Evaluation of the scenario-dependence of seismic site amplification response in the Norcia basin, Central Italy

The Central Apennines region of Italy has historically experienced strong seismic activity, including the 30th of October 2016 earthquake, which hit the town of Norcia and the surrounding areas. Given the geological complexity of the Norcia sedimentary basin, the assessment of three-dimensional local site effects and of its variability with respect to the fault rupture scenario is essential for understanding local site amplification phenomena. To this aim, physics-based numerical simulations including a 3D velocity model of the Norcia basin and various rupture realizations were exploited to evaluate the basin response through spatial distributions of peak ground velocity (PGV), response spectral ratio (RSR), Fourier spectral ratio (FSR), and pulse period (Tp) in order to characterize amplification patterns, resonance behaviour, directional effects, and rupture directivity. The results indicate that basin amplification does not increase monotonically with earthquake magnitude, but is strongly influenced by hypocentre location, rupture geometry, source-to-site alignment, and three-dimensional basin structure. While the sediment thickness represents an important proxy for site amplification, local geometric effects introduce significant spatial variability, even between nearby locations. Furthermore, comparison between three-dimensional simulations and simplified one-dimensional site-response models reveals differences in predicted amplification levels and resonance frequencies, highlighting the role of multidimensional basin effects. The numerical results were also explored to assess the influence of the selection of a reference site, showing that, in near-source conditions, a significant variability of site amplification estimates can be attribute to the selection of this site. Overall, the study demonstrates the importance of incorporating three-dimensional basin geometry, scenario-dependent rupture configurations, and directional effects in seismic hazard assessment for complex sedimentary basins.

La regione degli Appennini Centrali in Italia è stata storicamente interessata da una forte attività sismica, tra cui il terremoto del 30 ottobre 2016, che ha impattato il comune di Norcia e le aree circostanti. Data la complessità geologica del bacino sedimentario di Norcia, la valutazione della sua risposta sismica tridimensionale e la sua variabilità rispetto allo scenario di rottura è fondamentale per comprendere i meccanismi locali di amplificazione. A tale scopo, simulazioni numeriche basate sulla fisica del fenomeno, che includono un modello tridimensionale di velocità del bacino di Norcia, e varie diverse configurazioni di rottura sono utilizzate per valutare la risposta del bacino attraverso le distribuzioni spaziali della velocità massima al suolo (PGV), del rapporto spettrale di risposta (RSR), del rapporto spettrale di Fourier (FSR) e del periodo dell’impulso (Tp) con l’obbiettivo di caratterizzare i pattern di amplificazione, il comportamento risonante, effetti direzionali e la direttività della rottura. I risultati indicano che l’amplificazione de bacino non aumenta in modo monotono con la magnitudo, ma è fortemente influenzata dalla posizione dell’ipocentro, dalla geometria della rottura, dall’allineamento sorgente-sito e dalla struttura tridimensionale del bacino. Sebbene la profondità al substrato rigido rappresenti un proxy importante sull’amplificazione, effetti geometrici locali introducono una significativa variabilità spaziale, anche tra località circostanti. Inoltre, il confronto tra le simulazioni tridimensionali e i modelli semplificati di risposta sismica locale unidimensionale evidenzia differenze nei livelli di amplificazione previsti e nelle frequenze di risonanza, sottolineando il ruolo degli effetti multidimensionali del bacino. I risultati numerici sono stati esplorati anche per valutare l’influenza della selezione del sito di riferimento, evidenziando che in condizioni di near-source una significativa variabilità delle estimazioni della risposta locale può essere attribuita alla selezione di questo sito. Nel complesso, lo studio dimostra l’importanza di integrare la geometria tridimensionale del bacino, configurazioni di rottura dipendenti dallo scenario ed effetti direzionali nella valutazione della pericolosità sismica per bacini sedimentari complessi.