Seismic velocity changes associated with a flash flood crisis as a proxy for slope instability

Il terreno sotto i nostri piedi è raramente silenzioso. Anche quando nessun terremoto scuote la superficie, la Terra emette un ronzio costante, una vibrazione a bassa intensità causata dal moto delle onde oceaniche che si infrangono sulle coste, dal vento che fruscia tra gli alberi e dal ritmo quotidiano dell'attività umana. Per decenni, i sismologi hanno ascoltato questo ronzio di fondo, noto come rumore ambientale, per mappare la struttura profonda del pianeta. Più recentemente, gli scienziati si sono resi conto che questo ronzio può anche fungere da sensibile termometro per la crosta terrestre, rivelando sottili cambiamenti nella velocità con cui le onde sismiche attraversano il suolo e la roccia. Quando il terreno diventa più umido, più fratturato o più sollecitato, la velocità di queste onde subisce una leggera variazione. Tracciando questi minuscoli cambiamenti di velocità nel tempo, i ricercatori possono potenzialmente "ascoltare" lo stato di salute di un versante, rilevando quando l'acqua satura il terreno e altera lo stato meccanico del suolo.

Nel settembre 2022, una tempesta catastrofica ha colpito la regione Marche, nel centro Italia, scaricando una quantità immensa di pioggia in un breve periodo e innescando migliaia di frane e gravi inondazioni improvvise. Questo disastro ha fornito un raro laboratorio reale per un team di ricercatori guidato da Andrea Albano e Mauro Palo dell'Università degli Studi di Napoli Federico II. Volevano vedere se i sottili cambiamenti nella velocità delle onde sismiche potessero servire come indicatore per le crisi idrogeologiche. Analizzando il rumore di fondo continuo registrato da una rete di sismometri in tutta la regione, il team è stato in grado di tracciare come il terreno abbia risposto alla precipitazione, offrendo un nuovo modo per monitorare la stabilità dei versanti che non richiede di scavare buche o installare sensori direttamente su pendii pericolosi.

I ricercatori hanno concentrato la loro attenzione sul periodo circostante la tempesta, iniziata il 15 settembre 2022. Hanno utilizzato una tecnica chiamata interferometria sismica, che essenzialmente tratta il costante rumore di fondo come un segnale per misurare il tempo di percorrenza delle onde tra diverse stazioni sismometriche. Confrontando questi tempi di percorrenza giorno per giorno, potevano calcolare la variazione relativa della velocità sismica, un valore che indica se il terreno è diventato più tenero o più sollecitato. Lo studio ha coperto un'area specifica di circa 550 chilometri quadrati che era stata identificata come la zona con la più alta densità di frane a seguito della tempesta. Quest'area era centrata sul terreno montuoso dove la pioggia era stata più intensa, in particolare nei bacini dei fiumi Metauro, Cesano, Misa ed Esino.

I risultati hanno rivelato un modello chiaro e drammatico. Circa due giorni dopo il picco delle precipitazioni, le onde sismiche che viaggiavano attraverso l'area colpita dalle frane hanno iniziato a rallentare significativamente. La velocità è diminuita di circa lo 0,2 percento, un cambiamento che si è esteso fino a una profondità di circa un chilometro. Questo rallentamento non è stato immediato; ci è voluto del tempo affinché l'acqua infiltrasse il terreno e alterasse la pressione all'interno dei pori della roccia e del suolo. L'anomalia è stata più pronunciata nella parte centrale della zona colpita, proprio dove la pioggia era stata più intensa e dove si sono verificate la maggior parte delle frane. Nei cinque giorni successivi, quest'area di onde sismiche rallentate si è espansa, coprendo infine quasi il 40 percento della regione soggetta a frane, prima di tornare gradualmente ai livelli normali man mano che il terreno si stabilizzava.

Questo comportamento spazio-temporale ha fornito una forte prova che il calo di velocità fosse guidato dal movimento dell'acqua nel sottosuolo. I ricercatori hanno calcolato che la pressione dell'acqua si stava diffondendo attraverso il terreno a un ritmo coerente con la geologia locale, muovendosi verso il basso e verso l'esterno rispetto alla superficie. Fondamentalmente, il team ha escluso altre cause comuni per tali cambiamenti. Hanno analizzato le fluttuazioni della pressione atmosferica e della temperatura, che sono note per influenzare talvolta le velocità sismiche, ma hanno scoperto che questi fattori erano troppo piccoli per spiegare l'entità del calo osservato. Hanno anche notato che i cambiamenti di velocità erano localizzati nell'area di forte pioggia e frane, mentre le variazioni della pressione atmosferica erano uniformi in tutta la regione. Ciò ha confermato che il segnale era una risposta diretta alla crisi idrogeologica, non un effetto meteorologico regionale.

Lo studio suggerisce che il monitoraggio di questi cambiamenti di velocità relativa potrebbe essere uno strumento potente per valutare l'instabilità dei versanti. A differenza dei metodi tradizionali che si affidano a un numero limitato di pluviometri o piezometri, che misurano le condizioni solo in punti specifici, l'analisi della velocità sismica offre una visione continua e su scala regionale dello stato meccanico del terreno. I ricercatori hanno scoperto che la frazione di area che sperimenta un calo significativo della velocità può servire come indicatore della fragilità complessiva del versante. In questo evento specifico, il calo di velocità è emerso circa due giorni dopo il picco della pioggia e si è protratto per diversi giorni, correlandosi con il periodo di intensa saturazione e instabilità.

Sebbene lo studio non sostenga che i cambiamenti della velocità sismica possano prevedere il momento esatto in cui avverrà una specifica frana, né implichi un legame causale diretto tra i cambiamenti di velocità e i singoli eventi di frana, esso dimostra che queste misurazioni forniscono una preziosa finestra non invasiva sulle condizioni del sottosuolo che portano al cedimento. Il metodo si basa interamente sulle reti sismiche esistenti, che sono spesso già in funzione per il monitoraggio dei terremoti, rendendolo un'aggiunta economica e sostenibile agli attuali quadri di valutazione del rischio. Ascoltando il sottile rallentamento del ronzio della Terra, gli scienziati potrebbero presto essere in grado di rilevare i segni di instabilità dei versanti, offrendo alle comunità più tempo per prepararsi ai pericoli delle inondazioni improvvise e delle frane in un'era di eventi meteorologici sempre più intensi.