Confronto tra i tassi di deformazione sismica e geodetica: alcune applicazioni nelle aree del Mediterraneo

Seismic and geodetic moment‐rate comparisons can reveal regions with unexpected potential seismic hazards, as well as the presence of asperities along plate zones. Even if the estimations of geodetic and seismic moment-rates are affected by some uncertainties, their ratio, defined as Seismic Coupling Coefficient (hereafter SCC), allows establishing if a region deforms in plastic modality or in a seismic one. This comparison has been performed for five Mediterranean areas: the Ibero-Maghrebian region (Sparacino et al., 2020), Italy (the unpublished element of this PhD Thesis), the Sicily Channel (Palano et al., 2020), the Aegean-Anatolian region (Sparacino et al., 2022) and Egypt (Sawires et al., 2021). For the Ibero-Maghrebian region and Egypt case studies, the calculation of SCC was made adopting the existing seismic zonation. A single area was considered for the Sicily Channel case study, based on the distribution of the GNSS stations. The developed workflow (MATLAB program language; https://it.mathworks.com) was used for Italy and Aegean-Anatolian regions. For what concern the first analysed area, located at the western Mediterranean border along the Eurasia-Nubia plate convergence, the Ibero-Maghrebian region has been subject to a number of large earthquakes (M ≥ 6.5) in the last millennium. In order to provide a first estimation of SCC values for this area, we divided the study area into twenty‐five seismogenic source zones, based on available geological, tectonic, and seismological data. Achieved results highlight that many of these seismogenic source zones, comprising the Western Betics, the Western Rif mountains, and the High, Middle, and Saharan Atlas, are characterized by SCC values lower than 23%, evidencing their prevailing aseismic behavior. Intermediate SCC values (between 35% and 60%) have been observed for some zones belonging to the Eastern Betics, the central Rif, and the Middle Atlas, indicating how crustal seismicity accounts only for a moderate fraction of the total deformation‐rate budget. High SCC values (> 95%) have been observed along the Tell Atlas, highlighting a fully seismic deformation. For what concern Italy case study, the SCC has been calculated by adopting a workflow written in the MATLAB program language (https://it.mathworks.com; see Chapter 3) and dividing the area into a 1° x 1° regular grid. Regions with very high to high SCC are located in a small area of Northern Apennines (Friuli), Central and Southern Apennines, and in the Southern part of Sicily. These regions, characterized by active faults, show a prevalent seismic deformation. Regions with intermediate to low SCC are located in Alps, Northern Apennines and part of Central Apennines and this could be partially attributed to the aseismic components of deformation and to catalog incompleteness, or in absence of large earthquakes could be identified as potential seismic gaps. For what concern the Sicily Channel, based on multidisciplinary data, including seismological and geodetic observations, as well as seismic reflection profiles and gravity maps, the pattern of crustal deformation and active tectonics in the Sicily Channel, has been analysed. Our large dataset allowed us to highlight the presence of an active ~ 220-km-long complex lithospheric fault system (here named the Lampedusa-Sciacca Shear Zone), approximately oriented N–S, crossing the study area with left-lateral strike-slip deformations, active volcanism and high heat flow. We suggest that this shear zone represents the most active tectonic domain in the area, while the NW-SE elongated rifting pattern, considered the first order tectonic feature, appears currently inactive and sealed by undeformed recent (Lower Pleistocene?) deposits. Estimates of seismological and geodetic moment-rates, 6.58 · 1015 Nm/year and 7.24 · 1017 Nm/year, respectively, suggest that seismicity accounts only for ~ 0.9% of crustal deformation, while the anomalous thermal state and the low thickness of the crust would significantly inhibit frictional sliding in favour of creeping and aseismic deformation. We therefore conclude that a significant amount of the estimated crustal deformation-rate occurs aseismically, opening new scenarios for seismic risk assessments in the region. For what concern the Aegean-Anatolian region, an improved picture of the SCC has been provided by taking advantage of extensive seismic and geodetic datasets. SCC is low (< 35%) or intermediate (35% - 70%) in most of the area, while the Karliova triple junction, on a N-S-oriented belt along the boundary between western and central Anatolia, and the south-eastern Peloponnese are fully coupled, suggesting a full seismic release of the entire deformation budget. An intermediate value of seismic coupling is observed for the eastern and central segments of the Northern and Eastern Anatolian Fault zones, for part of the Hellenic volcanic arc, the Kefalonia Transform Fault and the Corinth gulf active faults. Considering historical earthquake data, these intermediate coupling values indicate either aseismic deformation or catalog incompleteness. Furthermore, the elapsed time since large magnitude earthquakes clearly raises the possibility of impending earthquakes on the Northern and Eastern Anatolian Fault zones. A broad seismic gap is evidenced along the Hellenic subduction zone, because of the reduced coupling and the absence of ~M 8 earthquakes in the last 700 years, at least. We conclude that in most of the central Aegean Sea aseismic deformation prevails as suggested by the small value of coupling and the modest seismic release over the last millennium. For what concern the last analysed area, the present-day tectonics and seismicity of Egypt result from the long-lasting interaction between the Nubian, Eurasian, and Arabian plates. The study region was divided into ten (EG-01 to EG-10) crustal seismic sources based mainly on seismicity, focal mechanisms, and geodetic strain characteristics. The delimited seismic sources cover the Gulf of Aqaba-Dead Sea Transform Fault system, the Gulf of Suez-Red Sea Rift, besides some potential seismic active regions along the Nile River and its delta. For each seismic source, the estimation of seismic and geodetic moment-rates has been performed. Although the obtained results cannot be considered to be definitive, among the delimited sources, four of them (EG-05, EG-06, EG-08, and EG-10) are characterized by low seismic-geodetic moment-rate ratios (< 20%), reflecting a prevailing aseismic behaviour. Intermediate moment-rate ratios (from 20% to 60%) have been obtained in four additional zones (EG-01, EG-04, EG-07, and EG-09), evidencing how the seismicity accounts for a minor to a moderate fraction of the total deformational budget. In the other two sources (EG-02 and EG-03), high seismic-geodetic moment-rates ratios (> 60%) have been observed, reflecting a fully seismic deformation. These different studies have provided new insights into the seismic hazard of large areas of the Mediterranean region, which have been subject to relevant seismic release. Our approach along with the associated workflow can be easily applied in other tectonic worldwide frameworks, providing new tools to the fundamental understanding of earthquake prediction.

Il confronto tra il tasso di deformazione sismica e quella geodetica è in grado di evidenziare regioni con potenziali rischi sismici inattesi, nonché la presenza di asperità lungo i margini di placca. Anche se le stime dei tassi di deformazione geodetica e sismica risentono di alcune incertezze, il loro rapporto, definito Coefficiente di Efficienza Sismica (da qui in poi SCC), permette di stabilire se una regione si deforma plasticamente o sismicamente. Questo confronto è stato effettuato per cinque aree del Mediterraneo: la regione Ibero-Maghrebina (Sparacino et al., 2020), l'Italia (l'elemento inedito di questa tesi di Dottorato), il Canale di Sicilia (Palano et al., 2020), la regione Egeo-Anatolica (Sparacino et al., 2022) e l’Egitto (Sawires et al., 2021). Per i casi studio della regione Ibero-Maghrebina e dell'Egitto, il calcolo dell’SCC è stato effettuato adottando la zonazione sismica esistente. Per il caso di studio del Canale di Sicilia è stata considerata un'unica area, basata sulla distribuzione delle stazioni GNSS. Il workflow sviluppato in MATLAB (https://it.mathworks.com) è stato utilizzato per l'Italia e per la regione Egeo-Anatolica. Per quanto riguarda la regione Ibero-Maghrebina, situata al confine del Mediterraneo occidentale, lungo il margine convergente delle placche Eurasia e Nubia, è stata oggetto di numerosi forti terremoti (M ≥ 6.5) nell'ultimo millennio. Al fine di fornire una prima stima dei valori di SCC per questa regione, abbiamo suddiviso l'area di studio in venticinque zone sorgenti sismogeniche, sulla base dei dati geologici, tettonici e sismologici disponibili. I risultati ottenuti evidenziano che molte di queste zone, comprendenti le Alpi Betiche occidentali, le montagne del Rif occidentale e l'Alto, il Medio e l'Atlante Sahariano, sono caratterizzate da valori di SCC inferiori al 23%, a dimostrazione del loro comportamento prevalentemente asismico. Valori di SCC intermedi (tra il 35% e il 60%) sono stati osservati per alcune zone appartenenti alle Alpi Betiche orientali, al Rif centrale e al Medio Atlante, indicando come la sismicità crostale rappresenti solo una frazione moderata del budget totale del tasso di deformazione. Lungo l’Atlante Telliano sono stati osservati alti valori di SCC (> 95%), evidenziando una deformazione completamente sismica. Per quanto riguarda il caso studio dell’Italia, l’SCC è stato calcolato adottando un workflow scritto in MATLAB (vedi Capitolo 3) e suddividendo l'area in una griglia regolare con passo 1° x 1°. Le regioni con valori di SCC da molto elevati ad elevati si trovano in una piccola area dell'Appennino Settentrionale (Friuli), dell'Appennino Centrale e Meridionale e nella parte meridionale della Sicilia. Queste regioni, caratterizzate da faglie attive, presentano una deformazione prevalentemente di tipo sismico. Le regioni con valori di SCC da medi a bassi sono localizzate nelle Alpi, nell'Appennino Settentrionale e in parte dell'Appennino Centrale e ciò potrebbe essere attribuito parzialmente alle componenti asismiche della deformazione e all'incompletezza del catalogo, oppure, in assenza di grandi terremoti, potrebbero essere identificati come potenziali gaps sismici. Per quanto riguarda il Canale di Sicilia, è stato analizzato l'andamento della deformazione crostale e della tettonica attiva sulla base di dati multidisciplinari, tra cui osservazioni sismiche e geodetiche, nonché profili di sismica a riflessione e mappe gravitazionali. Il nostro ampio set di dati ci ha permesso di evidenziare la presenza di un complesso sistema di faglie litosferiche attivo lungo ~ 220 km (qui denominato Lampedusa-Sciacca Shear Zone), orientato approssimativamente N-S, che attraversa l'area di studio con deformazioni di tipo trascorrenti sinistre, vulcanismo attivo ed elevato flusso di calore. Suggeriamo che questa zona di taglio rappresenti il dominio tettonico più attivo nell'area, mentre il pattern di rifting allineato NW-SE, considerato la caratteristica tettonica di primo ordine, appare attualmente inattivo e sigillato da depositi recenti indeformati (Pleistocene inferiore?). Le stime dei momenti sismici e geodetici, rispettivamente di 6.58 · 1015 Nm/anno e 7.24 · 1017 Nm/anno, suggeriscono che la sismicità rappresenta solo lo 0.9% circa della deformazione crostale, mentre lo stato termico anomalo ed il basso spessore della crosta inibirebbe significativamente la fratturazione a favore del creep e della deformazione di tipo asismica. In conclusione quindi è possibile affermare che una parte significativa del tasso di deformazione crostale stimato si verifica in modo asismico, aprendo nuovi scenari per le valutazioni del rischio sismico nella regione. Per quanto riguarda la regione Egeo-Anatolica è stato fornito un quadro dell’SCC sfruttando ampi datasets sismici e geodetici. Il valore dell’SCC risulta basso (< 35%) o intermedio (35% - 70%) nella maggior parte dell'area, mentre risulta alto nel punto triplo di Karliova, su una cintura orientata N-S lungo il confine tra l'Anatolia occidentale e centrale, e nel Peloponneso sud-orientale, suggerendo un rilascio completamente di tipo sismico dell'intero budget di deformazione. Un valore intermedio dell’SCC si osserva per i segmenti orientale e centrale della faglia Nord Anatolica, per parte dell'arco vulcanico ellenico, della faglia trasforme di Cefalonia e delle faglie del golfo di Corinto. Considerando i dati dei terremoti storici, questi valori intermedi di SCC indicano una deformazione asismica o una incompletezza del catalogo. Inoltre, il periodo di ritorno di terremoti di grande magnitudo aumenta chiaramente la possibilità di terremoti imminenti lungo la faglia Nord Anatolica e quella Orientale. Un ampio gap sismico è evidenziato lungo la zona di subduzione ellenica, a causa del ridotto valore dell’SCC e dell'assenza di terremoti di ~M 8 almeno negli ultimi 700 anni. Concludiamo che nella maggior parte del Mar Egeo centrale prevale la deformazione di tipo asismico come suggerito dal basso valore dell'SCC e dal modesto rilascio sismico nell'ultimo millennio. Per quanto riguarda l'ultima area analizzata, l'attuale tettonica e sismicità dell'Egitto risulta dalla lunga interazione tra le placche nubiana, eurasiatica ed araba. L’area di studio è stata suddivisa in dieci sorgenti sismiche crostali (da EG-01 a EG-10) basate principalmente sulla sismicità, sui meccanismi focali e sulle caratteristiche della deformazione geodetica. Le sorgenti sismiche delimitate coprono il sistema di faglie trasformi del Golfo di Aqaba-Mar Morto, il Golfo di Suez-Rift del Mar Rosso, oltre ad alcune potenziali regioni sismiche attive lungo il fiume Nilo ed il suo delta. Per ciascuna sorgente sismica è stata effettuata la stima dei momenti sismici e geodetici. Sebbene i risultati ottenuti non possano essere considerati definitivi, tra le sorgenti delineate, quattro di esse (EG-05, EG-06, EG-08 ed EG-10) sono caratterizzate da bassi valori di SCC (< 20%), riflettendo un comportamento prevalentemente asismico. Valori di SCC intermedi (dal 20% al 60%) sono stati ottenuti in quattro zone aggiuntive (EG-01, EG-04, EG-07 e EG-09), evidenziando come la sismicità rappresenti una frazione da minore a moderata del budget deformativo totale. Nelle altre due sorgenti (EG-02 e EG-03) sono stati osservati elevati valori di SCC (> 60%), i quali riflettono una deformazione completamente sismica. Questi diversi studi hanno fornito nuove informazioni sulla pericolosità sismica di vaste aree del Mediterraneo che sono state soggette a rilasci sismici di rilevante entità. Il nostro approccio, insieme al workflow associato, può essere facilmente applicato in altre aree tettoniche del mondo, fornendo nuovi strumenti per la previsione dei terremoti.