Grotta di Bossea, progetto DIATI-Politecnico di Torino: 3D con UAV e analisi del rumore sismico ambientale per comprendere variazioni stagionali e micro-sismicità legate al clima
Questo studio descrive il monitoraggio delle grotte sotterranee unendo geomatica e geofisica nella Grotta di Bossea, in Piemonte.
Modelli 3D ottenuti con droni hanno supportato l’installazione di due stazioni sismiche per analizzare rumore sismico ambientale e micro-sismicità.
Le frequenze sismiche aumentano nei mesi caldi, in fase con la temperatura, suggerendo maggiore rigidezza per chiusura delle fratture.
Le piogge intense generano firme ad alta frequenza e riducono temporaneamente le frequenze di picco, indicando infiltrazione d’acqua.
L’approccio è utile per sicurezza e gestione del rischio, ma richiede serie temporali più lunghe e modellazione termo-idro-meccanica per conferme. [1][2]
Introduzione: geomatica e geofisica per le grotte
Il lavoro “Towards the Monitoring of Underground Caves Using Geomatics and Geophysical Techniques: 3D Analyses and Seismic Response” presenta un approccio integrato per il monitoraggio delle grotte sotterranee con tecniche di geomatica e geofisica, focalizzato sulla Bossea Cave in Piemonte e pubblicato su ISPRS International Journal of Geo-Information nel 2023 [2].
L’obiettivo è costruire modelli 3D e analizzare il rumore sismico ambientale e la micro-sismicità per interpretare l’effetto di temperatura e precipitazioni sul comportamento del massiccio roccioso sovrastante la cavità [2].
Sito di studio: La Grotta di Bossea e contesto carsico
La Grotta di Bossea si trova nella valle del Corsaglia (provincia di Cuneo) ed è un sistema carsico con sviluppo turistico e laboratorio ipogeo attivo dagli anni ’70, contesto ideale per il monitoraggio geofisico stagionale [2].
La cavità è divisa in un settore inferiore turistico, con corso d’acqua variabile da 50 a 1500 L/s, e un settore superiore di gallerie più strette, con dinamiche idrologiche significative per processi termo- e idro-meccanici [2].
Il “monitoraggio delle grotte sotterranee” beneficia della presenza di dati ambientali e infrastrutture scientifiche già operative nel sito [2].
Geomatica: UAV, fotogrammetria e modello 3D continuo
Il team ha eseguito voli UAV con fotogrammetria diretta RTK/NRTK per ricostruire un modello 3D dell’area esterna e integrarlo con rilievi indoor, ottenendo ortofoto, DSM e DTM georiferiti [2].
Workflow e strumenti open source come OpenDroneMap/WebODM e QGIS sono stati usati per processare 999 immagini, con accuratezze planimetriche e altimetriche centimetrische validate da punti di controllo GNSS [2].
L’integrazione 3D indoor–outdoor supporta il “monitoraggio delle grotte sotterranee” localizzando stazioni sismiche e zone predisposte a erosione e fratturazione [1][2].
Geofisica: rumore sismico ambientale e micro-sismicità
Sono state installate due stazioni sismiche 3C ad alta sensibilità sopra una sala della grotta con tetto di circa 50 m, registrando in continuo per oltre sette mesi a 250 Hz [2].
La stima oraria della Power Spectral Density (PSD) del rumore sismico ambientale ha evidenziato bande di amplificazione variabili con la stagione e correlate con temperatura e pioggia registrate da stazioni ARPA nelle vicinanze [2].
Il “monitoraggio delle grotte sotterranee” con PSD orarie mostra la fattibilità di rilevare firme sismiche legate a processi termo-idro-meccanici a scala giornaliera e stagionale [2].
Risposta sismica a temperatura: picchi in fase e incremento di rigidezza
Nella banda 35–43 Hz è stata osservata una componente naturale variabile in ampiezza e frequenza, in fase con l’andamento della temperatura durante primavera–estate, suggerendo un aumento della rigidezza del massiccio per chiusura delle fratture da espansione termica [2].
Frequenze più alte (>50 Hz) hanno mostrato correlazione positiva con la temperatura dalla metà di febbraio, coerente con processi più superficiali che rispondono rapidamente al forcing termico [2].
Il “monitoraggio delle grotte sotterranee” permette di interpretare aumenti di frequenza come incremento di stiffness del mezzo roccioso con impatto sul rischio di instabilità [2].
Risposta sismica alla pioggia: firma ad alta frequenza e ritardi brevi
Eventi piovosi intensi hanno generato firme sismiche tra 60–90 Hz, con ampiezza proporzionale all’intensità oraria della precipitazione registrata [2].
È stata osservata una riduzione dell’ampiezza o modifiche di picchi attorno a 39–40 Hz con ritardo di circa un giorno dall’inizio della pioggia, interpretata come infiltrazione progressiva e variazione delle proprietà elastiche del massiccio [2].
Anche in questo caso, il “monitoraggio delle grotte sotterranee” dimostra sensibilità agli input idrologici e alla loro propagazione nelle fratture [2].
Estrazione eventi: rockfall, terremoti e micro-fratture
La discriminazione tramite STA/LTA ha separato eventi a breve durata legati alla pioggia, terremoti regionali a bassa frequenza e rockfall con durata lunga e picchi ~40 Hz [2].
Gli eventi di micro-sismicità, con picchi >50 Hz e spettrogrammi a onset netto, sono aumentati nei mesi caldi e risultano in fase con la temperatura da metà marzo, coerenti con micro-fratturazione per contrazione/espansione termica [2].
Durante piogge intense in giugno–luglio si sono registrate cadute del picco di frequenza degli eventi, attribuibili a riduzione di rigidezza per percolazione d’acqua nelle discontinuità [2].
Rilievi correlati: SLAM, TLS e GPR nelle grotte
Studi ISPRS su Bossea hanno evidenziato l’uso congiunto di SLAM e UAV per mappatura ipogea e valorizzazione del percorso turistico, confermando l’importanza di pipeline 3D per gestione e sicurezza [1][2].
In applicazioni affini, l’integrazione con GPR ed ERT ha mostrato efficacia nel rilevare geometrie carsiche e volumi potenzialmente vuoti, utile per pianificare il “monitoraggio delle grotte sotterranee” anche in siti privo di accesso diretto [3][4].
L’approccio multi-sensore è coerente con esperienze su grotte a elevato valore culturale come Altamira, dove geomatica e geofisica supportano diagnosi strutturale e conservazione [5].
Implicazioni per speleologia e gestione del rischio
Il lavoro indica che temperatura esterna e precipitazioni controllano, con ritardi minimi nella stagione calda, la risposta sismica del massiccio sovrastante Bossea, con potenziale applicazione a sistemi di early warning locali [2].
La combinazione di modello 3D e segnali sismici consente di localizzare aree sensibili e interpretare variazioni reversibili stagionali rispetto a tendenze potenzialmente irreversibili [2].
Il “monitoraggio delle grotte sotterranee” emerge come strumento utile per sicurezza dei percorsi, pianificazione manutentiva e ricerca sul legame clima–carsismo [2].
Limiti e prospettive: serie lunghe e modellazione termica
Gli autori sottolineano la necessità di serie di monitoraggio più lunghe e di modelli termo-idro-meccanici per spiegare le differenze tra stagione fredda e calda e la dinamica di infiltrazione [2].
Le future attività potrebbero integrare ulteriori sensori (temperatura roccia, umidità, pressione dei pori) e metodologie (TLS, MMS, GPR) per rafforzare il quadro interpretativo in “monitoraggio delle grotte sotterranee” [1][5].
L’esperienza di Bossea fornisce un benchmark metodologico replicabile in altri contesti carsici italiani ed europei [2].
Glossario essenziale dei termini ricorrenti nello studio sul monitoraggio delle grotte con geomatica e geofisica.
- Rumore sismico ambientale: vibrazioni di fondo generate da sorgenti naturali o antropiche, analizzate per inferire proprietà del sottosuolo e loro variazioni nel tempo [1][2].
- Micro-sismicità: piccoli eventi sismici locali legati a fratturazione, assestamenti o processi termo-idro-meccanici nel massiccio roccioso [3][4].
- PSD (Power Spectral Density): misura della distribuzione di potenza del segnale sismico in funzione della frequenza, usata per identificare bande di amplificazione e trend stagionali [1][3].
- STA/LTA: algoritmo di rilevamento eventi basato sul rapporto tra media a breve termine e a lungo termine del segnale per individuare transienti sismici [4][5].
- UAV/fotogrammetria: acquisizione di immagini aeree con droni e ricostruzione 3D tramite sovrapposizione di foto calibrate [6][7].
- RTK/NRTK: tecniche GNSS per georeferenziazione precisa in tempo reale (RTK) o tramite rete di stazioni (NRTK) per modelli 3D accurati [6][8].
- WebODM/OpenDroneMap: software open source per processare immagini UAV e generare ortofoto, DSM, DTM e modelli 3D georiferiti [6][7].
- QGIS: piattaforma GIS open source per visualizzare, integrare e analizzare dati spaziali e prodotti fotogrammetrici [6][7].
- Trillium Compact 20 s: sismometro a tre componenti ad alta sensibilità impiegato in reti di monitoraggio passivo [3][9].
- Banda di frequenza: intervallo di frequenze in cui il segnale mostra energia elevata o picchi, spesso associati a processi fisici specifici [1][3].
- Firma sismica della pioggia: incremento di energia ad alta frequenza nel segnale sismico correlato all’intensità delle precipitazioni [1][4].
- Effetti termo-meccanici: variazioni di rigidezza e attrito nelle fratture per espansione/contrazione termica, con impatto su frequenze e numero di micro-eventi [1][2].
- Infiltrazione: ingresso e percolazione dell’acqua nelle discontinuità rocciose che modificano risposta elastica e frequenze di picco [1][3].
- Ortofoto: immagine aerea geometramente corretta in scala metrica, utile per mappature e confronti temporali [6][7].
- DSM/DTM: modelli superficiali; DSM include oggetti (vegetazione, edifici), DTM rappresenta solo il terreno nudo [6][7].
Fonti:
https://www.mdpi.com/2220-9964/12/5/191
[1] Seismic monitoring of torrential and fluvial processes https://www.earth-surf-dynam.net/4/285/2016/esurf-4-285-2016.pdf
[2] SeisMIC – an Open Source Python Toolset to Compute Velocity Changes from Ambient Seismic Noise https://seismica.library.mcgill.ca/article/download/1099/1274
[3] The Weisweiler passive seismological network: optimised for state-of-the-art location and imaging methods https://essd.copernicus.org/articles/15/2655/2023/
[4] Towards the systematic reconnaissance of seismic signals from glaciers and ice sheets – Part 1: Event detection for cryoseismology https://tc.copernicus.org/articles/18/2061/2024/tc-18-2061-2024.pdf
[5] OGS improvements in the year 2011 in running the Northeastern Italy Seismic Network https://adgeo.copernicus.org/articles/34/5/2013/adgeo-34-5-2013.pdf
[6] THE USE OF SLAM AND UAV TECHNOLOGY IN GEOLOGICAL FIELD FOR MONITORING: THE CASE STUDY OF THE BOSSEA CAVE https://isprs-archives.copernicus.org/articles/XLVIII-2-W3-2023/73/2023/isprs-archives-XLVIII-2-W3-2023-73-2023.pdf
[7] Three-dimensional modelling of artificial caves for geomechanical analysis https://isprs-archives.copernicus.org/articles/XLVIII-2-2024/401/2024/isprs-archives-XLVIII-2-2024-401-2024.pdf
[8] Induced Seismic Events – Distribution of Ground Surface Displacements Based on InSAR Methods and Mogi and Yang Models https://www.mdpi.com/2072-4292/13/8/1451/pdf
[9] Distributed acoustic sensing as a tool for subsurface mapping and seismic event monitoring: a proof of concept https://se.copernicus.org/articles/13/449/2022/se-13-449-2022.pdf
[10] A semblance-based microseismic event detector for DAS data https://academic.oup.com/gji/advance-article-pdf/doi/10.1093/gji/ggae016/55676762/ggae016.pdf
[11] Qseek: A data-driven Framework for Automated Earthquake Detection, Localization and Characterization https://seismica.library.mcgill.ca/article/view/1283
[12] Reassessing the lithosphere: SeisDARE, an open access seismic data
repository https://essd.copernicus.org/articles/13/1053/2021/essd-13-1053-2021.pdf
[13] Micro-seismic Elastic Reflection Full Waveform Inversion with An
Equivalent Source http://arxiv.org/pdf/2310.12323.pdf
[14] Developing cost-effective seismic mineral exploration methods using a landstreamer and a drophammer https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5583287/
[15] Monitoring storm evolution using a high-density seismic network https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9892581/
[16] A New Cable-Less Seismograph with Functions of Real-Time Data Transmitting and High-Precision Differential Self-Positioning https://www.mdpi.com/1424-8220/20/14/4015
[17] Wireless Geophone Networks for Land Seismic Data Acquisition: A Survey, Tutorial and Performance Evaluation https://www.mdpi.com/1424-8220/21/15/5171/pdf
[18] Development and Operation of a Global?Scale Seismographic Network: The IRIS/USGS GSN https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdfdirect/10.1029/2023CN000225
[19] EGU2012 SM1.3/GI1.7 session: “Improving seismic networks performances: from site selection to data integration” https://adgeo.copernicus.org/articles/34/1/2013/adgeo-34-1-2013.pdf
[20] Low-cost MEMS accelerometers for earthquake early warning systems: A dataset collected during seismic events in central Italy https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10875240/
[21] Investigation into 3D earth structure and sources using full seismic waveforms https://digitalcommons.uri.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1299&context=oa_diss
[22] SISMIKO: emergency network deployment and data sharing for the 2016 central Italy seismic sequence https://www.annalsofgeophysics.eu/index.php/annals/article/download/7212/6890
[1] THE USE OF SLAM AND UAV TECHNOLOGY IN GEOLOGICAL FIELD FOR MONITORING: THE CASE STUDY OF THE BOSSEA CAVE https://isprs-archives.copernicus.org/articles/XLVIII-2-W3-2023/73/2023/isprs-archives-XLVIII-2-W3-2023-73-2023.pdf
[2] A LOW-COST ICT SOLUTION TO SUPPORT VISITORS IN TOURISTIC CAVES https://isprs-archives.copernicus.org/articles/XLVIII-1-W1-2023/121/2023/isprs-archives-XLVIII-1-W1-2023-121-2023.pdf
[3] Near surface geophysics techniques and geomorphological approach to reconstruct the hazard cave map in historical and urban areas https://adgeo.copernicus.org/articles/24/35/2010/
[4] An Integrated Geophysical and Unmanned Aerial Systems Surveys for Multi-Sensory, Multi-Scale and Multi-Resolution Cave Detection: The Gravaglione Site (Canale di Pirro Polje, Apulia) https://www.mdpi.com/2072-4292/15/15/3820/pdf?version=1690879299
[5] A Multimodal Research Approach to Assessing the Karst Structural Conditions of the Ceiling of a Cave with Palaeolithic Cave Art Paintings: Polychrome Hall at Altamira Cave (Spain) https://www.mdpi.com/1424-8220/23/22/9153/pdf?version=1699880420
[6] Three-dimensional modelling of artificial caves for geomechanical analysis https://isprs-archives.copernicus.org/articles/XLVIII-2-2024/401/2024/isprs-archives-XLVIII-2-2024-401-2024.pdf
[7] Early hypogenic carbonic acid speleogenesis in unconfined limestone aquifers by upwelling deep-seated waters with high CO2 concentration: a modelling approach https://hess.copernicus.org/articles/25/2895/2021/hess-25-2895-2021.pdf
[8] Global Hydrocarbon Energy Potential of Euro-Asia or Solution of Navier-Stokes Equation for Deformed Micro-Structure of the Earth’s Porous Space https://www.ccsenet.org/journal/index.php/mas/article/download/52902/28307
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[11] Complexities of assessing palaeocave stratigraphy: reconstructing site formation of the ?2.61 Ma Drimolen Makondo fossil site https://peerj.com/articles/10360.pdf
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[18] An Integrated Petrographic, Geomatic and Geophysical Approach for the Characterization of the Carbonate Rocks of the Calcari di Cagliari Formation https://www.mdpi.com/2075-163X/14/5/501
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[22] Sedimentary anatomy and hydrological record of relic fluvial deposits in a karst cave conduit https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdfdirect/10.1111/sed.12785
[23] The first two hotspots of subterranean biodiversity in South America https://subtbiol.pensoft.net/article/8207/download/pdf/
[24] Natural and Anthropogenic Groundwater Contamination in a Coastal Volcanic-Sedimentary Aquifer: The Case of the Archaeological Site of Cumae (Phlegraean Fields, Southern Italy) https://www.mdpi.com/2073-4441/12/12/3463/pdf
[25] First Survey of the Sponge Community of a Semi-Submerged Marine Cave along the Adriatic Apulian Coast https://www.mdpi.com/2077-1312/12/4/682/pdf?version=1713592806
[26] Exploring Microbial Biosignatures in Mn-Deposits of Deep Biosphere: A Preliminary Cross-Disciplinary Approach to Investigate Geomicrobiological Interactions in a Cave in Central Italy https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/feart.2021.590257/pdf
[27] Blind Testing: DNA Barcoding Sheds Light Upon the Identity of Plant Fragments as a Subsidy for Cave Conservation https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2018.01052/pdf
[28] Features of deep cave sediments: their influence on fossil preservation https://estudiosgeol.revistas.csic.es/index.php/estudiosgeol/article/download/98/94/93
[29] Alpine permafrost thawing during the Medieval Warm Period identified from cryogenic cave carbonates https://tc.copernicus.org/articles/7/1073/2013/tc-7-1073-2013.pdf
[30] Applying SLAM-Based LiDAR and UAS Technologies to Evaluate the Rock Slope Stability of the Grotta Paglicci Paleolithic Site (Italy) https://www.mdpi.com/2624-795X/5/2/24/pdf?version=1716630198
[31] Insights into Late Quaternary Rock Shelter Sedimentation at Santuario Della Madonna Cave (Northern Calabria, Italy) https://www.mdpi.com/2076-3263/13/9/260/pdf?version=1692939120
[32] Richness and taxonomic distinctness of cave invertebrates from the northeastern state of Goiás, central Brazil: a vulnerable and singular area https://subtbiol.pensoft.net/article/30418/download/pdf/
[33] Isotopic Evidence for Long-Distance Connections of the AD Thirteenth-Century Promontory Caves Occupants https://www.cambridge.org/core/services/aop-cambridge-core/content/view/2562E4BF820F93C62682A3B3E27BCF20/S000273162000116Xa.pdf/div-class-title-isotopic-evidence-for-long-distance-connections-of-the-ad-thirteenth-century-promontory-caves-occupants-div.pdf
[34] Imaging groundwater infiltration dynamics in the karst vadose zone with long-term ERT monitoring https://www.hydrol-earth-syst-sci.net/22/1563/2018/hess-22-1563-2018.pdf
[35] Invertebrate fossils from cave sediments: a new proxy for pre-Quaternary paleoenvironments https://bg.copernicus.org/articles/8/1825/2011/bg-8-1825-2011.pdf
[36] Morpho-Mineralogical and Bio-Geochemical Description of Cave Manganese Stromatolite-Like Patinas (Grotta del Cervo, Central Italy) and Hints on Their Paleohydrological-Driven Genesis https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/feart.2021.642667/pdf