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Sismologia: Lo Studio dei Terremoti, Appunti di Scienze della Terra

La sismologia, ossia lo studio dei terremoti, ha avuto i primi passi nel xviii secolo e da allora ha compiuto un lungo cammino. Oggi, i terremoti sono la principale fonte di conoscenze sull'interno della terra. La natura di terremoti, come si propagano, la teoria del ciclo sismico, e come si misurano e valutano. Il testo include anche informazioni sulla struttura interna della terra e la distribuzione di terremoti su superficie del pianeta.

Tipologia: Appunti

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La sismologia, ossia lo studio dei terremoti, ha mosso i primi passi nel XVIII secolo e da allora ha
compiuto un lungo cammino
oggi come oggi i terremoti sono divenuti la principale fonte di conoscenze sull'interno
della Terra
Un terremoto è una vibrazione più o meno forte della Terra prodotta da una rapida liberazione
di energia meccanica in profondità, nella crosta o nel mantello. Il punto il cui l’energia si libera è
detto ipocentro (o fuoco) del terremoti
da esso l’energia si propaga per onde sferiche che attraversano tutta la Terra
I terremoti non sono un fenomeno casuale infatti in un anno se ne verificano circa un milione. Il
fatto che i terremoti si verificano continuamente non vuol dire che si verifichino ovunque
i sismi si manifestano in corrispondenza di zone sismicamente attive (sismiche), come il
decorso di catene montuose o dorsali oceaniche, e sono assenti in zone asismiche, in
queste zone non si verificano i terremoti ma a volte se ne risentono gli effetti
Verso la metà del XIX secolo Robert Mallet era arrivato alla conclusione che un terremoto
consistesse in una serie di onde elastiche che si propagano attraverso la Terra, causate dalla
deformazione o dalla frattura di masse rocciose nel sottosuolo. Solo dopo il terremoto di San
Francisco del 1906, il sismologo americano Harry F. Reid propose un modello di meccanismo
dove si verificherebbero deformazioni all'origine dei terremoti
Reid giunse alla conclusione che le rocce, sottoposte a qualche sforzo, si
comportano secondo la legge di Hooke (in maniera elastica). Quando le
tensioni superano il loro limite di rottura inizia a formarsi una faglia lungo
la quale i due blocchi cominciano a scivolare. La superficie della faglia si
estende velocemente a tutto il settore deformato, finchè i due blocchi si
arrestano in una nuova posizione di riposo
Secondo il modello del rimbalzo elastico, con il brusco ritorno delle masse rocciose all’equilibrio,
l’energia elastica accumulata durante la deformazione si libera in parte sotto forma di calore e in
parte sotto forma di vibrazioni. Queste vibrazioni si propagano come onde sismiche verso tutte
le direzioni, a partire da un certo volume di roccia: l’ipocentro.
Per la teoria del rimbalzo elastico una zona in cui si è appena manifestato un terremoto
dovrebbe avere raggiunto un nuovo equilibrio, che garantirebbe un periodo di tranquillità
sismica. Il perdurare delle forze tettoniche tornerà però ad accumulare nuova energia, fino al
manifestarsi di un’altra crisi sismica
il processo può schematizzarsi come un ciclo sismico
Nel ciclo sismico si possono distinguere due stadi:
1. stadio pre-sismico
durante la quale la deformazione elastica provoca variazioni in alcune caratteristiche
delle rocce
2. stadio post-sismico
durante la quale l’area colpita va verso un nuovo equilibrio attraverso scosse successive
(o repliche)
Lo studio del ciclo sismico è importante per ipotizzare l’intervallo tra crisi sismiche successive e
capire la dove esistono strutture geologiche in movimento.
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La sismologia , ossia lo studio dei terremoti, ha mosso i primi passi nel XVIII secolo e da allora ha compiuto un lungo cammino ⤷ oggi come oggi i terremoti sono divenuti la principale fonte di conoscenzesull'interno della Terra Un terremoto è una vibrazione più o meno forte della Terra prodotta da una rapida liberazione di energia meccanica in profondità, nella crosta o nel mantello. Il punto il cui l’energia si libera è detto ipocentro (o fuoco) del terremoti ⤷ da esso l’energia si propaga per onde sferiche che attraversano tutta la Terra I terremoti non sono un fenomeno casuale infatti in un anno se ne verificano circa un milione. Il fatto che i terremoti si verificano continuamente non vuol dire che si verifichino ovunque ⤷ i sismi si manifestano in corrispondenza di zonesismicamente attive (sismiche), come il decorso di catene montuose o dorsali oceaniche, e sono assenti in zone asismiche, in queste zone non si verificano i terremoti ma a volte se ne risentono gli effetti Verso la metà del XIX secolo Robert Mallet era arrivato alla conclusione che un terremoto consistesse in una serie di onde elastiche che si propagano attraverso la Terra, causate dalla deformazione o dalla frattura di masse rocciose nel sottosuolo. Solo dopo il terremoto di San Francisco del 1906, il sismologo americano Harry F. Reid propose un modello di meccanismo dove si verificherebbero deformazioni all'origine dei terremoti ⤷ Reid giunse alla conclusione che le rocce, sottoposte a qualche sforzo, si comportano secondo la legge di Hooke (in maniera elastica). Quando le tensioni superano il loro limite di rottura inizia a formarsi una faglia lungo la quale i due blocchi cominciano a scivolare. La superficie della faglia si estende velocemente a tutto il settore deformato, finchè i due blocchi si arrestano in una nuova posizione di riposo Secondo il modello del rimbalzo elastico, con il brusco ritorno delle masse rocciose all’equilibrio, l’energia elastica accumulata durante la deformazione si libera in parte sotto forma di calore e in parte sotto forma di vibrazioni. Queste vibrazioni si propagano come onde sismiche verso tutte le direzioni, a partire da un certo volume di roccia: l’ipocentro. Per la teoria del rimbalzo elastico una zona in cui si è appena manifestato un terremoto dovrebbe avere raggiunto un nuovo equilibrio, che garantirebbe un periodo di tranquillità sismica. Il perdurare delle forze tettoniche tornerà però ad accumulare nuova energia, fino al manifestarsi di un’altra crisi sismica ⤷ il processo puòschematizzarsi come un ciclo sismico Nel ciclo sismico si possono distinguere due stadi:

  1. stadio pre-sismico durante la quale la deformazione elastica provoca variazioni in alcune caratteristiche delle rocce
  2. stadio post-sismico durante la quale l’area colpita va verso un nuovo equilibrio attraverso scosse successive (o repliche) Lo studio del ciclo sismico è importante per ipotizzare l’intervallo tra crisi sismiche successive e capire la dove esistono strutture geologiche in movimento.

Una parte dell’energia che si libera all’ipocentro si propaga sotto forma di onde sismiche attraverso le rocce circostante, che si comportano come corpi elastici. Non c’è dunque un trasporto di materia ma una perturbazione elastica che si propaga, allargandosi all'ipocentro come un’onda sferica. I movimenti all’ipocentro producono differenti tipi di deformazioni, cui corrispondono differenti tipi di onde. La struttura della Terra provoca, nelle onde che si propagano, fenomeni come la riflessione o la rifrazione ⤷ nella zona posta in superficie sulla verticale dell'ipocentro, chiamata epicentro , arrivano un groviglio di onde di ogni frequenza e velocità per questo gli strumenti posti nella vicinanze dell'epicentro “vanno fuori scala” Esistono tre tipi di onde:

  • onde longitudinali (o di compressione) sono onde al cui passaggio le particelle di roccia oscillano avanti e indietro nella direzione di propagazione dell’onda. La roccia subisce variazioni di volume. Sono le onde più veloci (delle onde prime o onde P) che si muovono tra i 4 e gli 8 km/s. Si propagano per ogni mezzo: nelle rocce, nel magma fuso, nell’acqua e anche nell’aria (infatti il rombo cupo è dovuto allo spostamento d’aria che compiono queste onde)
  • onde trasversali (o di taglio) sono onde che si propagano in senso perpendicolare alla direzione di propagazione. La roccia subisce variazione di forma e non di volume. Sono più lente delle onde P, si muovono con velocità tra i 2,3 e i 4,6 km/s (vengono chiamate onde secondarie o onde S). Non possono propagarsi attraverso i fluidi, quindi se incontrano una massa di magma fuso il loro movimento si smorza rapidamente e non si propagano oltre
  • onde superficiali quando le onde di volume (P e S) raggiungono la superficie, si trasformano in arte in onde superficiali che si propagano dall’epicentro lungo la superficie e si smorzano con la profondità. Le onde superficiali sono più lunghe e si muovono più lentamente però percorrono distanze lunghissime. Esistono due tipi di onde superficiali: - onde di Rayleigh (indicate con R) compiono orbite ellittiche in un piano verticale lungo la direzione di propagazione (come avviene per le onde in acqua) - onde di Love (indicate con L) compiono un moto trasversale a quello della direzione di propagazione ma soltanto nel piano orizzontale La registrazione del movimento sismico da parte di un sismografo si chiama sismogramma. Quanto più si è lontani dall’epicentro, tanto maggiore è l’intervallo di tempo che passa tra il momento in cui iniziano le onde più veloci e il momento in cui giungono le onde più lente ⤷ più si è vicini all’epicentro più il sismogramma appare confuso e complicato

Le scale di intensità

Lo scopo iniziale, delle indagini sulla valutazione delle forze di un terremoto in base agli effetti su manufatti, era di delimitare le aree in cui un terremoto aveva provocato danni tra loro simili. Verso la fine del settecento, un medico italiano, Domenico Pignataro, stabilì una scala di confronto con 4 categorie: leggero, moderato, forte e fortissimo ⤷ era una suddivisione molto semplice ma un primo tentativo di classificazione dei terremoti in generale Un secolo dopo cominciarono a comparire scale più precise:

  • la scala Mercalli
  • la scala MM (Mercalli Modificata) Attualmente, in Europa, viene usata la scala MCS (Mercalli - Cancani - Sieberg) divisa in 12 gradi. Nelle scale di confronto per terremoti, l’intensità viene stabilita in base alla valutazione degli effetti prodotti dal terremoto su persone, manufatti e terreno ⤷ questi vengono chiamati datimacrosismici che si riferiscono all'area entro cui il sisma è stato percepito Dopo aver riportato una rappresentazione cartografica dell'area indagata, si tracciano delle linee di confine tra le zone cui il terremoto si è verificato con intensità diversa ⤷ questa serie di linee curve chiuse sono dette isosisme : la più interna racchiude l'area dell’epicentro mentre la più esterna delimita l'area nella quale è stato percepito il terremoto La forma e l’andamento delle isosisme fornisce informazioni su:
  • la struttura geologica dell’area
  • studio dei terremoti del passato ⤷ sono stati quindi costruiti dei cataloghi, chiamati cataloghi sismici, che contengono i dati di migliaia di terremoti

La magnitudo

Se per due terremoti distinti, ma con lo stesso epicentro, si mettono a confronto i sismogrammi registrati in stazioni diverse si osserva che il rapporto tra l'ampiezza massima delle onde registrate è sempre lo stesso indipendentemente dalla distanza dall'epicentro. Nel 1935, il sismologo Charles F. Richter propose di misurare la magnitudo di un terremoto confrontando: ● l'ampiezza massima delle onde registrate di un terremoto con ● l'ampiezza massima delle onde registrate di un terremoto scelto come riferimento (terremoto standard) ⤷ un terremoto standard posto a 100 km dall'epicentro produce un sismogramma con oscillazione massima di 0,001 mm

A ( massima per il terremoto conosciuto )

A 0 ( massima per il terremoto standard )

Nei casi in cui il terremoto si verifica a distanze diverse dai 100 Km è necessario determinare il valore di A 0 a distanze dall'epicentro diverse da 100 Km tenendo conto dello smorzamento

⤷ si costruiscono infatti delle apposite tabelle che permette di calcolare il valore di A 0 Per evitare che i valori diventino troppo grandi, Richter propose di ricondurre ai logaritmi di base dieci

M =log 10

A

A 0

Se: ● M = 0 il terremoto ha forza uguale al terremoto standard ● A > A 0 allora il valore di M è positivo e crescerà con l'aumentare del rapporto ● A < A 0 allora il valore di M è negativo (esempio M = -2 corrisponde all' energia di un mattone che cade da un tavolo) Poiché la scala di magnitudo è logaritmica un aumento di un'unità di magnitudo comporta: ● un aumento di un fattore 10 nell' ampiezza del movimento ● una liberazione di energia 30 volte maggiore Non c'è sempre una corrispondenza tra magnitudo e intensità e può accadere che due terremoti con diverso magnitudo provochino effetti classificati nel medesimo grado di intensità. Quindi: ● la magnitudo è una misura strumentale della forza del terremoto dal punto di vista della profondità ma non è legata alla posizione ● l'intensità si riferisce agli effetti provocati dal terremoto in una certa zora e assume un certo valore in base alla distanza dall'epicentro La struttura interna della Terra è stata identificata in base a dati sismici infatti i sismogrammi, registrando l'arrivo delle onde, forniscono una specie di radiografia. Grazie infatti alla variazione delle loro traiettorie possiamo capire dove vi sono dei materiali differenti. Le traiettorie delle onde P, che per mezzo omogeneo si propagano in maniera rettilinea, all'interno della Terra si propagano tramite linee curve ⤷ questo perché le onde attraversano mezzi con caratteristiche meccaniche diverse e quindi vi è un graduale cambiamento del materiale. Al cambiamento di direzione è associato un cambiamento di velocità di propagazione dell'onda Se avviene un passaggio brusco, da un materiale all'altro, la rifrazione sarà netta: la curva si interromperà e la traiettoria proseguirà con una nuova curva. Si è visto che per ogni terremoto esiste una zona d'ombra ( fascia compresa tra 11.000 km e 16.000 Km) all'interno del quale non arrivano le onde P dirette ⤷ la zona d'ombra ha rilevato l'esistenza all'interno della Terra di un nucleo di materiale diverso da quello che lo avvolge, tanto da far deviare per rifrazione la traiettoria delle onde

La previsione dei terremoti

La previsione dovrebbe poter indicare quando e dove si verificherà un terremoto e con quale intensità. Per far fronte al problema, i sismologi seguono due linee diverse:

  • previsione deterministica viene tentata attraverso l’esame di fenomeni premonitori (o precursori), cioè una serie di eventi che ricorrono in un intervallo di tempo precedente al terremoto. Lo studio che è alla base dei fenomeni premonitori sta nel rimbalzo elastico. Prima della rottura della roccia è stato individuato uno stadio in cui la roccia tende a dilatarsi provocando alcune anomalie nella caratteristiche fisiche di quest’ultima, come: - la variazione di velocità nella propagazione delle onde P - sensibili sollevamenti - l’aumento della quantità di gas radon (gas radioattivo) disciolto nelle falde p che si libera nell'aria La previsione deterministica richiede la sorveglianza continua di vaste aree con risultati non ancora sufficientemente attendibili
  • previsione statistica si basa sull’osservazione che la distribuzione geografica delle aree sismiche non è causale ma definita e che in ogni data area, la storia sismica, abbia caratteristiche statisticamente simili nel tempo. Il modello del rimbalzo elastico rende accettabile l’idea di una periodicità dell’attività sismica. Strumenti basilari per ogni previsione statistica sono i cataloghi statistici che contengono i dati caratteristici di tutti i terremoti di cui si è avuto notizia. La previsione statistica è di scarsa utilità pratica per un allarme sismico, è però di grande importanza nel circoscrivere aree “sospette”

La prevenzione del rischio sismico

La difesa dai terremoti potrà avvenire solo tramite una costante prevenzione del rischio sismico che è legato:

  • alla pericolosità sismica che indica la probabilità che in una certa area si risentano gli effetti di un terremoti
  • la vulnerabilità che è la valutazione della debolezza di un territorio di fronte a un terremoto
  • i costi che si riferiscono alle perdite di vite, danni agli edifici e interventi per ricostruzione Accanto alla zonazione sismica, che viene chiamata macrozonazione, si è individuata una microzonazione sismica (MS) applicata quindi a zone ristrette ma di rilevante importanza economica e sociale. Per microzonazione sismica si intende quindi la valutazione della pericolosità sismica locale attraverso l’individuazione di zone di territorio caratterizzato da comportamento sismico omogeneo. Questo studio ha permesso di dividere il territorio in tre zone:
  1. zone stabili ossia zone pianeggianti, con terreni rocciosi in affioramento
  2. zone stabili suscettibili di instabilità ossia zone nella quali ci si può aspettare l’amplificazione del movimento del suolo per il tipo di terreni presenti o per le forme del terreno
  1. zone suscettibili di instabilità ossia zone dove sono visibili scivolamenti di versanti, liquefazioni, attivazioni di faglie nel terreno, cedimenti visibili…