SISMOLOGIA I Caratteristiche generali SCIENZE NATURALI LEZIONE N.3C SISMOLOGIA I Caratteristiche generali slide 52 IV Liceo SCIENZE APPLICATE Prof. Fabrizio CARMIGNANI IISS “Mattei” – Rosignano S. (LI) fabcar@hotmail.it www.fabriziocarmignani.com

SISMOLOGIA

Definizione di TERREMOTO Scuotimento più o meno violento della superficie terrestre che trova la sua origine nella profondità della LITOSFERA in una zona chiamata IPOCENTRO

Che cosa è un TERREMOTO? Dall'IPOCENTRO (profondità compresa tra poche decine di metri sino ad alcune centinaia di chilometri) si propagano in tutte le direzioni una serie di onde elastiche dette: ONDE SISMICHE Il punto della superficie situato sulla verticale dell'ipocentro viene chiamato EPICENTRO

Se la distanza tra l'EPICENTRO e l'IPOCENTRO è: inferiore ai 60-70Km: TERREMOTO SUPERFICIALE compresa tra i 300 - 500 Km: TERREMOTO INTERMEDIO Compresa tra 500 - 700 km: TERREMOTO PROFONDO Un TERREMOTO consiste in un brusco rilascio di ENERGIA ELASTICA accumulatasi nel sottosuolo durante i periodi di quiete apparente Es. un bastone che venga incurvato tra le mani prima di arrivare a rompersi

E’ un avvenimento naturale molto frequente (migliaia ogni anno) E’ opportuno tuttavia considerare che è l’edificio che ci crolla addosso e fa danni, non il terremoto Una scossa, anche violentissima, in aperta campagna non produce alcun effetto sensibile se non un senso di vertigine o, al massimo, uno sbilanciamento. 1. COSTA NORD di SUMATRA : mag. 9,3 (26/12/ 2004) 2. SUMATRA (Indonesia) – mag. 8,7 (28/03/2005) 3. GIAKARTA (Indonesia) – mag. 8,4 (12/09/ 2007) 4. ISOLE SAMOA – mag. 8,3 (29/09/ 2009) 5. ICA (Perù) – mag. 7,9 (15/08/2007) 6. SICHUAN (Cina) – mag.7,8 (12/05/2008) 7. SOUTH ISLAND (Nuova Zelanda) mag. 7,8 (15/07/ 2009) 8. CALAMA (Cile) – mag. 7,7 (14/11/2007 9. SUMATRA (Indonesia) – mag. 7,6 (30/09/2009) 10. GIAVA (Indonesia) – mag. 7,4 (02/09/2009) TERREMOTI più FORTI degli anni 2000

10 TERREMOTI PIU’ FORTI dal 1906 ad oggi

Classifica in base al numero di morti dichiarati (numeri sottostimati) 17. QUETTA (Pakistan 1935) - 30.000 18. CHILLAN (Cile 1939) - 28.000 1. TANGSHAN (Cina 1976) - 255.000 19. SPITAK (Armenia 1988) - 25.000 2.SUMATRA SET. (Indonesia 2004) - 228.000 20. GUATEMALA (1976) - 23.000 3.HAIYUAN (Cina 1920) - 200.000 (XII MER.) 21.GUJARAT (India 2001) - 20.000 4. KANTO (Giappone 1923) - 143.000 22. CINA (1974) - 20.000 5. MESSINA (Italia 1908) - 122.000 23. KANGRA (India 1905) - 19.000 6. ASHGABAT (Turkmenistan 1948) - 110.000 24. KARAMURSEl (Turchia 1999) - 17.000 7. ALDIVIA (Cile 1960) - 90.000 25. INDIA (1993) - 16.000 8. SICHUAN OR. (Cina 2008) - 88.000 26.TABAS (Iran 1978) - 15.000 9.MUZZARRAFAD (Pakistan 2005) - 86.000 27. AGADIR (Marocco 1960) - 15.000 10. CHIMBOTE (Perù 1970) - 70.000 28. QAZVIN (Iran 1962) - 12.500 11. REGGIO C. (Italia 1908) - 48.000 29. QARATOG (Tajikistan 1907) - 12.000 12. IRAN OCCID. (1990) - 45.000 30. KHAIT (Tajikistan 1949) - 12.000 13.GULANG (Cina 1927) - 41.000 31. BIHAR (India-Nepal 1934) - 11.000 14. AVEZZANO (Italia 1915) - 33.000 32. SINKIANG (Cina 1931) - 10.000 15. ERZINCAN (Turchia 1939) - 33.000 33. TONGHAI YUNNAN (Cina 1970) - 10.000 16. BAM (Iran 2003) - 31.000 34. DASHT- BAYAZ (Iran 1968) - 10.000 TERREMOTI CATASTROFICI sec. XX - XXI

I TERREMOTI possono avere diverse origini: 1. TERREMOTI VULCANICI ORIGINE dei TERREMOTI I TERREMOTI possono avere diverse origini: 1. TERREMOTI VULCANICI Si originano in prossimità di zone vulcaniche e sono dovuti allo spostamento di masse magmatiche con relativi crolli di parti rocciose interne all’edificio vulcanico che determinano vibrazioni del suolo Interessano aree limitate (locali )e solo talvolta possono essere molto distruttivi 2. TERREMOTI da CROLLO Si originano in territori particolari come quelli caratterizzati da fenomeni carsici, ricchi di cavità e grotte sotterranee. Sono locali e di modesta entità

3. TERREMOTI ANTROPICI 4. TERREMOTI TETTONICI Sono dovuti ad attività umane come quelli collegati a grandi opere superficiali (es. diga di KONYA – India) che comportano una variazione, nel tempo, delle condizioni del sottosuolo 4. TERREMOTI TETTONICI Sono quelli maggiormente diffusi (circa 80% ) e la loro origine va ricercata nella presenza di PLACCHE o ZOLLE CROSTALI in cui si divide la litosfera Per comprendere meglio quest’ultima origine occorre considerare la struttura interna della TERRA:

STRUTTURA INTERNA della TERRA 0 °C 1000 °C 3700 °C 4300 °C TERREMOTI: si verificano solo nella LITOSFERA (crosta e parte superiore del mantello – mantello LITOSFERICO) di norma fino a 10 -100 km di profondità ma ci possono essere, come abbiamo visto, eccezioni (sismi profondi)

IPOCENTRI di terremoti PLACCHE TETTONICHE SUBDUZIONE IPOCENTRI di terremoti Il lento scontro tra l’estremità divergente di una placca e quella convergente di un’altra, con la conseguente SUBDUZIONE, è la causa principale del maggior numero di terremoti (TERREMOTI TETTONICI) e di altri fenomeni ENDOGENI

PLACCHE LITOSFERICHE ed EPICENTRI di alcuni dei 30 PLACCHE LITOSFERICHE ed EPICENTRI di alcuni dei 30.000 terremoti verificatisi in un periodo di 6 anni

TERREMOTI TETTONICI e VULCANI ATTIVI sono associati alle zone nelle quali le placche si scontrano o si separano

3 TIPI di MARGINI delle PLACCHE LITOSFERICHE MARGINI CONVERGENTI MARGINI TRASFORMI MARGINI DIVERGENTI 3 TIPI di MARGINI delle PLACCHE LITOSFERICHE

FAGLIE Rappresentano la traccia superficiale lungo cui avviene la rottura della roccia A seconda del tipo di movimento relativo delle porzioni di roccia, le FAGLIE prendono differenti nomi FRATTURA FAGLIA trascorrente (strike slip)

SISMA

(Appennino Umbro-Marchigiano) Monte Cucco (Appennino Umbro-Marchigiano)

FAGLIA NORD-ANATOLICA (Turchia)

FAGLIA di SAN ANDREAS (CALIFORNIA – USA)

ONDE SISMICHE

Il TERREMOTO è causato dall’accumulo di deformazione dovuto allo sforzo tettonico applicato Quando lo sforzo applicato supera la soglia critica di frattura del materiale, si ha il cedimento della roccia che comincia ad oscillare elasticamente al momento della rottura

Le ONDE SISMICHE si irradiano dall’IPOCENTRO di un terremoto La propagazione delle onde dall’IPOCENTRO raggiunge la superficie terrestre interessando un' ampia zona, il cui punto centrale è detto EPICENTRO

Vi sono 2 tipi principali di onde: Quando avviene un TERREMOTO , una parte dell’energia accumulata è liberata sotto forma di onde elastiche che si propagano dall’ipocentro verso l’interno della terra Teoria elaborata da Robert REID dopo il disastroso terremoto di San Francisco del 1906: TEORIA del RIMBALZO ELASTICO Elastic rebound theory Queste onde possono essere rilevate da appositi strumenti come i SISMOMETRI o i SISMOGRAFI Vi sono 2 tipi principali di onde: ONDE di VOLUME ONDE SUPERFICIALI

ONDE di VOLUME Le ONDE di VOLUME viaggiano all’interno della terra e seguono le leggi dell’ottica geometrica. Vi sono 2 tipi principali di onde di volume: Onde P (prime): onde di compressione e rarefazione in cui l’oscillazione delle particelle di materia avviene parallelamente alla direzione di propagazione dell’onda. Sono le più veloci , circa 10 Km/sec. ONDE P Vibrazione a fisarmonica VIBRAZIONE

Non si propagano nei fluidi come le corde di un violino 2. Onde S (seconde o di taglio): l’oscillazione delle particelle avviene perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell’onda. Sono più lente delle onde P (circa 6/7 Km/sec) e quindi arrivano dopo in superficie Non si propagano nei fluidi ONDE S Vibrazione come le corde di un violino VIBRAZIONE

I 2 tipi principali di onde superficiali sono: Oltre alle ONDE di VOLUME esistono altri tipi di onde elastiche dette ONDE SUPERFICIALI in quanto si propagano lungo la superficie o le superfici di discontinuità vicine ad essa. Le onde superficiali non penetrano all’interno della terra tuttavia hanno un’ampiezza ed una durata maggiore delle onde di volume La velocità di propagazione delle onde superficiali è inferiore a quella delle onde S (circa 3/4 Km/sec) I 2 tipi principali di onde superficiali sono: onde di RAYLEIGH onde di LOVE (dal nome dei 2 scienziati che ne postularono l’esistenza) Queste sono responsabili dei danni più rilevanti

A. ONDE di RAYLEIGH Nelle ONDE di RAYLEIGH l’oscillazione delle particelle avviene in un piano verticale contenente la direzione di propagazione e le particelle oscillano con moto rotatorio retrogrado: simili alle onde che si propagano quando un sasso cade nell’acqua

B. ONDE di LOVE Nelle ONDE di LOVE l’oscillazione delle particelle avviene trasversalmente rispetto alla direzione di propagazione, come le onde S ma solo sul piano orizzontale

SCOSSE SISMICHE Sia le onde R che le L (ONDE SUPERFICIALI) sono generate dalle onde PRIMAE (P) e dalle onde SECONDAE (S) L’intersezione (risultante) di tutte queste onde sismiche (energia elastica) fa muovere il terreno determinando le SCOSSE SISMICHE che possono essere di 2 tipi: dal basso verso l' alto (piano verticale): SCOSSE SUSSULTORIE da destra verso sinistra (piano orizzontale) SCOSSE ONDULATORIE L’analisi delle traiettorie delle onde sismiche ha permesso la conoscenza dell’interno della terra

DURATA di un TERREMOTO La DURATA di un terremoto normalmente è di pochi secondi, solo molto raramente supera il minuto e di solito è data da una successione intervallata da pause di brevi scosse Talvolta, seguono altre scosse a distanza di ore, giorni o mesi che vengono definite SCIAME SISMICO SISMOGRAFO SISMOGRAMMA

MISURA dell’INTENSITA’ dei TERREMOTI STRUMENTI per la MISURA dell’INTENSITA’ dei TERREMOTI SISMOSCOPIO SISMOMETRO SISMOGRAFO

Es. lampadari domestici con filo lungo SISMOSCOPIO di ZHANG HENG Strumento che indica il momento in cui avviene il sisma senza però fornire ulteriori informazioni attendibili Es. lampadari domestici con filo lungo SISMOSCOPIO di ZHANG HENG Il primo strumento per la misura dei terremoti è stato il SISMOSCOPIO del cinese ZHANG HENG (132 d.C.) Le palline erano tenute nella bocca dei draghi con un sistema di leve collegate ad un pendolo interno. Il numero delle palline cadute indicava l’intensità mentre la posizione dell’epicentro veniva indicata dal punto in cui cadeva la prima pallina

Si fa ricorso ad una massa che fornisce una sufficiente inerzia 2) SISMOMETRO Strumento che misura la dipendenza temporale dello spostamento, della velocità o dell'accelerazione del terreno Si fa ricorso ad una massa che fornisce una sufficiente inerzia Se lo spostamento del terreno su cui poggia lo strumento è sufficientemente veloce, la massa sospesa rimarrà immobile e fornirà un punto fisso nello spazio, rispetto al quale misurare il moto del terreno SISMOMETRO moderno Il sismometro produce un SISMOGRAMMA: un grafico rappresentante il movimento del terreno durante la scossa La differenza con il SISMOGRAFO sta nel fatto che quest’ultimo produce un SISMOGRAMMA in continuo e non solo durante le scosse sismiche SISMOMETRO a pendolo verticale Pagani (1834)

I SISMOGRAFI possono essere ORIZZONTALI o VERTICALI 3) SISMOGRAFO Come nel caso del sismometro consiste essenzialmente in un pendolo ed in un apparato di registrazione . Il passaggio dell’onda sismica provoca il movimento del supporto del pendolo a cui è collegato un pennino che lascia una traccia continua su carta (affumicata) e cioè il SISMOGRAMMA SISMOGRAFO ORIZZONTALE SISMOGRAFI MODERNI I SISMOGRAFI possono essere ORIZZONTALI o VERTICALI

Un pendolo con corto periodo (tempo per compiere un’oscillazione completa) tende a muoversi insieme al supporto e quindi a non registrare alcun terremoto mentre uno con periodo maggiore tende a rimanere fermo mentre il supporto oscilla SISMOGRAFI DIGITALI PENDOLO a CORTO PERIODO PENDOLO a LUNGO PERIODO

Schemi di SISMOGRAFO ORIZZONTALE (SX) VERTICALE (DX) Il sismografo a.) registra i movimenti orizzontali, il b.) quelli verticali. Il funzionamento di questi strumenti si basa sul principio di inerzia della massa sospesa, che resta ferma mentre il supporto si muove solidale con il terreno al quale è ancorato

Caratteristiche di un SISMOGRAMMA

Un SISMOGRAMMA rappresenta la registrazione nel tempo del moto del suolo durante i sismi prodotto in forma di tracciato su carta affumicata oppure in forma digitale mediante rappresentazioni grafiche al computer

SISMOGRAMMA Dall'analisi del SISMOGRAMMA è possibile individuare il momento dell'arrivo dei diversi tipi di ONDE Andamento delle onde sismiche all'interno della Terra i funzione della profondità

Misure effettuate dalla lettura dei SISMOGRAMMI: Dal tempo di arrivo delle onde P e S, è possibile risalire alla posizione della sorgente sismica e alle proprietà elastiche del mezzo di propagazione Dall’ampiezza e dalla durata del moto del suolo, si può stimare la magnitudo (INTENSITA’ del sisma) oltre ché dedurre le caratteristiche di attenuazione ed amplificazione dei materiali attraversati Dall’identificazione delle diverse fasi sismiche, è possibile determinare la profondità delle principali discontinuità attraversate dalle onde durante la propagazione all’interno del nostro pianeta

Generalmente la lettura di un SISMOGRAMMA risulta estremamente complessa a causa del percorso complicato delle onde sismiche, le quali viaggiano all’interno della terra per poi emergere in superficie dopo aver subito vari fenomeni di riflessione e rifrazione Questi fenomeni avvengono in corrispondenza di variazioni di densità e rigidità della materia terrestre (DISCONTINUITA’) che le onde incontrano mentre si propagano all’interno del nostro Pianeta

RIFLESSIONE e RIFRAZIONE delle ONDE SISMICHE Un fascio di luce può essere RIFLESSO o RIFRATTO quando attraversa 2 mezzi diversi (es. ARIA/VETRO) Le onde sismiche hanno un comportamento analogo quando incontrano la superficie di contatto tra strati di rocce con differente densità Le onde P e S irradiate dall’ipocentro di un sisma nelle varie direzioni

Questo fenomeno è utilizzato per studiare l’interno della TERRA Le differenti modalità di propagazione delle onde sismiche, legate alla disomogeneità dell’interno della Terra, sono ben visibili sui sismogrammi Questo fenomeno è utilizzato per studiare l’interno della TERRA ampiezza massima del moto del suolo durata della registrazione contenuto in frequenza tempo di arrivo delle fasi principali Sono caratteristiche che variano in funzione della distanza epicentrale e della magnitudo (intensità di un sisma) pertanto la loro determinazione  permette di caratterizzare la tipologia dell'evento sismico

Stazione di rilevamento ricevitore come si può osservare dagli esempi che seguono: 1 1. EVENTO LOCALE 2. / 3. EVENTI REGIONALI 4. TELESISMA 2 3 Stazione di rilevamento NAPOLI 4

L’arrivo dell’evento è segnato, sulla registrazione, dalle vibrazioni del terreno causate dalle onde longitudinali (onde P) e dall’arrivo, alcuni istanti dopo, delle onde trasversali (onde S) L’intervallo tra i 2 tipi di onde è dovuto al fatto che esse si propagano con differenti velocità, pertanto all’aumentare dell’intervallo di tempo tra l’arrivo delle onde P e le onde S, misurato sul sismogramma, aumenta anche la distanza tra la stazione sismica e l’ipocentro La porzione iniziale della registrazione di un terremoto è composta da onde di ampiezza relativamente piccola e con alta frequenza corrispondenti all’arrivo delle onde più veloci: Onde P

che hanno grande ampiezza (picchi più accentuati) e piccola frequenza Dopo un certo intervallo di tempo (che è funzione della distanza tra il sismografo e l’ipocentro) arrivano le Onde S che hanno grande ampiezza (picchi più accentuati) e piccola frequenza Se la stazione sismica si trova ad una certa distanza dall’epicentro, nella porzione finale del sismogramma possono essere visibili le vibrazioni del suolo causate dalle onde superficiali estremamente più lente delle onde di volume (onde P e S) ma con ampiezza maggiore

DISTANZA EPICENTRO DROMOCRONE Dalla lettura del sismogramma è possibile risalire alla distanza dell'epicentro dallo strumento di registrazione. Per questo occorre utilizzare dei diagrammi spazio-tempo su cui siano tracciate delle curve chiamate : DROMOCRONE Sull'asse x è riportata la distanza dello strumento dall'epicentro, sull'asse y il tempo trascorso dall'inizio del sisma. DROMOCRONE Se l'intervallo tra l'arrivo delle onde P ed S è piccolo il terremoto si sarà verificato a breve distanza All'aumentare di questo intervallo aumenterà proporzionalmente anche la distanza dell'epicentro. Per un intervallo di circa 8 minuti viene calcolata, in questo caso, una distanza dall'epicentro minore ai 6.000 km

3 STAZIONI SISMOGRAFICHE Utilizzando i dati registrati da 3 stazioni sismografiche differenti è possibile risalire alla zona dell'epicentro Su una carta geografica vengono tracciate le 3 circonferenze che hanno come centro le località in cui si trovano i sismografi Le tre 3 curve si incroceranno tra loro in un solo punto che individua l'epicentro del terremoto 3 STAZIONI SISMOGRAFICHE

Global seismicity http://www.iris.washington.edu/seismic/ This is an interactive educational display of global seismicity that allows you to monitor EARTHQUAKES in near real-time, view records of ground motion, and visit seismic stations around the world. The display is updated every 30 minutes using data from the National Earthquake Information Center. Earthquakes that have occurred within the last 24 hours are shown with red circles. The circles fade through orange to yellow within 15 days. After 15 days, the circles are replaced by light purple dots that remain on the map for five years. Incorporated Research Institutions for Seismology (IRIS) is a consortium of United States Universities that have research programs in seismology Click in the center of a circle and a list of all events will appear with the event you selected highlighted in yellow and events within 10 degrees of that event highlighted in white. Click on an individual seismic observatory (shown by the purple colored triangles) to bring up a station information page.

FINE della LEZIONE N. 3C SISMOLOGIA I- Caratteristiche generali Grazie per l’attenzione! E ricordatevi… … Considerate la vostra semenza fatti non foste a viver come bruti ma per seguir virtute e canoscenza… DANTE ALIGHIERI La Divina Commedia, INFERNO, canto XXVI, 118-120 Prof. Fabrizio CARMIGNANI fabcar@hotmail.it www.fabriziocarmignani.com