L’analisi deterministica di pericolosità sismica valuta il moto del suolo generato da un terremoto specifico, di magnitudo e localizzazione assunte, senza attribuire probabilità di occorrenza. Gli scenari di scuotimento sismico rientrano in questo quadro deterministico, fornendo stime fisicamente consistenti del moto sismico generato da una o più sorgenti sismogenetiche ben identificate, sia per siti specifici che su scala regionale.
Gli scenari sono ampiamente utilizzati per:
- ricostruire il moto del suolo di terremoti passati e per la previsione di quelli futuri
- valutare il rischio sismico
- la pianificazione di emergenza e le strategie di protezione civile.
Perché sono importanti?
Ricostruzione di terremoti passati
I dati geologici, sismologici e strumentali disponibili vengono combinati per riprodurre lo scuotimento causato da eventi storici. Tali informazioni includono registrazioni strumentali, osservazioni macrosismiche, caratteristiche delle faglie attive, modelli di propagazione d’onda e proprietà geotecniche locali. Attraverso l’integrazione di questi elementi e l’impiego di modelli di sorgente e di propagazione del moto sismico, è possibile simulare il comportamento del terreno durante l’evento, generando sismogrammi sintetici e mappe di parametri di scuotimento (come accelerazione massima, velocità e intensità).
Previsione di terremoti futuri
Si assumono come attive, specifiche sorgenti sismogenetiche identificate sulla base delle conoscenze geologiche, geofisiche e storiche del territorio. Poiché i parametri di rottura di ciascuna sorgente (es. caduta di stress, velocità di propagazione, punto di nucleazione) sono affetti da incertezza, vengono esplorate configurazioni multiple di rottura attraverso modelli numerici e simulazioni stocastiche. Si ottiene così un insieme di scenari che riflettono una gamma di possibili realizzazioni dell’evento con una diversa distribuzione spaziale e livelli di intensità dello scuotimento.
Quali sono gli approcci e le tecniche di modellazione?
Gli scenari sono tipicamente rappresentati come:
- mappe di parametri di scuotimento, come accelerazione di picco al suolo (PGA), velocità di picco al suolo (PGV) o ordinate spettrali di risposta;
- sismogrammi sintetici, ovvero serie temporali del moto del suolo in siti selezionati.
Gli elementi essenziali di ogni scenario includono (Figura 1):
- Sorgente sismica – geometria della faglia e parametri di rottura (magnitudo, meccanismo focale, caduta di stress, scorrimento massimo, velocità di rottura);
- Mezzo di propagazione – struttura crostale 1D, 2D o 3D e proprietà reologiche (velocità sismiche, densità, attenuazione);
- Risposta di sito locale – amplificazione e modifica delle forme d’onda dovute alla geologia superficiale.
Per generare scenari di scuotimento si impiegano approcci complementari e a diverso livello di dettaglio:
- Ground Motion Models (GMMs) e approcci empirici
I Modelli di Moto del Suolo (GMMs) sono equazioni empiriche predittive che stimano le principali misure di intensità dello scuotimento sismico in funzione dei parametri che descrivono l’evento sismico e le condizioni locali. Tali modelli sono derivati mediante analisi di regressione statistica su dataset di terremoti registrati, e tengono conto di variabili quali magnitudo dell’evento, distanza dalla sorgente sismica, meccanismo di faglia, condizioni geologiche e geotecniche locali (effetti di sito). Gli sviluppi recenti superano l’assunzione tradizionale ergodica, includendo effetti regionali e specifici di sito, fornendo stime più realistiche e coerenti nello spazio del moto del suolo.
- Simulazioni stocastiche
Le simulazioni stocastiche (dovute al caso) producono sismogrammi sintetici mediante rappresentazioni statistiche di sorgente, percorso e sito, introducendo casualità per riprodurre la variabilità osservata del moto sismico.
- Simulazioni numeriche
Le simulazioni numeriche più avanzate si basano su modelli 3D della propagazione delle onde sismiche, spesso implementati su infrastrutture di calcolo ad alte prestazioni (HPC) (Figura 2). Esempi sono: Simulazioni fisiche, si basano sulla soluzione diretta delle equazioni del moto elastodinamico, rappresentando esplicitamente i processi di rottura sismica e di propagazione tridimensionale delle onde (Figura 3), ad esempio i codici CyberShake (SCEC Cybershake | Southern California Earthquake Center) e SPEED (The Project – speed), che permettono la modellazione broadband di terremoti di magnitudo moderata-grande.
- Approcci più avanzati si basano su simulazioni ibride (ad esempio, il codice HIC – Hybrid Integral-Composite), che combinano gli effetti deterministici alle basse frequenze con la variabilità stocastica alle alte frequenze.
- Simulazioni cinematiche di rottura, che descrivono l’evoluzione dello scorrimento sulla faglia (slip, tempi di salita, velocità di rottura) mediante modelli parametrizzati, consentendo una modellazione broadband efficiente senza risolvere la fisica completa della rottura.
- Simulazioni dinamiche di rottura, che modellano direttamente il moto del suolo a partire da processi di rottura fisicamente consistenti, producendo sismogrammi broadband realistici.
Il terremoto di scenario
Un passaggio fondamentale nello sviluppo degli scenari è la scelta del terremoto di riferimento, ovvero l’evento più rappresentativo o di caso peggiore per un sito o una regione. Tale scelta è guidata da:
- disaggregazione della pericolosità al sito
- evidenze geologiche di faglie attive
- sismicità storica
- contesto sismotettonico e geodinamico
Esplora i nostri scenari
Online sono disponibili alcuni esempi interattivi:
💻 Numerical Scenarios
Figura 1 – Il moto del suolo registrato in superficie è il risultato della combinazione di tre fattori: effetto di sorgente (processo di rottura e caratteristiche della faglia), propagazione (attenuazione e dispersione lungo il percorso) e amplificazione di sito (proprietà locali del sottosuolo e risonanze stratigrafiche).
Figura 2 – Il processo sismico è modellato tramite simulazioni numeriche 3D della propagazione delle onde, eseguite su infrastrutture di calcolo ad alte prestazioni (HPC), che consentono di riprodurre in modo dettagliato il ground motion in mezzi geologici complessi.
Figura 3 - SHAKEMOVIE: simulazione della propagazione tridimensionale delle onde sismiche generate dal terremoto di Amatrice del 24 agosto 2016 (M6.2) (Akinci et al., 2024). Le aree colorate in blu rappresentano il movimento del terreno verso il basso, mentre quelle in rosso indicano il movimento verso l’alto. L’intensità del colore aumenta al crescere della velocità dello spostamento verticale. La propagazione e l’ampiezza delle onde sismiche sono influenzate dalle caratteristiche della sorgente del terremoto, dalle proprietà geologiche dei terreni attraversati e dalla morfologia del territorio.