Che cos'è un terremoto, come si misura e come si registra di Mauro Mariotti

Pagina aggiornata  1 Dicembre 2002

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Introduzione

Che cos'è un terremoto
    Tettonica
    I movimenti del suolo
   Possibili danni da terremoto

Come si misura un terremoto
    La scala Mercalli
    Il sismometro
    La scala Richter

Come si registra
    I primi sismografi
    I sismografi moderni
    I sismografi digitali
 

Introduzione
Questa pagina ha come obiettivo il fornire le nozioni di base per capire che cos'è un terremoto, come si origina e come si misura. Capire bene i concetti qui contenuti è importante per la comprensione delle informazioni presenti nelle pagine di questo sito web. Il lettore non esperto è invitato ad esaminare questi paragrafi e chiedere informazioni via email o anche nel forum prima di proseguire nella lettura.

Che cos'è un terremoto
Il terremoto non è altro che la conseguenza della liberazione di una quantità di energia accumulata nel tempo nelle rocce del sottosuolo, a causa di una improvvisa fratturazione, in presenza di una cosiddetta “faglia”.
Mentre il pianeta terra si raffreddava nel corso delle “ere geologiche” la crosta terrestre si fratturava in quelle che oggi chiamiamo “zolle o placche tettoniche” e che sono ancora galleggianti su instabili strati di rocce fuse e del magma in profondità. Questa condizione originerebbe movimenti convettivi nelle rocce fuse, movimenti lenti ma che sottoporrebbero a grandi pressioni e a diverse temperature rocce di vario tipo che, diventano “elastiche”, si deformano. Le strutture sotteranee diventano così in grado di accumulare nel tempo notevoli quantità di energia in una sorta di “effetto balestra” mentre enormi estensioni di roccia si piegano sottoposti a forze inimmaginabili. Quando uno degli strati di roccia raggiunge il punto di rottura tutta l’energia viene liberata in pochi istanti provocando grandi vibrazioni che provocano conseguenze diverse a seconda della profondità e tipologia della frattura implicata.
Le faglie si estendono a volte per pochi chilometri altre volte per centinaia e migliaia di chilometri.
Il punto esatto dove avviene la rottura, in profondità sotto la superficie terrestre è chiamato IPOCENTRO; di là si libera l’energia sismica.
La proiezione superficiale (perpendicolare) dell’ipocentro è chiamato EPICENTRO.

Tettonica
I terremoti sono quasi nella totalità dei casi originati da movimenti di giganteschi volumi di terreno originati da forze conosciute solo in parte. Sono disponibili svariate teorie.
Quella più accreditata spiega che l'intera superficie terrestre è composta da varie "placche" o "zolle continentali" sempre in movimento. I bordi di queste placche si trovano a contatto tra di loro e nel loro movimento lo sfregamento dei bordi produce un "rumore", ovviamente non udibile, un movimento meccanico "a scatti" con cicli di ricorrenza di mesi, anni, decenni, secoli e talvolta millenni, il terremoto.
 
 
 

La figura che segue illustra come tre porzioni di crosta terrestre possono trovarsi a contatto in due modi diversi, ma non sono i soli modi osservati in natura.

Ipotetici movimenti convettivi, prodotti cioè dalla differenza di temperatura e quindi di volume, di materiale allo stato semifluido nel mantello terrestre, procurerebbero per attrito il movimento delle strutture crostali sovrastanti in varie direzioni. Dove i moti convettivi avrebbero direzioni convergenti si originerebbero dei "confini di subduzione" dove questi movimenti fossero divergenti si originerebbero delle "dorsali".
Ai confini di subduzione le placche si scontrano, alle dorsali le placche si allontanano.

La "tettonica" è il ramo della geologia che studia i processi di deformazione della crosta terrestre. La parola viene dal tardo latino tectonicum che è dal greco tektonikos, "che concerne il costruire".
La tettonica indaga quindi il modo in cui si origina la forma attuale della superficie terrestre, come viene costruita dalle immense forze della natura.
 

I movimenti del suolo
Alcuni tipi di terremoti (di solito di modesta energia) vengono prodotti da movimenti franosi o di caduta prodotti nel sottosuolo in seguito ad erosioni di materiale provocanti il distacco di terreno e roccie dal soffitto di grotte e anfratti sotteranei. Di solito questo tipo di terremoti, benchè possano essere registrati dagli strumenti, non producono effetti sulle abitazioni a meno che il movimento franoso non vada a modificare la stabilità degli strati superficiali del terreno sovrastante.

Mentre non si conosce ancora con esattezza il motore che spinge le zolle continentali a urtarsi fra loro, sono meglio conosciuti invece i tipi di movimento superficiale a cui il suolo è sottoposto; movimenti che mettono in evidenza fratturazioni di vario tipo. I punti in cui due placche si scontrano originano porzioni di crosta notevolmente fratturate, queste fratture multiple originano di solito "sistemi di faglie" il cui comportamento è molto complesso.

La figura che segue illustra come potrebbe essere la struttura di un sistema di faglie.
 
 

Si tenga presente che ogni blocco è sempre sottoposto alla forza di gravità che tende a farlo "cadere" verso il basso, a forze "di supporto" che contrastano la forza di gravità e a tutte le forze "laterali" potenzialmente provenienti da tutte le direzioni prodotte dal movimento delle placche stesse.

Osservando più da vicino i sistemi di faglie possiamo riconoscere almeno quattro tipi di faglia. Ogni diverso tipo è in grado di originare terremoti di diversa forza e diverso impatto sulle strutture costruite dall'uomo.
Si consideri anche che non esiste quasi mai una faglia corrispondente ad uno solo di questi tipi di faglie. Le forze che agiscono sui lembi di territorio fagliato, spaccato, sono sempre multiple e quindi una faglia prevalentemente diretta può avere anche una componente trascorrente e viceversa. I movimenti illustrati di seguito sono quindi i movimenti basilari.
 

Faglia diretta
La faglia diretta o faglia normale è chiamata cosè perchè la componente verticale del movimento è causata dalla naturale forza di gravità. I due blocchi sottoposti a delle forze distensive, che li allontanano, trovano o uno o ambedue spazio per scivolare in due direzioni opposte.
 
 

Faglia inversa
La faglia inversa è sottoposta a forze di tipo compressivo, i due blocchi scivolano l'uno sull'altro e si alzano o si abbassano l'uno rispetto all'altro in base all'orientamento del piano di faglia.
 
 

Faglia Thrust
La faglia di tipo thurst è originata, come la faglia inversa da forze di tipo compressivo ma il piano di faglia ha una angolazione molto moderata questo procura un accavallamento dei due strati, una sovrapposizione.

Faglia laterale
La faglia laterale è originata da fenomeni di tipo trascorrente, le due forze sono applicate sul piano orizzontale e i due lembi di territorio trascorrono l'uno accanto all'altro.
 
 

Possibili danni da terremoto
Qualsiasi vibrazione del terreno può potenzialmente arrecare danni alle strutture.
Le vibrazioni che più facilmente procurano danni sono quelle orizzontali (ondulatorie) specialmente negli edifici alti e non costruiti con criteri antisismici. Le figure che seguono illustrano alcuni danni alle strutture.
 
 

Come si misura un terremoto
I terremoti vengono RILEVATI tramite i sismometri i e vengono REGISTRATI dai sismografi. Attraverso la traccia sismografica, conoscendo le caratteristiche dei sensori, e dei circuiti ad essi applicati, si può risalire all’effettivo movimento del terreno.

Il terremoto viene misurato soprattutto con due scale internazionali, la scala Mercalli e la scala Richter.
La scala Mercalli dà una stima dell’intensità del sisma basandosi sugli effetti prodotti (effetti macrosismici) sulle persone, sulle infrastrutture umane e sulle strutture naturali di superficie.
La scala Richter ha lo scopo di misurare con precisione l’energia liberata dalla fratturazione delle rocce. Nella tabella che segue si propone un accostamento tra le due scale, si tenga presente che sarebbe inappropriate usare la dizione: il terremoto aveva intesità (o magnitudo) 4.2 Richter “che corrisponde a” un VI grado della scala Mercalli, ma piuttosto: “che potrebbe corrispondere”. Un sisma di magnitudo 5.0 Richter che avvenga a 100km di profondità non causerà gli stessi danni se avvenisse ad una profondità di 5km. Così come un evento sismico di magnitudo 5 provocherà differenti conseguenze macrosismiche a seconda del tipo di costruzioni o alla natura del terreno che incontrerà.
Si tenga presente che quando si parla di magnitudo ci si riferisce sempre alla scala Richter, mentre quando si parla di intensità ci si riferisce di solito alla scala Mercalli.
 
 

    La scala Mercalli
 
 

    Il sismometro
Il sismometro è uno strumento, un sensore, in grado di rilevare le vibrazioni prodotte da un movimento sismico. Le vibrazioni non sono registrabili solo nell'area in prossimità dell'epicentro ma si propagano a grande distanza proporzionatamente all'entità del terremoto stesso.
I sismometri sono in grado di rilevare vibrazioni estremamente piccole anche a grande distanza.
Un sismometro trasforma la vibrazione meccanica del suolo in impulsi elettrici adatti ad essere registrati o su carta o in altre forme di registrazione elettronica.
Per poter rilevare la vibrazione di solito i sismometri usano un sistema inerziale. Una massa, dotata di una certa inerzia, è lasciata libera di muoversi rispetto al suolo. Appropriati sensori (trasduttori) trasformano la distanza tra un riferimento meccanico della massa rispetto al suo sistema di sospensioni in segnali che possono rappresentare: lo spostamento, l'accelerazione o la velocità. Da una qualsiasi di queste grandezze è possibile ricavare (relazionandole al tempo) le altre due.
Per esempio dall'accelerazione relazionata al tempo si può esprimere la velocità istantanea e di conseguenza lo spostamento assoluto rispetto al punto di riferimento.
Dalla velocità istantanea è pssibile ricavare sia lo spostamento assoluto che l'accelerazione.
Ovviamente tutte queste misure sono soggette ad un errore del quale occorre tener conto nel momento dell'analisi del sismogramma.
Un sismometro professionale deve essere in grado di rilevare il movimento del suolo almeno nell'ordine dei qualche nanometro cioè di qualche miliardesimo di metro. Un sismometro in grado di rilevare movimenti dell'ordine dei milionesimi di metro (micrometri) può essere un traguardo notevole per un sismologo dilettante e consente di rilevare la maggioranza dei movimenti tellurici in zone limitrofe alla posizione del sismometro e la maggioranza dei grandi terremoti (magnitudo maggiore di 5.0) anche a migliaia di chilometri.

    La scala Richter
Fu nel 1935 che il sismologo Charles Richter (da lui il nome della scala) definì la magnitudo come: logaritmo in base 10 della massima ampiezza in micron della registrazione ottenuta con sismografo standard di un terremoto a registrato da una stazione a 100km dall’epicentro.

Esistono vari tipi di calcoli di magnitudo: Magnitudo Locale, superficiale, in durata etc…
Attraverso varie tabelle si può conoscere l’intensità del sisma anche analizzandolo da stazioni a distanze diverse con sensori diversi. Da diversi studi compiuti in California Richter definì la seguente equazione (valida per quella regione) relativa alla magnitudo locale, equazione che forniamo a titolo puramente indicativo.
 
 

    La corrispondenza Scala Richter / Energia in Erg

    0 – 2     0.5 Kg di tritolo < 2 x 10^10
    2 – 3     50 t di tritolo 3000 x 10^10
    3 – 4     3.5x10^15
    4 – 5     Piccola bomba atomica (20 kilotoni) 15x10^16
    5 – 6     150x10^18
    6 – 7     Piccola bomba all’idrogeno (1 megatone) 120x10^20
    7 – 8     100 bombe all’idrogeno 30x10^22
    8 – 9     60.000 bombe all’idrogeno > 1 x 10^25

Come si registra
La registrazione può avvenire sia su carta per mezzo di tamburi rotanti, che in formato elettronico in digitale tramite l’utilizzo di memorie di massa come i dischi magnetici e dischi ottici. Molti osservatori conservano la soluzione della registrazione su carta. Essa è molto affidabile. Non consente però molte possibilità di studio del sismogramma. Un sismologo esperto può ricavare dal sismogramma su carta tutto quello che serve per conoscere l'epicentro di un terremoto e molte informazioni in più ma l'uso del computer (che impone la registrazione in digitale) amplifica di migliaia di volte le possibilità di studio dei sismogrammi.
Oggi tutti i moderni osservatori eseguono registrazioni digitali dei sismogrammi.

Il sismogramma in digitale è registrato tipicamente su dischi magnetici od ottici.
Il segnale elettronico è tradotto in forma binaria  (00101010) secondo dei formati che consentono di ricavare l'effettivo movimento del terreno nel punto in cui è stata registrata la scossa.
Insieme ai dati del movimento del suolo (espressi in nanometri/s o nanometri/s/s o semplicemente in nanometri, o altra misura opportuna) sono registrate le coordinate geografiche del punto di rilevamento, il tempo assoluto a cui si riferisce la registrazione ed altri parametri relativi alla sensibilità e calibrazione del sensore e del sistema di registrazione.

Un sismogramma registrato su carta risulta così:
 

Un sismogramma registrato in digitale ha questa forma:
 
 

    I primi sismografi
I primi sismografi erano molto rudimentali.
La figura che segue illustra un rudimentale ma efficace sismografo su sabbia realizzato nel 1751 dal ricercatore Andrea Bina e ancora conservato nell'osservatorio di Perugia che porta il suo nome.

Altri sismografi sfruttavano come supporto per registrare il sismogramma della carta affumicata dove veniva fatto scorrere un pennino che, asportando parte del pigmento nero, lasciava una riga bianca ad evidenziare il sismogramma stesso. Questi sismografi dovendo rilevare lievissimi movimenti del suolo e dovendo vincere il considerevole attrito del pennino sulla carta sfruttavano un sistema complesso di sospensioni per masse dell'ordine delle centinaia di chilogrammi e un complesso sistema di leve per amplificarne la forza.
 

    I sismografi moderni
I sismometri moderni usano spesso masse inerziali dell'ordine dei pochi grammi o al massimo poche centinaia di grammi. Non è infatti la massa in se a determinare la sensibilità del sismometro ma le meccaniche e i circuiti elettronici ad essi collegati.
Per riportare su un grafico il movimento del suolo si usano o dei pennini a filo caldo su carta termica (sugli ormai vecchi tamburi rotanti ma ancora in uso) oppure il tutto è trasferito su sistemi digitali.

    I sismografi digitali

Un sismografo digitale sfrutta di solito un Personal Computer per la memorizzazione dei dati.
I dati poi possono essere visionati e studiati usando appositi programmi di analisi.
La figura che segue illustra la schermata di un programma di acquisizione digitale su personal computer.

Un sismogramma in digitale permette di ottenere prestazioni eccezionali dal proprio sistema.
Appositi algoritmi di filtraggio consentono di evidenziare tutte le caratteristiche nascoste del sismogramma partendo dalla registrazione originale.
Le tracce originali vengono di solito mantenute per non perdere la possibilità di eseguire diversi tipi di elaborazione forse non necessari al momento.
Non solo ma l'uso di tecniche digitali consente di analizzare simultaneamente decine di sismogrammi provenienti da altrettante stazioni di rilevamento. Questo consente una rapidissima determinazione degli epicentri e degli ipocentri. Questo tipo di calcoli sono essenziali per esempio durante una crisi sismica in modo che gli osservatori possano comunicare con tempestività ed esattezza l'epicentro di un terremoto riducendo i tempi di attivazione di eventuali soccorsi.

La precisione della determinazione è importante anche perchè l'epicentro può essere localizzato in aree rurali dalle quali, subito dopo il sisma, potrebbe addirittura essere impossibile comunicare, errori di pochi chilometri possono diventare importanti nella decisione se perlustrare prima una data località piuttosto che un'altra.
Le moderne tecniche permettono di ridurre al minimo sia i tempi di analisi che gli errori di determinazione.

La determinazione immediata degli ipocentri aiuta anche a determinare l'evoluzione di una crisi sismica consentendo di analizzare il fuoco del terremoto e delle sue repliche.
Dalla localizzazione degli eventi si può determinare infatti se un evento sismico ha attivato faglie adiacenti con possibili estensioni della crisi sismica ad aree sismogenetiche limitrofe.