Alla Linea di Attività “Ricerca Terremoti” contribuiscono Ricercatori, Tecnologi e Tecnici di differenti settori disciplinari, che spaziano dalla sismologia alla geofisica, geologia, geodesia, geochimica, sino alla ingegneria sismica e matematica applicata.
Le ricerche sono incentrate su attività tecnico-scientifiche inerenti al campo delle Geoscienze, il cui focus principale è lo studio dei fenomeni sismici nella loro totalità, comprendendo sia la ricerca teorica di base che quella sperimentale basata su sviluppo tecnologico, osservazioni sul campo ed esperimenti di laboratorio, analisi e simulazioni al computer.
È proprio nel campo della scienza computazionale “High Performance Computing”, che si aprono nuove sfide per lo studio di terremoti e tsunami, oltre che dell’interno della Terra, valorizzando al massimo dati e osservazioni raccolte dalle reti di monitoraggio.
Il sistema di monitoraggio dell’INGV, e quello osservativo nel suo complesso, è estremamente diversificato, essendo costituito dalle reti sismiche, geodetiche e geochimiche a scala regionale e locale, da laboratori analitici e sperimentali, dati di telerilevamento e di rilevamento geologico. Il Dipartimento Terremoti svolge quindi un ruolo chiave nella comunità italiana delle Geoscienze, rendendo accessibili mediante il paradigma dell’Open Data i dati multidisciplinari di alta qualità prodotti.
La Linea di Attività Terremoti, oltre ai compiti fondamentali della ricerca, ha tra i suoi obiettivi anche la promozione della Terza Missione, attraverso la valorizzazione e il trasferimento dei risultati della ricerca e tecnologici a servizio della società, fornendo supporto alle attività della Linea “Servizi e Ricerca per la Società”. Il Dipartimento Terremoti, nel suo ruolo di centro di competenza del DPC responsabile del monitoraggio sismico e da tsunami del territorio nazionale, ha maturato competenze e strategie per svolgere il compito di servizio pubblico, rendendo disponibili in varie forme i risultati delle ricerche condotte dall’ente per una sempre più precisa e tempestiva informazione scientifica.
La Linea di attività “Ricerca Terremoti” è articolata in nove Aree Tematiche che rappresentano complessivamente le
37
ricerche svolte. Per tener conto delle nuove attività progettuali avviate nel Dipartimento, rispetto allo scorso anno alcune di esse sono state ampliate ed è stata aggiunta una nuova tematica dedicata alla “Geochimica dei fluidi applicata allo studio e al monitoraggio di aree sismiche”.
Parte delle attività di ricerca sono finanziate da progetti interni ed esterni sia nazionali che internazionali, ottenuti attraverso call competitive con solidi accordi di collaborazione con numerosissime istituzioni.
Organizzazione della linea di attività
La collaborazione tra le Aree Tematiche è essenziale per aggregazioni e sinergie volte alle integrazioni delle competenze.
Le nove Aree Tematiche che includono tutte le ricerche svolte, caratterizzate da un forte contenuto innovativo e interdisciplinare, sono: 1) Struttura della Terra; 2) Deformazione crostale attiva; 3) Fisica dei Terremoti e Sorgente Sismica;
4) Sismicità dell’Italia; 5) Sismologia, geofisica e geologia per l’ingegneria sismica; 6) Studi di pericolosità sismica e da maremoto; 7) Variazioni delle caratteristiche crostali e precursori sismici; 8) Sismologia in Tempo Reale e Early Warning Sismico e da Tsunami, 9) Geochimica dei fluidi applicata allo studio e al monitoraggio di aree sismiche.
La trasversalità e cooperazione tra i tre Dipartimenti dell’Ente favorisce lo sviluppo di ricerche che confluiscono in ulteriori due tematiche trasversali denominate: 1) Ricostruzione e modellazione della struttura crostale e 2) Studi per le georisorse.
L’impegno temporale dedicato dai Ricercatori e Tecnologi alla linea “Ricerca-Terremoti” nel 2020 è stato di 2900 mesi-persona, pari al 26.7% del totale.
Gli avanzamenti scientifici conseguiti sono stati raccolti in 222 pubblicazioni JCR, con una media di 35.8 pubblicazioni JCR/FTE (Full Time Equivalent) / anno, questo nonostante il Personale ricercatore e tecnologo sia fortemente impegnato nel mantenimento delle Reti di Monitoraggio e delle Infrastrutture del Dipartimento.
Figura 2.1.7 Mappa delle profondità assolute delle discontinuità sismiche del mantello superiore (660 e 410) e dello spessore della zona di transizione al di sotto dell’Argentina occidentale-Cile centrale (inserto superiore), calcolate tramite lo studio delle fasi convertite Ps. I risultati sono ottenuti dall’analisi in tre bande di frequenza: 0.02–0.08Hz (pannelli superiori), 0.02–0.12Hz (pannelli centrali), e 0.02–0.2Hz (pannelli inferiori). Le isolinee rappresentano la profondità dello slab secondo il modello di Hayes et al. (2012). I cerchi mostrano la posizione dei bin di Common Conversion Point (CCP) utilizzati per l’interpolazione – la posizione di ogni bin è ottenuta dalla media delle coordinate dei piercing points che cadono all’interno del bin (da Bonatto et al., 2020, https://doi.org/
10.1029/2020JB019446).
T1 Struttura della Terra
Lo studio della struttura della terra e dei processi geodinamici a grande scala rappresenta la sintesi delle conoscenze che derivano dalle attività di ricerca di questa tematica, integrate con le attività osservative e sperimentali condotte grazie alle infrastrutture dell’Ente. Questa tematica si basa sull’integrazione di diverse discipline di base, quali geofisica, geologia, geochimica, geodesia, fisica, matematica e scienze computazionali, che consentono lo studio della reologia, la modellazione della propagazione delle onde sismiche, la tomografia della litosfera e del mantello. Le attività sperimentali di laboratorio sono parte fondamentale di questa tematica, consentendo la verifica o lo sviluppo di nuovi modelli.
T2 Deformazione crostale attiva
Lo studio della deformazione e dei processi tettonici attivi fornisce il quadro di riferimento per la comprensione dei meccanismi geodinamici che governano la sismicità. Obiettivi di questa tematica sono la ricostruzione del campo di sforzo e deformazione attuale e le relazioni con la sismicità, come pure, a scala più piccola, l’individuazione e caratterizzazione di faglie sismogenetiche attraverso evidenze sismologiche, geodetiche, geologiche, geomorfologiche e geochimiche. Tali studi si basano sulle reti osservative e di monitoraggio, sulle nuove tecnologie di rilevamento dallo spazio, su osservazioni di terreno e analisi di dati di sismica attiva multiscala.
T3 Sorgente Sismica
Lo studio della sorgente sismica ha l’obiettivo di migliorare lo stato delle conoscenze sugli aspetti legati al verificarsi di un terremoto, dalla sua generazione alla evoluzione spazio-temporale di una sequenza sismica, sino allo sviluppo dei fenomeni indotti (es. maremoto). Questa tematica include: studio e sviluppo di modelli di nucleazione, cinematica e dinamica della sorgente, propagazione e arresto della rottura: modellazione dei processi post– ed inter–sismici, analisi multidisciplinari che integrano dati geologici, sismologici, geodetici, studi sulla generazione e propagazione dei maremoti.
I risultati degli esperimenti condotti nei grandi Laboratori dell’INGV, quali ad esempio, quelli sulla fratturazione delle rocce o sulle caratteristiche reologiche della crosta nelle zone sismogenetiche, concorrono in modo sostanziale al raggiungimento degli obiettivi di questa tematica. (Aretusini S., Meneghini F., Spagnuolo E., Harbord C., Di Toro G., 2021. Fluid pressurisation and earthquake propagation in the Hikurangi subduction zone. Nature Communications, NCOMMS-20-27700B).
Figura 2.1.8 Ricostruzione tridimensionale della struttura crostale di un’area del centro Italia, che ha permesso di confermare la
“riattivazione negativa” di un vecchio sovrascorrimento appenninico come sorgente del terremoto di Norcia del 2016 (da Buttinelli et al., 2021,
https://doi.org/10.1016/j.tecto.2021.228861).
Questa ricostruzione è uno dei principali risultati del progetto RETRACE-3D, frutto di una collaborazione tra INGV, DPC, ISPRA e CNR.
39
T4 Sismicità dell’Italia
La caratterizzazione della sismicità nell’area Euro-mediterranea è un contributo essenziale per la comprensione dei processi sismogenetici che avvengono in Italia, la cui applicazione finale riguarda anche le analisi di pericolosità sismica. La descrizione spazio-temporale della sismicità si basa principalmente su ricerche di sismologia strumentale e storica, quest’ultima ulteriormente estesa verso il passato attraverso indagini archeo- e paleosismologiche. Questa tematica include studi multiscala basati, per la parte strumentale recente, sui dati di monitoraggio della rete sismica nazionale, ma anche delle sotto-reti regionali, incluse le reti mobili temporanee, che consentono una caratterizzazione di dettaglio della sismicità a scala locale; in tale ambito rientrano anche studi metodologici in altre aree del mondo, che possono avere applicazioni nel territorio italiano. La grande quantità di dati disponibili verrà analizzata anche attraverso l’applicazione delle più recenti tecniche di Machine Learning.
T5 Sismologia, geofisica e geologia per l’ingegneria sismica
L’ingegneria sismica ha un ruolo essenziale nella società ai fini della progettazione edilizia e pianificazione urbanistico/territoriale. Questa tematica ha un grande impatto e un notevole potenziale di sviluppo per il territorio italiano, caratterizzato da un ineguagliabile patrimonio storico-artistico e da tipologie edilizie che richiedono interventi antisismici differenti e altamente specialistici. Contributi fondamentali a questa tematica derivano dallo sviluppo di leggi predittive del moto del suolo, dallo studio degli effetti di sito e di near-source (es. fenomeni di direttività, registrazioni impulsive), da simulazioni di mappe di scuotimento. Rientrano in tale ambito anche gli studi di microzonazione sismica, che permettono di caratterizzare a scala locale la struttura del sottosuolo (terreni di fondazione) e l’influenza che essa ha sulla propagazione delle onde sismiche (risposta di sito).
Figura 2.1.9 Confronto delle aree con livello di allerta “rosso” (watch) per massimo run-up (R*d) di 10 metri, e mappe di inondazione ottenute per diversi percentili dell’incertezza epistemica della pericolosità da tsunami di origine sismica (SPTHA), e differenti periodi di ritorno medi (ARP = 2,500; 25,000; 100,000 anni) nelle zone costiere di Catania (A, C, E) e Siracusa (B, D, F) (da Tonini et al., 2021, https://doi.org/10.3389/feart.2021.628061).
T6 Studi di pericolosità sismica e da maremoto
Lo sviluppo di modelli di pericolosità sismica e da maremoto, sia a lungo che a medio-breve termine, si basa sull’integrazione multidisciplinare dei più recenti avanzamenti scientifici in campo sismologico, geologico, geodetico e modellistico-statistico (per es. modelli delle distribuzioni frequenza-magnitudo, incertezze aleatorie ed epistemiche, modelli di aggregazione delle probabilità, analisi di disaggregazione e sensitività). I modelli di pericolosità nascono come prodotti di ricerca tematica che sperimentano anche metodologie e approcci innovativi; la validazione scientifica di questa tipologia di prodotti è parte essenziale del percorso che consente di mettere a disposizione della Società civile strumenti per l’utilizzo delle stime di pericolosità (es. mappe e grafici) in una vasta gamma di applicazioni volte al perfezionamento della conoscenza e mitigazione dei rischi associati ai terremoti.
Questa tematica include studi che spaziano dalla scala globale e di interi continenti - particolarmente quella Euro-Mediterranea - a scala nazionale, sino ad ambiti regionali o locali.
T7 Variazioni delle caratteristiche crostali e “precursori” sismici
Lo studio dei fenomeni preparatori di un terremoto è un tema di ricerca particolarmente rilevante e di avanguardia. In passato si è tentato di identificare a-posteriori, senza risultati univoci degni di rilievo, i fenomeni che potessero essere riconosciuti come preparatori all’evento sismico. Oggi l’avanzamento delle conoscenze, soprattutto quelle tecnologiche grazie anche allo sviluppo di reti osservative in tempo reale, permettono di monitorare con grande dettaglio le variazioni dei parametri fisico-chimici che avvengono nella crosta terrestre, osservazioni che stanno alla base dello sviluppo di nuovi modelli. A titolo di esempio, le ricerche sismologiche di frontiera in questo ambito includono lo studio del ruolo dei fluidi nella sismogenesi condotto a differenti scale (dal laboratorio agli esperimenti in laboratori sotterranei naturali), oppure le osservazioni condotte dallo spazio. La missione ESA Swarm di tre satelliti e la missione satellitare cinese CSES in orbita intorno alla Terra sembrano confermare l’ipotesi di un accoppiamento elettromagnetico tra terra solida e ionosfera prima e durante forti terremoti.
T8 Sismologia in Tempo Reale e Early Warning Sismico e da Tsunami
La mitigazione del rischio sismico è strettamente legata alla velocità ed affidabilità con cui le elaborazioni vengono prodotte dai sistemi di analisi dei dati sismici in tempo reale; in alcuni casi, essi possono fornire una allerta alcuni secondi prima dell’arrivo delle onde sismiche o perfino molti minuti/ore prima dell’arrivo delle onde di tsunami. La rapida discriminazione dei tipi di segnali sismici e il calcolo affidabile dei parametri dei terremoti calcolati è fondamentale per identificare gli eventi potenzialmente pericolosi e comunicare tempestivamente alle autorità competenti il rischio connesso. Questo campo di ricerca in crescita unisce l’analisi dei segnali sismici, la sismologia computazionale ad alte prestazioni High Performance Computing (HPC), le tecniche di monitoraggio e le tecnologie di Intelligenza Artificiale e dell’informazione, per applicazioni di Early Warning Sismico e da Tsunami.
T9 Geochimica dei fluidi applicata allo studio e al monitoraggio di aree sismiche
Sono in corso attività di studio della geochimica dei fluidi (acque e gas) nelle aree dell’Appennino centro-meridionale e in Sicilia per la definizione di modelli che possano meglio comprendere l’origine dei fluidi, le dinamiche di trasferimento dei fluidi attraverso la crosta e il loro ruolo nei processi sismogenetici. A supporto di queste attività, si stanno sviluppando studi sperimentali di carattere multidisciplinare, che possano iniziare a chiarire le relazioni tra le deformazioni di volumi di roccia e il degassamento terrestre. Tutte queste attività sono propedeutiche all’uso dei dati geochimici acquisiti in continuo con l’impiego di stazioni di monitoraggio geochimico. L’approccio è stato testato ed è in corso di implementazione nell’area dell’Infrastruttura TABOO Near Fault Observatory
Un esperimento interessante per studiare in aree sismiche la circolazione di geofluidi e la deformazione crostale sismica o asismica è in svolgimento presso la Valle del Belice, una regione interessata dalla sequenza sismica del 1968 e da una più recente, accaduta nella seconda metà del 2020. Nel triennio di riferimento, si proseguirà il monitoraggio in tempo quasi-reale del livello piezometrico, temperatura e conducibilità elettrica, insieme a campagne di esplorazione geochimica e misure GNSS e topografiche, in punti di interesse della regione per meglio definire i rapporti tra neotettonica e carsismo.
Di seguito nella tabella e nel grafico la distribuzione dei mesi-persona 2021 nelle diverse aree tematiche per la Linea di Attività (LdA) “Terremoti - Ricerca”.
41
Aree Tematiche Dipartimento Terremoti,
LdA “Ricerca – Terremoti”
Mesi/persona non su progetti di ricerca
Mesi/persona su progetti ricerca (interni ed esterni)
Mesi/persona
(m/p) m/p in % m/p in % su totale INGV
Struttura della Terra 140 115 255 16,2 2,42
Deformazione crostale attiva 131 134 265 16,8 2,52
Fisica dei Terremoti e Sorgente
Sismica 95 66 161 10,2 1,53
Sismicità dell’Italia 178 64 242 15,3 2,30
Sismologia, geofisica e geologia per
l’ingegneria sismica 121 55 176 11,2 1,67
Studi di pericolosità sismica e da
maremoto 90 101 191 12,1 1,81
Variazioni delle caratteristiche
crostali e precursori 50 56 106 6,7 1,01
Sismologia in tempo reale e early
Warning Sismico e da Tsunami 42 78 120 7,6 1,14
Geochimica dei fluidi applicata allo studio e al monitoraggio di aree
sismiche 28 33 61 3,9 0,58
Totale 875 702 1577 100,0 14,98
Programmazione del triennio con particolare riferimento al 2021
All’interno di questa Linea vengono individuati tre obiettivi strategici a carattere multidisciplinare. Alla loro realizzazione concorrono anche le attività svolte all’interno delle Tematiche Trasversali dei tre Dipartimenti e prevedono un esteso coinvolgimento delle infrastrutture dell’Ente. L’obiettivo prevalente è il raggiungimento di risultati tecnico-scientifici che possano essere trasferiti alla Società in termini di conoscenza e informazioni tempestive, immediatamente accessibili a tutti gli stakeholder.
Obiettivo RT1: Struttura 3D dell’Italia, vede la ricostruzione dell’anatomia del nostro paese, dalla superficie terrestre al mantello. Un mosaico composto da piccoli e grandi tasselli, che descrivono anche un singolo aspetto o una piccola porzione di territorio e del suo sottosuolo, che si concretizza attraverso la sistematizzazione delle conoscenze attuali e lo sviluppo di nuove. Le metodologie utilizzate sono molteplici e spesso trasversali ai Dipartimenti. Contributi a questo obiettivo derivano da molte delle tematiche di questa linea; fondamentale è certamente l’input che deriva dalla conoscenza e caratterizzazione della sismicità dell’Italia e dalla Tematica di Ricerca Trasversale ai Dipartimenti” Ricostruzione e modellazione della struttura crostale”.
Obiettivo RT2: Fisica dei Terremoti e Sorgente Sismica, copre dall’osservazione multiscala ai modelli numerici e agli esperimenti di laboratorio. L’avanzamento scientifico e lo sviluppo tecnologico avvenuti negli ultimi decenni, nonché il consolidamento dell’INGV nel settore sismologico a livello mondiale hanno creato le condizioni per rendere possibile, attraverso le infrastrutture dell’Ente, la raccolta di una enorme mole di dati e osservazioni multidisciplinari e multi-scala sui terremoti, che costituiscono una opportunità unica per investigare la sorgente sismica in tutti i suoi aspetti, e comprenderne così i meccanismi.
Obiettivo RT3: Nuove sfide, “dove e quando” avverrà il prossimo grande terremoto. È uno dei temi classici della comunità scientifica in campo sismologico, affrontato spesso con visioni e idee contrastanti che, se messe a confronto, potrebbero portare ad utili avanzamenti concettuali e metodologici. Questo obiettivo strategico vuole essere uno stimolo per i ricercatori ad intraprendere un percorso comune che includa approcci diversi e possa produrre prodotti innovativi con ricadute a beneficio della Società.
Nel 2021 su questo Obiettivo Strategico Prioritario si svilupperanno ricerche nell’ambito dei due progetti strategici istituzionali triennali che sono stati promossi nell’ambito del Dipartimento Terremoti e avviati nell’ottobre del 2020.
Per il dettaglio delle attività programmate relative alla LdA Ricerca – Terremoti si rimanda al capitolo 17.2 del Volume 2.