Monitoraggio sismico, acustico e idrochimico dell’area di Cassino

Dal febbraio del 2016, grazie ad un finanziamento dell’Agenzia di Protezione Civile della Regione Lazio, è iniziato un esperimento di acquisizione di dati sismici con l’installazione di una rete di stazioni sismiche temporanee nell’area compresa tra i comuni di Cassino, Terelle, Piedimonte San Germano e Villa Santa Lucia, e di acquisizione di parametri fisici dell’acqua in pozzo (pressione, conducibilità e temperatura) presso le località di Sant’Angelo in Theodice e di Cassino (pozzo Palombara a Cassino est). L’analisi sismica ha permesso la localizzazione di tutta la microsismicità presente nel territorio di Cassino e, nel caso di magnitudo superiori a 1.0, l’integrazione di questi dati con quelli della Rete Sismica Nazionale (RSN) dell’INGV. Per migliorare le localizzazioni dei terremoti è stato usato un modello di velocità specifico per quest’area (Frepoli et al., 2017).

Un ulteriore obiettivo di questo studio è stato quello di migliorare la conoscenza dei fenomeni dei tremori associati a forti boati risentiti dalla popolazione della frazione di Caira e delle città di Cassino e Villa Santa Lucia oltre che dai pochi residenti nei pressi dell’abbazia di Montecassino. Presso quest’ultima è stata installata una stazione sismica con a fianco un sensore acustico (microfono). Nel corso dell’esperimento è stato previsto anche il calcolo della magnitudo locale (o Richter ML) di tutti gli eventi sismici registrati ed, eventualmente per gli eventi più forti, il calcolo dei meccanismi focali per avere un’indicazione di massima sul campo degli sforzi che agisce nell’area.

Inquadramento geologico, sismotettonico e idrogeologico

Quest’area è localizzata nel Lazio Meridionale, delimitata a NW dal massiccio dei Monti Ernici, a NE dai Monti di Venafro, a SE dai Monti di Rocca d’Evandro e dalla piana del Liri-Garigliano, e a SW dalla Valle Latina. Risulta attraversata da due corsi d’acqua principali costituiti dal fiume Rapido e dal fiume Gari. Il settore ricade nel dominio appenninico centro-meridionale appartenente alla serie sedimentaria laziale-abruzzese. Le acque piovane vanno ad alimentare l’acquifero del sistema montuoso. Le rocce carbonatiche di età cretacica sono quelle che presentano la più alta permeabilità. Sono numerose e abbondanti le sorgenti che bordano il limite orientale della montagna di Cassino a contatto con i depositi alluvionali della piana sottostante. Esse alimentano il fiume Gari, uno dei principali affluenti del Liri.

La sismotettonica di questa porzione di catena è dominata da un regime di sforzi all’interno della crosta che è di tipo estensivo con la formazione di faglie normali orientate NW-SE. Queste faglie, e le strutture secondarie ad esse associate, si ritiene siano responsabili sia dei grandi terremoti storici sia della diffusa attività sismica che oggi viene rilevata con le reti strumentali. Il catalogo dei terremoti storici (Catalogo Parametrico dei Terremoti Italiani, CPTI15) riporta diversi eventi sismici significativi, alcuni molto distruttivi, e per la maggior parte concentrati lungo l’asse principale della catena appenninica. Il primo evento distruttivo (magnitudo Mw 6.8) di cui si ha una buona testimonianza storica è quello del 9 settembre 1349 avvenuto nell’area tra Lazio meridionale e Molise occidentale. La probabile sorgente sismogenetica di questo evento, che è stata individuata da uno studio di paleosismologia ed archeosismologia da Galli e Naso (2009), si estende in parte nella piana di Venafro e nella sua parte occidentale nel settore montuoso di confine tra Lazio e Molise, a sud delle Mainarde. Quello che viene invece considerato l’evento caratteristico della provincia di Frosinone è il terremoto del 24 luglio del 1654 (Mw 6.3) che ha colpito un’estesa area del Lazio meridionale tra Sora, Val di Comino e Roccasecca (Saroli et al., 2012).

Per quanto riguarda la sismicità recente sono da ricordare gli eventi del 17 aprile 1969 di magnitudo ML 4.7 (Mw 4.6) e del 20 febbraio 2008 di magnitudo ML 3.9, entrambi localizzati nell’area compresa tra Terelle, Cassino e Belmonte Castello. Uno studio recente, eseguito grazie all’installazione di una rete sismica temporanea (Cimini et al., 2013; Frepoli et al., 2017), ha evidenziato nel periodo 2009-2013 la presenza di una diffusa microsismicità nel Lazio meridionale con eventi localizzati a profondità intorno ai 10-12 km. Gran parte dei meccanismi focali calcolati in questo studio indicano soluzioni di tipo estensivo con estensione in direzione antiappenninica.

L’assetto idrogeologico contribuisce al quadro di insieme per lo studio dei microtremori che si localizzano proprio al di sotto della struttura del Monte Cairo e di Montecassino. La grande dorsale carbonatica dei Simbruini-Ernici-Monte Cairo che si trova a tergo della zona urbana di Cassino, ha un’estensione di circa 1776 km2. Monte Cairo e Montecassino rappresentano, per la struttura idrogeologica ernica, il vertice di un triangolo ideale dove converge il flusso idrico sotterraneo dell’idrostruttura dei Monti Simbruini – Monti Ernici – Monte Cairo (Boni et al., 1986; Lancia et al., 2018; Saroli et al., 2019). Questa posizione così favorevole fa sì che nell’area ci sia una concentrazione elevata di sorgenti, compresa tra l’abitato di Cassino (Villa Comunale) e la località Borgo Mastronardi, per una portata totale di circa 15-18 m3/s. La risalita dell’acqua è facilitata in tutta la piana dalla presenza di blocchi calcarei affioranti, radicati nel substrato. Esempi di questi blocchi radicati si trovano alle Terme Varroniane e in località Borgo Mastronardi (Saroli et al., 2019). In accordo con Boni (1972), il fattore che condiziona maggiormente il quadro idrogeologico regionale è il contrasto di permeabilità che esiste tra le litologie mesozoiche permeabili e le coperture flyschoidi. Grazie a conoscenze pregresse sull’area (Saroli et al., 2014; 2015; 2019; 2020), si osserva una circolazione profonda ed una circolazione superficiale con direzioni di flusso circa coincidenti. In particolare, l’acquifero multifalda che interessa le coperture quaternarie risulta costantemente alimentato dalla falda profonda in pressione e presenta quote prossime al piano campagna in gran parte del comune di Cassino (Saroli et al., 2014; 2015; 2019).

L’installazione della rete sismica temporanea, iniziata nel febbraio 2016, grazie a un finanziamento dell’Agenzia di Protezione Civile della Regione Lazio, è stata realizzata in collaborazione con il DICeM – Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale (dove dal 2019 esiste una sede INGV) con un primo gruppo di 6 stazioni sismiche. Negli anni successivi è stato incrementato il numero di stazioni portandolo alle attuali 15 stazioni (Progetto ANSCA – Ricerca Libera). Al momento, nell’area dell’abbazia di Montecassino sono in funzione 6 stazioni concentrate nel raggio di 2 km a partire dall’edificio dell’abbazia stessa. Tutte le altre sono distribuite tra le località di Caira, Villa Santa Lucia, Terelle, Piedimonte San Germano, Pontecorvo, Castelnuovo Parano, San Vittore, Monte Trocchio e Rocca d’Evandro (in fig. 1 un esempio di stazione sismica temporanea).

I dati delle registrazioni in continuo delle stazioni sismiche vengono periodicamente scaricati su un PC e poi archiviati su più memorie di massa. Tutti i dati sismici sono sincronizzati con il sistema GPS. Alla lettura dei tempi d’arrivo delle fasi P ed S degli eventi rilevati da queste stazioni, per i terremoti più forti, vengono associate anche le letture delle fasi sismiche registrate dalle stazioni della RSN. Le stazioni della RSN più vicine stanno a circa 18-24 km di distanza dall’area in studio: Cerasuolo CERA, Arpino LRP e San Giovanni Incarico LIK.

Al momento l’unica stazione temporanea direttamente collegata alla Sala Operativa INGV di Roma è quella installata nei sotterranei dell’abbazia di Montecassino con sigla MCI, in funzione dal luglio 2017. Per i sensori sismici è stato importante trovare siti con poco rumore antropico, ubicati soprattutto su roccia, per poter rilevare bene anche gli eventi meno energetici. La morfologia dell’area da questo punto di vista è un po’ sfavorevole, essendo presente il grande centro urbano di Cassino; inoltre, buona parte dell’area di studio rientra nelle piane fluviali del Rapido-Gari e del Liri.

Dal 2016 ad oggi sono stati rilevati e localizzati circa 8000 eventi sismici di cui solo pochi hanno superato magnitudo 2.0. Gli eventi registrati da almeno 5 stazioni presentano le migliori localizzazioni (vedi figure 2 e 3). Si tratta, nella maggior parte dei casi, di microsismicità superficiale con ipocentri compresi tra 0.5 e 4 km di profondità e con magnitudo davvero molto piccole, anche prossime allo zero. Questa sismicità è quasi tutta concentrata al di sotto della montagna di Cassino, tra Villa Santa Lucia, Terelle, Caira, Rocca Janula ed il Teatro Romano dell’area archeologica di Cassino (figura 3). Infatti, per gli eventi localizzati al di sotto del massiccio montuoso di Montecassino, la differenza dei tempi d’arrivo tra le onde S e le onde P, che varia da 0.25 a 0.60 secondi, indica proprio profondità ipocentrali comprese tra i 0.5 e 4.0 km.

E’ stato notato che parte della microsismicità si estende anche al di sotto dell’area pianeggiante dove passa la via Casilina e la linea ferroviaria, andando verso la località di Pignataro Interamna. In questo caso, purtroppo, le profondità ipocentrali sono poco vincolate a causa del grande gap azimutale (definito come il massimo valore angolare esistente tra un epicentro, posto al vertice dell’angolo, e le stazioni sismiche che hanno contribuito alla sua localizzazione), poiché è stato difficile trovare dei siti per stazioni sismiche con basso rumore di fondo nella parte immediatamente a sud della montagna di Cassino. Comunque, non si esclude anche la possibilità di cambiare ulteriormente la geometria della rete sismica sulla base della sismicità che si manifesterà in futuro, e possibilmente anche di potenziarla con ulteriori nuove stazioni.

Importante per la comprensione del fenomeno dei boati avvertiti dalla popolazione in quest’area è l’analisi dei flussi sotterranei delle acque all’interno del sistema carsico. Infatti, la percezione dei rumori sismo-acustici, con successivo tremore ad essi associato, è diversa da quello di un evento sismico. Un terremoto produce oscillazioni sia verticali che longitudinali del terreno (onde P ed S) con rumore acustico dovuto al disaccoppiamento dal terreno all’aria di parte dell’energia dell’onda P. Il boato è probabilmente dovuto ad un improvviso aumento della velocità di flusso delle acque sotterranee nelle condotte carsiche della montagna di Cassino, che supera la velocità di propagazione del suono in acqua, in modo simile a quanto avviene in aria ad un aereo che rompe il muro del suono. Questo fenomeno dei boati causati dal flusso idrico sotterraneo è molto localizzato, cioè se il fenomeno viene avvertito a Caira, non viene avvertito a Cassino e viceversa.

Nell’ultimo anno di monitoraggio (2024-2025) è stata rilevata anche la presenza di sismicità di origine tettonica nelle aree limitrofe a quella qui trattata, come la sequenza nel dicembre 2024 di Roccamonfina, ed altre piccole sequenze presso le località di Mignano Montelungo, San Giorgio al Liri e Sant’Apollinare.

Facciamo il punto

Allo stato attuale delle conoscenze è possibile fare delle prime ipotesi sull’origine della sismicità e dei microtremori e boati. La sismicità intorno ai 7 – 15 km è probabilmente imputabile alla faglia attiva di San Pietro Infine. La microsismicità localizzata tra 0.5 e 4 km ha, invece, una genesi diversa ancora da identificare, ed è caratterizzata da uno stress tettonico molto localizzato che produce eventi molto piccoli con meccanismi focali di doppia-coppia pura, presumibilmente influenzato dalla circolazione di acqua nell’idrostruttura di Monte Cairo.

Per quanto riguarda i boati ed i tremori ad essi associati, risentiti nella frazione di Caira e nella piana di Cassino, in particolare lungo il margine meridionale della struttura di Montecassino, i dati attualmente disponibili non permettono di definire un’unica causa. Tuttavia, è possibile avanzare delle ipotesi all’origine sia della microsismicità localizzata tra 0.5 e 4 km sia dei boati e tremori associati. Questi si localizzano alla base della serie carbonatica dell’idrostruttura di Montecassino (parte terminale della più estesa idrostruttura carbonatica simbruino-ernica-Monte Cairo) che è sede di recapito di una copiosa falda libera (portata di circa 18 m3/s) che satura tutta la serie carbonatica fino alle dolomie basali. Alla luce di quanto riportato, e in base alle attuali conoscenze, le ipotesi più plausibili sono:

1. circolazione di masse d’acqua profonde in pressione legate alla presenza di sistemi paleocarsici;
2. crolli generati da erosione meccanica e chimica in un sistema carsico sommerso ancora attivo che, come documentato dalla bibliografia, ha la sua massima espressione nei fenomeni di sinkhole e numerose doline presenti nell’area. Le cavità profonde potrebbero dare origine, in fase di collasso, a colpi di tensione o “rock burst”;
3. fenomeni legati a colpi di tensione o “rock burst” innescati dall’elevato stato tensionale in cui si trova l’ammasso roccioso. Tale stato tensionale potrebbe essere principalmente di origine tettonica (legato al sistema attivo della Faglia di San Pietro Infine) e subordinatamente legato all’evoluzione del sistema carsico profondo come precedentemente ipotizzato nel punto “b”.

Quindi la microsismicità più superficiale potrebbe avere una genesi differente rispetto a quella situata nello strato sismogenetico tra i 7 ed i 15 km di profondità. Quest’ultima è appunto legata a sorgenti sismogenetiche con cinematica estensiva tipiche dell’Appennino centrale che in alcuni casi potrebbero avere manifestazioni in superficie come la faglia di San Pietro Infine e quella di Posta Fibreno (prosecuzione verso sud della Faglia della Val Roveto o Faglia del Liri nota anche come Faglia Val Roveto-Atina) (Saroli et al, 2022).

Indagini future

Per cercare di comprendere in maniera più approfondita la dinamica profonda dell’idrostruttura del Monte Cairo, che costituisce la zona di deflusso di base  del serbatoio  regionale simbruino-ernico-Monte Cairo e che trova la sua massima espressione nelle sorgenti del fiume Gari, sono state installate strumentazioni di rilevazione acustica (microfoni) più una stazione fornita di trasduttori di pressione (i.e. livello di falda o portata) e di un sensore per la misura della conduttanza elettrica (i.e. salinità) delle acque presso due pozzi nella zona in studio. Tali sensori permetteranno di investigare l’eventuale correlazione tra variazione stagionale, e non della falda, e l’occorrenza dei boati nell’area investigata. Attualmente si stanno valutando anche i rapporti tra piovosità, scarico alle sorgenti, risposta del sistema idrogeologico, sismicità e microsismicità implementando i dati a disposizione in un modello geologico 3D ed in un modello numerico idrogeologico.

Inoltre, nell’ambito del progetto ACU (DL50) è prevista l’installazione, entro l’anno 2025, della strumentazione microbarometrica nei siti occupati da stazioni sismiche della rete temporanea. Tale rete infrasonica darà un contributo importante per aiutare ad individuare la genesi dei boati.

A cura di Alberto Frepoli (INGV), Gaetano De Luca (INGV), Michele Saroli (INGV-DICeM), Marco Moro (INGV), Matteo Albano (INGV), Enrica Zullo (DICeM – Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale), Luca Pizzino (INGV) , Thomas Braun (INGV).

Fonte foto in evidenza: Ministero della Cultura 

Bibliografia

Boni C., 1972. Lineamenti idrogeologici dell’Appennino carbonatico Laziale-abruzzese (primi risultati della campagna 1970-72) E. SA, 2° Convegno Int. Acque Sotterranee, Palermo.

Boni C., Bono P., Capelli G., 1986. Schema Idrogeologico dell’Italia Centrale. Memorie della società Geologica Italiana, 35, 991-1012, 2 tavole.

Cimini, G.B., Frepoli A., De Luca G., Pagliuca N.M., Marchetti A., Giandomenico E., 2013. Studio della sismicità nell’area tra Lazio, Abruzzo e Molise: l’esperimento di sismica passiva del progetto SLAM, Rapporto Tecnico INGV, n. 255.

CPTI15 – Catalogo Parametrico dei Terremoti Italiani. Rovida A., Locati M., Camassi R., Lolli B., Gasperini P. (2016). Versione 4.0.

Frepoli A., Cimini G.B., De Gori P., De Luca G., Marchetti A., Monna S., Montuori C., Pagliuca N.M., 2017. Seismic sequences and swarms in the Latium-Abruzzo-Molise Apennines (central Italy): new observations and analysis from a dense monitoring of the recent activity, Tectonophysics.

Galli, P.A., Naso, J.A., 2009. Unmasking the 1349 earthquake source (southern Italy): paleoseismological and archeoseismological indications from the Aquae Iuliae fault. Journal of Structural Geology, 31, 128-149.

Lancia M., Saroli M., Petitta M. (2018). A double scale methodology to investigate flow in karst fractured media via numerical analysis: the Cassino plain case study (Central Apennine, Italy), Geofluids, vol. 2018, Article ID 2937105, 1-12, doi:10.1155/2018/2937105; ISSN: 1468-8115 (Print) ISSN: 1468-8123 (Online).

Saroli M., Lancia M., Albano M., Modoni G., Moro M., Scarascia Mugnozza G. (2014). New geological data on the Cassino intermontane basin, central Apennines, Italy. Intermontane basins in central-southern Italy. Rend. Fis. Acc. Lincei. Volume 25, Issue 2 Supplement, pp. 189-196 Published online. DOI 10.1007/s12210-014-0338-5. ISSN 2037-4631 (print version) ISSN 2037-4631 (on line version).

Saroli M., Lancia M., Petitta M., Scarascia Mugnozza G., (2015). A numerical model to verify the communication between Gari and Peccia springs (Cassino, Central Italy). V Congresso Nazionale AIGA Rend. Online Soc. Geol. It., Vol. 35, pp. 268-271, 3 figs. DOI:10.3301/ROL.2015.117.

Saroli M., Lancia M., Petitta M. (2019). The geology and hydrogeology of the Cassino plain (central Apennines, Italy): redefining the regional groundwater balance, Idrogeology Journal. 1-17, doi:10.1007/s10040-019-01953-w. Print ISSN: 1431-2174. Online ISSN: 1435-0157.

Saroli M., Moro M., Gori S., Falcucci E., Salvatore M.C. (2012). Tettonica, idrogeologia e carsismo: un nuovo approccio multidisciplinare per lo studio della tettonica attiva. L’esempio della faglia di Posta Fibreno (Marsica occidentale-Lazio meridionale). IV Congresso AIGA, 6-7 Febbraio 2012, Perugia, EngHydroEnv Geology 14B (2012), 215-216, doi:10.1474/EHEGeology.2012-14.B.160.

Saroli M., Albano M., Modono G., Moro M., Milana G., Spacagna R., Falcucci E., Gori S., Scarascia Mugnozza G. (2020). Insight into bedrock paleomorphology and linear dynamic soil properties of the Cassino intermontane basin (Central Italy). Engineering Geology, Volume 264, January 2020, 1053333.

Saroli M., Albano M., Moro M., Falcucci E., Gori S., Galadini F. and Petitta M. (2022). Looking into the Entaglement between karst landforms and fault activity in carbonate ridges: The Fibreno Fault System (Central Italy). Frontiers in Earth Science, 10 art. No. 891319, 1 – 16. Doi:10.3389/feart.2022.981319-ISSN 2296-6463.

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