RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Evoluzione recente del processo di subduzione dell'arco calabro: vincoli geologici, sismologici, geochimici e modellazione sperimentale.

Università di riferimento

Università degli Studi di MESSINA - SCIENZE DELLA TERRA - MESSINA(ME)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Giancarlo NERI

Descrizione

Come già specificato nella sezione in cui viene illustrata la base scientifica del progetto, questa Unità di Ricerca si propone di individuare vincoli alla struttura, geometria e dinamica del sistema subducente del Tirreno Meridionale, attraverso la tomografia sismica, l'analisi della polarizzazione delle onde sismiche ed il calcolo dei parametri sorgente dei terremoti.

Obiettivi primari di questo progetto sono:
- la definizione dell'attuale geometria e struttura del sistema di subduzione, attraverso la tomografia sismica e l'analisi dell'anisotropia di propagazione delle onde sismiche (in particolare la tomografia fornirà anche strumenti per stime accurate dei parametri delle sorgenti sismiche);
- l'individuazione dei patterns di deformazione sismica e stress sismogenetico nel sistema subducente e nelle unità tettoniche sovrastanti, attraverso la stima dei parametri sismici (localizzazioni ipocentrali, meccanismi focali, tensori di stress e strain).

In generale, datasets e metodi differenziati sono necessari per lo studio della sismicità e della struttura a livello della crosta e del mantello superiore, rispettivamente.

A livello della crosta l'indagine sarà effettuata mediante l'analisi degli eventi originatisi nel settore indicato in Figura 1 durante l'intervallo temporale 1978-2005 (l'anno 1978 ha segnato l'intensificarsi delle attività di monitoraggio sismometrico nella regione di nostro interesse). I principali limiti delle conoscenze oggi disponibili in tema di sismicità litosferica nella regione dell'arco calabro sono imputabili a problemi di geometria di rete sismica derivanti principalmente dalla presenza del mare (un solo OBS opera al momento stabilmente nella regione), alla ancora insoddisfacente conoscenza della struttura crostale ed al mancato impiego di tecniche di localizzazione ipocentrale in grado di contenere gli errori e comunque di consentirne una accurata valutazione. Tali limitazioni inducono approssimazioni nelle stime dei meccanismi focali e dei campi di stress sismogenetico e strain sismico (Neri et al., 2004 e 2005).

Proponiamo pertanto di esaminare la sismicità dell'area e del periodo sopraindicato con il seguente approccio metodologico e di raccolta-dati.

1) serve migliorare il modello di velocità 3D delle P e delle S rispetto al livello di accuratezza attuale (Fig.1), ovvero occorre accrescere la risoluzione del modello all'interno della curva di Spread Function 2.0 ed estendere quest'ultima sino a contenere le aree periferiche della regione di nostro interesse, in particolare i settori offshore. Tale miglioramento sarà cruciale anche per il fatto che in un settore che soffre inevitabilmente di problemi di geometria di rete, la conoscenza accurata della struttura gioca un ruolo determinante per contenere i problemi di localizzazione ipocentrale dovuti alla rete. La strada maestra per il miglioramento della struttura 3D è basata su tre caposaldi principali:
a- l'integrazione del database delle reti locali e nazionale costituito da Barberi et al. (2004) mediante introduzione dei dati dei terremoti successivi al 2001 e di un consistente numero di terremoti degli anni precedenti non ancora inclusi in quello stesso database. Abbiamo stimato che circa 3300 eventi potranno essere aggiunti al database di Barberi et al. (2004), e tale numero appare in grado di creare i presupposti per un reale affinamento della struttura tomografica, in modo particolare nei settori di maggiore necessità;
b- l'utilizzo dei dati delle campagne di sismica attiva condotte nel Tirreno, nello Ionio e nel Canale di Sicilia negli ultimi decenni. Abbiamo già condotto con successo questa operazione di integrazione dei dati della sismica attiva e passiva in Calabria Meridionale e Sicilia Nordorientale (Barberi et al, 2004). L'operazione va estesa a tutta la regione: sono a riguardo disponibili i dati di circa 200 "sorgenti controllate".
c- altro punto fondamentale è costituito dalla necessità di utilizzare tecniche di inversione tomografica il più possibile aggiornate. La collaborazione del nostro staff con il team del Prof. Thurber ci mette in condizione più che favorevole a riguardo. Il Prof. Thurber ha recentemente completato l'affinamento degli algoritmi della serie SIMUL e TOMODD introducendo varianti che (i) utilizzano tecniche di ray-tracing alle differenze finite, (ii) adottano una geometria sferica per il sistema crosta-mantello anche su scala locale (il che aiuta significativamente anche la definizione delle strutture più superficiali) e (iii) consentono agli algoritmi stessi di adattare progressivamente ai dati disponibili le griglie di inversione durante il procedimento iterativo di calcolo. Sono ormai ultimate le verifiche di tali tecniche presso l'Università del Wisconsin a Madison. Noi utilizzeremo queste tecniche più avanzate nel nostro studio e potremo conseguire livelli di accuratezza nella determinazione della struttura che sono di fatto irraggiungibili con tutte le tecniche sinora utilizzate.

2- affinato il modello di velocità occorre orientarsi verso l'impiego dei metodi di localizzazione ipocentrale più appropriati. Noi immaginiamo di operare su tre linee d'azione distinte:
a- la localizzazione classica in ambiente 3D mediante le tecniche del tipo SIMUL, già rivelatesi capaci di prestazioni accettabili (Neri et al., 2003; Barberi et al., 2004), e comunque utili come riferimento per l'applicazione delle nuove metodologie; utilizzeremo inoltre, ovviamente, i nuovi algoritmi di Thurber che fanno ricorso alla tecnica delle differenze finite per il tracciamento del raggio sismico;
b- l'impiego dei codici che utilizzano le "doppie differenze", anche se tali tecniche richiedono condizioni di forte clusterizzazione degli eventi per fornire prestazioni decisamente competitive. Nel caso di sciami e sequenze queste tecniche possono accrescere la precisione delle localizzazioni già ottenute con le metodologie citate al punto a).
c- l'utilizzo ed implementazione del nuovo metodo di localizzazione probabilistica BAYLOC di Presti et al. (2004). Questo metodo supera molti problemi ed approssimazioni di altri metodi fondati sulla linearizzazione del processo del calcolo ipocentrale, dunque fornisce maggiori garanzie per un calcolo più preciso. Inoltre, rappresentando i singoli eventi in termini di distribuzione di probabilità di ubicazione, e costruendo mappe cumulative per la rappresentazione della sismicità di una regione per un intervallo di tempo di durata assegnata, BAYLOC favorisce un esame più agevole dei trend sismici (rispetto alla classica rappresentazione puntiforme degli eventi) e consente un più agevole confronto dei trends con i dati delle strutture geologiche. Altro vantaggio fondamentale, ormai realizzatosi compiutamente attraverso alcune implementazioni recentemente ultimate da parte di D. Presti, è rappresentato dalla possibilità di verificare accuratamente - mediante simulazione di eventi sintetici - quanto i trends sismici ottenuti analizzando i dati reali siano influenzati dalle condizioni di rete in cui si è operato o, se si preferisce, quanto gli stessi trends siano fedeli markers della geometria delle strutture sismogenetiche. Si tenga conto del fatto che una tale verifica risulta meno agevole e molto meno efficace quando si opera con tecniche di localizzazione standard basate sul concetto di evento puntiforme. Ultimo, ma non meno importante! BAYLOC fornisce stime delle incertezze ipocentrali molto più attendibili rispetto alle altre tecniche basate sul concetto di linearizzazione, risolvendo in modo soddisfacente un problema annoso ed ampiamente noto ai sismologi.

E' evidente che una migliore localizzazione dei terremoti nelle aree di nostro interesse consentirà una rideterminazione più accurata dei meccanismi focali degli eventi (abbiamo stimato in circa 350 il numero dei meccanismi che potranno beneficiare dei progressi nella conoscenza della struttura e dei parametri ipocentrali degli eventi). A seguire ne beneficeranno le stime dei parametri di stress sismogenetico e strain sismico. Calcoleremo i tensori di stress e strain utilizzando i già collaudati metodi di Gephart e Forsyth (1984) e Wyss et al (1992), rispettivamente.

In conclusione, si stima di poter acquisire i dati P ed S di oltre 3000 terremoti aggiuntivi rispetto al database di Barberi et al 2004 (BAR04), ed i dati dei primi arrivi di circa 200 sorgenti controllate aggiuntive rispetto a quelle utilizzate da BAR04. Prevediamo di poter ampliare rispetto ai risultati di BAR04 le aree di buona risoluzione del modello (SF minore di 2.0) in particolare nelle zone off-shore e negli strati più profondi. Riteniamo inoltre possibile la riduzione dello spacing di griglia sino a 10-20km nella parte centrale dell'area in studio, comprendente la Sicilia Nordorientale, la Calabria ed i settori off-shore prossimali. Tale riduzione oltre a fornire un maggior dettaglio nella caratterizzazione della struttura potrebbe consentire una migliore individuazione della zona già indicata da BAR04 come possibile sede del contatto profondo fra l'unità tirrenica overthrusting e quella ionica in subduzione. Riteniamo ancora di poter ridurre significativamente le incertezze delle localizzazioni ipocentrali per gli eventi di magnitudo M > 2.5. In particolare stimiamo di ottenere localizzazioni caratterizzate da ERH ed ERZ minori rispettivamente di 4km e 5km in alcuni settori marginali dell'area in studio (es. Sicila Occidentale ed aree offshore) e valori di ERH ed ERZ minori di 2km e 3km nella zona centrale comprendente la Sicilia nordorientale e la Calabria. Riteniamo infine di determinare i meccanismi focali di circa 350 terremoti verificatisi dal 1988 al 2005. Utilizzeremo la tecnica classica FPFIT basata sul solo impiego dei primi impulsi P in quanto precedenti sperimentazioni di tecniche che utilizzano in modo integrato i primi impulsi P ed i rapporti di ampiezza P/S hanno fornito nella stessa regione indicazioni non convincenti sulla loro effettiva efficacia nelle condizioni di rete disponibili (Scaltrito et al., 1998). Ricalcoleremo i parametri di stress e strain nei settori in cui avremo stimato i meccanismi focali utilizzando rispettivamente i metodi di Gephart e Forsyth (1984) e Wyss et al (1992).

Con riferimento all'analisi della sismicità e della struttura alle profondità del mantello va evidenziato che una gran quantita' di nuovi dati di forme d'onda e' disponibile (e lo sara' nei mesi a venire) per terremoti registrati da stazioni sia permanenti (RSNC, Mednet e CESIS recentemente installate) che temporanee (progetti SAPTEX e CAT/SCAN) in Appennino e Tirreno meridionali, che forniranno nuove osservazioni e soprattutto la copertura di aree precedentemente non campionate. Verranno analizzati i parametri di shear-wave splitting sia per fasi SKS che S da terremoti profondi della zona di subduzione utilizzando il metodo di Silver e Chan (1991). I modelli tomografici di Lucente et al. (1999) e Piromallo and Morelli (2003) verranno utilizzati per vincolare la distribuzione di velocita' sismica nel mantello al di sotto dell'Appennino e Tirreno meridionali e le caratteristiche dello slab in termini di geometria, estensione e posizione del wedge, il che risulta fondamentale per poter collocare e discutere i dati di anisotropia in un contesto appropriato. Inoltre, gli stessi modelli tomografici saranno utilizzati come modelli di partenza per nuove inversioni 3D da effettuare con le più evolute tecniche di Thurber (descritte precedentemente), al fine di ottenere affinamenti della struttura profonda e dei parametri che caratterizzano la sismicità ed i campi di stress e strain a profondità mantelliche.

L'analisi dei nuovi dati di shear-wave splitting migliorera' in maniera significativa il campionamento della regione di interesse, includendo inoltre le registrazioni raccolte da alcuni Ocean Bottom Seismometers (progetto CAT/SCAN), e contribuendo in tal modo ad ottenere un'immagine di maggior dettaglio del flusso del mantello.
Utilizzando sia le fasi SKS che le S provenienti da terremoti profondi della zona di Benioff calabra pensiamo di poter localizzare i diversi contributi dell'anisotropia al di sotto ed al di sopra dello slab, determinando cosi' il contributo del wedge all'anisotropia. Inoltre, confrontando i risultati di shear-wave splitting di un dataset di risoluzione notevolmente aumentata
con la struttura di velocita' derivata dalla tomografia, saremo in grado di definire con maggiore attendibilita' possibili strappi laterali nello slab e discuterne l'influenza sul flusso nel mantello.
La struttura dello slab e la distribuzione del flusso nel mantello, insieme ai risultati da esperimenti analogici e numerici di subduzione, ed unitamente all'informazione sulla risposta superficiale dedotta dalla tomografia locale e dall'analisi dei parametri focali e di stress-strain a profondità crostali, consentiranno di approfondire le nostre conoscenze riguardo alla dinamica della subduzione.