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I satelliti osservano la deformazione degli acquiferi carsici

I grandi acquiferi carsici dell’Appennino si deformano in relazione alle variazioni stagionali e multi-annuali di piovosità. Questo il risultato principale di un articolo pubblicato di recente sul Journal of Geophysical Research dal titolo Transient deformation of karst aquifers due to seasonal and multi-year groundwater variations observed by GPS in southern Apennines, di Francesca Silverii et al., che è stato premiato (motivazione) all’ultimo Convegno annuale del GNGTS (Lecce, novembre 2016). La ricerca sfrutta l’analisi integrata di dati satellitari e dati idrologici di vario tipo per ricostruire le deformazioni periodiche. Nel lavoro vengono indagate le cause e indicate le possibili implicazioni del fenomeno osservato.

Uomo seduto e vortici d'acqua, Leonardo da Vinci, Windsor, Royal Library, c. 1513. "Acqua è fra i quattro elementi il secondo men greve e di seconda volubilità. Questa non ha mai requie insino che si congiunge al suo marittimo elemento [...]. Volentieri si leva per lo caldo in sottile vapore per l'aria. Il freddo la congela, stabilità la corrompe. [...] Piglia ogni odore, colore e sapore e da sé non ha niente.[...]". Parigi, Manoscritto C, f. 26v

Uomo seduto e vortici d’acqua, Leonardo da Vinci. “Acqua è fra i quattro elementi il secondo men greve e di seconda volubilità. Questa non ha mai requie insino che si congiunge al suo marittimo elemento […]. Volentieri si leva per lo caldo in sottile vapore per l’aria. Il freddo la congela, stabilità la corrompe. […] Piglia ogni odore, colore e sapore e da sé non ha niente.[…]”. Parigi, Manoscritto C, f. 26v (da: http://www.michelemossa.it/ )

Introduzione

Da alcuni decenni la geofisica si avvale di strumenti innovativi per studiare la deformazione della superficie terrestre. Grazie a osservazioni molto accurate ottenute tramite l’utilizzo dei satelliti appartenenti al Global Positionig System (GPS) si è oggi in grado di registrare deformazioni di ampiezza variabile (da pochi millimetri a svariati metri) che coinvolgono scale spaziali (da decine di metri a centinaia di chilometri) e temporali (dai secondi agli anni) molto diverse. In particolare, sfruttando tecnologie avanzate e complesse tecniche di processamento dei dati, i satelliti GPS permettono di registrare la posizione di un punto a terra (dove si trova l’antenna) con incertezze di pochi millimetri. Questa posizione, riferita a un definito sistema di coordinate, viene espressa tramite tre componenti (nord, est, verticale) e registrata con continuità nel tempo, dando luogo alle cosiddette “serie temporali”.

Come è ben noto, i terremoti sono in grado di deformare la superficie terrestre in modo più o meno visibile a seconda della loro entità. Le osservazioni ottenute tramite la tecnica GPS sono ormai largamente usate in tutto il mondo per studiare le deformazioni associate al ciclo sismico (qui) e hanno fornito un contributo molto importante per capire meglio la natura di questo fenomeno. Negli ultimi anni, inoltre, si è notata l’utilità delle osservazioni geodetiche per studiare l’effetto della redistribuzione delle grandi masse d’acqua sulla superficie terrestre. Ad esempio, le stazioni GPS installate in California hanno registrato un chiaro andamento di sollevamento associato alla forte siccità che ha colpito l’area californiana dal 2012 (link). Lo studio delle deformazioni idrologiche transienti (cioè variabili nel tempo) di origine non tettonica si sta rivelando di grande interesse in quanto può fornire informazioni uniche circa i trend climatici e il comportamento degli acquiferi, che rappresentano una risorsa indispensabile per l’uomo. L’individuazione dei segnali transienti non tettonici è inoltre fondamentale per la corretta stima delle deformazioni di origine tettonica e per lo studio delle eventuali interazioni con la sismicità.

I dati e la rete RING

In Italia è presente una rete di stazioni GPS permanenti, gestite in gran parte dall’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (Rete RING), che registrano continuamente la deformazione del suolo. Nel questo lavoro sono state analizzate le osservazioni GPS dell’Italia centro-meridionale ed è stato individuato un segnale transiente multi-annuale. Questo segnale è particolarmente forte nelle componenti orizzontali (ampiezza massima ≈ 1 cm) delle stazioni localizzate in prossimità degli acquiferi carsici degli Appennini e diminuisce con la distanza da essi (Fig. 1).

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Fig 1. Serie temporali (posizione nel tempo) GPS osservate (punti colorati) relative a vari siti dell’Italia centro-meridionale. Le linee nere tratteggiate rappresentano un filtro gaussiano di 6 mesi di ampiezza. Le serie sono ordinate a partire dai siti sulla costa tirrenica (in basso) verso quelli sulla costa adriatica (in alto). Sinistra: componente orizzontale proiettata lungo una direzione perpendicolare all’asse degli Appennini (N45E); centro: componente orizzontale proiettata lungo una direzione parallela all’asse degli Appennini (N135E); destra: componente verticale. Si noti la simmetria per la componente N45E tra le serie sotto e sopra CDRU e SAL1. T1 e T2 si riferiscono a due intervalli di 2.5 anni in cui il segnale multi-annuale ha andamento opposto e per cui sono state stimate le velocità rappresentate in Fig. 2.

Risultati

Gran parte degli Appennini è costituita da rocce calcaree in cui per effetto del carsismo e della fratturazione si verifica l’infiltrazione e l’immagazzinamento di ingenti quantità d’acqua. Il segnale individuato presenta una caratteristica simmetria tra le stazioni a cavallo degli acquiferi, che si ritrova anche al livello delle oscillazioni stagionali: a intervalli alterni gli acquiferi subiscono espansione e contrazione (una sorta di andamento “a fisarmonica”), come evidenziato per gli intervalli temporali T1 e T2 in Fig. 2.

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Fig 2. Velocità osservate (frecce nere) e modellate (frecce rosse) stimate dalle serie temporali GPS, le ellisse rappresentano l’errore al 95% dell’intervallo di confidenza. Le velocità sono state stimate come deviazioni rispetto al trend a lungo termine in un periodo di diminuzione della piovosità (T1) e in un periodo di aumento della piovosità (T2). Le aree ombreggiate in blu indicano gli acquiferi carsici. I segmenti blu indicano la posizione delle dislocazioni tensili verticali utilizzate per simulare l’apertura/chiusura delle fratture all’interno degli acquiferi. I grafici sulla destra rappresentano una sezione lungo la linea punteggiata nera in mappa. Sono mostrate la topografia (area grigia), le velocità osservate (cerchi neri) e modellate lungo il profilo (linea rossa) e la posizione della dislocazione (linea verticale blu).

La componente verticale delle osservazioni GPS è, per ragioni intrinseche alla tecnica, più rumorosa rispetto alle componenti orizzontali (Fig. 1). Un segnale transiente con andamento temporale simile a quello delle componenti orizzontali è però visibile anche nella componente verticale, soprattutto dopo aver mediato (“stacking”) le osservazioni di diverse stazioni. Questa operazione permette infatti di evidenziare le eventuali caratteristiche comuni a più serie temporali GPS. A differenza delle componenti orizzontali, il segnale transiente sulla componente verticale è presente con caratteristiche analoghe anche nei siti lontani dagli acquiferi carsici.

La correlazione spaziale con la distribuzione geografica degli acquiferi e l’analogia con il comportamento stagionale suggeriscono che il segnale transiente individuato abbia cause non tettoniche, in particolare associate alle variazioni stagionali e inter-annuali della quantità di acqua nella crosta terrestre. Negli Appennini centro-meridionali il clima è quello tipico delle zone montuose dell’area mediterranea, con estati secche e periodi autunnali e invernali caratterizzati da precipitazioni abbondanti. L’andamento multi-annuale delle precipitazioni nell’area mediterranea risente inoltre di processi climatici a grande scala, come l’Oscillazione Nord Atlantica. Per verificare l’ipotesi circa l’origine del segnale transiente, sono stati analizzati diversi tipi di dati che forniscono indicazioni sulle variazioni del contenuto di acqua sulla/nella crosta terrestre. L’informazione più immediata in questo senso è data dalla misura della pioggia. Le osservazioni della rete pluviometrica della Protezione Civile-Regione Campania indicano un chiaro andamento multi-annuale delle precipitazioni con “periodicità” analoga a quella evidenziata nei dati GPS (Fig. 3).

La variabilità temporale delle precipitazioni sugli Appennini influenza la ricarica degli acquiferi, che si ripercuote sull’andamento dello scarico delle principali sorgenti. Ciò è evidente nella serie temporale di scarico della sorgente Sanità (Caposele), una delle principali sorgenti dell’Italia meridionale (Fig. 3). A periodi caratterizzati da precipitazioni scarse, come gli anni 2007-2008 (intervallo T1) corrisponde uno scarso scarico da parte della sorgente, viceversa accade in periodi ad elevata piovosità (intervallo T2). Sono state analizzate infine le osservazioni dei satelliti GRACE i quali, tramite misure delle variazioni del campo di gravità terrestre, forniscono indicazioni sulle variazioni del contenuto d’acqua totale (Terrestrial Water Storage, TWS) nella crosta terrestre superficiale (come acqua superficiale, sotterranea, umidità del suolo). La stima del TWS mediata sull’area in esame (Fig. 3) mostra un chiaro andamento multi-annuale con caratteristiche simili agli altri tipi di dati, come il periodo a basso TWS negli anni 2007-2008 (intervallo T1).

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Fig. 3. Confronto tra le serie temporali orizzontali GPS (componente N45E) e i dati idrologici. I dati GPS (punti grigi e viola) sono le componenti orizzontali proiettate in direzione N45E di alcuni siti selezionati in area carsica e a cui è stato rimosso un trend a lungo termine (CDRU invertito per chiarezza). I dati di pioggia relativi alle due stazioni Gioi Cilento (linea rossa) e Senerchia (linea arancione) sono rappresentati come pioggia cumulata (sommata nel tempo) a cui è stato successivamente rimosso il trend a lungo termine. Questo tipo di rappresentazione mette in evidenza le deviazioni rispetto a un andamento costante della piovosità. La linea blu rappresenta lo scarico giornaliero della sorgente Caposele. La linea verde (con incertezza ±1-sigma) rappresenta la stima di TWS dai satelliti GRACE. Questa è espressa come altezza di acqua equivalente (EWH) e rappresenta una media sull’area in esame. I cerchi rossi rappresentano la serie verticale GPS “stacked” utilizzando stazioni dentro e fuori l’area carsica. La serie è campionata mensilmente alle stesse epoche del satellite GRACE (si noti l’asse verticale invertito).

Dal confronto tra i dati GPS e i dati idrologici emergono due caratteristiche principali. La componente verticale GPS è notevolmente anticorrelata con il dato di TWS dei satelliti GRACE (Fig. 3). Questo indica che a periodi a basso contenuto d’acqua (come l’intervallo T1) corrisponde un andamento di sollevamento che coinvolge tutta l’area e viceversa accade in periodi ad elevato contenuto d’acqua (come l’intervallo T2). Questo comportamento è tipicamente dovuto alla risposta elastica della crosta a un carico imposto in superficie, che, in questo caso, è dovuto principalmente all’acqua. La componente orizzontale GPS dei siti attorno agli acquiferi carsici è invece fortemente correlata con lo scarico della sorgente Caposele (Fig. 3). In particolare a periodi a scarico elevato (come l’intervallo T2) corrisponde un andamento di espansione degli acquiferi, mentre a periodi di siccità corrisponde un andamento di contrazione (come l’intervallo T2). La spiegazione proposta nel lavoro è che la deformazione orizzontale sia legata alla variazione dell’altezza della tavola d’acqua all’interno degli acquiferi che comporta una variazione della pressione idrostatica all’interno della fitta rete di fratture che caratterizza gli acquiferi. Nei periodi ad elevata ricarica degli acquiferi (come l’intervallo T2) l’aumento di pressione idrostatica provoca l’apertura delle fratture e, a sua volta, una deformazione di tutto l’acquifero. Visti i numerosi e non noti parametri in gioco, la vastità dell’area in esame e la complessità del fenomeno, nel lavoro è presentato un modello molto semplificato che simula le principali caratteristiche della deformazione osservata (Fig. 2).

Oltre all’interesse per la comprensione delle caratteristiche e la gestione ottimale delle grandi riserve d’acqua dell’Appennino, il lavoro mette in evidenza un forte segnale non-tettonico che ha implicazioni potenzialmente significative per l’analisi accurata dei processi tettonici da serie geodetiche.

A cura di Francesca Silverii (INGV, attualmente presso l’Università della California-San Diego).

L’articolo può essere visualizzato al seguente link o richiesto via e-mail all’autrice principale: francesca.silverii@ingv.it, fsilverii@ucsd.edu .

Evento sismico in provincia di Perugia, M 4.1, 2 gennaio 2017

Un terremoto di magnitudo 4.1 è avvenuto questa notte, 2 gennaio, alle ore 4:36 italiane in provincia di Perugia. I comuni più vicini all’epicentro sono Campello sul Clitunno, Castel Ritaldi, Spoleto e Trevi (PG). Il terremoto è stato localizzato a una profondità di circa 8 km.

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L’evento sismico è avvenuto in una zona prossima a quella della sequenza iniziata il 24 agosto in Italia centrale, ma su una struttura diversa, spostata di circa 30 km a ovest di questa, come si vede nella mappa sotto.

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Il terremoto è stato avvertito bene in tutta la zona, come si deduce dalle mappe di scuotimento prodotte con i dati delle reti sismiche e accelerometriche e dal questionario di “hai sentito il terremoto?“.

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La zona è caratterizzata da una pericolosità sismica elevata, come si vede nella mappa sotto.

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In epoca storica l’area in questione è stata colpita da terremoti di magnitudo intorno a 5.5. Si ricordano in particolare il terremoto del giugno 1767 e del settembre 1878 entrambi di magnitudo stimata 5.4 ed avvenuti in prossimità dell’epicentro odierno. Più recentemente, ricordiamo il terremoto di Massa Martana di magnitudo 4.6, con epicentro circa 15 km più a ovest, avvenuto nel maggio 1997.

A seguito della scossa delle 04:36, fino alle 11.00 italiane sono stare registrate 12 repliche, il più forte di magnitudo 2.5 avvenuto alle ore 06.35. Ulteriori informazioni e mappe sono disponibili sul sito INGV alla pagina dell’evento.

Sequenza sismica in Italia centrale: rapporto di sintesi sul terremoto del 30 ottobre

E’ stato pubblicato sul sito web dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV), all’indirizzo www.ingv.it, il Rapporto di aggiornamento sul terremoto, di magnitudo 6.5, che ha colpito l’Italia centrale il 30 ottobre scorso (in italiano e in inglese). Nelle 49 pagine del rapporto sono descritti sia gli studi in corso sia i risultati preliminari basati sui dati dell’evento sismico in questione e sui rapporti tra questo e i precedenti terremoti del 24 agosto e del 26 ottobre.

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Mappa della sismicità della regione dal 1985 ad oggi: in blu gli epicentri dal 1985 al luglio 2016, in giallo gli epicentri dal 24 agosto al 25 ottobre 2016, in rosso quelli dal 26 ottobre al 3 novembre 2016. Le stelle sono gli eventi di magnitudo uguale o maggiore di 5.0.

Nel rapporto vengono descritte: le analisi dei dati sismologici, con mappe e sezioni verticali attraverso la zona epicentrale; i modelli di faglia basati sui dati sismometrici e accelerometrici, sui dati geodetici (GPS e da SAR – interferometria radar da satellite) con le prime indicazioni della distribuzione del movimento di dettaglio delle varie faglie; l’impatto del terremoto sul territorio, “visto” dai dati sismici e stimato in base alle Shake maps  e alle analisi sul terreno; la fagliazione, osservata in superficie in tutta l’area interessata dai terremoti più forti dal 24 agosto al 30 ottobre; e, infine, una stima delle probabilità di accadimento delle future repliche (aftershocks).

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Mappa degli spostamenti co-sismici GPS – orizzontali (frecce rosse) e verticali (frecce blu) – ottenuti dalla combinazione di tre soluzioni geodetiche indipendenti per l’evento del 30 Ottobre 2016. I quadrati bianchi mostrano la posizione delle stazioni GPS permanenti e quelli color magenta delle stazioni RING-INGV (doi:10.13127/RING). I quadrati arancioni mostrano le stazioni GPS permanenti gestite da DPC e ISPRA. I quadrati verdi e blu mostrano le stazioni della rete CaGeoNet e della rete IGM, rispettivamente, ri-occupati dopo il 24 Agosto.

Dall’analisi di tutti i dati analizzati finora stanno emergendo risultati interessanti sul sistema di faglie che attraversa la regione e che si è attivato in questa sequenza sismica che, lo ricordiamo, è tuttora in corso. Sono infatti ancora diverse centinaia le repliche che vengono localizzate ogni giorno dalla Rete Sismica Nazionale dell’INGV.

L’analisi dei dati geologici, di quelli geodetici e sismologici sono coerenti nell’individuazione delle faglie e della loro cinematica, sebbene siano stati osservati alcuni elementi che sono in corso di approfondimenti e che sono il sintomo della complessità del sistema.

E’ comunque ormai chiaro che le faglie responsabili dei terremoti sono quelle note in letteratura come faglia del Monte Vettore-Bove, faglie normali (ossia a carattere estensionale) orientate in senso NNW-SSE e immergenti verso ovest. Le faglie si sono attivate per l’intero spessore dello strato sismogenetico, da circa 10 km di profondità fino alla superficie, producendo rotture ben visibili in affioramento, con “rigetti” (ossia scalini) che raggiungono in qualche punto i due metri.

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Rottura cosismica del 30 Ottobre 2016: dislocazione lungo il piano di faglia in roccia.

Queste rotture osservate in superficie rappresentano la prosecuzione del movimento profondo sul piano di faglia, che si è originato intorno agli 8-10 km (l’ipocentro) e si è propagata lateralmente e verso l’alto. Sia i dati accelerometrici che quelli geodetici sono coerenti nell’individuazione delle zone di massimo spostamento della faglia del 30 ottobre, che si colloca tra le precedenti rotture del 24 agosto a sud e del 26 ottobre a nord, interessando principalmente il settore centrale del sistema di faglie e la sua parte più superficiale, dove vengono individuati spostamenti superiori ai 2.5 metri sul piano di faglia. È infatti evidente che lo spostamento lungo i diversi segmenti di faglia attivi in questi mesi non è avvenuto in maniera omogenea, ma ha avuto forti eterogeneità: spostamenti da pochi decimetri a 1-2 metri sul piano della stessa faglia. Questo potrebbe spiegare la complessità della sequenza, con l’attivazione successiva di segmenti di faglia di grandezza diversa e con spostamenti dei due lembi della faglia anche molto diversi. Sono visibili inoltre altre faglie “minori” che si sono mosse durante la sequenza.

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Modello preliminare della sorgente sismica del terremoto del 30 ottobre ottenuta da dati InSAR.

È in corso l’elaborazione di modelli più raffinati per identificare i dettagli di questa geometria e cinematica, confrontando e analizzando congiuntamente tutti i dati disponibili.

L’analisi dei dati accelerometrici del terremoto del 30 ottobre ad Amatrice, dove era stata installata una rete sismica temporanea per effettuare indagini propedeutiche alle attività di microzonazione sismica, ha evidenziato delle forti variazioni delle accelerazioni del suolo a distanze molto brevi, con amplificazioni fino a un fattore 5 rispetto a siti su roccia, dovute principalmente alla struttura geologica superficiale.

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Componente Z delle accelerazioni registrate nel paese di Amatrice – San Cipriano durante il terremoto Mw 6.5 del 30 ottobre 2016; per ogni stazione sono anche indicati i valori di PGA verticale.

Le analisi proseguono per seguire attentamente l’andamento delle repliche (il cui numero ha ormai superato quota 26000), per una mappatura di dettaglio degli effetti di superficie, per realizzare dei modelli di faglie che riescano a tener conto di tutti gli elementi osservati sul terreno e dal satellite.

Il report completo è disponibile al seguente link “RAPPORTO DI SINTESI SUL TERREMOTO IN CENTRO ITALIA MW 6.5 DEL 30 OTTOBRE 2016” a cura del Gruppo di Lavoro INGV sul Terremoto in centro Italia (2016).

Citare come: Gruppo di Lavoro INGV sul terremoto in centro Italia (2016). Rapporto di sintesi sul Terremoto in centro Italia Mw 6.5 del 30 ottobre 2016, doi: 10.5281/zenodo.166019


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Terremoto M8.1 in Nuova Zelanda alle 12:03 (ital.) del 13 novembre

Un forte terremoto è stato registrato poco fa dalle reti sismiche di tutto il mondo. Si tratta di un evento sismico di magnitudo (preliminare) 8.1 localizzato nella South Island della Nuova Zelanda, alle 12:03 di oggi 13 novembre 2016. L’epicentro è localizzato in terra, ma data la grandezza della faglia attivata il terremoto ha dislocato il fondale oceanico con la generazione di uno tsunami.

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Il terremoto ha generato forte scuotimento lungo tutta l’isola. La mappa di scuotimento dell’USGS mostra livelli pari al VII grado della scala Mercalli modificata (inferiore a quella in uso da noi, la Mercalli-Cancani-Sieberg).

Mappa di scuotimento stimata dall'U.S. Geological Survey

Mappa di scuotimento stimata dall’U.S. Geological Survey

Il Centro Allerta Tsunami (CAT) dell’INGV, che opera istituzionalmente per i terremoti del Mediterraneo ma che effettua anche il monitoraggio a scala globale, ha determinato per questo evento un magnitudo (Mwpd) di poco superiore a 8. Gli altri centri di monitoraggio terremoti e tsunami al momento (le 13 it.) forniscono valori di poco inferiori a 8.

Tutti i principali centri di allerta tsunami hanno emanato un’allerta per la Nuova Zelanda. I primi dati dei mareografi sulla costa pacifica dell’isola indicano dei forti disturbi del livello del mare, come ad esempio a Kaikoura (figura sotto), con valori di +/-2 metri.

Al CAT dell’INGV si prosegue l’osservazione del livello del mare alle varie stazioni della regione. L’immagine sotto mostra l’analisi del livello del mare in corso al mareografo di Kaikoura, con la misura fatta sul segnale filtrato, pari a +2.4 metri rispetto al livello medio.

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Terremoto M3.9 a Castelfiorentino (Firenze), 25 ottobre ore 18:53

Un terremoto di magnitudo 3.9 (ML, magnitudo Richter) è avvenuto alle 18:53 di oggi, 25 ottobre, in provincia di Firenze, molto vicino a Castelfiorentino.

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Il terremoto è stato avvertito estesamente in provincia di Firenze, Prato, Pisa e altri centri dell’alta Toscana, come si vede dai questionari di “haisentitoilterremoto” mostrati sotto.

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L’area di Castelfiorentino è stata interessata in passato da terremoti di magnitudo moderata. Le massime intensità riportate dal catalogo CPTI15 sono del V e VI grado MCS, riferite a terremoti della seconda metà dell’800 e l’inizio del ‘900.

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Storia sismica di Castelfiorentino (FI), http://emidius.mi.ingv.it/CPTI15-DBMI15/

Il terremoto è stato registrato da quasi tutta la Rete Sismica Nazionale dell’INGV. Qui viene mostrata la registrazione della stazione sismica di Castellina in Chianti (CSNT), non distante dall’epicentro. Si vede che il terremoto di magnitudo 3.9 (in fondo al grafico, in rosso) è stato preceduto da un altro piccolo evento di magnitudo 2.2, circa due minuti prima.

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Registrazione della stazione sismica di Castellina in Chianti (CSNT), appartenente alla Rete Sismica Nazionale dell’INGV.

 

 

 

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