Domenico Caccamo / Sebastiano D Amico / Caterina Laganà Francesco Parrillo / Fabio Massimilano Barbieri. Elementi di fisica della terra solida

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3 Domenico Caccamo / Sebastiano D Amico / Caterina Laganà Francesco Parrillo / Fabio Massimilano Barbieri Elementi di fisica della terra solida

4 Copyright MMV ARACNE editrice S.r.l. via Raffaele Garofalo, 133 A/B Roma (06) ISBN I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell Editore. I edizione: aprile 2005

5 Indice 1 Struttura interna della Terra 1.1 Introduzione Crosta Mantello Litosfera ed astenosfera Nucleo 15 2 Dinamica della litosfera 2.1 Teoria della tettonica a zolle Margini delle placche 20 3 I fenomeni sismici 3.1 Distribuzione dei terremoti Magnitudo dei terremoti Intensità dei terremoti 26 4 Onde sismiche e loro propagazione 4.1 Introduzione Modelli di velocità 31 5 Metodi di localizzazione 5.1 Introduzione Localizzazioni grafiche Alcuni metodi iterativi per la localizzazione dei terremoti. Esempi di algoritmi: metodo di Geger e metodo EVM Generalità sui metodi di localizzazione ad elevata precisione Metodo di Console e Di Giovambattista Metodo di Fremont e Malone 55 6 Geotomografia sismica 6.1 Principi generali 58 5

6 7 La determinazione dei meccanismi focali 7.1 Fratturazione delle rocce Processi di dislocazione La determinazione dei meccanismi focali La risoluzione delle ambiguità tra i due piani nodali La rappresentazione grafica dei meccanismi focali Metodi analitici per il calcolo del meccanismo focale Limiti del metodo dei primi impulsi 91 8 Il tensore degli sforzi 8.1 Introduzione Calcolo del tensore degli sforzi Rappresentazione grafica degli assi principali di sforzo Mezzo omogeneo e non fratturato Mezzo prefratturato Una procedura per il calcolo dell orientazione di max Esempi di nuovi sviluppi sulla previsione dei terremoti 9.1 Introduzione Studio della sequenza della Nuova Guinea Del 29/04/1996: implicazioni per la previsione delle forti repliche (Caccamo et al., 2004) Analisi di parametri sismici: applicazioni alla 9.4 sequenza di Taiwan del 20/09/1999 (Caccamo et al., 2004) 127 Appendice A Scala Mercalli accettata dalla Società Sismologica Italiana nel Appendice B Scala Percalli-Cancani-Sieberg

7 Appendice C Scala compilata da S. Medved, W. Sphonauer e V. Karnik (MSK) 138 Bibliografia 141 7

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9 Presentazione I terremoti non sono episodi sporadici e casuali, ma avvengono continuamente sul pianeta Terra. Per molti il terremoto è ancora un fenomeno misterioso e soprattutto da temere in relazione agli effetti che esso può provocare. Solo negli ultimi cento anni la sismologia è diventata un obiettivo rigorosamente scientifico. Innumerevoli sono state le scoperte che hanno permesso di conoscere la struttura interna del pianeta Terra e la spiegazione di molti fenomeni che fino a poco tempo fa erano frutto di speculazioni e non avevano una soddisfacente spiegazione dal punto di vista delle teorie fisiche. Il presente volume è mirato ad una miglior comprensione del sistema fisico Terra ed in particolare allo studio dei terremoti nel loro complesso ed alla possibile previsione di questi grandi fenomeni. Il libro si rivolge a coloro intendano approfondire nel dettaglio alcuni concetti nel campo della Fisica della Terra Solida. È particolarmente indicato per studenti del corso di Laurea in Fisica o altri corsi di Laurea affini in cui è previsto tale insegnamento. Nel firmare, mi rivolgo a tutti i lettori affinché segnalino gli errori e le incertezze da loro riscontrate. Ringrazio inoltre i miei collaboratori che hanno partecipato alla stesura del presente libro perché questo lavoro rappresenta, in un contesto sociale spesso povero, un momento di ricchezza, di affetto e di collaborazione. Domenico Caccamo 9

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11 Capitolo 1 Struttura interna della Terra 1.1 Introduzione È molto difficile studiare l interno del nostro pianeta tramite osservazioni dirette soprattutto a causa delle enormi difficoltà tecnologiche e pratiche (si pensi, ad esempio, che il raggio terrestre misura circa 6370 km ). La Geofisica, e la Sismologia in particolare, si occupano dello studio della Terra nel suo insieme. La Sismologia è una branca delle Scienze Naturali che si è sviluppata, in maniera sistematica, a partire dagli inizi del XX secolo. Essa ha dato il maggior contributo alla conoscenza della struttura interna della Terra, grazie allo studio delle onde sismiche. I terremoti, infatti, hanno permesso la comprensione di molteplici informazioni riguardanti la struttura del pianeta Terra. In prima approssimazione, la Terra è suddivisa in tre gusci concentrici: crosta, mantello e nucleo, (fig. 1.1) ma, da un esame più dettagliato, risulta notevolmente più complessa. Figura 1.1 Schematizzazione della struttura interna della Terra 11

12 Tale suddivisione, di tipo prettamente geologico, è definita in base alla composizione chimica dei materiali nei tre gusci. Esiste però un altro criterio per descrivere la stratificazione interna della Terra, basato sullo stato fisico dei materiali. Secondo quest ultima descrizione gli strati di maggiore interesse sono litosfera e astenosfera (vedi fig. 1.2). Figura 1.2 Possibili suddivisioni dell interno della Terra 1.2 Crosta È la parte più esterna del pianeta. Il suo spessore varia tra 5 e 15 km sotto gli oceani e tra 30 e 40 km sotto i continenti con massimi di circa km in corrispondenza delle grandi catene montuose (fig. 1.3). Figura 1.3 Crosta terrestre 12

13 La sua composizione è molto eterogenea, infatti la sua densità varia da 3 2,7 g / cm per le rocce granitiche, che costituiscono la maggior parte 3 della crosta continentale, a circa 3g / cm per la crosta oceanica, costituita principalmente da uno strato di sedimenti che ricopre prodotti vulcanici basaltici. La crosta è separata dal mantello da una superficie di discontinuità nota come discontinuità di Mohorovici c (Moho). In corrispondenza della Moho si hanno dei cambiamenti bruschi riguardanti principalmente la densità dei materiali e la velocità delle onde sismiche. 1.3 Mantello Il mantello costituisce la maggior parte della Terra in termini di volume e massa (circa l 83% e circa il 68% rispettivamente). È delimitato superiormente dalla discontinuità di Mohorovicic ed inferiormente dalla discontinuità di Gutenberg che si trova ad una profondità di circa 3000 km (fig. 1.2) e segna la separazione dal nucleo. È possibile suddividere il mantello in due strati: mantello superiore e mantello inferiore. Tra il mantello superiore ed inferiore vi è la presenza di una discontinuità posta ad una profondità di circa km. La parte superiore ha una densità di circa 3,3g / cm e quella del 3 3 mantello inferiore aumenta da 3,3g / cm fino a circa 5,6g / cm nella zona più profonda. Data l impossibilità pratica di raggiungere direttamente il mantello le informazioni sulla sua composizione e sul suo stato si ricavano essenzialmente da differenti approcci quali, ad esempio, distribuzione di velocità delle onde sismiche, analisi su campioni di roccia formatasi nel mantello e risalita nella crosta terrestre e studi a carattere sperimentale condotti in laboratorio ad alte pressioni e temperature sui possibili materiali costituenti tale strato. 13

14 1.4 Litosfera ed astenosfera La distinzione tra crosta e mantello, partendo dalla Moho, non è più ritenuta di primaria importanza per comprendere la dinamica dei fenomeni geologici sulla superficie terrestre. La Moho, infatti, corrisponde ad una discontinuità principalmente di tipo chimico tra crosta e mantello. Dal punto di vista dinamico la parte del mantello che sta subito al di sotto di questa discontinuità è collegata in modo rigido alla crosta sovrastante e forma con essa una struttura unica, che è indicata col nome di litosfera. I materiali che costituiscono la litosfera si comportano in modo prevalentemente rigido. Il suo spessore è diverso nelle aree oceaniche e in quelle continentali. Nelle prime raggiunge profondità di circa 70 km mentre sotto i continenti raggiunge profondità, in media, di circa 100 km (fig. 1.4). In generale, i terremoti avvengono nella parte più alta della litosfera, a comportamento più fragile. Al di sotto della litosfera è presente una zona duttile, parzialmente fusa, detta astenosfera. I sismologi indicano questa zona come Low Velocity Zone (LVZ) in quanto, all interno di essa, le onde sismiche vengono significativamente rallentate. L astenosfera si estende fino a circa 250 km di profondità e il suo limite inferiore è marcato dall aumento di velocità delle onde sismiche. L astenosfera può deformarsi plasticamente, può fluire lentamente e inarcarsi verso l alto per effetto di ampi moti convettivi. Figura 1.4 Rappresentazione dell interno della Terra considerando litosfera ed astenosfera 14

15 1.5 Nucleo La discontinuità di Gutenberg segna il passaggio tra mantello e nucleo. Quest ultimo, presenta caratteristiche differenti rispetto al primo, e si estende fino al centro della Terra. Esso costituisce circa il 16% del volume terrestre. È diviso anch esso in due strati: uno interno e uno esterno (fig. 1.2), entrambi a composizione piuttosto omogenea caratterizzata da leghe di ferro e nichel e separati da una superficie di discontinuità denominata superficie di Lehman, posta ad una profondità di circa 2500 km. I dati sismici indicano che il materiale della parte più esterna del nucleo ha le caratteristiche di un fluido, mentre la parte più interna ha le caratteristiche di un mezzo solido che rimane tale fino al centro della Terra. 15