Supercicli al bordo della piastra
Quando le placche terrestri si abbassano o si scontrano tra loro, la terra trema, come è successo recentemente in Nepal. Le ricerche all'ETH di Zurigo forniscono nuove spiegazioni per la formazione di superterremoti lungo le zone di subduzione utilizzando l'esempio della costa del Giappone.
L'11 marzo 2011, al largo delle coste del Giappone, la tensione di due placche terrestri incastrate si è scaricata sotto il fondale marino e ha innescato un enorme tsunami. Il risultato del terremoto di Tohoku: più di 15.000 morti, quasi 400.000 edifici completamente o gravemente distrutti e la centrale nucleare di Fukushima gravemente danneggiata. Questo "superterremoto" è stato probabilmente il più grande di una sequenza di diversi terremoti e segna la fine di un cosiddetto superciclo, una sequenza di diversi terremoti.
Un team di ricerca dell'ETH di Zurigo guidato da Taras Gerya, professore di geofisica, e Ylona van Dinther sta studiando questi supercicli nelle zone di subduzione.
I geologi definiscono una zona di subduzione come il confine in cui una placca tettonica viene spinta sotto un'altra lungo un mega-thrust e si immerge nel mantello terrestre. Tali zone si trovano al largo delle coste del Sud America, nel nord-ovest degli Stati Uniti, al largo di Sumatra e del Giappone.
L'ultimo superterremoto chiude il ciclo
Tuttavia, i terremoti non possono verificarsi ovunque lungo il mega sovrascorrimento, ma solo nelle sue zone sismogenetiche. Il motivo: in queste zone, l'attrito blocca il movimento relativo delle placche per lungo tempo. "Ciò causa l'accumulo di tensioni, che un terremoto allevia improvvisamente", spiega il dottorando Robert Herrend?rfer. Tuttavia, il continuo movimento delle placche porta a nuove sollecitazioni, che a loro volta vengono rilasciate nei terremoti: si crea così un ciclo sismico. In un superciclo, solo alcune parti di una sezione della zona di subduzione si rompono durante i primi terremoti, mentre l'intera sezione si rompe nel "superterremoto" finale.
Finora sono state fornite diverse spiegazioni per il fenomeno della "rottura graduale". Ma tutte presuppongono che lungo il mega-trasporto prevalgano proprietà di attrito diverse nelle singole sezioni. "Questa eterogeneità porta a una sorta di trapunta patchwork", spiega Herrend?rfer. "Inizialmente i terremoti rompono singoli patch più piccoli, in seguito un 'superterremoto' rompe diversi patch contemporaneamente".
L'ampiezza della zona sismica è decisiva
In un nuovo lavoro appena pubblicato su "Nature Geoscience", l'ETH guidato da Herrend?rfer propone un'altra spiegazione che non richiede questo mosaico. In parole povere, l'ipotesi è che quanto più ampia è una zona sismogenetica, tanto maggiore è la probabilità che si verifichino supercicli.
Per capirlo, bisogna innanzitutto visualizzare le forze fisiche che agiscono nelle zone di subduzione. Mentre una placca viene spinta sotto l'altra con un certo angolo di inclinazione, le placche sono parzialmente accoppiate tra loro lungo il mega-sovrascorrimento, in modo che la placca inferiore trascini con sé quella superiore.
I ricercatori del Fare ricerca all'ETH hanno simulato questo processo al computer. La placca superiore è rappresentata da un cuneo, quella inferiore da una placca rigida. Poiché le placche sono collegate solo all'interno della zona sismogenetica, il cuneo viene deformato dalla contropressione e si accumulano tensioni fisiche. Nelle zone sismiche vicine, le placche possono muoversi l'una rispetto all'altra.
Lo stress si accumula più rapidamente ai bordi della zona sismogenetica. Se le sollecitazioni diventano più forti della resistenza di attrito della placca, il cuneo si disaccoppia e inizia a muoversi rispetto alla placca in subduzione. La velocità relativa aumenta e la resistenza di attrito diminuisce. Il cuneo diventa quindi ancora più veloce. Il risultato è una rapida sequenza di interazioni: un terremoto. Il terremoto si propaga fino al punto in cui il rapporto tra tensione e resistenza di attrito si sviluppa a favore della resistenza di attrito. A quel punto la frattura termina e le due placche si accoppiano di nuovo.
La zona sismogenetica si rompe solo parzialmente
Nell'ambito della sua tesi di dottorato, Robert Herrend?rfer ha studiato come la larghezza delle zone sismogenetiche influisca su questo processo. I modelli mostrano che all'inizio di un superciclo, la differenza tra lo stress e la resistenza di attrito è molto grande, e più ampia è la zona sismogenetica, maggiore è la differenza. "Di conseguenza, i primi terremoti in quest'area rompono solo parzialmente la zona sismogenetica", spiega Herrend?rfer. Nelle zone più strette, un singolo terremoto può già rompere l'intera zona. Nelle zone più ampie, di circa 120 chilometri o più, lo stress si scarica in diversi terremoti e infine in un super-terremoto.
Questa spiegazione è supportata da dati empirici: "Finora i supercicli sono stati osservati solo in zone di subduzione la cui zona sismogenetica è più ampia della media di circa 110 chilometri", spiega Herrend?rfer. Sulla base delle loro indagini, i ricercatori del Fare all'ETH hanno definito altre regioni che potrebbero essere interessate da supercicli, oltre alle aree già conosciute: le zone di subduzione al largo della Kamchatka, delle Antille, dell'Alaska e di Giava.
Il modello non viene utilizzato per la previsione
Tuttavia, il ricercatore mette in guardia da conclusioni premature: "I nostri modelli teorici consentono solo un confronto limitato con la natura e non sono adatti alla previsione dei terremoti", sottolinea Herrend?rfer. "Con il nostro lavoro, vogliamo ampliare la nostra comprensione dei processi fisici durante un ciclo sismico. Il metodo può essere applicato anche alle zone di collisione continentale, come l'Himalaya, dove di recente si è verificato il devastante terremoto in Nepal.
Come le placche si scontrano
Le zone di subduzione sono confini di placca convergenti, cioè aree in cui le placche si muovono l'una verso l'altra. Queste includono anche le zone di collisione continentale, come le Alpi e l'Himalaya, dove la placca indiana si scontra con quella asiatica. Esistono anche confini di placca divergenti, in cui le placche si allontanano l'una dall'altra, come ad esempio in Islanda. Nel caso di confini di placca conservativi, le placche vengono spinte orizzontalmente l'una verso l'altra lungo una faglia verticale. Ne sono un esempio la faglia di San Andreas in California e la faglia dell'Anatolia settentrionale.
Riferimento alla letteratura
Herrend?rfer R, van Dinther Y, Gerya T, Dalguer LA. Superciclo sismico nelle zone di subduzione controllato dalla larghezza della zona sismogenetica. Nature Geoscience, pubblicazione online il 4 maggio 2015. DOI pagina esterna10.1038/ngeo2427