Earthquake predictions in Italy by probabilistic approaches: main limitations

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1 Earthquake predictions in Italy by probabilistic approaches: main limitations M. Viti 1, N. Cenni 2, D. Babbucci 1, E. Mantovani 1 (1) Dipartimento di Scienze Fisiche, della Terra e dell Ambiente, Università di Siena (2) Dipartimento di Scienze Biologiche, Geologiche e Ambientali, Università di Bologna

2 Obiettivi della previsione dei terremoti - verifica delle ipotesi sui meccanismi di sismogenesi - riduzione del rischio sismico e gestione delle emergenze Tipo di previsioni - a breve termine (settimane-giorni) - a lungo termine (anni) - eventi principali, potenzialmente distruttivi (M>5)

3 Ricerca delle anomalie sistematiche di precursori fisici - emissione di gas (radon) - anomalie idrologiche (temperatura, livello piezometrico) - anomalie atmosferiche (temperatura, ionizzazione) - fenomeni elettromagnetici (campi magnetici ULF, campi elettrici HF-LF- VLF- ELF, resistività) - deformazioni superficiali (strain e strain rate, misure geodetiche: GPS, InSAR) - variazioni dell attività sismica (foreshock e sciami sismici, terremoti lenti) Nessun precursore affidabile è stato sinora individuato (e.g., Cicerone et alii, 2009) Possibilità che non esistano fenomeni precursori (e.g., Geller et alii, 1997)

4 Procedure probabilistiche -studio statistico dell attività sismica (e.g., Vere-Jones, 1995; 2006): distribuzione di frequenza Gutenberg-Richter, relazione di Omori per le aftershock -varietà di modelli probabilistici adottati (terremoti casuali, stress renewal, interazione tra le sorgenti sismiche, zonazione sismotettonica, e.g., Tiampo e Shcherbakov, 2012) - la stima della probabilità di forti terremoti futuri deriva dall analisi della storia sismica Problemi generali delle previsioni probabilistiche Recenti tentativi di previsione per la regione italiana

5 Significato della probabilità di terremoti futuri -le varie interpretazioni della probabilità (classica, frequentista, soggettiva) presentano delle difficoltà quando applicate alla previsione dei terremoti (e.g., Marzocchi e Zechar, 2011) - nel caso dell interpretazione frequentista, la verifica della previsione comporterebbe tempi di osservazione lunghissimi, pari a molti intervalli di previsione consecutivi Freedman e Stark, 2003: Indeed, the models cannot be tested on a human time scale, so there is little reason to believe the probability estimates Making sense of earthquake forecasts is difficult, in part because standard interpretations of probability are inadequate. A model-based interpretation is better, but lacks empirical justification. Furthermore, probability models are only part of the forecasting machinery. Philosophical difficulties aside, the numerical probability values seem rather arbitrary.

6 Disponibilità di cataloghi di terremoti accurati, completi ed estesi nel tempo -le informazioni sui terremoti forti della regione italiana si riducono all ultimo millennio (e.g., Rovida et alii, 2011). Il catalogo è verosimilmente completo solo per gli ultimi secoli -se la cinematica delle placche è relativamente lenta, sarebbe necessaria la conoscenza di parecchi millenni della storia sismica Swafford e Stein, 2008: Attempts to study earthquake recurrence in space and time are limited by the short history of instrumental seismology compared to the long and variable recurrence time of large earthquakes. As a result, apparent concentrations and gaps in seismicity and hence seismic hazard within a seismic zone, especially where deformation rates are slow (<10 mm/yr), are likely to simply reflect the short earthquake record.

7 Livello di conoscenza delle sorgenti sismogenetiche -varie zonazioni sismiche del territorio nazionale (e.g., Meletti et alii, 2000, 2008; Basili et alii, 2008; DISS Working Group, 2009) - eventi sismici recenti hanno attivato sorgenti non riportate negli archivi disponibili al momento Valensise (2009): Sorprendentemente, la Faglia di Paganica era nota alle compilazioni a carattere geologico tradizionale ma non era stata proposta come attiva e potenzialmente sismogenetica nei lavori di sintesi scaturiti dalle attività del GNDT.Il terremoto ha preso alla sprovvista anche il database DISS il quale, basandosi sull ampia letteratura esistente per l Appennino abruzzese, aveva proposto l esistenza di un corridoio sismogenetico Norcia-Ovindoli-Barrea (una Composite Source, nella terminologia di DISS). Questo corridoio prediceva abbastanza bene la cinematica e l orientazione della sorgente sismica, ma ne mancava di alcuni chilometri la localizzazione. Mulargia (2013): As a result, the series of the recurrence times estimated from palaeoseismology and geology is found to be statistically incompatible with the series of the time intervals elapsed since last events. Such an incompatibility stands for a number of active seismogenic sources one order of magnitude larger than the number of sources which produced historic and instrumental earthquakes. In practice, this implies that only 1 of the 10 future Mw 5.5 earthquakes will be a recurrence of an event reported in the Italian seismic catalogs.

8 La previsione probabilistica in Italia La Commissione internazionale sulla previsione dei terremoti, costituita all indomani del terremoto dell Aquila, ha concluso che Qualsiasi informazione circa l accadimento futuro di terremoti contiene larghe incertezze e, pertanto, può essere valutata e fornita solo in termini di probabilità. La previsione probabilistica dei terremoti può trasmettere informazioni sull accadimento futuro di terremoti su varie scale temporali, che vanno dal lungo termine (anni o decadi) al breve termine (mesi o meno). (Jordan et alii, 2009) La regione italiana è una delle zone di riferimento del CSEP (Schorlemmer et al., 2010)

9 L esperimento CSEP -Previsione a breve termine (giornaliere) e a lungo termine (5-10 anni dal 2009) - Differenti modelli di previsione: ALM (Gulia et alii, 2010) ASS (Werner et al., 2010) DBM-ETAS (Lombardi e Marzocchi, 2010a,b) ETES, ERS e LTST (Falcone et al., 2010) HAZGRID (Akynci, 2010) LASSCI2009 (Pace et al., 2010) PHM (Faenza e Marzocchi, 2010) RI (Nanjo, 2010) STEP (Woessner et alii, 2010) TripleS (Zechar e Jordan, 2010) - Schema dell esperimento, rappresentazione dei risultati e procedure di validazione definite dal CSEP (Schorlemmer et al., 2010)

10 Double Branching Model (DBM, Lombardi e Marzocchi, 2010a) -L intervallo di previsione di 5 anni (1/8/ /7/2014) è appena trascorso, consentendo il confronto tra previsioni e sismicità reale - Si tratta di uno sviluppo della procedura ETAS (Epydemic-Type Afterhock Sequence), molto diffusa ed applicata a vari contesti sismotettonici (e.g., Ogata, 1988, 2011) -Nell approccio ETAS, un terremoto può essere innescato da eventi precedenti e costituire un innesco per scosse successive. La sismicità può essere sia spontanea, sia indotta dai terremoti già avvenuti. Il calcolo della probabilità di scosse future tiene conto di entrambe le possibilità -Gli algoritmi DBM tengono conto dell influenza dei processi a lungo termine (possibilmente legati ad interazioni tra le faglie), che agiscono accanto alle concentrazioni (clustering) di scosse osservate nel breve termine e di cui le scosse di replica sono l esempio tipico - La procedura DBM è stato applicata al catalogo sismico italiano opportunamente filtrato (declustered), per togliere le sequenze sismiche chiaramente di replica ai terremoti principali - i risultati ottenuti sono riportati come probabilità dei terremoti superficiali (h<30 km) con M 4.5 in celle di 0.1 x 0.1 per intervalli di 5 e 10 anni dall Agosto 2009

11 La stima della probabilità per celle di area esigua determina una immagine distribuita della sismicità attesa, di non semplice interpretazione - I valori di probabilità sono dappertutto molto piccoli (da 10-3 a 10-6)

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13 - Nelle aree a probabilità più elevata non sono avvenute scosse significative - La massima probabilità di terremoti forti è assegnata all Appennino abruzzese, dove non si sono registrate scosse con M 4.5 (e.g.,

14 - Eventi di magnitudo 4.5 M 5 sono avvenuti in aree di bassa probabilità (Tirreno meridionale, Campania, Lazio meridionale) - Scosse significative avvenute in Toscana, nelle Marche e soprattutto nel Modenese- Ferrarese (Maggio 2012), non ricadono nelle aree di probabilità più elevata

15 - I risultati della procedura DBM-ETAS dipendono strettamente dai numerosi parametri del modello stocastico. L affidabilità delle elaborazioni perseguite a scala nazionale è messa in dubbio dalla necessità di parametrizzazioni locali: Secondly, some of the ETAS parameters can vary with space. This means that some parameters that were estimated for the whole territory or for a small region might be significantly different. (Lombardi e Marzocchi, 2010b) - Nella procedura ETAS si nota l assenza dei meccanismi fisici di interazione tra le faglie. Secondo tale approccio la capacità di un terremoto di innescare altre scosse in un dato sito dipende unicamente dalla sua magnitudo e dalla distanza dal punto considerato, mediante relazioni empiriche tratte dallo studio delle aftershock - Non sono considerati i processi co-sismici e post-sismici di perturbazione dello stato di sforzo (e.g., Freed, 2005), il meccanismo focale della scossa innescante, e la geometria e cinematica della faglia che potrebbe essere attivata - La parte di probabilità che deriva dai cosiddetti terremoti spontanei non tiene conto delle informazioni disponibili sul quadro sismotettonico (e.g., Lombardi e Marzocchi, 2010b) - Gran parte dei problemi rilevati per gli algoritmi ed i risultati della procedura DBM- ETAS interessano anche gli altri tentativi di previsione dell esperimento CSEP

16 Conclusioni - La previsione a lungo termine dei terremoti attraverso approcci probabilistici presenta varie limitazioni - L interpretazione della probabilità dei terremoti è ancora dibattuta - L ipotesi che le scosse future possano essere previste mediante modelli probabilistici è fortemente indebolita dalla limitata estensione temporale dei cataloghi sismici - Spesso gli algoritmi probabilistici trascurano aspetti fondamentali dei processi sismogenetici, come l interazione delle faglie e la perturbazione post-sismica dello sforzo e della deformazione - L uso pratico dei risultati è reso complicato dai valori generalmente molto bassi di probabilità

17 - I recenti tentativi di previsione perseguiti per la regione italiana presentano una scarsa corrispondenza tra la distribuzione spaziale della probabilità e l ubicazione delle scosse principali avvenute nell intervallo temporale considerato -L identificazione delle zone più vicine all attivazione sismica può essere perseguita mediante approcci differenti, come la metodologia deterministica elaborata per la regione italiana (Mantovani et al., 2009, 2010, 2012, 2014; Viti et al., 2011, 2012, 2013) - Tale metodo è basato sull ipotesi che la sismicità sia strettamente connessa allo sviluppo dei processi tettonici, controllati dalla interazione tra la placca adriatica e le catene orogeniche circostanti (Ellenidi, Dinaridi, Alpi, Appennini ed Arco calabro)

18 Grazie per l attenzione