Le sorgenti sismiche della sequenza di Amatrice-Visso-Norcia: cosa ci suggerisce la tomografia sismica
La sequenza sismica che tra il 2016 e il 2017 ha colpito il centro Italia, culminata nei terremoti di Amatrice (Mw 6.1), Visso (Mw 5.9) e Norcia (Mw 6.5), rappresenta uno dei casi di studio più importanti della sismologia moderna. A distanza di quasi dieci anni, l’area tra Lazio, Abruzzo, Marche e Umbria continua a essere sismicamente attiva: sebbene oggi prevalgano eventi di bassa magnitudo, la loro persistenza indica che la crosta terrestre sta ancora rilasciando energia lungo il sistema di faglie.
Subito dopo il terremoto di Amatrice, l’INGV e il British Geological Survey hanno installato una rete sismica temporanea molto densa in area epicentrale. Questa rete ha registrato decine di migliaia di terremoti, fornendo un patrimonio di dati senza precedenti per ricostruire la geometria delle faglie e comprendere i processi che governano l’evoluzione delle sequenze sismiche.
L’enorme quantità di segnali ha reso impossibile un’analisi manuale completa dei sismogrammi. Sebbene questa pratica sia tuttora utilizzata sia dai sismologi in turno h24 nella Sala di Sorveglianza Sismica dell’INGV sia dagli analisti sismologi del Bollettino Sismico Italiano (BSI) [1], si è deciso di utilizzare un codice di analisi automatico per identificare i tempi di arrivo delle onde sismiche P e S ottenendo così, in tempo quasi reale, un dataset di dati pressoché completo (Spallarossa et al., 2021). Oggi questi approcci sono ulteriormente potenziati dall’intelligenza artificiale, che consente di riconoscere un numero sempre maggiore di terremoti e di analizzarli con precisione crescente.
I tempi di arrivo delle onde P e S sono stati utilizzati per realizzare la tomografia sismica, una tecnica analoga alla TAC medica. Invece dei raggi X si sfruttano le onde generate dai terremoti, che attraversano la crosta terrestre con velocità diverse in funzione delle proprietà delle rocce. L’analisi di migliaia di percorsi sismici permette di ottenere un’immagine tridimensionale del sottosuolo, evidenziando zone con velocità elevate o ridotte rispetto a un valore medio.
Combinando le velocità delle onde P e S è possibile stimare anche il coefficiente di Poisson (ν), un parametro che fornisce indicazioni sullo stato fisico delle rocce: valori maggiori di 0.30 sono generalmente associati a rocce fratturate e ricche di fluidi, mentre valori più bassi caratterizzano rocce compatte e rigide con un basso contenuto di fluidi.
La complessità del sistema di faglie
Un primo risultato riguarda la geometria del sistema di faglie. Una faglia normale, come quelle attivate durante la sequenza sismica in centro Italia, può essere immaginata come una superficie inclinata lungo la quale avviene lo spostamento durante un terremoto. Nel caso della sequenza di Amatrice-Visso-Norcia, però, la sismicità mostra un sistema molto più complesso, formato da più segmenti con caratteristiche geologiche differenti.
La tomografia sismica ha permesso di ricostruire la distribuzione tridimensionale del coefficiente di Poisson (ν), ricavato dalle velocità delle onde sismiche P e S. Le immagini tomografiche (Figura 1) mostrano differenze significative tra le faglie di Amatrice e Norcia. Per la faglia di Amatrice il terremoto principale (mainshock) separa due settori con valori di ν molto diversi: verso Campotosto prevalgono valori bassi, mentre nella zona che ha subito il maggiore spostamento cosismico si osservano valori elevati. Anche per la faglia di Norcia, il terremoto del 30 ottobre 2016 e l’area di massimo scorrimento coincidono con una regione ad alto ν, mentre i valori più bassi si trovano a maggiori profondità.
Questi risultati suggeriscono che le aree dove si è concentrata la rottura sono caratterizzate dalla presenza di fluidi in sovrappressione, in grado di ridurre l’attrito e favorire lo scorrimento della faglia. Anche il terremoto di Visso del 26 ottobre 2016 ricade in una zona con alto ν.
Nel settore di Amatrice verso Campotosto (area dei terremoti del 18 gennaio 2017), invece, i bassi valori di ν potrebbero indicare che i fluidi siano stati espulsi durante il primo terremoto oppure riflettere un cambiamento della litologia. In effetti, proprio in quest’area la faglia attraversa il thrust dei Monti Sibillini, un’importante struttura tettonica che separa rocce carbonatiche da successioni di bacino, suggerendo che sia la presenza di fluidi sia la natura delle rocce abbiano influenzato l’evoluzione della sequenza sismica.
La tomografia sismica nel tempo: esistono anomalie di velocità che precedono i terremoti più importanti?
Uno degli aspetti più affascinanti della ricerca sismologica è verificare se la crosta terrestre mostri cambiamenti misurabili prima di un grande terremoto. A partire dal terremoto di Colfiorito del 1997, il nostro gruppo sviluppa la tomografia sismica “time-lapse” (o 4D), che ricostruisce l’evoluzione nel tempo delle proprietà fisiche delle rocce utilizzando i terremoti come sorgenti naturali.
Durante la sequenza di Amatrice-Visso-Norcia sono stati elaborati in tempo quasi reale i tempi di arrivo delle onde sismiche (Spallarossa et al, 2021), producendo una serie di modelli tomografici che descrivono l’evoluzione della faglia fino a pochi istanti prima del terremoto di Norcia (Mw 6.5). L’enorme quantità di dati ha reso l’analisi particolarmente complessa, ma ha permesso di osservare variazioni finora mai documentate con questo livello di dettaglio.
Le immagini (Figura 2a) mostrano che la porzione di faglia che sarebbe stata interessata dal maggiore scorrimento durante il terremoto del 30 ottobre 2016 è caratterizzata da un progressivo aumento della velocità delle onde P. Questo comportamento è interpretato come un aumento della rigidità (stiffening) della faglia durante la fase preparatoria. Nello stesso volume aumenta anche il rapporto tra le velocità delle onde P e S, indicando la presenza di fluidi in sovrappressione.
Diverso è il comportamento della zona ipocentrale, dove negli ultimi giorni prima del terremoto la velocità delle onde P diminuisce. Questa osservazione, in accordo con risultati sperimentali (Scuderi et al., 2016), è interpretata come il risultato di un’intensa fratturazione delle rocce e di un progressivo indebolimento meccanico nel punto in cui avrà origine la rottura.
L’osservazione di queste due evoluzioni opposte (Figura 2b) suggerisce che la preparazione di un grande terremoto non coinvolga tutta la faglia nello stesso modo: mentre il settore circostante continua a irrigidirsi accumulando energia elastica, il volume ipocentrale evolve verso condizioni favorevoli alla nucleazione della rottura (Figura 2b).
Questi risultati non consentono di prevedere i terremoti, ma rappresentano una delle prime evidenze di variazioni delle velocità sismiche osservate prima di un evento principale. Comprendere questi processi costituisce un passo importante verso modelli fisici sempre più realistici del ciclo sismico.
Prospettive Future
La tomografia sismica sta evolvendo da tecnica per ricostruire la struttura della crosta terrestre a strumento capace di seguirne l’evoluzione nel tempo. Le reti sismiche ad alta densità, gli algoritmi di intelligenza artificiale per l’analisi automatica dei sismogrammi e le moderne tecniche di calcolo consentiranno di aggiornare i modelli tomografici quasi in tempo reale. E’ importante sottolineare che questo non significa prevedere i terremoti, un obiettivo ancora irraggiungibile, ma comprendere sempre meglio i processi fisici che preparano la rottura di una faglia.
L’obiettivo futuro è monitorare questi cambiamenti sia durante sequenze sismiche, come quella di Amatrice-Visso-Norcia, sia nelle aree caratterizzate dalla cosiddetta sismicità di fondo. Nel primo caso, dopo terremoti di magnitudo elevata, le reti di monitoraggio vengono rapidamente densificate [2] per registrare con maggiore dettaglio l’evoluzione della sequenza.
Per la sismicità di fondo, un ruolo chiave sarà svolto dai Near Fault Observatories (NFO), osservatori permanenti installati in prossimità di faglie attive. Un esempio è TABOO [3], nell’Appennino umbro-marchigiano, dotato di una rete sismica ad alta densità che permette di seguire nel tempo l’evoluzione delle proprietà fisiche della crosta. L’estensione di questi osservatori alle aree italiane a maggiore pericolosità sismica offrirà nuove opportunità per studiare il ciclo sismico, dalla deformazione lenta fino all’eventuale sviluppo di terremoti più energetici.
a cura di P. De Gori e C. Chiarabba, INGV
Bibliografia
Chiarabba, C., De Gori, P., Segou, M., and Cattaneo, M., (2020). Seismic velocity precursors to the 2016 Mw 6.5 Norcia (Italy) earthquake. Geology, 48, ( 9): 924-928, https://doi.org/10.1130/G47048.1
De Gori, P., Michele, M., Chiaraluce, L., and Chiarabba C. (2023). Fault Rheology Control on Rupture Propagation and Aftershocks Distribution during the 2016–2017 Central Italy Earthquakes, Seismological Research Letters 94, (6): 2642–2654, https://doi.org/10.1785/0220220284
Scuderi, M.M., Marone, C., Tinti, E., Di Stefano, G., and Collettini, C., (2016). Precursory changes in seismic velocity for the spectrum of earthquake failure modes. Nature Geoscience, 9: 695–700, https://doi.org/10.1038/ngeo2775
Spallarossa, D., Cattaneo, M., Scafidi, D., Michele, M., Chiaraluce, L., Segou, M., and Main, I. (2021). An automatically generated high resolution earthquake catalogue for the 2016-2017 central Italy seismic sequence, including P and S phase arrival times, Geophysical Journal. International 225, (1); 555–571, https://doi.org/10.1093/gji/ggaa604
Sitografia
[3] https://www.ingv.it/monitoraggio-e-infrastrutture/reti-di-monitoraggio/l-ingv-e-le-sue-reti/taboo
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