UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI GENOVA

DIPARTIMENTO DI SCIENZE DELLA TERRA

 

 

 

 

 

 

Alessandro Tomaselli

 

 

 

 

 

SISMICITA' E CARATTERISTICHE

DI PROPAGAZIONE E ATTENUAZIONE DELLE ONDE SISMICHE

NELL'APPENNINO NORD-OCCIDENTALE

 

 

TESI DI DOTTORATO IN GEOFISICA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

GENOVA, 1993

 

 

responsabile scientifico

Prof. Claudio Eva

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SISMICITA' E CARATTERISTICHE

DI PROPAGAZIONE E ATTENUAZIONE DELLE ONDE SISMICHE

NELL'APPENNINO NORD-OCCIDENTALE

 

 

 

 

di Alessandro Tomaselli

 

 

 

 

 

 

 

Tesi per il conseguimento del titolo di dottore di ricerca in Geofisica

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Responsabile scientifico: Prof. C. Eva

 

 

Genova, Febbraio 1993.

 

 

 

Alessandro Tomaselli

 

 

 

 

 

 

 

 

INDICE

 

 

pag.

Riassunto.............................................   1

 

 

Introduzione..........................................   3

 

 

CAPITOLO 1

INQUADRAMENTO GENERALE DELL'AREA......................   9

 

1.1 Quadro geofisico..................................   9

1.1.1 Sismicita' storica e recente ...................   9

1.1.2 Dati magnetici e gravimetrici ..................  35

1.1.3 Dati di sismica attiva..........................  39

1.1.4 Dati geotermici.................................  43 

1.1.5 Tomografia telesismica..........................  45

1.2 Quadro geologico e geodinamico....................  47     

 

 

CAPITOLO 2

SISMICITA' DELL'APPENNINO NORD-OCCIDENTALE DAI DATI DI

UNA RETE TEMPORANEA: EVIDENZE DI TERREMOTI

SUB-CROSTALI..........................................  52

 

2.1 Dati del periodo 1989-1990........................  52

2.1.1 Sismicita' rilevata dalla rete temporanea.......  52

2.1.2 Meccanismi focali...............................  55

2.2 Revisione delle profondita' focali del periodo 

1986-1991........................................  57

 

 

CAPITOLO 3

TOMOGRAFIA LOCALE DELL'APPENNINO NORD-OCCIDENTALE.....  61

 

3.1 Dati di sismica attiva e anomalie di tempi di

arrivo...........................................  62

3.2 Modelli monodimensionali..........................  64

3.3 Struttura tridimensionale di velocita'............  69 3.3.1 Cenni sulla procedura di calcolo................  70

3.3.2 Scelta dei parametri di ingresso................  71

3.3.3 Modello di partenza.............................  72

3.3.4 Modello tridimensionale.........................  75

3.3.5 Verifica del modello............................  79

3.4 Rilocalizzazione degli eventi.....................  81

 

 

CAPITOLO 4

ATTENUAZIONE DELLE ONDE SISMICHE: IL PARAMETRO Qc.....  85

 

4.1 Calcolo di Qc.....................................  86

4.2 Qc regionale......................................  88

4.3 Dipendenza di Qc dalla frequenza..................  88

4.4 Struttura di Qc...................................  90

 

 

DISCUSSIONE...........................................  94

-A- SINTESI...........................................  94

-B- CONCLUSIONI.......................................  97

 

Appendice A

Appendice alla tomografia locale...................... 105

 

A.1 Formulazione  matematica  della  tecnica

 di inversione simultanea........................ 105

A.2 Ray tracing approssimato (ART).................... 107

 

 

Appendice B

Calcolo di Qc......................................... 110

 

B.1 Metodo di calcolo di Qc........................... 110

B.2 Calcolo del cammino libero medio delle onde di 

coda............................................. 112

B.3 Calcolo della struttura mono-dimensionale di Qc... 113

 

 

Bibliografia.......................................... 116

 

 

Elenco delle figure................................... 127

 

 

Curriculum vitae...................................... 132

 

 

Elenco pubblicazioni.................................. 133

 

RIASSUNTO

 

     L'Appennino Nord-Occidentale comprende due grandi zone di attivita' sismica: la zona di contatto fra l'Appennino emerso e la Pianura Padana e la zona Garfagnana-Lunigiana. Una revisione del catalogo dei terremoti dell'Italia Nord-Occidentale per il periodo 1971-1989 ha consentito una migliore caratterizzazione sismotettonica di queste aree rispetto a quelle adiacenti. I maggiori terremoti storici si distribuiscono lungo una fascia allungata in direzione parallela all'asse della catena e delle principali strutture fagliate superficiali, mentre la sismicita' piu' recente e di piu' basso livello energetico interessa direzioni per lo piu' trasversali come quella della Val di Taro.

     L'installazione di una rete temporanea per il rilevamento di attivita' sismica in Lunigiana e Garfagnana ha consentito di raccogliere dati che riguardano un'area a cavallo tra le regioni Liguria, Lombardia, Toscana ed Emilia Romagna. Gli eventi registrati sono prevalentemente di bassa energia e la loro distribuzione presenta interessanti correlazioni sia con gli elementi strutturali conosciuti che con la sismicita' storica. Con l'utilizzo della rete locale, si e' migliorata la determinazione dei parametri focali, avvalorando l'ipotesi dell'esistenza di terremoti sub-crostali (30Km<H<70Km). Tale ipotesi e' stata ulteriormente verificata da una revisione degli eventi 'profondi' del periodo 1986-1991.

     Le caratteristiche strutturali dell'area in esame sono state indagate anche attraverso lo studio di alcune soluzioni focali. In particolare si evidenzia come, in un quadro dominato da faglie trascorrenti, un certo carattere compressivo del campo sia legato ai terremoti piu' profondi e piu' esterni rispetto alla catena.          

     La struttura crostale dell'Appennino Nord-Occidentale e'  stata studiata utilizzando le caratteristiche di propagazione delle onde sismiche: una modellazione tridimensionale della velocita' delle onde P ed S e' stata ricavata attraverso una tecnica tomografica, usando i terremoti locali registrati da due reti temporanee e quelli 'profondi'. La struttura tridimensionale di velocita' e' stata ottenuta per gli strati superficiali (12Km). Per quelli piu' profondi il modello ricavato e' monodimensionale. Lo studio conferma l'ipotesi, avanzata in passato, dell'esistenza di livelli di inversione di velocita' a scala crostale.

     Per un'analisi sull'attenuazione delle onde di coda  sono state utilizzate le registrazioni dei 339 eventi locali registrati dalla rete, assumendo l'ipotesi di 'scattering'  singolo, puntuale e isotropo. Sono state applicate le procedure di calcolo gia' sperimentate per le Alpi Occidentali. Per la stima di un Qc medio regionale e per ulteriori indagini sulla variazione di tale parametro con la profondita', sono stati utilizzati solo i valori di Qc corrispondenti alle analisi spettrali piu' affidabili. I risultati mostrano valori dell'attenuazione paragonabili a quelli delle Alpi Occidentali e confermano la dipendenza del fattore di qualita' dalla frequenza, dal lapse time e dalla profondita'.

     Risultano interessanti, infine, le correlazioni fra le variazioni verticali dei parametri studiati (soprattutto Qc, Vp e profondita' focale) anche nel quadro geodinamico dei possibili rapporti tra l'unita' Adriatica e quella Ligure-Toscana.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

INTRODUZIONE

 

     La sismicita' e' definita come la distribuzione di terremoti nello spazio e nel tempo (Fowler, 1990). In altre parole e' la caratterizzazione di ciascun terremoto attraverso le grandezze che lo definiscono: latitudine, longitudine, profondita' e tempo origine. Per estensione, a questi parametri, e' possibile aggiungere le altre grandezze che concorrono alla descrizione di un evento sismico: ad esempio la magnitudo e le caratteristiche dei campi di deformazione, propagazione e attenuazione.

     La distribuzione nello spazio dei terremoti dell'Appennino Nord-Occidentale, costituisce un segmento di direzione NW-SE, del fronte sismico che attraversa longitudinalmente la Penisola Italiana e va quindi inquadrata nell'ambito dei rapporti tra le placche che individua. E' possibile ammettere, quindi, che l'evoluzione dell'Appennino Nord-Occidentale sia una delle conseguenze della convergenza dei blocchi continentali africano ed euroasiatico.

     L'attivita' sismica recente nelle regioni Alpine e Mediterranee del periodo 1968-1988 e' raffigurata in Figura 1 (Guyoton, 1991). Essa delinea molto chiaramente i confini delle placche tra Africa (a sud) ed Eurasia (a nord); tali confini e il modello di sforzo sismotettonico sono schematizzati in Figura 2 (Ahorner, 1975; Udias, 1982; Mueller, 1989). In particolare vengono evidenziate le dimensioni della microplacca Egeo-Anatolica e quelle del promontorio Adriatico della Placca Africana, che (nell'ipotesi che venga considerato separato dall'Africa) viene anche chiamato 'microplacca Apula o Adriatica'; quest'ultima, nella sua parte nord-occidentale, si estende all'interno dell'arco Alpino (Mueller, 1989).     E', percio', possibile, attraverso lo studio della sismicita' regionale, l'osservazione delle onde sismiche, di come si propagano e di come si attenuano, ricavare importanti informazioni per la comprensione dei fenomeni geodinamici. Cio' ha costituito il principale obiettivo della tesi, limitatamente alla zona in esame.

     La regione che viene analizzata nel presente lavoro, geologicamente, fa parte dell'Appennino Settentrionale che e' limitato ad ovest dalle Alpi Liguri tramite la Linea Sestri-Voltaggio e a sud dall'Appennino Centrale (Figura 3). Lo studio, in particolare, riguarda la sua parte Nord- Occidentale e cioe' quella (nel riquadro della Figura 3) compresa fra le longitudini 9°E ed 11°E.

     Un obiettivo non secondario del presente lavoro e' stato quello di verificare l'esistenza di eventi sub- crostali attuali. I terremoti di questa regione, infatti, sono da classificarsi litosferici (H<70km) ed al loro

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 1 - Distribuzione della sismicita' della regione mediterraneo-europea (dati U.S.G.S.; 1968-1988; tratta da Guyoton, 1991).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 2 - Confini generalizzati delle placche e modello di sforzo sismotettonico nell'Atlantico orientale, nel Mediterraneo e nella regione alpina (tratta da Udias, 1982; Mueller, 1989). Az=punto triplo delle Azzorre; Ad=promontorio adriatico. Microplacche: Ae=Egea, An=Anatolica. Viene anche indicato uno schema sismotettonico semplificato per l'Europa centrale e nord- occidentale (tratto da Ahorner, 1975).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 3 - Limiti geologici dell'Appennino settentrionale. interno un'ulteriore distinzione, fra eventi "crostali" e "subcrostali", puo' aiutare a comprendere meglio i complessi rapporti geodinamici. Del resto, anche fra i dati macrosismici, esistono eventi catalogati con profondita' focali di 50-60 km la cui attendibilita' e' stata oggetto di revisioni per l'importanza che rivestirebbero nel quadro geodinamico di tutto l'Appennino (Cattaneo et al., 1986b; Meloni et al., 1990); inoltre, in un settore della catena compreso tra le citta' di Bologna, Livorno, Ancona e Civitavecchia, sono stati localizzati terremoti "sub-crostali" lungo un piano che immerge dall'Adriatico verso il Tirreno (Amato e Selvaggi, 1991). L'aggettivo 'profondo', naturalmente, andra' inteso in senso relativo e cioe' riferito ad eventi con 30km<H<100km (al di sotto della Moho Ligure).

     Ovviamente, condizione necessaria per ottenere informazioni valutabili, in termini sia sismotettonici che geodinamici, e' avere una buona definizione dei parametri focali degli eventi sismici, in particolare per cio' che riguarda la profondita': l'utilizzo di reti sismiche particolarmente dense di stazioni permette proprio di ricavare dati affidabili.

     Questa necessita' risulta evidente anche dall'analisi dei cataloghi sismici "strumentali" degli ultimi venti anni, la cui revisione critica permette miglioramenti nelle localizzazioni limitatamente ad eventi registrati da un elevato numero di stazioni. Per superare questo problema, in Appennino Nord-Occidentale, si e' scelto di affiancare alle reti permanenti operanti nell'area (quella dell'Universita' di Genova e quella dell'Istituto Nazionale di Geofisica), una rete di tipo locale, la cui efficacia  nella risoluzione di problematiche di dettaglio e' ampiamente testimoniata (Anderson e Jackson, 1987; Cattaneo et al., 1989a). E' stata utilizzata una rete temporanea che ha funzionato durante il periodo Agosto 1989 - Dicembre 1990 ed ha fornito utili indicazioni anche per la futura messa in opera di una rete permanente a carattere locale.

 

     Nel primo capitolo di questa tesi sono state raccolte le principali informazioni di carattere geofisico che riguardano la zona: ai dati di sismica attiva, a quelli di geomagnetismo, gravimetria, flusso di calore e tomografia telesismica, e' stato premesso un paragrafo riguardante la revisione della sismicita' dell'Italia Nord-Occidentale.

     In particolare, la sismicita' recente dell'Italia Nord-Occidentale e' stata sottoposta ad una revisione critica, per superare soprattutto i problemi derivanti dall'incompletezza del catalogo e per inquadrare in un contesto piu' ampio la zona sismica appenninica.      Nel secondo capitolo viene trattata la sismicita' dell'Appennino Nord-Occidentale, registrata dalla rete locale. L'installazione  della rete ha permesso di aumentare quantita' e qualita' delle informazioni ed ottenere uno studio di dettaglio dell'area, in particolare per quanto riguarda l'analisi dei terremoti sub-crostali e la sismotettonica.

     Nel terzo capitolo si parla dell'applicazione di una tecnica di tomografia a scala locale che e' stata utilizzata, sia per superare i problemi derivanti dall'utilizzo di modelli monodimensionali nelle localizzazioni, sia per giungere ad una prima definizione tridimensionale della velocita' delle onde sismiche a scala crostale. Tale tecnica e' stata sviluppata per ottenere, dall'inversione di tempi di arrivo, sia la localizzazione dei terremoti con un modello tridimensionale di velocita', sia un nuovo modello vincolato dall'elaborazione dei residui di tempo (Thurber, 1983). La rilocalizzazione degli eventi sismici ha consentito di verificare le considerazioni sismotettoniche espresse nel capitolo 2.

     L'analisi del campo di attenuazione, cui e' dedicato il capitolo 4, attraverso il metodo delle onde di coda, ha fornito ulteriori indicazioni, soprattutto per quanto riguarda la struttura crostale dell'area. In particolare vengono avvalorate certe ipotesi formulate sulla base di dati di sismica attiva.

     Nel capitolo dedicato alla sintesi e alle conclusioni, viene proposta una discussione sull'evoluzione geodinamica dell'Appennino Ligure-Tosco- Emiliano.

 

 

capitolo 1

 

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