Possibile precursore di mega-terremoti individuato da satelliti che misurano il campo gravitazionale terrestre

By Ross Stein, Ph.D. and David Jacobson, M.Sc., Temblor

Translated by Angela Stallone (PhD candidate in Geophysics at the Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV), Italy) and Giovanni Diaferia (PhD candidate in Geophysics at the University of Roma TRE, Italy)

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El devastador terremoto de Tohoku en 2011 y el tsunami subsecuente ocasionaron daños valorados en miles de millones de dólares y la muerte de miles de personas. Un nuevo estudio, que se publicó este mes halló un enorme cambio preliminar en la gravedad sobre el archipiélago japonés, el cual inició unos pocos meses antes del terremoto de M=9.0 de Tohoku. (Foto del Departamento de Manejo de Emergencias de San Francisco, SFDEM).
Il devastante terremoto di Tohoku nel 2011 ed il successivo tsunami hanno causato danni per miliardi di dollari e la morte di migliaia di persone. Un recente studio ha messo in luce un’anomalia gravimetrica a partire da pochi mesi prima del terremoto di magnitudo 9 di Tohoku. (Foto da SFDEM)

 

In uno studio pubblicato sull’autorevole rivista Nature Geoscience, Isabelle Panet ed i suoi colleghi francesi mostrano la presenza di un’anomalia gravimetrica (variazione locale del campo gravitazionale rispetto al campo teorico) nell’arcipelago giapponese, qualche mese prima dal mega-terremoto di Tohoku di magnitudo 9. Ciò è emerso dall’analisi dei dati ottenuti dalla coppia di satelliti GRACE, lanciati nel 2002. Le anomalie registrate sono di gran lunga maggiori di quelle riferibili ai 7 anni precedenti il terremoto. I ricercatori hanno anche osservato un notevole cambiamento del segnale di gravità sia nel momento stesso del terremoto che nella fase post-sismica, come osservato precedentemente da altri ricercatori che hanno utilizzato i dati GRACE. Vista l’importanza e l’unicità del risultato, il lavoro di Panet et al. è stato a lungo e dettagliatamente esaminato, con test esaustivi e simulazioni. Questo non prova che sia corretto, ma neanche che sia del tutto sbagliato.

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Questa mappa mostra la variazione (gradiente) di gravità attorno all’epicentro del terremoto
di Tohoku prima, durante e dopo la scossa sismica. mEötvös è l’unità di misura del gradiente gravitazionale terrestre, ovvero il cambiamento del vettore accelerazione di gravità tra due punti della superficie terrestre. ‘Pac’ indica la placca Pacifica, ‘PHS’ la placca del Mare delle Filippine ed ‘Eur’ indica la placca Europea. Nei primi due riquadri, le curve di livello indicano la profondità dello slab (porzione della placca in subduzione) ogni 200 km, ogni 100 km nel terzo riquadro. Da Panet et al., 2018, modificato.

 

I quattro interrogativi

Lo studio è riproducibile da altri? Un segnale di questo tipo può essere osservato anche per altri mega-terremoti, come quello di Sumatra nel 2004 (M=9.2), del Cile nel 2010 (M=8.8) o dell’Indonesia nel 2005 (M=8.6)? Un mega-terremoto avviene anche senza che si verifichi alcuna anomalia? I dati di GRACE potrebbero essere analizzati in tempo reale per identificare una forte scossa imminente? Se la risposta a queste domande è si, questa scoperta rappresenterebbe un notevole passo in avanti nella possibile previsione di eventi sismici. Si tratterebbe di un risultato finora mai raggiunto da alcun altro metodo. Non sarebbe impossibile e rappresenterebbe una vera rivoluzione, se si pensa alle implicazioni che avrebbe nella difesa da tsunami e terremoti.

 

Cosa viene misurato?

Un mega-terremoto è causato da una dislocazione di 20-60 m su di un piano di faglia poco inclinato, lungo centinaia o migliaia di km e largo centinaia di km. Ciò accade quando una placca oceanica scorre al di sotto di una placca continentale o di un arco insulare, un processo chiamato “subduzione”. Con il terremoto, la crosta sovrastante si ispessisce improvvisamente verso mare, causando un eccesso locale di massa. Se ti pesassi nelle vicinanze dell’epicentro (a mare) del terremoto di Tohoku, il tuo peso sarebbe maggiore rispetto a quello che avresti misurato prima dell’evento (il peso misurato, infatti, dipende dalla tua massa e quella della porzione di terra al di sotto dei tuoi piedi). A terra, invece, peseresti meno, in quanto qui la crosta si è assottigliata ed allungata. I satelliti GRACE identificano proprio queste ridistribuzioni di massa e fluidi misurando le conseguenti variazioni di gravità.

Las naves espaciales gemelas de ciencias terrestres, GRACE, se lanzaron en 2002 a una misión de cinco años, se retiraron en noviembre de 2017, más de 15 años después de haber sido lanzadas. Su sucesora se lanzará el 19 de mayo de 2018. Estos satélites aceleran y desaceleran en relación una con la otra debido a cambios en la masa en la Tierra debajo de ellas. Estas pequeñas aceleraciones, al juntarse y separarse, cambian sus distancias relativas, las cuales se miden mediante sistemas oscilantes láser y microondas y, después, convierten a variaciones en el campo gravitacional de la Tierra debajo. Los satélites GRACE pasan en repetidas ocasiones sobre el mismo punto, para que puedan detectarse cambios en la gravedad a tiempo, cada una cuantas semanas. (Imagen de: NASA).
I due satelliti GRACE, lanciati nel 2002 per una missione di cinque anni, sono rimasti operativa fino al Novembre 2017, ovvero più di 15 anni dopo il loro lancio. Seguirà una nuova missione nel Novembre 2018. Tali satelliti accelerano e decelerano l’uno relativamente all’altro, a causa delle variazioni di massa all’interno della Terra. Queste piccole accelerazioni/decelerazioni si traducono in una variazione della loro distanza relativa, misurata con telemetri laser o microonde, poi convertiti in variazioni di campo gravitazionale terrestre. I satelliti GRACE ripassano più volte nello stesso luogo, così da poter identificare variazioni di gravità nel tempo, a distanza di qualche settimana. (Immagine da: NASA)

 

Quali implicazioni potrebbero avere queste osservazioni?

Al di là di questo lavoro di ricerca, sino ad ora le analisi empiriche sembrano suggerire che i grandi terremoti si originano e si propagano esattamente come quelli più piccoli ma, per ragioni ancora sconosciute, nel caso di eventi maggiori la frattura continua a propagarsi anziché interrompersi dopo un certo intervallo di tempo. La velocità di crescita della rottura lungo il piano di faglia è quasi la stessa per un terremoto di magnitudo M=7 e M=9, con l’unica differenza che nel primo caso il terremoto inizia a smorzarsi dopo circa 10 secondi, mentre nel secondo caso l’energia inizia ad esaurirsi solo dopo 60 secondi o più. Se è valido quanto sostenuto da Panet et al., allora questa visione del processo di rottura risulterebbe errata: i loro risultati, infatti, implicano che ci sono delle condizioni iniziali ben precise che tendono a promuovere il verificarsi di un evento molto più grande. Alcuni terremoti, insomma, sarebbero destinati fin dalla loro nucleazione ad evolvere in eventi più grandi.

Esta figura, de Meier et al. (2017), sugiere que ningún terremoto pequeño está destinado para una grandeza futura. Todos comienzan a crecer a aproximadamente la misma tasa, pero los pequeños se desvanecen antes. El ‘Momento’ es una medición del tamaño o energía del terremoto.
Questa immagine (da Meier et al. (2017)) suggerisce che nessun terremoto piccolo è predestinato a divenire un terremoto grande. Il tasso di crescita è praticamente identico per tutti gli eventi, ma i più piccoli esauriscono la loro energia prima. Il “momento” (“Moment rate” nell’immagine) è una misura della dimensione o dell’energia del terremoto.

 

Per raggiungere questi risultati è necessario un largo impiego di strumenti di trattamento del segnale (in alcuni casi, questi sono stati adattati all’orientazione e scala della zona di subduzione in esame, ecco perché la riproduzione indipendente di questi risultati da parte di altri ricercatori è fondamentale). Le piogge monsoniche asiatiche modificano la massa sulla superficie terrestre, così come l’accumulo o lo scioglimento di neve e ghiaccio, o le tempeste e le correnti che alterano la massa dell’oceano al largo: tutti questi segnali possono durare anche mesi e quindi devono essere completamente rimossi prima di analizzare il segnale. Quello che Panet et al. hanno osservato dopo aver opportunamente trattato i dati è che, pur essendoci un segnale monsonico residuo nella Cina orientale nelle mappe di agosto 2010 e febbraio 2011, si tratta comunque di anomalie più piccole e più isolate rispetto a quella che precede il terremoto di Tohoku, che invece persiste nel tempo. Sommando tutti i segnali relativi al periodo 2006-2009, Panet et al. mostrano come nessuna anomalia ha dimensioni paragonabili a quella precedente Tohoku. E quando analizzano un’area circoscritta all’anomalia del 2011, diventa ancor più chiaro quanto essa si distingua per dimensione ed intensità rispetto alle altre.

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Il globo sinistro in questa figura mostra le anomalie cumulative di luglio-febbraio, nel periodo 2006-2009. Nel globo destro sono rappresentate le variazioni gravimetriche antecedenti il terremoto di Tohoku di magnitudo M=9.0 (immagine tratta da Panet et al., 2018). La versione ingrandita è mostrata nella seconda figura di questo articolo.

 

Se confermata, qual è la causa di tale anomalia?

Gli autori sostengono che lo slab (il piano di subduzione) si sia esteso fino al mantello terrestre e che questo avrebbe determinato un diffuso decremento della massa dello slab stesso (con conseguente anomalia gravimetrica). L’interpretazione fornita è dunque che la sorgente di tale gradiente di massa sia piuttosto dispersa e sia posta ad una profondità di gran lunga maggiore rispetto a quella della rottura effettiva che ha generato il terremoto. Questo spiegherebbe come mai l’anomalia risulti essere ancora più estesa del segnale cosismico. Inoltre, un’origine profonda della deformazione spiegherebbe come mai non sia stata rilevata dall’eccellente rete di monitoraggio GPS del Giappone. Solo una piccola anomalia è stata rilevata nei dati GPS prima del terremoto di Tohoku (Mavrommatis et al. 2014), ma è relativa al periodo di un decennio e dunque non sembrerebbe essere relativa al terremoto.

 

Cosa succede adesso?

A breve – forse entro un anno – sapremo se sarà stato un insuccesso, o se questo è l’inizio di un nuovo capitolo nella nostra comprensione dei grandi terremoti e, magari, della protezione della popolazione dagli eventi sismici. Le probabilità che ciò accada sono scarse, ma questo è tipico del mondo della scienza, ed è ciò che la rende eccitante.

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Isabelle Panet dell’Institut National de l’Information Géographique et Forestière e dell’Université Paris Diderot, Sorbona, e il co-autore Clément Narteau, dell’Institut de Physique du Globe de Paris, e dell’Université Paris Diderot, Sorbona, fotografati presso l’IPGP da Ross Stein.

 

Fonti

Mavrommatis, A. P., P. Segall, and K. M. Johnson (2014), A decadal-scale deformation transient prior to the 2011 Mw9.0 Tohoku-oki earthquake, Geophys. Res. Lett., 41, 4486–4494, doi:10.1002/2014GL060139.

M.-A. Meier, J. P. Ampuero, T. H. Heaton, The hidden simplicity of subduction megathrust earthquakes, Science 357, 1277–1281 (2017) 22 September 2017

Isabelle Panet, Sylvain Bonvalot, Clément Narteau, Dominique Remy and Jean-Michel Lemoine, Migrating pattern of deformation prior to the Tohoku-Oki earthquake revealed by GRACE data, Nature Geoscience | VOL 11 | MAY 2018 | 367–373