I colori dello stress: come si è propagato lo sforzo sismico nell’Appennino centrale durante la sequenza del 2016

A dieci anni dal 24 agosto 2016, data che ha segnato profondamente il territorio e la comunità dell’Appennino centrale, ripercorrere quei mesi significa anche ricordare il grande sforzo scientifico compiuto per analizzare in tempo reale l’evoluzione della sequenza sismica iniziata con il terremoto di Amatrice (Mw 6.0). Nelle prime settimane dopo la scossa, con i dati strumentali acquisiti in tempo reale dalla Sala di Sorveglianza Sismica dell’INGV, alcuni studi si concentrarono su un parametro classico ed estremamente significativo: il b-value della legge di Gutenberg-Richter. Questo valore indica il rapporto tra il numero di piccoli terremoti e quelli di magnitudo maggiore in una determinata area. In questa chiave di lettura, anche i piccoli terremoti assumono una rilevanza informativa primaria: oltre a consentire la localizzazione della sismicità, permettono di monitorare la variazione temporale di questo rapporto e di stimare la conseguente distribuzione dello stress lungo la faglia.

Ma perché il b-value è così importante e in che modo si lega ai “colori dello stress”?

La fisica dietro il parametro b: asperità e fluidi

La relazione di Gutenberg-Richter, formulata nel 1944, è una di quelle scoperte nel campo della sismologia che, dopo più di 80 anni, resta ancora valida. I due sismologi americani osservarono che, riportando in un grafico il logaritmo del numero cumulato dei terremoti (asse y) in funzione della magnitudo (asse x), si ottiene una retta. Per numero cumulato si intende il numero di terremoti con magnitudo maggiore o uguale al valore considerato. 

La relazione è rappresentata da questa equazione: Log N = a – b * M

dove M è la magnitudo, N il numero dei terremoti con magnitudo maggiore o uguale a M, a e b i parametri che descrivono la retta (Figura 1).

L’inclinazione della retta che interpola i dati è quindi il b-value. Una pendenza più ripida (alto b-value) indica una grande quantità di piccoli eventi rispetto a quelli grandi; una pendenza più dolce (basso b-value) indica che la quota di eventi più forti rispetto a quelli di bassa magnitudo aumenta, cosa che indica un forte accumulo di stress.

Il valore medio del b-value a scala globale è solitamente pari a 1, questo significa che per ogni terremoto di una determinata magnitudo, ne avvengono mediamente dieci di magnitudo inferiore di un punto: ad esempio, dieci eventi di magnitudo 4 per ogni terremoto di magnitudo 5. Tuttavia, la crosta terrestre non è omogenea e le variazioni locali riflettono lo stato meccanico della crosta:

• Bassi valori di b (<1): Si riscontrano in aree sottoposte a forte stress crostale. In queste zone la proporzione degli eventi più energetici è maggiore e le faglie sono “bloccate” in porzioni chiamate asperità, dove l’energia si accumula ed è più probabile la nucleazione di futuri forti terremoti. Nelle mappe (Figura 2), queste zone sono rappresentate con toni freddi (blu e viola).

• Alti valori di b (>1): Indicano zone a minore stress o aree caratterizzate da un’alta densità di fratturazione, maggiore eterogeneità dei materiali, variazioni di temperatura o forte presenza di fluidi in pressione. I fluidi agiscono riducendo l’attrito, favorendo il rilascio continuo di sismicità diffusa, e agevolando l’evoluzione della sequenza stessa. Nelle mappe, queste aree si colorano invece di sfumature calde (rosso e arancione).

La distribuzione del b-value nelle diverse fasi della sequenza

Nel 2016, all’indomani del terremoto del 24 agosto, è stato realizzato uno studio sull’evoluzione temporale della sismicità dell’Appennino centrale a partire dal 2005 (Figura 2). Di seguito è riportata l’analisi della distribuzione spaziale del b-value nelle diverse fasi temporali dal 2005 in poi:

• periodi 1 e 2 | prima del 24 agosto 2016: sia nel periodo precedente al terremoto dell’Aquila del 2009 (Figura 3a) sia nel periodo compreso tra l’evento dell’Aquila e quello di Amatrice (Figura 3b), l’area mostra una forte eterogeneità tra Campotosto e Accumoli, evidenziando come lo stress e i fluidi si fossero ridistribuiti lungo la catena appenninica;
• periodo 3 | dopo il terremoto di Amatrice: subito dopo la scossa del 24 agosto 2016 (Figura 3c), l’area mostra un cambiamento significativo. Al di sotto di Accumoli e in corrispondenza dell’area ipocentrale del mainshock, è presente un vistoso volume ad alto b-value (fino a 1.6). Questo valore è coerente con l’effetto della sismicità indotta dai fluidi profondi in pressione e con la risposta del volume di faglia che ha rilasciato il massimo spostamento (slip) co-sismico. Al contrario, ai bordi della struttura sismogenetica attivata, si sono delineati due volumi a basso b-value (circa 0.8): uno a sud-est (tra Amatrice e Campotosto) e uno a nord (nei pressi di Norcia), riconducibili a porzioni di faglia bloccate (asperità) e sottoposte a un forte carico di stress.

Proiettando i dati lungo le sezioni verticali longitudinali (Figura 4), le anomalie del b-value delineano la complessa anatomia della crosta appenninica. Il profilo prima del terremoto di Amatrice (Profilo AA’) mostra un vistoso contrasto: un volume ad alto b-value (cerchio rosso) al di sotto di Accumoli tra i 6 e i 12 km di profondità e un’asperità a basso b-value al di sotto di Amatrice (cerchio bianco). In corrispondenza di quest’ultima area, al di sotto di Amatrice, era inoltre presente una significativa concentrazione di terremoti, indicando che la sismicità non era confinata al solo settore di Accumoli. Subito dopo la scossa del 24 agosto, la nuova fotografia dell’area (Profilo BB’) ha rivelato un’evoluzione importante: mentre al di sotto di Accumoli il b-value rimane alto per il rilascio di fluidi e deformazioni, ai bordi della struttura si sono delineate due nette anomalie ‘fredde’ a basso b-value (circa 0.8), una a sud (tra Amatrice e Campotosto) e una a nord (Figura 4b), localizzata al di sotto di Norcia (cerchio bianco). Questi settori, non ancora deformati e soggetti a un elevato carico di stress, corrispondono ad asperità della crosta terrestre in cui si concentra e si accumula l’energia.

L’evoluzione della sequenza durante la fase di elaborazione dati

L’analisi ha preso in esame un arco temporale di oltre dieci anni di sismicità includendo anche l’intera evoluzione della sequenza dell’Aquila del 2009. Questo ha permesso di osservare come il b-value sia variato nel tempo e nello spazio, seguendo le fluttuazioni dello stress crostale lungo questo intero settore dell’Appennino centrale.

Nel caso dell’Appennino centrale, la sequenza sismica del 2016 ha mostrato un’evoluzione particolarmente rapida e complessa. La progressiva propagazione della sismicità verso nord è infatti poi proseguita fino alla forte scossa di Norcia del 30 ottobre 2016 (Mw 6.5, ipocentro a circa 9 km), interessando un settore crostale caratterizzato da bassi valori del b-value. 

Il susseguirsi di questi eventi ha offerto l’opportunità di studiare a posteriori la risposta della crosta, evidenziando come le variazioni del b-value aiutino a descrivere la complessa ridistribuzione dello stress tra i diversi segmenti di faglia durante una sequenza sismica.

Guardare indietro per muoversi in avanti

Rileggere quelle mappe a dieci anni di distanza da una sequenza così drammatica, evidenzia il valore straordinario del monitoraggio costante dei parametri statistici che caratterizzano la sismicità. Identificare i punti di maggiore concentrazione dello stress lungo una faglia nel corso di una sequenza attiva non consente di fare previsioni deterministiche precisando data e ora degli eventi sismici; tuttavia, risulta essenziale per comprendere le modalità di distribuzione dello sforzo all’interno di una struttura sismogenetica, fornendo un contributo cruciale per la valutazione della pericolosità sismica a breve termine.

La ricerca avviata in quei giorni convulsi non si è fermata e continua a perfezionarsi, integrando i dati del b-value con studi multidisciplinari, con l’obiettivo di rendere i colori dello stress uno strumento utile per comprendere la complessità delle faglie e migliorare gli strumenti per la difesa dai terremoti.

Analisi così dettagliate sul b-value sono possibili solo grazie alla qualità, continuità e omogeneità del Bollettino Sismico Italiano (BSI Working Group., 2015), alimentato dalla Rete Sismica dell’INGV. Su questa robusta base si fonda il lavoro del Centro di Pericolosità Sismica (CPS) dell’INGV [1], che integra dati, modelli e competenze per trasformare la ricerca sullo stato della crosta terrestre in strumenti utili alla valutazione della pericolosità sismica per il territorio italiano.

A cura di Caterina Montuori, Giuseppe Falcone, Maura Murru, INGV

Bibliografia

BSI Working Group (2015). Bollettino Sismico Italiano (BSI). Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV). https://doi.org/10.13127/bsi

Montuori, C., Murru, M., Falcone, G., (2016). Spatial Variation of the B-Value Observed for the Periods Preceding and Following the 24 August 2016, Amatrice Earthquake (ML 6.0) (central Italy). Annals of Geophysics, 59. https://doi.org/10.4401/ag-7273.

[1] https://www.ingv.it/risorse-e-servizi/centri/centro-pericolosita-sismica-cps 

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