Fisica della Terra solida
Eruzioni vulcaniche, terremoti e maremoti sono alcune delle manifestazioni più spettacolari dell'attività interna del nostro pianeta. La Terra è un sistema fisico complesso, in continua evoluzione. La Fisica della Terra solida ha lo scopo di comprendere il funzionamento di questo sistema, tramite lo studio dei processi che avvengono all'interno del pianeta e delle loro manifestazioni esterne. Tale studio è realizzato tramite le metodologie e gli strumenti propri della fisica, basati su un'impostazione rigorosa e quantitativa dell'indagine scientifica.
La Terra è un corpo eterogeneo, costituito da materia in vari stati di aggregazione (solido, liquido, gassoso), in condizioni di temperatura e di pressione che crescono verso il centro del pianeta, dove raggiungono rispettivamente parecchie migliaia di gradi e oltre tre milioni di atmosfere (300 GPa). La Terra è stratificata: è composta da un nucleo interno solido e da un nucleo esterno liquido, formati prevalentemente da ferro; da un mantello formato da silicati e da una sottile crosta superficiale, avente uno spessore medio di 35 km. La densità della Terra solida cresce da circa 3000 kg/m3 alla superficie terrestre fino a 13000 kg/m3 al centro del pianeta. La composizione e le condizioni di temperatura e pressione determinano il comportamento reologico della Terra, cioè la maniera in cui le diverse regioni del pianeta rispondono agli sforzi: il mantello si comporta come un corpo viscoelastico, mentre lo strato esterno della Terra (chiamato litosfera) è elastico e fragile. La litosfera è frammentata in una dozzina di grandi placche e molte placche minori, che sono in lento movimento l'una rispetto all'altra. La superficie terrestre è coperta per la maggior parte da acqua allo stato liquido (idrosfera) o solido (criosfera) ed è circondata da un involucro gassoso (atmosfera), la cui densità e pressione decrescono verso l'esterno.
La Terra produce due fondamentali campi di forze: il campo gravitazionale e il campo magnetico. Inoltre non è un sistema chiuso, ma riceve energia e materia dallo spazio esterno: è sottoposta all'azione di campi di forze gravitazionali da parte del Sole e degli altri corpi del sistema solare (prevalentemente la Luna) ed elettromagnetiche (radiazione solare); riceve dallo spazio un continuo flusso di materia (meteoriti, vento solare, raggi cosmici). L'interazione tra il campo magnetico terrestre e il vento solare dà origine alla magnetosfera, una regione che si estende per decine di migliaia di chilometri attorno alla Terra.
Il motore dell'attività terrestre è il calore presente all'interno del pianeta. Esso risale in parte all'epoca della formazione della Terra, in parte è generato dal decadimento degli isotopi radioattivi presenti nelle rocce. Il calore produce i movimenti convettivi del nucleo che sono all'origine del campo magnetico e il lento moto di convezione nel mantello che causa il moto delle placche litosferiche. Questo moto, che ha una velocità media di alcuni centimetri all'anno, origina il processo noto come tettonica delle placche, responsabile dell'orogenesi e dell'attività sismica e vulcanica. I terremoti sono onde elastiche che si propagano nella Terra come conseguenza del movimento di grandi fratture, chiamate faglie. I vulcani sono aperture della crosta terrestre attraverso le quali fuoriesce il magma, materiale che si forma in profondità per fusione parziale delle rocce. Terremoti ed eruzioni vulcaniche esplosive, quando avvengono in prossimità dei mari o degli oceani, generano i maremoti, perturbazioni che si propagano sulla superficie degli oceani come onde di gravità e, giungendo sulle coste, possono raggiungere altezze di decine di metri, con un grande potere distruttivo.
L'interno della Terra è sostanzialmente inaccessibile: il pozzo più profondo che sia stato perforato ha raggiunto la profondità di circa 20 km, un trecentesimo del raggio della Terra. Ciò comporta che le nostre conoscenze debbano essere dedotte esclusivamente tramite l'osservazione dei fenomeni superficiali: non solo di quelli più appariscenti, come terremoti ed eruzioni, ma anche delle lente variazioni dei parametri fisici rilevanti, come gli spostamenti e le deformazioni del suolo, il campo gravitazionale, la temperatura e il flusso di calore, il campo magnetico. Lo studio della Terra solida richiede pertanto un controllo continuo della superficie terrestre, che può essere effettuato tramite reti strumentali appropriate. La misura e lo studio dei movimenti della superficie terrestre sia a breve che a lungo termine sono realizzati dalla geodesia, tramite tecniche che oggi ricorrono sempre più all'impiego dei satelliti artificiali, come l'SLR (Satellite Laser Ranging), il GPS (Global Positioning System) e il SAR (Synthetic Aperture Radar), grazie alle quali si possono apprezzare spostamenti del suolo con velocità dell'ordine dei millimetri/anno. Grazie alla radar-altimetria da satellite, è possibile monitorare costantemente l'innalzamento del livello medio del mare sia a scala globale che regionale, con precisione millimetrica: queste osservazioni sono importanti per studiare l'impatto ambientale del cambiamento climatico globale. La gravimetria costituisce un metodo indipendente, rispetto alle tecniche spaziali, per la stima dei movimenti crostali verticali. Le variazioni di quota desunte dalla combinazione di misure assolute e relative di gravità, effettuate con gravimetri di ultima generazione (a semiconduttore) sono confrontabili, in termini di precisione (subcentimetrica), con quelle ottenute dall'analisi dei dati spaziali. La misura delle oscillazioni del suolo connesse ai terremoti è effettuata tramite reti sismometriche, insiemi di stazioni di registrazione dotate di strumenti (sismometri) uguali e sincronizzati, facenti capo a un unico centro di controllo, raccolta ed elaborazione dei dati.
La Fisica terrestre riveste un ruolo preminente nella valutazione dei cosiddetti rischi naturali, in particolare quelli che derivano dall'azione della Terra solida sull'uomo e sull'ambiente antropizzato, come terremoti e bradisismi, eruzioni vulcaniche, maremoti, frane, subsidenza. Se consideriamo come esempio i terremoti e le eruzioni vulcaniche, la probabilità che un simile evento colpisca un determinato sito entro un dato periodo di tempo è chiamata pericolosità sismica o vulcanica. Poichè i terremoti e le eruzioni sono fenomeni caratteristici di determinate regioni, dette rispettivamente sismiche e vulcaniche, nelle quali si ripetono nel corso del tempo, per la determinazione della pericolosità di una regione è essenziale conoscerne in primo luogo la storia sismica e vulcanica. Per l'Italia questo è possibile grazie alla documentazione scritta dei fenomeni distruttivi che hanno colpito il nostro territorio negli ultimi duemila anni e più .
Lo studio dei fenomeni geofisici è effettuato tramite modelli matematici che riproducono il comportamento dei sistemi fisici ove tali fenomeni si manifestano. I modelli si avvalgono delle teorie fisiche che descrivono i fenomeni considerati, come la teoria dell'elasticità, la meccanica dei fluidi, la fisica dello stato solido, la termodinamica, le teorie della gravità e dell'elettromagnetismo. Tramite i modelli matematici, è possibile ad esempio simulare gli scenari più probabili che si presenteranno come conseguenza dell'attivazione di una sorgente sismica o vulcanica e valutare la pericolosità di un sito rispetto all'evento considerato.
Le potenzialità di applicazione di queste metodologie nel nostro Paese sono vastissime. L'Italia possiede il più rilevante patrimonio storico-artistico del mondo, con oltre duemila centri storici classificati di elevato valore culturale. Per la diffusa urbanizzazione del territorio e per la tipologia prevalente delle costruzioni esistenti, caratterizzate da notevole vulnerabilità, si può affermare che l'Italia è caratterizzata da una pericolosità sismica e vulcanica moderate, ma da un rischio sismico e vulcanico elevati. La salvaguardia delle vite umane e del patrimonio edilizio richiede interventi sistematici per la riduzione dei rischi naturali (principalmente sismico, vulcanico e idrogeologico), un'impresa che necessita di grandi risorse umane ed economiche e che deve prendere le mosse da una valutazione accurata del rischio cui ciascun sito è sottoposto.
La Terra è un corpo eterogeneo, costituito da materia in vari stati di aggregazione (solido, liquido, gassoso), in condizioni di temperatura e di pressione che crescono verso il centro del pianeta, dove raggiungono rispettivamente parecchie migliaia di gradi e oltre tre milioni di atmosfere (300 GPa). La Terra è stratificata: è composta da un nucleo interno solido e da un nucleo esterno liquido, formati prevalentemente da ferro; da un mantello formato da silicati e da una sottile crosta superficiale, avente uno spessore medio di 35 km. La densità della Terra solida cresce da circa 3000 kg/m3 alla superficie terrestre fino a 13000 kg/m3 al centro del pianeta. La composizione e le condizioni di temperatura e pressione determinano il comportamento reologico della Terra, cioè la maniera in cui le diverse regioni del pianeta rispondono agli sforzi: il mantello si comporta come un corpo viscoelastico, mentre lo strato esterno della Terra (chiamato litosfera) è elastico e fragile. La litosfera è frammentata in una dozzina di grandi placche e molte placche minori, che sono in lento movimento l'una rispetto all'altra. La superficie terrestre è coperta per la maggior parte da acqua allo stato liquido (idrosfera) o solido (criosfera) ed è circondata da un involucro gassoso (atmosfera), la cui densità e pressione decrescono verso l'esterno.
La Terra produce due fondamentali campi di forze: il campo gravitazionale e il campo magnetico. Inoltre non è un sistema chiuso, ma riceve energia e materia dallo spazio esterno: è sottoposta all'azione di campi di forze gravitazionali da parte del Sole e degli altri corpi del sistema solare (prevalentemente la Luna) ed elettromagnetiche (radiazione solare); riceve dallo spazio un continuo flusso di materia (meteoriti, vento solare, raggi cosmici). L'interazione tra il campo magnetico terrestre e il vento solare dà origine alla magnetosfera, una regione che si estende per decine di migliaia di chilometri attorno alla Terra.
Il motore dell'attività terrestre è il calore presente all'interno del pianeta. Esso risale in parte all'epoca della formazione della Terra, in parte è generato dal decadimento degli isotopi radioattivi presenti nelle rocce. Il calore produce i movimenti convettivi del nucleo che sono all'origine del campo magnetico e il lento moto di convezione nel mantello che causa il moto delle placche litosferiche. Questo moto, che ha una velocità media di alcuni centimetri all'anno, origina il processo noto come tettonica delle placche, responsabile dell'orogenesi e dell'attività sismica e vulcanica. I terremoti sono onde elastiche che si propagano nella Terra come conseguenza del movimento di grandi fratture, chiamate faglie. I vulcani sono aperture della crosta terrestre attraverso le quali fuoriesce il magma, materiale che si forma in profondità per fusione parziale delle rocce. Terremoti ed eruzioni vulcaniche esplosive, quando avvengono in prossimità dei mari o degli oceani, generano i maremoti, perturbazioni che si propagano sulla superficie degli oceani come onde di gravità e, giungendo sulle coste, possono raggiungere altezze di decine di metri, con un grande potere distruttivo.
L'interno della Terra è sostanzialmente inaccessibile: il pozzo più profondo che sia stato perforato ha raggiunto la profondità di circa 20 km, un trecentesimo del raggio della Terra. Ciò comporta che le nostre conoscenze debbano essere dedotte esclusivamente tramite l'osservazione dei fenomeni superficiali: non solo di quelli più appariscenti, come terremoti ed eruzioni, ma anche delle lente variazioni dei parametri fisici rilevanti, come gli spostamenti e le deformazioni del suolo, il campo gravitazionale, la temperatura e il flusso di calore, il campo magnetico. Lo studio della Terra solida richiede pertanto un controllo continuo della superficie terrestre, che può essere effettuato tramite reti strumentali appropriate. La misura e lo studio dei movimenti della superficie terrestre sia a breve che a lungo termine sono realizzati dalla geodesia, tramite tecniche che oggi ricorrono sempre più all'impiego dei satelliti artificiali, come l'SLR (Satellite Laser Ranging), il GPS (Global Positioning System) e il SAR (Synthetic Aperture Radar), grazie alle quali si possono apprezzare spostamenti del suolo con velocità dell'ordine dei millimetri/anno. Grazie alla radar-altimetria da satellite, è possibile monitorare costantemente l'innalzamento del livello medio del mare sia a scala globale che regionale, con precisione millimetrica: queste osservazioni sono importanti per studiare l'impatto ambientale del cambiamento climatico globale. La gravimetria costituisce un metodo indipendente, rispetto alle tecniche spaziali, per la stima dei movimenti crostali verticali. Le variazioni di quota desunte dalla combinazione di misure assolute e relative di gravità, effettuate con gravimetri di ultima generazione (a semiconduttore) sono confrontabili, in termini di precisione (subcentimetrica), con quelle ottenute dall'analisi dei dati spaziali. La misura delle oscillazioni del suolo connesse ai terremoti è effettuata tramite reti sismometriche, insiemi di stazioni di registrazione dotate di strumenti (sismometri) uguali e sincronizzati, facenti capo a un unico centro di controllo, raccolta ed elaborazione dei dati.
La Fisica terrestre riveste un ruolo preminente nella valutazione dei cosiddetti rischi naturali, in particolare quelli che derivano dall'azione della Terra solida sull'uomo e sull'ambiente antropizzato, come terremoti e bradisismi, eruzioni vulcaniche, maremoti, frane, subsidenza. Se consideriamo come esempio i terremoti e le eruzioni vulcaniche, la probabilità che un simile evento colpisca un determinato sito entro un dato periodo di tempo è chiamata pericolosità sismica o vulcanica. Poichè i terremoti e le eruzioni sono fenomeni caratteristici di determinate regioni, dette rispettivamente sismiche e vulcaniche, nelle quali si ripetono nel corso del tempo, per la determinazione della pericolosità di una regione è essenziale conoscerne in primo luogo la storia sismica e vulcanica. Per l'Italia questo è possibile grazie alla documentazione scritta dei fenomeni distruttivi che hanno colpito il nostro territorio negli ultimi duemila anni e più .
Lo studio dei fenomeni geofisici è effettuato tramite modelli matematici che riproducono il comportamento dei sistemi fisici ove tali fenomeni si manifestano. I modelli si avvalgono delle teorie fisiche che descrivono i fenomeni considerati, come la teoria dell'elasticità, la meccanica dei fluidi, la fisica dello stato solido, la termodinamica, le teorie della gravità e dell'elettromagnetismo. Tramite i modelli matematici, è possibile ad esempio simulare gli scenari più probabili che si presenteranno come conseguenza dell'attivazione di una sorgente sismica o vulcanica e valutare la pericolosità di un sito rispetto all'evento considerato.
Le potenzialità di applicazione di queste metodologie nel nostro Paese sono vastissime. L'Italia possiede il più rilevante patrimonio storico-artistico del mondo, con oltre duemila centri storici classificati di elevato valore culturale. Per la diffusa urbanizzazione del territorio e per la tipologia prevalente delle costruzioni esistenti, caratterizzate da notevole vulnerabilità, si può affermare che l'Italia è caratterizzata da una pericolosità sismica e vulcanica moderate, ma da un rischio sismico e vulcanico elevati. La salvaguardia delle vite umane e del patrimonio edilizio richiede interventi sistematici per la riduzione dei rischi naturali (principalmente sismico, vulcanico e idrogeologico), un'impresa che necessita di grandi risorse umane ed economiche e che deve prendere le mosse da una valutazione accurata del rischio cui ciascun sito è sottoposto.
7.1 Meccanica delle faglie
Personale dell'Università: M. Bonafede, M.E. Belardinelli
Personale Enti di Ricerca: M. Cocco, A. Bizzarri (INGV)
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: A. Antonioli, E. Rivalta, F. Zencher
La meccanica delle faglie consente di descrivere i fenomeni che avvengono durante un terremoto alla "sorgente". Un terremoto perturba lo stato di sforzo del mezzo circostante ed altera la probabilità di occorrenza dei successivi terremoti sulle faglie vicine (sorgenti secondarie). Per descrivere il comportamento delle sorgenti secondarie bisogna tener conto anche della presenza di fluidi nelle rocce crostali che possono ridurre la soglia di sforzo per l'innesco di un terremoto. Abbiamo sviluppato modelli di evoluzione della pressione e della temperatura dei fluidi crostali. Altri studi hanno riguardato la distribuzione temporale dello sforzo creato da un terremoto e degli eventi successivi in funzione delle condizioni di attrito sulle sorgenti secondarie. Questi studi sono applicati a diverse regioni sismiche del mondo.
Personale Enti di Ricerca: M. Cocco, A. Bizzarri (INGV)
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: A. Antonioli, E. Rivalta, F. Zencher
La meccanica delle faglie consente di descrivere i fenomeni che avvengono durante un terremoto alla "sorgente". Un terremoto perturba lo stato di sforzo del mezzo circostante ed altera la probabilità di occorrenza dei successivi terremoti sulle faglie vicine (sorgenti secondarie). Per descrivere il comportamento delle sorgenti secondarie bisogna tener conto anche della presenza di fluidi nelle rocce crostali che possono ridurre la soglia di sforzo per l'innesco di un terremoto. Abbiamo sviluppato modelli di evoluzione della pressione e della temperatura dei fluidi crostali. Altri studi hanno riguardato la distribuzione temporale dello sforzo creato da un terremoto e degli eventi successivi in funzione delle condizioni di attrito sulle sorgenti secondarie. Questi studi sono applicati a diverse regioni sismiche del mondo.
7.2 Il ruolo dei fluidi di poro nel meccanismo delle sequenze sismiche
Personale dell'Università: M. Dragoni, A Piombo
E' generalmente accettato che le sequenze sismiche avvengono a causa dell'interazione tra differenti segmenti di faglia. Il trasferimento dello sforzo cosismico prodotto da ciascuna dislocazione è il principale responsabile di questa interazione. Tuttavia gli intervalli di tempo tra eventi successivi indicano che lo sforzo cosismico non è sufficiente da solo ad innescare altri eventi sismici. La ricerca in oggetto studia la possibilità che il campo di sforzo cosismico induca un flusso dei fluidi di poro in grado di indurre una variazione nel tempo del campo di sforzo nella zona considerata. La velocità del flusso dipende dal gradiente di pressione e dalla permeabilità del mezzo. Consideriamo un mezzo poroso e elastico e studiamo sotto quali condizioni la variazione della pressione di poro, dovuta alla dislocazione su una faglia, può determinare una diminuzione dell'attrito su faglie adiacenti, tale da determinare su di esse ulteriori scorrimenti.
E' generalmente accettato che le sequenze sismiche avvengono a causa dell'interazione tra differenti segmenti di faglia. Il trasferimento dello sforzo cosismico prodotto da ciascuna dislocazione è il principale responsabile di questa interazione. Tuttavia gli intervalli di tempo tra eventi successivi indicano che lo sforzo cosismico non è sufficiente da solo ad innescare altri eventi sismici. La ricerca in oggetto studia la possibilità che il campo di sforzo cosismico induca un flusso dei fluidi di poro in grado di indurre una variazione nel tempo del campo di sforzo nella zona considerata. La velocità del flusso dipende dal gradiente di pressione e dalla permeabilità del mezzo. Consideriamo un mezzo poroso e elastico e studiamo sotto quali condizioni la variazione della pressione di poro, dovuta alla dislocazione su una faglia, può determinare una diminuzione dell'attrito su faglie adiacenti, tale da determinare su di esse ulteriori scorrimenti.
7.3 Studio dei processi geodinamici nell'area Mediterranea con metodologia "Global Positioning System"
Personale dell'Università: P. Baldi, M. Bacchetti
Personale Enti di Ricerca (INGV): M. Anzidei, G. Casula, A. Pesci, E. Serpelloni
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: N. Cenni
Le tecniche geodetiche spaziali consentono di determinare con precisione sub-centimetrica la posizione relativa di punti posti anche a grande distanza (100-1000 Km); è quindi possibile fornire vincoli quantitativi alla modellistica geodinamica di aree complesse come quella Mediterranea, e determinare parametri quale l'entità della deformazione tettonica che può venire direttamente correlata all'attività sismica ed alla sua evoluzione temporale. L'area Mediterranea è dominata dalla collisione delle placche Africana ed Arabica con quella Euroasiatica; questa interazione, caratterizzata da velocità relative dell'ordine del centimetro all'anno, porta ad una grande frammentazione delle strutture litosferiche ed a una forte sismicità concentrata su fasce ben definite. La possibilità di utilizzare la tecnica GPS (Global Positioning System), caratterizzata da bassi costi di gestione ed altissime precisioni stà fornendo in questi ultimi anni un contributo risolutivo per studi a scala locale e regionale del campo di deformazione crostale.
Personale Enti di Ricerca (INGV): M. Anzidei, G. Casula, A. Pesci, E. Serpelloni
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: N. Cenni
Le tecniche geodetiche spaziali consentono di determinare con precisione sub-centimetrica la posizione relativa di punti posti anche a grande distanza (100-1000 Km); è quindi possibile fornire vincoli quantitativi alla modellistica geodinamica di aree complesse come quella Mediterranea, e determinare parametri quale l'entità della deformazione tettonica che può venire direttamente correlata all'attività sismica ed alla sua evoluzione temporale. L'area Mediterranea è dominata dalla collisione delle placche Africana ed Arabica con quella Euroasiatica; questa interazione, caratterizzata da velocità relative dell'ordine del centimetro all'anno, porta ad una grande frammentazione delle strutture litosferiche ed a una forte sismicità concentrata su fasce ben definite. La possibilità di utilizzare la tecnica GPS (Global Positioning System), caratterizzata da bassi costi di gestione ed altissime precisioni stà fornendo in questi ultimi anni un contributo risolutivo per studi a scala locale e regionale del campo di deformazione crostale.
7.4 Studio dell'interazione a lungo termine tra terremoti
Personale dell'Università: E. Boschi
Personale Enti di Ricerca (INGV): W. Marzocchi, L.Faenza, L. Sandri, L. Maccarelli, J. Selva
In ambito sismologico si discute della possible esistenza di un accoppiamento tra terremoti sia nello spazio sia nel tempo. Abbiamo simulato l'interazione cosismica e postsismica in una Terra sferica e viscoelastica. Il modello stima il campo di sforzo indotto da terremoti lontani in regioni particolari della superficie terrestre e gli effetti su semplici sistemi di faglie. I risultati indicano che una zona sismica può interagire significativamente con altre regioni sismiche, lontane fino a 1000 km. Abbiamo applicato il modello ad alcune evidenze nella sismicità del Sud-California di possibili interazioni a lungo termine. L'assunto, su cui si basano gli studi di pericolosità sismica, per il quale le zone sismiche si comportano come sistemi isolati e stazionari, sembra quindi che debba essere riconsiderato.
Personale Enti di Ricerca (INGV): W. Marzocchi, L.Faenza, L. Sandri, L. Maccarelli, J. Selva
In ambito sismologico si discute della possible esistenza di un accoppiamento tra terremoti sia nello spazio sia nel tempo. Abbiamo simulato l'interazione cosismica e postsismica in una Terra sferica e viscoelastica. Il modello stima il campo di sforzo indotto da terremoti lontani in regioni particolari della superficie terrestre e gli effetti su semplici sistemi di faglie. I risultati indicano che una zona sismica può interagire significativamente con altre regioni sismiche, lontane fino a 1000 km. Abbiamo applicato il modello ad alcune evidenze nella sismicità del Sud-California di possibili interazioni a lungo termine. L'assunto, su cui si basano gli studi di pericolosità sismica, per il quale le zone sismiche si comportano come sistemi isolati e stazionari, sembra quindi che debba essere riconsiderato.
7.5 Analisi dei dati sismici storici e recenti
Personale dell'Università: P. Gasperini
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: B. Lolli
Personale di altri Enti di Ricerca: G. Vannucci (INGV)
Si tratta di ricerche fortemente finalizzate alla valutazione del rischio sismico in Italia. In particolare, è stato realizzato uno studio sulle proprietà delle sequenze sismiche che ha evidenziato significative variazioni regionali delle caratteristiche di occorrenza. Sono stati tracciati dei nomogrammi che permettono, in funzione della magnitudo e del tempo trascorso dalla scossa principale, la previsione della frequenza delle repliche per le future sequenze. E' stato inoltre costruito un database di meccanismi focali dei terremoti italiani e mediterranei tratti dalla letteratura E' stata controllata la consistenza dei parametri pubblicati e sono stati formulati criteri di scelta da utilizzare nel caso sia disponibile più di una soluzione focale per uno stesso terremoto. Tale database è stato utilizzato nell'ambito della recente iniziativa dell'INGV per la revisione della zonazione sismica italiana. E' stata infine completata un'analisi di tipo tomografico sull'andamento delle proprietà di propagazione delle onde sismiche in Italia attraverso il database di osservazioni macrosismiche. Nonostante la natura empirica e non quantitativa dei dati di base utilizzati (intensità Mercalli), i risultati mostrano un ottimo accordo con proprietà fisiche osservabili come il flusso di calore superficiale e le anomalie gravimetriche.
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: B. Lolli
Personale di altri Enti di Ricerca: G. Vannucci (INGV)
Si tratta di ricerche fortemente finalizzate alla valutazione del rischio sismico in Italia. In particolare, è stato realizzato uno studio sulle proprietà delle sequenze sismiche che ha evidenziato significative variazioni regionali delle caratteristiche di occorrenza. Sono stati tracciati dei nomogrammi che permettono, in funzione della magnitudo e del tempo trascorso dalla scossa principale, la previsione della frequenza delle repliche per le future sequenze. E' stato inoltre costruito un database di meccanismi focali dei terremoti italiani e mediterranei tratti dalla letteratura E' stata controllata la consistenza dei parametri pubblicati e sono stati formulati criteri di scelta da utilizzare nel caso sia disponibile più di una soluzione focale per uno stesso terremoto. Tale database è stato utilizzato nell'ambito della recente iniziativa dell'INGV per la revisione della zonazione sismica italiana. E' stata infine completata un'analisi di tipo tomografico sull'andamento delle proprietà di propagazione delle onde sismiche in Italia attraverso il database di osservazioni macrosismiche. Nonostante la natura empirica e non quantitativa dei dati di base utilizzati (intensità Mercalli), i risultati mostrano un ottimo accordo con proprietà fisiche osservabili come il flusso di calore superficiale e le anomalie gravimetriche.
7.6 Studio in laboratorio della fagliazione sismica
Personale dell'Università: F. Mulargia
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: S. Castellaro, M. Ciccotti
Immancabilmente, il verificarsi di un terremoto catastrofico richiama all'attenzione l'incapacità della Scienza di prevedere questi fenomeni. Il motivo è da ricercare da una parte nella natura complessa del fenomeno, che è l'esito di molti processi non lineari concomitanti, con un grande numero di variabili in gioco e, dall'altra, dal fatto che la zona sorgente non è accessibile. Basandosi sul fatto che una delle caratteristiche fenomenologiche fondamentali sembra essere l'autosimilarità, appare possibile studiare il problema in dimensioni ridotte in laboratorio, sotto condizioni controllate. In questo ambito abbiamo sviluppato e applicato una procedura efficace per misurare la presenza autosimilarità e un metodo accurato di misura dei parametri di frattura. Nel nostro Laboratorio di meccanica delle Rocce si studia la fisica della rottura in una roccia, di solito il Calcare Massiccio, che è quella che si incontra più di frequente in zona sismica focale nell'Appennino. Si segue la propagazione della rottura acquisendo e identificando con procedure automatiche i microepicentri, nè più e nè meno di come avviene per un terremoto reale, tranne che per il fatto che tutto avviene su scale temporali e spaziali più piccole di molti ordini di grandezza.
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: S. Castellaro, M. Ciccotti
Immancabilmente, il verificarsi di un terremoto catastrofico richiama all'attenzione l'incapacità della Scienza di prevedere questi fenomeni. Il motivo è da ricercare da una parte nella natura complessa del fenomeno, che è l'esito di molti processi non lineari concomitanti, con un grande numero di variabili in gioco e, dall'altra, dal fatto che la zona sorgente non è accessibile. Basandosi sul fatto che una delle caratteristiche fenomenologiche fondamentali sembra essere l'autosimilarità, appare possibile studiare il problema in dimensioni ridotte in laboratorio, sotto condizioni controllate. In questo ambito abbiamo sviluppato e applicato una procedura efficace per misurare la presenza autosimilarità e un metodo accurato di misura dei parametri di frattura. Nel nostro Laboratorio di meccanica delle Rocce si studia la fisica della rottura in una roccia, di solito il Calcare Massiccio, che è quella che si incontra più di frequente in zona sismica focale nell'Appennino. Si segue la propagazione della rottura acquisendo e identificando con procedure automatiche i microepicentri, nè più e nè meno di come avviene per un terremoto reale, tranne che per il fatto che tutto avviene su scale temporali e spaziali più piccole di molti ordini di grandezza.
7.7 Modelli di terremoti secondo la fisica dei sistemi complessi.
Personale dell'Università: F. Mulargia
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: S. Castellaro, M. Ciccotti
La fenomenologia dei terremoti è caratterizzata da una dinamica complessa che l'approccio sismologico classico, basato la meccanica di continui, non riesce a spiegare. Di fatto, quest'ultima riesce a spiegare correttamente soltanto il campo di radiazione elastica a grande distanza. Tutto il resto, a cominciare dalla distribuzione dei terremoti in grandezza sino alla loro proprietà di clustering a tutte le scale temporali e spaziali, è caratterizzato da leggi a potenza. Sotto certe assunzioni, questo comportamento può essere studiato con la termodinamica dei sistemi fuori dall'equilibrio allo stato critico, nei quali un terremoto è visto come una transizione di fase. Questi modelli sono altamente non-lineari e basati su algoritmi ad automa cellulare. Ne abbiamo sviluppato una classe in grado di riprodurre tutta la fenomenologia dei terremoti con il minimo possibile di assunzioni. Abbiamo anche sviluppato un modello termodinamico di terremoto partendo dalla sua equazione dell'energia. Questa risulta composto da tre stadi distinti: il primo, in cui un piccolo scorrimento ad alto attrito genera un forte aumento di temperatura locale, il secondo, in cui l'onda di calore si propaga scaldando l'acqua interstiziale ed espandendola sino a ridurre drasticamente l'attrito attorno ai punti di contatto della faglia, il terzo, in cui avviene lo scorrimento veloce a basso attrito che genera le onde sismiche.
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: S. Castellaro, M. Ciccotti
La fenomenologia dei terremoti è caratterizzata da una dinamica complessa che l'approccio sismologico classico, basato la meccanica di continui, non riesce a spiegare. Di fatto, quest'ultima riesce a spiegare correttamente soltanto il campo di radiazione elastica a grande distanza. Tutto il resto, a cominciare dalla distribuzione dei terremoti in grandezza sino alla loro proprietà di clustering a tutte le scale temporali e spaziali, è caratterizzato da leggi a potenza. Sotto certe assunzioni, questo comportamento può essere studiato con la termodinamica dei sistemi fuori dall'equilibrio allo stato critico, nei quali un terremoto è visto come una transizione di fase. Questi modelli sono altamente non-lineari e basati su algoritmi ad automa cellulare. Ne abbiamo sviluppato una classe in grado di riprodurre tutta la fenomenologia dei terremoti con il minimo possibile di assunzioni. Abbiamo anche sviluppato un modello termodinamico di terremoto partendo dalla sua equazione dell'energia. Questa risulta composto da tre stadi distinti: il primo, in cui un piccolo scorrimento ad alto attrito genera un forte aumento di temperatura locale, il secondo, in cui l'onda di calore si propaga scaldando l'acqua interstiziale ed espandendola sino a ridurre drasticamente l'attrito attorno ai punti di contatto della faglia, il terzo, in cui avviene lo scorrimento veloce a basso attrito che genera le onde sismiche.
7.8 Fisica del vulcanismo
Personale dell'Università: M. Bonafede, M.E. Belardinelli
Personale Enti di Ricerca: C. Giunchi, S. Cianetti (INGV) Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: E. Rivalta, E. Trasatti
Il magma si differenzia lentamente all'interno delle rocce del mantello terrestre e, per la sua minore densità, tende a risalire verso la superficie attraverso fratture che si aprono nelle fredde rocce crostali e ad accumularsi in serbatoi (camere magmatiche) prossimi alla superficie. La presenza di discontinuità nelle proprietà elastiche delle rocce causa la comparsa di notevoli alterazioni dello stato di sforzo, che possono rendere conto delle complessità dei fenomeni sismici caratteristici delle zone vulcaniche. Le deformazioni del suolo che si verificano in concomitanza con eventi intrusivi sono inoltre fortemente sensibili alla struttura anelastica delle regioni vulcaniche; in quest'ambito trovano applicazione diversi modelli matematici analitici e numerici basati sulla meccanica dei mezzi continui. Infine, la ridistribuzione delle masse che accompagna un evento di intrusione magmatica è responsabile di variazioni del campo di gravità, la cui interpretazione fornisce vincoli utili a determinare la massa di magma immesso, la geometria del serbatoio e le proprietà reologiche del mezzo circostante.
Personale Enti di Ricerca: C. Giunchi, S. Cianetti (INGV) Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: E. Rivalta, E. Trasatti
Il magma si differenzia lentamente all'interno delle rocce del mantello terrestre e, per la sua minore densità, tende a risalire verso la superficie attraverso fratture che si aprono nelle fredde rocce crostali e ad accumularsi in serbatoi (camere magmatiche) prossimi alla superficie. La presenza di discontinuità nelle proprietà elastiche delle rocce causa la comparsa di notevoli alterazioni dello stato di sforzo, che possono rendere conto delle complessità dei fenomeni sismici caratteristici delle zone vulcaniche. Le deformazioni del suolo che si verificano in concomitanza con eventi intrusivi sono inoltre fortemente sensibili alla struttura anelastica delle regioni vulcaniche; in quest'ambito trovano applicazione diversi modelli matematici analitici e numerici basati sulla meccanica dei mezzi continui. Infine, la ridistribuzione delle masse che accompagna un evento di intrusione magmatica è responsabile di variazioni del campo di gravità, la cui interpretazione fornisce vincoli utili a determinare la massa di magma immesso, la geometria del serbatoio e le proprietà reologiche del mezzo circostante.
7.9 Sviluppo ed applicazione di tecniche di telerilevamento per il monitoraggio di aree soggette a deformazioni.
Personale dell'Università: P. Baldi, M. Bacchetti, C. Guidi
Personale Enti di Ricerca (INGV): A. Pesci, F. Loddo
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: M. Fabris, P. Durante
Negli ultimi anni l'utilizzo di tecniche di telerilevamento per lo studio dei vulcani e della loro attività è cresciuta significativamente, grazie alla disponibilità di nuovi sensori. Le immagini acquisite da piattaforme aeree e satellitari rappresentano uno strumento molto efficace per la ricostruzione dettagliata della morfologia delle zone vulcaniche attraverso la generazione di modelli digitali del terreno; la ricostruzione periodica del modello tridimensionale della superficie di aree caratterizzate da instabilità, può essere utilizzata per monitorare le deformazioni del suolo e le variazioni morfologiche. Fra le diverse tecniche attualmente disponibili, la fotogrammetria aerea o da satellite risulta senza dubbio quella che meglio soddisfa le esigenze di precisione, rapidità di rilievo, completezza dell'informazione e capacità di intervento su aree, come quelle vulcaniche, generalmente non direttamente accessibili. Questa ed altre metodologie di misura, quali l'utilizzo del GPS cinematico, il "Laser Scanning" ed altro vengono testate ed applicate nell'ambito di attività di controllo di aree vulcaniche italiane e versanti in frana.
Personale Enti di Ricerca (INGV): A. Pesci, F. Loddo
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: M. Fabris, P. Durante
Negli ultimi anni l'utilizzo di tecniche di telerilevamento per lo studio dei vulcani e della loro attività è cresciuta significativamente, grazie alla disponibilità di nuovi sensori. Le immagini acquisite da piattaforme aeree e satellitari rappresentano uno strumento molto efficace per la ricostruzione dettagliata della morfologia delle zone vulcaniche attraverso la generazione di modelli digitali del terreno; la ricostruzione periodica del modello tridimensionale della superficie di aree caratterizzate da instabilità, può essere utilizzata per monitorare le deformazioni del suolo e le variazioni morfologiche. Fra le diverse tecniche attualmente disponibili, la fotogrammetria aerea o da satellite risulta senza dubbio quella che meglio soddisfa le esigenze di precisione, rapidità di rilievo, completezza dell'informazione e capacità di intervento su aree, come quelle vulcaniche, generalmente non direttamente accessibili. Questa ed altre metodologie di misura, quali l'utilizzo del GPS cinematico, il "Laser Scanning" ed altro vengono testate ed applicate nell'ambito di attività di controllo di aree vulcaniche italiane e versanti in frana.
7.10 Modelli termo-fluidodinamici delle colate di lava
Personale dell'Università: M. Dragoni, A. Piombo
Personale degli Enti di ricerca: I. Borsari, F. Quareni (INGV)
La lava è un sistema multifase ad elevata temperatura, chimicamente eterogeneo, che si comporta come un fluido non newtoniano e, durante l'effusione, è soggetto a un processo di raffreddamento che ne modifica in maniera continua le proprietà fisiche. Le proprietà reologiche della lava sono fortemente dipendenti dalla temperatura e hanno un ruolo fondamentale nel determinare la dinamica delle colate. La ricerca in oggetto riguarda lo studio dei flussi con reologia di Bingham in canali a sezione rettangolare, con inclinazione costante rispetto al piano orizzontale. I modelli consentono di valutare il campo di velocità all'interno di una colata di lava e le dimensioni della regione indeformata, caratteristica dei flussi di Bingham. La distribuzione di temperatura nella colata viene studiata considerando i diversi processi (conduzione, convezione, irraggiamento) che determinano gli scambi termici tra la lava e l'ambiente. La ricerca è effettuata in collaborazione con l'Università di Bari.
Personale degli Enti di ricerca: I. Borsari, F. Quareni (INGV)
La lava è un sistema multifase ad elevata temperatura, chimicamente eterogeneo, che si comporta come un fluido non newtoniano e, durante l'effusione, è soggetto a un processo di raffreddamento che ne modifica in maniera continua le proprietà fisiche. Le proprietà reologiche della lava sono fortemente dipendenti dalla temperatura e hanno un ruolo fondamentale nel determinare la dinamica delle colate. La ricerca in oggetto riguarda lo studio dei flussi con reologia di Bingham in canali a sezione rettangolare, con inclinazione costante rispetto al piano orizzontale. I modelli consentono di valutare il campo di velocità all'interno di una colata di lava e le dimensioni della regione indeformata, caratteristica dei flussi di Bingham. La distribuzione di temperatura nella colata viene studiata considerando i diversi processi (conduzione, convezione, irraggiamento) che determinano gli scambi termici tra la lava e l'ambiente. La ricerca è effettuata in collaborazione con l'Università di Bari.
7.11 Modelli dinamici di frane in ambiente subaereo e marino e modelli di maremoti
Personale dell'Università: S. Tinti.
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: A. Armigliato, A. Manucci, G. Pagnoni, R. Tonini, F. Zaniboni.
Lo studio della dinamica delle frane è di grande importanza per la conoscenza del territorio e per le implicazioni socio-economiche. La ricerca ha posto l'attenzione sulla modellistica numerica, cioè sullo sviluppo di programmi per il calcolo della stabilità dei versanti e della dinamica delle frane ed anche sullo sviluppo di programmi per la simulazione delle onde marine (maremoti) generati da frane che si staccano in prossimità di bacini (mare o laghi). Particolare impegno ha richiesto lo studio dei maremoti che hanno colpito Stromboli il 30 dicembre 2002 a seguito di due episodi di distacco dal fianco nord-occidentale del vulcano di un volume complessivo di circa 20-25 milioni di metri cubi di roccia. Tempi di arrivo e ampiezza delle onde calcolate mediante i modelli numerici si accordano molto bene con le osservazioni. Oltre che da frane i maremoti possono essere generati da terremoti sottomarini e da eruzioni vulcaniche. Lo studio dei maremoti nel Mediterraneo ed in particolare nei mari italiani ha lo scopo di stimare la distribuzione e importanza delle sorgenti e di valutare gli effetti per orientare politiche di mitigazione dei rischi.
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: A. Armigliato, A. Manucci, G. Pagnoni, R. Tonini, F. Zaniboni.
Lo studio della dinamica delle frane è di grande importanza per la conoscenza del territorio e per le implicazioni socio-economiche. La ricerca ha posto l'attenzione sulla modellistica numerica, cioè sullo sviluppo di programmi per il calcolo della stabilità dei versanti e della dinamica delle frane ed anche sullo sviluppo di programmi per la simulazione delle onde marine (maremoti) generati da frane che si staccano in prossimità di bacini (mare o laghi). Particolare impegno ha richiesto lo studio dei maremoti che hanno colpito Stromboli il 30 dicembre 2002 a seguito di due episodi di distacco dal fianco nord-occidentale del vulcano di un volume complessivo di circa 20-25 milioni di metri cubi di roccia. Tempi di arrivo e ampiezza delle onde calcolate mediante i modelli numerici si accordano molto bene con le osservazioni. Oltre che da frane i maremoti possono essere generati da terremoti sottomarini e da eruzioni vulcaniche. Lo studio dei maremoti nel Mediterraneo ed in particolare nei mari italiani ha lo scopo di stimare la distribuzione e importanza delle sorgenti e di valutare gli effetti per orientare politiche di mitigazione dei rischi.
7.12 Tecniche spaziali e gravimetriche per lo studio delle deformazioni della crosta terrestre e del livello medio del mare
Personale dell'Università: S. Zerbini, M. Bacchetti, C. Guidi., C. Romagnoli
Personale Enti di Ricerca: F. Raicich (Istituto Sperimentale Talassografico, CNR, Trieste)
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: F. Matonti
E' di importanza cruciale misurare con alta precisione e monitorare su lungo periodo i movimenti verticali della crosta terrestre in aree soggette a subsidenza, in particolare, in quelle zone dove un contributo antropico si sovrappone a quello naturale. Nel corso degli ultimi otto anni abbiamo sviluppato una rete GPS permanente (CGPS) costituita da cinque stazioni (Medicina, Bologna, Porto Corsini, Trieste e Loiano). L'analisi dei dati consente la stima di soluzioni giornaliere per le quote delle stazioni con un errore associato di pochi mm. Il CGPS fornisce una informazione continua e questo rende possibile correlare e modellare le fluttuazioni stagionali osservate nelle quote delle stazioni con quelle presenti nelle serie di diversi parametri ambientali. Infatti, la variabilità stagionale della pressione atmosferica, dell'idrologia, e delle componenti oceaniche non mareali inducono variazioni di carico sulla crosta terrestre che si manifestano come variazioni di quota. A Medicina, un gravimetro a superconduttore (SG) acquisisce dati in continuo ed è periodicamente controllato mediante misure assolute di gravità . Il confronto tra le serie temporali CGPS ed SG consente di validare la stima sia delle variazioni lineari che della variabilità stagionale.
Personale Enti di Ricerca: F. Raicich (Istituto Sperimentale Talassografico, CNR, Trieste)
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: F. Matonti
E' di importanza cruciale misurare con alta precisione e monitorare su lungo periodo i movimenti verticali della crosta terrestre in aree soggette a subsidenza, in particolare, in quelle zone dove un contributo antropico si sovrappone a quello naturale. Nel corso degli ultimi otto anni abbiamo sviluppato una rete GPS permanente (CGPS) costituita da cinque stazioni (Medicina, Bologna, Porto Corsini, Trieste e Loiano). L'analisi dei dati consente la stima di soluzioni giornaliere per le quote delle stazioni con un errore associato di pochi mm. Il CGPS fornisce una informazione continua e questo rende possibile correlare e modellare le fluttuazioni stagionali osservate nelle quote delle stazioni con quelle presenti nelle serie di diversi parametri ambientali. Infatti, la variabilità stagionale della pressione atmosferica, dell'idrologia, e delle componenti oceaniche non mareali inducono variazioni di carico sulla crosta terrestre che si manifestano come variazioni di quota. A Medicina, un gravimetro a superconduttore (SG) acquisisce dati in continuo ed è periodicamente controllato mediante misure assolute di gravità . Il confronto tra le serie temporali CGPS ed SG consente di validare la stima sia delle variazioni lineari che della variabilità stagionale.
7.13 Rilassamento isostatico post glaciale del mantello terrestre con reologia composita.
Personale dell'Università: E. Boschi, P. Gasperini
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: G. Dal Forno
La grande maggioranza dei lavori di modellazione del rilassamento isostatico post glaciale, seguito allo scioglimento circa 10,000 anni fa degli scudi glaciali pleistocenici, assume una relazione reologica puramente lineare (Newtoniana) nonostante le misure di laboratorio sulla deformazione per creep ad alta temperatura e la modellazione di altri processi geodinamici (come la convezione) sembrerebbero preferire meccanismi di tipo non lineare (a legge di potenza). Abbiamo affrontato il rilassamento del Nord America, attraverso un modello agli elementi finiti, inizialmente assisimmetrico e successivamente tridimensionale, che utilizza una legge reologia composita (lineare piu' non lineare). Nel primo caso abbiamo verificato che tutti i modelli compositi sono in grado di riprodurre l'evoluzione del livello marino relativo negli ultimi 8 Ka meglio di un modello puramente lineare. Nel secondo caso e' comunque possibile ricavare modelli compositi che forniscono prestazioni significativamente migliori (in senso statistico) del modello lineare. Sulla base dello sforzo di taglio effettivo indotto nel mantello dallo scioglimento glaciale (1-3 MPa), i nostri risultati indicano che il creep non lineare a legge di potenza e' il meccanismo prevalente nel mantello.
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: G. Dal Forno
La grande maggioranza dei lavori di modellazione del rilassamento isostatico post glaciale, seguito allo scioglimento circa 10,000 anni fa degli scudi glaciali pleistocenici, assume una relazione reologica puramente lineare (Newtoniana) nonostante le misure di laboratorio sulla deformazione per creep ad alta temperatura e la modellazione di altri processi geodinamici (come la convezione) sembrerebbero preferire meccanismi di tipo non lineare (a legge di potenza). Abbiamo affrontato il rilassamento del Nord America, attraverso un modello agli elementi finiti, inizialmente assisimmetrico e successivamente tridimensionale, che utilizza una legge reologia composita (lineare piu' non lineare). Nel primo caso abbiamo verificato che tutti i modelli compositi sono in grado di riprodurre l'evoluzione del livello marino relativo negli ultimi 8 Ka meglio di un modello puramente lineare. Nel secondo caso e' comunque possibile ricavare modelli compositi che forniscono prestazioni significativamente migliori (in senso statistico) del modello lineare. Sulla base dello sforzo di taglio effettivo indotto nel mantello dallo scioglimento glaciale (1-3 MPa), i nostri risultati indicano che il creep non lineare a legge di potenza e' il meccanismo prevalente nel mantello.