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Prevenzione sì, previsione no. Lo studio dei precursori sismici

Terremoto 2012-16 - ph. Protezione Civile

di Riccardo Viselli*

Prevenire è diverso da prevedere.
La prevenzione è possibile e auspicabile: agire come se l’evento atteso per una data area fosse imminente.
La previsione, al momento e forse per sempre, è impossibile.

E’ bene precisare che lo studio dei precursori sismici è ancora in uno stadio primordiale, embrionale, e che finora l’applicazione di questo metodo non ha condotto ad alcun risultato positivo in merito alla previsione dei terremoti: per questo motivo gli scienziati affermano, con cognizione di causa, che i terremoti al momento non possono essere previsti e forse non lo saranno mai. Forse perché il modello costruito non rappresenta fedelmente la realtà (cosa avvenuta spesso nella storia della scienza), forse perché le variabili in gioco sono una moltitudine, forse perché il tutto avviene a profondità inaccessibili per l’uomo e per i suoi strumenti.
Cosa si intende però quando si parla di previsione di un evento? Sinteticamente, definire dove questo evento avverrà, che energia libererà e quando avverrà. Ai primi due quesiti i geologi hanno già da tempo risposto ed infatti noi sappiamo dove avverranno i terremoti (zone sismiche) ed anche che energia libereranno (magnitudo attesa e massima oscillazione del terreno attesa). Non sappiamo quando precisamente ciò avverrà, ma le risposte ai primi due quesiti sarebbero da sole più che sufficienti per consentire di ridurre al minimo il rischio sismico, soprattutto nelle nuove costruzioni, grazie alle conquiste della ingegneria antisismica.

Il triangolo, parzialmente risolto, della previsione

Vediamo però ora a che punto è la ricerca scientifica sul tema dei precursori sismici.
Secondo la teoria, ancora ad oggi valida, del rimbalzo elastico (Elastic rebound theory) di Reid, un sismologo, elaborata studiando il terremoto di San Francisco del 1906, il terremoto consiste in un veloce rilascio elastico dell’energia che si è accumulata nelle rocce (litosfera) sottoposte a forze che risiedono nel mantello (astenosfera). Tali forze deformano le rocce della litosfera; superata, in un determinato punto dell’area deformata, la soglia di resistenza della roccia si genera una faglia che si propaga velocemente al resto dell’area deformata. Le rocce deformate, nel recuperare la posizione originaria precedente alla deformazione, rilasciano l’energia accumulata (figura 10). La frattura si origina in un punto di debolezza del volume deformato e si propaga nella roccia ad una velocità inferiore a quella delle onde sismiche.

Schema della teorica del rimbalzo elastico

Nello studio dei fenomeni premonitori i sismologi usano quello che viene chiamato “approccio previsionale di tipo probabilistico”: ovvero, il monitoraggio dei fenomeni premonitori deve poter indicare la probabilità che un evento sismico si verifichi in un dato intervallo di tempo e in un data area. Ovviamente, e questo purtroppo ad oggi ancora non si è verificato, per poter essere efficace, la probabilità di previsioni sbagliate e/o mancate deve essere bassissima.
Lo studio dei fenomeni premonitori si basa sul modello di Nur del 1972 sulla genesi del terremoto, fondata sulla teoria del rimbalzo elastico: un modello, come noto, è una rappresentazione, in questo caso fisico – matematica, di quello che avviene nell’ipocentro prima, durante e dopo il terremoto. Se il modello non rappresenta la realtà tutte le conclusioni da esso discendenti saranno ovviamente errate: da questo si comprende come sia importante costruire un modello efficace.

Schema del modello di Nur per spiegare i terremoti
σeff = sforzo efficace
σapp = sforzo applicato
X = terremoto
Linea rossa = variazione del punto di rottura della roccia
Linea blu = variazione rapporto sforzi efficaci/sforzi applicati nei tre stadi previsti dal modello

Quali stadi prevede quindi questo modello?
- Stadio 1 – lo sforzo applicato aumenta e provoca una deformazione crescente. Il punto di rottura della roccia non cambia
- Stadio 2 – compaiono le prime microfratture che sono invase dai fluidi presenti nella roccia (essenzialmente acqua). Di conseguenza la pressione di tali fluidi diminuisce (perché “si allargano” analogamente a quanto avviene in un treno pienissimo di pendolari: alla discesa di alcuni di questi, il contatto tra i restanti pendolari si allenta) e parallelamente aumenta la pressione efficace (cioè quella tra le particelle della roccia: se diminuisce l’acqua nella roccia, le particelle si “toccano” meglio). Inoltre, aumentando la pressione efficace aumenta la resistenza della roccia alla rottura (se le particelle di roccia si toccano meglio, resistono di più alla rottura). L’aumento dei vuoti (provocato dalle microfratturazioni) provoca una diminuzione della velocità delle onde P (le onde P sono più lente dove vi sono fratture e la roccia è meno densa) mentre non influisce sulla velocità delle onde S per cui il rapporto velocità onde P/velocità onde S diminuisce
- Stadio 3 – l’aumento della resistenza della roccia rallenta il processo di microfratturazione ed il richiamo di fluidi dalle zone circostanti provoca un aumento della pressione neutra (quella dei fluidi si chiama pressione neutra perché agisce allo stesso modo in tutte le direzioni). Parallelamente diminuisce quindi lo sforzo efficace (perché ora le particelle di terreno si “toccano” meno) e di conseguenza anche la resistenza della roccia alla rottura. Ma nel frattempo lo sforzo applicato è aumentato: quando la curva che correla sforzo applicato e sforzo efficace incontra quella che esprime la variazione della resistenza della roccia si ha la fratturazione e quindi il terremoto.
Sulla base di questo modello e degli effetti ipotizzati, ad oggi, in varie parti del mondo (particolarmente Cina, USA, Turchia), sono stati studiati, con risultati nulli, i seguenti fenomeni premonitori.

Variazione del rapporto velocità onde P/velocità onde S
E’ osservabile principalmente per terremoti con ipocentro posto a profondità inferiori a 10 km ed in rocce poco porose: sarebbe quindi possibile applicarlo per la maggior parte dei terremoti appenninici che si verificano a basse profondità ed in rocce calcaree.
Nel secondo stadio del modello di Nur, l’aumento delle microfratturazioni comporta una diminuzione della velocità delle onde P mentre la velocità delle onde S rimane costante e quindi il rapporto velocità onde P/velocità onde S diminuisce: questa diminuzione è dell’ordine del 10-15%. Poco prima del terremoto il rapporto aumenta per tornare ai valori originari. Questa misura potrebbe essere effettuata utilizzando sorgenti sismiche artificiali come si fa usualmente nelle prospezioni geotecniche (masse battenti sul terreno, piccole cariche di esplosivi, ecc.)

Deformazioni del suolo
Nel II stadio del modello di Nur il suolo dovrebbe subire un rigonfiamento (per le microfratturazioni che aumentano lo spazio occupato dalle rocce), che dovrebbe arrestarsi ed invertirsi nel III stadio. Questo segnale sarebbe di facile determinazione tramite l’utilizzo di capisaldi geodetici o anche se fosse possibile accedere alle banche dati mondiali, a pagamento, come quella della NASA che giornalmente, con i propri satelliti, sorvola tutto il globo e rileva anche questi dati.

Variazioni concentrazioni 222Rn (radon)
Su questo elemento si è generata una gran confusione negli ultimi tempi. Il 222Rn è un elemento radioattivo della famiglia dell’238U (uranio). Viene normalmente emesso da tutti i tipi di rocce man mano che si forma nel processo di decadimento radioattivo. La sua emissione dovrebbe aumentare nel II stadio del modello di Nur a causa delle microfratturazioni che comportano un aumento della superficie libera di roccia da cui è prodotta l’emissione di radon. Potrebbe essere facilmente monitorato tramite l’utilizzo dei pozzi per acqua o anche direttamente dal terreno con apposite strumentazioni che penetrano per i centimetri necessari.
La confusione è legata al fatto che, soprattutto sui media, si è fatta l’ardita equazione “più radon = terremoto imminente” cosa che, come si sarà capito leggendo queste pagine, non è stata scientificamente provata.

Variazioni della resistività elettrica
La resistività elettrica esprime la resistenza di un materiale ad essere attraversato da una corrente elettrica: più è bassa più la corrente passa agevolmente. Nell’acqua naturale, essendo ricca di ioni (piccole cariche elettriche molto mobili), la resistività è più bassa delle rocce. Le microfratturazioni e la loro invasione da parte dei fluidi contenuti nelle rocce comporta pertanto una diminuzione della resistività: tale diminuzione nel modello di Nur è continua e si arresta nel momento del terremoto. Potrebbe essere agevolmente misurata tramite le sofisticate strumentazioni di cui disponiamo e che utilizziamo per le cosiddette prospezioni di tipo geoelettrico.

Microsismicità
Anche su questo aspetto si è fatta in questi anni una gran confusione: tra i non addetti ai lavori si ritiene, in modo del tutto errato, che un cosiddetto sciame sismico sia prognostico di un terremoto devastante. Questo negli ultimi anni si è verificato solo in occasione del terremoto de L’Aquila, ma ricorderemo che il terremoto dell’Emilia e quello di Amatrice non sono stati preceduti da sciami sismici. E vi sono decine di casi (si veda nel seguito) di importanti sciami microsismici che poi non sono terminati con un terremoto importante.
Ma torniamo al modello di Nur per capire cosa dovrebbe accadere in teoria e purtroppo mai verificato scientificamente.
La microsismicità è quello costituita dai terremoti di bassa magnitudo e quelli da considerare sono quelli con M≤3.
Secondo il modello di Nur si ha una prima fase con diminuzione del numero di microscosse, causata dall’aumento della pressione efficace e della resistenza della roccia nel II stadio del modello. Quindi si ha una seconda fase con aumento del numero di microscosse che precedono il terremoto (perché la resistenza della roccia diminuisce per l’invasione dei fluidi e si generano molte microfratturazioni). Tale aumento avviene nel III stadio del modello di Nur in cui la pressione neutra aumenta e diminuisce la resistenza della roccia.
Come abbiamo potuto appurare in molti casi, però, spesso l’aumento della microsismicità non segnala quasi mai l’imminente terremoto di maggiori proporzioni.

Alcuni esempi di sciami sismici che non si sono conclusi con terremoti importanti
Si riportano solo alcuni dei casi di importanti sciami di microterremoti che non sono sfociati in terremoti di elevata magnitudo per evidenziare come sia complessa la situazione.
GUBBIO
Dall’agosto del 2013 al dicembre del 2014 sono stati registrati oltre 15.000 scosse con magnitudo media pari a 2.1
SAN DONATO VAL DI COMINO
Nell’agosto del 2013 sono state registrate 60 scosse con magnitudo prevalentemente compresa tra 1.0 ed 1.5
CAMPOLI APPENNINO
Nell’ottobre del 2009 sono state registrate quasi 400 scosse con magnitudo media pari a 1.1

*geologo

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