Il calcolo della Magnitudo Durata per i terremoti dei vulcani campani
L’INGV utilizza la Magnitudo Durata MD invece della Magnitudo Locale ML. Perchè? Esistono dei validi motivi per il suo utilizzo al posto della ML? La MD è realmente attendibile anche per terremoti di magnitudo superiore a 2.5-3.0? Perché non si usa la Magnitudo Momento MW almeno per i terremoti più forti?
di Mario Castellano e Patrizia Ricciolino
Tratto da INGVVULCANI
I vulcani campani, Vesuvio, Campi Flegrei e l’isola di Ischia, rappresentano le aree vulcaniche più sorvegliate e studiate al mondo a causa del rischio associato con una eventuale ripresa dell’attività vulcanica
Queste aree vulcaniche sono quiescenti ma comunque interessate da sismicità, deformazioni del suolo e attività fumarolica, e sono pertanto attentamente sorvegliate mediante un monitoraggio multiparametrico che si avvale di numerose reti strumentali geofisiche e geochimiche, oltre a campagne di misurazioni periodiche. Tutte le Reti di Monitoraggio sono in continuo aggiornamento per migliorare le informazioni raccolte.
La Rete Sismica Permanente negli ultimi anni è stata oggetto di un significativo potenziamento, in termini di numero di stazioni e di tipologia di acquisitori e sensori, grazie a diversi Progetti di Potenziamento Infrastrutturale che hanno beneficiato di finanziamenti interni, regionali e nazionali. Inoltre, diverse stazioni della Rete Sismica Mobile, installate per potenziare il Sistema di Monitoraggio nelle aree dei Campi Flegrei e dell’isola d’Ischia, sono state trasformate da sistemi con acquisizione locale a sistemi con trasmissione centralizzata, come le stazioni della Rete Permanente. Questo ha permesso di migliorare ulteriormente la copertura della Rete e la capacità di rilevare gli eventi sismici locali, generalmente di bassa energia (Figura 1).
Tra i vari parametri forniti dalla Rete Sismica, quello di maggiore “impatto” anche a livello comunicativo è senz’altro la Magnitudo. La Magnitudo è un numero che esprime l’energia dei terremoti ed è indipendente dagli effetti che i terremoti possono determinare su cose e persone. La magnitudo è una misura indiretta ed esistono diversi metodi per calcolarla a partire dalle registrazioni dei sismometri. Per terremoti locali quello più usato è stato proposto da Charles F. Richter nel 1935 [1] sulla base dell’ampiezza dei segnali sismici registrati da un sismografo Wood-Anderson utilizzato come riferimento. Si tratta quindi della Magnitudo Richter, o Magnitudo Locale (ML).
I diversi tipi di Magnitudo
Evidenziamo alcuni aspetti sulla stima della Magnitudo:
- esistono diverse scale di Magnitudo (per esempio: Magnitudo Locale ML, Magnitudo Momento MW, Magnitudo Durata MD, Magnitudo Onde di Volume mb, Magnitudo Onde Superficiali MS) ma non forniscono mai esattamente lo stesso “numero” come valore della Magnitudo di un dato terremoto, per i diversi limiti di applicabilità e metodi di calcolo. Questo non significa necessariamente che uno sia corretto e un altro sbagliato o uno migliore dell’altro, sono semplicemente differenti;
- in tutte le aree vulcaniche la stima della Magnitudo può essere più complessa rispetto a quanto avviene nelle aree tettoniche. Questo può dipendere dal minor valore del rapporto segnale sismico/rumore dovuto alle vibrazioni indotte dall’attività vulcanica o idrotermale o da disturbi di origine antropica in aree densamente urbanizzate come quelle dei vulcani campani;
- il calcolo della Magnitudo Locale ML è fortemente dipendente dalle caratteristiche geologiche del volume crostale attraversato dalle onde sismiche (per esempio, uno dei parametri principali da tenere in considerazione è l’attenuazione dell’energia con la distanza). Quindi non esiste una formula di calcolo univoca e valida per tutte le aree geografiche, ma devono essere definite formule e procedure specifiche per aree che possono essere considerate omogenee, anche a grande scala. Questo significa che non è opportuno utilizzare formule realizzate per determinate aree su altre con caratteristiche diverse: gli errori che si commetterebbero possono essere anche molto alti.
Riguardo questo ultimo punto, l’INGV – Osservatorio Nazionale Terremoti (ONT), che ha in carico la sorveglianza sismica del territorio nazionale tranne le aree vulcaniche della Sicilia e della Campania, utilizza un’unica formula per la ML mediata e considerata valida per tutta la struttura crostale italiana. L’INGV – Osservatorio Etneo (OE), che ha in carico la sorveglianza sismica dei vulcani siciliani (Etna, Stromboli, Vulcano, altre Isole Eolie, Pantelleria), ha invece sviluppato una formula per il calcolo della ML adatta alle aree di propria competenza.
La stima della Magnitudo per i vulcani campani.
Attualmente l’INGV – Osservatorio Vesuviano, per la stima della magnitudo dei terremoti che avvengono nelle aree vulcaniche campane, utilizza la Magnitudo Durata MD invece della Magnitudo Locale ML. Perchè? Esistono dei validi motivi per il suo utilizzo al posto della ML? La MD è realmente attendibile anche per terremoti di magnitudo superiore a 2.5-3.0? Perché non si usa la Magnitudo Momento MW almeno per i terremoti più forti?
Cerchiamo di fare chiarezza e di rispondere a queste e altre domande che di frequente si leggono sui vari canali social utilizzando come riferimento i Campi Flegrei, dove da diversi anni si sta osservando una ripresa del fenomeno bradisismico con un marcato aumento dell’attività sismica.
Esistono validi motivi per utilizzare la Magnitudo Durata MD anziché la ML:
- secondo la definizione “classica”, la Magnitudo Locale ML si calcola per terremoti che avvengono a distanze da 10 a 600 km dalle stazioni sismiche; l’intera caldera dei Campi Flegrei ha un raggio di circa 7-8 km quindi i terremoti che si verificano in quest’area sarebbero al di fuori del campo di applicabilità del metodo;
- in merito a quanto detto nel punto precedente, per evitare possibili errori dovuti a stime sbagliate sulla profondità degli eventi, per il calcolo “classico” della ML si escludono le stazioni a distanza minore di 10 km dall’epicentro (questa è la soglia di distanze utilizzata dall’ONT per la sismicità del territorio nazionale che si colloca mediamente intorno a quella profondità). Nel caso dei Campi Flegrei si dovrebbero escludere tutte le stazioni sismiche installate nell’area. Simile situazione si riscontra anche per gli altri vulcani campani;
- considerando la fascia di profondità in cui si colloca la sismicità dei Campi Flegrei, dalla superficie fino a circa quattro chilometri di profondità, si potrebbe ridurre il valore di 10 km a circa 2-3 km, il che porterebbe comunque ad escludere dal calcolo circa il 70-80% delle stazioni sismiche. Infatti la Rete Sismica è densa specialmente nella parte centrale della caldera perché è lì che si concentra la gran parte della sismicità che è prevalentemente di bassissima energia e molto superficiale (il 95% degli eventi ha MD<1.0, come si può leggere nei Bollettini Mensili.
- il calcolo della Magnitudo Locale potrebbe essere applicato per i terremoti più forti dei Campi Flegrei (M≥3.0) che vengono registrati anche alle stazioni sismiche del Vesuvio e di Ischia: almeno per quelli ci sarebbe quindi una copertura adeguata di stazioni a distanze superiori sia ai 3 che ai 10 km. In questo caso tuttavia si dovrebbero considerare diversi modelli di attenuazione dell’energia con la distanza per le tre aree vulcaniche, perciò ci troveremmo nelle condizioni descritte al punto 3) (vedi sopra).
L’impiego della Magnitudo Durata MD all’Osservatorio Vesuviano è diventato, quindi, una necessità legata alle dimensioni delle aree monitorate, alla distribuzione dei volumi ipocentrali e all’energia degli eventi registrati, generalmente molto bassa. Per la sua specificità, l’uso della Magnitudo Durata MD per i vulcani campani è stato formalizzato anche nell’ambito della “CONVENZIONE ATTUATIVA PER LE ATTIVITÀ DI SERVIZIO IN ESECUZIONE ALL’ACCORDO-QUADRO TRA IL DIPARTIMENTO DELLA PROTEZIONE CIVILE E L’INGV”.
A proposito della Magnitudo Durata
Una delle prime stime della Magnitudo basata sulla durata dei sismogrammi è stata ottenuta nel 1972 [2] per i terremoti locali della California. Questo metodo aveva il vantaggio di non dipendere dalla localizzazione ipocentrale e dai suoi possibili errori e si è rivelato rapido ed efficace, con una formula utilizzata diffusamente per anni in vari osservatori e Enti di ricerca nel mondo.
La necessità di disporre di formule specifiche per le aree vulcaniche campane ha reso necessario realizzare delle procedure ad hoc. La calibrazione delle curve Magnitudo-Durata in uso all’Osservatorio Vesuviano fin dai primi anni ‘80 [3] è stata effettuata mediante regressioni lineari su insiemi di dati statisticamente significativi, comparando stime di Magnitudo Locale ML calcolata su stazioni Wood-Anderson o già calibrate e la durata dei sismogrammi di stazioni da calibrare per gli stessi eventi sismici registrati. La durata strumentale di un terremoto è definita confrontando l’ampiezza del segnale sismico prima dell’inizio dell’evento (cosiddetto “rumore di fondo”) e quella della “coda” del sismogramma: il punto della coda in cui l’ampiezza torna equivalente a quella prima dell’inizio dell’evento definisce la durata (Figura 2).
Il set di dati è stato continuamente aggiornato nel tempo per validare ulteriormente il calcolo; le curve sono state estese analiticamente verso Magnitudo negative e fino a Magnitudo 5.0. Si tratta di formule logaritmiche esattamente come quelle della Magnitudo Locale ML e forniscono valori considerati equivalenti (Figura 3).
Come tutte le misure, la MD è affetta da incertezze che sono state valutate nell’intervallo ±0.3, di fatto analoghe a quelle proprie della Magnitudo Locale ML (che vanno tipicamente da ±0.2 a ±0.4).
È evidente che il calcolo della Magnitudo Durata (MD) effettuato valutando la durata delle registrazioni sismiche può diventare complesso nel caso di terremoti ravvicinati nel tempo e i cui segnali si sovrappongono. Questo può avvenire in particolare durante gli sciami sismici, ma per risolvere queste situazioni, oltre all’esperienza degli operatori, sono stati predisposti degli strumenti software di supporto alle analisi e appositamente realizzati per fornire stime attendibili.
Quando è calcolata la Magnitudo Locale
Dal punto di vista scientifico, nonostante tutti i limiti di applicabilità descritti in precedenza, all’Osservatorio Vesuviano, contestualmente alla Magnitudo Durata MD, da alcuni anni si calcola anche la Magnitudo Locale ML come una diretta estensione della magnitudo Richter. Si tratta di una procedura sperimentale messa a punto, pur con alcuni compromessi, tenendo in considerazione le caratteristiche peculiari delle aree vulcaniche campane, l’attenuazione dell’energia sismica con la distanza nelle diverse aree, la geometria delle reti sismiche e tutti i parametri strumentali necessari per la stima della ML.
Si calcola la Magnitudo Locale ML per tutti i terremoti per i quali è stata determinata la localizzazione. Una valutazione preliminare evidenzia che la ML non è affidabile per magnitudo inferiori a 1.5-2.0, verosimilmente anche a causa della bassa energia di questi eventi e dell’elevato rumore di fondo presente nell’area, mentre risulterebbe attendibile per magnitudo superiori a 2.0 [4]. Inoltre, risulta coerente con il dato MD anche per terremoti con Magnitudo maggiore di 3.0 (Tabella 1).
È da tenere presente, in ogni caso, che anche il calcolo della Magnitudo Locale ML durante sciami sismici con eventi molto ravvicinati e sovrapposti, tipici delle aree vulcaniche, può soffrire di elevate incertezze legate all’intervallo di tempo utilizzato per la stima dell’ampiezza massima, dimostrando ancora una volta la maggiore complessità delle analisi della sismicità delle aree vulcaniche rispetto al resto del territorio nazionale.
Tabella 1 – Esempi di terremoti recenti ai Campi Flegrei con Magnitudo Durata MD≥3.0 e confronto con la stima preliminare della Magnitudo Locale ML.
| DATA E ORA (UTC) | MD | ML |
| 2023.08.18 04:09 | 3.2±0.3 | 3.2±0.2 |
| 2023.08.18 04:18 | 3.6±0.3 | 3.5±0.3 |
| 2023.09.07 17:45 | 3.8±0.3 | 3.6±0.3 |
| 2023.09.22 09:01 | 3.2±0.3 | 3.1±0.3 |
| 2023.09.27 01:35 | 4.2±0.3 | 3.9±0.2 * |
| 2023.10.02 20:08 | 4.0±0.3 | 3.7±0.2 * |
| 2024.03.03 09:01 | 3.2±0.3 | 3.2±0.3 |
| 2024.04.14 08:01 | 3.0±0.3 | 2.9±0.2 |
| 2024.04.27 03:44 | 3.9±0.3 | 3.8±0.2 |
| 2024.05.20 17:51 | 3.5±0.3 | 3.4±0.4 |
| 2024.05.20 18:10 | 4.4±0.3 | 4.2±0.2 * |
| 2024.05.20 19:46 | 3.9±0.3 | 4.1±0.2 |
| 2024.05.20 19:55 | 3.1±0.3 | 3.1±0.3 |
| 2024.06.08 02:09 | 3.7±0.3 | 3.6±0.2 |
| 2024.07.03 00:18 | 3.2±0.3 | 3.2±0.3 |
| 2024.07.26 11:46 | 4.0±0.3 | 3.9±0.3 * |
* Dato pubblicato nel “Comunicato Sismico Straordinario” emesso per terremoti con MD≥4.0.
La Magnitudo Momento
Altra analisi che viene effettuata all’Osservatorio Vesuviano per attività di ricerca è il calcolo della Magnitudo Momento MW, che in genere si utilizza per i terremoti di maggiore energia. La Magnitudo Momento MW, proposta da Hanks e Kanamori nella seconda metà degli anni ’70 [5] calcola l’energia liberata sul piano di faglia dall’analisi delle forme d’onda dei sismogrammi (e non solo dall’ampiezza o dalla durata, come rispettivamente nel calcolo della ML e MD) ed è l’unico metodo che ha un significato fisico per la stima della magnitudo intesa come “grandezza” del terremoto.
La Magnitudo Momento è indipendente dal tipo di strumentazione impiegata (sismometri a larga banda o accelerometri) e si utilizza prevalentemente per terremoti di magnitudo elevate (generalmente superiori a 3.5-4.0 ma prevalentemente maggiori di 5.0). Per eventi sismici con magnitudo fino a circa M=5.0 si considera la MW equivalente alla ML. Tuttavia, il suo calcolo richiede tempi di elaborazione relativamente lunghi e non compatibili con le necessità di rapida comunicazione delle informazioni alle autorità di Protezione Civile.
Nelle aree vulcaniche campane i terremoti con magnitudo elevate sono sporadici. Da quando la Rete Sismica è stata dotata di stazioni digitali a larga banda e di un sufficiente numero di accelerometri, i terremoti con Magnitudo maggiore o uguale a 4.0 sono stati solo 5: quattro ai Campi Flegrei (tutti negli ultimi due anni) e uno a Ischia (nel 2017). Come nelle altre Sezioni dell’INGV, anche all’Osservatorio Vesuviano si calcola la MW per gli eventi sismici a più alta energia. I risultati fin qui ottenuti sui pochi eventi analizzabili, all’interno delle tolleranze intrinseche dei diversi metodi, risultano coerenti con le stime ottenute per MD e ML. Per tutte le altre decine di migliaia di eventi il calcolo della MW non è affidabile perché di energia troppo bassa.
Come per la Magnitudo Locale ML, anche il calcolo della Magnitudo Momento MW può diventare problematico o del tutto impossibile in caso di eventi molto ravvicinati e sovrapposti, frequenti specialmente durante gli sciami sismici.
A titolo di esempio, si riportano le informazioni sul terremoto di Ischia del 21 agosto 2017 presenti sul sito INGV https://terremoti.ingv.it/event/16796811 che dimostrano come la Magnitudo Momento MW calcolata da ONT (MW=3.9) sia un valore confrontabile con la Magnitudo Durata MD stimata da OV (MD=4.0).
I risultati della sperimentazione attualmente in corso suggeriscono che, in un prossimo futuro, si potrà utilizzare anche il dato della ML almeno per gli eventi più energetici che si verificano nelle aree vulcaniche campane. In ogni caso, i valori di Magnitudo Durata MD che comunica l’INGV-Osservatorio Vesuviano si dimostrano affidabili per tutto l’intervallo di magnitudo registrato, dalle Magnitudo negative fino alle massime osservate.