Scivolamento fluido delle faglie oceaniche durante i terremoti

Immaginiamo la Terra come un puzzle gigante in continuo movimento, dove immense placche di roccia si scontrano, scorrono l’una sull’altra e accumulano pressioni colossali. Quando due faglie si sbloccano all’improvviso, si scatena un terremoto. Fino ad oggi si pensava che durante questi eventi le rocce si sfregassero semplicemente l’una contro l’altra producendo un enorme attrito. Un recente studio scientifico pubblicato sulla rivista Scientific Reports dai ricercatori Tatsuru Fukuta e Tetsuro Hirono della Tohoku University e della Osaka Metropolitan University ha rivelato un meccanismo straordinario, nascosto nelle profondità della penisola di Boso in Giappone.

Durante i terremoti più violenti, la roccia presente lungo la faglia subisce una trasformazione radicale. Non si comporta più come un solido duro e ruvido, ma viene istantaneamente fluidificata, diventando un fango ultra-scorrevole con una viscosità simile a quella dell’acqua liquida. Questo fenomeno riduce quasi a zero la resistenza al movimento, permettendo alla faglia di scivolare con una velocità e una facilità impressionanti. Comprendere questo processo è fondamentale, poiché proprio nei settori poco profondi del fondale oceanico questo scivolamento ultrarapido è il principale responsabile della generazione dei grandi tsunami.

Il mistero del gruppo di Hota e i segreti della penisola di Boso

Per comprendere questa scoperta occorre viaggiare nel tempo e nello spazio. La penisola di Boso, situata vicino a Tokyo in Giappone, è un luogo geologicamente unico al mondo. Lì affiora il Gruppo di Hota (noto anche come Gruppo di Emi), un antico prisma di accrezione. Un prisma di accrezione è una gigantesca massa di sedimenti e rocce che viene raschiata via dalla placca oceanica mentre questa sprofonda sotto una placca continentale nei processi di subduzione.

All’interno di queste rocce affiora una grande faglia, detta sovrascorrimento principale (o thrust), che in passato si trovava ad una profondità stimata tra 1 e 4 chilometri sotto il fondale marino. Questa faglia conserva al suo interno la zona di scivolamento principale (Principal Slip Zone o PSZ), una sottile striscia di materiale nero lucido dal diametro compreso tra 5 e 25 millimetri. Essa è una vera e propria scatola nera dei terremoti del passato, capace di registrare nella microstruttura delle sue rocce tutto ciò che è accaduto durante le scosse sismiche.

La roccia circostante (una siltite tufacea) ha subito nella sua storia temperature modeste, tra i 50 °C e i 75 °C, dovute al semplice seppellimento geologico. Nella zona di scivolamento principale sono state invece trovate le prove di temperature picco superiori a 350 °C e fino a 700 °C. Come è possibile che una striscia di roccia spessa pochi millimetri si sia scaldata così tanto rispetto al contesto circostante? La risposta risiede nel riscaldamento per attrito generato da uno scivolamento sismico rapido, superiore a 3 metri di spostamento istantaneo.

La metamorfosi del fango di faglia da solido a fluido

Quando si scatena un terremoto, il calore generato dallo sfregamento roccioso surriscalda i fluidi intrappolati nei pori della roccia di faglia (la cosiddetta gouge). I fluidi caldi tentano di espandersi velocemente, ma essendo intrappolati in uno spazio ristretto, generano una pressione dei fluidi spaventosa. Questo fenomeno prende il nome di pressurizzazione termica (thermal pressurization).

La pressurizzazione termica provoca la fluidificazione del materiale granulare di faglia. La fluidificazione è un processo fisico in cui una massa composta da granuli e particelle solide passa improvvisamente da uno stato rigido, simile a un solido, a uno stato dinamico, del tutto simile a un fluido viscoso. È un fenomeno concettualmente affine alla liquefazione del suolo che si osserva durante i fortissimi terremoti in superficie, dove sabbia e acqua si mescolano trasformando il terreno in una melma incapace di sostenere le edifificazioni.

Nel caso delle faglie profonde, la fluidificazione non distrugge del tutto la struttura rocciosa, ma azzera la resistenza al taglio, trasformando i detriti di roccia tritata in una sorta di lubrificante liquido perfetto.

Anatomia al microscopio della zona di scivolamento

Analizzando le sezioni sottili della zona di scivolamento con microscopi ottici polarizzati e microscopi elettronici a scansione (SEM), i ricercatori hanno scoperto una struttura interna straordinariamente complessa. La striscia di scivolamento non è uniforme, ma è suddivisa in ben 20 strati distinti sovrapposti, ognuno separato da confini nettissimi e paralleli alla direzione dello scorrimento.

Questa disposizione multistrato indica che la faglia non ha subito un solo evento, ma ha accumulato il record di numerosi terremoti successivi, dove ogni strato o sottostrato rappresenta la traccia lasciata da un singolo evento sismico. Gli studiosi hanno classificato i 20 strati osservati in quattro tipologie principali di microstrutture:

1. Strati a laminazione piana: caratterizzati da sottili fasce parallele di particelle (sottostrati), formate da meccanismi di segregazione granulare in cui i granuli si separano per dimensione, forma e densità durante lo scorrimento.

2. Strati a flusso turbolento: strati in cui le laminazioni non sono più piane, ma appaiono ondulate, curve, piegate e interrotte, con la presenza manifesta di veri e propri vortici microscopici.

3. Strati brecciati: strati privi di laminazione ordinata, ricchi di frammenti litici imbevuti in una matrice argillosa finissima.

4. Strati massivi non fogliati: strati omogenei in cui non si osserva alcuna struttura deformativa visibile.

Per discriminare in modo oggettivo tra uno strato a laminazione piana e uno a flusso turbolento, i ricercatori hanno introdotto un parametro geometrico rigoroso basato sulla curvatura delle laminazioni. Se la curvatura delle pieghe supera la soglia di $0{,}001\ \mu\text{m}^{-1}$, lo strato viene classificato come strato a flusso turbolento.

La fisica dei vortici sismici e la viscosità ultra-bassa

Gli strati a flusso turbolento presentano strutture a spirale che ricordano esattamente i vortici che si formano nei fluidi quando scorrono a velocità elevata, come l’acqua in un fiume in piena o l’aria attorno all’ala di un aereo. I ricercatori hanno modellato la dinamica di questi micro-vortici utilizzando le equazioni dell’idrodinamica, in particolare lo schema del flusso di Couette-Poiseuille tra due pareti parallele.

In questo modello matematico, lo scorrimento è guidato sia dal movimento meccanico delle due pareti di roccia che scivolano (flusso di Couette), sia dal gradiente di pressione generato dalla spinta dei fluidi caldi in espansione (flusso di Poiseuille). Attraverso l’uso del numero di Reynolds ($Re$), un indicatore fondamentale in meccanica dei fluidi che definisce il passaggio tra un flusso laminare e un flusso turbolento, si calcola la viscosità dinamica ($\eta$) del fango di faglia tramite la formula:

Dove $\rho$ rappresenta la densità del materiale (misurata in laboratorio a $2{,}35\ \text{g/cm}^3$), $U$ è la velocità di scivolamento sismico (compresa tra $1{,}0\ \text{m/s}$ e $6{,}0\ \text{m/s}$), $L$ è lo spessore caratteristico dei vortici (compreso tra $69\ \mu\text{m}$ e $233\ \mu\text{m}$), e $Re$ è il numero di Reynolds critico, fissato a 1400 per la transizione alla turbolenza.

I calcoli idrodinamici hanno fornito un risultato sbalorditivo: durante il terremoto, la viscosità del materiale fluidificato all’interno della faglia scende a valori compresi tra $1{,}2 \times 10^{-4}\ \text{Pa}\cdot\text{s}$ e $2{,}3 \times 10^{-3}\ \text{Pa}\cdot\text{s}$. Per fare un confronto immediato, la viscosità dell’acqua liquida a temperatura ambiente è di circa $1 \times 10^{-3}\ \text{Pa}\cdot\text{s}$. La roccia polverizzata all’interno della faglia, sotto l’effetto del calore e della pressione dei fluidi, diventa scorrevole quanto l’acqua.

Conseguenze per i grandi terremoti sismici e la nascita degli tsunami

La scoperta di una viscosità così straordinariamente bassa spiega uno dei dubbi più complessi della sismologia: come fa una faglia rocciosa a superare l’enorme attrito iniziale e a scorrere per decine di metri durante un terremoto? La fluidificazione a ultra-bassa viscosità agisce come un effetto acquaplaning su scala tettonica. Il materiale sciolto riduce quasi a zero la resistenza meccanica della faglia, favorendo una caduta di stress dinamico immensa (stress drop) e permettendo alla rottura sismica di propagarsi a grande velocità e su distanze enormi.

Questo fenomeno assume un ruolo drammatico nei settori poco profondi delle zone di subduzione oceanica. Quando una rottura sismica parte a decine di chilometri di profondità e risale lungo la faglia fino a raggiungere i primi chilometri sotto il fondale marino, la presenza di questo fango ultra-scorrevole permette alla faglia di compiere spostamenti orizzontali e verticali giganteschi proprio vicino alla superficie. Lo spostamento improvviso del fondale oceanico solleva la colonna d’acqua sovrastante, innescando le devastanti onde di uno tsunami.

Approfondimenti tecnici dal documento originale

Per chi desidera analizzare nel dettaglio le evidenze scientifiche raccolte nel lavoro di Fukuta e Hirono, di seguito vengono riportati gli approfondimenti tecnici integrali estratti direttamente dall’articolo analizzato.

Inquadramento geologico e cinematico del Gruppo di Hota

La struttura analizzata appartiene al Gruppo di Hota (penisola di Boso, Giappone), un complesso di accrezione formatosi durante le fasi di subduzione nelle fosse di Nankai e Sagami. La zona di scivolamento principale (PSZ) presenta le seguenti caratteristiche misurate:

• Giacitura della faglia: direzione est-ovest con immersione verso sud inclinata di $80^\circ – 85^\circ$.

• Indicatori cinematici (slickensides): strie e gradini di scorrimento mostrano un pitch di $65^\circ$ verso est.

• Relazione con le rocce incassanti: le strati di siltite adiacenti presentano una direzione $N 5^\circ E$ e una inclinazione di $45^\circ N$. Il movimento relativo della faglia corrisponde a uno scorrimento inverso ad alto angolo con componente trascorrente destra.

Analisi granulometrica e morfologica delle particelle (Immagine J)

I parametri dimensionali e morfologici delle particelle all’interno dei sottostrati (SL1 – SL18) dello strato a laminazione piana (Layer 2) sono stati quantificati tramite analisi al microscopio ottico a 400x ingrandimenti e processamento digitale con ImageJ.

• Diametro circolare equivalente: calcolato con la formula $D = 2 \sqrt{A / \pi}$, dove $A$ è l’area bidimensionale della particella. La risoluzione spaziale minima misurata è stata di $0{,}5\ \mu\text{m}$.

• Ampiezza della distribuzione granulometrica (Span): definita dalla relazione quantitativa:

dove $D_{10}$, $D_{50}$ e $D_{90}$ indicano le dimensioni delle particelle ai percentili cumulativi del 10%, 50% e 90%.

• Circolarità delle particelle: calcolata su particelle con diametro $D \ge 7{,}8\ \mu\text{m}$ tramite la formula:

dove $p$ è il perimetro della particella. Nei sottostrati SL14 e SL15 si registrano le particelle più grandi ($D \ge 7{,}0\ \mu\text{m}$), con un basso valore di Span ($\le 2{,}0$, indicante una distribuzione dimensionale stretta) e un alto indice di circolarità compreso tra 0,7 e 0,9.

Mappatura chimica e spettrometria a dispersione di lunghezza d’onda (WDS)

La microanalisi elementare condotta tramite microsonda elettronica (accelerazione 15 kV, corrente del fascio di $2{,}0 \times 10^{-8}\ \text{A}$, diametro del fascio di $0{,}1\ \mu\text{m}$) ha rivelato una distribuzione disomogenea degli elementi costitutivi:

• Arricchimenti in Mg, Fe e Ca: gli strati a laminazione piana e turbolenta (Layer 2, 12, 17 e 18) mostrano concentrazioni di Mg, Fe e Ca significativamente maggiori rispetto alla siltite incassante, imputabili alla presenza di minerali carbonatici di neo-formazione o concentrati.

• Variazioni del Potassio (K): si osserva una marcata deplezione di K negli strati 2, 12 e 18. Tuttavia, le analisi bulk mostrano un contenuto di $\text{K}_2\text{O}$ nella PSZ del 4,5–5,3 wt.% rispetto al 1,0–3,9 wt.% della roccia madre, legato alla concentrazione di K-feldspato negli strati brecciati e massivi.

• Elementi stabili: non si registrano variazioni apprezzabili tra i vari strati per le concentrazioni di $\text{SiO}_2$, $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$ e $\text{TiO}_2$.

Formulazione completa del modello idrodinamico di Couette-Poiseuille

Il modello assume un flusso piano compreso tra due pareti parallele distante $L$. Il regime turbolento si innesca al raggiungimento del numero di Reynolds critico per canali a pareti piane $Re = 1400$.

Tabelle dei parametri limite impiegati nel modello sismologico idrodinamico:

Inserendo nello schema matematico le combinazioni estreme dei parametri di spessore e velocità:

• Caso viscosità minima ($\eta_{\min}$):

• Caso viscosità massima ($\eta_{\max}$):

La concordanza di questi dati dimostra come l’interazione tra l’enorme calore generato per attrito sismico e la pressurizzazione dei fluidi interstiziali riesca a fluidificare i materiali di faglia, trasformando la roccia in un fluido dinamico ultra-lubrificante. Questa scoperta apre scenari del tutto nuovi nello studio della sismogenesi e nella valutazione del rischio tsunami a livello globale.

Traduzione abstract. La disponibilità dello studio completo, in accesso libero o riservato, è verificabile tramite il link del DOI nel box sotto se disponibile.

Abstract

Si ritiene che l’indebolimento della faglia durante lo scorrimento influenzi notevolmente l’entità dello scorrimento e la propagazione dinamica della rottura durante i terremoti. La pressurizzazione termica indotta dall’attrito del fluido interstiziale nelle faglie è ampiamente nota come meccanismo di indebolimento, ma la struttura interna responsabile non è ben compresa. Qui presentiamo i risultati di osservazioni microscopiche e analisi della principale zona di scorrimento in una faglia di spinta maggiore all’interno di un prisma di accrezione fossile, il Gruppo Hota (Gruppo Emi) del cuneo di accrezione di Boso, in Giappone, in cui la roccia di faglia ha subito una pressurizzazione termica. La zona di scorrimento ha una complessa struttura stratificata, composta da strati planari laminati, simili a flussi turbolenti, brecce e strati massicci non foliati. I confini netti di ogni strato indicano che ogni strato potrebbe essere correlato a un evento di scorrimento indipendente. Abbiamo eseguito una modellazione idrodinamica degli strati simili a flussi turbolenti assumendo un flusso di Couette-Poiseuille nello spazio tra due superfici e abbiamo determinato che la viscosità era estremamente bassa, compresa tra 1,2 × 10 ⁻⁴ fino a 2,3 × 10 ⁻³ Pa s, durante il flusso granulare fluidizzato indotto dalla pressurizzazione termica. Tale bassa viscosità cosismica del materiale di faglia fluidizzato potrebbe aumentare l’intenso indebolimento della faglia e promuovere un grande calo di stress, contribuendo probabilmente a uno scorrimento maggiore e a una maggiore propagazione della rottura durante i terremoti.

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