Recent tectonic activity of the central sector of the Ferrara ARC emphasized by a multidisciplinary approach

On May 20 and 29, 2012 two moderate earthquakes (MW = 6.1 and 5.9; Pondrelli et al., 2012) hit a wide area of the eastern sector of the Po Plain, causing 27 casualties, thousands of injuries, severe damages to historical centers and industrial areas. Beyond the great emotional and economical impact, from the scientific point of view, the Emilia seismic sequence represented an important case study. This research has been realized in the frame of the Ph.D. Spinner Project EGEST (“Effetti geologici superficiali del terremoto emiliano 2012: studi finalizzati al migliora mento della sicurezza e sostenibilità dello sviluppo territoriale”; coord. R. Caputo), pro moted by the Regione Emilia-Romgna in the following months after the earthquakes, and of the Seismic Microzoning Project of the Sant’Agostino Municipality (western Ferrara Province). The major aim of this Ph.D. project was the application of different geological, geotechnical and geophysical methodologies in order to emphasize the recent tectonic evolu tion of the central sector of the Ferrara Arc and improve the knowledge of the shallow subsoil properties (few hundreds of meters), as they play a key role in controlling the coseismic ef fects of the earthquakes (e.g. ground motion amplification, susceptibility to liquefaction, etc.). The need of a reliable assessment of site amplification phenomena for soft deposits led to the development of many strategies. Particularly attractive are the seismic noise-based techniques, as they don’t require large teams or expensive equipments. For the purposes of this research, several geophysical investigations were carried out, exploiting the seismic ambient noise (i.e. ESAC and HVSR) along a profile running from Cento to Bondeno (west ern Ferrara Province), ca. 27 km-long and oriented SSW-NNE, almost perpendicular to the regional trend of the buried tectonic structures belonging to the central sector of the Fer rara Arc. The reconstruction of pseudo-2D sections showing the shear-wave velocity pattern and the acoustic impedance variations clearly show that in correspondence of the growing anticlines (i.e. where the stratigraphy is ‘condensed’) the Vs gradient and the impedance contrasts are greater. This was confirmed thanks to a “constrained” inversion of the HVSR curves, which allows to correlate the observed frequency(ies) peaks to major stratigraphic unconformities within the Quaternary continental deposits. A relevant coseismic effect due to the reactivation of reverse blind faults, as in the case of the May 2012 Emilia seismic sequence, is the bending of the topographic surface and the consequent uplift of the broader epicentral area. The co-seismic areal uplift events are crucial for a better understanding of the seismotectonics of the broader area and thus for a better assessment of the seismic hazard in the region. In the May 20 epicentral area, a marked uplift of the ground (up to 20 cm) was detected by two geodetic techniques (DInSAR and high precision levelling). The results of both techniques substantially agreed, although there were some considerable local discrepancies. By analysing of the distribution of the surface manifestations, geomorphological features and geognostic surveys, it was possible to document how local site effects (i.e. diffuse liquefaction manifestations) could strongly influence the local elevations of the geodetic stations (i.e. benchmarks) even completely reversing the large-scale tectonic signal. In order to better address the reconstruction following the May 2012 seismic se quence, microzoning studies are of utmost importance. At this regard, with the Ordinance 70/2012, the President of the Regione Emilia-Romagna predisposed the realization of such studies for the most damaged municipalities, among which is that of Sant’Agostino (western Ferrara Province). In the frame of a specific project financed by the local Administration of the Sant’Agostino Municipality was carried out a seismic microzoning study for the whole territory, parallel to and complementary with those carried out by the Geological Survey of the Regione Emilia-Romagna, which were limited to the urbanized areas. By analysing the available surface (i.e. LIDAR) and geotechnical data (i.e. penetrometric tests), and thanks to the achievement of several geophysical investigations (i.e. array and single station noise-based surveys), the geological and geotechnical maps were produced, while the areas characterized by different criticalities, in terms of susceptibility to liquefaction, site funda mental resonance frequency and amplification, were also clearly defined. These information are fundamental for the local administration in order to prevent and reduce the risk, and rep resent a fundamental support for the municipality urban planning, so as to lead the choices to areas with a lower hazard and/or to use building constructions with a lower vulnerability to the expected local effects. The existing post-earthquake reports and the availability of numerous geotechnical data provided by in-situ tests represent the basic ingredients for a computation of the lique faction potential parameters. In particular, the Liquefaction Potential Index (LPI) and Lique faction Severity Number (LSN) indexes were evaluated and then correlated by considering liquefaction phenomena either observed or not on site for two test areas (i.e. Mirandola, northern Modena Province and San Carlo-Sant’Agostino, western Ferrara Province). The existing classifications of the LPI and LSN were thus evaluated and compared with the ob served liquefaction-induced deformations. The LSN was applied and validated for the first time within a liquefiable area using post-earthquake data, after its first proposal. Besides, a preliminary correlation of LPI and LSN indicates a trend that could be useful in future studies for delineating sites likely to liquefaction. As the geological and seismotectonic conditions characterizing the Emilia 2012 epi central area occur in many other sectors of the Po Plain and other regions, such multidisci plinary approach can be (hopefully and successfully) applied worldwide.

Questo progetto di ricerca è stato realizzato nell’ambito dei progetti di Dottorato EGEST (“Effetti geologici superficiali del terremoto emiliano 2012: studi finalizzati al migliora mento della sicurezza e sostenibilità dello sviluppo territoriale”; coord. R. Caputo) pro mosso dalla Regione Emilia-Romagna e di quello per la realizzazione dello studio di Mi crozonazione Sismica del Comune di Sant’Agostino (settore occidentale della Provincia di Ferrara). Lo scopo principale di questo lavoro dottorale è consistito nell’applicazione di di verse tecniche di indagine geologica, geotecnica e geofisica al fine di studiare gli effetti dell’evoluzione tettonica recente nel sottosuolo poco profondo (fino a qualche centinaia di metri) del settore centrale dell’Arco Ferrarese, dato che le condizioni geologiche locali hanno un ruolo fondamentale nel determinare il manifestarsi di effetti cosismici secondari (e.g. fenomeni di liquefazione, amplificazione del moto del suolo, etc.). Le pianure alluvionali, e quindi anche la Pianura Padana, sono tra le aree più den samente popolate del pianeta grazie alla combinazione di fattori geologici, morfologici e idrologici che le rendono particolarmente idonee per la realizzazione di grandi insediamenti urbani, importanti distretti industriali ed infrastrutture di collegamento. D’altra parte, però, così come per altri bacini di avanfossa continentali tettonicamente attivi, la Pianura Padana è caratterizzata da fagliazione cieca. Tale fenomeno è stato particolamente attenzionato dalla comunità scientifica a partire dal 1989, quando una serie di “terremoti ciechi” colpirono la California centro-meridionale tra il 1983 ed il 1987 ed a seguito del terremoto di Loma Pri eta (California, 17 ottobre 1989) (Burrato et al., 2012). Così come affermato da Stein e Yeats (1989), "...grandi terremoti possono verificarsi non solo laddove le faglie intercettano la superficie terrestre, ma anche lungo faglie ’cieche’ al di sotto di terreni deformati”. Considerando l’elevata esposizione e nonostante la modesta pericolosità sismica, è chiaro che il rischio sismico della Pianura Padana sia particolarmente elevato. Tale poten ziale si è chiaramente manifestato a partire dal 20 maggio 2012, quando ha avuto inizio un’importante sequenza sismica che ha interessato una vasta area compresa tra le Province di Reggio Emilia, Modena, Mantova, Bologna e Ferrara, nel settore centrale della Pianura Padana. Sono stati inoltre osservati una serie di importanti effetti cosismici secondari, quali liquefazione delle sabbie, sollevamenti tettonici nell’intorno delle aree epicentrali ed am plificazioni del moto del suolo. Il primo forte terremoto, di magnitudo locale MW = 6.1 (Pondrelli et al., 2012), è avvenuto alle 4:03 ora locale, con epicentro tra Mirandola e Finale Emilia, mentre nove giorni dopo è stata registrata un’altra forte scossa (MW = 5.9; Pondrelli et al., 2012), con epicentro tra Mirandola e Medolla. Tra il 20 maggio e il 3 giugno 2012 si sono verificate altre cinque scosse di MW> 5, con epicentri distribuiti tra Novi di Mod ena e Vigarano Mainarda. Questo settore della Pianura Padana era già stato interessato da terremoti locali per i quali erano stati riportati effetti di intensità macrosismica IMCS ≥ VII (Ferrara 1346, MW stimata = 4.93; Ferrara 1570, MW stimata = 5.46; Emilia orientale 1796, MW stimata = 5.61), in occasione dei quali sono stati descritti anche effetti cosismici parag onabili a quelli osservati in occasione delle scosse del 2012 (Galli, 2000; Guidoboni, 2006; CPTI11; DBMI11). Le strutture tettoniche responsabili di questi eventi sono riconducibili all’Arco Fer rarese, uno degli archi di pieghe e sovrascorrimenti nord-vergenti che individuano il fronte più avanzato della deformazione dell’Appennino Settentrionale. Le Pieghe Ferraresi sono costituite da una serie di dorsali sepolte, strutturatesi a partire dal Pliocene medio-superiore, che descrivono in pianta un arco vergente verso nord, esteso tra Reggio Emilia e la costa adriatica, che si spinge fino ed oltre il Po tra Ferrara e Occhiobello (Bigi et al., 1992). In par ticolare, si distinguono una dorsale più interna, che culmina tra Novi di Modena e Medolla (alto di Mirandola), ed una più esterna che culmina tra Bondeno e Ferrara (alto di Casaglia). Il sottosuolo è prevalentemente costituito da alternanze di sabbie, limi e argille di origine alluvionale di età Pleistocene medio-Olocene riferibili a due cicli deposizionali di ordine maggiore: il Sintema Emiliano-Romagnolo Inferiore (AEI, Pleistocene medio) e il Sintema Emiliano-Romagnolo Superiore (AES, Pleistocene medio-Attuale); questa succes sione poggia generalmente su un substrato costituito da depositi marini e transizionali del Pleistocene inferiore e medio (RER & ENI-Agip, 1998). Uno dei principali effetti cosis mici dovuto alla riattivazione di faglie sepolte, come nel caso della Pianura Padana, è la deformazione della superficie topografica ed il conseguente sollevamento di un settore più o meno ampio nell’intorno dell’epicentro. Il ripetersi di simili eventi sismici (i.e. areal mente morfogenici, sensu Caputo, 2005) ha progressivamente modificato la morfologia e l’architettura sedimentaria di questa area; in particolare, l’interazione tra la tettonica attiva ed il reticolo idrografico ha influenzato la distribuzione dei sedimenti sia in superficie che in profondità, causando importanti variazioni stratigrafiche laterali e quindi cambiamenti nella proprietà fisiche dei materiali. Queste variazioni sono particolarmente evidenti nella geolo gia profonda (Pieri and Groppi, 1981; Boccaletti et al., 2004; 2011; Ghielmi et al., 2010), ma possono essere riconosciute anche nei depositi più superficiali (RER & ENI-AGIP, 1998; Molinari et al., 2007; Calabrese et al., 2012). A riprova di questo, nelle aree di sincli nale lo spessore delle alluvioni supera i 500 m mentre nelle aree di anticlinale si riduce a meno di 100 m (RER & ENI-Agip, 1998). Nelle zone di alto strutturale il substrato è talora fortemente eroso e anche i depositi del Sintema Emiliano-Romagnolo Inferiore (AEI) hanno spessore ridotto e sono presenti estese lacune stratigrafiche; ad esempio, tra Bondeno e Oc chiobello i depositi del Pleistocene inferiore-medio talora poggiano direttamente su marne di età oligo-miocenica (RER & ENI-Agip, 1998). In simili contesti geologici e sismotettonici, in cui il substrato sismico è sepolto da una spessa coltre di sedimenti alluvionali scarsamente consolidati, la valutazione della sola pericolosità sismica di base non è sufficiente a definire l’azione sismica. In occasione della sequenza del maggio 2012, infatti, sono state registrate accelerazioni orizzontali al sito (Bor doni et al., 2012) che hanno largamente superato quella massima attesa (probabilità di ecce denza del 10% in 50 anni), su suolo di riferimento (http://esse1-gis.mi.ingv.it/). Ai fini di una corretta valutazione della pericolosità sismica e della risposta sismica locale è necessario quindi conoscere le caratteristiche litologiche, geomeccaniche, geotec niche e geofisiche (in termini di velocità delle onde di taglio) dei depositi non consolidati che giacciono al di sopra del bedrock sismico. Le indagini geotecniche (penetrometrie, caro taggi, etc.) raramente eccedono i 30 m di profondità per motivi tecnici o economici. Per quanto riguarda le indagini geofisiche, ottenere misure dirette di Vs (downhole, SCPTu, MASW, SASW, etc.) su aree estese risulta particolarmente oneroso; tale limitazione può essere superata utilizzando particolari tecniche di indagine che sfruttano il rumore sismico ambientale. Particolarmente utilizzate sono la tecnica basata sul rapporto spettrale tra le com ponenti orizzontali e verticale del moto del microtremore (HVSR o H/V) e quelle basate sull’analisi delle proprietà dispersive delle onde superficiali (i.e. Re.Mi, SPAC, ESAC). Il metodo dei rapporti spettrali è oggi ampiamente utilizzato negli studi di microzonazione sis mica a supporto della pianificazione territoriale e degli studi di risposta sismica locale, per lo studio della geometria dei bacini sedimentari e molto altro ancora. La frequenza corrispon dente al massimo della funzione H/V (f0) è in stretta relazione con la frequenza della cop ertura sedimentaria (fr) (see Bonnefoy-Claudet et al., 2006; Lunedei and Albarello, 2010; Albarello and Lunedei, 2011; Tuan et al., 2011) e quindi con il suo spessore. In contesti di bassa pianura nei quali il principale contrasto di impedenza è in genere fuori dalla por tata delle più comuni indagini geotecniche, l’integrazione di tale informazione con altri dati (sondaggi, misure di Vs, etc.) consente di stimare la profondità dell’interfaccia risonante at traverso apposite procedure di inversione. Nell’ambito degli studi di microzonazione, questo tipo di indagini sono generalmente limitate e circoscritte alle aree da investigare. Per gli scopi di questo progetto, l’idea è stata quella di realizzare tali misure lungo un profilo esteso per diversi chilometri. Considerando l’esiguità di vincoli stratigrafici specie nell’intervallo di profondità compreso tra 30 e 100-200 m, si è provveduto alla realizzazione di diverse indagini di sismica passiva in array (i.e. ESAC; Aki, 1957; 1964) per ricostruire altrettanti profili di Vs. L’analisi del pattern della velocità delle onde di taglio, della variazione della frequenza di risonanza fondamentale e della distribuzione dei contrasti di impedenza nel sottosuolo (fino a 160 m di profondità) lungo tale sezione ha consentito di ipotizzare la pre senza di strutture anticlinaliche sepolte, laddove la successione stratigrafica è ‘condensata’, e quindi la loro evoluzione tettonica recente. La successiva determinazione della profondità dell’interfaccia risonante è risultata essere in buon accordo con le principali discontinuità stratigrafiche note all’interno della successione continentale quaternaria e di “seguire” queste superfici lungo l’intero profilo investigato (Abu-Zeid et al., 2013; Abu-Zeid et al., 2014). Come sopra menzionato, uno degli effetti cosismici dovuti alla riattivazione di faglie inverse sepolte è la deformazione della superficie topografica. Nell’area epicentrale del terre moto del 20 maggio, tale fenomeno è stato documentato da due tecniche di indagine geodet ica (DInSAR e livellazione di alta precisione) che hanno rilevato un’importante sollevamento del terreno (fino ad un massimo di circa 20 cm). I risultati di entrambe le tecniche risultano essere in buon accordo anche se, localmente, sono state osservate notevoli differenze (Ca puto et al., 2015). Le maggiori discrepanze sono state registrate lungo parte di una linea di livellazione che attraversa gli abitati di San Carlo e Sant’Agostino, per i quali sono stati doc umentati intensi e diffusi fenomeni di liquefazioni in superficie. Attraverso l’attenta analisi della distribuzione areale di queste manifestazioni, lo studio della geomorfologia dell’area e delle informazioni fornite dalle indagini geognostiche è stato possibile documentare come le condizioni geologiche del sito possono fortemente influenzare la topografia locale, inver tendo completamente il segnale tettonico misurato su larga scala. Una parte fondamentale del lavoro svolto ha riguardato la realizzazione dello studio di Microzonazione Sismica del Comune di Sant’Agostino, gravemente colpito dal terremoto del 20 maggio. A seguito di questi eventi, con l’Ordinanza 70/2012 il Presidente della Re gione Emillia-Romagna ha predisposto la realizzazione degli studi di microzonazione per i comuni maggiormente colpiti, incluso quello di Sant’Agostino, limitatamente alle aree ur banizzate ed urbanizzabili. Tale attività è stata quindi realizzata in sinergia con il Servizio Geologico, Sismico e dei Suoli della Regione Emilia-Romagna (SGSS), così da poter fornire all’Amministrazione Comunale un prodotto unico e concordato (http://www.comune.santag ostino.fe.it/strumenti-on-line/il-piano-della-ricostruzione/allegati-piano-ricostruzione). Par ticolarmente importante è stata l’attività di ricostruzione ed aggiornamento dell’archivio comunale, completamente distrutto nel crollo del Municipio; attualmente il numero delle indagini geotecniche e geofisiche archiviate è più che raddoppiato. Gli effetti ambientali più spettacolari sono stati senza dubbio quelli dovuti alla liquefazione delle sabbie. In al cune aree comunali, specialmente dopo la scossa principale del 20 maggio, si sono verificate copiose fuoriuscite di sabbia attraverso vulcanelli, fratture e pozzi che hanno causato rigon fiamenti, spostamenti e cedimenti del suolo (Caputo and Papathanassiou, 2012; Crespellani et al., 2012; Fioravante and Giretti, 2012; Papathanassiou et al., 2012; Di Manna et al., 2012; Emergeo Working Group, 2013). Lungo il tracciato stradale impostato sul corpo di paleoalveo del fiume Reno sono state osservate estese fratture lineari del terreno, probabil mente dovute alla liquefazione di livelli sabbiosi (lateral spreading). Per individuare le aree a rischio di liquefazione, oltre alle dettagliate mappature delle liquefazioni osservate, sono state analizzate tutte le prove geotecniche che potessero fornire indicazioni sulla stratigrafia dei primi 15- 20 m dal p.c. Successivamente, per l’analisi del rischio di liquefazione è stato stimato l’indice del potenziale di liquefazione (LPI; Iwasaki et al., 1978) tramite le proce dure semplificate indicate dgli indirizzi regionali (DAL 112/2007) e nazionali (Gruppo di lavoro MS, 2008); tale indice esprimere in maniera sintetica e cumulata il potenziale di liq uefazione dell’intera verticale esplorata. Facciorusso et al. (2013) hanno verificato che, tra i diversi metodi proposti nella letteratura scientifica, quello sviluppato da Idriss e Boulanger (2008) fornisce valori di LPI meglio compatibili con gli effetti osservati. Gli abachi region ali hanno fornito valori di amplificazione (FAPGA) diversi a seconda che il bedrock sismico si trovi o meno a profondità maggiori di 100 m (± 20 m). Sulla base delle conoscenze stratigrafiche e dei dati acquisiti, il SGSS della Regione Emilia-Romagna ha suddivisio il territorio in zone A1, dove il bedrock è a profondità sicuramente maggiori di 120 m, e zone A2, dove il substrato è a profondità indicativamente pari a 100 ±20 m e inferiori. Il valore di accelerazione su suolo rigido (agref, 10% di probabilità di superamento in 50 anni) per il Comune di Sant’Agostino è definito dalle tabelle riportate nella delibera DAL 112/2007. Le verifiche alla liquefazione sono state quindi effettuate considerando il valore di PGA corretto per il valore di amplificazione, TR= 475 anni, magnitudo pari a 6,14 (magnitudo momento massima attesa, Mwmax, per la zona 912 della zonazione sismogenetica ZS9 di Meletti e Valensise, 2004, come indicato negli ICMS, 2008) e una falda a profondità vari abile tra 1 e 3 m, a seconda che il sito di verifica ricada in area di piana interfluviale o di dosso. Le numerose cartografie prodotte, oltre a rappresentare uno stato d’avanzamento notevole per le conoscenze del territorio di Sant’Agostino, forniscono un valido supporto per l’Amministrazione Comunale al fine di provvedere ad una pianificazione territoriale ragion ata e consapevole ed, in questo caso, anche nella fase di ricostruzione post-sisma. La disponibilità di dettagliate mappature delle liquefazioni osservate in occasione degli eventi del maggio 2012 e di numerosi dati geotecnici forniti da prove in-situ hanno rappresentato gli ingredienti di base per il calcolo della suscettibilità alla liquefazione. In particolare, il Liquefaction Potential Index (LPI; Iwasaki et al., 1978) ed il Liquefaction Severity Number (LSN; Tonkin and Taylor, 2013), sono stati calcolati per una serie di indagini geognostiche opportunamente selezionate, ubicate presso gli abitati di Mirandola e San Carlo-Sant’Agostino, e confrontate con i fenomeni osservati (Papathanassiou et al., 2015). I risultati ottenuti sono stati comparati con le classificazioni esistenti; inoltre, il Liq uefaction Severity Number (LSN), che quantifica gli effetti della liquefazione poco profonda in superficie e sulle strutture, è stato applicato e convalidato per la prima volta dopo essere stato proposto. E’ stata inoltre suggerita una preliminare correlazione tra i due indici che potrebbe essere utilizzata per discriminare la tendenza o meno, in diverse condizioni geo logiche e geotecniche di sottosuolo, a generare fenomeni di liquefazione in superficie. L’approccio multidisciplinare adottato nell’ambito di questo progetto di dottorato potrà essere applicato in aree analoghe a quelle della sequenza sismica emiliana del mag gio 2012, quindi in bacini alluvionali tettonicamente attivi e caratterizzati dalla presenza nel sottosuolo di strutture anticlinaliche in crescita. I metodi geofisici basati sul rumore ambi entale consentono di realizzare in breve tempo e con equipaggiamenti non troppo costosi numerose indagini, che opportunamente assemblate in sezioni pseudo-2D possano enfatiz zare gli effetti della tettonica recente sui depositi più superficiali. Le procedure di analisi che sfruttano i dati forniti dalle indagini geotecniche consentono di caraterizzare i primi metri del sottosuolo che, come sopra detto, giocano un ruolo fondamentale nel controllare il man ifestarsi di effetti cosismici particolarmente rilevanti, come la liquefazione. Il fine pratico di questo progetto di ricerca è stato quello di fornire indicazioni utili per il miglioramento delle conoscenze riguardo le caratteristiche geologiche, geotecniche e geofisiche del sottosuolo poco profondo, contribuendo in maniera indiretta alla mitigazione del rischio sismico.