Sequenza sismica e sismotettonica dell'alta Val Tiberina-Gubbio (Umbria)

Paolo Balocchi(1), Silvia Bonetti(2), Francesca Carla Lupoli(3)

  

Riassunto: L’area dell’alta Val Tiberina-Gubbio è rappresentata geograficamente dal Bacino Tiberino e il Bacino di Gubbio e geologicamente rappresentano delle “conche intermontane” che ospitano al loro interno i sedimenti quaternari e sono limitati ai bordi da faglie principali di importanza regionale come la Faglia Altotiberina e faglie secondarie come quella di Gubbio, antitetica alla precedente. L’area, storicamente è stata sede di numerosi eventi sismici e a partire dal 22 Dicembre 2013 si è verificato uno sciame sismico dopo il terremoto di Ml 4,0. L’analisi della sequenza sismica di lungo periodo in relazione alle strutture tettoniche di importanza regionale, hanno permesso di definire il ruolo sismotettonico nettamente predominante per la Faglia Altotiberina e un ruolo subordinato alla precedente per quella di Gubbio. Dall’analisi spazio-temporale della distribuzione della sequenza, è stato possibile definire una cronologia di attivazione delle due strutture tettoniche che hanno generato la sequenza sismica. Sulla base dei meccanismi focali e della loro profondità ipocentrale, è stato possibile definire un modello tettonico di estensione del retropaese appenninico. Il modello mette in luce come per effetto del roll-back del piano di subduzione, si instaura un regime di stress tettonico distensivo nell’alta Val Tiberina-Gubbio provocando la riattivazione delle principali strutture sismogenetiche di interesse regionale e la formazione di un cuneo di estrusione (extruding wedge) con lo scivolamento lungo il piano della Faglia Altotiberina (master fault), mentre la faglia secondaria di Gubbio,  gioca un ruolo di svincolo cinematico, accomodando la deformazione tettonica tra i diversi blocchi in senso verticale.

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1) Geologo del GeoResearch Center Italy – GeoBlog (sito internet: www.georcit.blogspot.com; mail: georcit@gmail.com).

2) Ingegnere Strutturale-Sismico e collaboratrice del GeoResearch Center Italy – GeoBlog.

3) Geologa e collaboratrice del GeoResearch Center Italy – GeoBlog.

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GeoResearch Center Italy - GeoBlog, pub. n° 1 (2014), ISSN: 2240-7847.

Introduzione

L’area entro cui ricade la sequenza sismica dell'alta Val Tiberina-Gubbio è rappresentata dal Bacino Tiberino, il cui ramo principale più settentrionale, comprende l'alta Val Tiberina tra San Sepolcro e Perugia.  Ad est del Bacino Tiberino sono presenti numerosi bacini minori descritti in letteratura come “conche intermontane”, tra cui il Bacino di Gubbio (fig. 1), sede del terremoto di Ml 4,0 del 22 Dicembre 2013. Il bacino dell'alta Val Tiberina è bordato ad ovest da un'importante faglia diretta, immergente verso ENE (Pialli e al., 1998) e denominata in letteratura coma Faglia Altotiberina (Barchi e al., 1999a; 1999b). Il Bacino di Gubbio è bordato ad est da una faglia principale diretta con direzione antiappenninica e immersione a SW. Tale struttura distensiva prende il nome di Faglia di Gubbio (Barchi e al., 1999a; 1999b; Bussolotto e al., 2005; Menichetti, 2005).

Figura 1: Schema strutturale dell’Appennino Umbro (modificato da: Barchi e al., 1999b); 1) Bacini neo-autoctoni pliocenico-quaternari; a) Gubbio; b) Gualdo Tadino; c) Colfiorito; d) Norcia; e) Cascia; f) Castelluccio; 2) Faglie dirette; 3) Sovrascorrimenti e faglie inverse; 4) Traccia della sezioni sismica-geologica riportata in figura 2.

Gli studi sismotettonici di dettaglio (Boncio e al., 1998) hanno stabilito delle relazioni geometriche tra le faglie bordiere principali, ritenute tuttora attive, e la sismicità, in particolare nell'area di Gubbio (Haessler e al., 1988; Menichetti, Minelli, 1991), come dimostra anche lo sciame sismico e il terremoto del 22 Dicembre.

Analizzando le relazione tra la sequenza sismica e le due strutture principali (la Faglia Altotiberina e quella di Gubbio), si vuole descrivere l’evoluzione cinematica delle due faglie che hanno generato la sequenza, proponendo un modello sismotettonico dell’alta Val Tiberina-Gubbio.

Inquadramento tettonico regionale

L'Appennino settentrionale è comunemente interpretato come il risultato della convergenza tra la placca Europa e la microplacca Adria (un promontorio della placca più estesa Africa), che forma un piano di subduzione inclinato di 65°-70° circa che immerge al di sotto dell'Appennino (Malinverno, Ryan, 1986; Carminati e al., 1999; Doglioni e al., 1991; Scrocca e al., 2006; Riguzzi e al., 2010; Balocchi, 2011; Balocchi, Santagata, 2012).

La convergenza lungo il fronte Adriatico incomincia durante l'Oligocene-Miocene e dura per tutto il Terziario, ed è tutt'ora in corso (Frepoli e al., 1997; 2000). Nello stesso tempo una deformazione estensionale, relativa all'apertura del Tirreno settentrionale si instaura nella zona interna (versante tirrenico) della catena appenninica propagandosi verso est. L'estensione incomincia nel Miocene medio nel bacino della Corsica e procede nella Toscana durante Miocene-Pliocene medio, in Umbria nel tardo Pliocene e attualmente nell'Appennino Umbro-Marchigiano, producendo progressivamente dei bacini più giovani procedendo da ovest ad est (Bartole, 1995; Pascucci e al., 1999; Pauselli e al., 2006).

La coesistenza e la migrazione verso est del fronte compressivo Adriatico e l'estensione sul versante  Tirrenico, ha dominato l'evoluzione tettonica dell'Appennino settentrionale dal Miocene, ed è una caratteristica dell'orogene appenninico (Elter e al., 1975).

Attraverso lo studio di sezioni di sismica a riflessione messe a disposizione dall’AGIP, tarate da saggi in profondità, si è arrivati alla definizione della geometria profonda delle strutture geologiche del Pre-Appennino Umbro, compresa tra il Bacino Altotiberino e l'anticlinale di Gubbio (fig. 1).

Le strutture principali sono caratterizzate essenzialmente da due faglie, una principale diretta denominata Faglia Altotiberina ed una antitetica ad essa la Faglia di Gubbio. L'intersezione tra le due si trova ad una profondità di circa 6 km nella parte meridionale, risale fino a 4.5 km procedendo verso N, dopo di che si approfondisce nuovamente fino a circa 5 km (Barchi e al., 1999a; 1999b).

Figura 2: Sezione sismica-geologica lungo la traccia A-A’ in figura 1 (modificato da: Boncio e al., 1998). 1) Bisciaro; 2) Marne a Fucoidi; 3) Top Evaporoti; 4) Top Basamento s.l.; 5) Sovrascorrimenti e faglie inverse; 6) Faglie dirette.

La prima, come si è detto, è una faglia principale diretta (master fault) con una direzione di 150°N e immersione ENE, estendendosi al di sotto della catena appenninica fino ad una profondità di circa 12 km (fig. 2). La faglia di Gubbio ha una geometria listrica e disloca il fianco occidentale dell'anticlinale omonima, immergendo verso SW, con direzione di 120°N ed inclinazione che varia tra i 50° e i 70°. Il rigetto complessivo massimo, desumibile dalla dislocazione dell'orizzonte delle Marne a Fucoidi, è pari a circa 1000 m (Barchi e al., 1999a; 1999b). In profondità la faglia riattiva un preesistente piano di sovrascorrimento, invertendone il movimento (Barchi e al., 1999a).

Figura 3: Carta delle isobate: a) Faglia Altotiberina (da: Barchi e al., 1999b).; b) Faglia di Gubbio con riportata la distribuzione della sismicità legata alla crisi sismica del 1984 (da: Barchi e al., 1999a; Pauselli e al., 2002).

Attraverso l’interpretazione delle linee sismiche (Barchi e al., 1999a; 1999b) sono state costruite le carte delle isobate della Faglia Altitibentina e di Gubbio. Dalla carta delle isobate della Faglia Altotiberina (figg. 2, 3a) si evidenzia la sua geometria regolare, con un tratto superficiale relativamente ripido, fino alla profondità di 4 km, un tratto intermedio appiattito, che si estende fino a circa 8 km al di sotto della struttura di Gubbio, ed un tratto orientale che si estende fino sotto alla catena (12 km di profondità) con una inclinazione intermedia rispetto alle precedenti. La diversa inclinazione dei segmenti della faglia è da attribuirsi all’alternarsi di diverse unità litologiche competenti (rocce carbonatiche) e meno competenti (torbiditi) che mostrano comportamenti meccanici differenti.

La carta delle isobate della Faglia di Gubbio e la distribuzione degli ipocentri della crisi sismica di Gubbio del 1984 (fig. 3b)(Haessler e al., 1988; Pauselli e al., 2002) confermano la geometria della Faglia di Gubbio con andamento listrico e l’intersezione alla profondità di 6 km con la Faglia Altotiberina. Inoltre in profondità le isobate mostrano una curvatura del piano di faglia, facendo ipotizzare che la Faglia di Gubbio possa essere divisa in due segmenti distinti, attivabili separatamente (Barchi e al., 1999a).

La Faglia Altotiberina e quella di Gubbio rappresentano le strutture di un unico sistema estensionale (Altotiberin extensional Faults System), caratterizzato da una sheare zone est-immergente, che affonda le sue radici nella crosta superiore, rappresentando il principale sistema sismogenetico dell’area, attualmente attivo nel segmento più profondo (Barchi e al., 1999a; 1999b; Boncio e al., 1998).

Figura 4: Grafico a torta del numero di eventi suddivisi in classi di magnitudo del periodo 2005-2014, della sequenza della val Tiberina-Gubbio (dati: INGV, 2014a).

Sismologia

Per descrivere la sismicità dell’area della val Tiberina-Gubbio, si è fatto riferimento al "Catalogo ISIDe" dell'Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV, 2014a).

Considerando la sequenza sismica della val Tiberina-Gubbio nel periodo 2005-2014 (fig. 4), il numero totale di eventi è di 13155, dove solo il 3% degli eventi presenta una magnitudo non strumentale  superiore alla Ml 2.

Analizzando le frequenza nel peridio 2010-2014 (fig. 5), il numero di eventi è 12446 (che rappresenta il 95% dei terremoti totali del 2005-2014) e la distribuzione mantiene sostanzialmente la forma rappresentata nel periodo 2005-2014. Il minor impatto relativo degli eventi di magnitudo inferiore a 1 è correlabile ad una minor raffinatezza nella registrazione del dato per eventi antecedenti al 2009.

Figura 5: Grafico a torta del numero di eventi suddivisi in classi di magnitudo del periodo 2010-2014, della sequenza sismica val Tiberina-Gubbio (dati: INGV, 2014a).

La curva cumulativa degli eventi (fig. 6), è costruita sommando il numero delle  scosse giornaliere al totale degli eventi pregressi. L’analisi di tale curva permette di valutare gli incrementi di attività della sequenza, identificabili nei punti in cui la curva presenta delle variazioni importanti nella pendenza. La sequenza sismica della Val Tiberina-Gubbio mostra un andamento irregolare con alcuni incrementi sostanziali della sismicità, con un aumento del numero di eventi giornalieri (fig. 7): il 16/04/2010, 21/04/2012, 29/08/2013 e il 22/12/2013 in cui si registrò il terremoto di Ml 4,0.

Figura 6: Grafico della curva cumulativa del numeri di eventi giornalieri nel periodo 2010-2014, della sequenza sismica val Tiberina-Gubbio (dati: INGV, 2014a).

L’andamento temporale della magnitudo nella sequenza 2010-2014 (fig. 7), mostra un andamento della sismicità abbastanza regolare con eventi di Ml<3 e un solo un evento di Ml 3,8 del 15/04/2010. A partire dal 2013 si registra un aumento del numero di terremoti e della magnitudo fino al terremoto di Ml 4,0 del 22/12/2013.

Figura 7: Grafico della distribuzione della magnitudo nel periodo 2010-2014, della sequenza sismica val Tiberina-Gubbio (dati: INGV, 2014a).

Particolarmente interessante risulta il posizionamento degli ipocentri nel corso della sequenza (fig. 8). Come si nota gli eventi interessano principalmente gli strati di profondità tra 4 e 10 km. Successivamente gli eventi interessano gli strati più superficiali, ad una profondità inferiore ai 4 km.

Figura 8: Grafico della distribuzione della profondità ipocentrale nel periodo 2010-2014, della sequenza sismica val Tiberina-Gubbio (dati: INGV, 2014a).

Sismotettonica

La sequenza sismica che ha interessato la Val Tiberina e Gubbio, si colloca entro la fascia sismotettonica definita da diversi autori come Main Belt (Bartolini a el., 1983; Boccaletti e al., 1985; Balocchi, 2011), caratterizzata da strutture sismotettoniche con un duplice ruolo distensivo e compressivo, come evidenzia la Faglia di Gubbio nel segmento più profondo.

La distribuzione epicentrale della sequenza sismica, ricavata suddividendo gli eventi sismici in classi di magnitudo (Balocchi, 2011; Balocchi, Santagata, 2012; Balocchi, Riga, 2013), mette in evidenza la distribuzione dei terremoti lungo una fascia ben definita e orientata in direzione NW-SE. Tale distribuzione mostra un andamento parallelo alle principali strutture tettoniche dell'area (fig. 9).

Figura 9: Schema della distribuzione epicentrale in classi di magnitudo della sequenza sismica della val Tiberina-Gubbio (dati: INGV, 2014a).

La profondità degli ipocentri (fig. 10), suddivisi secondo della classi di profondità (Balocchi, 2011; Balocchi, Santagata, 2012; Balocchi, Riga, 2013)  mostra gli eventi più superficiali (profondità dai 0 ai 4 km) maggiormente concentrati in prossimità del Bacino di Gubbio, distribuiti secondo una direzione NW-SE parallela alla faglia omonima. Gli ipocentri delle classi di profondità 4-8 km e 8-10 km mostrano una maggiore concentrazione ad est di Città di Castello, e lungo il Bacino di Gubbio seguendo la direzione NW-SE delle principali strutture. Gli ipocentri delle classi di profondità 10-20 km mostrano una distribuzione abbastanza regolare in quasi tutta la parte dell'area nord orientale. Dalla sezione sismologica (fig. 11) si evince come i terremoti della classe di profondità 10-20 km seguono una distribuzione secondo un piano inclinato verso NE. Tale piano può essere descritto come “superfice efficace” (Meletti e al., 2004; Balocchi, 2011) che approssima il piano della Faglia Altotiberina.

Figura 10: Schema della distribuzione ipocentrale in classi di profondità della sequenza sismica della val Tiberina-Gubbio (dati: INGV, 2014a).

Figura 11: Sezione sismologica schematica con distribuzione ipocentrale della sequenza sismica della val Tiberina-Gubbio (dati: INGV, 2014a).

Dai meccanismi focali (Sconamiglio e al., 2009; INGV, 2014b) si è ricavata la direzione principale degli assi dello stress tettonico (fig. 12), che indicano una direzione di massima compressione verticale e una direzione di massima estensione orizzontale NE-SW. Gli stress tettonici descritti dai meccanismi focali si collocano all’esterno dell’area delimitata dal Bacino di Gubbio (MF 1, 2, 3) ad una profondità tra i 7 e i 9 km prossimi al piano della Faglia Altotiberina. Solo un meccanismo focale (MF 4) è all’interno dell’area, alla profondità di 5 km circa, rappresentando il movimento della Faglia di Gubbio.

Figura 12: Schema della distribuzione dello stress tettonico ricavato dai meccanismi focali dei terremoti della sequenza sismica della val Tiberina-Gubbio (dati: INGV, 2014b).

Conclusioni

Lo studio dei dati sismologici e tettonici dell’alta Val Tiberina-Gubbio ha portato alla formulazione di un possibile modello sismotettonico, che spiega l’evoluzione sismogenetica e tettonica delle due strutture: la Faglia Altotiberina e quella di Gubbio.

Analizzando la distribuzione ipocentrale (figg. 10 e 11), si nota come i terremoti superficiali (profondità 0-4km) siano concentrati maggiormente in prossimità di Gubbio. Tale sismicità più superficiale (fig. 8), viene registrata in questo ultimo periodo dell'area a partire dagli eventi del 2012.

Per quello che riguarda la sismicità più profonda, si evidenzia una maggiore concentrazione degli ipocentri alla profondità compresa tra 4-10 km, mentre gli ipocentri delle classi di profondità compresa tra 10-20 km mostrano una distribuzione abbastanza regolare in quasi tutta la parte dell'area nord orientale, estendendosi in profondità fino al di sotto della catena appenninica, approssimando molto bene il piano della Faglia Altotiberina.

Per questi motivi, la Faglia Altotiberina mostra caratteristiche sismogenetiche nettamente predominanti, determinando gran parte della sismicità dell’area. Inoltre questa faglia è una master fault di un sistema di faglie a scala regionale, denominato Altotiberin Extensional Faults System. La Faglia di Gubbio è una struttura sismogenetica secondaria e legata alla precedente (antitetica), facente parte sempre del medesimo sistema estensionale. La sequenza sismica dell’alta Val Tiberina-Gubbio può essere descritta come “sequenza sismotettonica” (Balocchi, Santagata, 2012), generata dall'Altotiberin Extensional Faults System.

La distribuzione spazio-temporale della sismicità in relazione al sistema delle faglie di interesse regionale (fig. 8), mostra come la Faglia Altotiberina ha generato gli eventi sismici alla profondità 4-10 km, come la sismicità di Città di Castello e quella più profonda del Bacino di Gubbio. La Faglia di Gubbio, è responsabile della sismicità più recente e superficiale all'interno del suo bacino. La cronologia sismotettonica è legata alla Faglia Altotiberina che a partire dal 2010, si è riattivata generando una sismicità più profonda e che ad oggi è da considerarsi una struttura attiva. La Faglia di Gubbio si è riattivata solo successivamente e in questo ultimo periodo, generando una sismicità superficiale lungo il bacino intermontano omonimo.

Figura 13: Modello tettonico dell’area Val Tiberina-Gubbio. Legenda: 1) Crosta superiore; 2) Crosta inferiore; 3) Copertura sedimentaria. 4) Cuneo di estrusione (extruding wedge); 5) depositi quaternari dei bacini intramontani; 6) Faglie inverse e di sovrascorrimento recenti; 7) Faglie inverse e di sovrascorrimento antiche; 8) Faglie dirette recenti: Faglia Altotiberina (ATF) e Faglia di Gubbio (GF); Frecce verdi: Retropaese Appenninico in distensione; Frecce rosse: Avampaese Appenninico in compressione.

Il modello sismotettonico più opportuno è legato al piano di subduzione di Adria che immerge al di sotto della catena appenninica (fig. 13). Per effetto del roll-back e l'arretramento del fronte compressivo adriatico (Doglioni, 1991; Balocchi, Riga, 2013) si crea un regime distensivo del retropaese appenninico con la formazione di un cuneo di estrusione (extruding wedge)(Mantovani e al., 2009).

La sezione geologica ricavata dai dati di sismologia (fig. 2)(Boncio e al., 1998), mostra come la Faglia di Gubbio abbia subito una tettonica di inversione nel suo segmento più profondo giocando un duplice ruolo cinematico inverso e diretto, inoltre le Faglia Altotiberina taglia i thrusts più vecchi in corrispondenza della catena appenninica (Barchi e al., 1999a: 1999b). Queste due considerazioni, portano a supporre che la Faglia Altotiberina con piano di taglio immergente a NE, si estende in profondità  fino a terminare contro ai ventagli dei thrusts più recenti sul fronte Adriatico (Mantovani e al., 2009), oppure al piano di subduzione di Adria. L'arretramento della subduzione per roll-back, determina l'instaurarsi di un regime distensivo dell'area con direzione NE-SW (fig. 12). Tale regime tettonico porta all'attivazione della Faglia Altotiberina e allo scivolamento del cuneo lungo il suo piano, ed eventualmente all'attivazione successiva delle faglie ad essa coniugate come la Faglia di Gubbio, la quale gioca un ruolo di svincolo cinematico, accomodando la deformazione tettonica tra i diversi blocchi in senso verticali. Il movimento del cuneo per estrusione, potrebbe favorire il sovrascorrimento dello stesso al di sopra delle strutture del fronte adriatico.

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