Dottorato in SCIENZE DELLA TERRA

Titolo della tesi: The emergence of collective behaviours in fault systems - from crustal mechanics to statistical seismology

I terremoti sono fra i fenomeni naturali più enigmatici sul nostro pianeta. Sebbene i meccanismi fisici che producono instabilità crostali siano noti nei loro aspetti essenziali, la nostra capacità di previsione rimane limitata. Sebbene, infatti, siano state raggiunte conoscenze avanzate in campi contigui (dalla fisica statistica alla meccanica dei materiali), una visione completa in grado di abbracciare i risultati chiave della fisica dei terremoti è ancora lontana. Pertanto, l'integrazione di diverse prospettive può contribuire notevolmente al miglioramento della comprensione della sismicità. La mia attività di ricerca mira a chiarire i processi fisici che determinano l’avvenimento dei grandi terremoti. Come giovane fisico, ambisco a spiegare come gli eventi maggiori emergano in volumi crostali precedentemente stabili a partire da scosse minori e le loro relazioni reciproche. Questa tesi è il resoconto di un'esperienza triennale come studente di dottorato presso il Dipartimento di Scienze della Terra dell'Università Sapienza e di due periodi come ricercatore visitatore presso la National and Kapodistrian University di Atene in Grecia e il California Institute of Technology a Pasadena, California. Il risultato finale è di per sé un contributo alla ricerca nel campo della sismotettonica e della sismologia statistica. Tuttavia, la sua struttura non deve essere intesa come un lavoro concluso, ma come un diario di viaggio verso una visione sempre più organica dei fondamenti della fisica della sismicità che, mi auguro, possano in futuro essere integrati in modelli di hazard sismico. Le mie analisi si concentrano sui processi meccanici che determinano l'emergere della sismicità nei sistemi di faglie e sulle sue proprietà statistiche. In particolare, mi occupo della connessione tra le condizioni fisiche che promuovono il verificarsi dei grandi terremoti, le dinamiche di background che li favoriscono e seismic forecasting. Il mio lavoro supporta l’idea che i grandi eventi tendano a verificarsi in corrispondenza di circostanze in qualche modo favorevoli; inoltre, che essi siano preceduti da fasi preparatorie lente, ma progressive, che portano alla destabilizzazione dei volumi crostali su larga scala. Sebbene di difficile identificazione, essi possono essere evidenziati utilizzando tecniche appropriate come il monitoraggio della risposta della sismicità alle perturbazioni dello stress e l’analisi delle proprietà di clustering. La tesi è composta di due parti: nella prima, vengono discusse le origini fisiche di alcune leggi fondamentali della sismicità e le loro relazioni, mentre la seconda è dedicata alle tecniche per l'identificazione di regioni crostali instabili. L'introduzione fornisce una panoramica sulla fisica dei terremoti dal punto di vista dei sistemi complessi. In essa metto in luce il ruolo cruciale dei comportamenti collettivi dei sistemi di faglie nel definire le caratteristiche salienti dell'attività sismica. Nel secondo capitolo, discuto il significato fisico di alcune leggi della sismologia statistica usando l’approccio tipico dei problemi di ottimizzazione con implicazioni riguardo i loro parametri e l'ambiente tettonico. I capitoli seguenti sono dedicati alla meccanica delle faglie e forniscono elementi a sostegno di un modello in cui pochi parametri fisici controllano il comportamento dinamico delle faglie attraverso l'azione di meccanismi di feedback. Gli ultimi capitoli della prima parte sono dedicati al rapporto fra meccanica delle faglie, “paradossi” della fisica dei terremoti e proprietà statistiche delle sequenze sismiche. Il problema dell’upscaling viene qui affrontato per la prima volta in modo specifico relativamente all’attrito statico e dinamico con implicazioni per la modellazione multiscala dal laboratorio alle faglie naturali. La seconda parte della tesi è dedicata alla caratterizzazione fisica delle fasi preparatorie che precedono i grandi terremoti. Il sesto e il settimo capitolo mostrano come la reattività dei sistemi di faglia alle perturbazioni di stress in termini di correlazione con la sismicità minore aumenti prima delle sequenze sismiche. I risultati suggeriscono che i terremoti maggiori possano essere preceduti dallo sviluppo di interazioni meccaniche a lungo raggio all'interno dei volumi crostali, le quali, a loro volta, determinano instabilità su larga scala. Dimostro anche che gli eventi più forti tendono a verificarsi dove la sismicità di bassa magnitudo mostra un comportamento localmente Poissoniano e globalmente clusterato (capitolo 8). Questo fenomeno è spiegato alla luce della capacità dei volumi crostali di adattarsi alle sollecitazioni meccaniche e dei sistemi di faglia di dissiparle preservando uno stato di stabilità complessiva o meno. Inoltre, studio il potenziale sismogenetico dei clusters di terremoti, dimostrando che esiste uno spettro pressoché continuo di comportamenti dinamici che spazia dalla quiescenza sismica ai “foreshocks”. Propongo, infine, una possibile spiegazione fisica per giustificare tale variabilità: le faglie mostrano crescenti effetti di memoria e sensibilità alle condizioni di stress dei volumi circostanti per via del progressivo sviluppo di interazioni a lungo raggio man mano che il sistema diventa instabile.