Tensione sismica e accumulo di energia profonda lungo il sistema di faglie della California meridionale

L’accumulo di energia tettonica sotto la crosta terrestre costituisce una delle dinamiche geofisiche più complesse e rilevanti per la sicurezza delle popolazioni. Un recente studio pubblicato sul Journal of Geophysical Research: Solid Earth (DOI: 10.1029/2025JB033213), firmato dalla ricercatrice Liliane Burkhard e dai suoi collaboratori, ha fatto luce sullo stato di sollecitazione meccanica a cui sono sottoposte le faglie di San Andreas e San Jacinto nella California meridionale.

L’analisi geofisica si concentra su un punto di snodo nevralgico, il Passo di Cajon (Cajon Pass), analizzando una cronologia sismica di 1000 anni per stimare la quantità di deformazione accumulata e comprendere i meccanismi con cui l’energia viene trasferita o rilasciata da un segmento crostale all’altro. I risultati evidenziano che la tensione accumulata in questa specifica regione ha raggiunto livelli estremamente elevati, offrendo una visione senza precedenti sulle interazioni tra sistemi sismici complessi.

Struttura geologica del Passo di Cajon e le faglie interessate

Per comprendere la portata delle recenti scoperte, occorre analizzare la configurazione strutturale del sottosuolo californiano. Il Passo di Cajon non è semplicemente una spaccatura geografica tra le catene montuose delle San Gabriel Mountains e delle San Bernardino Mountains, ma rappresenta un punto d’incontro unico al mondo tra due giganti della tettonica a placche: la faglia di San Andreas e la faglia di San Jacinto.

La faglia di San Andreas segna il confine di scorrimento trascorrente tra la placca pacifica e la placca nordamericana. Parallelamente, a breve distanza, corre la faglia di San Jacinto, un ramo altamente attivo che assorbe una quota significativa dello spostamento relativo tra le due placche continentali. Nel Passo di Cajon, questi due sistemi si avvicinano a tal punto che i rispettivi campi di deformazione si sovrappongono, creando una complessa zona di interferenza.

Gli autori dello studio hanno suddiviso questo snodo in specifici segmenti sismotettonici per analizzarne il comportamento:

• Il segmento San Bernardino (SJB), appartenente alla faglia di San Andreas, caratterizzato da un lungo periodo di quiescenza sismica superficiale.

• Il segmento Mojave (MOS), situato più a nord lungo la stessa faglia di San Andreas.

• I segmenti settentrionali della faglia di San Jacinto, che mostrano un tasso di scorrimento elevato e una frequente attività storica.

Quando due strutture sismiche così imponenti si trovano in stretta prossimità, le forze applicate non agiscono in modo isolato. Ogni movimento, anche impercettibile, lungo una delle due strutture altera l’equilibrio meccanico dell’altra.

Modellazione quadri-dimensionale del ciclo sismico

Per ricostruire con precisione l’evoluzione dello stato di sforzo nel corso dei secoli, i ricercatori hanno sviluppato un modello viscoelastico quadri-dimensionale in grado di simulare tre dimensioni spaziali nel tempo. Questa simulazione integra la geometria tridimensionale delle faglie con le proprietà reologiche della crosta e del mantello superiore.

Il modello si basa sul calcolo dello sforzo di Coulomb ($\Delta \sigma_C$), una grandezza fisica fondamentale che determina se una faglia sia vicina o meno al punto di rottura. La variazione dello sforzo di Coulomb si calcola attraverso la relazione matematica:

dove $\Delta \tau$ rappresenta la variazione della tensione di taglio (la forza che spinge i due blocchi di roccia a scivolare l’uno sull’altro), $\mu$ indica il coefficiente di attrito effettivo della faglia, $\Delta \sigma_n$ costituisce la variazione della tensione normale (la pressione che tiene unite le due pareti della spaccatura) e $\Delta P$ è la variazione della pressione dei fluidi nei pori della roccia.

Un valore positivo di $\Delta \sigma_C$ indica che la faglia è stata spinta più vicina alle condizioni di rottura sismica, mentre un valore negativo suggerisce un allontanamento dallo stato critico.

Integrazione dei dati storici e paleosismologici

Il modello è stato alimentato con un archivio completo di eventi sismici degli ultimi 1000 anni. Per ricostruire questo catalogo, la scienza moderna combina diversi indicatori geologici e storici:

• La datazione al radiocarbonio ($^{14}C$) dei sedimenti organici deformati o interrotti dalle scosse lungo le trincee paleosismiche.

• L’analisi delle anomalie negli anelli di accrescimento degli alberi (dendrocronologia), che registrano i traumi subiti dagli apparati radicali in concomitanza con grandi terremoti.

• I documenti storici e i rilievi topografici degli spostamenti superficiali registrati a partire dal XIX secolo.

Attraverso questa imponente mole di dati, la simulazione ha riprodotto l’alternanza tra il repentino rilascio di energia durante i terremoti e il lento, costante accumulo di deformazione nei periodi intersismici, tenendo conto del rilassamento viscoelastico delle rocce profonde.

Il concetto di porta sismica e le condizioni di rottura congiunta

Uno degli apporti concettuali più rilevanti dello studio risiede nella ridefinizione del Passo di Cajon come un “earthquake gate” (una porta sismica). In geofisica, una porta sismica è una giunzione tettonica articolata che può agire da barriera o da canale di propagazione per la rottura sismica.

Nel corso della storia geologica della California, la porta sismica del Passo di Cajon ha mostrato comportamenti differenti:

• Stato chiuso: la rottura sismica originatasi su una faglia (ad esempio sulla faglia di San Andreas) si arresta bruscamente al raggiungimento del Passo di Cajon, confinando il terremoto a un singolo segmento e limitandone la magnitudo complessiva.

• Stato aperto: la rottura sismica riesce a superare lo snodo, propagandosi contemporaneamente sia sulla faglia di San Andreas sia sulla faglia di San Jacinto. In questa configurazione, l’energia rilasciata aumenta in modo esponenziale, dando origine a eventi sismici di magnitudo molto elevata ($M_w \ge 7,5$).

Il ruolo della disparità di tensione tra i segmenti

La ricerca di Burkhard e colleghi dimostra che l’apertura o la chiusura di questa porta sismica dipende direttamente dalla differenza nello stato di tensione accumulato tra i segmenti adiacenti.

Quando la differenza di sforzo tra il segmento San Bernardino e il segmento Mojave è pronunciata, le deformazioni locali impediscono alla rottura di avanzare oltre il crocevia. Al contrario, quando la disparità di tensione tra i segmenti scompare e il livello di carica accumulata si omogeneizza ad alti valori, la barriera meccanica decade. In tali condizioni, la rottura sismica trova un percorso continuo e attraversa la porta del Passo di Cajon, connettendo le due faglie in un unico grande evento sismico.

Come la crosta terrestre accumula e trasferisce lo sforzo

Per comprendere la gravità delle conclusioni dello studio, è necessario esaminare come la roccia profonda immagazzina l’energia meccanica. La crosta terrestre non si comporta come un blocco rigido uniforme, ma come un sistema con proprietà sia elastiche che plastiche.

Le fasi dell’accumulo e del trasferimento di energia si articolano in sequenze ben definite:

1. La deformazione tettonica continua, guidata dai movimenti delle placche a grande scala, applica una spinta costante sui blocchi crostali a una velocità di diversi millimetri all’anno.

2. Nelle porzioni superficiali e fredde della crosta, le faglie rimangono bloccate dall’attrito, causando un deformamento elastico progressivo delle rocce circostanti.

3. Nella crosta profonda e calda, le elevate temperature e pressioni inducono un comportamento viscoelastico, dove la roccia lentamente scorre anziché spezzarsi.

4. Quando si verifica un terremoto, lo scorrimento improvviso rilascia la tensione accumulata sulla faglia principale, ma trasferisce istantaneamente un carico di sforzo supplementare sui segmenti adiacenti e sulle faglie vicine.

5. Nei decenni successivi all’evento, la crosta profonda continua a rilassarsi viscoelasticamente, redistribuendo ulteriormente lo sforzo verso la superficie e ricaricando le faglie adiacenti.

Attualmente, l’applicazione del modello geofisico dimostra che il processo di ricarica intersismica, sommato agli effetti dei terremoti passati e al rilassamento viscoelastico, ha portato lo sforzo di Coulomb nella zona del Passo di Cajon a livelli che non si registravano da un millennio.

Implicazioni per la stima della pericolosità sismica e la sicurezza pubblica

I risultati ottenuti mediante la simulazione quadri-dimensionale mettono in luce la necessità di aggiornare i modelli tradizionali di pericolosità sismica. Fino a poco tempo fa, le valutazioni del rischio tendevano a considerare le singole faglie come strutture isolate, calcolando la probabilità di accadimento di un terremoto sulla base del tempo trascorso dall’ultimo evento noto su quel preciso segmento.

L’approccio integrato dimostrato da Burkhard e dai suoi coautori dimostra invece che:

• La valutazione del rischio sismico non può prescindere dallo stato di tensione interconnesso di tutte le faglie che compongono la rete locale.

• Il calcolo del potenziale sismico deve includere la storia sismica plurisecolare e le interazioni dinamiche di stress accumulato.

• La possibilità che un terremoto attraversi la porta sismica del Passo di Cajon implica che le stime sulla magnitudo massima attesa nella California meridionale debbano considerare scenari di rottura multifaglia simultanea.

Questa comprensione avanzata delle dinamiche profonde fornisce uno strumento fondamentale per la comunità scientifica e gli enti preposti alla prevenzione civile, consentendo di affinare le simulazioni dello scuotimento del suolo, migliorare la progettazione delle infrastrutture critiche e rafforzare i piani di risposta alle emergenze lungo uno dei corridoi più popolati del pianeta.

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

A oltre un secolo dall’ultima grande rottura che ha interessato l’intera regione di Los Angeles, lo stress tettonico si è accumulato costantemente lungo i sistemi di faglie meridionali di San Andreas e San Jacinto, suscitando preoccupazioni per un imminente grande terremoto. Il passo di Cajon, situato alla giunzione di queste faglie, rappresenta un sito critico per potenziali rotture passanti nella California meridionale. Abbiamo realizzato nuove simulazioni del ciclo sismico 4D utilizzando una storia paleosismica di rotture di 1000 anni del sistema di faglie di San Andreas (SAFS) per valutare le variazioni spaziali e temporali dello stress. È stato utilizzato un modello di trasformata di Fourier semi-analitico per calcolare lo stress da dislocazioni 3D in una placca elastica sovrastante un semispazio viscoelastico di Maxwell, assumendo un completo ripristino cosismico dello stress di taglio risolto sugli elementi rotti. I risultati mostrano il massimo accumulo di stress a nord del Cajon Pass (circa 1,8 MPa/100 anni) a causa di tassi di scorrimento più elevati, e tassi inferiori a sud del Cajon Pass (circa 1,0-1,5 MPa/100 anni). Entro il 2025, lo stress di Coulomb è stimato a 2,8 MPa sul segmento Mojave South (MOS), 1,8 MPa sul segmento North San Bernardino (NSB1) e 3,6 MPa sul segmento San Jacinto Bernardino (SJB). I segmenti accumulano stress con intervalli caratteristici di stress pre-evento interpretati come soglie di rottura: 1,2-2,7 MPa per MOS, 0,4-1,6 MPa per NSB1 e 1,2-2,9 MPa per SJB. Quando la disparità di stress tra i segmenti SJB e MOS si riduce, le faglie sembrano rompersi congiuntamente, suggerendo che i livelli di stress possano controllare il modo in cui il Cajon Pass agisce da barriera sismica. Questi risultati possono fornire informazioni utili per le valutazioni del rischio sismico, collegando l’evoluzione delle tensioni alle interazioni tra le faglie.

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