A cosa serve studiare una faglia attiva: pericolosità sismica e fagliazione

A cosa serve studiare una faglia attiva

Nelle lezioni precedenti è stato possibile vedere come l'accumulo di stress, in aree crostali a comportamento reologico fragile, può generare la rottura di porzioni di crosta lungo piani discreti, definiti appunto faglie. Queste fratture costituiscono dei piani di debolezza preferenziali dove avviene il rilascio dello stress che si accumula in aree tettonicamente attive. I terremoti (e i movimenti cosismici) tendono a ripetersi, per questioni di convenienza energetica, sempre negli stessi piani. Una faglia rimarrà dunque attiva fintanto che la sua disposizione nello spazio sarà orientata secondo l'attuale campo di stress e fintanto che le forze che generano lo stress rimarranno attive.

Trasferendo questa trattazione, di pertinenza geologica, ad un piano più puramente applicativo abbiamo adesso le basi per poter descrivere i principali fenomeni geologici correlati all'attività di una faglia.

Partiamo dal presupposto che una faglia si definisce attiva (da un punto di vista ingegneristico) quando è in grado di generare terremoti in un futuro di interesse sociale.

Per semplicità, si definisce attiva quella faglia associata ad una sorgente sismogenetica. La sorgente sismogenetica non è altro che uno schema di parametrizzazione che permette di associare ad una faglia (attiva o potenzialmente attiva) una magnitudo massima attesa sulla base di tutta una serie di parametri (cinematici, geologici e strumentali), acquisiti nel tempo.

Ma per quale motivo si studiano le faglie attive?

A questa domanda, sicuramente complessa, si può rispondere in maniera apparentemente semplice. Studiamo una faglia attiva per definirne il comportamento, o il fault behaviour, termine preso in prestito dalla letteratura inglese che sta ad indicare cosa è in grado di fare o produrre una faglia, in termini di potenziale sismogenetico e di effetti primari e secondari.Definire il comportamento attuale di una faglia ha infatti due principali aspetti applicativi:

1. Ci consente di stimare la probabilità di occorrenza di un evento sismico (terremoto) in una data regione.

Questo aspetto è incentrato principalmente sulla definizione della pericolosità sismica, ovvero la probabilità che un fenomeno sismico si possa verificare in un dato intervallo di tempo e con una determinata intensità. Questo aspetto è di rilevanza primaria nella costruzione di qualsiasi tipo di opera ingegneristica. La resistenza che un'opera oppone ad una sollecitazione sismica è infatti definita sulla base di un terremoto di progetto (o magnitudo massima attesa in termini di accelerazione al suolo, vedere spettri di risposta). Per studiare questo si redigono delle carte di pericolosità sismica, che vedremo più approfonditamente nelle prossime lezioni.

1. Ci consente di analizzare il rischio da fagliazione di superficie, ovvero il rischio che il movimento di un piano di faglia provochi la deformazione permanente del suolo.

Questo è particolarmente utile in termini di pianificazione territoriale. Conoscendo il rigetto massimo atteso ad un piano di faglia per un'attivazione cosismica sarà possibile progettare un'opera affinché "assorba" determinati spostamenti.

Entrano in gioco dunque due aspetti: una faglia può sia provocare terremoti (e dunque spostamento del suolo), sia rompere la superficie topografica.

Ma quali faglie producono la rottura in superficie?

Ma non tutte le faglie attive sono in grado di provocare fagliazione di superficie.

Le faglie che dislocano la superficie sono una sottocategoria di faglie attive definite faglie capaci, ovvero quelle faglie in grado di provocare dislocazione cosismica istantanea e permanente della superficie topografica.

Questa definizione è particolarmente utile e si applica bene nel contesto applicativo dell'ingegneria civile ed ambientale.L'esigenza di definire questa sottocategoria di faglie nasce negli Stati uniti dove l'utilizzo di metodologie potenzialmente ad alto rischio per la produzione di energia ha imposto un regolamento molto restrittivo per la localizzazione di siti idonei per ubicare questi impianti.

Nel territorio italiano (dove generalmente lo strato sismogenetico della crosta continentale dell'Appennino centrale non supera i 15 km) la soglia di magnitudo minima per avere fagliazione di superficie è Mw 5.5. Questo accade perché se si considera il comportamento reologico fragile della crosta in questo settore di penisola è proprio di circa 15-20 km. Per questo motivo è possibile stimare in maniera empirica che per magnitudo minori di 5.5 non avviene fagliazione (fig. 1). Questa soglia è quella genericamente tipica nei settori di crosta dove si ha estensione crostale. A seconda della tipologia di faglie (normali, inverse e trascorrenti) vi sono relazioni empiriche che correlano la Mw con lo spostamento atteso per evento. Per Mw uguali a 6 si ha un massimo di 30 cm di rigetto (per 4 km di rottura in pianta), per arrivare ad un massimo di 20 m per terremoti di Mw 9.

1 20 m >300,000 sq. km 1000 km 9 10m 300 km 200,000 sq. km 8 Earthquake moment magnitude (Mw) 413m € 80 km 7- 40,000 sq. km 1 m 18 km 4,000 sq. km 6 0.3 m 4 km 300 sq. km Threshold zone 5 Lower limit for rock failures Lower limit for soil slides 4 No Geologic Evidence Lower limit for falls 3 No geologic evidence 2 PRIMARY EVIDENCE (Example = Surface faulting) SECONDARY EVIDENCE (Example = area affected bv landslides) Figura 1. In ordinate sono rappresentati differenti valori di Mw. Nella parte sinistra dello schema sono riportate le magnitudo oltre le quali è possibile che si provochi fagliazionedi superficie. Al di sotto di 5 non possibile il verificarsi di eventi di fagliazione superficiale, tra 5 e 5.5, vi è la soglia del danno, oltre 5.5 si generano scarpate che vanno dai pochi cm (0,3 per Mw di circa 6), alla decina di metri. Nella parte destra sono esposte le soglie oltre le quali è possibile il verificarsi di effetti secondari (frane in roccia o terra/detrito), unitamente all'estensione dell'areale in cui è possibile il verificarsi di evidenze secondarie (frane, liquefazioni ecc.) (Da McCalpin, 2009)

Faglie attive e tettonica attiva

Una faglia si può definire attiva quando può produrre movimenti in un futuro di interesse sociale. L'espressione futuro di interesse sociale sottolinea infatti la necessita di definire queste faglie nell'ottica dell'analisi della pericolosità in un contesto ingegneristico e progettuale (sia in termini di effetti di scuotimento che effetti cosismici in superficie).

Tuttavia, una faglia, per essere definita attiva, deve ricadere ed essere inquadrata all'interno del quadro più complesso della tettonica attiva, ovvero essere sottoposto ad un campo di stress che ne consente il movimento.

Ma come è possibile definire se la tettonica è attiva e se si muoverà dunque in un futuro di interesse sociale?

Sia nella definizione di presente attività tettonica che nella definizione di interesse sociale, appare chiaro che risulta fondamentale il concetto di tempo.

Il vincolo temporale, ovvero gli intervalli di tempo per stabilire l'attività di una faglia (e.g. una faglia è attiva se ha avuto almeno un movimento negli ultimi 40.000 anni), risulta il metodo più pratico e cautelativo per stabilire se una faglia potrà attivarsi nuovamente.

Facendo una review delle principali pubblicazioni scientifiche e di regolamenti di centrali nucleari o impianti ad elevato rischio è possibile vedere delle terminologie e dei vincoli che si ripetono spesso.

• Vediamo che si definiscono attive le faglie che si sono mosse in epoca storica.

Questo consente sicuramente di avere una prova certa dell'attività ma non garantisce una mappatura completa. Basti pensare infatti che i tempi di ritorno (elapsed time o recurrencies time) per grandi terremoti possono essere superiori ai 2000 anni, epoca dalla quale non è possibile reperire fonti scritte.

• Vengono spesso definite attive quelle faglie che, su base paleosismologica (paleosismologia > disciplina che studia la localizzazione, l'intensità e i tempi di ricorrenza dei terremoti del passato in ottica di definirne l'attività futura), mostrano almeno un movimento negli ultimi 40.000 anni.

Questo numero non è casuale. 40.000 anni è il limite massimo di affidabilità del metodo 14C, ovvero il principale metodo di datazione dei terreni che contengono residui di materia organica. La validità dei 40.000 anni è comunque dimostrata dal fatto che in questo intervallo di tempo una faglia attiva dovrebbe aver esaurito diversi cicli sismici.

• Si è mossa in un range temporale recente per cui sono disponibili adeguate informazioni cronologiche basate sulle attuali conoscenze geologiche e geomorfologiche.

Su questo argomento torneremo in seguito poiché si tratta della base e dell'ausilio che la geologia può dare allo studio dei terremoti.

• È caratterizzata da attività quaternaria.

Abbiamo visto che in ogni caso questi vincoli temporali non sono univoci e sono spesso vincolati a conoscenze storiche, strumentali o di datazione (fig. 2).

9 8 I Neotectonics Magnitude NON TANTO 7 1 0 Palaeoseismicity Archaeoseismicity Historical documents Old instruments Modern instruments Local seismic networks 100 1000 10 000 100 000 YearsFigura 2. In ordinata sono presenti le Mw, in ascisse degli intervalli temporali in anni. Le linee (a differente tratteggio, verticali) rappresentano gli intervalli temporali investigabili con le differenti metodologie conosciute per identificare terremoti del passato. Sono inoltre rappresentate (con le linee orizzontali o sub-orizzontali) le soglie di magnitudo minime per la validità di una determinata metodologia.

Ma, a parte la differenza di strumenti e di fonti, da cosa è dovuta questa variabilità temporale?

Vediamo che per quanto riguarda le centrali nucleari il limite temporale può oscillare tra i 10.000 e i 50.000 anni (e.g. United States Nuclear Research Council, 2010).

Per quanto riguarda invece gli atti volti alla pianificazione del territorio e la difesa del suolo i limiti variano da paese a paese. In California (dove i ratei di movimento delle faglie tassi di movimento del suolo espressi in millimetri per anno, sono molto più elevati che da noi per la corrispondenza con il margine trasforme che separa la placca Nord Americana dalla placca Pacifica) i vincoli temporali sono di 11.000 anni (vedi Alquist Priolo Fault Zoning Act, legge che impedisce di costruire o ricostruire in aree edificate a poca distanza dall'espressione in superficie di una faglia attiva e capace) o 40.000 anni nel caso della regolamentazione italiana (Indirizi e Criteri per la Microzonazione Sismica, 2008).

Ma cosa è legata questa differenza in termini di età?

Un concetto chiave ancorché cautelativo che ci fornisce indicazioni in merito alle differenze in ambito di vincoli temporali è quello di attuale regime sismotettonico (o regime tettonico attuale).

Questo concetto è ben espresso nella review di Slemmond e Mckinney (1977) dove analizzando regolamenti e bibliografie in merito al tema si evince che aree differenti della terra hanno regimi tettonici differenti che si manifestano attraverso differenti ratei di movimento (movimenti crostali espressi in millimetri per anno). Analogamente Muir Wood e Mallard (1992) definiscono estinta (o