La previsione dei terremoti

Gli avvenimenti che hanno colpito l’Emilia nel maggio 2012 ripropongono un interrogativo permanente, e mai totalmente archiviato nell’opinione pubblica e nei media: si possono prevedere i terremoti?

Normalmente, nella scienza, la previsione di un fenomeno è correlata alla conoscenza del fenomeno stesso ed all’osservazione delle condizioni iniziali che lo generano e delle regolarità temporali che lo distinguono. Il legame necessario tra conoscenza e prevedibilità di un evento vale anche nel caso dei terremoti, dove non sono note molte condizioni iniziali del fenomeno ed appaiono incompleti i dati e modelli concernenti movimenti sismici collegati che di per sé presentano regolarità fortemente caotiche e non lineari.

Ovviamente, fenomeni come i sismi, che risultano completamente avulsi da osservazioni saltuarie o superficiali, possono rivelare importanti “segnali” caratteristici se lo studio si incentra sulle micro-oscillazioni o micro-spostamenti della crosta terrestre e sui relativi sbalzi di temperatura, tensione elastica e pressione che pur si verificano in una materia che all’esterno appare in quiete. Sono proprio certe situazioni di apparente tranquillità dei sistemi fisici ad incubare in un tempo relativamente breve evoluzioni anche incontrollabili e non facilmente interpretabili.

Il terremoto è un evento “cooperativo” risultante da una transizione critica che avviene per effetto di condizioni particolari che rapidamente si trasformano da microscopiche a macroscopiche: così, rilevazioni della crosta terrestre svolte a notevole distanza di tempo, e prive di continuità strumentale, ben raramente si rivelano efficaci per “sorprendere” eventi significativi di un sisma in “preparazione”, quindi ben poco si può dire sul “perché” il terremoto ed il suo rischio distruttivo rischiano di prodursi finché si ignora il “come” i fenomeni sismici ed i loro correlati si concatenano nel tempo.

I movimenti sismici sono difficili da percepire data la non perfetta elasticità della Terra. Ciò rafforza quanto detto in precedenza: tanto elevata è la difficoltà a registrare di continuo macro-spostamenti della crosta terrestre, tanto più si rivela al contrario realizzabile una percezione organizzata dei micro-movimenti che avvengono nella viscosità della Terra. Quando all’interno di queste minime cessioni del mezzo terrestre si alzano tensioni e si manifesta appieno l’elasticità, ecco allora che il limite di rottura viene superato ed una larga zona sismica di deformazione, normalmente equivalente a circa 25 km di sfera intorno all’epicentro del terremoto, si rivela attraverso movimenti superficiali. Prima del terremoto, si possono esperire misure geodetiche continue per seguire i movimenti profondi della crosta terrestre, la sua viscosità ed i micro-fenomeni anelastici; a terremoto iniziato, le misure superficiali della zona-catastrofe sono sufficienti a descrivere le deformazioni della crosta, a rivelare l’elasticità di rottura.

Talvolta, anche in Italia, la registrazione di micro-fenomeni di scorrimento degli strati sotterranei lungo superfici di frattura ha condotto ad evidenziare cambiamenti di inclinazione nei movimenti sismici che, alternandosi violentemente, suggeriscono una catastrofe (pur non definibile nel breve termine). Attenzione! Alcuni movimenti della crosta terrestre associabili ad un terremoto sono talvolta movimenti causati da un terremoto e successivi ad esso. Rimane difficile distinguere il prima ed il dopo dei vari componenti del fenomeno. In taluni terremoti della storia italiana una modifica di inclinazione geografica (verso NW, ad esempio) combinata con una spinta di sollevamento del terreno in direzione opposta, può produrre scosse lievi di carattere strumentale ma che progressivamente aumentano di frequenza fino all’evento violento.

In linea generale, l’energia di una scossa di terremoto può essere espressa dalla formula

 

E = 4п³ ρ vt (x/Т)²Δ²

 

dove  ρ è la densità del mezzo, v è la velocità delle onde sismiche (longitudinali o trasversali), t è la durata in secondi del treno d’onda alla distanza Δ mentre Т è il periodo dell’onda ed x è l’ampiezza relativa.

 

 

La scossa principale di terremoto presenta una energia così rappresentabile:

 

lg E = 11.7 + 3.2 lg10 ((r1² / h)  + h)

 

dove r1 è la distanza dall’epicentro al limite di percettibilità microsismica ed h è la profondità dell’epicentro.

Molti sintomi possono associarsi a movimenti non di routine della crosta terrestre. Uno di essi è la inquietudine sismica. Questa non va confusa con i movimenti dei microsismi ordinari, come quelli provocati dagli agenti meteorologici sui mari etc…, ma rappresenta piuttosto una fonte di tensioni disordinate, fortemente alternate ed intermittenti in atto sui mezzi sottostanti la cui verticale rispetto alla superficie terrestre risulta deformata. L’inquietudine sismica non sfocia normalmente in terremoto, essendo essa compatibile con uno stato di equilibrio privo di frattura. Una fattura plastica che conduce al sisma non è confrontabile con lenti movimenti elastici della parte superficiale del suolo.

Le origini dei terremoti possono essere assai diverse.

Nei casi della costruzione di dighe, si verifica una diminuzione sensibile ed irreversibile della velocità delle onde sismiche elastiche (che può anche più che dimezzarsi) con una forte perturbazione del campo elastico e numerosissime microscosse. Si tratta qui di terremoti determinati da intervento umano.

Il rapporto tra velocità delle onde sismiche primarie P e delle onde secondarie S varia in prossimità di eventi distruttivi e diminuisce per la forte contrazione di velocità delle onde P. In realtà questo rapporto va misurato non solo nel tempo ma anche nello spazio, poiché strati successivi evidenziano rapporti diversi e le proprietà del mezzo all’epicentro del terremoto possono subire variazioni. In questo caso si verifica probabilmente un aumento della fratturazione della roccia per incremento di compressione tettonica e maggiore porosità del mezzo. Questo processo di espansione comprime il mezzo fratturato chiudendo i pori e facendo risalire la velocità P prima dell’evento terremoto.

In prossimità di un terremoto possono variare altri valori delle rocce, ad esempio la resistività elettrica (che può diminuire), la concentrazione di radon (che può aumentare), la conduttività magnetica delle rocce legata alla porosità, le anomalie gravitazionali.

Si presume che un terremoto segua comunque un’espansione del terreno in cui si manifesta ed un successivo abbassamento di quest’ultimo che progredisce con andamento esponenziale qualche tempo dopo l’evento. Tanto più lungo è il periodo d’espansione, tanto maggiore è il volume espanso e tanto più intenso è il terremoto. Quanto tempo è necessario per una magnitudo M? Per alcuni terremoti giapponesi si è ottenuto una relazione:

 

Log t = 0,80 M – 1,92

 

Sulla distribuzione regionale dei terremoti vale di solito una relazione che lega il numero dei terremoti di una zona con una variabile b di sismicità accoppiata con le magnitudo registrate

 

Log N = a – bM

 

Un valore basso di b implica un numero basso di terremoti poco intensi. Il numero di piccoli eventi dovrebbe decrescere prima di una scossa maggiore. Le microscosse si dovrebbero concentrare lungo la superficie di faglia dove si verificherà la massima rottura. I valori di b dovrebbero diminuire fortemente qualche giorno prima del terremoto, per crescere improvvisamente con quest’ultimo.

Considerando l’insieme dei precursori stimati per un evento sismico e “frugando” nel “catalogo” storico dei fenomeni, si possono elaborare degli algoritmi, in particolare CN ed M8, che forniscono la crescita delle probabilità di occorrenza dell’evento e la sua magnitudo. Questi algoritmi sono molto precisi e possono raggiungere una verosimiglianza prossima al 100%.

I terremoti possono essere messi in relazione con le cinture sismiche e le placche tettoniche. Gli epicentri risultano concentrati in tre cinture principali: la circum-Pacifico, la Alpide (dalle Azzorre al SE Asiatico) e le dorsali sommerse.Le cinture presentano delle brecce fucine di futuri grossi terremoti (vedi Alaska e Isole Commander). Le autorità cercano di delimitare zone potenzialmente sismiche. Ai bordi di placche tettoniche si cerca di definire le relazioni tra terremoti ed i loro tragitti di migrazioni. Alcune migrazioni sono avvenute tra Giappone ed Alaska o dall’America centrale al Cile meridionale. Le velocità di tali migrazioni sono ritenute maggiori di 150km all’anno. Un ciclo di rottura sembra esaurire la sua attività intensiva da 6 ad 8 anni.

In finis si può dire che le osservazioni delle zone sismiche devono riguardare, per una ricostruzione dei dati sulla zona, molti parametri alcuni dei quali strettamente legati: dalla variazione della verticale alle microscosse, dalle variazioni di livello alle misure estensimetriche, dalle misure di velocità delle onde P ed S ai mutamenti di resistività elettrica e di campo magnetico, dai movimenti delle faglie alla concentrazione del radon, dal livello delle acque sotterranee all’inquietudine sismica. I parametri di interesse per una gestione dell’informazione sui terremoti sono quindi numerosi e rilevanti ma essi vanno sempre considerati quali fatti dinamici, ad esempio le faglie possono divenire invulnerabili all’osservazione (“cieche”) oppure scomparire nelle profondità marine. Le faglie (che in Italia si concentrano ai piedi delle Alpi meridionali e dell’Appennino sotto la pianura padana per continuare su questa dorsale attraverso l’Adriatico e fino allo Stretto di Messina, alla Sicilia orientale e al Gargano e Tirreno meridionale) sono realtà particolari, largamente inconfrontabili viste le dimensioni che possono variare tra il millimetro e le migliaia dei chilometri lungo la frattura di Sant’Andrea o le regioni del Pacifico. Il geologo utilizza sempre strumenti correlati a realtà particolari, dalla tettonica alla geomorfologia all’analisi di sottosuolo e delle deformazioni delle rocce.

Difficile, se non impossibile, cercare di prevedere terremoti con l’esame delle crepecciature di roccia, pur quest’ultimo fenomeno essendo prevedibile: troppo diverse sono le cinture sismiche e le loro complicazioni geologiche e tettoniche. Il terremoto è fenomeno prodotto attraverso un limite critico: ma questo limite può consistere in fenomeni di scarso rilievo assoluto quali variazioni della pressione atmosferica, piovosità prolungata, maree ed impercettibili movimenti elasto-plastici ed alterazioni tettoniche. Nel voler prevedere un solo grosso evento si dimentica che quest’ultimo non libera grande parte delle tensioni accumulate. Più eventi distruttivi possono dilazionarsi in epicentri vicini. Se le profondità degli epicentri superano i 30 km ogni correlazione stabilita tende a svuotarsi di significato. I terremoti più disastrosi hanno profondità di centinaia di chilometri.

Ogni terremoto può trovare anche condizioni che amplificano la velocità delle onde sismiche e che normalmente vengono definite effetti di sito. Si tratta di strutture sedimentarie nella parte superficiale del terreno, fatte di strati più rigidi e più scelti, che amplificano l’ampiezza delle onde portando queste ultime ad entrare in risonanza.

Alcune previsioni, in mancanza di elementi precursori, possono fare uso di modelli probabilistici stabilendo leggi di accumulo delle tensioni nel tempo. Ma tali metodi hanno significato solo se perdono la causalità e diventano completamente dinamici. Le condizioni di un fenomeno tendono ad essere infinite ed impediscono ogni previsione esatta.

Il dove, l’intensità ed il quando un terremoto si potrà verificare non è alla portata attuale della scienza. I dati che mancano per arrivare ad un traguardo del genere sono però ben più conosciuti di ieri. Maggiori le informazioni raccolte sulla fisica della Terra, più precisa la funzione di previsione delle catastrofi: la quale, pur non essendo indicativa di momenti e luoghi certi degli eventi, avviluppa i fenomeni storici e le dinamiche attuali in un continuo rigiro di condizioni. Alla fine, i terremoti sfuggiranno al carattere illimitato di impotenza umana. Prepararsi, per un atleta, significa già gareggiare.