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Il GPS per lo studio delle deformazioni della crosta terrestre

Il GPS è ormai entrato a far parte della vita quotidiana di tutti noi, visto il crescente numero di dispositivi di uso comune che hanno al loro interno un ricevitore GPS (navigatori per auto, smartphone, tablet, orologi). Ma vediamo per quali scopi era nato e soprattutto come viene utilizzato in ambito geofisico, il sistema GPS.

Originariamente sviluppato negli USA per scopi militari negli anni Settanta del secolo scorso, il GPS (Global Positioning System) è un sistema di posizionamento globale basato sulla ricezione a terra di segnali radio emessi da una costellazione di satelliti artificiali in orbita attorno alla Terra ad un’altezza di circa 20000 km. Esso è stato il primo ed è tuttora il più utilizzato sistema di navigazione satellitare al mondo; negli anni infatti nuovi sistemi simili al GPS hanno visto la luce: il russo GLONASS, pienamente operativo dal 2011, il cinese BEIDOU e l’europeo GALILEO, ancora non completamente operativi. Tutti questi sistemi costituiscono, nel loro complesso, quello che è oggi noto con l’acronimo GNSS (Global Navigation Satellite System).

Nel prossimo futuro, l’utilizzo congiunto dei segnali provenienti dalle diverse costellazioni satellitari GNSS, che è in parte già una realtà, porterà vantaggi operativi e miglioramenti nella precisione del posizionamento.

Satelliti GNSS: in alto GPS, GLONASS; in basso BEIDOU, GALILEO.

Il principio di funzionamento del GPS si può semplificare in questo modo: il segnale emesso dai satelliti, piuttosto complesso e costituito da varie componenti (codici e fasi), viene ricevuto a terra da antenne collegate a opportuni ricevitori. Nota la posizione dei satelliti e il tempo impiegato dal segnale a compiere il percorso satellite-ricevitore, si riesce a determinare la posizione del punto a terra. Leggi il resto di questa voce

Un aggiornamento a tre anni dal terremoto del 24 agosto 2016

A tre anni dal terremoto del 24 agosto 2016, cerchiamo di fare il punto sull’attività sismica in corso nell’area e vediamo come sono proseguite le ricerche in quest’ultimo anno. La grande quantità di dati sismici, geodetici, geologici, raccolti durante la sequenza è stata già oggetto di numerose pubblicazioni e sono tuttora in corso analisi più di dettaglio, con nuovi metodi e collaborazioni con ricercatori di altri istituti e università italiane e internazionali.

Abbiamo pensato di porre delle domande ad alcuni dei ricercatori che in questi anni hanno studiato e stanno studiando la sequenza sismica e le faglie presenti sul territorio, iniziando da Lucia Margheriti, primo ricercatore dell’Osservatorio Nazionale Terremoti dell’INGV, attuale responsabile del gruppo di lavoro del Bollettino Sismico Italiano e co-autrice dell’articolo “Multi-segment rupture of the 2016 Amatrice-Visso-Norcia seismic sequence (central Italy) constrained by the first high-quality catalog of Early Aftershocks“, di Improta et al., pubblicato sulla rivista Scientific Reports di Nature nel maggio 2019.

Lucia, a tre anni dal terremoto del 24 agosto 2016 possiamo dire che la sequenza sismica nel centro Italia è terminata?

“La sequenza sismica che ha interessato l’Appennino centrale con numerose scosse di magnitudo maggiore di 5 tra il 24 agosto del 2016 e il 18 gennaio del 2017 non è ancora conclusa; infatti l’area compresa tra Camerino e L’Aquila è ancora oggi interessata da una sismicità persistente che presenta un rilascio di energia maggiore rispetto a quanto accadeva prima del 24 agosto 2016. Nel grafico sottostante è riportato l’andamento della sismicità da luglio 2016 ad agosto 2019 all’interno del rettangolo di coordinate lat. 42.4 – 43.2, lon. 12.6 – 13.9: in particolare, le linee verticali mostrano il numero di eventi giornalieri di magnitudo≥2.0 avvenuti durante la sequenza; i giorni e le ore con il maggior numero di terremoti sono quelli che seguono le scosse più forti: più di 800 eventi dopo il 24 agosto 2016 (di cui due forti di magnitudo Mw 6.0 e Mw 5.4 nella zona di Amatrice); quasi 1000 eventi giornalieri dopo il 30 ottobre 2016 (aftershocks degli eventi di magnitudo Mw 5.4 e Mw 5.9 del 26 ottobre nell’area di Visso (MC) e dell’evento più forte della sequenza del 30 ottobre di magnitudo Mw 6.5, con epicentro a Norcia), circa 500 eventi il 18 gennaio 2017 (di cui quattro con magnitudo maggiore o uguale a 5.0 verificatisi nell’area meridionale della sequenza nei pressi di Barete). Nello stesso grafico i cerchietti neri indicano il rilascio di momento sismico giornaliero, una grandezza che stima la somma dell’energia rilasciata dai terremoti ogni giorno, l’asse delle ordinate a destra è in scala logaritmica: il momento sismico rilasciato dagli eventi del 30 ottobre 2016 raggiunge quasi 10^19 Nm, un valore un milione di volte più elevato del fondo scala del grafico; come si può vedere il livello dell’energia rilasciata a luglio-agosto 2019 è ancora mediamente più alto di quello di luglio 2016“.

Figura 1 – Grafico dell’andamento della sismicità dal luglio 2016 ad agosto 2019, l’asse delle ordinate a sinistra indica il numero giornaliero di terremoti rappresentati dalle linee verticali nel grafico; l’asse delle ordinate a destra mostra i valori del rilascio di momento sismico giornaliero rappresentato dai cerchietti neri nel grafico; vedi testo per i dettagli.

“In totale, l’INGV ha localizzato nell’area della sequenza sismica più di 110000 eventi sismici, Leggi il resto di questa voce

Ricordando il terremoto del 6 aprile 2009: 2) Modelli di faglia

In questo secondo contributo alla conoscenza del terremoto del 2009 vediamo come sia stato possibile ricostruire il processo di rottura associato alla scossa principale del 6 aprile alle ore 3:32, attraverso l’utilizzo di dati geodetici e sismologici.

Deformazioni e modelli di faglia geodetici

La deformazione della crosta terrestre causata dalla sequenza sismica dell’Aquila del 2009 è stata misurata sia da stazioni GPS collocate a terra in un’ampia regione dell’Italia centrale (Anzidei et al., 2009; Cheloni et al., 2010; D’Agostino et al., 2012; Gualandi et al., 2014), sia dai satelliti con le tecniche radar (Atzori et al., 2009; Walters et al., 2009; Trasatti et al., 2011), e sia da tecniche di geodesia terrestre (Cheloni et al., 2014). Tali tecniche hanno permesso di evidenziare gli spostamenti della superficie terrestre e realizzare così un modello di faglia (posizione, estensione, spostamento dei due lembi della faglia) per l’evento principale del 6 aprile del 2009 (Anzidei et al., 2009; Atzori et al., 2009, Cheloni et al., 2010; Walters et al 2009).

Figura 1 – Spostamenti cosismici orizzontali misurati (frecce nere) e simulati (frecce rosse) ai caposaldi GPS presenti nella zona epicentrale. Il rettangolo blu rappresenta il modello di faglia (proiezione sulla superficie) ricavato da tali spostamenti. Il riquadro in basso a destra mostra invece gli spostamenti verticali osservati e modellati (Anzidei et al., 2009.)

In particolare i massimi spostamenti orizzontali e verticali osservati furono dell’ordine dei 10 e 15 cm alla stazione GPS denominata CADO (Figura 1).

Figura 2 – Interferogrammi calcolati con i satelliti (a) COSMO-Sky-Med e Envisat (b and c) per la scossa del 6 aprile. La stella rossa indica l’epicentro del terremoto del 6 aprile (Atzori et al., 2009).

Gli interferogrammi (ottenuti dai sensori radar satellitari in passaggi prima e dopo il terremoto) mostrano un campo di deformazione caratterizzato da frange concentriche (Figura 2) indicanti che il terreno si era allontanato dal satellite (lungo la linea di vista – Light Of Sight – del satellite) su un’area di circa 480 km2 estesa verso sud-est a partire dall’epicentro del terremoto del 6 aprile. I massimi spostamenti osservati lungo la linea di vista dei satelliti furono dell’ordine dei 20-28 cm, misurati tra la città dell’Aquila e Fossa (AQ).

Per la prima volta in Italia, sono stati inoltre osservati dei movimenti lenti della superficie terrestre nell’area circostante l’epicentro, dovuti al movimento post-terremoto che avviene sul piano di faglia successivamente al terremoto (Cheloni et al., 2010; D’Agostino et al., 2012; Cheloni et al., 2014; Gualandi et al., 2014). Definiamo “lento” questo spostamento perché avviene in un arco temporale di molte settimane o alcuni mesi, mentre durante il terremoto lo spostamento di tutta la faglia avviene in pochi secondi, come vedremo più avanti. Questo movimento lento viene definito afterslip (scivolamento post-sismico). Le registrazioni giornaliere GPS disponibili mostrano chiaramente il lento movimento avvenuto nei giorni successivi alla scossa principale (Figura 3).

Figura 3 – Spostamento misurato alle stazioni GPS dell’Aquila (AQUI) e di Paganica (PAGA) durante (freccia rossa) e nelle settimane successive (freccia blu) al terremoto del 6 aprile 2009. Sono mostrate le tre componenti del movimento (North, East, Up) (Cheloni et al., 2010).

In particolare, i dati GPS misurati unitamente agli interferogrammi mostrati sopra, misurati prima e dopo il terremoto principale del 6 aprile, hanno permesso di calcolare lo spostamento del terreno e ricavare quindi un modello di faglia per la sequenza del 2009. I principali modelli di faglia sono stati proposti da Anzidei et al. (2009), Atzori et al. (2009), Walters et al. (2009), Cheloni et al. (2010) e Gualandi et al. (2014). Altri modelli vennero proposti da Balestra et al. (2015) e Castaldo et al. (2018).

Figura 4 – Modello di faglia e distribuzione di movimento (slip) sul piano di faglia stimato da misure di spostamento GPS. Le frecce nere rappresentano gli spostamenti osservati, mentre quelle bianche gli spostamenti previsti dal modello. La scala di colori rappresenta l’entità di movimento stimata sul piano di faglia (Gualandi et al., 2014).

Gli spostamenti cosismici medi sull’intero piano di faglia ottenuti dall’inversione dei dati GPS (Anzidei et al., 2009; Cheloni et al., 2010; Gualandi et al., 2014), sono di circa 50-60 cm, in accordo con l’inversione di dati interferometrici (Atzori et al., 2009, Walters et al., 2009), con massimi movimenti di circa 1 metro (Figura 4).

In generale, i vari modelli di faglia proposti per la scossa del 6 aprile 2009, concordano nel definire come sorgente sismogenetica della sequenza dell’Aquila del 2009 la faglia di Paganica. Tutti i modelli la caratterizzano come una faglia con geometria planare con un angolo di immersione (dip) verso SW di circa 50° fino ad una profondità di circa 10 km, attivatasi per una lunghezza di circa 16 km. La geometria della faglia identificata dai dati sopra descritti è in accordo con quanto mostrato dalla distribuzione in mappa e in profondità delle repliche (o aftershocks), descritti nell’articolo precedente.

Ulteriori dettagli sul processo di fagliazione, in particolare quelli legati all’evoluzione temporale della rottura durante il terremoto del 6 aprile, possono essere ricavati dai dati accelerometrici registrati dalle stazioni poste in area epicentrale, come illustrato nel seguito.

Modellazione congiunta sismologica / geodetica

Il terremoto del 6 aprile 2009 e i principali eventi della sequenza sismica ad esso associati sono stati registrati da diverse stazioni digitali appartenenti alla “Rete Accelerometrica Nazionale” (RAN) gestita dal Dipartimento della Protezione Civile, da diverse stazioni accelerometriche a larga banda della Rete MedNet e dalle stazioni sismiche permanenti digitali della Rete Sismica Nazionale Italiana dell’INGV (tutti i dati sono disponibili su http://itaca.mi.ingv.it/ItacaNet_30/#/home). Subito dopo l’evento principale, l’INGV in collaborazione con il Laboratoire de Géophysique Interne et Tectonophysique (LGIT) di Grenoble ha provveduto all’installazione di una fitta rete temporanea composta di ulteriori 40 stazioni sismiche digitali (Chiaraluce et al., 2011), che ha permesso la registrazione dell’intera sequenza. I dati accelerometrici registrati dalle stazioni dislocate nella regione epicentrale (Figura 5) durante il terremoto dell’Aquila del 2009, costituiscono per la comunità scientifica un set di osservazioni senza precedenti per un evento con meccanismo di faglia normale.

Figure1NEW

Figura 5 – Mappa del terremoto dell’Aquila: – il rettangolo in rosso rappresenta la proiezione in superficie del piano di faglia; – i triangoli bianchi indicano le stazioni accelerometriche strong-motion e i punti in viola i siti GPS selezionati nello studio di Cirella et al., (2012) per la modellazione della sorgente sismica. L’epicentro del terremoto è identificato dalla stella rossa mentre in giallo vengono riportate le posizioni della città de L’Aquila e di Paganica.

L’analisi e la modellazione della radiazione sismica associata al terremoto dell’Aquila, eseguite attraverso l’applicazione di metodologie che tengono conto degli effetti dovuti alla vicinanza della sorgente sismogenetica, ha permesso di ricostruire l’evoluzione spazio-temporale della rottura co-sismica avvenuta sulla faglia di Paganica, responsabile del terremoto. In particolare, l’inversione congiunta di dati geodetici (GPS e DInSAR) e dati sismologici (Cirella et al., 2009; Yano et al., 2009; Cirella et al., 2012; Gallovič et al., 2015; Del Gaudio et al., 2015) ha consentito di ottenere una descrizione dettagliata del processo di sorgente sismica, in termini di distribuzioni dei parametri cinematici (picco della velocità di dislocazione, velocità del fronte di rottura, durata e direzione della dislocazione) sul piano di faglia.

Figure6NEW

Figura 6. a) Modello della sorgente sismica responsabile del terremoto dell’Aquila, descritto in termini di distribuzioni della dislocazione sul piano di faglia (in alto), durata (centro) e picco (in basso) della velocità di dislocazione sul piano di faglia. b) Confronto tra le forme d’onda osservate (blu) e modellate (rosso). I numeri indicano i valori di picco, in cm/s, osservati su ciascuna stazione e per ogni componente del moto.

La Figura 6a mostra il modello di rottura ottenuto per il terremoto dell’Aquila del 6 aprile 2009, da Cirella et al. (2012). I pannelli in alto, al centro e in basso mostrano, rispettivamente, le distribuzioni di dislocazione, la durata ed il picco della velocità di dislocazione sul piano di faglia. Le isolinee in bianco rappresentano i tempi di rottura e i vettori in nero corrispondono alla direzione di dislocazione. La stella rossa identifica la posizione dell’ipocentro. In Figura 6b si ha il confronto tra i sismogrammi osservati (in blu) e modellati (in rosso) alle stazioni riportate in Figura 5.

Il video mostra l’evoluzione temporale della velocità di dislocazione (in m/s) sul piano di faglia proiettata sulla superficie terrestre. I punti in rosso identificano i siti della città dell’Aquila e dei villaggi di Paganica ed Onna. Si nota come l’intero processo di rottura della faglia duri meno di 10 secondi. Questa durata non va confusa con quello dello scuotimento, che è molto maggiore per il propagarsi delle onde sismiche nella crosta, con riflessioni e rifrazioni multiple, come si vede nel video della propagazione delle onde in Italia centrale.

Questo tipo di indagini fornisce uno strumento essenziale per ottenere una descrizione della sorgente sismica che sia il più possibile rappresentativa dei reali processi sismogenetici, nell’ottica di migliorare la conoscenza dei meccanismi che sono alla base della generazione di un terremoto. Conoscenza indispensabile per la prevenzione e la mitigazione del rischio sismico.

A cura di Daniele Cheloni (INGV-ONT) e Antonella Cirella (INGV-Rm1).


Riferimenti bibliografici

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Atzori S., Hunstad I., Chini M., Salvi S., Tolomei C., Bignami C., Stramondo S., Trasatti E., Antonioli A., Boschi E., (2009). Finite fault inversion of DInSAR coseismic displacement of the 2009 L’Aquila earthquake (central Italy). Geophys. Res. Lett., 36, doi:10.1029/GL039293.

Balestra J., Delouis B., (2015). Reassessing the Rupture Process of the 2009 L’Aquila Earthquake (Mw 6.3) on the Paganica Fault and Investigating the Possibility of Coseismic Motion on Secondary Faults. Bull. Seismol. Soc. Am., 105, doi:10.1785/0120140239.

Castaldo R., De Nardis R., DeNovellis V., Ferrarini F., Lanari R., Lavecchia G., Pepe S., Solaro G., Tizzani P., (2018). Coseismic Stress and Strain Field Changes Investigation Through 3D-Finite Element Modeling of DinSAR and GPS Measurements and Geologica/Seismological Data: The L’Aquila (Italy) 2009 Earthquake Case Study. J. Geophys. Res., 123, doi:10.1002/2017JB014453.

Cheloni D., D’Agostino N., D’Anastasio E., Avallone A., Mantenuto S., Giuliani R., Mattone M., Calcaterra S., Gambino P., Dominici D., Radicioni F., Fastellini G., (2010). Coseismic and initial post-seismic slip of the 2009 Mw 6.3 L’Aquila earthquake, Italy, from GPS measurements. Geophys. J. Int., 181, doi:10.1111/j.1365-246X.2010.04584.x.

Cheloni D., Giuliani R., D’Anastasio E., Atzori S., Walters R.J., Bonci L., D’Agostino N., Mattone M., Calcaterra S., Gambino P., Deninno F., Maseroli R., Stefanelli G., (2014). Coseismic and post-seismic slip of the 2009 L’Aquila (central Italy) Mw 6.3 earthquake and implications for seismic potential along the Campotosto fault from joint inversion of high-precision levelling, InSAR and GPS data. Tectonophysics, 622, doi:10.1016/j.tecto.2014.03.009.

Chiaraluce, L., L. Valoroso, D. Piccinini, R. Di Stefano and P. De Gori, (2011), The Anatomy of the 2009 L’Aquila Normal Fault System [central Italy] Imaged by High Resolution Foreshock and Aftershock Locations, J. Geophys. Res.,, 116, B12311, doi:10.1029/2011JB008352.

Cirella, A., A. Piatanesi, M. Cocco, E. Tinti, L. Scognamiglio, A. Michelini, A. Lomax, and E. Boschi (2009), “Rupture history of the 2009 L’Aquila earthquake from non-linear joint inversion of strong motion and GPS data”, Geophys. Res. Lett. 36, L19304, doi:10.1029/2009GL039795

Cirella A., Piatanesi A., Tinti E. Chini M. and M. Cocco (2012), “Complexity of the rupture process during the 2009 L’Aquila, Italy, earthquake”, Geophysical Journal International.190, 607-621, doi:10.1111/j.1365-246X.2012.05505.x.

D’Agostino N., Cheloni D., Fornaro G., Giuliani R., Reale D., (2012). Space-time distribution of afterslip following the 2009 L’Aquila earthquake. J. Geophys. Res., 117, doi:10.1029/2011JB008523.

Del Gaudio S., Causse M., and G. Festa, Broad-band strong motion simulations coupling k-square kinematic source models with empirical Green’s functions: the 2009 L’Aquila earthquake, Geophysical Journal International, Volume 203, Issue 1, October, 2015, Pages 720–736, https://doi.org/10.1093/gji/ggv325

Gallovič, F., Imperatori, W., and Mai, P. M. ( 2015), Effects of three‐dimensional crustal structure and smoothing constraint on earthquake slip inversions: Case study of the Mw6.3 2009 L’Aquila earthquake, J. Geophys. Res. Solid Earth, 120, 428– 449, doi:10.1002/2014JB011650.

Gualandi A., Serpelloni E., Belardinelli M.E., (2014). Space-time evolution of crustal deformation related to the Mw 6.3, 2009 L’Aquila earthquake (central Italy) from principal component analysis inversion of GPS position time-series. Geophys. J. Int., 197, doi:10.1093/gji/ggt522.

Trasatti E., Kyriakopoulos C., Chini M. (2011). Finite element inversion of DInSAR data from the Mw6.3 L’Aquila earthquake, 2009 (Italy). Geophys. Res. Lett., 38, 8, https://doi.org/10.1029/2011GL046714.

Yano T.E. , Shao G., Liu O. , Ji C., and Ralph J. Archuleta, Coseismic and potential early afterslip distribution of the 2009 Mw 6.3 L’Aquila, Italy earthquake, Geophysical Journal International, Volume 199, Issue 1, October, 2014, Pages 23–40, https://doi.org/10.1093/gji/ggu241

Walters R.J., Elliott J.R., D’Agostino N., England P.C., Hunstad I., Jackson J.A., Parsons B., Phillips R.J., Roberts G., (2009). The 2009 L’Aquila earthquake (central Italy): A source mechanism and implications for seismic hazard. Geophys. Res. Lett., 36, doi:10.1029/2009GL039337.


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La deformazione del suolo ad Ischia rilevata dalla Rete tiltmetrica

Il monitoraggio tiltmetrico: a cosa serve?

Il monitoraggio tiltmetrico rappresenta una delle tecniche più usate nel rilevamento della deformazione del suolo in aree vulcaniche, in quanto consente lo studio della cinematica delle aree vulcaniche avvalendosi della registrazione in continuo della variazione d’inclinazione della superficie terrestre nei luoghi in cui sono installati i tiltmetri.

E’ proprio la variazione dell’angolo di inclinazione (tilt), misurata da questi sensori, che consente di correlarla eventualmente alla deformazione indotta in superficie dai potenziali cambiamenti della pressione magmatica dovuti all’accumulo e/o allo spostamento di magma all’interno della struttura vulcanica o semplicemente dalla circolazione dei fluidi idrotermali (vedi Figura 1).

Figura 1 – Schema delle deformazioni del suolo registrate da un tiltmetro durante le fasi: pre-eruttiva (stage 1), eruttiva (stage 2) e post-eruttiva (stage 3); [Dvorak e Dzurisin, 1997]

Oltre al monitoraggio delle aree vulcaniche, le informazioni ottenute dallo studio dei segnali tiltmetrici hanno un vasto campo di applicazione che va dal controllo strutturale di grandi opere ingegneristiche come dighe, ponti, ecc., allo studio della marea crostale.

La variazione di tilt o ground tilt registrata da un tiltmetro è la variazione lungo una determinata direzione dello spostamento verticale, quindi una misura di come cambia la pendenza del suolo nel tempo. Lo spostamento verticale del suolo, invece, è misurabile con il GPS in maniera continua oppure mediante tecniche di interferometria SAR o anche attraverso livellazioni di alta precisione lungo linee altimetriche appositamente realizzate.

I sensori utilizzati dall’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia – Osservatorio Vesuviano (INGV-OV) sono tiltmetri elettronici biassiali con trasduttore a bolla che misurano le variazioni di inclinazione del suolo lungo due direzioni ortogonali (indicate come X e Y nelle Figure 2a e 3).

Il trasduttore è costituito da un tubicino di vetro (uno per ogni asse) contenente un fluido elettrolitico e chiuso agli estremi da tre elettrodi inseriti in un circuito elettrico a ponte che, ogni qualvolta viene sbilanciato in seguito ad una rotazione (o ad una accelerazione) genera una tensione elettrica proporzionale all’entità del tilt (Figura 2b).

Nel monitoraggio delle componenti di inclinazione della deformazione del suolo vengono impiegati 3 tipi diversi di sensore: quelli analogici che possono essere di tipo superficiale o da pozzo (Figura 2a) e quelli digitali che sono solo da pozzo (Figura 3).

Figura 2 – a) Tiltmetri analogici. b) Principio di funzionamento del trasduttore inclinometrico.

Il monitoraggio tiltmetrico viene effettuato già da molti anni nelle aree vulcaniche campane ed attualmente questi segnali geofisici sono acquisiti da 3 Reti:

  • Rete tiltmetrica dei Campi Flegrei con 10 stazioni, di cui 4 attrezzate con sensori analogici di superficie, 3 attrezzate con sensori analogici da pozzo (Figura 2a) e 3 attrezzate con sensori biassiali digitali da pozzo di ultima generazione (Figura 3).
  • Rete tiltmetrica del Vesuvio costituita da 7 stazioni, di cui 3 attrezzate con sensori analogici di superficie e 4 attrezzate con sensori digitali da pozzo.
  • Rete tiltmetrica dell’Isola d’Ischia con 3 stazioni attrezzate con sensori digitali da pozzo.

Poiché i segnali registrati dai sensori di superficie (operanti in gallerie o pozzetti poco profondi) sono influenzati da fattori ambientali, come le variazioni di temperatura, la pressione, le precipitazioni e le variazioni della falda acquifera, che possono mascherare la reale deformazione misurata, negli ultimi anni sono stati utilizzati i sensori da pozzo di tipo digitale, calati in pozzi perforati a – 25 m dal piano campagna.

L’unità di misura angolare utilizzata in ambito tilmetrico è il µradiante (microradiante), equivalente ad uno spostamento verticale del suolo di 1 mm ad 1 km di distanza; poiché però sia i sensori tiltmetrici di superficie che quelli da pozzo misurano un campo sufficientemente vicino e quindi al massimo di qualche centinaio di metri, può essere considerata attendibile l’equivalenza di 1 µradiante ad uno spostamento di 0.5 mm a 500 m di distanza.

Rete Tiltmetrica di Ischia e specifiche tecniche

L’INGV- OV ha realizzato nell’aprile 2015 una rete di 3 tiltmetri sull’Isola di Ischia, nell’ambito del Progetto Vulcamed. La sua geometria è stata progettata considerando gli allineamenti strutturali, la morfologia dell’Isola [de Vita et al., 2010], l’andamento della deformazione del suolo dedotto dalle misure ottenute attraverso le campagne di livellazione geometriche di precisione effettuate in oltre 20 anni [Del Gaudio et al., 2011], nonché la fattibilità degli scavi [Aquino et al., 2014].

Le 3 stazioni tiltmetriche sono state installate nelle seguenti località:

  • Stazione ISC (settore NE), situata nel Comune di Ischia, in prossimità dell’Acquedotto EVI in località Montagnone Alto; il sensore è collocato in un deposito di piroclastiti che ricopre il duomo lavico di Montagnone;
  • Stazione BRN (settore SE), situata nel Comune di Barano d’Ischia, in Località Vateliero; il sensore è posizionato nella coltre eluvio-colluviale su depositi di frana e di piroclastici del Vateliero;
  • Stazione FOR (settore SW), situata nel Comune di Forio, in località Panza; il sensore è collocato nel tufo.

I 3 tiltmetri digitali da pozzo sono stati installati a profondità comprese tra 25 e 27 m dal piano campagna (Figura 3). I segnali acquisiti in digitale sono trasmessi al Centro di Monitoraggio dell’INGV- OV. Ogni stringa di dati contiene le componenti NS ed EW direttamente in µradianti, l’azimuth magnetico in gradi, la temperatura in °C, la data e l’ora, i minuti, i secondi, l’alimentazione in mV ed il numero di serie del sensore.

Ad Aprile 2015 è andata in funzione la rete di acquisizione dati ma, in considerazione del fatto che per i primi 30-40 giorni dall’installazione possono essere osservate delle derive sui segnali dovute al riassestamento dei pozzi perforati (indurimento del cemento e riequilibrio tensionale dei fori), i primi segnali tiltmetrici utili per la caratterizzazione della deformazione che interessa l’Isola sono stati raccolti a partire dal 1 Giugno 2015.

Figura 3 – Tiltmetro digitale Lily e componenti elettroniche

I segnali acquisiti con tiltmetri profondi

I segnali sono acquisiti ogni minuto, con la singola lettura mediata su 8000 campioni acquisiti ogni 0.0075 Hz, la precisione del clock interno è di 1.5 sec/mese ed il tempo viene sincronizzato con cadenza settimanale, risultando quindi un errore di ± 0.4 secondi.

I dati vengono trasmessi quotidianamente al Centro di Monitoraggio dell’INGV- OV e successivamente elaborati attraverso vari passaggi  riassumibili in 3 fasi principali:

  1. preprocessing: lettura dei dati aggiornati, eliminazione delle acquisizioni effettuate con tempi sbagliati; interpolazione lineare dei dati eventualmente mancanti e despiking dei segnali;
  2. processing: scelta del filtro adatto alla rappresentazione grafica dei segnali acquisiti e corretti, rappresentazione delle componenti spettrali dei segnali, rappresentazione grafica delle componenti NS e EW corrette, spettrogramma;
  3. studio del segnale: valutazione della direzione di tilting prevalente e confronto con altre stazioni, studio di eventuali anomalie in ampiezza e frequenza presenti nei segnali, interpretazione degli osservabili dal confronto con i dati acquisiti con altre metodologie geofisiche e geochimiche.

I dati non vengono soggetti ad alcun procedimento di filtraggio delle periodicità di tipo termico, data la profondità di installazione del sensore, a differenza delle stazioni di tipo superficiale [Ricco et al., 2003; Ricco et al., 2013].

Le caratteristiche delle stazioni tiltmetriche sono riportate in tabella:

Stazione Località Prof. (m) Fc (Hz) Coord. (Lat /Long) Quota (m. s.l.m.)
ISC Località Montagnone Alto, Comune di Ischia -25 0.017 40.74°

13.93°

173
BRN Località Vateliero, Comune di Barano d’Ischia -25 0.017 40.71°

13.93°

145
FOR Località Panza, Comune di Forio -27 0.017 40.71°

13.88°

157

Deformazione osservata attraverso i tiltmetri nel lungo periodo

La deformazione del suolo che interessa l’Isola di Ischia mostra un andamento di inclinazione polarizzato in direzione NNW, come si può evincere dalla Figura 4.

In essa è riportata la linea di costa dell’isola e le principali curve di livello, georeferenziate, sovrapposte ad un reticolo che rappresenta il piano bidimensionale delle inclinazioni (con asse Y+ orientato a N ed asse X+ orientato ad E) in cui ogni lato della maglia equivale ad una variazione tiltmetrica di 20 µradianti e ad una distanza di 500 m.

I 3 siti-stazione ISC, BRN e FOR, indicati con una freccia nera puntata verso il basso, sono contraddistinti da colori diversi come anche le curve che da essi hanno origine. Le curve rappresentano la variazione tiltmetrica cumulativa (odografo) a partire dal 1 Giugno 2015. Inoltre, la freccia nera puntata verso l’alto indica il verso della deformazione e convenzionalmente i settori di crosta terrestre in abbassamento rispetto alla posizione dei siti stazione.

Figura 4 – Variazione tiltmetrica cumulativa (odografo) registrato ai 3 siti-stazione della rete di Ischia nel biennio 2015-2017, filtrato delle periodicità inferiori a 10 giorni. L’origine di ogni vettore tilt è siglata con il nome del sito stesso ed indicata convenzionalmente con una freccia puntata verso il basso, mentre l’estremo libero è indicato con una freccia puntata verso l’alto. Il verso di ogni vettore (che indica settori di crosta terrestre in abbassamento) è univocamente definito dal suo estremo libero. I 3 siti-stazione ISC, BRN e FOR, indicati con una freccia nera puntata verso il basso, sono contraddistinti da colori diversi come anche le curve che da essi hanno origine: ISC (grigio), BRN (giallo) e FOR (verde).

In 27 mesi, dal 2015 al 2017 le 3 stazioni hanno misurato una variazione di tilt totale che ammonta a 145.3 µradianti ad ISC, 105.6 a BRN e 102.7 a FOR.

La stazione ISC, situata nel settore di NE ed a una quota maggiore alle altre, è quindi quella che si inclina di più, mentre si calcola una riduzione rispetto ad essa del 27% a BRN e del 29% a FOR.

Nei primi 8 mesi del 2017, invece i valori misurati sono stati: 47.1 µradianti ad ISC, 15.7 a BRN e 25 a FOR; ISC risulta sempre quella che si inclina maggiormente mentre la riduzione in ampiezza alle altre stazioni aumenta (67% a BRN e 47% a FOR).

Si può notare inoltre che, procedendo dal quadrante nord-orientale dell’Isola (stazione ISC) verso il settore meridionale (BRN) e poi verso quello sud-occidentale (FOR), la direzione dei vettori tilt resta praticamente costante seppur con qualche piccola rotazione; solo la stazione FOR esibisce inizialmente una direzione di tilting verso NW che negli ultimi 2 anni tende a riallinearsi con quella NNW di ISC.

La deformazione del suolo ricavata dal tilt (in un raggio di 500 m), equivale ad un abbassamento di più di 7 cm a NNW della stazione ISC, di 5 cm a NNW della stazione BRN e di 5 cm a NNW della stazione FOR.

Il campo di spostamento del suolo misurato negli anni passati (livellazioni effettuate negli ultimi 30 anni) evidenzia estesi fenomeni deformativi nella zona centro-meridionale (Serrara-Fontana) e nord-occidentale (Lacco Ameno località Fango) con velocità di subsidenza leggermente inferiori al cm/anno [Del Gaudio et al., 2011] (Figura 5a,b).

Dal confronto, quindi, tra dati di inclinazione e spostamento verticale del suolo si desume che le direzioni di tilting sono coerenti con tale andamento di deformazione, mentre le velocità attuali di subsidenza, ricavate dai dati tiltmetrici, risultano raddoppiate rispetto a quelle misurate fino al 2010.

Figura 5 – Andamento deformativo dell’Isola di Ischia misurato attraverso le livellazioni di precisione dal 2003 al 2010. a) Variazioni di quota lungo la linea “Costiera”. b) Variazioni di quota lungo la linea “Borbonica”.

Deformazione osservata attraverso i tiltmetri ed associata al terremoto del 21 agosto 2017

L’evento sismico del 21 agosto 2017, ore 20:57:52 italiane, è stato registrato dalle 3 stazioni tiltmetriche i cui segnali hanno mostrato molteplici peculiarità.

La stazione ISC, la più vicina all’area epicentrale, nell’intervallo temporale 20:56÷21:03, ha subito un tilt cosismico di 6.3 µradianti in direzione NW. Tale stazione che già nei 2 anni precedenti si inclinava in direzione NNW in misura notevole, durante l’evento sismico si è definitivamente inclinata in maniera permanente lungo una direzione allineata con l’epicentro (Figura 6a, b).

Figura 6 – Variazione tiltmetrica registrata alla stazione ISC. a) Sono riportate le singole componenti NS ed EW registrate nell’intervallo temporale 20:51÷20:59. b) Sono mostrate le nuvole di punti nella griglia delle inclinazioni che rappresentano la variazione tiltmetrica (in µradianti) registrata dal 1 luglio 2017 al 21 agosto 2017; si notano 2 concentrazioni spaziali di punti (clusters) separate tra loro in corrispondenza dell’arrivo del treno di onde generato dal terremoto, l’offset spaziale si configura pertanto come deformazione cosismica permanente. Le frecce gialle sovrapposte corrispondono al vettore tilt apparente calcolato tra le 20:56 ed i minuti successivi, mentre la freccia rossa rappresenta il tilt cosismico. La freccia nera indica la rotazione della direzione di tilting.

Analizzando la figura 6b, in cui è mostrata nella griglia delle inclinazioni la variazione tiltmetrica totale registrata alla stazione ISC dal 1 Luglio 2017 al 21 Agosto, sono evidenti 2 nuvole di punti: una prima nuvola allineata in direzione NS relativa alla deformazione registrata fino a 2 minuti prima del terremoto mentre la seconda, più piccola e di forma ovale, si osserva a partire dal quinto minuto successivo all’evento, quando cioè il sensore tiltmetrico ha raggiunto di nuovo il suo equilibrio meccanico.

Si osserva inoltre che il punto-stazione subisce una variazione di tilt apparente (con componente di accelerazione orizzontale) in direzione SSW un minuto prima dell’evento (20:57), una seconda variazione in direzione SW durante l’evento stesso e successivamente si inclina permanentemente a NW, mostrando una chiara rotazione in senso orario della direzione di tilting, mostrata in Figura 6b con una freccia nera.

Figura 7 – Variazione tiltmetrica registrata alla stazione BRN. a) Sono riportate le singole componenti NS ed EW registrate nell’intervallo temporale 20:51÷20:59. b) E’ mostrata la nuvola di punti nella griglia delle inclinazioni che rappresenta la variazione tiltmetrica (in µradianti) registrata dal 1 luglio 2017 al 21 agosto; si osserva l’assenza di offset spaziale durante l’evento sismico e di conseguenza l’assenza di deformazione cosismica permanente. Le frecce gialle sovrapposte corrispondono al vettore tilt apparente calcolato tra le 20:56 ed i minuti successivi, mentre la freccia rossa rappresenta il tilt cosismico. La freccia nera indica la rotazione della direzione di tilting.

La stazione BRN (distante in direzione SE dall’epicentro) che nei 2 anni precedenti già si inclinava in direzione NNW, ha subito un minimo incremento di tilt nelle 2 componenti (Figura 7a). Anche in questo caso, durante l’evento, il punto-stazione subisce una variazione di tilt in direzione SW e successivamente mostra una rotazione in senso antiorario, per poi rientrare nella nuvola di punti. In Figura 7b la rotazione antioraria della direzione di tilting viene mostrata con una freccia nera.

La stazione FOR (posizionata in direzione SW rispetto all’epicentro) che nei 2 anni precedenti si inclinava come le altre in direzione NNW, ha subito nell’intervallo temporale 20:56÷21:03 un tilt cosismico di 5.3 µradianti in direzione W.

Figura 8 – Variazione tiltmetrica registrata alla stazione FOR. a) Sono riportate le singole componenti NS ed EW registrate nell’intervallo temporale 20:51÷20:59. b) Sono mostrate le nuvole di punti nella griglia delle inclinazioni che rappresentano la variazione tiltmetrica (in µradianti) registrata dal 1 luglio 2017 al 21 agosto; si notano 2 concentrazioni spaziali di punti (clusters) separate tra loro in corrispondenza dell’arrivo del treno di onde generato dal terremoto, l’offset spaziale si configura pertanto come deformazione cosismica permanente. Le frecce gialle sovrapposte corrispondono al vettore tilt apparente calcolato tra le 20:56 ed i minuti successivi, mentre la freccia rossa rappresenta il tilt cosismico. La freccia nera indica la rotazione della direzione di tilting.

Inoltre, analizzando la Figura 8b, come per il segnale relativo alla stazione ISC, si evidenziano 2 nuvole di punti: la prima allineata in direzione NS relativa alla deformazione registrata fino a 2 minuti prima del terremoto mentre la seconda, più piccola e di forma circolare, si osserva a partire dal quinto minuto successivo all’evento, quando cioè il sensore tiltmetrico ha raggiunto di nuovo il suo equilibrio meccanico.

Si osserva inoltre che il punto-stazione subisce una forte variazione di tilt in direzione SSE un minuto prima dell’evento (20:57) (come per i segnali della stazione ISC), una ulteriore variazione in direzione NNW durante l’evento stesso e successivamente si inclina permanentemente ad W, esibendo una chiara rotazione della direzione di tilting in senso antiorario, mostrata in Figura 8b con una freccia nera.

Conclusioni

L’andamento di inclinazione del suolo dell’Isola di Ischia, desunto delle variazioni di tilt misurate nei 3 punti stazione dal 2015 ad oggi, mostra un abbassamento verso NNW generalizzato ma più pronunciato alla stazione ISC, situata a NE dell’Isola.

L’evento sismico del 21 Agosto registrato dai 3 tiltmetri, ha mostrato una deformazione cosismica permanente alle stazioni poste ad Est ed a SW dell’area epicentrale. La stazione ISC, più vicina all’epicentro, ha subito un tilt cosismico di 6.3 µradianti in direzione NW (Figure 6 e 9) e la stazione FOR ha registrato un tilt cosismico di 5.3 µradianti in direzione W (Figure 8 e 9), mentre la stazione BRN, situata a SE dall’area epicentrale ha mostrato un minimo incremento di tilt (Figure 7 e 9).

Rispetto agli andamenti strutturali dell’Isola, il tilt cosismico di ISC è legato indubbiamente alla subsidenza a N del M. Epomeo e quindi alla deformazione dell’area epicentrale stessa; quello subito dalla stazione FOR, situata nel settore di SW è attribuibile alla posizione del sensore stesso, situato alla base di un sistema di faglie che degradano anch’esse verso W e che sono ben lubrificate dalla circolazione idrica sottostante.

Figura 9 – Deformazioni tiltmetriche cosismiche permanenti osservate alla stazioni ISC (freccia rossa) e FOR (freccia verde). La stella in blu indica l’epicentro del terremoto del 21 Agosto.

Inoltre, è evidente dai segnali tiltmetrici delle 3 stazioni un tilting notevole in direzione Sud sia 1 minuto prima che durante il terremoto (fatta eccezione per FOR), all’interno di una rotazione dello stesso in senso orario a NE ed in senso antiorario a SE ed a SW (Figure 6, 7 e 8). La cerniera della deformazione registrata nell’intervallo temporale 20:51÷20:59 sembra essere proprio BRN, in quanto è l’unica delle 3 stazioni a subire una rotazione del vettore che non si conclude con un tilt cosismico (Figura 9) [Di Napoli et al., 2009]; l’assenza di deformazione permanente a BRN è dovuta alla sua maggiore distanza dall’epicentro.

Figura 10 – Tilting registrato dalle 3 stazioni nel 2017. I triangolini neri sovrapposti al tilt cumulativo indicano i 4 eventi sismici occorsi il 21, 23 e 30/8. La traslazione verso W delle direzioni di tilting alle stazioni FOR ed ISC dopo l’evento del 21/8 è solo apparente ed è dovuta alla rappresentazione bidimensionale del tilt.

Poiché i segnali tiltmetrici sono sensibili anche alle accelerazioni orizzontali del terreno è ragionevole supporre che le forti variazioni di tilt registrate possano avere anche una componente di accelerazione orizzontale. Si osserva inoltre che, dopo il terremoto del 21 Agosto ed i tre eventi successivi del 23 e 30 Agosto, le direzioni preferenziali di tilting sono rimaste pressoché invariate alle 3 stazioni come evidenziato in Figura 10. La traslazione verso W di tali direzioni alle stazioni FOR ed ISC è solo apparente ed è dovuta alla deformazione cosismica permanente rappresentata nel piano bidimensionale delle inclinazioni.

a cura di Ciro Ricco, Vincenzo Augusti, Giovanni Scarpato e Ida Aquino, INGV-Osservatorio Vesuviano.


Bibliografia

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Di Napoli R., Martorana R, Orsi G., Aiuppa A., Camarda M., De Gregorio S., Cagliano Candela E., Luzio D., Messina N., Pecoraino G., Bitetto M., de Vita S., Valenza M. (2011), The structure of a hydrothermal system from an integrated geochemical, geophysical, and geological approach: The Ischia Island case study, Geochem. Geophys. Geosyst., 12, Q07017, doi:10.1029/2010GC003476.

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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).

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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