A quattro anni dal terremoto del 24 agosto 2016 in Italia centrale

In questo aggiornamento a quattro anni dall’inizio della sequenza sismica del Centro Italia, ci concentriamo su alcuni aspetti che sono stati e sono tuttora oggetto di ricerche approfondite da parte di molti ricercatori dell’Istituto e di moltissimi altri centri e università italiane e internazionali. Sono moltissimi i temi di ricerca che sono stati avviati a partire dal 2016; tra questi ricordiamo le analisi per identificare le caratteristiche delle diverse faglie attivate (con dati sismici/accelerometrici, geodetici e con i rilievi di terreno); gli studi della risposta sismica locale, anche a scopo di microzonazione sismica; le ricerche paleosismologiche, finalizzate a identificare la storia più antica delle diverse faglie; le analisi dei danneggiamenti e la risposta degli edifici, e molti altri.

Nelle ricorrenze a due anni e a tre anni dal sisma (2018 e 2019) avevamo pubblicato degli aggiornamenti sulle ricerche in corso, che nel frattempo si sono arricchite di nuovi elementi. Si deve tenere presente che la ricerca è un’impresa lunga e complessa, soprattutto in materie così difficili e con oggetti di studio di limitata accessibilità, come appunto le faglie crostali che hanno dato luogo ai terremoti della sequenza. 

Alla fine di questo articolo, che si concentra su alcuni studi recenti che analizzano la distribuzione delle “repliche” (gli aftershocks) e la struttura crostale nella zona origine dei terremoti, riportiamo una lista degli articoli pubblicati in questi anni sui terremoti in Italia centrale. 

Evoluzione della sismicità

A distanza di quattro anni dall’inizio della sequenza sismica di Amatrice-Norcia nell’agosto 2016, registriamo ancora una sismicità di debole magnitudo, ma diffusa e abbastanza omogenea su tutta l’area interessata dall’accadimento degli eventi principali, a testimonianza che il rilascio energetico è tuttora in corso. 

Mappa della sismicità a partire dal 24 agosto 2016 (magnitudo pari o maggiore di 3.0) con la sismicità dell’ultimo anno (magnitudo pari o maggiore di 2.0) in rosso.

A partire dal 24 Agosto del 2016, la Rete Sismica Nazionale ha registrato e permesso di localizzare oltre 118 mila eventi sismici, di cui 1182 hanno avuto magnitudo compresa tra 3 e 3.9, 66 tra 4 e 4.9, mentre 9 eventi hanno avuto magnitudo compresa tra 5 e 5.9 e 2 hanno superato magnitudo 6

Nel 2019 gli eventi sono stati quasi 9000, con una media di circa 24 eventi al giorno. Di questi, 27 eventi hanno avuto magnitudo maggiore di 3 e uno solo evento ha avuto magnitudo pari a 4.0, avvenuto il giorno 1 settembre 2019 alle ore 02:02 italiane, con epicentro a 3 km da Norcia. Nel corso del 2020 abbiamo registrato finora circa 4500 terremoti, con una media di circa 20 eventi al giorno, 8 dei quali con magnitudo maggiore di 3, fino a un massimo di magnitudo 3.5.

Figura 1: Andamento della sismicità a partire dal 1 giugno 2016 (circa 3 mesi prima del primo mainshock della sequenza, 24 agosto 2016). Le barrette verticali rappresentano il numero giornaliero di eventi (scala sull’asse delle ordinate a sinistra), mentre i pallini mostrano il momento sismico, ovvero una grandezza strettamente collegata all’energia rilasciata dall’evento sismico, calcolato per ciascun giorno (scala sull’asse delle ordinate a destra, in Newton metro).

Nel grafico di Figura 1 è riportato l’andamento della sismicità a partire dal 1 giugno 2016 (circa 3 mesi prima del primo mainshock della sequenza avvenuto il 24 agosto 2016, Mw 6.0). Le barrette verticali rappresentano il numero giornaliero di eventi (scala sull’asse delle ordinate a sinistra), mentre i pallini neri mostrano il momento sismico, ovvero una grandezza strettamente collegata all’energia rilasciata dall’evento sismico, calcolato per ciascun giorno (scala sull’asse delle ordinate a destra, in Newton metro). Si può osservare come, dopo l’accadimento dell’evento più energetico della sequenza (quello del 30 ottobre 2016, Mw 6.5), l’energia media degli eventi diminuisca in modo costante fino a luglio 2017, per poi iniziare un periodo di fluttuazione, tuttora in corso, che mantiene il livello energetico medio ancora al di sopra di quello osservato prima della sequenza, visibile nella parte sinistra del grafico. La differenza tra energia rilasciata prima del 24 agosto 2016, quando l’area era interessata da una sismicità di fondo modesta (livello medio intorno a 1013-1014 Nm) e quella attuale (circa 1014 Nm) non è molta, diversamente da quanto avveniva nel periodo 2017-2018, ma è comunque significativa. Soprattutto, si notano delle oscillazioni rilevanti anche nel 2020, con qualche punta che supera 1015 Nm, quindi con valori quasi 100 volte superiore alla sismicità di fondo.

Sviluppi recenti della ricerca sugli aftershocks

Negli ultimi anni, tramite l’acquisizione di una vasta quantità di dati sismici, geodetici, satellitari, questo settore della ricerca si è diretta essenzialmente:

  • alla definizione della geometria delle faglie che hanno originato la sequenza sismica; 
  • allo studio della cinematica delle rotture principali e al trasferimento dello sforzo statico sulle strutture adiacenti che possono a loro volta arrivare alla rottura e produrre eventi sismici importanti; 
  • alla definizione delle eterogeneità crostali del volume interessato dalla sismicità che condizionano le modalità di accumulo e rilascio dello sforzo; 
  • allo studio delle variazioni temporali delle caratteristiche elastiche delle rocce che possono indicare un cambiamento dello stato fisico delle rocce; 
  • al perfezionamento di tecniche di previsione delle repliche (aftershocks) durante le sequenze sismiche basati essenzialmente sull’introduzione di elementi fisici nei modelli statistici.

Geometria del sistema di faglie

La geometria di dettaglio dell’intero sistema di faglie è stata ottenuta da Improta et al. (2019) attraverso la localizzazione di 15000 aftershocks e più recentemente da Michele et al. (2020) in cui viene localizzata una selezione di 30000 aftershocks di magnitudo pari o superiore a 1.5, utilizzando tecniche di analisi di cross-correlazione dei sismogrammi. La Figura 2 (da Michele et al., 2020) mostra la sismicità in pianta e in alcune sezioni verticali lungo le direzioni Nord Est – Sud Ovest e Nord Ovest – Sud Est: in nero sono rappresentati i terremoti della sequenza di Amatrice-Norcia, mentre in blu vengono riportati gli eventi delle sequenze sismiche avvenute nei 20 anni precedenti lungo la catena appenninica ai bordi dell’area analizzata: Colfiorito 1997 a nord e L’Aquila 2009 a sud.

Le sezioni verticali mostrano degli allineamenti ben definiti degli eventi sismici che vengono interpretati come espressione sismologica dei piani di faglia: la loro inclinazione rispetto al piano orizzontale e la loro estensione spaziale sono elementi importanti per la comprensione della struttura che si è attivata durante la sequenza. Si nota inoltre, nella sezione d), un allineamento quasi orizzontale posto a circa 10 km di profondità che sembra limitare verso il basso la maggior parte della sismicità della sequenza di Amatrice. Questa caratteristica è un elemento strutturale molto importante di questo tratto dell’Appennino ed è oggetto di ulteriori studi.

Figura 2: La sismicità in pianta e in alcune sezioni verticali lungo le direzioni Nord Est – Sud Ovest e Nord Ovest – Sud Est (Michele et al., 2020): in nero sono rappresentati i terremoti della sequenza di Amatrice-Norcia, mentre in blu vengono riportati gli eventi delle sequenze sismiche avvenute negli ultimi 20 anni lungo la catena appenninica ai bordi dell’area analizzata: Colfiorito 1997 a nord e L’Aquila 2009 a sud (le stelle bianche rappresentano gli eventi di magnitudo Mw>5.0). Le stelle rosse sono gli eventi di Amatrice (Mw 6.0) e Norcia (Mw 6.5), quelle in giallo gli eventi di magnitudo Mw tra 5.0 e 5.9.

Tomografia sismica

Gli studi di tomografia sismica, realizzati utilizzando gli eventi sismici della sequenza registrati dopo l’accadimento dell’evento del 24 Agosto, delineano volumi crostali dove la velocità delle onde sismiche (Vp e Vs) è superiore o inferiore a dei valori di riferimento. Si chiama anomalia di velocità lo scostamento, per eccesso o per difetto, rispetto a questi valori di riferimento. L’anomalia di velocità delle onde sismiche è a sua volta espressione della litologia e dello stato fisico delle rocce. A volte, si descrivono le caratteristiche litologiche attraverso il rapporto tra le velocità delle onde sismiche P ed S (Vp e Vs). La Figura 3 sottostante (da Chiarabba et al., 2018) mostra la distribuzione del rapporto Vp/Vs lungo un piano corrispondente al piano di faglia principale dei mainshock di Amatrice e Norcia (indicati con delle stelle rosse in figura). I colori blu e rossi indicano rispettivamente anomalie positive e negative del rapporto Vp/Vs. Si nota come l’evento di Amatrice del 24 agosto 2016 (Mw 6.0, stella rossa a destra) sia avvenuto in una parte del modello caratterizzato da anomalie negative di Vp/Vs, mentre l’evento di Norcia del 30 ottobre (Mw 6.5, stella rossa a sinistra) delimiti un volume caratterizzato da alti valori di Vp/Vs: è qui che avviene lo spostamento (slip) cosismico durante questo secondo evento. Questa differenza notevole di Vp/Vs denota due volumi crostali con caratteristiche molto diverse. L’alto valore di Vp/Vs in corrispondenza del mainshock di Norcia viene interpretato come un volume crostale contenente fluidi in sovrappressione, condizione fisica che induce alla sismogenesi. Coerentemente, anche le stelle bianche che indicano gli eventi con magnitudo pari o maggiore di 5 avvengono nel settore caratterizzato da alto Vp/Vs. L’evento di Amatrice ricade invece in un’area di basso valore Vp/Vs. Quest’ultima osservazione può essere dovuta al fatto che i terremoti utilizzati nella tomografia avvengono dopo il mainshock del 24 agosto e quindi non permettono di evidenziare la struttura crostale prima di tale evento. Una eventuale sovrapressione di fluidi, se presente in quest’area, potrebbe quindi non essere identificata da questo modello tomografico. Un’altra interpretazione può essere  legata alla diversa litologia presente tra la zona del Monte Vettore e quella dei Monti della Laga. La sequenza di Amatrice-Norcia si sviluppa infatti attraverso il thrust dei Monti Sibillini, un importante elemento strutturale che separa due ambienti a differente litologia, le piattaforme carbonatiche a Nord Ovest, dalle sequenze di bacino, a Sud Est. La separazione tra gli alti e bassi Vp/Vs coincide con il passaggio attraverso questo limite tettonico, suggerendo differenti condizioni di saturazione in fluidi tra le diverse litologie che vengono a contatto (calcari a Nord Ovest e torbiditi a Sud Est).

Figura 3: La distribuzione del Vp/Vs lungo un piano corrispondente al piano di faglia principale dei mainshock di Amatrice e Norcia (stelle rosse). I colori blu e rossi indicano anomalie positive e negative del rapporto tra Vp/Vs (Chiarabba et al., 2018).

Cinematica delle rotture principali

Gli eventi della sequenza sono prevalentemente distensivi (avvengono cioè su faglie dirette o normali), con direzione di massima estensione anti-appenninica. Gli studi di dettaglio della distribuzione dello scorrimento (slip) sui piani di faglia degli eventi principali delineano dei processi di rottura complessi, il più delle volte con slip multipli che testimoniano una diffusa eterogeneità dei volumi focali e una segmentazione dei piani di faglia, in larga parte determinate da strutture geologiche pre-esistenti. La Figura 4, tratta da Cirella et al. (2020), mostra come il terremoto di Amatrice (Mw 6.0) abbia avuto due zone di massimo slip separate dall’ipocentro stesso. L’evoluzione temporale del processo di rottura è fortemente influenzata dalle eterogeneità crostali evidenziate dalle anomalie di velocità evidenziate nelle sezioni tomografiche Vp e di Poisson Ratio (PR).  PR è una parametro elastico che quantifica il rapporto tra una deformazione trasversale e una longitudinale. In un liquido PR= 0.5, nelle rocce comuni varia tra 0.1 e 0.4. Alti valori di PR corrispondono ad alti valori di Vp/Vs.

Figura 4: La distribuzione dello scorrimento (slip) sui piani di faglia del terremoto di Amatrice (Mw 6.0). Si nota come questo evento abbia avuto due zone di massimo slip separate dall’ipocentro stesso (Cirella et al., 2020).

La cinematica della rottura dell’evento di magnitudo Mw 6.5 avvenuto a Norcia il 30 ottobre 2016 mostra una maggiore complessità ed è mostrata nella Figura 5 (Scognamiglio et al., 2018). Qui la rottura viene modellata su due piani, il piano principale con una direzione di 155 gradi dal Nord e il piano secondario, ortogonale ad esso, orientato a 210 gradi.

Figura 5: La distribuzione dello slip sul piano di faglia, orientato N155, relativo all’evento di Norcia del 30 ottobre 2016 (sinistra). La complessità della rottura è tale da rendere necessaria l’introduzione di un piano ausiliario (destra) orientato N210 con una distribuzione di slip diversa rispetto al piano precedente. Da notare come i massimi valori dello slip siano di circa 3 metri su entrambi i piani (Scognamiglio et al., 2018).

Un modellazione differente dello stesso evento (vedi Figura 6, Cheloni et al., 2019) prevede che lo slip avvenga sempre su due piani, il piano principale di geometria simile al precedente e un piano antitetico che immerge verso il principale, definendo così una struttura a semi-graben (depressione strutturale asimmetrica, costituita da blocchi ribassati da faglie normali, che si origina a seguito di un processo distensivo, ossia di estensione della crosta).

Figura 6: Schema strutturale di Cheloni et al. 2019 che mostra la faglia principale relativa all’evento di Norcia con l’area di slip (fino a 3 m) evidenziata in rosso e gli slip relativi agli eventi di Amatrice (verde) e Visso (blu). Sulla faglia principale termina una faglia secondaria, chiamata antitetica perché il piano immerge sul piano principale al punto che i due piani sembrano intersecarsi, dove osserviamo uno slip ci circa 1 metro (dettagli in Cheloni et al., 2019). La struttura è chiamata semi-graben.

Questi due modelli alternativi e piuttosto dissimili della distribuzione delle faglie che si sono attivate durante la sequenza del 2016 è esemplificativo della difficoltà che hanno i sismologi nel determinare alcuni dettagli del processo di fagliazione. Queste difficoltà sono determinate dalla complessità intrinseca del processo sismico in strutture complesse come quelle dell’Appennino e dalla disponibilità di soli dati indiretti (sismici, accelerometrici, geodetici) che non consentono di “osservare” realmente il fenomeno fisico oggetto dello studio. La ricerca prosegue. 

A cura di Pasquale De Gori e Alessandro Amato con il contributo di Concetta Nostro e Maurizio Pignone (INGV , Osservatorio Nazionale Terremoti).

Bibliografia citata

Cheloni, D., Falcucci, E., & Gori, S. (2019). Half‐graben rupture geometry of the 30 October 2016 MW 6.6 Mt. Vettore‐Mt. Bove earthquake, central Italy. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 124, 4091–4118. https://doi.org/10.1029/2018JB015851

Chiarabba, C., De Gori, P., Cattaneo, M., Spallarossa, D., & Segou, M. (2018). Faults geometry and the role of fluids in the 2016–2017 Central Italy seismic sequence. Geophysical Research Letters, 45, https://doi.org/10.1029/2018GL077485

Cirella, A., Pezzo, G., & Piatanesi, A.(2018). Rupture kinematics and structural-rheological control of the 2016 Mw6.1 Amatrice (central Italy) earthquake from joint inversion of seismic and geodetic data. Geophysical Research Letters, 45, 12,302–12,311. https://doi.org/10.1029/2018GL080894

Improta, L., Latorre, D., Margheriti, L. et al. Multi-segment rupture of the 2016 Amatrice-Visso-Norcia seismic sequence (central Italy) constrained by the first high-quality catalog of Early Aftershocks. Sci Rep 9, 6921 (2019). https://doi.org/10.1038/s41598-019-43393-2

Michele, M., Chiaraluce, L., Di Stefano, R., & Waldhauser, F. (2020). Fine‐scale structure of the 2016–2017 Central Italy seismic sequence from data recorded at the Italian National Network. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 125, e2019JB018440. https://doi.org/ 10.1029/2019JB018440

Scognamiglio, L., Tinti, E., Casarotti, E., Pucci, S., Villani, F., Cocco, M., et al. (2018). Complex fault geometry and rupture dynamics of the MW 6.5, 30 October 2016, central Italy earthquake. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 123, 2943–2964. https://doi.org/10.1002/2018JB015603

 

Riportiamo un elenco degli articoli pubblicati in questi anni sui terremoti in Italia centrale.


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