Principali aspetti geologici e fisici dei terremoti

1. 2014 Workshop
Conoscenza e tecnologie appropriate per la sostenibilità e la resilienza
in urbanistica
Knowledge and Appropriate Technologies for Sustainability and Resilience
in Planning
Funda Atun, Maria Pia Boni, Annapaola Canevari, Massimo Compagnoni, Luca Marescotti,
Maria Mascione, Ouejdane Mejri, Scira Menoni, Floriana Pergalani

2. LAUREA MAGISTRALE DELLA SCUOLA DI ARCHITETTURA E SOCIETÀ
LABORATORIO ORGANIZZATO DA LUCA MARESCOTTI

3. 4 marzo 2014
PRINCIPALI ASPETTI GEOLOGICI E FISICI DEI TERREMOTI:
ALCUNE OSSERVAZIONI SUI RECENTI TERREMOTI ITALIANI
Massimo Compagnoni
2014 Workshop
Conoscenza e tecnologie appropriate per la sostenibilità e la resilienza
in urbanistica - Knowledge and Appropriate Technologies for
Sustainability a d Resilience in Planning

4. OBIETTIVO ed ARGOMENTI
Conoscenza dei meccanismi geologici e geodinamici che governano il fenomeno
del TERREMOTO e relativi effetti sull’ambiente
MODULO I
Cenni di geodinamica e tettonica globale
Il terremoto
Cenni di sismologia
Effetti sismici locali
Fenomeni precursori
MODULO II
I terremoti de L’Aquila e Emilia:
alcune osservazioni sismologiche e gestione dell’emergenza
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

5. GEODINAMICA – TETTONICA GLOBALE
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

6. TETTONICA GLOBALE
Placche litosferiche rigide in cui è articolata la parte più superficiale della Terra
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

7. GEODINAMICA – TETTONICA GLOBALE
Flusso geotermico
Liberazione del calore interno che causa la
convezione nel mantello motore della tettonica a
placche – controlla la velocità e l’ubicazione delle
deformazioni crostali
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

8. GEODINAMICA – TETTONICA GLOBALE
MARGINI DI PLACCA:
DIVERGENTI (DORSALI OCEANICHE)
CONVERGENTI (ZONE DI SUBDUZIONE)
TRASFORMI
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

9. GEODINAMICA – TETTONICA GLOBALE
Subduzione di placca oceanica sotto
placca continentale
Subduzione di placca oceanica sotto
placca oceanica
Collisione tra due placche continentali
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

10. Velocità relative in cm/a e direzioni di separazione e convergenza tra le placche
GEODINAMICA – TETTONICA GLOBALE
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

11. La distribuzione spaziale e caratteristiche dei terremoti non è casuale ma
inquadrata in un contesto geodinamico ben preciso
GEODINAMICA – TETTONICA GLOBALE
Epicentri di terremoti 0-700 km di profondità in un intervallo di 6 anni
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

12. La distribuzione spaziale dei terremoti con ipocentro > 100 km evidenzia le zone di
subduzione
GEODINAMICA – TETTONICA GLOBALE
Epicentri di terremoti > 100 km di profondità in un intervallo di 6 anni
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

13. GEODINAMICA ZONA MEDITERRANEO
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

14. GEODINAMICA ZONA MEDITERRANEO
Da Mantovani, 1991 (modificata)
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

15. DOMINI STRUTTURALI
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

16. MODELLO CINEMATICO
Meletti et al. 2000
MODELLO CINEMATICO ZONAZIONE SISMOGENETICA ZS9
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

17. ZONAZIONE SISMOGENETICA ZS9
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

18. SISMICITA’ ITALIANA
Catalogo CPTI04
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

19. SISMICITA’ ITALIANA
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

20. CLASSIFICAZIONE E PERICOLOSITA’
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

21. ORIGINE DEL FENOMENO
Disomogeneità delle rocce costituenti l’interno della Terra
Sviluppo di forze che tendono a riequilibrare il sistema fisico- chimico
Movimenti a carico degli strati più superficiali e rigidi della Terra: litosfera
Sviluppo ed accumulo di deformazioni a carico delle masse rocciose in reciproco
movimento
Liberazione quasi “istantanea” dell’energia elastica sotto forma di onde sismiche
che si propagano in tutte le direzioni
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

22. TEORIA DEL RIMBALZO ELASTICO
Le aree sismicamente attive sono sottoposte a campi di stress variabili che inducono un
accumulo di deformazione: quando questa è tale da vincere la resistenza delle rocce si
genera rottura nel punto più debole la quale si sviluppa fino al raggiungimento di una
nuova posizione di equilibrio; la deformazione permanente “incassata” è massima in
vicinanza della rottura e diminuisce allontanandosi – il riequilibrio delle strutture è
detto RIMBALZO ELASTICO:
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

23. PIANI DI DEBOLEZZA
I punti di maggior debolezza si collocano in corrispondenza di piani di rottura detti
“faglie” ove si verifica movimento reciproco tra masse rocciose
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

24. TIPI DI TERREMOTI
CONSEGUENZE DEL RIMBALZO ELASTICO
Stato di stress legato ai movimenti reciproci tra due porzioni rocciose
Accumulo di energia elastica
Improvviso scorrimento con brusco processo di ridistribuzione delle tensioni
Raggiungimento di nuove condizioni di equilibrio con scorrimento residuo (rigetto)
Riduzione dello stato tensionale (stress drop) con ripresa del processo di
accumulo di deformazione (ricorrenza dei terremoti e quindi probabilisticamente
evento non casuale indipendente)
Terremoti diversi in funzione della quantità e velocità di accumulo energetico e
della tipologia di rilascio (regime tettonici – geodinamici)
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

25. TIPI DI TERREMOTI
VULCANICI
SPROFONDAMENTI SOTTERRANEI
SERBATOI ARTIFICIALI
INIEZIONI PROFONDE
IMPATTO DI METEORITI o GRANDI FENOMENI FRANOSI
TETTONICI
Zone di dorsale medio-oceanica: crosta sottile con ridotti volumi di accumulo
energetico, componente tensionale di tipo estensionale con ridotta resistenza a
rottura della roccia, roccia calda e duttile con meccanismo di rilascio non
improvviso
Zone di subduzione: crosta terrestre spessa con grandi volumi di accumulo
energetico, componente tensionale di tipo comprensivo con alta resistenza a
rottura della roccia, roccia fredda e fragile con meccanismo di rilascio improvviso
Faglie trasformi: volumi di roccia ridotti, componente di spostamento strike-slipe,
roccia relativamente fredda e fragile con rilascio energetico improvviso
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

26. TIPI DI TERREMOTI TETTONICI
In funzione della distanza tra epicentro e stazione di registrazione:
-Terremoti locali: entro i 1000 km (10° = angolo compreso tra congiungente
centro terra-ipocentro e centro terra-stazione)
-Terremoti regionali: entro i 2000-3000 km (20°)
-Telesismi: oltre i 2000-3000 km
In funzione della profondità dell’ipocentro:
-Terremoti superficiali: minore di 60-70 km
-Terremoti intermedi: entro 70 e 300 km
-Terremoti profondi: oltre 300 km fino ad un massimo di 600-700 km (a causa
delle proprietà reologiche della terra)
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

27. IL FENOMENO
SISMA: Vibrazione del suolo prodotta dalla propagazione delle onde sismiche
generatesi per liberazione dell’energia elastica in occasione della rottura di masse
rocciose deformate sottoposte a campi di stress
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

28. IL FENOMENO
LOCALIZZAZIONE
MISURAZIONE ENTITA’
MODELLAZIONE
In assenza di registrazioni di un evento sismico l’unica azione possibile è quella di
misurarne gli effetti sull’ambiente naturale ed antropico
Il primo passo per la conoscenza del fenomeno è la registrazione attraverso
strumenti sempre più efficienti
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

29. LA LOCALIZZAZIONE
INDIVIDUAZIONE SPEDITIVA DELL’EPICENTRO
Si ipotizza un modello crostale omogeneo in cui il rapporto Vp/Vs è costante rendendo
sufficiente il calcolo del ritardo tra P e S (tp-ts) su almeno 3 stazioni di registrazione ed
ipotizzando trascurabile la profondità dell’ipocentro rispetto alla distanza dall’epicentro (tsp
x 8 km/s) - altrimenti si utilizza il diagramma dei tempi di tragitto
Utile ai fini della protezione civile data la rapidità con cui si calcola
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

30. LA LOCALIZZAZIONE
La localizzazione più precisa si effettua con procedure iterattive utilizzando modelli
crostali molto complessi 3D fino alla convergenza dei dati forniti da numerose
stazioni
Si cerca la coerenza tra i valori di:
ubicazione dell’epicentro
tempo di inizio terremoto
profondità dell’ipocentro
La qualità della localizzazione dipende fortemente dalla geometria della rete di
acquisizione che dovrà essere tale da racchiudere al suo interno l’epicentro del
terremoto da localizzare
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

31. LA RETE NAZIONALE
RSN collegate in tempo reale 24h con il
centro operativo INGV a Roma: conta più di
250 stazioni comprese reti collegate
RAN: conta 388 strumenti
(119 analogici e 269 digitali)
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

32. LA MISURAZIONE
INTENSITA’
Misura gli effetti del terremoto attraverso scale di osservazione sui danni al
costruito e all’ambiente antropico (M, MM, MSK, MCS, EMS98) o all’ambiente
naturale (ESI)
MAGNITUDO
Misura indirettamente l’energia liberata da un terremoto attraverso il rapporto tra la
grandezza in esame e una grandezza campione ad essa omogenea misurate su scala
logaritmica
M = log (A/T) + f(D, h) + Cs + Cr
A = ampiezza della fase sismica in esame
T = periodo della fase sismica esaminata
f = correzione per distanza dall’epicentro (D) e profondità dell’ipocentro (h)
Cs = correzione tipo di suolo
Cr = correzione tipo di sorgente
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

33. LA MISURAZIONE
ML Magnitudo locale o Richter: usata per terremoti che avvengono entro i 600 km
ML = log A + 3·log D – 2,92
Errore sistematico e casuale di determinazione
della magnitudo da ogni stazione
Carattere troppo locale della formula che include
costanti calibrate da Richter per la California
Meridionale
Dipendenza dallo strumento Wood-Anderson
dotato di amplificazione di 2800 volte e periodo
proprio di 0.8 s
Necessità di calibrazione locale attraverso
definizione di un modello crostale, di una
legge di attenuazione specifica e di
correzioni strumentali opportune.
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

34. LA MISURAZIONE
Mb Magnitudo onde di volume: adatta per terremoti con distanze epicentrali di 600-
2000 km (25°<D<90°); legge la fase P con T di 1-3 s; satura a 6.0-6.5:
Mb = log (A/T) + 0,01 D + 5,9
Ms Magnitudo onde di superficie: adatta per terremoti con distanze epicentrali
superiori a 2000 km (20°<D<160°); legge le onde superficiali e sottostima i
terremoti profondi; fasi con T di 20 s; satura a 6.0-6.5:
Ms = log (A/T) + 1,66 D + 3,3
Md Magnitudo di durata: adatta per terremoti locale e strumentali e si basa sulla
durata dell’evento
Esistono numerose correlazioni empiriche tra le diverse scale
Ms = -3.2 + 1.45 ML
Mb = 2.94 + 0.55 Ms
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

35. LA MISURAZIONE
Mw Magnitudo momento: fa riferimento al significato fisico di momento sismico Mo
Mw = 2/3 log Mo – 6.0 (non valida per eventi di maggiore magnitudo)
Mw = (log Mo – 16.1)/1.5
Il momento sismico non dipende dal tipo di onda o dalla collocazione di uno certo
strumento – l’ampiezza delle onde emesse in tutte le direzione è ad esso
proporzionale e satura solo per eventi molto forti
Mo = µ ∆u A
µ = modulo di rigidità o di scorrimento
A = area della superficie di rottura
∆u = spostamento lungo la faglia
Si analizzano le componenti di bassa
frequenza delle onde sismiche
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

36. MECCANISMO FOCALE
Utilizzato per ricavare il tipo di faglia e
l’orientazione del piano di faglia:
-Primo impulso (onde P) giunge alla
stazione verso l’alto: compressione P
-Primo impulso (onde P) giunge alla
stazione verso il basso: trazione T
Necessarie molte stazioni circostanti
l’ipocentro in modo da meglio definire i
piani nodali, ovvero il piano di faglia e il
piano ausiliario
Il meccanismo coppia doppia evita la formazione di un momento angolare non nullo nel piano parallelo alla
faglia che dovrebbe pertanto ruotare, ciò che non si verifica nei terremoti tettonici
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

37. MECCANISMO FOCALE
Per distinguere il piano di faglia dal
piano ausiliario è necessario
conoscere a fondo la struttura
geologica della regione: inoltre le
numerose repliche sono spesso
disposte lungo il piano di faglia e quindi
è necessario registrarle (rete fissa e
reti mobili).
Sfera focale: rappresentazione
stereografica ovvero su un piano
orizzontale viene proiettata la parte
inferiore di un guscio sferico e con una
linea l’intersezione tra il piano di faglia
e il guscio: dall’orientazione del campo
tensionale si identifica il tipo di
scorrimento sul piano di faglia
Bech Ball: zone scure (trazione)
zone chiare (compressione)
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

38. MECCANISMO FOCALE
STRIKE: angolo misurato in senso orario dal nord geografico e
l’intersezione del piano di faglia con la superficie topografica
DIP: angolo tra la superficie topografica e il piano di faglia (immersione)
RAKE: angolo che indica la direzione di scorrimento sul piano di faglia
rispetto all’orizzontale di una porzione di roccia (tetto) rispetto all’altra (letto)
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

39. SITUAZIONE MEDITERRANEA
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

40. SITUAZIONE ITALIANA
Fonte INGV
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

41. SCHEMA SEMPLIFICATO – DIRETTIVITA’
Quando si semplifica l’ipocentro in un punto
non si tiene conto del fenomeno di direttività.
Essendo la rottura estesa su un piano è più
corretto parlare di enucleazione della rottura e
conseguente sua propagazione:
Direttività in avanti: impulso elevato per sovrapposizione in fase delle onde
rilasciate dai diversi punti di faglia in rottura
Direttività inversa: impulso attenuato in ampiezza con pronunciati effetti di
dispersione e conseguente allungamento in durata
Abrahamson, 2000
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

42. SISMA liberazione di energia sotto forma di onde elastiche di volume
Fronti d’onda sferici:
• radiation damping (attenuazione geometrica)
• scattering damping (attenuazione legata ai fenomeni di riflessione e rifrazione)
• material damping (smorzamento interno dei materiali)
EFFETTI LOCALI
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

43. Progressiva attenuazione dell’energia contenuta nelle onde sismiche
con la distanza R dall’ipocentro – epicentro
SUOLO IDEALE
Suolo duro (Vs > 800 m/s)
Morfologia pianeggiante
SUOLO REALE
Suolo più o meno compatto (Vs < 800 m/s)
Eterogeneità laterali e geometrie sepolte
Morfologia articolata
Legati essenzialmente a:
SORGENTE (A)
PERCORSO DI
PROPAGAZIONE (P)
E = f (A , P)
EFFETTI IN SUPERFICIE (E)
Legati anche alle condizioni geologiche e
morfologiche del sito (S)
E = f (A , P , S)
EFFETTI LOCALI
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

44. EFFETTI LOCALI
Tramite osservazione degli effetti prodotti da passati terremoti
EFFETTI DI INSTABILITA’
EFFETTI DI SITO
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

45. ALCUNI ESEMPI DI EFFETTI LOCALI
SCUOTIMENTO
FAGLIAZIONE SUPERFICIALE
FRATTURAZIONE
LIQUEFAZIONE
FRANE DI CROLLO
FRANE DI SCIVOLAMENTO
Sono da aggiungere fenomeni di deformazione crostale – tsunami – variazioni chimico-fisiche delle acque
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

46. FENOMENI PRECURSORI
Il rilascio dell’energia elastica accumulata può avvenire in modalità diverse:
- scossa principale seguita da repliche (mainshock-aftershocks): la scossa
principale è quella ad energia liberata superiore mentre le repliche liberano minore
energia ed il loro numero descresce nel tempo;
- precursori seguiti da scossa principale e da repliche (foreshocks - main -
aftershocks): i precursori sono scosse di energia inferiore rispetto alla principale
ed a volte in numero crescente man mano che si avvicina la scossa principale;
- sciami di terremoti (swarms): serie di scosse nelle quali non si riesce a
distinguerne una principale; a volte si osserva un aumento e poi una diminuzione
della loro frequenza.
La conoscenza del modello dinamico del processo di fratturazione (quale il modello
della dilatanza) non riesce a spiegare tutti i fenomeni precursori ma in qualche
modo ne giustifica l’esistenza di alcuni:
Variazione del rapporto Vp/Vs – Deformazioni del suolo – Variazioni di
concentrazione di Radon 222 nelle acque e sua emissione in atmosfera – variazioni
di resistività elettrica – variazioni della microsismicità
Dr. Geol. Massimo Compagnoni

47. Gas radioattivo facile da rilevare, a vita breve (il che ci assicura che il gas è giovane e la
risalita molto rapida), chimicamente inerte (non interagisce con le rocce), derivante dal
decadimento sia dell’uranio sia del thorio e si forma continuamente sia nelle rocce profonde
sia nelle rocce superficiali, nei suoli e nelle stesse murature. Il suo aumento rispetto ad una
concentrazione standard è legata alla creazione di fratturazione che lo porta in superficie.
E’ necessario distinguere tra le componenti profonde (legate allo stato di sforzo) da quelle
superficiali (che possono variare moltissimo in funzione della pressione atmosferica,
dell’umidità ecc.): si misura il rapporto tra i due diversi isotopi: il radon (222Rn, emivita 3.8
giorni) ed il thoron (220Rn, chimicamente analogo al radon, ma generato dal thorio e con
emivita di 59 secondi). Data la brevissima emivita, il 220Rn può raggiungere il sensore solo se
generato a brevissima distanza, negli strati più superficiali del suolo e quindi le variazioni della
sua attività sono legate prevalentemente dalle condizioni atmosferiche (temperatura,
pressione, vento).
Per collocare i rilevatori in corrispondenza di vie di risalita profonde (faglie ecc.), idonee al
monitoraggio e tali da fornire informazioni significative, è importante usare tutti gli indicatori
tipici di emissioni profonde: elio, H2S, ecc., associati alla conoscenza della geologia e della
tettonica dell’area.
EMISSIONI RADON - misurazioni
Dr. Geol. Massimo Compagnoni