UNIVERSITA'
DEGLI STUDI DI GENOVA
DIPARTIMENTO
DI SCIENZE DELLA TERRA
SISMICITA' E
CARATTERISTICHE
DI
PROPAGAZIONE E ATTENUAZIONE DELLE ONDE SISMICHE
NELL'APPENNINO
NORD-OCCIDENTALE
GENOVA, 1993
responsabile scientifico
Prof. Claudio Eva
SISMICITA' E
CARATTERISTICHE
DI
PROPAGAZIONE E ATTENUAZIONE DELLE ONDE SISMICHE
NELL'APPENNINO
NORD-OCCIDENTALE
di Alessandro
Tomaselli
Responsabile scientifico: Prof. C. Eva
Genova, Febbraio 1993.
INDICE
pag.
Riassunto............................................. 1
Introduzione.......................................... 3
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
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
Elenco pubblicazioni..................................
133
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.
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.