Metodi e prospettive per una maggiore conoscenza
della crosta terrestre

La Geofisica italiana e il Gruppo Nazionale di Geofisica della Terra Solida

 La Geofisica della Terra Solida è quella branca delle scienze e delle tecnologie che prende in considerazione i fenomeni connessi con le caratteristiche fisiche della parte solida della Terra. La conoscenza di tali fenomeni deriva da misure effettuate in massima parte sulla superficie del nostro pianeta, ma anche a varie altezze con aerei o satelliti e al di sotto della superficie, tramite perforazioni. Da tali misure il geofisico non solo tenta di ricavare la conoscenza dei fenomeni stessi, ma anche la conoscenza della forma, posizione e caratteristiche dei vari corpi costituenti la Terra; da misure ripetute nel tempo e dalla individuazione di impronte che i fenomeni avvenuti hanno lasciato si tenta di ipotizzare l'evoluzione dei fenomeni stessi nel passato e, quindi, di proiettare tale evoluzione nel futuro. Componente essenziale per la comprensione di tali fenomeni è la loro modellazione fisico-matematica, che consente di riprodurre teoricamente gli effetti delle cause ipotizzate dei fenomeni stessi e, dunque, di verificare le ipotesi fatte e la compatibilità delle teorie con la realtà fisica data dalle misure.

La complessità della costituzione della Terra e della sua evoluzione nel tempo implica che vengano prese in considerazione tutte le fenomenologie che si riescono a misurare e che costituiscono branche diverse della Geofisica: la Sismologia, che studia i fenomeni di generazione e propagazione dei terremoti; la Gravimetria e la Magnetometria, che studiano rispettivamente i campi gravimetrico e magnetico terrestri; la Geotermia, che studia la propagazione del calore dall'interno della Terra; la Geodesia, che studia la forma della Terra e le sue variazioni nel tempo; il Geoelettromagnetismo, che studia la propagazione di correnti elettriche e campi elettromagnetici e così via. Altra branca importante della Geofisica della Terra Solida è la Geofisica applicata, che sfrutta le fenomenologie ricordate prima per il raggiungimento di obiettivi economici come la ricerca di minerali e fonti energetiche, l'individuazione di corpi geologici o di beni culturali, la ricerca d'acqua ecc. Ognuna di queste branche della Geofisica ha avuto in passato uno sviluppo quasi del tutto indipendente con collaborazioni o integrazioni dirette ad obiettivi specifici, limitati anche nel tempo.

Il Gruppo Nazionale di Geofisica della Terra Solida (GNGTS) è stato istituito dal CNR, per iniziativa paritetica dei Comitati per le Scienze Fisiche e per le Scienze Geologiche, con D.P. CNR n. 5514 del 22.6.1978, con il compito di "promuovere, svolgere e coordinare, in armonia con i piani generali e le direttive del CNR, ricerche nel campo della Geofisica della Terra Solida".

Il GNGTS è così nato ed ha avuto come principale scopo quello di avvicinare e far interagire i ricercatori non solo delle varie branche della Geofisica ma anche delle varie scuole che si erano sviluppate in Italia, di far conoscere e confrontare le metodologie e le tecniche sviluppate, di promuovere ricerche, seminari, convegni, in cui le varie realtà si potessero confrontare ed integrare, anche per una nuova o rinnovata conoscenza personale. Ciò doveva permettere anche al singolo ricercatore di acquisire informazioni su tutto il contesto della ricerca geofisica in Italia e, di riflesso, al giovane ricercatore di farsi conoscere e valutare dalla comunità geofisica italiana anche prima di confrontarsi in campo internazionale.

I limitati finanziamenti dati al GNGTS dal CNR (50-70 milioni/anno) non hanno permesso al Gruppo stesso di sviluppare e condurre in proprio grossi progetti di ricerca che potessero coinvolgere un elevato numero di ricercatori. Ciononostante si sono ottenuti risultati di un certo rilievo: i finanziamenti, oltre che a far funzionare gli organi interni, hanno permesso di indire seminari e riunioni specifici di coordinamento, da cui sono nati anche grossi progetti che hanno avuto poi un'evoluzione autonoma, ed hanno consentito di organizzare i Convegni Nazionali che ormai sono divenuti il punto di incontro annuale per tutta la Geofisica italiana. I finanziamenti assegnati dal CNR per la ricerca, anche se solo indirizzati e non gestiti dal GNGTS, hanno permesso di tenere in vita e sviluppare tutta una serie di temi di ricerca non compresi nei temi finanziati dai grossi progetti nazionali e di far nascere nuovi filoni di ricerca che si sarebbero poi sviluppati autonomamente.

Uno dei principali temi che il GNGTS ha perseguito è stato quello degli studi della crosta terrestre, studi questi già organizzati e finanziati nell'ambito del CNR precedentemente alla nascita del Gruppo come progetti singoli anche internazionali, ma che dal Gruppo hanno avuto particolare attenzione, coordinamento ed impulso.

Le conoscenze crostali e sub-crostali ottenibili con la geofisica profonda offrono, oltre alle conoscenze scientifiche di base, anche altre ricadute con importanti riflessi scientifici e pratici (si pensi allo sfruttamento delle georisorse e alla difesa da terremoti ed eruzioni vulcaniche). I nuovi algoritmi in via di sviluppo consentono infatti di impostare anzitutto lo studio della crosta intermedia e profonda con nuovi algoritmi da sviluppare per l'analisi congiunta dei dati di sismica a riflessione e rifrazione, sismologia, geodesia, gravimetria, magnetismo, petrofisica e flusso di calore.

Ciò vale per la determinazione dei parametri geometrici delle discontinuità interne della crosta terrestre, nonché delle leggi di velocità di propagazione delle onde sismiche negli strati attraversati: parametri indispensabili per la determinazione accurata delle localizzazioni ipocentrali, e per le ricerche sul rischio sismico.

La Fisica dell'interno della Terra, o Geofisica, è il mezzo più potente per avere informazioni sulla crosta terrestre da profondità maggiori di pochi metri fino a profondità di decine di chilometri. I metodi di ricerca sono in funzione degli obiettivi da indagare, e i risultati ottenibili sono tanto più attendibili quanto più sono integrati i risultati di diversi metodi. Alcuni di questi, come i metodi sismici, costituiscono i vincoli su cui tarare gli altri metodi in profondità. Si può dire, per esempio, che tutto quello che si conosce quantitativamente della crosta terrestre su scala regionale in Italia è derivato dall'integrazione delle ricerche di sismica profonda, a rifrazione ed a riflessione, di sismologia e di gravimetria.

Il problema sta infatti acquistando importanza sempre maggiore anche con riferimento alla genesi e trasformazione dei fluidi profondi e allo studio dello stato reologico della crosta, il cui contributo all'evoluzione tettonica ed alle modificazioni crostali e subcrostali viene sempre più riconosciuto e studiato, anche a fini pratici.

Struttura e ruolo del GNGTS

Il GNGTS si struttura in sezioni le cui tematiche sintetizzano i diversi aspetti sopra citati. Esse sono: Geofisica Mineraria e del Territorio, Geofisica Crostale, Geodesia e Gravimetria, Prospezioni Sismiche, Geotermia, Sismologia.

La sezione Geofisica Mineraria e del Territorio coordina le ricerche applicate all' investigazione della parte più superficiale della crosta terrestre (dai primi metri al primo migliaio di metri, escludendo le ricerche per idrocarburi) e di particolari manufatti. Sono comprese, quindi, in tale sezione tematiche atte a risolvere problemi a piccolissima scala (ricerca di beni culturali o di corpi superficiali, valutazioni dello stato di manufatti, indagini per inquinanti, ecc.), a media scala (ricerca e caratterizzazioni di corpi geologici per problemi geologico-tecnici: ad esempio frane, fondazioni, assetti territoriali, ecc.), a più grande scala (ricerche d'acqua, di minerali utili, ecc). In tale scala vengono prese in considerazione tutte le metodologie geofisiche, innovative e tradizionali, studiandone il miglioramento delle teorie e delle tecniche di campagna e di interpretazione, e controllando le loro possibilità e limiti di applicazione.

La sezione Geofisica Crostale raccoglie le ricerche nell'ambito della Geofisica volta alla definizione delle strutture della crosta terrestre (da 0 a 30-50 km di profondità) e del mantello superiore, alla caratterizzazione delle strutture in termini di geometrie e parametri fisici e all'interpretazione geologica dei dati geofisici nel quadro di domini strutturali-geodinamici diversi. In particolare, in tale sezione confluiscono i contributi di ricercatori nei settori: 1) progettazione, pianificazione ed esecuzione di nuovi esperimenti finalizzati alla prospezione della crosta terrestre; 2) sviluppo di nuove tecniche per l'elaborazione di dati geofisici crostali; 3) analisi di affidabilità dei risultati dell'elaborazione e della modellazione geofisica; 4) interpretazione congiunta dei risultati e delle informazioni derivanti dai modelli geofisici con informazioni e dati geologici, finalizzata alla conoscenza degli assetti strutturali e geodinamici della litosfera per le aree indagate.

La sezione Geodesia e Gravimetria raccoglie ricerche volte allo studio della forma della Terra e dei fenomeni fisici che ne sono responsabili, dei parametri fisici che ne determinano il moto di rotazione e delle relative implicazioni sulla struttura e dinamica della Terra, delle deformazioni della superficie terrestre e delle relative implicazioni sui fenomeni geodinamici che le determinano. Per raggiungere gli obiettivi scientifici richiesti dalla moderna Geodesia, la sezione stimola una stretta integrazione ed interazione fra tecnologia, sviluppo di strumenti e di tecniche di acquisizione, e teoria, sviluppo di algoritmi per l'interpretazione e l'inversione dei dati. La sezione è altresì attenta alle molteplici applicazioni della Geodesia, in particolare per quanto riguarda il controllo del territorio con tecniche di Geodesia Spaziale.

La sezione Prospezioni Sismiche raccoglie i contributi delle attività di ricerca svolte da numerosi dei suoi afferenti su varie tematiche di largo interesse. A titolo di esempio possiamo citare gli impegni di ricerca per lo sviluppo di nuove metodologie di "Sismica Time Lapse", mirate all'individuazione delle variazioni di parametri petrofisici nel tempo, di metodologie che fanno uso dello scalpello di perforazione quale sorgente di energia, di modelling sismico in mezzi anisotropi ed anelastici, di nuove tecniche di elaborazione numerica dei segnali mirate ad incrementare la qualità delle immagini sismiche ottenibili dalla prospezione in mare e a terra, di tecniche innovative di tomografia e riflessione-rifrazione capaci di considerare congiuntamente il contributo di diversi esperimenti sismici a varia geometria. Tutte queste tematiche di ricerca, molte delle quali finanziate anche da società ed enti internazionali e dall'Unione Europea, trovano largo interesse nella parte applicativa nei settori della ricerca di fonti di energia, della salvaguardia ambientale e dell' esplorazione della crosta terrestre. Per ciò che riguarda quest'ultimo aspetto, va ricordato il contributo fondamentale portato al progetto CROsta Profonda (CROP), nelle fasi di progettazione, di acquisizione, di elaborazione e di interpretazione dei profili sismici a riflessione.

La sezione Geotermia coordina le ricerche sullo stato termico della litosfera in Italia nei suoi diversi aspetti: 1) misure dei parametri termici delle rocce; 2) misure di flusso di calore; 3) interpretazione del flusso di calore in relazione alla geodinamica litosferica; 4) influenza della temperatura sulla reologia delle rocce e sull'attenuazione delle onde sismiche; 5) campo termico prodotto dalle intrusioni magmatiche e implicazioni energetiche.

La sezione Sismologia raccoglie i contributi relativi allo studio della genesi e delle caratteristiche dei terremoti e al rischio sismico. Questi studi, pertanto, coprono uno spettro molto ampio di conoscenze che vanno da quelle fisiche sulla sorgente sismica a quelle geologiche di associazione dei terremoti a particolari strutture tettoniche, a quelle statistiche sulla ricorrenza degli eventi sismici, a quelle ingegneristiche di stima dello scuotimento atteso dagli edifici in occasione di forti sismi.

Fig. 1: i grandi profili di sismica a rifrazione (DSS, 21.160 Km) realizzati fra il 1956 e il 1982 dall'OGS e dal GNGTS. I profili in grassetto sono stati digitalizzati e rielaborati elettronicamente dall'Istituto di Ricerca per il Rischio Sismico del CNR

Il GNGTS, pur essendo un organo stabile del CNR, non ha dipendenti, ma vi afferiscono tutti i ricercatori dell'Università, di enti pubblici e/o privati di ricerca che si interessano di Fisica della Terra Solida, estendendo tale area culturale fino a coprire competenze inerenti la Geologia e l'Ambiente in senso lato; da questo punto di vista esso costituisce la casa comune dei ricercatori italiani del settore operanti nei diversi enti.

Il Gruppo, come organo istituzionale del CNR, ha svolto all'interno dell'area culturale delle Scienze della Terra un ruolo importantissimo per la ricerca italiana in tale settore. A partire dalla sua istituzione esso ha visto modificare e/o focalizzare la sua funzione, sempre nell'ambito dei suoi obiettivi istituzionali, anche in funzione delle dinamiche e degli assetti strutturali che il mondo della ricerca e dell'industria italiana via via ha assunto nel tempo. Infatti, da organo di promozione, coordinamento e valutazione di tutta la ricerca geofisica italiana è passato ad assumere una funzione sensibilmente polarizzata verso la promozione di progetti e disseminazione dei risultati della ricerca stessa nel settore delle Scienze della Terra a livello nazionale ed internazionale.

Al GNGTS si deve così la realizzazione di importanti progetti di geofisica per l'esplorazione della litosfera (crosta terrestre e mantello superiore) in Italia e in Europa negli anni '70 e '80; per citare i più importanti: i Grandi Profili Sismici Crostali 1968-1982 (fig. 1), che ha visto la partecipazione di quasi tutte le università ed enti di ricerca italiani, e la Geotraversa Europea (EGT) 1982-1987, in ambito European Science Foundation (ESF), il cui segmento meridionale (Alpi-Tunisia), affidato all'Italia, è stato realizzato con l'impiego di 2 navi del CNR ed oltre 200 stazioni sismografiche mobili.

Fig. 2: sezioni crostali trasversali della penisola italiana (si veda fig. 1 per la loro ubicazione). Si rileva in sintesi: a) ad est, una crosta adriatica continentale rigida, in compressione, con spessore crescente da est verso ovest; b) a ovest, una crosta toscana-tirrenica assottigliata (20-25 km) in distensione; c) il contatto (sutura) fra le due croste corrisponde alla fascia di massima attività sismica (si veda in basso a destra la posizione di 600 epicentri 1986-1993 ricalcolati dalla rete ING con la tomografia sismica). La sezione Elba-Perugia indica chiaramente un residuo di subduzione di crosta europea in subduzione verso est sotto quella adriatica (ingrandimento)

I Grandi Profili Sismici sono in prevalenza di sismica a rifrazione (Deep Seismic Sounding = DSS), e con l'avanzamento tecnologico sono stati tutti digitalizzati e rielaborati. Hanno consentito così una prima conoscenza regionale (fig. 2) dei parametri fondamentali per l'interpretazione profonda della crosta terreste nelle aree attraversate (leggi di velocità delle onde sismiche, discontinuità degli strati) e sono tutt'oggi la base per ogni interpretazione profonda (compresa la taratura della sismica a riflessione).

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