Archivi categoria: Approfondimenti scientifici sui terremoti

Gatti che prevedono i terremoti?

Qualche giorno fa ha tenuto banco sul web e sui social media la notizia dello strano comportamento di una comunità di gatti che si trovavano al Cat Café in Giappone, durante il (o prima del?) terremoto a Osaka dello scorso 18 giugno (il 17 sera in Italia). Molti ci hanno segnalato un video, riportato da molti giornali e siti  italiani e stranieri, enfatizzando la sensibilità degli animali prima del terremoto (la Repubblica “Giappone, l’incredibile intuito dei gatti: fuggono prima del terremoto“; La Sicilia.it “I gatti “sentono” il terremoto prima che accada“, Corriere della Sera “Giappone, i gatti «sentono» l’arrivo del terremoto: ecco cosa fanno“, ecc.). Nel video si notano molti gatti che iniziano tutti a muoversi contemporaneamente dalla posizione di torpore che avevano tenuto fino a un attimo prima: chi alza la testa di scatto, chi si rizza in pedi, chi si sposta nella stanza. Circa dieci secondi dopo si vede la stanza ballare fortemente, i lampadari e alcuni mobili oscillano, si sentono rumori di oggetti che sbattono: è avvenuto un terremoto, e anche piuttosto forte.

07:58:45: i gatti del Cat Café sonnecchiano tranquilli prima del terremoto.

Avranno avvertito qualche fenomeno precursore, come ipotizzato dai giornali? O, più banalmente, sono stati allertati dall’onda P (più debole) prima di essere investiti dalla più forte onda S (quella che nel video fa ballare tutto e spaventa gli animali)? Proviamo a fare due calcoli per verificare questa ipotesi, considerando anzitutto il tempo origine del terremoto e quelli delle onde sismiche (il video riporta il tempo che scorre in alto a sinistra); poi verificheremo se le supposizioni fatte in base a questi calcoli sono compatibili con la distanza tra l’epicentro e il “Cat Café”.

Cosa sarebbe accaduto se il Cat Café fosse stato posto, per esempio, a 10 km dall’epicentro? In questo caso un gatto sensibile si sarebbe allertato dopo un paio di secondi (il tempo per un’onda P di percorrere quel tragitto), e avrebbe iniziato a “ballare” seriamente all’incirca dopo altri due secondi (all’arrivo delle onde S, perché queste viaggiano a una velocità di poco superiore alla metà di quella delle P). Allontanandoci dall’epicentro, l’intervallo temporale tra onde S e onde P aumenta.

07:58:48: i gatti del Cat Café avvertono un rumore secco (e forse una vibrazione) e alzano la testa di scatto

Guardando attentamente il famoso video dei gatti, si nota che i gatti alzano la testa e iniziano a muoversi alle 07:58:48. Il terremoto ha avuto origine (ce lo dicono le reti sismiche) alle 07:58:35, quindi 13 secondi prima. Da notare che i gatti alzano la testa esattamente in corrispondenza di un rumore secco nella stanza. Potrebbe quindi essere stato un semplice rumore improvviso ad avere allertato i gatti (dovuto per esempio a una porta o a una finestra che sbatte, a qualcuno che entra, a un oggetto che cade), ma in realtà vediamo che essi continuano a restare vigili nei secondi successivi.

Poco dopo, arriviamo a quello che i commentatori hanno interpretato come il vero terremoto: si vede la stanza ballare fortemente a partire dalle 07:58:58, quindi circa 10 secondi dopo le prime “alzate di testa” dei gatti. Potrebbe essere l’arrivo delle onde S?

07:58:58: i gatti del Cat Café scappano impauriti all’arrivo del “terremoto”

Ecco il calcolo che si può fare. Ipotesi: abbiamo un’onda P dopo 13 secondi e una S dopo 23 secondi dal tempo origine dal terremoto. Se assumiamo una velocità media delle onde P nella crosta pari a 6 km/s otteniamo una distanza dall’ipocentro di 78 km (6 km/s x 13 s). Vediamo le S: assumendo una velocità delle onde S pari a quella delle onde P diviso 1.78 (come da manuale) otteniamo: 6/1.78 = 3.37 km/s. Moltiplicando questa velocità per il tempo di tragitto (in questo caso 23 secondi) otteniamo: 3.37 km/s x 23 s = 77.5 km.

In sostanza, i due momenti di “attenzione” dei gatti potrebbero corrispondere all’arrivo delle onde P e delle onde S, se il luogo si trovasse a 75-80 km.

Non ci resta quindi che verificare la posizione del Cat Café rispetto all’epicentro del terremoto del 18 giugno. Mettiamo nelle mappe di Google la posizione del Cat Café (延時147-13 和歌山グランドビル3FWakayama) e le coordinate dell’epicentro del terremoto (34.826°N – 135.640°E) e il gioco è fatto: 77.5 chilometri!

Mappa dell’area epicentrale: la distanza (linea nera) tra il Cat Café (in basso a sinistra) e l’epicentro (in alto a destra): 77.5 km (maps.google)

Il caso è quindi risolto. I poveri mici sono stati spaventati (poco) dall’onda P del terremoto, che ha impiegato circa 13 secondi per raggiungere il Cat Café. Che si siano allarmati per le vibrazioni o per il rumore prodotto da qualcosa che veniva spostato dall’arrivo dell’onda sismica, non lo possiamo sapere. Dieci secondi dopo, arriva il vero terremoto, o meglio il vero scuotimento, quello delle onde S, accompagnato da forti rumori di cose che scricchiolano e sbatacchiano, e allora si spaventano parecchio. Da notare che in quella stanza non cade neanche uno scaffale o un oggetto dai mobili, segno che i gestori avevano tenuto in giusto conto l’ipotesi di un evento sismico (cosa piuttosto frequente da quelle parti) fissando i mobili alle pareti. Evidentemente sono preparati ai terremoti. E vogliono bene ai gatti.

A cura di Alessandro Amato, INGV.


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Terremoti in provincia di Parma, 19 novembre 2017

Oggi, 19 novembre 2017 alle ore 13:37 italiane, è stato localizzato dalla Rete Sismica Nazionale dell’INGV un terremoto di magnitudo Richter ML 4.4 (magnitudo momento Mw 4.4) in provincia di Parma ad una profondità di 32 km. I comuni più vicini all’epicentro sono tutti in provincia di Parma (Fornovo di Taro, Varano de’ Melegari, Terenzo, Calestano, Solignano) e la città di Parma dista 26 km.

Tra ieri e oggi, sono stati 34 complessivamente gli eventi sismici localizzati in quell’area, di cui 14 hanno avuto magnitudo pari o maggiore di 2.0 con un terremoto di magnitudo 3.3 avvenuto alle ore 13.10 italiane di oggi, poco prima dell’evento di magnitudo 4.4.

Questa scossa è avvenuta lungo l’Appennino parmense dove i terremoti sono frequenti e spesso interessano la porzione profonda della crosta, al di sotto dei 20 km, diversamente dai terremoti del 2012 nella Pianura Padana che invece interessarono la copertura sedimentaria più superficiale.

Il meccanismo focale ottenuto con i dati delle forme d’onda della Rete Sismica Nazionale mostra che il terremoto si è generato molto probabilmente su una faglia inversa e il movimento è stato di tipo compressivo, con asse di massima compressione orientato circa nordest-sudovest. La magnitudo momento Mw calcolata è pari a 4.4.

Meccanismo focale del terremoto di oggi in provincia di Parma. Il simbolo rosso e bianco indica il tipo di geometria e movimento della faglia responsabile del terremoto. La stella rossa è l’epicentro del terremoto e i triangoli rossi sono le stazioni sismiche usate nel calcolo.

Negli ultimi 12 anni, in quest’area si è avuta una sismicità diffusa con terremoti al di sotto di magnitudo 5, il più forte dei quali è il terremoto profondo 72 km avvenuto il 27 gennaio 2012.

L’area interessata dal terremoto odierno è caratterizzata storicamente da sismicità moderata, pur in un contesto di relativa incompletezza storica delle informazioni disponibili. Allo stato attuale delle conoscenze, infatti, la storia sismica dell’area appare ragionevolmente completa per classi di magnitudo Mw≥4.5 solo a partire dalla fine del XIX secolo, pur conservando traccia di un paio di terremoti significativi nel 1818 (Mw 5.2) – l’evento più rilevante della storia sismica dell’area – e nel 1834 (Mw 5.1).

Allargando l’area di osservazione a 30 km dall’epicentro, la storia sismica si arricchisce di numerosi eventi localizzati sulla città di Parma, che è ovviamente il punto di ‘registrazione’ delle informazioni storiche, senza però che emergano eventi di particolare consistenza.

Anche la storia sismica osservata di Fornovo di Taro, località più prossima alla localizzazione dell’evento di oggi, pur poco significativa in termini di completezza storica, presenta solo tre episodi di danneggiamento leggero o moderato, rispettivamente per i terremoti della Garfagnana del 7 settembre 1920 [Int. 6-7 MCS], del Parmense del 15 luglio 1971 [Int. 7 MCS] e del Parmense del 9 novembre 1983 [Int. 6 MCS].

Storia sismica osservata a Fornovo di Taro (PR): nella scala MCS il grado 6 classifica l’inizio del danneggiamento leggero, ma diffuso (Database macrosismico italiano DBMI15).

Dal punto di vista della pericolosità sismica, l’area interessata dai terremoti di questi giorni è caratterizzata da una pericolosità medio-alta con valori di accelerazione attesa tra 0.150 e 0.175 g.

L’epicentro del terremoto Ml 4.4 delle ore 13:37 italiane sovrapposto alla mappa di pericolosità sismica del territorio nazionale (http://zonesismiche.ingv.it)

La mappa di scuotimento dell’evento di magnitudo M 4.4, espressa in termini di intensità in scala Mercalli-Cancani-Sieberg (MCS), è ottenuta convertendo i valori di picco del moto del suolo (espresso in termini di accelerazione e in velocità) in intensità attraverso una relazione empirica ricavate dai dati registrati e macrosismici disponibili.

La mappa di scuotimento dell’evento di magnitudo M4.4 avvenuto oggi, 19 novembre 2017, alle ore 13.37 italiane espressa in termini di intensità in scala Mercalli-Cancani-Sieberg (MCS) è ottenuta convertendo i valori di picco del moto del suolo (espresso in termini di accelerazione e in velocità) in intensità attraverso una relazione empirica ricavate dai dati registrati e macrosismici disponibili.

Secondo i questionari di http://www.haisentitoilterremoto.it/, il terremoto è stato risentito diffusamente in Emilia Romagna, Liguria, Lombardia, in una parte del Piemonte, del Veneto e della Toscana.

La mappa del risentimento sismico in scala MCS (Mercalli-Cancani-Sieberg) che mostra la distribuzione degli effetti del terremoto sul territorio. Con la stella in colore viola viene indicato l’epicentro strumentale del terremoto, i cerchi colorati si riferiscono alle intensità associate ad ogni comune. Nella didascalia in alto è indicato il numero dei questionari elaborati per ottenere la mappa stessa. Cliccare sulla mappa per vedere la versione aggiornata http://mappe.haisentitoilterremoto.it/17671101/mcs.jpg

Per maggiori informazioni sul terremoto di magnitudo 4.4 si veda la pagina informativa dell’evento.

Il terremoto del 30 ottobre 2016: trincee paleosismologiche sulla faglia

La scorsa settimana l’INGV, in collaborazione con i colleghi francesi dell’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, ha aperto 3 trincee per studi paleosismologici lungo la faglia del terremoto del 30 ottobre 2016 (Mw 6.5), con l’obiettivo di individuare e datare i terremoti antenati di quest’ultimo che hanno a loro volta prodotto rotture dall’ipocentro fino alla superficie.

Infatti, il terremoto del 30 ottobre ha rotto la crosta terrestre dall’ipocentro alla superficie producendo sui versanti occidentali dei Monti Vettore-Bove e nelle piane sottostanti degli scalini che interrompono le morfologie e si estendono per circa 25 km (Rapporto di sintesi sul terremoto del 30 ottobre M 6.5 in Italia Centrale).

Questi effetti geologici prodotti dal terremoto in superficie sono avvenuti anche con i terremoti del passato e se conservati nel record geologico possono essere letti e interpretati dai paleosismologi. Ma perché questi studi? Il passato è una chiave per conoscere il futuro. Quindi per poter modellare il comportamento sismico nel futuro di una regione utilizziamo tutta la storia sismica precedente che si basa principalmente su dati di sismologia storica, recente, ma anche di “archeosismologia” e “paleosismologia” che ci permettono di estendere le informazioni sui grandi terremoti indietro nel tempo di alcune migliaia di anni.

Una quindicina di anni fa delle trincee erano state scavate nella piana di Castelluccio (Galadini e Galli, 2003) e vi erano state riconosciute le tracce di un evento più antico di 800 anni – di magnitudo probabilmente simile a quello del 30 ottobre – e di un paio di terremoti precedenti.

Le nuove trincee aperte ai piedi del Monte Vettore (in foto qui sotto) mostrano chiaramente l’andamento della faglia in profondità e le evidenze di dislocazioni prodotte da terremoti precedenti. Sono in corso rilievi accurati e datazioni che permetteranno di caratterizzare tali eventi.

Nei prossimi giorni queste trincee saranno visitate a un centinaio di geologi e sismologi italiani e stranieri che parteciperanno al Workshop internazionale itinerante «From 1997 to 2016: Three destructive earthquakes along the central apennine fault system” che abbiamo organizzato insieme all’Università di Camerino e ad altre Università e enti nazionali e internazionali.

Questo incontro ripercorrerà sul terreno le faglie responsabili dei terremoti del 1997, 2009 e 2016, per rianalizzare gli effetti prodotti in superficie (scarpate di faglia, subsidenza, frane, liquefazioni ecc.), discuterne affinità e differenze, congruenze e incongruenze con gli altri dati a disposizione e definire il ruolo delle conoscenze geologiche nella stima della pericolosità sismica.

Link

Pagina di approfondimenti sulla sequenza sismica di Amatrice, Norcia e Visso del 2016-2017.


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La sismicità dell’area geotermica di Larderello-Travale tra le province di Pisa, Siena e Grosseto

L’INGV riceve spesso richieste di chiarimento sull’andamento della sismicità in aree in cui sono in corso attività antropiche, quali le aree geotermiche o quelle di estrazione di idrocarburi. Nelle settimane passate, da alcuni cittadini sono arrivate richieste relative a una stessa area – la zona geotermica di Larderello-Travale, nelle Colline Metallifere – e in questo articolo condividiamo la risposta che è stata fornita loro, per una migliore diffusione delle informazioni. 


La zona geotermica di Larderello-Travale è un’area nella quale si sfrutta il potenziale geotermico per la produzione di energia sin dall’inizio del ‘900 e per la quale da molti anni ci si interroga se tale produzione possa provocare terremoti.
Per questo motivo è stata analizzata la sismicità storica e attuale dell’area. È stata esaminata un’area quadrata di 50 km di lato (Figura 1), centrata su Castelnuovo Val di Cecina (Pisa); dal 1985 a oggi la Rete Sismica Nazionale dell’INGV ha registrato 1111 terremoti con magnitudo comprese nell’intervallo 0.43.8 (Catalogo ISIDE; http://iside.rm.ingv.it/).

Figura 1 – Epicentri dei terremoti (cerchi colorati) in un quadrato di 50 km centrato sull’abitato di Castelnuovo Val di Cecina (Pi) per il periodo 1985-2017.

La sismicità è principalmente distribuita nelle aree geotermiche di Larderello e Travale e attorno all’abitato di Montieri. Vi sono tuttavia altre zone di addensamenti epicentrali non direttamente associati alla presenza di manifestazioni geotermiche, quali ad esempio i quadranti nord-est e sud-est della regione investigata (i dintorni di Monteriggioni e Roccastrada, rispettivamente). Gli eventi più energetici, entrambi di magnitudo 3.8, sono avvenuti nel 1993 e nel 1998 con i seguenti parametri ipocentrali:

Data e ora   Lat Lon prof Magnitudo Md Area
1993-08-06 07:51:49 UTC 43.311 10.981 9.8 3.8 (Loc. Monteguidi)
1998-05-20 11:07:41 UTC 43.172 10.784 4.5 3.8 (Loc. Lagoni Rossi)

In occasione del terremoto del 1993 sorse il problema di un’ventuale correlazione con la produzione di energia e si svolsero diversi incontri della popolazione con ricercatori dell’Università di Pisa. Per il medesimo catalogo ( 1985-attuale), la Figura 2 riporta i grafici con l’andamento temporale delle magnitudo e del numero di eventi/mese. A partire dal 2005, si notano (a) un progressivo aumento della sismicità, che diventa particolarmente evidente dopo il 2010-2011, e (b) una brusca diminuzione delle magnitudo, in particolare delle minime (da circa 2 a 1 o meno).

Figura 2 – Andamento temporale delle magnitudo e del numero di eventi/mese

La prima osservazione è legata al potenziamento di tutta la Rete Sismica Nazionale  iniziato nel 2002, che ha portato ad un consistente abbassamento delle soglie di discriminazione degli eventi sismici (Amato e Mele, 2008). In particolare, nel 2010 furono installate nella zona della Toscana centrale le due nuove stazioni sismiche TRIF (Trifonti) e FROS (Frosini) che, migliorando la copertura strumentale dell’area, hanno reso possibile l’individuazione di un maggior numero di terremoti, anche di magnitudo molto piccola. L’apparente brusca  diminuzione delle magnitudo (Figura 2, pannello in alto) è invece attribuibile al cambio del sistema di analisi dei dati all’INGV. Nell’aprile del 2005, infatti, entrava a regime una nuova procedura di localizzazione degli eventi basata sui dati delle nuove stazioni digitali istallate negli anni precedenti. Contestualmente, grazie all’utilizzo dei dati digitali della rinnovata Rete Sismica Nazionale, veniva introdotto il calcolo sistematico della Magnitudo Locale (o Richter) al posto della Magnitudo Durata (Md), usata fino al 2005 per i terremoti più piccoli (come indicato nel Catalogo ISIDE). La magnitudo Richter risulta più affidabile per la definizione di magnitudo basse e molto basse.

Gli andamenti temporali della sismicità per l’area in esame mostrati in Figura 2 devono quindi essere valutati tenendo conto di queste due osservazioni. Le variazioni diventano significative solo successivamente al 2010, ovvero da quando sia la configurazione della Rete che le modalità di stima della Magnitudo sono rimaste invariate.

In Figura 3 viene mostrata la distribuzione nel tempo del numero mensile di terremoti a partire dal 1/1/2011, sia per l’intero catalogo (pannello in alto) che limitatamente ai terremoti con M ≥ 2 (pannello in basso).

Figura 3 – Distribuzione nel tempo del numero mensile di terremoti di magnitudo pari o superiore a 2 nell’area esaminata a partire dal 1/1/2011

La normale attività sismica dell’area, caratterizzata da pochi eventi al mese (generalmente meno di 20), è occasionalmente perturbata da episodi di maggiore sismicità, di cui il più evidente è quello che interessa i primi mesi del 2016. Limitando le considerazioni ai terremoti con M ≥ 2, si notano diversi periodi nel 2013, 2016 e 2017 con un numero maggiore di eventi rispetto a quanto osservato in altri intervalli temporali; per quanto statisticamente significativi, questi incrementi vanno comunque considerati anche alla luce di quanto osservato a scala nazionale. A titolo di esempio, sempre considerando i terremoti con M ≥ 2, in tutta Italia nel 2015 ne sono stati registrati 1969 (~164/mese) e nel 2016 ben 10713 (~892/mese, la maggior parte dei quali comunque dovuti alla sequenza dell’Italia centrale).

Nella figura qui sotto (Figura 4)  viene mostrata la distribuzione degli epicentri per intervalli di durata annuale nel periodo compreso fra il 2011 ed il 2017 (quest’ultima rappresentazione è ovviamente incompleta). Il colore dei simboli indica la magnitudo, secondo la scala cromatica riportata alla destra di ciascuna mappa. La sigla CVC indica, per riferimento, l’abitato principale di Castelnuovo Val di Cecina

L’incremento di attività del 2016 è associato principalmente a due sequenze sismiche (Figure sopra): la prima ha interessato un’area compresa fra Monteriggioni e Colle Val d’Elsa; la seconda è invece avvenuta nei dintorni dell’abitato di Frosini, al margine orientale dell’area di studio. Sempre durante il 2016, l’evento principale (M=3.3) è avvenuto il 2016-06-09 alle 14:01:07 nel settore NNW dell’area in esame, circa 4 km a nordest di Montecatini Val di Cecina. Sia le due sequenze che l’evento di maggior magnitudo sono quindi esterni all’area geotermica di Larderello-Travale.

Per quanto concerne la possibile correlazione tra la sismicità e le attività di sfruttamento delle aree geotermiche (inclusa la reiniezione di fluidi dopo lo sfruttamento, pratica comune a tutte le attività di questo tipo), vi sono due elementi da considerare:

1. la zona è sismicamente attiva a prescindere da ogni attività antropica; sono infatti documentati due principali terremoti storici, accaduti ben prima dell’avvio dei processi industriali di sfruttamento del sottosuolo (v. Catalogo Parametrico dei Terremoti Italiani 2015; http://emidius.mi.ingv.it/CPTI15-DBMI15/)

anno mese giorno Lat Lon magnitudo stimata Mw 
1414 8 7 43.270 11.121 5.7
1724 12 11 43.167 11.008 5.1

2. In generale, le relazioni fra attività di coltivazione della risorsa geotermica e l’insorgenza di microsismicità indotta sono ben note. Lo specifico caso dell’area di Larderello-Travale è trattato nello studio di Batini et al. (1985), basato su dati rilevati dalla rete microsismica dell’ENEL. Questo lavoro evidenziava una marcata correlazione tra sismicità e attività di re-iniezione, mostrando tuttavia come il numero di eventi con M > 2 non dipenda dalla quantità di fluidi re-iniettati. In altre parole, secondo tale studio il processo di re-iniezione nell’area geotermica di Larderello-Travale influisce sul numero di eventi di bassa magnitudo (M<2), senza però indurre alcuna variazione significativa sui tassi di sismicità di magnitudo maggiore (‘The increased seismicity following the increase in the quantity of reinjected water leads one to hypothesize a cause and effect relationship between reinjection and microearthquakes, without, however, any increase in the maximum magnitude values’. Batini et al., op.cit.)

A cura di Gilberto Saccorotti e Davide Piccinini (INGV – Pisa)


Riferimenti bibliografici

Amato, A., and F. Mele (2008). Performance of the INGV National Seismic Network from 1997 to 2007. Annals of Geophysics 51 (2-3), 417-431.

Batini, F., R. Console and G. Luongo, 1985. Seismological Study of the Larderello-Travale Geothermal area. Geothermics, 14, 255-272.

ISIDE. The Italian Instrumental and Seismological parametric data base. ISIDe working group (2016) version 1.0, DOI: 10.13127/ISIDe.

Wells, D.L. and Coppersmith K.J., 1994. New Empirical Relationships among Magnitude, Rupture Length, Rupture Width, Rupture Area, and Surface Displacement. Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 84, No. 4, pp. 974-1002.

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).

fig1

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.

fig2

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).

fig3

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 .

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