Seguendo le onde dei terremoti attraverso l’Appennino

L‘Appennino centro-meridionale è una delle aree geologicamente e sismicamente più complesse d’Italia (Di Luccio et al., 2022). Qui la catena separa due domini geologici molto diversi: a est quello adriatico, caratterizzato da una crosta più spessa e da una sismicità che interessa anche la crosta profonda; a ovest quello tirrenico, dove la crosta è più sottile e dove sono presenti importanti aree vulcaniche e diffuse emissioni naturali di anidride carbonica (CO₂) di origine profonda. Lungo l’asse dell’Appennino si concentrano molte faglie attive che hanno generato alcuni degli eventi più forti della storia sismica recente italiana, dal terremoto in Irpinia del 1980 fino alle sequenze dell’Appennino centrale del 2009 e del 2016.

Queste profonde differenze geologiche e tettoniche influenzano anche il modo in cui le onde sismiche si propagano nel sottosuolo. Ma quanto conosciamo davvero la struttura della crosta in questa parte della Penisola italiana? E quali informazioni possono fornire le onde generate dai terremoti?

Per rispondere a queste domande, un nuovo studio pubblicato su Geophysical Journal International ha analizzato la propagazione delle onde S prodotte da due terremoti dell’Appennino centro-meridionale, confrontando i segnali registrati dalle stazioni della Rete Sismica Nazionale Integrata dell’INGV con quelli ottenuti da simulazioni numeriche. Il lavoro ha permesso di ricostruire la struttura della crosta lungo un profilo che attraversa la catena dal margine adriatico al dominio tirrenico, mettendo in evidenza forti contrasti laterali nelle proprietà delle rocce e una zona superficiale, in corrispondenza dell’asse appenninico, in cui le onde sismiche perdono energia molto più rapidamente di quanto avviene nelle zone circostanti.

Figura 1. L’area e il profilo analizzato in questo lavoro: dal margine adriatico fino al margine tirrenico, attraversando l’Appennino centro-meridionale. Le stelle indicano i terremoti utilizzati nello studio, mentre i triangoli rappresentano le stazioni della Rete Sismica Nazionale Integrata dell’INGV.

Guardare dentro la Terra usando i terremoti

Quando avviene un terremoto, le onde sismiche si propagano nel sottosuolo e vengono registrate dalle stazioni sismiche poste in superficie. Ma il loro comportamento non dipende solo dalle caratteristiche della sorgente del terremoto: velocità, ampiezza e forma delle onde cambiano in funzione dei materiali attraversati.

In maniera analoga a quando ascoltiamo un suono che passa attraverso pareti diverse (ad esempio cemento, acqua o legno), anche il segnale sismico viene modificato in modo differente a seconda del materiale che attraversa e le stazioni dislocate sul territorio registrano questi cambiamenti.

In questo studio i ricercatori hanno analizzato due terremoti avvenuti rispettivamente il 16 agosto 2018 (evento 1, magnitudo Mw 5.1) e il 28 marzo 2023 (evento 2, magnitudo Mw 4.6) nell’Appennino centro-meridionale, registrati dalle stazioni della Rete Sismica Nazionale Integrata dell’INGV (Figura 1). I segnali sono stati analizzati lungo un profilo orientato NNE-SSW che attraversa la Penisola dall’Adriatico fino al Tirreno, viaggiando sotto l’asse appenninico e le aree vulcaniche campane.

L’idea non era soltanto di misurare i tempi di arrivo delle onde ma confrontare direttamente le forme d’onda osservate alle stazioni con quelle ottenute tramite simulazioni numeriche. In pratica, i ricercatori hanno costruito diversi “modelli” del sottosuolo e verificato quale tra essi riproducesse meglio anche la forma e l’ampiezza dei segnali registrati dai sismometri.

Figura 2. Le registrazioni delle onde sismiche prodotte dai due eventi cambiano progressivamente attraversando gli Appennini. Ogni traccia rappresenta la componente trasversale del segnale registrato da una stazione sismica. Le tracce sono ordinate per distanza crescente della stazione rispetto al terremoto, da est (CIGN per evento 1, SACR per evento 2) a ovest (IOCA per evento 1, IMTC per evento 2). L’asse verticale indica la distanza dall’evento, in km, mentre l’asse orizzontale indica il tempo, in secondi. La linea tratteggiata rappresenta il tempo di arrivo teorico stimato per la fase Sg – l’onda S diretta che viaggia nella crosta – secondo un modello regionale di riferimento (Di Stefano et al., 1999).

Le onde S e il “riverbero” della Moho

Lo studio si concentra soprattutto sulle onde S, onde di taglio che attraversano la crosta terrestre e sono molto sensibili alle proprietà meccaniche delle rocce. I ricercatori hanno modellato in particolare due fasi sismiche: 1) Sg, l’onda S diretta che viaggia nella crosta (Figura 2); 2) SmS, la fase S riflessa sulla Moho, che rappresenta la discontinuità che separa la crosta dal mantello.

Analizzando il ritardo tra i tempi di arrivo di queste due onde alle stazioni, la loro ampiezza e la forma dei segnali registrati, è stato possibile ottenere informazioni sulla struttura crostale con un dettaglio difficile da raggiungere usando soltanto le tecniche tomografiche tradizionali.

L’Appennino separa due diverse tipologie di crosta

Uno dei risultati più evidenti è il forte contrasto di velocità delle onde tra il lato adriatico e quello tirrenico della catena.

Nel settore adriatico la crosta inferiore appare più “veloce”: le onde sismiche viaggiano più rapidamente, indicando probabilmente la presenza di rocce più dense e compatte. Lo studio propone che questa anomalia possa essere legata a intrusioni mafiche profonde, cioè corpi magmatici solidificati all’interno della crosta durante antichi episodi di estensione tettonica.

Sotto l’asse appenninico e verso il versante tirrenico, invece, la crosta risulta più “lenta”. Qui emerge il risultato più interessante del lavoro: una fascia superficiale ad alta attenuazione che si estende in corrispondenza dell’asse della catena, dalla superficie fino a circa 10 km di profondità. In questa regione le onde sismiche perdono rapidamente energia, e per riprodurre correttamente i dati osservati i ricercatori hanno dovuto inserire nei modelli una zona a forte attenuazione (Figura 3).

Secondo gli autori, questa struttura potrebbe riflettere la presenza di fluidi e sistemi di fratture associate alle faglie attive dell’Appennino. È un risultato coerente con altri studi geofisici e geochimici che negli ultimi anni hanno evidenziato il ruolo dei fluidi profondi nei processi sismogenetici appenninici.

Figura 3. (a) Schema riassuntivo delle principali strutture identificate attraverso la modellazione delle onde sismiche: le diverse velocità delle onde S nella crosta tra dominio adriatico e tirrenico, la profondità della Moho e la presenza di una zona superficiale ad alta attenuazione (Low Q) lungo l’asse appenninico. (b) Mappa dell’attenuazione sismica nell’area oggetto di studio, ottenuta grazie a studi precedenti (Talone et al., 2023), confrontata con i risultati di questo lavoro. Sono evidenziate la zona ad alta attenuazione individuata sotto gli Appennini (Low Q), l’area adriatica caratterizzata da velocità sismiche più elevate (High Vs), le principali faglie normali attive (linee blu, seguendo lo studio di Lavecchia et al., 2022) e anomalie geofisiche profonde compatibili con intrusioni mafiche nella crosta (anomalie di velocità delle onde sismiche Vp: linea marrone tratteggiata, Improta et al., 2014; anomalie magnetiche: linea rossa tratteggiata, Speranza e Chiappini, 2002).

Perché è importante?

Capire com’è fatta la crosta terrestre al di sotto dell’arco appenninico è utile non solo per ricostruire la storia geologica della Penisola, ma anche per migliorare la conoscenza dei processi che governano la sismicità. La struttura del sottosuolo influenza infatti il modo in cui le onde sismiche si propagano durante un terremoto, condizionando durata, ampiezza e distribuzione dello scuotimento. Comprendere meglio le proprietà della crosta, così come il ruolo dei fluidi e delle faglie significa sviluppare modelli sempre più accurati della struttura del sottosuolo, utili anche per affinare le valutazioni relativamente alla pericolosità sismica di un’area.

Lo studio mostra inoltre quanto la modellazione delle forme d’onda possa integrare le immagini ottenute dalla tomografia sismica tradizionale. Non permette soltanto di individuare “dove” cambiano le velocità nel sottosuolo, ma anche di capire “come” queste strutture influenzano la propagazione delle onde sismiche registrate durante un terremoto.

A cura di M. Scarponi, F. Di Luccio e C. Piromallo (INGV), D. Sun e H. Bi, School of Earth and Space Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui

Il lavoro è stato sviluppato nell’ambito del Progetto Dipartimentale INGV FURTHER, che studia il ruolo dei fluidi nella preparazione dei terremoti nell’Appennino meridionale. Lo studio completo è disponibile in open access su Geophysical Journal International:
Scarponi, M., F. Di Luccio, C. Piromallo, D. Sun and H. Bi (2026). Forward modelling of regional S-waveforms in the central-southern Apennines (Italy): evidences for lateral crustal velocity contrasts and shallow axial attenuation, Geophys. J. Int., 10.1093/gji/ggag069.

Bibliografia

Di Luccio, F. et al. (2022). Geodynamics, geophysical and geochemical observations, and the role of CO2 degassing in the Apennines. Earth Sci. Rev., 234, 104236. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2022.104236

Di Stefano, R., Chiarabba, C., Lucente, F., Amato, A. (1999). Crustal and uppermost mantle structure in Italy from the inversion of P-wave arrival times: geodynamic implications. Geophys. J. Int., 139(2), 483-498. https://doi.org/10.1046/j.1365-246x.1999.00952.x

Improta, L., De Gori, P., Chiarabba, C. (2014). New insights into crustal structure, Cenozoic magmatism, CO2 degassing, and seismogenesis in the southern Apennines and Irpinia region from local earthquake tomography. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 119(11), 8283-8311. https://doi.org/10.1002/2013JB010890

Lavecchia, G., Bello, S., Andrenacci, C., Cirillo, D., Ferrarini, F., Vicentini, N., de Nardis, R., Roberts, G., Brozzetti, F. (2022). QUaternary fault strain INdicators database-QUIN 1.0-first release from the Apennines of central Italy. Scientific Data, 9(1), 204. https://doi.org/10.1038/s41597-022-01311-8

Speranza, F., Chiappini, M. (2002). Thick‐skinned tectonics in the external Apennines, Italy: New evidence from magnetic anomaly analysis. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 107 (B11), ETG-8. https://doi.org/10.1029/2000JB000027

Talone, D., De Siena, L., Lavecchia, G., de Nardis, R. (2023). The attenuation and scattering signature of fluid reservoirs and tectonic interactions in the central‐southern Apennines (Italy). Geophysical Research Letters, 50(22), e2023GL106074. https://doi.org/10.1029/2023GL106074

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