martedì 14 giugno 2016

Velocità GPS, tettonica e sismicità in Italia: un quadro coerente


Una delle grandi difficoltà della Geologia, almeno agli inizi, è stata quella di immaginare i grandi spostamenti della crosta terrestre, che non sono certo apprezzabili a scala umana. Gli spostamenti delle stazioni GPS costituiscono un metodo molto importante per evidenziare i movimenti attuali e hanno permesso una sostanziale conferma delle ricostruzioni geologiche, fornendo ulteriori precisazioni altrimenti difficilmente immaginabili. È da poco uscita una rivisitazione delle velocità GPS delle stazioni del territorio italiano, nella quale sono stati riesaminati i dati vecchi, sottoposti ad una nuova e più perfezionata ricalibrazione, e ne sono stati sfruttati di nuovi. Questa ricerca ha cambiato un pò le cose e fornisce lo spunto per una serie di considerazioni sulla tettonica attuale e recente dell’Italia.

Se prendiamo la Terra di solo 30 milioni di anni fa l’assetto generale dei continenti è piuttosto simile a quello odierno (anche se le loro posizioni sono leggermente diverse). Fanno eccezione alcune aree, fra le quali quella che ha la palma di essere la più irriconoscibile senza avere degli studi geologici alle spalle è il Mediterraneo occidentale, che da allora ha visto l’apertura dei vari bacini che lo compongono (Alboran, Baleari, Ligure - Provenzale e Tirrenico) e l’assemblaggio con una forte rotazione della penisola italiana. 
Ricostruire la storia dell’area mediterranea da quando iniziò nel Triassico la sua frammentazione in una serie di microplacche comprese tra l’Eurasia e l’Africa sarebbe una impresa molto difficile di suo anche senza questa frammentazione recente e le incertezze pesano anche sulla situazione odierna. Anche per questo è importante ricostruire i movimenti attuali intorno e nel Mediterraneo. 

Un ricevitore GPS su un manufatto
Fonte: INGV
UNA RIVISITAZIONE DEI DATI GPS DISPONIBILI. A questo scopo dei ricercatori del Dipartimento di Scienze della Terra dell’Università di Firenze e dell'Istituto Geografico Militare hanno determinato un nuovo campo di velocità GPS sfruttando la discreta mole di dati satellitari sulla posizione di 113 stazioni permanenti nel territorio italiano ottenuti fra il gennaio 2008 e il giugno 2014 [1]. Queste stazioni fanno parte della Rete Dinamica Nazionale (RDN) e appartengono a diversi enti pubblici quali ASI, INGV, catasto, regioni ed enti locali. L'IGM le utilizza per materializzare il sistema di riferimento nazionale.
Sono dunque 6 anni e mezzo di registrazioni continue. Annoto che sono state eliminate le dislocazioni dovute ai principali eventi sismici del periodo, questo perché in questi studi contano i movimenti e non le deformazioni. 
In cosa consiste la novità? Innanzitutto nelle misure GPS di questo tipo va risolto un fondamentale problema di misurazione: le antenne sono molto più grandi delle misure che si vogliono calcolare, che sono dell’ordine del millimetro (e anche meno!); pertanto la misura deve essere necessariamente riferita ad un punto specifico dell’antenna: oggi sono a disposizione delle ricalibrature più accurate di queste posizioni. Inoltre la NASA ha provveduto a ricalcolare anche tutte le orbite dei satelliti dagli anni ‘90 in poi. Il risultato è un quadro delle velocità un pò diverso da quello conosciuto fino ad oggi. 
Bisogna anche notare come tutte le ricerche sulle velocità GPS in Italia fino ad oggi sono state basate su misurazione di postazioni temporanee appositamente realizzate, con acquisizione di dati discontinua; in questo lavoro invece è stata utilizzata una metodologia diversa, attraverso l’utilizzo dei dati di tante stazioni fisse che li acquisicono in continuo (un dato ogni 30 secondi), fornendo una continuità temporale fino ad oggi non ottenibile. 

Iniziamo precisando cosa si intende per “velocità”: le stazioni hanno una velocità assoluta, data dallo spostamento nel reticolo geografico della superficie terrestre, ma ciò che interessa è la differenza nella velocità fra le stazioni, che varia a seconda dello scenario in esame: si definisce quindi la velocità residuale, che è la differenza fra la velocità di una stazione e quella media presa come riferimento
Se prendiamo lo scenario di riferimento dell’Europa Stabile (la parte continentale a nord del sistema Alpi - Carpazi e dei Pirenei), la velocità residuale è la differenza fra la velocità della stazione che si sta esaminando e quella della parte stabile del continente europeo (che si sposta mediamente verso NE di 2 cm/anno essenzialmente per l’apertura dell’Oceano Atlantico e del Mediterraneo occidentale e per la rotazione antioraria della penisola italiana). 
Ebbene, le stazioni dell’area mediterranea e, specificamente, dell’Italia mostrano delle velocità residuali rispetto all’Europa Stabile diverse a seconda della zona in cui si trovano, evidenziando la presenza di deformazioni in atto nell’area mediterranea; ma non solo: queste velocità residuali mostrano una grande coerenza, individuando una serie di blocchi caratterizzati da valori abbastanza omogenei, il che a sua volta evidenzia degli spostamenti fra tali blocchi.

Le velocità GPS del territorio italiano rispetto all'Europa Stabile, da [1]
LE VELOCITÀ GPS IN ITALIA. La figura qui sopra riassume il quadro delle velocità residuali rispetto a quella dell’Europa Stabile. È facile notare come l’asse appenninica costituisca un confine netto fra una zona lungo il Tirreno piuttosto stabile nei confronti dell’Europa e un settore orientale che invece presenta una decisa componente verso NE di 3–5 mm/a. Alpi Occidentali, Corsica, Sardegna e lo stesso Mar Tirreno mostrano basse velocità residuali come la fascia tirrenica (l’area coperta dal mare è stata trattata mediante una interpolazione e non con dati diretti). 
Scendendo nella penisola, la situazione rimane simile, anche se le differenze di velocità aumentano progressivamente andando verso sud fino alla Calabria, dove già articoli precedenti suggerivano che lungo quella linea in cui si allineano i terremoti più forti ci fosse un loro forte scollamento, con la parte a Est che si muove verso NE rispetto a quella lungo la costa tirrenica. 
Ma dove le velocità sono più forti è in Sicilia: come la parte antistante del continente africano, l’isola si muove verso NNW a circa 5 mm/anno rispetto all’Europa Stabile, ad eccezione della zona più nordorientale che invece si muove verso NE a circa 3.5 mm/anno come il settore tirrenico calabrese. La separazione è lungo la Linea di Taormina, che dalla cittadina jonica arriva al Golfo di Patti e rappresenta il limite fra Arco Calabro - Peloritano (l’area appenninica a sud del Pollino - quindi il settore calabrese e della parte NE della Sicilia) e la Catena Siculo - Maghrebide. Pertanto la maggior parte della Sicilia e l’insieme Calabria - Sicilia di NE si allontanano fra loro ad oltre 2 millimetri / anno in direzione EW. 

Le velocità GPS con riferimento allo scenario mediterraneo, sempre da [1]
Le frecce indicano il movimento dell'Europa Stabile in questo scenario di riferimento
È stato poi istituito un sistema di riferimento ad hoc (lo “scenario mediterraneo”), che fornisce un risultato più facilmente interpretabile per il territorio italiano: lo vediamo in quest’altra figura. Le frecce nel riquadro in basso rappresentano il movimento relativo dell’Europa Stabile, che rispetto a questo sistema di riferimento si muove verso SW. 
La catena alpina e il blocco sardo - corso si muovono verso sud, mentre buona parte della penisola si muove verso nord. 
Anche in questo caso si conferma che il confine fra i due settori nella parte settentrionale della penisola si colloca all’incirca lungo l’asse attuale della catena appenninica; poi, all’altezza delle Marche, inizia a convergere verso il Tirreno, raggiungendolo più o meno al confine fra Lazio e Campania. 

I MOVIMENTI INTORNO ALL’APPENNINO SETTENTRIONALE. In entrambi gli scenari, dunque, l’asse appenninico si dimostra uno spartiacque fra due settori a comportamento contrastante, segno che il limite di zolla che ha originato la catena è ancora attivo.
 C’è un aspetto apparentemente contraddittorio: il versante tirrenico mostra nello scenario europeo velocità simili a quelle della catena alpina mentre il versante adriatico e la pianura padana orientale hanno una velocità maggiore, pur essendo più vicini all’Europa Stabile. 

L'indentazione della placca adriatica a E delle Alpi
Questa apparente contraddizione riflette uno dei fatti principali della geologia europea, il processo, noto come indentazione della placca adriatica, con cui questa microzolla si incunea nel continente europeo: fatte le debite proporzioni, è più o meno come l’India si incunea nel continente asiatico. I risultati principali di questo sono l’allontanamento del settore carpatico da quello alpino della catena e la sismicità del Friuli (ho parlato specificamente di questa situazione geotettonica in un post dedicato al terremoto del Friuli ). 

Per quanto riguarda lo scenario mediterraneo, anche in questo caso Alpi, Sardegna, Toscana e settore tirrenico seguono più o meno la velocità dell’Europa stabile, mentre al centro della penisola non sfuggirà a chi si occupa di geologia dell’Italia come il limite fra i blocchi a comportamento diverso coincida più o meno con la linea Ancona - Anzio, il lineamento che divide l’Appennino Settentrionale da quello centrale. Un’altra caratteristica tipica intorno a questo lineamento è il comportamento verticale: la parte ad ovest è in deciso sollevamento, quella a est in abbassamento. 

Inoltre è molto probabile che la convergenza fra zolla adriatica e settore toscano della placca europea presenti una forte componente laterale e questo, se avviene da parecchio tempo, spiegherebbe fra l’altro la presenza del nucleo metamorfico apuano e della Toscana meridionale: si tratta di rocce metamorfiche che sono tornate in superficie molto rapidamente dopo il loro metamorfismo ed è un fenomeno che avviene comunemente in caso di forti trascorrenze [2]. 

I MOVIMENTI NELL’ITALIA MERIDIONALE. C’è un accordo sostanziale fra le velocità residuali ricavate in questo articolo e la sismicità dell’Italia meridionale che vediamo in questa carta, da [3]: 
  • i terremoti distensivi lungo la costa tirrenica calabrese (in nero)
  • le compressioni nella piattaforma continentale settentrionale sicula (in blu)
  • le trascorrenze nella Sicilia centrale e un po' più a sud (in rosso)

Inoltre la divergenza della Calabria e della parte nordorientale della Sicilia rispetto al resto dell’isola sta aprendo il Rift siculo - calabrese, la struttura tettonica più attiva dell’area italiana [4]. Il rift è mostrato in quest'altra immagine. È poco visibile perché tranne che nella zona dello Stretto di Messina in realtà è formato da due semi - rift, per cui in Sicilia si vede il semi - rift sudoccidentale, in Calabria quello destro nordorientale. 

La presenza su un lato di questo rift dell’Etna suggerisce che questi movimenti superficiali continuino molto in profondità, causando una decompressione nel mantello e una via preferenziale per la risalita di magmi di origine profonda come quelli etnei.

Sulla origine del rift ci sono poche ipotesi. C’è ad esempio chi parla di rotazioni differenziate fra l’Arco Calabro - Peloritano. 
Mi chiedo se il forte sollevamento della Calabria, ampiamente documentato nel  quaternario dalla posizione dei depositi pliocenici, possa aver rigonfiato la crosta fino a promuovere questa estensione. 

I nuovi dati costringeranno a rivedere un pò lo stato dell’arte della ricerca sulla tettonica dell’Italia e delle aree limitrofe, perchè il ricalcolo delle velocità ha apportato alcune modifiche a quanto si conosceva: in particolare ci sono ben 30° di differenza in senso orario nelle velocità dell’Appennino centrale 

[1] Farolfi & Delventisette (2016). Contemporary crustal velocity field in Alpine Mediterranean area of Italy from new geodetic data GPS Solutions DOI 10.1007/s10291-015-0481-1

[2] Roeske et al (editors) (2007). Exhumation Associated with Continental Strike-Slip Fault Systems. Geological Society of America Special Papers 434 
[3] Palano et al (2012). GPS velocity and strain fields in Sicily and southern Calabria,Italy: Updated geodetic constraints on tectonic block interaction in the central Mediterranean. Journal of Geophysical Research 117 B07401, doi:10.1029/2012JB009254 
[4] Catalano et al (2008). Active faulting and seismicity along the Siculo–Calabrian Rift Zone (Southern Italy) Tectonophysics 453, 177 – 192 



4 commenti:

punteruolorosso ha detto...

Gran bell'articolo

Gianni Comoretto ha detto...

Dopo un decennio passato a prendere misure VLBI, sarei curioso di sapere come queste contribuiscono al quadro. So che la comunità geodetica italiana è sempre stata molto fredda a riguardo. e le nostre misure sono state usate da ricercatori soprattutto tedeschi, ma mi piacerebbe saperne di più

Gregorio Farolfi ha detto...
Questo commento è stato eliminato dall'autore.
Gregorio Farolfi ha detto...

Le misure VLBI (Very Long Baseline Interferometry) sono fondamentali per la determinazione delle posizioni e delle velocità che costituiscono il sistema di riferimento globale.

Infatti, per la determinazione delle coordinate e delle velocità a scala globale, oltre al GNSS (Global navigation Satellite System) altre tecniche vengono utilizzate, quali il SLR (Satellite Laser Ranging) e il DORIS (Determinazione dell'Orbita e Radioposizionamento Integrato via Satellite). Tutte queste tecniche, che presentano precisioni ed errori sistematici diversi, concorrono alla definizione di un unico sistema di riferimento globale.

Nell'area della penisola italiana sono presenti solo una decina di stazioni globali, insufficienti per ottenere una geodinamica di dettaglio. Invece le reti GNSS che sono molto più dense, si prestano meglio allo scopo del lavoro.