Earthquake hazard assessment in the process of siting a high-risk facility: analysis of surface faulting phenomenon and secondary seismoinduced environmental effects

This PhD project stems from the Italian Ministerial Decree No. 106, 2021, concerning PhD programs on green and innovation topics, and involves collaboration between Università degli Studi dell'Insubria and SOGIN S.p.a., the company responsible for locating, designing, building and operating the Italian Radioactive Waste Repository. This study aims to provide useful tools for the assessment of earthquake hazards, for further characterization of low seismicity areas, in the ongoing siting process for the Italian national radioactive waste repository. The construction of this high-risk facility must necessarily be conducted on the Italian territory, according to the European Union requirements, which stipulates that the final disposition of radioactive waste must take place in the member state where it was generated. The siting process for a high-risk facility is critically important, particularly because such a facility may be vulnerable to various natural hazards. Thorough characterization of these hazards is essential to safeguard the facility functionality and protect the surrounding population. In this study, we focus on analyzing specific phenomena, generally associated with earthquakes, such as earthquake induced environmental effects which can significantly impact and potentially damage infrastructure. They are coseismic effects and can be both primary, such as surface faulting, tectonic uplift and subsidence, and secondary, such as tsunamis, gravitational phenomena, ground cracks, liquefaction and hydrological anomalies. This research aims to make a further contribution to characterizing earthquake hazards, especially related to surface faulting and seismic hazard concerning Earthquake Environmental Effects (EEEs). The two topics are closely related because of their critical importance in the site selection process for high-risk facilities, which requires detailed analysis and focused considerations, as suggested by the International Atomic Energy Agency guidelines. For this purpose, an upgrade of models such as Probabilistic Fault Displacement Hazard Analysis (PFDHA), for surface faulting, and the development of new intensity prediction equations (IPEs) based on the Environmental Seismic Intensity (ESI-07) scale has been performed. The choice to use probabilistic or predictive models is motivated by the reason that they are important tools for analyzing seismic hazards in regions with low seismicity, such as those considered suitable to host the National Repository. The new models obtained, were then applied to specific case studies in Italy. In the Italian context, seismically active areas are characterized by both predominantly compressive (e.g., the Alps and the Po Plain) and extensional forces (e.g., the Apennines). Therefore, we chose to analyze two scenarios consistent with the Italian setting, characterizing the seismic hazard on a reverse fault and a normal fault; these should be intended as a proof-of-concept of the applicability of the models developed within this PhD project to the site selection procedure.

Questo progetto di dottorato nasce dal Decreto Ministeriale n. 106 del 2021, relativo ai dottorati di ricerca su tematiche green e di innovazione, e prevede la collaborazione tra l'Università degli Studi dell'Insubria e SOGIN S.p.a., la società responsabile della localizzazione, progettazione, costruzione e gestione del Deposito Italiano di Rifiuti Radioattivi. Questo studio mira a fornire strumenti utili per la valutazione del rischio sismico, per un'ulteriore caratterizzazione delle aree a bassa sismicità, nel processo di localizzazione in corso per il deposito nazionale italiano di rifiuti radioattivi. La costruzione di questa struttura ad alto rischio deve necessariamente essere condotta sul territorio italiano, in accordo con i requisiti dell'Unione Europea, che prevede che lo smaltimento finale dei rifiuti radioattivi debba avvenire nello Stato membro in cui sono stati prodotti. Il processo di localizzazione di un impianto ad alto rischio è di fondamentale importanza, soprattutto perché tale impianto può essere vulnerabile a vari rischi naturali. Un'accurata caratterizzazione di questi pericoli è essenziale per salvaguardare la funzionalità dell'impianto e proteggere la popolazione circostante. In questo studio ci siamo concentrati sull'analisi di fenomeni specifici, in genere associati ai terremoti, e di quelli che si verificano durante i terremoti. Si tratta di effetti cosismici che possono essere sia primari, come la fagliazione superficiale, il sollevamento e la subsidenza tettonica, sia secondari, come gli tsunami, i fenomeni gravitativi, le fessurazioni del terreno, la liquefazione e le anomalie idrologiche. Questa ricerca mira a dare un ulteriore contributo alla caratterizzazione della pericolosità sismica, in particolare per quanto riguarda la fagliazione superficiale e la pericolosità sismica relativa agli effetti ambientali dei terremoti (EEE). I due argomenti sono strettamente correlati per la loro importanza critica nel processo di selezione del sito per gli impianti ad alto rischio, che richiede analisi dettagliate e considerazioni mirate, come suggerito dalle linee guida dell'Agenzia Internazionale per l'Energia Atomica. A tal fine, è stato effettuato un aggiornamento di modelli come la Probabilistic Fault Displacement Hazard Analysis (PFDHA), per le faglie superficiali, e lo sviluppo di nuove equazioni di previsione dell'intensità (IPE) basate sulla scala Environmental Seismic Intensity (ESI-07).La scelta di utilizzare modelli probabilistici o predittivi è motivata dal fatto che essi sono strumenti importanti per l'analisi della pericolosità sismica in regioni a bassa sismicità, come quelle considerate idonee a ospitare il Deposito Nazionale. I nuovi modelli ottenuti sono stati poi applicati a specifici casi di studio in Italia. Nel contesto italiano, le aree sismicamente attive sono caratterizzate da forze prevalentemente compressive (ad esempio, le Alpi e la Pianura Padana) ed estensionali (ad esempio, gli Appennini). Pertanto, abbiamo scelto di analizzare due scenari coerenti con il contesto italiano, caratterizzando la pericolosità sismica su una faglia inversa e su una faglia normale; questi dovrebbero essere intesi come proof-of-concept dell'applicabilità dei modelli sviluppati nell'ambito di questo progetto di dottorato alla procedura di selezione dei siti.