Come nasce e muore un terremoto

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1 Come nasce e muore un terremoto Giulio Di Toro Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia La sismicità in Provincia di Treviso e risvolti applicativi Provincia di Treviso, 4 Luglio 2014

2 Indice Cos è un terremoto 2. Faglie e terremoti Come nasce un terremoto Come si propaga un terremoto Come si arresta un terremoto

3 Il terremoto è uno scuotimento improvviso del suolo prodotto da una rottura che si propaga lungo una superficie all incirca planare (faglia). I terremoti dannosi per l uomo sono generati a 5-25 km di profondità. Faglia 10 km Ipocentro

4 I terremoti sono prodotti da scivolamento su superfici: attrito (+ rottura) e geometria della faglie controllano la fisica dei terremoti. Attrito tra rocce e produzione di calore σ n τ 2 m Attrito µ = τ / σ n Geometria delle faglie Esempio dalle Alpi

5 Più è grande la faglia, più è grande il terremoto (energia e magnitudo) Dimensioni faglia 2004 Sumatra Faglia Italia per scala 1946 Nankaido 1944 Tonankai 2003 Hokkaido Kobe Irpinia Hiroshima 6.3x10 13 J 1976 Friuli 2009 L Aquila Energia x J Magnitudo Aumento di un grado in magnitudo = aumento di ca. 30 volte energia terremoto. L Aquila 2009: ca bombe di Hiroshima (ma << 1% è energia sismica!)

6 Indice Cos è un terremoto 2. Faglie e terremoti Come nasce un terremoto Come si propaga un terremoto Come si ferma un terremoto

7 Come nasce un terremoto: il ciclo sismico. Le placche scorrono lungo le faglie a velocità comprese tra mm e cm anno. Lo scorrimento è bloccato in alcune aree della faglia chiamate asperità. isola island faglia placca locked placca asperità Cortesia di James Jackson

8 Se lo scorrimento della faglia è impedito dall asperità, le rocce si caricano elasticamente come delle gigantesche molle. placca locked placca asperità Cortesia di James Jackson

9 fin quando l asperità cede. La rottura si propaga lungo la faglia e l energia elastica accumulata in secoli è liberata in pochi secondi: il terremoto. Solo una piccola frazione (ca. 1%) di quest energia è liberata in onde sismiche. rottura rupture placca placca Cortesia di James Jackson

10 Cedimento delle asperità per instabilità dell attrito. Cortesia di Andre Neimeijer

11 .descritte da.. complicate equazioni! µ = µ V θ V + a ln + b ln 0 0 V D 0 c Ma torniamo all energia di deformazione elastica rilasciata dal terremoto

12 Il confronto delle immagini da satellite raccolte prima (1/2/09) e dopo (12/4/09) il terremoto del 6/4/2009 dell Aquila mostra l effetto del rilascio dell energia di deformazione elastica. 6 Aprile M w 6.3 Faglia di Paganica Ogni frangia corrisponde ad uno spostamento di 2.5 cm. Fonte INGV

13 Come si propaga un terremoto Esempio del terremoto M 6.9 di Northridge, area di Los Angeles (1994), 57 morti Los Angeles

14 Come si propaga un terremoto Northridge, Los Angeles, 1994, M morti epicentro Los Angeles Faglia ipocentro

15 Come si propaga un terremoto (1994, Northridge, California, M 6.9) Superficie di faglia 270 km 2 Profondità (km) Rigetto (m) Tempo (s) Lunghezza (km)

16 In un terremoto, la rottura si propaga lungo la faglia ad una velocità di 1-5 km/s. Le superfici di faglia sfregano una contro l altra ad una velocità di ca m/s... [Di Toro et al., 2009]

17 lasciando le cicatrici dei terremoti Vetri sismici V rottura ~ 3 km/s V scivol. ~ 1 m/s Fusione per attrito Frammentazione Propagazione rottura [Swanson, Tectonophysics 1992]

18 lasciando le cicatrici dei terremoti 0.05 mm Vetri sismici Immagine al microscopio a scansione elettronica del vetro prodotto dai Frammentazione terremoti in natura

19 Possiamo far funzionare il motore dei terremoti in condizioni controllate? 2 m Superficie di faglia

20 Le prestazioni del motore dei terremoti sono impressionanti 1. Velocità >1 1 m/s 2. Spostamenti fino a 60 m 3. Spinte da colonne di roccia alte > 10 km ) Queste prestazioni sono così estreme che appartengono a una nuova frontiera nella scienza dei materiali. L apparato al mondo che meglio le approssima è SHIVA

21 SHIVA (Slow to HIgh Velocity Apparatus ) (progettata e costruita in Italia) σ n < 70 MPa v = 1 µm/s - 9 m/s rigetto = infinito Potenza 300 kw Coppia 1100 Nm 3.5 m 4 tons Di Toro et al., Rendiconti Lincei, cm

22 SHIVA come è oggi (videocamera ad alta velocità, ecc.) Di Toro et al., 2010

23 Cosa accade in una faglia durante un terremoto? 20 mm

24 Il rapido sfregamento delle rocce produce il fuoco Leonardo da Vinci

25 E un fuoco che diventa vetro quando solidifica! Immagine al microscopio a scansione elettronica del vetro dei terremoti prodotto in lab mm

26 Fusione per attrito: camera ad alta velocità v = 5 m/s, σ n = 25 MPa, 0 a 5 m/s in 0.1 s 20 mm

27 Rispetto a Leonardo, abbiamo dati meccanici! 10 mm

28 E possiamo descrivere quantitativamente gli effetti della lubrificazione delle faglie operata dai fusi di attrito τ = σ ss 0.25 n A R log(2v / W V / W ) Niemeijer, Di Toro et al., JGR 2011 Nielsen, Di Toro et al., JGR 2008

29 I vetri sismici prodotti negli esperimenti sono molto simili a quelli naturali. 50 µm 50 µm Vetri sisimici Natura 5 mm Esperim. 5 mm

30 Le faglie pattinano durante la propagazione di un terremoto Come la lama di acciaio del pattino scivola su di un sottile strato di acqua liquida prodotta dalla fusione per attrito del ghiaccio, così una faglia scivola su un sottile strato di fuso di roccia durante un terremoto. Carolina Kostner (ITA)

31 Come si ferma un terremoto: terremoto il caso dell Aquila. Carta geologica. 9 Aprile Mw5.4 Rieti 6 Aprile Mw6.3 L Aquila 7 Aprile Mw km Fucino Faglie

32 Il reticolato di faglie ostacola la propagazione della rottura durante un terremoto. Vista in pianta. 9 Aprile M w 5.4 Faglie Rieti 6 Aprile M w 6.3 L Aquila 7 Aprile M w km Fucino

33 Distribuzione degli epicentri dei terremoti dopo il 6 Aprile Se le faglie fossero state continue, il terremoto avrebbe superato M 7. Epicentri eventi principali Epicentri repliche 9 Apr. 6 Apr. 7 Apr. Chiarabba et al., 2009

34 Ma queste cose di cui vi ho parlato sono pura «accademia»? Servono a qualcosa? In realtà, capire l attrito nei materiali è di interesse, grande interesse. Il 2% del PIL di un paese industrializzato è speso per processi che hanno a che fare con l attrito!

35 La versatilità e la potenza di SHIVA consente di investigare altri processi di attrito (e usura) di interesse geologico (frane, messa in posto di duomi lavici, ecc.) 1963 Frana del Vaiont Ferri, Di Toro et al., JGR 2011 Ferri, Di Toro et al., TerraNova, Mt. St. Helens, USA: messa in posto di duomi lavici Kendrick, Di Toro et al., Nature Geos. 2014

36 E tanto altro: sismicità indotta dall uomo Fracking (sequenza sismica dell Oklahoma, USA, 2011) Estrazione e stoccaggio di gas (e.g., Groningen gas field, NL) Campi geotermici Stoccaggio di CO 2

37 e applicazioni industriali Test di PDC (polycrystalline diamond cutters) e altri materiali di interesse industriale per produzione di freni, ecc. Esperimenti preliminari in collaborazione con VAREL Ltd. in Houston

38 Concludo.. i terremoti: Sono il risultato di rotture che nascono in aree di pochi m 2 e si propagano su aree di centinaia o migliaia di km 2 a seconda della magnitudo. La propagazione delle rotture sismiche è agevolata da processi di lubrificazione delle faglie, tra cui la fusione. 3) Liberano in pochi secondi l energia elastica accumulata nelle rocce in centinaia di anni. 4) Si arrestano quando hanno scaricato l energia elastica accumulata o in presenza di barriere geometriche.

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40 Perchè abbiamo i terremoti (e perché in Italia?) PLACCA EUROASIATICA La parte più superficiale della Terra è divisa in placche. 1-2 mm/a 4-5 mm/a PLACCA AFRICANA L Italia è stretta in una morsa formata dalla placca Africana a sud ed Euroasiatica a Nord. Queste spinte caricano come gigantesche molle le rocce. Mantovani, Le Scienze, 1991

41 Epicentri dei terremoti Italiani tra il 1981 e il 2001 Una cintura continua di terremoti con alcune lacune. N.B: molti sono terremoti piccoli non avvertiti dalla popolazione. Emilia L Aquila Pollino Chiarabba et al., 2005

42 Epicentro (area = 220 km 2 ) Ipocentro a 9 km di profondità L Aquila M 6.3 Si rompe la faglia di Paganica liberando l energia di bombe atomiche sotto la città de l Aquila. La superficie di enucleazione a 9 km di profondità può essere grande come una scrivania!

43 Possibili sorgenti di terremoti M > 5.5 nel Nord-Est Bassano 1695 Asolo- Bassano- Cornuda Montello 1936 Polcenigo Sequals 1776 Maniago 1873 Alpago- Cansiglio 1976 Gemona Medea DISS WORKING GROUP (2007) dell INGV ( 50 km

44 Effetti delle onde sismiche su edifici in scala 1:1 Di Takashi Furumura

45 Fissare i mobili alle pareti... Di Takashi Furumura

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48 Il terremoto, prodotto in una frazione di secondo, rimane congelato nelle rocce per milioni di anni. Un approccio alternativo alla sismologia per lo studio dei terremoti potrebbe unire... Vetri sismici 10 cm

49 Something we learnt thousands of years ago!

50 Nel mondo (ultimi 10 anni) morti / anno Statistica terremoti nel mondo Magnitudo Media annua >8 In Italia (dall Unità ad oggi) un M > 5.5 ogni 5 anni 1000 morti / anno Non stiamo vivendo una particolare emergenza terremoti Fonte USGS