IN PRIMO PIANO Sequenza Umbertide (PG) 2023 TERREMOTI IN ITALIA

Analisi dello scuotimento causato dal terremoto di Umbertide (Mw 4.5) del 9 marzo 2023

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Il 9 marzo 2023 si sono susseguiti, in poco più di 4 ore, tre eventi sismici in un’area compresa tra Perugia e Città di Castello, rispettivamente alle ore italiane (UTC +01:00) 16:05:40 (Mw = 4.3), 20:08:05 (Mw = 4.5) e 20:13:56 (Mw = 3.8). L’epicentro dell’evento più forte è localizzato a 6 km a est della città di Umbertide (PG) e la quasi totalità delle circa 210 repliche a partire dal 9 marzo è localizzata a E e SE della città. 

Figura 1. Localizzazione degli eventi della sequenza. Le dimensioni dei simboli rappresentanti gli epicentri sono proporzionali alla magnitudo dell’evento.

La soluzione del tensore momento sismico dell’evento principale indica un meccanismo focale di tipo normale, con piani di faglia orientati in direzione appenninica. Uno dei due piani del meccanismo focale presenta immersione a SW, con un’inclinazione di 52 gradi (http://terremoti.ingv.it/event/34297011). La sequenza sismica si è verificata in corrispondenza di un sistema di faglie monitorato dall’INGV, corrispondente all’Alta Valle del Tevere (https://ingvterremoti.com/2019/09/24/losservatorio-della-faglia-alto-tiberina-the-alto-tiberina-near-fault-observatory-taboo/), dominata in profondità dalla presenza di una grande faglia normale a basso angolo d’immersione (15°-20°) verso est, nota in bibliografia con il nome di faglia Alto Tiberina (ATF). L’immersione inferiore ai 30° rende l’ATF una struttura geologica sfavorevolmente orientata per la riattivazione rispetto al campo di sforzi regionale, con la continua e costante occorrenza di piccoli terremoti e occasionali eventi di moderata intensità). Gli eventi dell’attuale sequenza si sono verificati probabilmente lungo faglie antitetiche (cioè con pendenza opposta) rispetto all’ ATF, oppure su uno “splay” (ossia una diramazione a più alto angolo) della stessa ATF. 

L’evento delle 20:08:05 è stato registrato da numerose stazioni sismiche, appartenenti alla Rete Sismica Nazionale (RSN), gestita dall’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV), e alla Rete Accelerometrica Nazionale (RAN), gestita dal Dipartimento della Protezione Civile, per un totale di 208 registrazioni, disponibili al sito della banca dati accelerometrica ESM (esm-db.eu, ultimo accesso 21/03/2023).

Le forme d’onda in accelerazione sono state riviste manualmente da operatori esperti del gruppo di lavoro ITACA/ESM dell’INGV utilizzando delle procedure standard per la correzione dei segnali (es. Paolucci et al., 2011) e sono stati calcolati i parametri dello scuotimento sismico nel dominio del tempo (quali picco di accelerazione PGA, velocità PGV,  e spostamento PGD) e nel dominio della frequenza (ordinate dello spettro di Fourier e ordinate dello spettro di risposta elastico in accelerazione con uno smorzamento pari al 5%), che sono pubblicati nelle pagine “waveform” di ESM all’indirizzo https://esm-db.eu/#/event/INT-20230309_0000266. 

Le mappe delle distribuzioni spaziali di alcuni parametri, relativi all’evento delle 20:08 di Mw=4.5, per le componenti orizzontali del moto del suolo, sono riportate nelle Figure 2 e 3.

Figura 2. Distribuzione spaziale dei picchi di accelerazione (PGA-H) e velocità (PGV-H), della componente orizzontale, osservati durante l’evento sismico delle 20:08 (Mw 4.5); la stella gialla indica l’epicentro. Il rettangolo arancione indica la proiezione in superficie della faglia virtuale, la cui geometria è derivata da equazioni empiriche. I triangoli rappresentano le stazioni sismiche che hanno registrato l’evento.
Figura 3. Distribuzione spaziale delle ordinate dello spettro di risposta in accelerazione (orizzontale) per i periodi T pari a 1s e 3s osservate durante l’evento sismico delle 20:08 (Mw 4.5); la stella gialla indica l’epicentro. Il rettangolo arancione indica la proiezione in superficie della faglia virtuale, la cui geometria è derivata da equazioni empiriche. I triangoli rappresentano le stazioni sismiche che hanno registrato l’evento.

La distribuzione dei parametri di picco indica valori piuttosto elevati in area epicentrale e una rapida attenuazione con la distanza. I valori più elevati di PGA sono stati osservati alle stazioni IV.MURB (Monte Urbino) e IT.VLFB (Valfabbrica), dove il prefisso IV indica le stazioni appartenenti alla rete RSN e IT alla rete RAN (vedi Fig.4). I valori di picco sono pari rispettivamente a 126.7 cm/s2 e 105.8 cm/s2, a distanza di 11 e 21 km dall’epicentro. Valori paragonabili, pari a 92.7 e 82.0 cm/s2, sono stati registrati alle stazioni IV.ATLO (Montelovesco) e IT.GBP (Gubbio Piana), che distano dall’epicentro a 3.6 e 16.6 km, rispettivamente.

Valori significativi di PGA orizzontali, anche superiori rispetto a quelli dell’evento di magnitudo più elevata, sono stati registrati durante il primo evento delle 16:05 (Mw 4.3), per le stazioni IT.GBP (161 cm/s2 a 16 km), IT.UMBT (Umbertide, 131 cm/s2 a 4 km), in Fig.5, IV.ATLO (87 cm/s2 a 2.5 km) e IV.MURB (86 cm/s2 a 12 km). Questo effetto si potrebbe spiegare con una minore profondità ipocentrale rispetto a quella dell’evento delle 20.08. Per la stazione IT.UMBT è stato registrato il valore più elevato di PGA dell’intera sequenza (197 cm/s2) in corrispondenza della componente verticale del moto del suolo. Ciò si verifica generalmente quando la stazione è situata in prossimità dell’epicentro (Ramadan et al. 2021). Per questo evento sono disponibili circa 215 registrazioni nella banca dati ESM all’indirizzo https://esm-db.eu/#/event/INT-20230309_0000214.

Figura 4. Tracce di accelerazione registrate alle stazioni IV.MURB (componente Est) e IT.VLFB (componente Nord), che hanno registrato i picchi più elevati, durante l’evento delle 20:08 (Mw 4.5).
Figura 5. Tracce di accelerazione registrate alle stazioni IT.GBP (componente Nord) e IT.UMBT (componente verticale), che hanno registrato i picchi più elevati, durante l’evento delle 16:05 (Mw 4.3).

I valori dei picchi osservati durante l’evento delle 20:08 (Mw 4.5) sono stati confrontati con le predizioni di un modello valido per il territorio italiano, denominato ITA18 (Lanzano et al, 2019). Tali modelli sono equazioni empiriche che forniscono una stima dei valori dello scuotimento in funzione della magnitudo dell’evento, della distanza sorgente-osservatore e delle condizioni locali del sito. Nelle figure 6a, 6b e 6c viene mostrato il picco di accelerazione orizzontale (PGA-H) in funzione della distanza e la predizione di ITA18 per diverse categorie di sottosuolo, che corrispondono alle classi di sito delle norme tecniche per le costruzioni italiane ed europee (NTC08, EC8). Le categorie di sottosuolo si basano sulla velocità media delle onde di taglio (onde S) nei primi 30 metri di profondità (VS,30). In particolare, la classe A corrisponde alla roccia (VS,30 ≥ 800 m/s), mentre la categoria D corrisponde a depositi profondi (spessore > 30 metri) poco consolidati (VS,30 < 360 m/s); le classi B e C hanno valori intermedi di VS,30. 

Per l’evento in esame i picchi di accelerazione osservati hanno valori in media consistenti con il modello empirico di riferimento (linea nera continua) e si posizionano, nella maggior parte dei casi, tra la media e una deviazione standard. In alcuni casi, per le classi B-E e C-D, i valori osservati superano la media più una deviazione standard, e questo accade per alcune registrazioni fra i 10 e i 30km, come ad esempio per la stazione IT.GBP. Le stesse osservazioni si possono ripetere per il picco di velocità orizzontale (Figura 7).

Figura 6. Picco di accelerazione orizzontale in funzione della distanza per diverse tipologie di sito: a) siti in roccia (classe A); b) siti su suolo rigido (classi B e E); c) siti su suolo soffice (classi C e D); la linea nera continua indica la predizione mediana del modello, le linee tratteggiate indicano la predizione mediana più o meno una deviazione standard; i simboli circolari indicano le osservazioni.
Figura 7. Picco di velocità orizzontale in funzione della distanza per diverse tipologie di sito: a) siti in roccia (classe A); b) siti su suolo rigido (classi B e E); c) siti su suolo soffice (classi C e D); la linea nera continua indica la predizione mediana del modello, le linee tratteggiate indicano la predizione mediana più o meno una deviazione standard; i simboli circolari indicano le osservazioni.

Un’anomalia più evidente è rappresentata dalle ampiezze delle ordinate dello spettro di risposta in accelerazione elastica (SA) osservati per i periodi intermedi (T = 1s), che sono superiori alla media più una deviazione standard in molti casi (Figura 8). 

Figura 8. Ordinata dello spettro di risposta in accelerazione orizzontale, calcolato per un periodo T = 1s, in funzione della distanza per diverse tipologie di sito: a) siti in roccia (classe A); b) siti su terreno rigido (classi B e E); c) siti su terreno soffice (classi C e D); la linea nera continua indica la predizione mediana del modello, le linee tratteggiate indicano la predizione mediana più o meno una deviazione standard; i simboli circolari indicano le osservazioni.

Lo scenario di scuotimento dell’evento è stato riprodotto con la metodologia empirica NESK (Non-Ergodic ShaKing) sviluppata dal gruppo ESM/ITACA (Sgobba et al., 2021; Sgobba e Pacor, 2023). Lo scenario NESK fornisce una predizione dello scuotimento che tiene conto delle caratteristiche del moto sismico prodotto da eventi passati e delle proprietà geofisiche e geologiche dell’area. Oltre all’effetto di sito, tali caratteristiche sono associabili alla sorgente sismica (es. caduta di sforzo medio nell’area) e alla propagazione delle onde nella crosta (es. attenuazione). 

In Figura 9a e 9b viene mostrato lo scenario NESK mediano dell’evento in esame, rispettivamente per la PGA e per l’ordinata spettrale SA al periodo di vibrazione T = 1s. Il moto del suolo appare anisotropo con incremento dei valori del moto in direzione SE, particolarmente per la PGA, in accordo con le mappe di scuotimento prodotte dal servizio Shakemap (http://shakemap.ingv.it/shake4/viewLeaflet.html?eventid=34297011).

Figura 9. Mappe di scuotimento dell’evento del 9 Marzo 2023, ore 20:08 (Mw 4.5) calcolate con il metodo NESK per la componente orizzontale del moto sismico: (a) PGA e (b) SA a T=1s (b) . I valori delle accelerazioni spettrali sono espressi in cm/s2. La stella gialla indica l’epicentro. I triangoli rappresentano le stazioni sismiche dell’area su cui è stato calibrato il metodo NESK.

A cura di: Giovanni Lanzano, Lucia Luzi, Sara Sgobba, Francesca Pacor, Chiara Felicetta, Claudia Mascandola, Maria D’Amico (INGV-MI; ITACA/ESM Working Group)

Bibliografia

EC8 – CEN (Comité Européen de Normalisation) 2004 Eurocode 8: design of structures for earthquake resistance-Part 1: general rules, seismic actions and rules for buildings, Comité Européen de Normalisation Brussels 2004

Lanzano, G., Luzi, L., Pacor, F., Felicetta, C., Puglia, R., Sgobba, S., & D’Amico, M. (2019). A Revised Ground‐Motion Prediction Model for Shallow Crustal Earthquakes in Italy. Bulletin of the Seismological Society of America, 109(2), 525-540. https://doi.org/10.1785/0120180210

NTC08, Norme Tecniche per le Costruzioni – D.M. 14/01/2008, Gazzetta Ufficiale n. 29-4 febbraio 2008. Suppl. Ordinario n. 30. Capitolo 3 Azioni sulle costruzioni [in Italian].

Pacor, F., Bindi, D., Luzi, L. et al. Characteristics of strong ground motion data recorded in the Gubbio sedimentary basin (Central Italy). Bull. Earthquake Eng., 5, 27–43 (2007). https://doi.org/10.1007/s10518-006-9026-x

Paolucci, R., Pacor, F., Puglia, R., Ameri, G., Cauzzi, C., & Massa, M. (2011). Record processing in ITACA, the new Italian strong-motion database. In: Earthquake data in engineering seismology (pp. 99-113). Springer, Dordrecht.

Ramadan, F., Smerzini, C., Lanzano, G., Pacor, F. (2021). An empirical model for the vertical‐to‐horizontal spectral ratios for Italy. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 50(15), 4121-4141. https://doi.org/10.1002/eqe.3548

Sgobba S, Lanzano G, Pacor F (2021) Empirical non-ergodic shaking scenarios based on spatial correlation models: an application to Central Italy. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 50(1), 60-80. https://doi.org/10.1002/eqe.3362

Sgobba S, Pacor F (2023) An application of the NonErgodic ground ShaKing (NESK) approach to an historical earthquake scenario: The case-study of the 1915 Fucino earthquake (central Italy), Soil Dyn. Earth. Eng. 164, 107622, ISSN 0267-7261, https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2022.107622.

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