Le faglie sono complessi sistemi naturali le cui proprietà meccaniche evolvono nel tempo. La raccolta di dati ad alta risoluzione spaziale e temporale, provenienti da diverse discipline, è quindi lo strumento principale per la descrizione e la modellazione dei processi chimico-fisici che a differenti scale controllano il processo di fagliazione e, verosimilmente, di genesi dei terremoti. Per queste ragioni, sin dal 2010 l’INGV ha investito risorse finanziare e umane nella creazione di un’infrastruttura di ricerca che attraverso un monitoraggio permanente, di dettaglio e multi-parametrico di un sistema di faglie attive, potesse consentire di affrontare aspetti fondamentali della tettonica e della fisica della sorgente sismica (Fig. 1).
Figura 1. Mappa dell’area di studio (da Chiaraluce et al., 2014a). Sx) Rete multidisciplinare TABOO; vedi legenda per significato simboli. In rosso la zona di emersione dell’ATF. Il riquadro al centro è uno zoom dell’area quadrata identificata in mappa con la linea nera, con schematizzata la distribuzione dei 3 siti dove durante il progetto GLASS sono stati perforati pozzi superficiali 200-250 m, nei quali sono stati installati sensori sismici (Collettini and Chiaraluce, 2013; Chiaraluce et al., 2014b). Dx) I quadrati rossi rappresentano gli epicentri macrosismici dei principali terremoti storici dall’anno 1000 in poi. Ricordiamo che nel catalogo storico non ci sono eventi sismici che possono essere messi in relazione diretta all’attivazione di tutta la faglia ATF (M7). Mentre i punti neri sono gli epicentri strumentali dei terremoti avvenuti nel periodo 1995-2010 (da ISIDE). I meccanismi focali in blu sono riferiti agli eventi sismici con magnitudo M>5, mentre gli altri sono degli eventi con magnitudo 2.9<ML<3.2.
Il sistema di faglie monitorato è quello dell’Alta Valle del Tevere, dominato in profondità dalla presenza di una grande faglia normale a basso angolo d’immersione (15°-20°), nota in bibliografia con il nome di Faglia Alto Tiberina (ATF; Fig. 2). L’ATF è una faglia che per le sue dimensioni (60 x 30 km) potrebbe generare un forte terremoto, fino a magnitudo 7. L’assenza di un evento di tali dimensioni nei cataloghi di sismicità storica, la particolare geometria dell’ATF, ossia il basso angolo di immersione inferiore 30° che ne fa una struttura geologica sfavorevolmente orientata per la riattivazione rispetto al campo di sforzi regionale, e la continua e costante occorrenza di piccoli terremoti, con occasionali eventi di moderata grandezza (fino a magnitudo M 5.5; Gubbio 1984), fa dell’Alta Valle del Tevere un laboratorio naturale per lo studio delle modalità con cui le faglie accomodano la deformazione tettonica.
Figura 2. Sismicità dell’area di studio relativa al periodo 2010-2015 (da Valoroso et al., 2017). SX) Epicentri in mappa con meccanismi focali degli eventi con magnitudo 2.9<ML<3.2. In rosso la traccia in superficie dell’ATF e in verde della faglia di Gubbio. DS) Sezioni verticali che mostrano come la distribuzione in profondità degli eventi sismici (distanti +/-2.5 km dalla traccia della sezione), definisca una struttura geologica immergente a Est che coincide con l’ATF, cosi come ricostruita dalla interpretazione dei profili di sismica a riflessione dell’area (Mirabella et al., 2011 e relative referenze).
È proprio grazie all’alta risoluzione spazio-temporale delle reti geodetiche e sismologiche che lungo l’ATF è stata documentata l’occorrenza di uno slow slip event (terremoto lento) che ha causato una estensione di ~5 mm nei primi sei mesi del 2014, (Gualandi et al. 2017) ed è sempre lungo l’ATF che la modellazione della deformazione geodetica prevede che alcune porzioni di questa grande faglia siano in creeping (scorrimento asismico sul piano di faglia; Anderlini et al., 2016).
Figura 3. (a) Evoluzione della deformazione geodetica (linea rossa) ottenuta dall’analisi delle serie temporali di spostamento GPS rispetto al numero cumulato di terremoti relativi ad uno sciame sismico iniziato a fine 2013 (linea verde). (b) Momento sismico equivalente calcolato dai dati geodetici (linea rossa) rispetto al momento sismico rilasciato (linea verde) dai terremoti relativi allo sciame sismico. (c) Slip cumulato nei 6 mesi dalla fine del 2013 sulle faglie normali ad alto angolo presenti nel tetto (hangingwall) dell’ATF su cui è avvenuto il terremoto lento (slow-slip). Le frecce e i cerchi colorati indicano gli spostamenti cumulati nelle componenti orizzontali e verticale.
Inoltre la zona monitorata da TABOO è stata interessata negli scorsi decenni da un ragguardevole numero di indagini geofisiche, quali prospezioni sismiche e perforazioni di pozzi profondi alcuni chilometri (fino a 5 km; vedi Deep boreholes ENI in Fig. 1), finalizzate alla ricerca di idrocarburi. Queste esplorazioni hanno consentito la ricostruzione accurata delle litologie presenti nei primi chilometri di crosta superficiale, il corrispondente campo di velocità (almeno per le onde P) in 3-dimensioni e la presenza di fluidi (soprattutto anidride carbonica CO2) in sovrappressione. Tutti elementi che arricchiscono ulteriormente l’interesse per lo studio di questa porzione di territorio; soprattutto la presenza di fluidi in pressione. Le modalità del coinvolgimento dei fluidi nella genesi e nell’evoluzione della sismicità è infatti un elemento molto esplorato, anche se le osservazioni dirette a riguardo sono ancora limitate. Nel video qui sotto mostriamo il degassamento di CO2 osservabile al sito di Umbertide, dove allo scopo di monitorarne il flusso nel tempo, è stata installata una delle stazioni geochimiche di misura.
Emissione gassosa di CO2 presso Umbertide. Sul sito è installata una stazione di misura del flusso di CO2, che viene emessa in misura di alcune tonnellate al giorno.
L’infrastruttura tecnologica
Attraverso il contributo congiunto derivante da fondi di progetto internazionali, fondi istituzionali allocati alle diverse sezioni dell’INGV che contribuiscono a TABOO (ONT – Roma1 – Palermo), sono state costruite nell’area di studio, a partire dal 2010 fino ad oggi, decine di nuovi siti equipaggiati con strumentazione per il monitoraggio, a complemento delle già esistenti stazioni di misura permanenti delle reti nazionali INGV (vedi Fig. 1). In queste stazioni remote sono (quando possibile) co-locati sensori sismici (a 3 componenti, a corto e/o lungo periodo e accelerometrici), geodetici (antenne GPS e diffusori satellitari passivi) e geochimici (Radon, CO2 e meteo). È importante ricordare che alcuni di questi moderni sensori (come i misuratori di emissioni gassose e i diffusori satellitari) sono prototipi interamente costruiti presso l’INGV.
Tutte le stazioni sono alimentate da pannelli fotovoltaici e sono collegate in tempo reale attraverso un sistema dedicato di antenne radio Wi-Fi a un centro di acquisizione dati dell’INGV, ubicato nella sede di Ancona, da dove sono inviati anche alla sede INGV di Roma. Nella foto sopra è visibile una delle stazioni di Gubbio (sigla TB01).
In questo modo ci sono due sistemi di archiviazione in due differenti centri, in modo da creare un sistema ridondato e quindi più sicuro. Tutti i dati acquisiti seguono una politica open access, ossia sono resi immediatamente disponibili a tutta la comunità scientifica e non, nazionale ed internazionale, attraverso portali web dedicati, in formati standard decisi in ambiti internazionali.
Attraverso progetti di ricerca all’avanguardia in Europa e nel mondo, con TABOO si sviluppano continuamente moderne metodologie di installazione di sensori sia sismici che di deformazione (strainmeter), all’interno di pozzi della profondità di alcune centinaia di metri.
Il progetto GLASS (ERC-EU; Collettini and Chiaraluce; 2013) è un esempio di una delle prime fasi di questa implementazione infrastrutturale, culminata con la creazione di un seismic array (antenna sismica) in pozzo, unico in Europa in ambiente non industriale, attraverso il quale si può studiare la fisica della sorgente di piccolissimi terremoti (con magnitudo negativa) e monitorare l’occorrenza di un più ampio spettro di transienti di deformazione. Nella foto sopra un momento della fase di installazione di una sonda (velocimetrica a 3C con periodo naturale a 2HZ), in uno dei pozzi profondo 200 m. Il progetto GLASS si è dedicato dello studio delle condizioni per cui si generano processi sismici e/o asismici su faglie, attraverso l’integrazione di dati ad alta risoluzione di fenomeni deformativi osservati sia in ambienti naturali che non, ossia in laboratorio. L’altissima risoluzione delle osservazioni acquisite con le stazioni sismiche TABOO installate in pozzo fa si che questa infrastruttura rappresenti l’osservatorio naturale ideale, complementare alla componente di studio della meccanica dei terremoti attualmente in fase di grande sviluppo, all’interno di laboratori, in quanto consente un avvicinamento tra le scale di osservazione.
Un altro esempio di implementazione e innovazione tecnologica è rappresentato dal progetto STAR (A Strainmeter Array Along the Alto Tiberina Fault System, Central Italy), finanziato di recente dall’International Continental Scientific Drilling Program (ICDP) che attraverso il finanziamento di 6 nuove perforazioni di pozzi della profondità di 80-180 m, dove installare strumentazione sia sismica che geodetica (https://www.icdp-online.org/projects/world/europe/northern-apennines-italy/), ha contestualmente riconosciuto la rilevanza scientifica dello studio delle faglie normali a basso angolo. La strumentazione che sarà installata in questi nuovi siti è stata invece donata all’INGV dal National Science Fundation degli Stati Uniti come prosecuzione del progetto MASS (Measuring aseismic fault slip).
TABOO in Italia e in Europa
La disponibilità di infrastrutture di ricerca all’avanguardia e aperte allo scambio scientifico tra le diverse discipline, è oggi di fondamentale importanza per l’ottenimento di finanziamenti internazionali. I progetti di ricerca nazionali ed internazionali finanziati all’INGV attraverso TABOO ne sono un esempio (Progetti “premiali” del MIUR, progetti europei GLASS-ERC, EPOS, NERA, SERA, RISE, STAR, TECTONIC-ERC).
TABOO è mappata tra le infrastrutture di ricerca di punta in Europa come uno dei Near Fault Observatory Europei (https://www.epos-ip.org/data-services/community-services-tcs/near-fault-observatories), coordinati attraverso Il progetto EPOS (European Plate Observing System; http://www.epos-eu.org/). L’elevato grado di rilevanza scientifica riconosciuto a questi osservatori naturali ha fatto sì che il concetto di laboratorio naturale sia stato di recente formalizzato anche nella comunità dell’Osservazione della Terra (Earth Observation) grazie all’iniziativa dei Supersites, che ha definito i cosiddetti Geohazards Natural Laboratories distribuiti in specifiche aree di tutto il mondo, caratterizzate da un alto rischio sismico, e dove quindi si concentrano i dati acquisiti da sensori su piattaforma satellitare.
Insieme alla ricerca di base, TABOO rappresenta anche un importante strumento per la creazione di prodotti software per l’analisi di dettaglio e in tempo quasi reale di molteplici parametri geofisici caratterizzanti delle sequenze sismiche. Pacchetti che una volta ottimizzati, sono utili anche alle attività istituzionali inerenti il servizio di monitoraggio e analisi che l’INGV espleta presso l’Osservatorio Nazionale dei Terremoti e il Centro Pericolosità Sismica, e quando queste divisioni dell’Ente si interfacciano con Protezione Civile, Società Civile e Media.
TABOO rappresenta quindi oggi un laboratorio naturale all’avanguardia nel panorama internazionale dove i migliori giovani scienziati di tutto il mondo possono recarsi a testare le loro idee sulla fisica che sta alla base dei processi di generazione dei terremoti. Un processo virtuoso che consente insieme all’incremento qualitativo della attività di ricerca scientifica italiana dell’INGV e al miglioramento dell’efficacia e l’efficienza del nostro sistema di osservazione, di migliorare il posizionamento internazionale del nostro paese nella ricerca sui terremoti.
A cura di Lauro Chiaraluce in collaborazione con Antonio Caracausi, Marco Cattaneo, Raffaele Di Stefano, Antonio Piersanti e Enrico Serpelloni, INGV.
Bibliografia
Anderlini, L., E. Serpelloni, and M. Belardinelli (2016), Creep and locking of a low-angle normal fault: Insights from the Altotiberina fault in the Northern Apennines (Italy), Geophys. Res. Lett., 43, 221–4329, doi:10.1002/2016GL068604.
Chiaraluce, L., Amato, A., Carannante, S., Castelli, S., Cattaneo, M., Cocco, C. Collettini, E. D’Alema, R. Di Stefano, D. Latorre, S. Marzorati, F. Mirabella, G. Monachesi, D. Piccinini, A. Nardi, A. Piersanti, S. Stramondo, L. Valoroso (2014). The Alto Tiberina Near Fault Observatory (northern Apennines, Italy). Annals of Geophysics, 57, S0327. https://doi.org/10.4401/ag-6426.
Chiaraluce, L., Collettini, C., Cattaneo, M., & Monachesi, G. (2014). The shallow boreholes at the Altotiberina near fault Observatory (TABOO; northern Apennines of Italy). Scientific Drilling, 17, 31–35. https://doi.org/10.5194/sd-17-31-2014.
Collettini C. and L. Chiaraluce (2013). Integrated Laboratories to Study Aseismic and Seismic Faulting. Vol. 94 N. 10, EOS, TRANSACTIONS, AMERICAN GEOPHYSICAL UNION, 97–104.
Gualandi, A., Nichele, C., Serpelloni, E., Chiaraluce, L., Anderlini, L., Latorre, D., Belardinelli, M.E. & Avouac, J.P., 2017. Aseismic deformation associated with an earthquake swarm in the northern Apennines (Italy),
Geophys. Res. Lett., 44, doi:10.1002/2017GL073687.
Mirabella, F., F. Brozzetti, A. Lupattelli, and M. R. Barchi (2011), Tectonic evolution of a low‐angle extensional fault system from restored cross‐sections in the Northern Apennines (Italy), Tectonics, 30, TC6002, doi:10.1029/2011TC002890.
Valoroso, L., Chiaraluce, L., Di Stefano, R. and Monachesi, G. (2017). Mixed-mode slip behaviour of the Altotiberina low-angle normal fault system (Northern Apennines, Italy) through high-resolution earthquake locations and repeating events. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 122. https://doi.org/10.1002/2017JB014607.
