CORRELAZIONE A GRANDE DISTANZA DELLA SISMICITÀ DELL'APPENNINO

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1 A. Megna e S. Barba Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia Roma CORRELAZIONE A GRANDE DISTANZA DELLA SISMICITÀ DELL'APPENNINO Riassunto. L obiettivo di questo lavoro è di verificare se la sismicità in Italia è correlata a grande distanza, come suggerito dall accadimento contemporaneo di terremoti lenti e di sequenze sismiche ordinarie negli Appennini. A tal fine si è considerata la sismicità strumentale registrata nel periodo dalla Rete Sismica Nazionale Centralizzata, selezionando gli eventi di bassa magnitudo 2.5 M 3.5 e di profondità inferiore a 25 km. Nell area esaminata è stata considerata una griglia di celle quadrate di 30 km e, in ogni cella, l intero periodo di osservazione diviso in intervalli di tempo di 3 mesi. Sono state determinate le matrici di correlazione tra gli eventi localizzati in ogni cella con quelli delle rimanenti celle, ed in seguito si è calcolata la loro media per ridurre l influenza dei valori casuali. In tal modo le aree in cui vi è un massimo di correlazione media possono avere una relazione eventualmente basata su cause fisiche. Diversi test sono stati eseguiti per accertare la stabilità e affidabilità dei risultati. Sono state evidenziate due ampie aree di massima correlazione: 1) gli Appennini Centrali e 2) l arco Calabro-Sicilia. SEISMICITY CORRELATION AT LONG DISTANCES IN THE APENNINES Abstract. This work aims at understanding if seismicity in Italy is correlated across large distances, as the contemporaneous occurrence of slow earthquakes and ordinary seismic sequences in the Apennines, Italy, may suggest. Italy is characterized by slow deformation, therefore, the low magnitude seismicity is to be considered. The Italian instrumental seismicity recorded in the by the Italian Telemetered Seismic Network was analyzed. Only events shallower than 25 km whose magnitude is 2.5 M 3.5 were considered. The examined area was divided into 30 km square cells. The whole observation period was divided in time intervals of 3 months, and the correlation matrix among events located in every cell was computed. In order to reduce the influence of random high values, all the correlation matrices were stacked and averaged. In this way, areas, which show maxima of average correlation, may have a correlation possibly based on physical grounds. Tests were made to assess stability and statistical significance of the results. Two large areas of maximum correlation have been evidenced: 1) the Central Apennines and 2) the Calabrian Arc-Sicily. INTRODUZIONE Molti studi recenti hanno mostrato che l'accadimento di un forte terremoto, lungo una determinata faglia, può variare il tasso di sismicità nelle aree limitrofe. Altri lavori inoltre mostrano che la sismicità è debolmente correlata a grandi distanze (Albarello e Bonafede, 1990). Quest ultima correlazione a grande distanza può essere mascherata dall'influenza delle faglie limitrofe o dalle fluttuazioni statistiche, rendendola quindi difficile da osservare. Recentemente, l'accadimento contemporaneo (1 settimana ca.) di terremoti lenti e di sequenze sismiche ordinarie negli Appennini ha suggerito l'esistenza di un meccanismo di "causa comune" su scala regionale (Crescentini et al., 1999). L obiettivo di questo lavoro è di verificare se la sismicità "ordinaria" italiana sia sensibile all'effetto di un tale meccanismo, o meglio se anch'essa sia correlata a grandi distanze. L'intero territorio italiano è interessato da deformazioni che possono essere definite "piccole". Dato ciò, se un meccanismo di "causa comune" esiste, esso dovrà

2 influenzare soprattutto la sismicità di bassa magnitudo. D'altra parte, la sismicità di bassa magnitudo è anche quella maggiormente interessata dai fenomeni a noi meno noti, che possono evidenziarsi come fluttuazioni casuali. Nella situazione ideale si dovrà quindi considerare la sismicità di bassa magnitudo, utilizzando un metodo per ridurre le variazioni casuali. IL METODO È stata analizzata la sismicità strumentale italiana registrata nel periodo gennaio 1987-settembre 2001 dalla Rete Sismica Nazionale Centralizzata, selezionando gli eventi con una profondità inferiore a 25 km e di magnitudo compresa tra 2.5 e 3.5. Nel periodo in esame il tipo di strumentazione è rimasto lo stesso, e la copertura della rete può essere approssimativamente considerata uniforme. Questa ipotesi ci permette di confrontare i risultati per diversi intervalli di tempo. I dati, inoltre, sono completi per valori di magnitudo maggiori di 2.4 (Megna et al., 2000). In tutto il lavoro viene considerata la magnitudo di durata o, se è presente, la magnitudo locale. L area esaminata è stata divisa in celle quadrate di 30 km di lato. Si è scelto 30 km poiché tale misura è confrontabile con la lunghezza delle maggiori faglie sismogenetiche (Valensise e Pantosti, 2001) e con la spaziatura tra diverse serie parallele di faglie (Basili, 1999). Per calcolare il tasso di sismicità in ogni cella, il periodo di tempo di osservazione è stato diviso in intervalli temporali T=3 mesi. Sono state quindi costruite le matrici di correlazione C pqrs tra il tasso di sismicità di ogni cella (p,q) con quello di tutte le altre (r,s). Fig. 1 - Andamento del tasso di sismicità in funzione del tempo per diverse celle lungo gli Appennini Settentrionali, Centrali e Meridionali, e in Sicilia; in differenti aree la sismicità appare clusterizzata intorno ad un mainshock di una importante sequenza.

3 I valori della correlazione dipendono dall andamento del tasso di sismicità nel tempo; vi sono due aspetti importanti che influenzano la correlazione: la presenza o l assenza di cluster nella sismicità e l occorrenza di cluster contemporanei (nello stesso T) in celle diverse. Entrambi i fattori inducono ad aumentare (sismicità diffusa o contemporaneità di cluster) o ad abbassare (sismicità clusterizzata e casualità di cluster) la correlazione. In molte aree lungo gli Appennini e in Sicilia la sismicità presenta dei cluster in corrispondenza delle più importanti sequenze avvenute lungo l arco Appenninico (Fig. 1), come Potenza M 5.5 (1990) e Colfiorito M 5.9 (1997). Solo in poche celle la sismicità è diffusa o quantomeno stazionaria. Da notare, inoltre, che gli eventi avvenuti lungo l arco Appenninico esterno, come Porto S. Giorgio M 4.8 (1987) e Faenza M 4.5 (2000), non presentano correlazione con il tasso di sismicità delle altre aree. Le differenti caratteristiche tra la fascia appenninica e la zona di sovrascorrimento è sistematica e si riscontra sia nelle mappe di correlazione che, come vedremo oltre, nella correlazione media. In quest'ultima, infatti, i valori più alti di correlazione giacciono lungo la catena, mentre le celle che si trovano lungo l arco Appennino esterno sono poco correlate con altre aree. Per ridurre l influenza delle fluttuazioni casuali dei valori di correlazione si sono sommati tutti i valori di C pqrs e calcolata la media ottenendo la matrice D pq (Fig. 2). I valori maggiori si osservano 1) nella catena Appenninica, 2) nell'arco Calabro e 3) nella Sicilia orientale estendendosi anche nelle isole Eolie. Fig. 2 - Matrice D pq per 2.5 M 3.5 e T = 3 mesi. I valori più alti si trovano lungo l Arco Appenninico e l Arco Calabro.

4 RISULTATI E CONCLUSIONI I dati esaminati, di magnitudo comprese tra 2.5 e 3.5 e quindi diffusi su tutto il territorio nazionale, dovrebbero permettere di confrontare aree diverse tra loro. È però anche vero che la tettonica italiana è caratterizzata da eventi che principalmente avvengono lungo la catena Appenninica o sul fronte di sovrascorrimento dell arco Appenninico esterno. Questo fatto potrebbe distorcere il risultato. Diversi massimi di D pq sono presenti proprio lungo la catena; è quindi necessario verificare se questa non sia una caratteristica fittizia. La Fig. 3 mostra i valori di D pq calcolati per ogni cella in funzione del numero di eventi presenti nella cella stessa. Si possono distinguere tre caratteristiche: i valori più alti di correlazione (D pq 0.21, linea con tratteggio piccolo), le celle con un numero di eventi 70 (linea con il tratteggio lungo) e le celle con pochi eventi. Per valori di D pq 0.21 si osserva una dipendenza della correlazione con il numero di eventi per cella: la correlazione tende ad essere minore quando il numero di eventi è piccolo. Le celle con molti eventi non mostrano, al contrario, un particolare trend: le zone che hanno un alto tasso di sismicità possono presentare un qualunque valore di correlazione. C'è da notare, in realtà, che le celle in cui vi sono pochi eventi (da 10 a 30) sono localizzati principalmente lungo il lato tirrenico della penisola, in cui viene osservato un alto flusso di calore e le faglie sono più piccole e distribuite in modo diffuso. È ragionevole aspettarsi che tali aree a bassa sismicità non siano correlate con le altre aree. Fig. 3 - Dipendenza della correlazione media con il numero di eventi in ogni cella ( T = 6 mesi). La linea tratteggiata indica i valori di correlazione di 0.21 mentre la linea con il tratteggio lungo indica il numero di eventi pari a 70. Per valutare se un certo valore di correlazione è significativo, si è calcolato il livello di confidenza del 95% associato ai valori di D pq attraverso una tecnica Monte Carlo; in ogni cella si è ridistribuito il tasso di sismicità in modo casuale. In tal modo si sono determinati 1000 cataloghi sintetici che conservano la clusterizzazione originale, e per ognuno di essi si è calcolato la correlazione media. Si assume che la correlazione sia significativa se almeno il 95% dei casi sintetici hanno un valore più

5 basso di quello assegnato. Il risultato di queste simulazioni ed il relativo livello di confidenza sono mostrati nella Fig. 4 in cui il valore rappresentativo per il territorio italiano è di La correlazione media mostra due ampi massimi in due aree essenzialmente diverse: l area lungo la catena Appenninica e l arco Calabro. In tali aree la sismicità è altamente correlata; cioè, se si ha un incremento della sismicità in un punto di tale area è probabile che aumenti in altri punti del territorio nazionale. Si può anche osservare che la correlazione media è bassa lungo l arco Appenninico esterno. Le differenti caratteristiche tra la fascia della catena e la zona esterna dell Appennino sono sistematiche e si riscontrano sia nelle mappe di correlazione (non mostrate in questo lavoro) che nella correlazione media (Fig. 2). Fig. 4 - Frequenza relativa (barre) e cumulativa (punti) dei valori di D pq calcolate con la procedura Monte Carlo in intervalli di I valori superiori a 0.14 hanno probabilità inferiore del 5% di essere riprodotti casualmente. BIBLIOGRAFIA Albarello D. and M. Bonafede (1990). Stress diffusion across laterally heterogeneous plates. Tectonophysics, 179, 1-2, Basili R., La componente verticale della tettonica plio-quaternaria nell'appennino centrale, Ph.D. thesis, Un. La Sapienza, Roma,108 pp., 46 fig., 12 tab., Crescentini L., A. Amoruso & R. Scarpa (1999). Constraints on slow earthquake dynamics from a swarm in Central Italy. Science, 286, Megna A., S. Barba, S. Santini and F. Vetrano, Space-time variations of Umbria-Marche region instrumental seismicity, Annali di Geofisica, 43, 5, , Valensise G. and D. Pantosti (eds), Database of Potential Sources for Earthquakes Larger than M 5.5 in Italy, Annali di Geofisica, 44, Suppl. 1, with CD-ROM, 2001.