RICERCA ITALIANA     

Misure geodetiche spaziali e
terrestri per la comprensione dei terremoti

Università degli Studi di Trieste

Abstract

Le deformazioni della superficie della terra avvengono
continuamente alle scale spaziali e temporali molto differenti che
variano dai millimetri a più di 12.000 chilometri, mentre la scala temporale varia dai secondi ai dieci di milioni di anni; le scale temporali molto piccole sono in relazione al verificarsi dei terremoti, mentre quelle piu' lunghe sono correlabili all'attività tettonica.
A scala locale/regionale, le deformazioni della crosta terrestre sono dovute a processi naturali e/o antropici (emungimento di fluidi), subsidenza, erosione fluviale e delle coste, frane etc. A ciò si aggiungono deformazioni continue causate dagli effetti di carico indotti dalle variazioni di pressione atmosferica, dall'idrologia e dalla circolazione oceanica nonché dalle maree terrestri. La complessità di questo quadro richiede osservazioni effettuate dallo spazio integrate da dati terrestri (Zerbini et al., 2001, 2002, 2003a, 2004).
Tra i risultati di un progetto PRIN 2002-2004 precedente ed in fase di completamento, gli stessi proponenti questo progetto, hanno sviluppato una strategia efficace ed integrata per identificare e monitorare sia i movimenti crostali stagionali che quelli a lungo periodo. Tale strategia (figura 4) si basa su un approccio multidisciplinare, che integra diverse tecniche d'osservazione di alta precisione, ossia quelle della geodesia spaziale, il GPS continuo (CGPS) e l'InSAR ed in particolare la tecnica di permanent scatterers (Brevetto POLIMI-TRE), in integrazione con la gravimetria terrestre, la mappatura mediante laser a scansione aerotrasportato, da aereo (LiDAR) e misure DGPS convenzionali. L'integrazione di questo tipo di misure rende possibile non solo la mappatura estensiva della deformazione della crosta terrestre ma anche la separazione dei diversi termini. Nello specifico in questo progetto intendiamo definire e mappare il termine tettonico della deformazione di un'area sismicamente attiva quale quella dell'Italia nord-orientale, caratterizzata da una moderata sismicità negli Appennini e occasionalmente forte nella regione Friuli Venezia Giulia e lungo la costa Adriatica (Figura 2). mmagine dell'area di studio. Secondo il catalogo dei terremoti italiani (www.terraemoti.net), nel periodo strumentale 1900-presente sono stati registrati in questa zona 889 eventi di magnitudo (momento) Mw>3, 210 di Mw>4 e 58 Mw>5. Le prospettive di registrare attività sismica nei prossimi 2 anni in quest'area paiono perciò sufficientemente elevate.
Andando oltre, poche sussistono prove che un terremoto (cf. Stein, 1999; Mulargia and Geller, 2003) altera lo stato di stress delle faglie attive circostanti, sulle quali provoca variazioni della sismicità con tassi crescenti nelle regioni in cui lo stress aumenta e decrescenti laddove lo stress diminuisce saremo in grado di correlare il termine di deformazione tettonica con la sismicità registrata nell'area.
Cercheremo inoltre di identificare i movimenti pre-sismici, co-sismici (e post-sismici) invertendoli per il meccanismo focale sismico secondo un modello di slip complesso (Mai e Beroza, 2002) ed interpretandoli secondo il modello di Mulargia e Geller (2003) e Mulargia et al. (2004) modello che deriva da una funzione di energia approssimata per i terremoti e che prevede che i terremoti possano essere governati da slip pre-sismici dell'ordine di pochi millimetri. Deformazione questa che puo' essere facilmente mappata dalla geodesia satellitare e i movimenti di massa correlati possono essere individuati da gravimetri ad alta risoluzione. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Iginio MARSON Università degli Studi di TRIESTE

Obiettivo del Programma di Ricerca

L'obbiettivo principale di questo progetto è di definire la deformazione crostale
a lungo periodo associata a movimenti tettonici nell'area dell'Italia nord orientale. Il progetto si propone quindi di identificare in modo attendibile, di controllare e di modellizzare le deformazioni crostali sia stagionali che a lungo periodo in una regione sismicamente attiva. Sulla base delle osservazioni, saranno realizzate mappe di deformazione che saranno confrontate con la sismicità. Sarà usato il modello sismico proposto da Mulargia e Geller (2003) e Mulargia et al. (2004) come strumento di comprensione. L'area di indagine deve avere una sismicità sufficientemente elevata: questa è presente nell'Italia nord-orientale (vedi figura 2), caratterizzata da una moderata sismicità negli Appennini e occasionalmente forte nella regione Friuli Venezia Giulia e lungo la costa Adriatica. Secondo il catalogo dei terremoti italiani (www.terraemoti.net), nel periodo strumentale 1900-presente sono stati registrati in questa zona 889 eventi di magnitudo Mw>3, 210 di Mw>4 e 58 Mw>5. Le prospettive di registrare attività sismica nei prossimi 2 anni in quest'area paiono perciò elevate. Tra i risultati di un progetto PRIN 2002-2004 in fase di completamento i gruppi proponenti questo progetto hanno sviluppato una strategia efficace ed integrata per identificare e monitorare sia i movimenti crostali stagionali che quelli a lungo periodo. Tale strategia (figura 4) si basa su un approccio multidisciplinare, che integra diverse tecniche d'osservazione di alta precisione, ossia quelle della geodesia spaziale, il GPS continuo (CGPS) e l'InSAR, da aereo (LiDAR) e terrestre (gravimetria).

Figure 4. Diagramma di flusso relativo all'elaborazione dei dati.
L'integrazione di queste tecniche consente di sfruttare appieno gli aspetti complementari delle diverse osservazioni, superando i limiti insiti nell'uso di ciascuna tecnica presa singolarmente (Zerbini et al., 2003b). Il CGPS fornisce le coordinate assolute rispetto ad un ben definito sistema di riferimento globale geocentrico e, al momento attuale, è la sola tecnica geodetica che fornisce osservazioni continue nel tempo. Tuttavia, nello spazio, l'informazione è limitata al sito della stazione. InSAR e LiDAR hanno mostrato la capacità di fornire informazioni spazialmente continue ma limitate come copertura temporale. Tra le tecniche terrestri di osservazione utilizzate per stimare i movimenti verticali del suolo, la gravimetria costituisce un metodo indipendente rispetto alle tecniche spaziali. Si produrrà una mappa di deformazione e la si correlerà alla sismicità osservata usando come strumento di comprensione il modello proposto da Mulargia e Geller (2003) e Mulargia et al. (2004). Gli autori hanno derivato una funzione di energia approssimata per i terremoti. . L'analisi dimensionale suggerisce che il processo di slip sia composto di tre stadi. Il primo consiste in un episodio stick-slip con velocità media v di circa 10**(-1) m/s in un tempo t di circa 10**(-2) s dove tutta l'energia viene virtualmente convertita in calore, conducendo ad un aumento della temperatura dell'ordine di 10**(2) K sulla superficie di scorrimento. Il secondo stadio consiste nella propagazione dell'onda termica generata allo stadio I con tempo caratteristico dell'ordine di 10**(2) s. Alla luce della bassa permeabilità del gouge di faglia rispetto alla diffusività termica, tale aumento di temperatura porta ad un aumento della pressione fluida di poro. Quando la transizione da pressione idrostatica a litostatica è completata inizia il terzo stadio durante il quale ha luogo uno slip ad alta velocità, virtualmente in assenza di attrito. In tale stadio tutta l'energia disponibile è convertita in radiazione elastica. Il modello non richiede l'introduzione di forti salti di stress per essere innescato ed è perciò in grado di spiegare il paradosso del Coulomb Failure Stress, permettendo a stress dell'ordine di appena 10**(-2)-10**(-3) MPa di attivare eventi grandi. Il modello prevede che i terremoti siano governati da slip pre-sismici dell'ordine di pochi millimetriche possono essere facilmente mappati tramite la geodesia spaziale e i movimenti di massa correlati possono essere individuati da gravimetri ad alta risoluzione. Il campo di strain misurato attraverso l'integrazione delle diverse tecniche geodetiche sarà confrontato con la sismicità e interpretato secondo le previsioni del modello. I parametri di tale modello, che sarà di tipo ad automa cellulare, verranno determinati sia con la formulazione elastica di Okada (1992) che attraverso una formulazione autosimile (cf. Frankel, 1991; Castellano e Mulargia, 2001, 2003).
Nel dettaglio, questo Gruppo di Unità di ricerca perseguirà i seguenti obbiettivi:

GPS e gravità
1- Acquisizione, controllo di qualità ed analisi dei dati CGPS di tutte le 13 stazioni che verranno utilizzate in questo progetto.
2- Acquisizione ed analisi dei dati del gravimetro a Superconduttore installato a Medicina.
3 - Ri-insediamento della rete gravimetrica del Friuli istituita nel 1977 e collegata a misure di tipo assoluto. La rete è collegata con la rete di livellazione dell'IGM
4 - Ri-insediamento della rete microgravimetrica nell'area di Trieste istituita nel 2001
5 - Ri-insediamento di almeno 20 punti IGM95 utilizzando tecniche DGPS
6 - Acquisizione di dati laser scan per la generazione di DEM nell'area di Trieste e Forgaria del Friuli e nell'area di Medicina.

InSAR
1) - Estensione, rispetto a quanto già realizzato nell'area Friulana, dell'analisi delle immagini.
2) - Estensione dell'area già analizzata sulla costa adriatica fino ad Ancona;
3) - Analisi delle immagini relative a vasta parte dell'Appennino tosco emiliano,
4) - Ri-elaborazione dei dati SAR esistenti nell'area di Trieste utilizzando come modello digitale del terreno quello derivato da laser scanner ottenere mappe di deformazione mediante tecniche interferometriche classiche.

Figure 5. Le aree delimitate dai poligoni saranno oggetto di elaborazione delle immagini InSAR con applicazione della metodologia dei Permanent Scatterers.
Interpretazione dei dati
1- I dati CGPS saranno interpretati realizzando modelli di alta precisione che descrivono le variazioni osservate sia a breve che a lungo periodo. Per quanto concerne la componente verticale, verranno considerati sulla breve scala temporale (annuale) gli effetti di carico sulla crosta terrestre esercitati dalle variazioni di pressione atmosferica, dall'idrologia superficiale e dagli effetti oceanici di tipo non mareale. Per descrivere le oscillazioni stagionali della gravità (gravimetro a superconduttore di Medicina) si terranno in considerazione sia gli effetti dovuti all'attrazione Newtoniana che quelli di carico sulla crosta terrestre. Saranno anche stimati e studiati i vettori velocità orizzontali delle stazioni e confrontati con le stime fornite da modelli tettonici quali il NUVEL 1-A
2- I risultati dell'interpretazione dei dati CGPS e gravimetrici saranno confrontati ed integrati con quelli forniti da InSAR e LIDAR per produrre una mappa di deformazione dell'area in esame.
3- La mappa di deformazione sarà correlata con la sismicità dell'area e verranno identificati i movimenti pre-sismici, co-sismici (e post-sismici) invertendoli per il meccanismo focale sismico secondo un modello di slip complesso (Mai e Beroza, 2002) ed interpretandoli secondo il modello di Mulargia e Geller (2003) e Mulargia et al. (2004). <<<

Risultati parziali attesi

Un primo risultato parziale della ricerca sara' costituitto da una serie di metadati formati da:

- tutte le misure effettuate sia CGPS che gravimetriche che DGPS.

- tutte le mappe interferometriche derivate sia mediante tecniche classiche (sull'area di Trieste) che mediante applicazione di tecnologia permanent scatterers.

- i modelli digitali di altissima risoluzione di aree specifiche quali Trieste, Forgaria e Medicina.

Un secondo risultato complessivo sarà costituito dalla generazione di un archivio di metadati; questo insieme di dati già riportati ad uno stadio di elaborazione elevato costituirà un archivio storico di per se.

Un terzo risultato sarà costituito da un metadato rappresentante un risultato operativo importante quale la produzione di mappe di deformazione crostale dell'area di studio suddivise nella componente tettonica, locale e stagionale.

La fase finale di analisi ed interpretazione del dato condurrà alla realizzazione di prodotti interpretati che costituiranno il livello elaborativo piu' elevato.
I risultati di questa fase possono essere definiti dai due punti conclusivi del progetto ovvero:
1 - la comparazione con la sismicità della mappa di deformazione sviluppata;
2 - la validazione del modello sismico. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La superficie terrestre si deforma continuamente su scale temporali e spaziali molto differenti, quella spaziale varia dai millimetri a più di 12.000 km, mentre quella temporale varia dai secondi alle decine di milioni di anni. Scale temporali molto piccole sono in relazione al verificarsi dei terremoti, mentre quelle piu' lunghe sono correlabili all'attività tettonica. A scala locale/regionale, le deformazioni della crosta terrestre sono dovute a processi naturali e/o antropici (emungimento di fluidi), subsidenza, erosione fluviale e delle coste, frane etc. A ciò si aggiungono deformazioni continue causate dagli effetti di carico indotti dalle variazioni di pressione atmosferica, dall'idrologia e dalla circolazione oceanica nonché dalle maree terrestri. La complessità di questo quadro richiede osservazioni effettuate dallo spazio integrate da dati terrestri (Zerbini et al., 2001, 2002, 2003a, 2004).
La conoscenza attuale delle deformazioni della superficie terrestre è generalmente discontinua sia dal punto di vista spaziale che temporale. Evidenze recenti indicano che le faglie interagiscono e che i terremoti possono innescare altri terremoti sino a diverse centinaia di chilometri di distanza. Il monitoraggio della deformazione che precede, accompagna e segue i terremoti sembra lo strumento più promettente per comprendere la fisica dei terremoti, forse anche più importante delle stesse onde sismiche (SESWG, 2002; Mulargia e Geller, 2003).
L'integrazione di tecniche geodetiche spaziali ad alta risoluzione quali GPS ed InSAR, rende possibile una analisi areale di alta precisione delle deformazioni della superficie terrestre su vaste aree. L'interferometria radar differenziale e in particolare le recenti tecniche sviluppate al Politecnico di Milano permettono di elaborare lunghe serie di immagini riprese dai satelliti europei ERS 1- 2, ENVISAT, il canadese Radarsat ed il Giapponese JERS. Esse hanno permesso misure fino ad ora impensabili sia per qualita' che estensione e bassi costi. Sono oggi possibili misure di gradienti di velocita' del terreno con precisione dell'ordine di qualche mm/anno su distanze di diverse diecine di km. e su un arco temporale che parte dal 1991. Un esempio è riportato dall'immagine di figura 1 dove è presentato il moto presismico nella zona (100x100km) di Landers (Kohlhaase, 2003). Sia il moto lungo le faglie che i gradienti su 100 km sono chiaramente misurabili, ed in accordo con le misure locali GPS.

Figura 1. Immagine del moto presismico nella zona (100x100km) di Landers (Kohlhaase, 2003).
La Terra è un sistema dinamico costantemente sottoposto a cambiamenti. Tali processi interessano tanto la topografia terrestre (i rilievi, le calotte glaciali e gli oceani) quanto la distribuzione delle masse all'interno della Terra e, di conseguenza, il suo campo gravitazionale. Il contributo specifico della gravità è quello di permettere di discriminare tra le possibili cause di variazione della topografia. Semplificando (cf. Stein, 1999; Mulargia e Geller, 2003) possiamo dire che un terremoto altera lo stato di stress delle faglie attive circostanti, sulle quali provoca variazioni della sismicità con tassi crescenti nelle regioni in cui lo stress aumenta e decrescenti laddove lo stress diminuisce. Tale effetto si propaga ad una distanza proporzionale alla dimensione dell'evento e, per grandi terremoti, raggiunge l'ordine di 10**(2) km.
Che i terremoti possano essere innescati da piccole variazioni di stress si può dedurre, ad esempio, dalla sismicità innescata dal terremoto di Landers (California) del 1992 di magnitudo 7.3. Questo evento, infatti, fu seguito, per diverse settimane, da un'attività sismica innescata su larga scala, fino a comprendere una vasta porzione degli Stati Uniti occidentali. Questa attività sismica ha segnato l'inizio di un trend quinquennale caratterizzato da un elevato tasso di microsismicità modulato da un ciclo annuale decrescente nel tempo. Una sorgente di stress ambientale, verosimilmente la pressione barometrica, è stata indicata come la causa responsabile della variazione annuale osservata. La variazione di pressione atmosferica di circa 2 kPa assunta per spiegare il maggior numero di aftershoks durante l'estate è di un ordine di grandezza inferiore alle minime variazioni di stress statico precedentemente assunte per l'innesco di aftershoks (Gao et al., 2000). Evidenze di stagionalità sono state rilevate anche in corrispondenza di grandi terremoti del passato (M 7.9) nel margine nordoccidentale della placca del Mar delle Filippine (Ohtake e Nakahara, 1999) .
Muratami e Miyazaki (2001) hanno dimostrato che le componenti stagionali del moto delle stazioni della rete GPS permanente (CGPS) del Giappone (circa 500 stazioni) sono coerenti in fase e che in ampiezza presentano una sistematicità spaziale. Gli autori ipotizzano che la deformazione crostale stagionale perturbi l'accumulo di strain intersismico in Giappone e che possa aiutare a spiegare la stagionalità nel verificarsi dei maggiori terremoti (M 7.5) associati all'area di subduzione giapponese. Gli autori, tuttavia, non sono stati in grado di identificare il meccanismo fisico responsabile delle deformazioni stagionali osservate. Recentemente, Heki (2001, 2003) utilizzando i dati di GEONET, la rete CGPS giapponese, ha trovato che i segnali stagionali presenti nelle stazioni CGPS del Giappone nord-orientale possono essere spiegati principalmente dal carico nevoso lungo i fianchi occidentali della catena montuosa. L'identificazione del meccanismo responsabile della deformazione crostale rende possibile la valutazione quantitativa della sua influenza sulla sismicità.
Riassumendo, mentre è chiaro a livello fenomenologico che piccoli stress dell'ordine di 10**(-3) MPa possono innescare terremoti, e che la deformazione da essi indotta può essere ben misurata dalle recenti tecniche di geodesia spaziale, il meccanismo fisico specifico che renderebbe possibile questa attivazione rimane ignoto. Tale meccanismo deve permettere a stress così piccoli di attivare fenomeni che coinvolgono sforzi almeno 10**(6) volte più grandi. Nessuno dei modelli classici di terremoto è in grado di spiegare questo e ciò conduce ad altri paradossi, il più importante dei quali è il "paradosso del flusso di calore". Esso consiste nel fatto che tutti i modelli classici portano a stime di flusso di calore attorno alle faglie sismiche attive che sono di un ordine di grandezza maggiori rispetto a quanto misurato.
Di conseguenza appare, al momento, impossibile tradurre questo in un modello che permetta di calcolare la pericolosità sismica dipendente dal tempo, tenendo conto di tale interazione tra terremoti. Recentemente, Mulargia e Geller (2003) e Mulargia et al. (2004), basandosi su concetti di fisica di base ed evidenze di laboratorio e di campagna, e tenendo conto delle diverse scale di tempo coinvolte, hanno derivato una funzione di energia approssimata per i terremoti. L'impiego combinato della termodinamica, del concetto di auto-similarità e dell'analisi dimensionale suggerisce che il processo di slip sia composto da tre stadi. Il primo stadio consiste in un episodio stick-slip con velocità media v di circa 10**(-1) m/s su un tempo t di circa 10**(-2) s. In questo primo stadio tutta l'energia viene virtualmente convertita in calore, conducendo ad un aumento della temperatura dell'ordine di 10**(2) K sulle superfici di scorrimento. Il secondo stadio, nel quale l'occorrenza di ulteriori episodi di slip è difficilmente rilevante, consiste nella propagazione dell'onda termica generata allo stadio I a tutta la zona di taglio, con un tempo caratteristico dell'ordine di 10**(2) s. Alla luce della bassa permeabilità del gouge di faglia rispetto alla diffusività termica, tale aumento di temperatura porta ad un aumento della pressione fluida di poro. Quando la transizione da pressione idrostatica a litostatica è completata sull'intera zona di taglio, inizia il terzo stadio durante il quale, posto che la pressurizzazione sia mantenuta, ha luogo uno slip ad alta velocità, virtualmente in assenza di attrito. In tale stadio tutta l'energia disponibile è convertita in radiazione elastica.
Diversamente dal classico automa cellulare a singolo stadio, il modello non richiede l'introduzione di forti salti di stress per essere innescato e sembrerebbe perciò in grado di spiegare il dilemma del Coulomb Failure Stress, permettendo a sforzi dell'ordine di appena 10**(-2)- 10**(-3) MPa di attivare eventi grandi. In conclusione, il modello prevede che i terremoti possano essere governati da slip pre-sismici dell'ordine di pochi millimetri. Questo progetto ha lo scopo di identificare in modo attendibile, di controllare e di modellizzare le deformazioni crostali sia stagionali che a lungo periodo in una regione sismicamente attiva. Inoltre, esso si propone di realizzare mappe di deformazione sulla base delle osservazioni e di confrontare le deformazioni osservate con la sismicità e di usare il modello sismico proposto da Mulargia e Geller (2003) e Mulargia et al. (2004) come strumento di comprensione. L'area di indagine deve avere una sismicità sufficientemente elevata: questa è presente nell'Italia nord-orientale, caratterizzata da una moderata sismicità negli Appennini e occasionalmente forte nella regione Friuli Venezia Giulia e lungo la costa Adriatica.

Figura 2. Immagine dell'area di studio.
Secondo il catalogo dei terremoti italiani (www.terraemoti.net), nel periodo strumentale 1900-presente sono stati registrati in questa zona 889 eventi di magnitudo (momento) Mw>3, 210 di Mw>4 e 58 Mw>5. Le prospettive di registrare attività sismica nei prossimi 2 anni in quest'area paiono perciò sufficientemente elevate. In ogni caso, il progetto si avvantaggerà anche delle serie temporali di lungo periodo CGPS e SG acquisite dal gruppo proponente a partire dal 1996. Dal 1996 ad oggi è stata registrata attività sismica sia a scala locale che regionale.
Nell'Italia nord-orientale, quest'Unità di Ricerca ha a disposizione cinque stazioni CGPS situate a Medicina, Bologna e Loiano (sugli Appennini) e Marina di Ravenna e Triste sulla costa Adriatica. Medicina e Marina di Ravenna acquisiscono dati a partire dalla metà del 1996. Bologna da Maggio 1999 e Trieste da Marzo 2000. Loiano, infine, da Ottobre 2003. A queste stazioni verranno integrati i dati CGPS derivati dalle stazioni fisse OGS nel'area del Friuli-Venezia Giulia e del Veneto.
Inoltre, a Medicina, nell'Ottobre 1996 è stato installato un SG, controllato semestralmente mediante misure AG. Misure AG vengono effettuate con la stessa frequenza anche nella stazione di Bologna.

Figura 3. Disposizione delle stazioni fissa DGPS della rete OGS Friuli-Veneto. <<<