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.

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).

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.

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).

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 .