RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Analisi di rischio da maremoti in Arco Calabro e in Mare Adriatico

Università di riferimento

Università degli Studi di BOLOGNA - FISICA - BOLOGNA(BO)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Stefano TINTI

Descrizione

L'Unità di Ricerca dell'Università di Bologna (URBO) si rivolgerà sia all'Arco Calabro che al Mare Adriatico e si indirizzerà sui seguenti temi: studi di sorgente sismica, modellistica di maremoti indotti da terremoti in modo diretto, o indiretto mediante frane, scenari di evento disastroso, calcolo di onde di maremoto e degli effetti attesi sulla costa, analisi di rischio. SORGENTI SISMICHE I maremoti sono generati da spostamenti repentini del fondo marino che si verificano su grande scala, e tutti i cataloghi di maremoti indicano che sono soprattutto determinati da terremoti sottomarini o in prossimità della costa (v. Tinti e Maramai, 1996; Tinti et al., 2001). Perciò lo studio dei campi di spostamento associati ai terremoti è fondamentale per la ricerca sui maremoti, anche perché non si ha nessuna misura diretta dello spostamento della superficie marina all'origine del maremoto, e si è costretti a desumerlo in modo indiretto dal meccanismo focale della sorgente e dal corrispondente spostamento del fondo del mare. I modelli più usati per lo studio delle deformazioni statiche cosismiche sono dovuti ad Okada (1992), ma hanno il limite di ipotizzare una superficie terrestre piana ed un mezzo omogeneo in un semispazio infinito. L'URBO ha affrontato il problema di considerare mezzi più realistici, studiando l'effetto di sorgenti in mezzi stratificati e in presenza di topografia (Tinti e Armigliato, 2002; Armigliato et al., 2003a e 2003b; Armigliato e Tinti, 2003 e 2004), utilizzando sia metodi analitici che numerici. Il modello numerico sviluppato da URBO fa uso di una tecnica ibrida ove i campi sono ottenuti come somma di una soluzione analitica e di una correzione numerica, calcolata su una griglia ad elementi triangolari. I campi numerici sono calcolati in un dominio 2D limitato, sul cui boundary crostale si impongono le condizioni di Okada (v. Tinti e Armigliato, 2002, per i dettagli). Per il presente progetto si propone di produrre un software di creazione di griglie 3D a base di elementi tetraedrici, in grado di riprodurre volumi delimitati da superfici di forma complessa (p.e. topografie superficiali e di interfaccia, corpi eterogenei profondi). Si propone inoltre di sviluppare una nuova tecnica numerica che consenta di imporre sul boundary crostale condizioni più appropriate di quelle di Okada. MAREMOTI Il codice usato in URBO è stato sviluppato in modo specifico per la simulazione di tsunami (Tinti et al., 1994). Risolve le equazioni idrodinamiche di Navier Stokes nell'approssimazione di shallow water con la tecnica degli elementi finiti, in un dominio che non cambia nel tempo: sui segmenti di contorno che rappresentano la linea di costa si impone la condizione di riflessione totale, come se si trattasse di una parete verticale, o di parete semitrasparente. Queste condizioni sono accettabili quando si voglia studiare l'interazione grossolana con la linea di costa, ma sono inadeguate se il target è proprio quello di calcolare il runup dell'onda, la massima penetrazione e in generale l'effetto dell'onda sulle strutture. Per questo scopo occorre prevedere una linea di battigia variabile nel tempo che si adatta al movimento istantaneo verso costa o verso mare dell'acqua marina. Per geometrie ipersemplificate sono note soluzioni analitiche o seminanalitiche 1D (Kanoglu e Synolakis, 1998; Carrier et al., 2003; Tinti e Tonini, 2004), e codici 1D (Titov e Synolakis, 1998) basati sulla teoria delle caratteristiche. Più adeguati a casi realistici sono i codici 2D alle differenze finite, che utilizzano il criterio del riempimento o meno delle celle per modificare dinamicamente il dominio di calcolo, ma soffrono del limite tipico delle differenze finite nel trattare contorni di geometria molto irregolare e sottodomini aventi risoluzione diversa. La via più promettente è quella di includere il trattamento dei boundary dinamici nel codice agli elementi finiti. Durante il primo anno del progetto si svilupperà un nuovo codice per lo studio specifico del runup in condizione semplificata (il caso di costa a topografia irregolare, ma priva di strutture) testandolo mediante soluzioni analitiche e risultati di codici di riferimento 1D. In seguito si estenderà il codice agli elementi finiti per trattare il runup e il rundown, l'inondazione e l'azione delle onde di maremoto su ostacoli. Poiché i fenomeni franosi associati ai terremoti sono frequenti, specie nelle regioni appenniniche meridionali, è necessario considerare anche le frane come sorgente non primaria, ma rilevante, di maremoti. L'attuale codice di URBO è in grado di studiare le onde generate da frane (Tinti et al., 1999; Tinti et al., 2000; Tinti et al., 2003; Tinti et al., 2004). Ciò si realizza mediante una procedura a tre moduli numerici: il primo calcola l'evoluzione dinamica della frana mediante un modello Lagrangiano dove il corpo di frana viene discretizzato come una catena lineare (1D) o una matrice (2D) di blocchi interagenti (si noti che l'estensione da 1D a 2D è stata attuata e verrà perfezionata grazie a finanziamento INGV-GNV); il secondo calcola la forzatura idrodinamica causata dalla frana, il terzo calcola il maremoto vero e proprio secondo l'approssimazione di shallow water (di fatto corrispondente a trascurare la componente verticale della velocità delle particelle d'acqua). Qui si propone di migliorare la parte idrodinamica (secondo e terzo modulo) per creare un codice che rimuova il vincolo di shallow water, in quanto il movimento della frana sul fondo marino può generare rilevanti moti verticali e conseguenti correzioni dinamiche al campo di pressione idrostatico con effetti sulla generazione di onde di maremoto: si propone quindi di sviluppare un codice di generazione di maremoto in un dominio 3D che verrà poi accoppiato ad un dominio 2D per il calcolo della propagazione. ARCO CALABRO L'URBO, giovandosi soprattutto della collaborazione con l'Unità di Ricerca dell'Università di Catania, si occuperà della caratterizzazione sismica della regione attuando un riesame dei terremoti storici che hanno provocato maremoto o anche solo fenomeni anomali in mare. Tra questi, nel primo anno verranno considerati gli eventi calabri del 1638 e del 1905, ed inoltre il terremoto del 1908 nello stretto di Messina ed i due terremoti siciliani del gennaio del 1693. Si esaminerà inoltre la sismicità strumentale recente (distribuzione spazio-temporale dei terremoti, meccanismi focali, ecc.) ponendo particolare attenzione all'attività delle sorgenti in mare nel basso Tirreno e nello stretto di Messina. Si faranno simulazioni numeriche col codice esistente, dando priorità al caso del 1638 per il quale non è mai stata compiuta nessuna simulazione (si noti che il maremoto del 1905 è stato solo recentemente studiato nell'ambito di un progetto INGV-GNDT: Piatanesi e Tinti, 2002). Nel corso del secondo anno l'URBO contribuirà con l'Unità di Catania alla caratterizzazione delle faglie attive dell'Arco Calabro e alla definizione degli scenari di eventi disastrosi. Simulerà i maremoti relativi agli scenari selezionati utilizzando il codice sviluppato nel corso del progetto, calcolerà l'impatto dei maremoti lungo la costa e l'impatto contro le strutture. MARE ADRIATICO L'URBO collaborerà in particolare con le Università di Bari e di Lecce per l'identificazione delle sorgenti sismiche attive di interplacca e di intraplacca, e per la caratterizzazione del loro potenziale tsunamigenico. Compirà un riesame dei cataloghi dei maremoti regionali (p.e. Tinti e Maramai, 1996; Papadopoulos e Chalkis, 1984) ed europei (v. Soloviev et al., 2000) e ricercherà nuove fonti di dati, soprattutto per gli eventi della costa orientale del bacino. Verranno selezionati i maremoti più rilevanti per le diverse aree del bacino. Individuati gli scenari, verranno eseguite le simulazioni numeriche. Si calcolerà l'impatto delle onde, soprattutto lungo alcuni transetti in zone significative (p.e. nel Gargano), per le quali l'Università di Bari fornirà i dati batimetrici, topografici e morfometrici. Verranno inoltre prodotte le relative mappe di inondazione. Bibliografia Armigliato A., Tinti S., Manucci A., 2003a, Self-induced deformation on the fault plane during an earthquake. Part I: continuous normal displacements, Pure and Applied Geophysics, 160, 1651-1678. Armigliato A., Tinti S., Manucci A., 2003b, Self-induced deformation on the fault plane during an earthquake. Part II: continuous tangential displacements, Pure and Applied Geophysics, 160, 1679-1693. Armigliato A., Tinti S., 2003, Influence of topography on coseismic displacements induced by the Friuli 1976 and the Irpinia 1980 earthquakes (Italy), analyzed through a 2D hybrid model, J.Geophys.Res., 108 (B12), 2552, doi:10.1029/2002JB002027. Armigliato A., Tinti S., 2004, Coseismic deformations of tsunamigenic faults in coastal environments with complex topography: 2-D hybrid modelling applied to eastern Sicily and the Messina Straits (Italy), Tectonophysics (sottomesso). Carrier G.F., Wu T.T., Yeh H., Tsunami run-up and draw-down on a plane beach, J.Fluid Mech., 475, 79-99. Kanoglu U., Synolakis C.E., 1998, Long wave runup on piecewise linear topographies, J.Fluid Mech., 374, 1-28. Okada Y., Internal deformation due to shear and tensile faults in a half-space, Bull. Seism. Soc. Am., 82, 1018-1040, 1992. Papadopoulos G.A., Chalkis B.J., 1984, Tsunamis observed in Greece and surrounding areas from antiquity up to present time, Mar.Geol., 56, 309-317. Piatanesi A., Tinti S., 2002, Numerical modeling of the September 8, 1905 Calabrian (southern Italy) tsunami, Geophys. J..Int., 150, 271-284. Soloviev S.L., Solovieva O.N., Go C.N., Kim K.S., Shchetnikov N.A., 2000, Tsunamis in the Mediterranean Sea, 2000 B.C. – 2000 A.D., (Eds. Bonnin J., Levin B.W., Tinti S., Papadopoulos G.A.) Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, pp.237. Tinti S., Piatanesi A., Gavagni I., 1994, A finite-element numerical approach for modelling tsunamis, Ann. Geofis., 37, 1009-1026. Tinti S., Maramai A., 1996, Catalogue of tsunamis generated in Italy and in Côte d'Azur, France: a step toward a unified catalogue of tsunamis in Europe, Ann. Geofis., 39, 1253-1299 (Corrections, Ann. Geofis., 40, 781, 1997.) Tinti S., Maramai A., Graziani L., 2001, A new version of the European tsunami catalogue: updating and revision, Natural Hazards and Earth System Sciences, 1, 255-262. Tinti S., Armigliato A., 2002, A 2-D hybrid technique to model the effect of topography on coseismic displacements: Application to the Umbria-Marche (central Italy) 1997 seismic sequence, Geophys. J.Int., 150, 542-557. Tinti S., Pagnoni G., Zaniboni F., Bortolucci E., 2003, Tsunami generation in Stromboli and impact on the south-east Tyrrhenian coasts, Natural Hazards and Earth System Sciences, 3, 299-309. Tinti S., Pagnoni G., Zaniboni F., 2004, The landslides and tsunamis of 30th December 2002 in Stromboli analysed through numerical simulations, Bulletin of Volcanology (sottomesso). Tinti S., Tonini R., 2004, Analytical evolution of tsunamis of seismic origin on a constant-slope ocean, J. Fluid Mech. (sottomesso). Titov V.V., Synolakis C.E.,1998, Numerical modeling of tidal wave runup, J.Waterways, Port, Coastal and Ocean Engineering, ASCE, 124, 157-171.