Frane causate dai terremoti in Italia centrale: le caratteristiche riscontrate con i radar satellitari

Le frane causate dai terremoti nell'Italia centrale

In questo articolo viene mostrata l'attivazione e il recupero delle frane accelerate da terremoto (EAL) nell'Italia centrale, sulla base di osservazioni radar satellitari. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Scientific Reports dal team Chuang Song, Chen Yu, Zhenhong Li e Jianbing Peng della Facoltà di ingegneria geologica e geomatica (Università di Chang'an, Xi'an in Cina) e Stefano Utili della Facoltà di Ingegneria (Università di Newcastle), Paolo Frattini, Giovanni Crosta del Dipartimento di Scienze della Terra e dell'Ambiente dell' Università degli Studi di Milano.

A differenza di studi precedenti basati su frane singole o discrete, è stato stabilito un ampio inventario di 819 EAL e quantificato statisticamente le loro caratteristiche di raggruppamento spaziale rispetto a una serie di fattori condizionanti, scoprendo così che questi fenomeni (EAL) non si basavano su forti scosse sismiche o effetti di pareti sospese per verificarsi e le frane più grandi avevano maggiori probabilità di accelerare dopo i terremoti rispetto a quelle più piccole.

É stato anche scoperto le loro dinamiche di scivolamento dall'accelerazione al recupero e come differivano dalle 759 frane co-sismiche collassate.

Questi risultati contribuiscono a una comprensione più completa del meccanismo di frana che innesca il terremoto e sono di grande importanza per la valutazione del rischio di frana a lungo termine nelle aree sismicamente attive, come per esempio l'Italia centrale.

Frane: le cause

Le frane si riferiscono allo spreco di massa sulla superficie del suolo, è un fenomeno che provoca gravi vittime e perdite economiche ogni anno sia istantaneamente a causa di rapidi cedimenti dei pendii, sia cumulativamente a causa di movimenti discendenti da lenti a veloci del suolo e/o delle rocce.

L'instabilità del versante di una frana può essere innescata da terremoti, precipitazioni, scioglimento delle nevi, attività vulcaniche e disturbi da attività antropiche. Tra questi, le frane innescate da terremoti (ETL), che si verificano immediatamente dopo un sisma o dopo un periodo di tempo, hanno rappresentato oltre il 60% delle vittime da frana tra il 2002 e il 2010 e rappresentano una delle principali preoccupazioni, soprattutto nelle regioni sismicamente attive.

Ciò ha motivato a intraprendere numerosi studi con particolare attenzione alle frane co-sismiche che crollano durante o entro un breve periodo (da secondi a minuti) dopo i terremoti, nuove frane post-sismiche che si sono sviluppate in cedimenti sotto l'azione di scosse di assestamento o precipitazioni post-sismiche lungo i pendii fessurati dal terremoto, e riattivazioni/rimobilizzazioni post-sismiche di depositi di frane cosismiche che si sono verificate per lo più durante eventi piovosi.

Tuttavia, gli effetti sismici a lungo termine che attivano frane instabili, ma senza causare cedimenti/crolli, anche dopo un lungo periodo dal terremoto (mesi o anni), sono generalmente ignorati a causa di cambiamenti del terreno minori, se presenti, causati rispetto ai pendii crollati.

Queste frane (denominate Earthquake Accelerated Landslides, EAL) rispondono a disturbi da stress co-sismico o post-sismico in modo diverso dalle frane co-sismiche e da altri tipi di frane post-sismiche collassate/fessurate e sono tipicamente attivate con velocità di spostamento considerevolmente maggiori rispetto alla loro prelivelli sismici.

Di conseguenza, gli EAL possono generare danni continui al suolo o alle infrastrutture artificiali sopra di essi e trasformarsi in guasti catastrofici in futuro.

I tentativi di analisi su dati geodetici e sismici

Studi precedenti hanno individuato un singolo EAL o limitati EAL vicini. Sono diversi gli studi in merito alle frane generate dai terremoti.

Ad esempio, Noélie Bontemps (ricercatrice dell'Univ. Grenoble Alpi) ha utilizzato insieme al suo team un set di dati geodetici e sismici di 3 anni per studiare una frana a movimento lento influenzata da terremoti locali e precipitazioni stagionali, e ha evidenziato come eventi di piccoli scuotimenti indebolissero la rigidità della frana.

Pascal Lacroix (ricercatore dell'Univ. Grenoble Alpi) e il team hanno rilevato nove frane a movimento lento nella valle del Colca (Perù) con immagini dal satellite Pléiades e hanno riferito che le loro accelerazioni sono state causate da un terremoto regionale Mw 6.0.

Tuttavia, a causa della mancanza di un inventario EAL completo e coerente dopo i terremoti, questi studi localizzati hanno caratterizzato solo i singoli EAL e non sono stati in grado di indagare collettivamente i comportamenti delle frane nella prospettiva di un inventario integrale.

Le caratteristiche spazio-temporali degli EAL come il modello spaziale della distribuzione delle frane, i diversi comportamenti tra EAL e frane co-sismiche e la loro evoluzione complessiva della velocità di scorrimento erano in gran parte sconosciute.

Queste caratteristiche possono ben spiegare i meccanismi di attivazione delle frane e contribuire all'allerta precoce o alla previsione del pericolo.

In questo contesto, diventa essenziale stabilire un inventario completo dell'EAL in modo coerente su un'estensione territoriale sufficientemente ampia e su un lungo periodo. A tale copertura spazio-temporale, vari potenziali fattori di condizionamento della frana (LCF, ad es. in questo studio, è stato impiegato un nuovo metodo di rilevamento EAL basato su InSAR per stabilire un inventario EAL della sequenza sismica dell'Italia centrale del 2016-2017 utilizzando sei anni di dati Sentinel-1 sia in modalità discendente che ascendente dal 2014 al 2020. Confrontando gli EAL con le frane non accelerate da terremoti (non-EAL) utilizzando InSAR e l'inventario nazionale delle frane italiano (IFFI20), e sono stati studiati 15 LCF e classificato quantitativamente i loro impatti sull'accelerazione della frana sulla base della funzione Information Gain (IG).

Sono stati elaborati diversi modelli spaziali tra EAL e frane co-sismiche e i diversi comportamenti temporali degli EAL prima e dopo i terremoti utilizzando serie temporali InSAR ad alta risoluzione temporale. Queste indagini forniscono un quadro più completo dei meccanismi di innesco delle frane oltre alle frane co-sismiche ampiamente studiate e contribuiscono a una valutazione più completa a lungo termine del rischio di frana.

Risultati

La sequenza sismica del Centro Italia 2016-2017

L'area di studio, l'Italia centrale, ospita un'influente sequenza sismica comprendente quattro eventi principali avvenuti rispettivamente il 24 agosto 2016 (Mw 6.1), il 26 ottobre 2016 (Mw 5.9), il 30 ottobre 2016 (Mw 6.6) e il 18 gennaio 2017 (Mw 5.5 ), che ha colpito una vasta area dell'Appennino Centrale (Fig. 1a).

I quattro eventi hanno causato più di 300 vittime ed edifici distrutti o ammalorati, oltre a strade gravemente danneggiate. La sequenza sismica ha provocato principalmente la rottura del sistema di faglia di M. Gorzano-Vettore-Bove (MGVB) con andamento (NO-SE), con scorrimento di faglia normale.

In base all'inversione geodetica e alla rilocalizzazione delle scosse di assestamento, è stata inoltre scoperta una faglia normale antitetica in prossimità dell'area di Norcia che si è rotta durante l'evento del 30 ottobre 201623,24. Anche lo stato di scorrimento di un'altra spinta ereditaria di immersione a ovest, la spinta di Olevano-Antrodoco-Sibillini (OAS), è stata ampiamente discussa, ma il suo ruolo nella geometria della rottura e nel meccanismo di riattivazione è rimasto poco chiaro.

Oltre alle rotture co-sismiche, è stata osservata anche una deformazione della superficie post-sismica a livello centimetrico a seguito di un decadimento temporale logaritmico e si è rivelato che il relativo scivolamento superficiale potrebbe arrestare la propagazione della rottura. Tale complesso background sismotettonico rappresenta una sfida per il rilevamento EAL su larga scala e ci spinge a sviluppare un nuovo metodo di rilevamento EAL basato sui campi di velocità derivati ​​​​da InSAR (Fig. 1c, d) come descritto nella sezione Metodi.

Inversione geodetica?  Il rilievo effettuato con il sistema di inversione geodetica con un solo interferogramma (ascendente) permette di vedere la possibile faglia che ha generato il terremoto attraverso l'inversione del dato acquisito lungo una sola orbita delle due previste per avere una misura più reale dei fenomeni di subsidenza e sollevamento a seguito del terremoto.

a) Nell'immagine è presente lo sfondo sismo-tettonico con i quattro terremoti del 2016-2017. Le linee nere piene rappresentano le principali faglie attive mentre le linee grigie spinate indicano le faglie compressive preesistenti. Le posizioni e le soluzioni tensoriali dei quattro principali terremoti del Centro Italia dal 2016 al 2017 (palloni da spiaggia rossi) sono state ottenute dallo United States Geological Survey (USGS). Le frecce blu scuro indicano i massimi scorrimenti di faglia dei quattro eventi. I punti arancioni rappresentano le scosse di assestamento (M > 3.0). I triangoli neri indicano le stazioni GPS (Global Positioning System) ei cerchi pieni neri rappresentano le principali città.

b) Posizione geografica dell'area di studio (rettangolo rosso). I rettangoli viola indicano la copertura delle immagini Sentinel-1 della traccia discendente e ascendente.

c e d) sono i campi di velocità LOS discendenti e ascendenti filtrati post-terremoto, con valori positivi che implicano l'allontanamento della superficie terrestre dal satellite.

I riquadri (e) e (f) sono esempi di viste ingrandite della velocità InSAR.

Distribuzione spaziale delle frane sismiche accelerate

I dati EAL presi da InSAR rivela un'ampia distribuzione di EAL nell'area di studio. Rispetto all'IFFI esistente (in parte aggiornato al 2007 e in parte al 2017),  sono stati rilevati un totale di 819 EAL, di cui 684 (83,5%, poligoni magenta in Fig. 2a) erano già documentati in IFFI e i restanti 135 (16,5% , poligoni blu navy in Fig. 2a) erano frane appena rilevate.

Non tutte le frane in IFFI sono state rilevate da InSAR poiché non si muovevano o non erano accelerate dai terremoti.

Si noti che i confini degli EAL determinati da InSAR potrebbero non essere del tutto coerenti con IFFI a causa delle loro diverse coperture temporali (dettagliate in Metodi).

Come mostrato nella Figura 1 supplementare, le frane rilevate da InSAR sono distribuite principalmente sul lato sud-ovest (Regione Lazio) della faglia sismogenetica, il che potrebbe essere dovuto alla bassa densità delle frane documentate in quest'area (l'IFFI era solo aggiornato al 2007).

Dai dati si evince che non esiste una relazione significativa tra il verificarsi di nuovi EAL e la distanza dalla faglia sismogenetica, poiché i nuovi EAL possono verificarsi in aree vicine o lontane dal sistema di faglia MGVB.

Secondo IFFI, il 40,3% del totale di 819 EAL rilevati da InSAR sono frane rotazionali/traslazionali e il 17,7% sono movimenti terrestri lenti (Fig. 2b).

Questi due tipi di frane sono anche dominanti nell'intero inventario IFFI all'interno dell'area di studio. Ci sono EAL del 17,0% i cui tipi non sono chiari, comprese quattro frane precedentemente non definite in IFFI e 135 frane recentemente rilevate da InSAR.

Si noti che non possiamo escludere la possibilità che i pendii in movimento rilevati non siano frane autentiche, ma poiché la stragrande maggioranza degli EAL (83,5%) sono frane verificate dall'IFFI, consideriamo bassa la percentuale di falsi rilevamenti che non altera le conclusioni dei dati rilevati.

a) Distribuzione degli EAL rilevati e dei movimenti franosi documentati dall'Inventario dei fenomeni franosi in Italia (IFFI). I poligoni grigi sono frane documentate dall'IFFI. I poligoni magenta e blu navy sono rispettivamente EAL già in IFFI e EAL non in IFFI. I punti neri indicano le posizioni spaziali di sei casi di frana utilizzati per l'analisi temporale.

b) Proporzione di diversi tipi di EAL. Si noti che questi tipi di frane provengono dai documenti storici dell'IFFI con i seguenti codici. 0: non definito, 1: caduta/ribaltamento, 2: rotazionale/traslatorio, 3: flusso terrestre lento, 4: flusso detritico rapido, 5: complesso, 6: Deformazioni gravitazionali profonde del versante (DSGSD), 7: frane poco profonde.

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