nel corso del 2013 sono state organizzate 3 campagne di acquisizione durante tre giornate, pianificate in modo da monitorare l’area in un periodo compreso da qualche ora prima dell’esplosione alle 24 ore successive. Su una parete della cava non più produttiva è stato effettuato un rilevamento geologico-tecnico che ha permesso di individuare 4 principali sistemi di discontinuità e caratterizzarli in termini di giacitura, resistenza, rugosità, apertura, spaziatura e condizioni idrauliche secondo gli standard ISRM (1978). L’analisi di stabilità della parete in esame, tenuto conto della sua orientazione, ha restituito una scarsa propensione ad eventi di instabilità. Analizzando mediante il software NanoseismicSuite i dati sismometrici acquisiti è stato possibile ottenere i “supersonogrammi”, ovvero particolari spettrogrammi auto-adattanti alle variazioni del rumore sismico di fondo, dai quali sono state definite alcune caratteristiche specifiche di forma d’onda per diverse tipologie di eventi. In base ai supersonogrammi, è stato possibile individuare e localizzare 15 esplosioni, di cui 3 provenienti dalla cava di riferimento e 12 da cave adiacenti del distretto, e 27 deboli eventi di instabilità gravitativa, distinti in 23 eventi di collasso e 4 rotture legate alle fratturazione dell’ammasso roccioso. Le 3 esplosioni avvenute nella cava di riferimento, e quindi aventi coordinate di origine nota, sono state utilizzate per calibrare il modello di sottosuolo, successivamente impiegato per localizzare gli altri eventi registrati. Le rotture sono risultate originate in diverse zone del distretto estrattivo, mentre gli eventi di collasso sono stati localizzati in una specifica area e risultano essere avvenuti prevalentemente in un limitato intervallo di tempo a seguito delle 9 esplosioni registrate nella campagna del 26-27 luglio 2013. Non è stato possibile, invece, individuare eventi riconducibili ad instabilità negli orari di attività di cava a causa dell’elevato livello di rumore apportato dagli strumenti per l’estrazione e la lavorazione del materiale roccioso. Si è escluso che gli eventi di collasso fossero riconducibili direttamente all’attività di estrazione sia perché registrati al di fuori dell’orario di lavorazione delle cave sia perché, analizzando l’intera registrazione per intervalli orari, le frequenze tipiche dei macchinari di lavorazione non sono risultate energizzante. La zona di origine è risultata essere un’area nella quale sono stati rinvenuti detrito sciolto costituito da blocchi eterometrici ed una parete non in coltivazione con medesime caratteristiche delle discontinuità rispetto alla parete sulla quale era stato effettuato il rilevamento geologico-tecnico, ma con diversa orientazione. In definitiva, la fase di sperimentazione ha restituito dei risultati di indubbio interesse consentendo di mettere in evidenza alcune limitazioni del monitoraggio nanosismometrico nel contesto preso in esame, in particolare legate all’eccessiva rumorosità registrata nelle ore di attività di cava. La tecnica appare, comunque, un utile strumento di monitoraggio per i fenomeni gravitativi di debole intensità, in grado di contribuire alla gestione del rischio da frana in aree ad elevata attività antropica ed in ambienti naturalmente predisposti ad instabilità gravitative che possono interessare pareti in roccia.