Subsurface fault geometries in inland Hokkaido from geometric clustering of dense hypocenter distributions

Sotto la superficie della Terra, il suolo non è un guscio solido e ininterrotto. Al contrario, è fratturato da enormi crepe chiamate faglie, dove le placche tettoniche si scontrano e scorrono l'una contro l'altra. Quando lo stress si accumula lungo queste crepe e infine si libera, il risultato è un terremoto. Per gli scienziati che cercano di prevedere dove e con quanta forza il terreno potrebbe tremare, conoscere l'esatta forma e direzione di queste crepe nascoste è essenziale. Tuttavia, mentre i geologi possono mappare le faglie che interrompono la superficie, la stragrande maggioranza dei pericolosi terremoti avviene su "faglie cieche" che non raggiungono mai la parte superiore. Queste strutture invisibili giacciono in profondità nel sottosuolo, rendendole quasi impossibili da vedere con strumenti tradizionali come l'immagini satellitari o i rilievi superficiali. Senza un'immagine chiara di queste geometrie nascoste, è difficile capire come lo stress si muova attraverso la crosta o valutare accuratamente il rischio di futuri disastri.

Nella parte settentrionale dell'isola giapponese di Hokkaido, questa sfida è particolarmente acuta. La regione si trova in un complesso punto di giunzione dove diverse placche tettoniche massicce collidono e scorrono l'una accanto all'altra. Questa attività tettonica genera frequenti terremoti, eppure molte delle faglie responsabili di essi rimangono sconosciute perché sono sepolte in profondità sotto il suolo o nascoste da spessi strati di neve e vegetazione. Per risolvere questo enigma, un team di ricercatori si è rivolto agli terremoti stessi. Analizzando la posizione precisa di migliaia di piccoli tremori avvenuti negli ultimi due decenni, sono stati in grado di ricostruire le forme tridimensionali delle faglie che li hanno causati. Il loro lavoro fornisce la prima mappa completa di queste strutture nascoste in tutto l'entroterra di Hokkaido, rivelando un paesamento di profonde e ripide crepe che differiscono significativamente da ciò che suggerivano le mappe superficiali.

I ricercatori hanno iniziato ascoltando la Terra con un orecchio incredibilmente sensibile. Hanno raccolto registrazioni continue da una fitta rete di sismometri sparsi per l'Hokkaido, catturando ogni vibrazione dal 2004 al 2024. Utilizzando modelli informatici avanzati addestrati per riconoscere i segnali deboli dei terremoti, hanno identificato centinaia di migliaia di eventi sismici che i metodi tradizionali avevano mancato. Molti di questi erano minuscoli tremori, troppo piccoli per essere avvertiti dagli esseri umani, ma insieme formavano una nuvola dettagliata di punti che segnavano dove il terreno si era fratturato. Il team ha poi perfezionato la posizione di ogni evento con estrema precisione, correggendo il fatto che le onde sismiche viaggiano a velocità diverse attraverso diversi tipi di roccia. Questo processo ha portato a una mappa altamente accurata di dove avvenivano i terremoti, trasformando efficacemente la sismicità in un contorno luminoso delle linee di faglia invisibili.

Con questa densa nuvola di posizioni dei terremoti in mano, il team ha applicato un nuovo metodo per trovare i piani piatti che rappresentano le faglie. Hanno cercato modelli nel modo in cui i punti si raggruppavano, trattando la collezione di posizioni dei terremoti come una nuvola di polvere che si deposita naturalmente nella forma delle crepe lungo le quali è scivolata. Analizzando l'orientamento di questi raggruppamenti, sono riusciti a determinare la direzione e la pendenza delle faglie. Il risultato è stata la ricostruzione di 184 distinti segmenti di faglia rettangolari nell'entroterra di Hokkaido. Queste scoperte hanno rivelato che la regione è dominata da faglie ripide e ad alto angolo, la maggior parte delle quali si trova tra i 6 e i 12 chilometri di profondità. Questa profondità è significativa perché colloca i terremoti fermamente nella crosta superiore, lo strato fragile dell'interno della Terra dove le rocce si rompono invece di fluire.

La mappa che hanno creato racconta una storia chiara sulle forze tettoniche che modellano l'isola. Nella parte centrale di Hokkaido, le faglie formano lunghe linee nord-sud che si allineano perfettamente con il confine dove due grandi regioni geologiche collidono. Questa zona di collisione, nota come zona di collisione di Hidaka, è dove l'arco delle Kurili preme contro l'arco del Giappone nord-orientale. I ricercatori hanno scoperto che le faglie in quest'area sono ripide e ben organizzate, suggerendo che la crosta venga compressa e fratturata in un modo molto specifico e prevedibile. Nell'est di Hokkaido, il modello cambia. Qui, le faglie seguono una direzione da nord-est a sud-ovest, rispecchiando il movimento di una striscia di crosta che viene spinta lateralmente dalla placca subducente del Pacifico. Questi orientamenti corrispondono al moto più ampio delle placche tettoniche, confermando che le faglie nascoste stanno rispondendo direttamente alle forze che guidano la geologia della regione.

Una delle scoperte più sorprendenti è stata la profondità delle faglie in diverse aree. Mentre la maggior parte dell'attività sismica è avvenuta nella crosta superiore, i ricercatori hanno trovato faglie profonde che si estendono oltre i 20 chilometri, ma solo nella parte meridionale del centro di Hokkaido. Quest'area corrisponde alla parte più spessa della crosta, dove la collisione tra gli archi tettonici ha accumulato le rocce. Al contrario, le regioni vulcaniche a nord e a ovest hanno mostrato una faglia molto superficiale, probabilmente perché il calore del magma e dei fluidi caldi indebolisce la roccia, impedendo la formazione di crepe profonde. Lo studio ha inoltre evidenziato aree in cui i modelli di faglia sono complessi e difficili da definire, come l'estremità settentrionale dell'isola, dove i movimenti lenti e striscianti della crosta potrebbero creare un mix caotico di fratture.

Per testare l'affidabilità della loro nuova mappa, i ricercatori hanno confrontato le faglie ricostruite con i modelli di rottura noti di otto grandi terremoti avvenuti nella regione negli ultimi due decenni. Hanno scoperto che per sei di questi eventi, le faglie identificate corrispondevano ai piani di rottura effettivi con una precisione sorprendente, con scarti di solo pochi gradi. Ciò includeva il devastante terremoto del 2018 nell'est di Iburi, dove il loro modello aveva identificato correttamente la faglia ripida e con inclinazione verso est che aveva causato il disastro. Questo accordo dà ai ricercatori la fiducia che il loro metodo possa rivelare con successo la geometria delle faglie anche prima che un grande terremoto colpisca. Suggerisce anche che le faglie nascoste mappate sono le stesse che probabilmente produrranno futuri terremoti.

Lo studio ha anche esaminato la probabilità che queste faglie possano scivolare nuovamente sotto le attuali condizioni di stress. Calcolando le forze che agiscono su ogni faglia, i ricercatori hanno scoperto che le faglie ripide lungo il confine centrale di collisione sono perfettamente allineate per cedere, il che significa che sono sotto alto stress e pronte a rompersi. Al contrario, le faglie che corrono lungo la catena vulcanica nel nord-est e nel sud-ovest mostravano una tendenza molto più bassa a scivolare. Ciò suggerisce che in queste aree vulcaniche, le condizioni locali — come l'alta pressione dei fluidi sotterranei o le variazioni nel campo di stress — impediscono alle faglie di cedere, o forse ne cambiano il comportamento. Questa distinzione è cruciale per la valutazione del rischio, poiché aiuta a identificare quali parti della regione siano più vulnerabili a una rottura immediata.

Nonostante il successo della nuova mappa, i ricercatori riconoscono i suoi limiti. Il metodo si basa interamente sulla presenza di una densa attività sismica; nelle aree in cui si verificano pochi terremoti, come la pianura di Ishikari o la pianura di Tokachi, le faglie rimangono invisibili. Ciò significa che, sebbene la mappa copra una vasta porzione dell'isola, non mostra ancora ogni sistema di faglie. Inoltre, l'assunto che le faglie siano piani piatti e rettangolari è una semplificazione; in realtà, le faglie sono spesso curve e complesse. Tuttavia, i ricercatori sostengono che questo approccio fornis una stima di primo ordine solida, offrendo un livello di dettaglio precedentemente impossibile da raggiungere. Trasformando i tremori invisibili della Terra in un'immagine geometrica chiara, questo lavoro offre una nuova base per comprendere i rischi sismici in Hokkaido e fornisce un modello su come simili strutture nascoste possano essere mappate in altre regioni tettonicamente attive in tutto il mondo.