Sotto l’asse dell’Appennino centro-meridionale esiste una fascia superficiale nella quale le onde sismiche perdono energia molto più rapidamente rispetto alle aree circostanti. La zona si estende dalla superficie fino a circa 10 chilometri di profondità e potrebbe essere collegata alla presenza di fluidi profondi, fratture e sistemi di faglie attive. È il risultato più rilevante di un nuovo studio pubblicato su Geophysical Journal International, nel quale un gruppo di ricercatori ha analizzato la propagazione delle onde S generate da due terremoti avvenuti nell’Appennino centro-meridionale. Il confronto tra i segnali registrati dalle stazioni della Rete Sismica Nazionale Integrata dell’INGV e quelli prodotti attraverso simulazioni numeriche ha permesso di ricostruire la struttura della crosta lungo un profilo che attraversa la Penisola dal margine adriatico al dominio tirrenico. Il lavoro mette in evidenza forti contrasti laterali nelle proprietà delle rocce e conferma quanto la catena appenninica rappresenti una zona di separazione tra due domini geologici profondamente differenti. A est si trova il settore adriatico, caratterizzato da una crosta più spessa e da una sismicità che interessa anche livelli profondi. A ovest si sviluppa invece il dominio tirrenico, dove la crosta è più sottile e sono presenti importanti aree vulcaniche e diffuse emissioni naturali di anidride carbonica, CO₂, di origine profonda.
Un’area tra le più complesse dal punto di vista geologico e sismico
L’Appennino centro-meridionale è una delle aree geologicamente e sismicamente più complesse d’Italia, come indicato anche da Di Luccio et al. nel 2022. La catena non costituisce soltanto un elemento geografico, ma rappresenta il confine tra porzioni della crosta terrestre con caratteristiche molto diverse per spessore, composizione, velocità delle onde e comportamento tettonico. Lungo l’asse appenninico si concentra inoltre un elevato numero di faglie attive, responsabili di alcuni tra i terremoti più forti della storia sismica recente italiana. Tra questi rientrano il terremoto dell’Irpinia del 1980 e le sequenze che hanno colpito l’Appennino centrale nel 2009 e nel 2016. Le differenze geologiche e tettoniche tra il versante adriatico e quello tirrenico influenzano direttamente il modo in cui le onde generate dai terremoti attraversano il sottosuolo. Velocità, ampiezza, durata e forma dei segnali possono cambiare in maniera significativa a seconda delle rocce attraversate, della loro densità, del grado di fratturazione e dell’eventuale presenza di fluidi. Lo studio ha quindi cercato di comprendere con maggiore dettaglio come sia strutturata la crosta in questa parte della Penisola e quali informazioni possano essere ricavate osservando il comportamento delle onde sismiche lungo il loro percorso.
Due terremoti per seguire le onde dall’Adriatico al Tirreno
La ricerca ha preso in esame due terremoti avvenuti nell’Appennino centro-meridionale. Il primo si è verificato il 16 agosto 2018 e ha avuto una magnitudo Mw 5.1. Il secondo è avvenuto il 28 marzo 2023, con una magnitudo Mw 4.6. Entrambi gli eventi sono stati registrati dalle stazioni della Rete Sismica Nazionale Integrata dell’INGV. I ricercatori hanno selezionato i dati raccolti lungo un profilo orientato in direzione NNE-SSW, capace di attraversare la Penisola dal margine adriatico fino al Tirreno, passando sotto l’asse della catena appenninica e le aree vulcaniche campane. Nella rappresentazione dell’area analizzata, i due terremoti utilizzati nello studio sono indicati da stelle, mentre i triangoli mostrano la posizione delle stazioni della rete sismica. Il profilo consente di osservare la propagazione delle onde attraverso ambienti geologici molto diversi, dalla crosta adriatica più spessa fino al settore tirrenico, caratterizzato da una maggiore complessità vulcanica e geochimica. L’obiettivo non era limitarsi a misurare il momento in cui le onde arrivavano alle diverse stazioni. Il gruppo di ricerca ha confrontato direttamente le forme d’onda osservate con quelle ottenute attraverso simulazioni numeriche, valutandone i tempi di arrivo, l’ampiezza e la forma complessiva. Sono stati quindi costruiti diversi modelli del sottosuolo, modificando le caratteristiche della crosta fino a individuare quelli capaci di riprodurre nel modo più realistico i segnali registrati dai sismometri.
Guardare dentro la Terra attraverso la propagazione delle onde
Ogni terremoto genera onde che si propagano all’interno della Terra e raggiungono le stazioni sismiche installate in superficie. Il segnale registrato non dipende soltanto dalle caratteristiche della sorgente, come la magnitudo, la profondità o il meccanismo di rottura, ma anche dalla natura dei materiali attraversati. Il fenomeno può essere paragonato a ciò che accade quando un suono attraversa pareti composte da materiali differenti, come cemento, legno o acqua. Il segnale cambia perché ogni materiale assorbe, rallenta o modifica le vibrazioni in modo diverso. Lo stesso principio vale per le onde sismiche. Rocce dense e compatte possono favorire una propagazione più veloce, mentre zone fratturate, alterate o ricche di fluidi possono rallentare le onde e provocare una maggiore dispersione dell’energia. Analizzando queste variazioni, i ricercatori possono ricostruire indirettamente la struttura del sottosuolo, individuando i punti nei quali cambiano la composizione, la densità, la temperatura e le proprietà meccaniche della crosta.
Onde Sg e SmS, il segnale diretto e il riflesso della Moho
Lo studio si è concentrato soprattutto sulle onde S, conosciute anche come onde di taglio. Queste onde attraversano la crosta terrestre e risultano particolarmente sensibili alle proprietà meccaniche delle rocce. I ricercatori hanno modellato due specifiche fasi sismiche. La prima è la Sg, cioè l’onda S diretta che viaggia all’interno della crosta. La seconda è la SmS, una fase riflessa sulla Moho, la discontinuità che separa la crosta terrestre dal mantello sottostante. La Moho, abbreviazione di discontinuità di Mohorovičić, rappresenta uno dei principali confini interni della Terra. Quando un’onda S raggiunge questa superficie, una parte dell’energia viene riflessa e torna verso l’alto, raggiungendo le stazioni sismiche dopo l’onda diretta. Il ritardo tra l’arrivo della fase Sg e quello della fase SmS contiene informazioni sullo spessore della crosta e sulle velocità delle onde nei diversi strati. Anche l’ampiezza e la forma dei segnali aiutano a comprendere quali materiali siano presenti lungo il percorso e quanto rapidamente l’energia venga assorbita o dispersa. L’analisi combinata di queste caratteristiche ha consentito di ottenere un livello di dettaglio difficile da raggiungere utilizzando esclusivamente le tecniche di tomografia sismica tradizionale.
La crosta adriatica è più veloce e probabilmente più compatta
Uno dei risultati più evidenti riguarda il forte contrasto tra il settore adriatico e quello tirrenico della catena. Nel dominio adriatico la parte inferiore della crosta appare sismicamente più veloce. Le onde attraversano questa zona con una velocità maggiore, un comportamento che suggerisce la presenza di rocce più dense e compatte. Secondo lo studio, l’anomalia potrebbe essere collegata a intrusioni mafiche profonde, cioè corpi magmatici solidificati all’interno della crosta. Queste intrusioni potrebbero essersi formate durante antichi episodi di estensione tettonica, quando la crosta veniva sottoposta a forze capaci di assottigliarla e favorire la risalita di materiale magmatico. Una volta raffreddati e solidificati, i corpi magmatici avrebbero prodotto rocce con caratteristiche differenti rispetto a quelle circostanti, aumentando localmente la velocità di propagazione delle onde. La presenza di una crosta inferiore più veloce nel settore adriatico contribuisce a rafforzare l’immagine di un dominio strutturalmente diverso da quello tirrenico e dall’area posta direttamente sotto l’asse appenninico.
Sotto l’asse appenninico una fascia ad alta attenuazione
Procedendo verso l’asse della catena e il versante tirrenico, la crosta diventa sismicamente più lenta. È in quest’area che emerge il risultato centrale della ricerca: una fascia superficiale ad alta attenuazione, estesa dalla superficie fino a circa 10 chilometri di profondità. All’interno di questa zona, le onde sismiche perdono energia in modo molto più rapido rispetto a quanto osservato nelle aree circostanti. Per riuscire a riprodurre correttamente i dati reali, i ricercatori hanno dovuto inserire nei modelli numerici una struttura caratterizzata da una forte attenuazione. Senza questa zona, le simulazioni non erano in grado di ricostruire in modo soddisfacente né l’ampiezza né la forma dei segnali registrati dalle stazioni sismiche. La presenza della fascia attenuante risulta quindi necessaria per spiegare il comportamento osservato delle onde. Secondo gli autori, questa struttura potrebbe riflettere la presenza di fluidi e di sistemi di fratture associati alle faglie attive dell’Appennino. Le rocce fratturate e attraversate da fluidi possono infatti assorbire e disperdere l’energia sismica con maggiore efficacia rispetto a rocce compatte e poco deformate. Il risultato è coerente con altri studi geofisici e geochimici che, negli ultimi anni, hanno evidenziato il ruolo dei fluidi profondi nei processi sismogenetici dell’Appennino.
Il possibile legame tra fluidi profondi, fratture e terremoti
La presenza di fluidi nella crosta può influenzare il comportamento delle faglie. I fluidi possono muoversi all’interno delle fratture, modificare le pressioni nei pori delle rocce e contribuire a cambiare le condizioni di equilibrio lungo le superfici di faglia. Lo studio non attribuisce direttamente ai fluidi l’origine dei terremoti analizzati, ma individua una struttura compatibile con un sottosuolo fortemente fratturato e interessato dalla circolazione di fluidi profondi. Questo elemento assume particolare importanza in un’area nella quale si concentrano numerose faglie attive e dove la sismicità è il risultato di processi tettonici complessi. La fascia ad alta attenuazione potrebbe quindi rappresentare una delle manifestazioni geofisiche delle condizioni profonde che caratterizzano l’asse della catena. La sua individuazione contribuisce a definire con maggiore precisione le differenze tra la crosta adriatica, più veloce e compatta, e quella appenninico-tirrenica, più lenta e maggiormente interessata da fratturazione, fluidi e fenomeni vulcanici o geochimici.
Una struttura crostale che influenza lo scuotimento sismico
Conoscere la struttura della crosta al di sotto dell’arco appenninico è importante non soltanto per ricostruire la storia geologica della Penisola, ma anche per comprendere meglio i processi che governano la sismicità. Il modo in cui le onde si propagano nel sottosuolo condiziona infatti la durata, l’ampiezza e la distribuzione dello scuotimento prodotto da un terremoto. Due aree poste alla stessa distanza dall’epicentro possono registrare movimenti differenti proprio a causa delle diverse caratteristiche delle rocce attraversate dalle onde. Una crosta caratterizzata da forti contrasti laterali può deviare, amplificare, rallentare o attenuare i segnali. La presenza di zone altamente fratturate o ricche di fluidi può inoltre modificare la quantità di energia che raggiunge la superficie. Comprendere meglio le proprietà della crosta, il ruolo delle faglie e la possibile presenza di fluidi significa quindi sviluppare modelli sempre più accurati della struttura del sottosuolo. Questi modelli possono contribuire anche ad affinare le valutazioni relative alla pericolosità sismica di un’area.
La modellazione delle forme d’onda completa la tomografia sismica
Un altro aspetto rilevante della ricerca riguarda il metodo utilizzato. La modellazione delle forme d’onda può integrare le immagini ottenute attraverso la tomografia sismica tradizionale, offrendo informazioni ulteriori sulle caratteristiche fisiche delle rocce. La tomografia consente di individuare le aree in cui le velocità sismiche cambiano, producendo immagini tridimensionali della struttura interna della Terra. Il confronto diretto tra forme d’onda osservate e simulate permette però di analizzare anche il modo in cui queste strutture modificano concretamente i segnali registrati durante un terremoto. Non si tratta quindi soltanto di stabilire dove le onde accelerano o rallentano. L’analisi consente anche di comprendere come le diverse strutture crostali influenzino l’ampiezza, la durata, la forma e la perdita di energia delle onde. La combinazione tra dati reali, simulazioni numeriche e conoscenze geologiche offre così una ricostruzione più completa della crosta attraversata dal profilo adriatico-tirrenico.
Il gruppo di ricerca
Lo studio è stato curato da M. Scarponi, F. Di Luccio e C. Piromallo dell’INGV e da D. Sun e H. Bi della School of Earth and Space Sciences della University of Science and Technology of China, con sede a Hefei, nella provincia cinese di Anhui. Attraverso l’analisi dei due terremoti del 2018 e del 2023, il lavoro ricostruisce una crosta segnata da forti differenze laterali: più veloce e probabilmente più compatta nel settore adriatico, più lenta sotto l’Appennino e verso il Tirreno. La scoperta della zona superficiale ad alta attenuazione sotto l’asse appenninico aggiunge un nuovo elemento alla conoscenza della struttura profonda della catena e rafforza l’ipotesi che fluidi e sistemi di fratture svolgano un ruolo importante nel comportamento sismico dell’area.