La caratterizzazione sismica dei terreni tramite la tecnica sismica passiva (tecnica dei rapporti spettrali) o HVSR (Horizzontal to Verrtical Spectral Ratio - Metodo di Nakamura) è finalizzata all’individuazione della frequenza caratteristica di risonanza di sito e delle discontinuità sismiche che sono correlabili ai cambi litologici presenti sia all’interno della copertura che al contatto copertura-bedrock.

Per la determinazione delle velocità delle onde di taglio (Vs) e per una corretta caratterizzazione dei litotipi investigati si utilizza un codice di calcolo appositamente creato per interpretare i rapporti spettrali (HVSR) basati sulla simulazione del campo d’onde di superficie (Rayleigh e Love) secondo la teoria descritta in AKI (1964) e Ben-Menahem e Singh (1981).

La metodologia d’indagine è totalmente non invasiva, molto rapida, si può applicare ovunque e non necessita né di perforazioni, né di stendimenti di cavi né di energizzazioni esterne diverse dal rumore ambientale, che in natura esiste ovunque. Il metodo di acquisizione si dice passivo in quanto il rumore non è generato ad hoc, come ad esempio le esplosioni della sismica attiva (sismica a rifrazione), ma è il rumore naturale definito come “microtremore”. I risultati che si possono ottenere da una registrazione di questo tipo sono:

• la stratigrafia del sottosuolo con un range di indagine compreso tra 0.5 e 700 m di profondità anche se il dettaglio maggiore si ha nei primi 50 – 70 metri. Il principio su cui si basa la presente tecnica, in termini di stratigrafia del sottosuolo, è rappresentato dalla definizione di strato inteso come unità distinta da quelle sopra e sottostanti per un contrasto di impedenza, ossia per il rapporto tra i prodotti di velocità delle onde sismiche nel mezzo e densità del mezzo stesso;
• la velocità media delle onde di taglio Vs calcolata tramite un apposito codice di calcolo. È necessario conoscere, anche in maniera indicativa, la profondità di un riflettore noto dalla stratigrafia e riconoscibile nella curva H/V. La stima di tale parametro caratterizza al meglio, dal punto di vista geofisico, i vari litotipi presenti. È inoltre possibile valutare la velocità di propagazione delle onde di taglio all’interno del bedrock e stabilire il tipo di roccia presente. La tecnica HVSR può essere applicata, a differenza delle classiche tecniche d’indagine sismiche (sismica a rifrazione), anche in presenza di inversioni di velocità (materiali più competenti che poggiano sopra materiali meno competenti);
• la frequenza caratteristica di risonanza del sito che rappresenta un parametro fondamentale per il corretto dimensionamento degli edifici in termini di risposta sismica locale in quanto si dovranno adottare adeguate precauzioni nell’edificare edifici aventi la stessa frequenza di vibrazione del terreno per evitare l’effetto di “doppia risonanza” estremamente pericoloso per la stabilità degli stessi.
  

Al fine di rendere più chiaro e intuitivo l’impiego di questa tecnica si ritiene opportuno elencare in maniera sintetica i maggiori vantaggi derivanti dal confronto con le altre metodologie d’indagine:

• Garantisce una veloce acquisizione dati (massimo 20 minuti);
• Raggiunge elevate profondità d’indagine indipendentemente dalla natura dei terreni (fino a 50-70 m ad alta risoluzione);
• Individua lo spessore alterato/fratturato della roccia;
• Non risente della presenza di acqua più o meno salata a differenza del metodo geoelettrico;
• Individua e analizza le inversioni di velocità a differenza della sismica a rifrazione;

Si riportano, inoltre, i vantaggi riscontrati dall’utilizzo di tromografi digitali:

• Estrema semplicità di utilizzo;
• Possibilità di equipaggiare lo strumento con gps integrato;
• Elevato numero di misure registrabili nella memoria interna (circa 150);
• Sensori posizionati all’interno dello strumento (non richiede l’utilizzo di geofoni esterni);
• La possibilità di trasferire i dati tramite un software specifico dall’acquisitore ad un personal computer permette di inviare, tramite modem, le tracce registrate alla sede operativa dove verranno interpretate. In questo modo si garantisce un controllo in tempo reale delle misure eseguite.
• Svolgere il lavoro interpretativo in contemporanea con la raccolta dati permette di velocizzare i tempi di consegna del lavoro (circa 15-20 misure interpretabili giornalmente).

La tecnica HVSR ha raggiunto la sua massima popolarità in Giappone già nei primi anni ‘70 come strumento per una microzonazione sismica speditiva.

Dai primi studi di KANAI [1957] in poi, diversi metodi sono stati proposti per estrarre l’informazione relativa al sottosuolo a partire dagli spettri sismici del rumore di sito. Tra questi, la tecnica che si è maggiormente consolidata nell’uso è la tecnica dei rapporti spettrali (HVSR) applicata da NOGOSHI e IGARASHI [1970].

Il metodo fu in seguito reso popolare principalmente da NAKAMURA [1989] come strumento per la determinazione delle discontinuità sismiche presenti nel sottosuolo.

Successivamente in America e poi in Europa la tecnica HVSR ha trovato importanti applicazioni nell’ambito sismico. Con la realizzazione di un progetto denominato SESAME (2005) (Site EffectS Assessment using AMbient Excitations), che si è occupato di stabilire delle linee guida per la corretta esecuzione delle misure di microtremore ambientale in stazione singola e array, si certificata l’affidabilità delle misure spettrali per la ricostruzione sismica del sottosuolo.

Si riportano alcuni riferimenti bibliografici:

• Aki K., 1964. A note on the use of microseisms in detemining the shallow srtuctures of the earth’s crust, Geophysics, 29, p. 665-666.
• Arai H. e Tokimatsu K., 2004. S-Wave Velocity Profiling by Inversion of Microtremor H/V Spectrum, Bull. Seismol. Soc. Am., 94, p. 53-63.
• D’Amico V., Picozzi M., Albarello D., Naso G. e Tropenscovino S., 2004. Quick estimates of soft sedimente thicknesses from ambient noise horizontal to vertical spectral ratios: a case study in southerm Italy, J. Earthq. Eng., 8, p. 895-908.
• Gallipoli R., La Penna V., Lorenzo P. et al., 2000. Comparison of geological and geophysical prospecting techniques in the study of a landslide in southern Italy, European J. Environm. and Eng. Grophys., 4, p. 117-128.
• Ibs-von Seht M. e Wohlenberg J., 1999. Microtremor measurements used to map thickness of soft sediments, Bull. Seismol. Soc. America, 89, p. 250-290.
• Mucciarelli M. e Gallipoli M.R., 2001. A critical review of 10 Years of microtremor HVSR technique, Bollettino di Geofisica Teorica ed Applicata, 42, P. 255-266.
• Mucciarelli M. e Gallipoli M.R., 2006. Comparison between Vs30 and other estimates of site amplification in Italy, Conf. Eartq. Eng. And Seismol., Genevra, 3-8 Sept. no 270.
• Mulargia F., Castellaro S., Rossi P.L., 2007. Effetti di sito e Vs30: una risposta alla normativa antisismica”, Il geologo - Ordine dei Geologi Regione Emilia Romagna.
• Nakamura Y., 1989. A method for dynamic characteristics estimates of subsurface using microtremor on the round surface, QR of RTRI, 30, p. 25-30.
• SESAME Project: “Site Effects Assessment Using Ambient Excitations”, 2005.