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
Indice
• Cos’è un terremoto
2. Faglie e terremoti
Come nasce un terremoto
Come si propaga un terremoto
Come si arresta un terremoto
Il terremoto è uno scuotimento improvviso del suolo
prodotto da una rottura che si propaga lungo una
superficie all’incirca planare (faglia).
faglia I terremoti dannosi
per l’uomo sono generati a 5-25 km di profondità.
Faglia
k
10
Ipocentro
m
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
σn
τ
2m
Attrito
µ = τ / σn
Geometria delle faglie
Esempio dalle Alpi
Più è grande la faglia, più è grande il terremoto (energia
e magnitudo)
Dimensioni
faglia
2004
Sumatra
Faglia
Hiroshima
6.3x1013 J
Italia per scala
1946
Nankaido
1944
Tonankai 2003
Hokkaido 1995
Kobe
Energia
x 1020 J
Magnitudo
1980
Irpinia
1976
Friuli
2009
L’Aquila
0.03
6.5
Aumento di un grado in magnitudo = aumento di ca. 30 volte energia terremoto.
L’Aquila 2009: ca. 40.000 bombe di Hiroshima (ma << 1% è energia sismica!)
6.3
Indice
• Cos’è un terremoto
2. Faglie e terremoti
Come nasce un terremoto
Come si propaga un terremoto
Come si ferma un terremoto
Come nasce un terremoto:
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.
island
isola
fagl
i
placca
a
placca
lock
ed
asp
erit
à
Cortesia di James Jackson
Se lo scorrimento della faglia è impedito dall’asperità,
le rocce si caricano elasticamente come delle
gigantesche molle….
placca
placca
lock
ed
asp
erit
à
Cortesia di James Jackson
… 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.
rroutptu
placca
turrae
placca
Cortesia di James Jackson
Cedimento delle asperità per instabilità dell’attrito….
Cortesia di Andre Neimeijer
….descritte da.. complicate equazioni!
θ V0
V
µ = µ 0 + a ln + b ln
Dc
V0
Ma torniamo all’energia di deformazione elastica
rilasciata dal terremoto…
Il confronto
delle immagini
da satellite
raccolte prima
(1/2/09)
1/2/09 e dopo
(12/4/09)
12/4/09 il
terremoto del
6/4/2009
dell’Aquila
mostra l’effetto
del rilascio
dell’energia di
deformazione
elastica.
Ogni frangia
corrisponde ad uno
spostamento di 2.5
cm.
Fonte INGV
Faglia di
Paganica
6 Aprile
Mw6.3
Come si propaga un terremoto
Esempio del terremoto M 6.9 di Northridge, area di Los
Angeles (1994), 57 morti
Los
Angeles
Come si
propaga
un
terremoto
epicentro
Northridge,
Los Angeles,
1994, M 6.9
57 morti
Los Angeles
Faglia
ipocentro
Come si propaga un terremoto
(1994, Northridge, California, M 6.9)
Profondità (km)
Rigetto (m)
Superficie
di faglia
270 km2
Tempo (s)
Lunghezza (km)
http://www.data.scec.org/Module/links/northrup.htm
l
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. 1-10 m/s...
[Di Toro et al., 2009]
…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]
…lasciando le
cicatrici dei
terremoti
0.05 mm
Vetri sismici
Immagine al
microscopio a
scansione
elettronica del
vetro prodotto dai
Frammentazione terremoti in natura
Possiamo far funzionare il motore dei terremoti in
condizioni controllate?
2m
Superficie di faglia
Le prestazioni del motore dei
terremoti sono impressionanti
1. Velocità >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
SHIVA (Slow to HIgh Velocity Apparatus )
(progettata e costruita in Italia)
σn < 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, 2010
5 cm
SHIVA come è oggi (videocamera ad alta velocità, ecc.)
Di Toro et al., 2010
Cosa accade in una faglia durante un terremoto?
20 mm
“Il rapido sfregamento delle rocce produce
il fuoco”
Leonardo da Vinci
1452-1519
E’ un fuoco… che diventa vetro quando solidifica!
Immagine al
microscopio a
scansione
elettronica del
vetro dei
terremoti
prodotto in lab.
0.05 mm
Fusione per attrito: camera ad alta velocità
v = 5 m/s, σn = 25 MPa, 0 a 5 m/s in 0.1 s
20 mm
Rispetto a Leonardo, abbiamo dati meccanici!
10 mm
E possiamo descrivere quantitativamente gli effetti della
lubrificazione delle faglie operata dai fusi di attrito
τ ss = σ
0.25
n
Niemeijer, Di Toro et al., JGR 2011
A
R
log(2V / W )
V /W
Nielsen, Di Toro et al., JGR 2008
I vetri sismici prodotti negli esperimenti sono molto simili
a quelli naturali.
50 µm
50 µm
Vetri sisimici
Natura
5 mm
Esperim.
5 mm
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)
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
Mw5.6
40 km
Fucino
Faglie
Il reticolato di faglie ostacola la propagazione della
rottura durante un terremoto. Vista in pianta.
9 Aprile
Mw5.4
Rieti
6 Aprile
Mw6.3
L’Aquila
7 Aprile
Mw5.6
40 km
Fucino
Faglie
Distribuzione degli epicentri dei terremoti dopo il 6 Aprile 2009. Se
le faglie fossero state continue, il terremoto avrebbe superato M 7.
Epicentri
eventi
principali
Epicentri
repliche
9 Apr.
6 Apr.
Chiarabba et al., 2009
7 Apr.
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!
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, 2010
2004-2008 Mt. St. Helens,
USA: messa in posto di
duomi lavici
Kendrick, Di Toro et al., Nature Geos.
2014
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 CO2
… 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
Concludo…. i terremoti:
•Sono il risultato di rotture che nascono in aree di pochi m2 e si
propagano su aree di centinaia o migliaia di km2 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.
Perchè abbiamo i terremoti (e perché in Italia?)
PLACCA EUROASIATICA
1-2 mm/a
4-5 mm/a
PLACCA AFRICANA
Mantovani, Le Scienze, 1991
La parte più
superficiale della
Terra è divisa in
placche.
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.
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.
.
Chiarabba et al., 2005
Emilia
2012L’Aquila
2008-2009
Pollino
2010-
Epicentro
Ipocentro
a 9 km di
profondità
(area = 220 km2)
L’Aquila M 6.3
Si rompe la faglia di Paganica
liberando l’energia di 40.000
bombe atomiche sotto la città de
l’Aquila.
La superficie di enucleazione a 9
km di profondità può essere
grande come una scrivania!
Possibili sorgenti di terremoti M > 5.5 nel Nord-Est
Sequals
1776
1976
Gemona
Maniago
1873
AlpagoCansiglio
Montello
Bassano
1695
Medea
1936
Polcenigo
AsoloBassanoCornuda
DISS WORKING GROUP
(2007) dell’INGV
(http://diss.rm.ingv.it/diss)
50 km
Effetti delle onde sismiche su edifici in scala 1:1
Di Takashi Furumura
Fissare i mobili alle pareti....
Di Takashi Furumura
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
Something we learnt thousands of years ago!
Nel mondo
(ultimi 10 anni)
• 80.000 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
