1. Premessa
Lo scopo del Progetto di ricerca svolto dalla UR di Perugia nell'ambito del PE98 è quello di offrire un contributo alla definizione delle strutture sismogenetiche responsabili del terremoto umbro-marchigiano del 1997-98.
La caratteristica principale del lavoro svolto è quella di integrare dati geologici di superficie con l'interpretazione di profili sismici a riflessione, allo scopo di ricavare un'immagine in profondità delle strutture potenzialmente sismogenetiche, da confrontare con quella offerta dai dati sismologici. A tale riguardo desideriamo ringraziare l'ENI/AGIP Division, che ha messo a disposizione i profili sismici utilizzati in questo lavoro.

Il programma di ricerca è così articolato:

1. Rilevamento di una carta geologica (scala 1:50.000) di una fascia compresa entro la isosisma del VII grado e suo inserimento nel quadro strutturale dell'Umbria-Marche.
2. Costruzione di 1 sezione geologica di dettaglio (scala 1:10.000) trasversale alle strutture estensionali (direzione circa N80°).
3. Interpretazione di un profilo sismico a riflessione attraversante l'area interessata partendo dai nuovi dati di geologia di superficie.
4. Proiezione dei dati degli ipocentri delle scosse principali e delle repliche sulla sezione geologica risultante dall'interpretazione del profilo sismico e interpretazione geologica della sismicità.
5. Sintesi dei risultati

Il lavoro è ancora in corso di svolgimento: in particolare, non è stata ancora completata l'attività prevista dal punto 4, cioè il confronto puntuale con i dati sismologici.
Al di fuori del programma previsto, nell'ambito dell'attività svolta del gruppo di lavoro sulle faglie attive dell'Appennino Centrale, abbiamo analizzato i profili sismici disponibili per la zona interessata dalla faglia di Gubbio, allo scopo di definirne la geometria profonda.
Il presente rapporto preliminare ha lo scopo di illustrare sinteticamente i risultati raggiunti nella definizione delle geometrie delle faglie di Gubbio e di Colfiorito.
 

2. La Faglia di Gubbio
Per ricostruire la geometria profonda della faglia di Gubbio (GuF), si sono utilizzate le informazioni provenienti da sei profili sismici a riflessione, che interessano una porzione, di circa 30 km², del Pre-Appennino Umbro, compresa tra il Bacino Altotiberino e l'anticlinale di Gubbio ( fig. 1).
La buona qualità dei profili sismici utilizzati ha permesso l'individuazione dei riflettori marker più significativi (dal basso verso l'alto: top Verrucano, basamento s.l., top evaporiti triassiche, Marne a Fucoidi, top Bisciaro, base dei depositi continentali) che, tarati sulla base delle perforazioni profonde effettuate in questa zona, hanno consentito un'efficace descrizione delle principali strutture compressive e distensive presenti nel sottosuolo.
Le sezioni sismiche interpretate sono state convertite in profondità, utilizzando i dati di velocità intervallari disponibili in letteratura (Barchi et al., 1998): una delle sezioni geologiche così ottenute è riportata in fig. 2. Successivamente, i dati lungo le sezioni sono stati campionati e interpolati con un programma di contouring, per ottenere una carta delle isobate della GuF ( fig. 3).
L'insieme dei profili utilizzati mostra che la faglia di Gubbio disloca il fianco occidentale dell'anticlinale omonima immergendo verso SW, con direzione di 120°N ed inclinazione che varia tra i 50° e i 70°. Il rigetto complessivo massimo, desumibile dalla dislocazione dell'orizzonte delle Marne a Fucoidi, è pari a circa 1000 m. La geometria listrica della GuF è ben riconoscibile nei diversi profili: in profondità la faglia riattiva un preesistente piano di sovrascorrimento, invertendone il movimento ( fig. 2).
La GuF è antitetica ad una faglia a basso angolo immergente verso E, nota in letteratura come Faglia Altotiberina (ATF, Boncio et al., 1998). L'intersezione tra la GuF e la ATF si trova ad una profondità di circa 6 km nella parte meridionale, risale fino a 4.5 km procedendo verso N, dopo di che si approfondisce nuovamente fino a circa 5 km.
I profili sismici non permettono di ricostruire con precisione la geometria del bacino di Gubbio. Lo spessore dei depositi continentali di riempimento del bacino è di circa 500 m, valore compatibile con quello indicato da Menichetti (1992).
Un ulteriore elemento ricavabile dai profili sismici è la profondità del tetto del basamento, che si trova a circa 5 km, al letto della GuF.
Sulla carta delle isobate della GuF ( fig. 3) sono state riportate l'intersezione del piano di faglia con la topografia e l'intersezione in profondità con la ATF. La carta conferma le caratteristiche geometriche del piano di faglia, ed in particolare il suo andamento listrico.
La traccia della faglia in superficie mostra un bend sinistro, più o meno in corrispondenza della città di Gubbio: il segmento posto a NW di Gubbio appare spostato verso W. L'andamento delle isobate della faglia coincide con quello della traccia superficiale, mostrando che la curvatura interessa anche la parte profonda del piano di faglia. Ciò fa pensare che la faglia di Gubbio possa essere divisa in due distinti segmenti.
La geometria della GuF, così ricostruita, è stata confrontata con la distribuzione degli ipocentri della crisi sismica di Gubbio del 29-04-1984 (Haessler et al., 1988), riportati in fig. 3. Si nota che:

• gli ipocentri sono localizzati nella fascia compresa tra la traccia della faglia in superficie e l'intersezione con l'ATF; le profondità ipocentrali, raggiungono i 7 km, di poco superiori a quelle da noi ricavate per l'intersezione tra GuF e ATF;
• la sismicità appare in relazione al segmento meridionale della GuF.

In conclusione, il nostro studio consente di definire in dettaglio la geometria della GuF ed i suoi rapporti con la ATF. Consente inoltre di ipotizzare una possibile segmentazione della GuF, che non sarebbe un'unica struttura con una continuità longitudinale di circa 30 km, ma sarebbe articolata in due segmenti, attivabili separatamente. Il segmento meridionale, attivato durante il terremoto del 1984, avrebbe una continuità di circa 15 km.
 

3. Le faglie di Annifo e Colfiorito

3.1 Metodo di lavoro
Per quest'area è stato svolto un rilevamento geologico di superficie, alla scala 1:10.000, di 4 aree-campione e sono stati studiati due profili sismici a riflessione, che si estendono, il più settentrionale da Assisi a Camerino, il più meridionale da Foligno a Visso ( fig. 1).
Nel presente rapporto verranno illustrati sinteticamente i risultati della integrazione tra dati geologici di superficie e studio dei profili sismici, senza descrivere in dettaglio le strutture geologiche rilevate in superficie.
I profili sismici studiati attraversano la catena in senso W-E, raggiungendo la profondità di 5 s (twt), che corrispondono a circa 12 km. La qualità dei dati sismici non è particolarmente buona: ciò può essere messo in relazione al metodo di acquisizione dei profili (Vibroseis) ed alla natura delle rocce affioranti (carbonati della serie umbro-marchigiana). L'acquisizione dei dati è stata effettuata seguendo le principali vie di comunicazione e non segue una traccia rettilinea, né sempre perpendicolare alle strutture geologiche. Pur con questi limiti, i profili hanno tuttavia consentito di riconoscere:

• Un riflettore profondo, interpretabile come tetto del basamento;
• Alcuni riflettori intermedi, indicativi dell'andamento degli strati;
• La posizione delle principali faglie legate alla tettonica compressiva (sovrascorrimenti) e distensiva (faglie dirette).

Queste geometrie sono state collegate a quelle delle strutture superficiali rilevate.
Nel presente lavoro vengono esposti i risultati dell'interpretazione del profilo più settentrionale (Assisi-Camerino), che attraversa la struttura del M. Subasio, la valle del fiume Topino e la Ruga interna (Scarsella, 1951), fino al sinclinorio di Camerino.
Data la risoluzione relativamente scarsa delle strutture, per la conversione in profondità è stato adottato un modello di velocità semplificato, a tre strati:

torbiditi: 4000 m/s;
carbonati + evaporiti: 5500 m/s
basamento: 5000 m/s.

Successivamente, sulla base dell'interpretazione proposta, sarà possibile introdurre modelli di velocità più raffinati.
 

3.2 Descrizione della sezione geologica
I dati ottenuti dall'interpretazione del profilo sismico sono stati proiettati lungo una sezione geologica orientata circa N87° ( fig. 4).
Procedendo da W verso E, le strutture compressive sono costituite dall'anticlinale del M.Subasio e dal sinclinorio della Valle del Topino, impostata sui depositi della Marnoso Arenacea; più ad Est inizia la catena dell'Appennino umbro-marchigiano s.s., costituita da una serie di scaglie embricate che danno luogo a 5 strutture anticlinaliche impostate su due sovrascorrimenti principali, quello di Monte Di Massa e quello di Pieve Bovigliana, che separa la Ruga Interna dalla Ruga Esterna. In base all'interpretazione del profilo sismico, i due sovrascorrimenti principali corrispondono a raddoppi del basamento localizzati, nel sottosuolo, tra il M. Subasio e il M. di Lello, che costituisce l'attacco della Ruga Interna.
Il basamento si trova a profondità che vanno da 5.5 km sotto il M. Subasio fino a 9 km circa sotto M. di Lello, per poi risalire fino a circa 6.5 km di profondità in corrispondenza del sinclinorio di Camerino.

La tettonica estensionale comprende tre sistemi principali di faglie dirette, immergenti verso W.
Il sistema più occidentale è costituito dalla faglia bordiera del M. Subasio, che delimita verso Est la media Valle Umbra. Nel settore orientale della sezione, presso la culminazione della Ruga interna, sono stati individuati gli altri due sistemi principali di faglie dirette, che delimitano rispettivamente i bacini di Annifo e di Colfiorito. Si nota che nel settore compreso tra la faglia del M. Subasio e quella di Annifo non si individuano strutture estensionali significative: questa osservazione, confermata anche dai rilievi di superficie, individua una zona relativamente indeformata (per quanto riguarda la tettonica estensionale) tra la Valle Umbra ed i bacini estensionali della zona di Colfiorito.
I sistemi estensionali di Annifo e Colfiorito sono costituiti da una faglia principale W-immergente, al cui tetto sono presenti numerose faglie minori, sintetiche ed antitetiche: tutte le faglie dirette presentano in superficie inclinazioni elevate (65°-85°). I piani di faglia principali sono caratterizzati da un tratto superficiale ad alto angolo (fino a circa 2 km di profondità) ed una traiettoria profonda con inclinazione sensibilmente minore (circa 40°). Le faglie raggiungono il basamento in corrispondenza delle zone di raddoppio, a profondità di circa 6 km per la faglia di Annifo e di 8 km per la faglia di Colfiorito. In queste zone, è possibile ipotizzare che le faglie riattivino pre-esistenti piani di sovrascorrimento.
 

3.3 Considerazioni sulla sismicità dell'area
Allo stato attuale del lavoro, l'integrazione tra la sezione geologica sopradescritta e i dati sismologici non è stata ancora effettuata. Nel proseguo del lavoro, anche in collaborazione con altre UR del GNDT, sarà possibile:

• proiettare le localizzazioni ipocentrali lungo la sezione studiata, per verificare i rapporti tra traiettorie delle faglie e distribuzione della sismicità;
• rilocalizzare una parte degli eventi sulla base di un modello di velocità locale, più rispondente alla configurazione geologico/geofisica dell'area.

Per ora, dal semplice confronto con i dati sismologici disponibili in letteratura, è possibile esporre alcune considerazioni preliminari.

1- I meccanismi focali delle scosse principali della crisi sismica del 1997-98 (Elkstrom et al., 1998) mostrano un piano nodale immergente verso SW con inclinazione di circa 40°: questa geometria corrisponde con quella dei piani di faglia di Annifo e di Colfiorito, individuati nella sezione presentata.

2- Per quanto riguarda la localizzazione degli ipocentri delle repliche, i dati pubblicati (Amato et al., 1998; Basili, 1999) indicano che i cluster della sismicità sono compresi tra 2 e 9 km di profondità. Nella nostra sezione, la sequenza sismica è confinata all'interno di un insieme di scaglie tettoniche, costituite da carbonati ed evaporiti; la base della sequenza sismica (-9 km) corrisponde alla posizione del tetto del basamento.
 
 

4. Spunti di discussione
Geometria delle strutture sismogenetiche
Dal punto di vista metodologico, il nostro studio mette in evidenza l'importanza dell'utilizzo delle linee sismiche a riflessione nella definizione della geometria profonda di faglie potenzialmente sismogenetiche. In particolare, nel nostro caso è stato possibile definire i parametri geometrici delle faglie di Gubbio (per cui è stata anche proposta un'ipotesi di segmentazione) e di Colfiorito. Le informazioni geometriche ricostruite sono riassunte nella tabella che segue:
 
 

	Gubbio	Colfiorito
L (Lunghezza in pianta)	15 km (2 segmenti)	8 km
RW (Lunghezza in sezione)	11.5 km	15 km
Ws (Larghezza in pianta)	10 km	11 km
D (Spessore dello strato sismogenetico)	5.5 km	8.5 km

Riattivazioni
I piani di faglia studiati sembrano riattivare in profondità pre-esistenti piani di sovrascorrimento. Il fenomeno di riattivazione, nel caso della faglia di Gubbio, si evince chiaramente dalle sezioni sismiche, mentre nel caso di Colfiorito può essere ragionevolmente ipotizzato, considerando che la traiettoria delle faglie in profondità interessa le zone in cui si localizzano i raddoppi del basamento.

Meccanica del fagliamento
Le inclinazioni delle strutture estensionali di Colfiorito (al di sotto dei 2 km di profondità), descritte nel profilo sismico (circa 40°), coincidono con quelle dei piani di rottura individuati dai meccanismi focali dei tre eventi principali (Ekstrom et al., 1998). Nell'ipotesi di un s₁ verticale e per valori di Byerlee (1978) del coefficiente di frizione statica (0.6<m_s<0.85), si deve considerare un meccanismo di rottura che sfrutta discontinuità preesistenti, in presenza di relativamente alti valori di pressione dei fluidi.
 

Possibile prosecuzione della ATF
Come abbiamo visto, la faglia di Gubbio risulta antitetica rispetto ad una master fault est-immergente (Faglia altotiberina, ATF). Lo studio dei profili sismici ha consentito di accertare la presenza della ATF in tutto il settore compreso tra S.Sepolcro e Perugia (Barchi et al., 1998). Da un punto di vista geologico, è possibile ipotizzare che anche le faglie di Annifo e Colfiorito siano antitetiche ad una master fault est-immergente. Tuttavia, la qualità dei profili sismici studiati nel settore occidentale non permette di confermare questa ipotesi.
 
 

Riferimenti Bibliografici
Amato A., Azzara R., Chiarabba C., Cimini G. B., Cocco M., Di Bona M., Margheriti L., Mazza S., Mele F., Selvaggi G., Basili A., Boschi E., Courboulex F., Deschamps A., Gaffet S., Bittarelli G., Chiaraluce L., Piccinini D., and Ripepe M. (1998) - The 1997 Umbria-Marche, Italy, earthquake sequence: a first look at the main shocks and aftershocks. Geophysical Research Letters, 25, 2861-2864.
Barchi M.R., De Feyter A., Magnani M.B., Minelli G., Pialli G. & Sotera B.M. (1998) - The deformed foreland of the Northern Apennines and its structural style. Mem. Soc. Geol. It., 52, 557-578.
Basili R. (1999) - La componente verticale della tettonica plio-quaternaria nell'Appennino centrale. Tesi di Dottorato, Università "La Sapienza", Roma.
Boncio P., Ponziani F., Brozzetti F., Barchi M., Lavecchia G. & Pialli G. (1998) - Seismicity and extensional tectonics in the northern Umbria-Marche Apennines. Mem. Soc. Geol. It., 52, 539-556.
Byerlee J. D. (1978). Friction of rocks. Pure and Applied Geophysics, 116, 615-626.
Ekstroem G., Morelli A., Dziewonski A.M. & Boschi E. (1998) - Moment tensor analysis of the Umbria-Marche earthquake sequence of September-October 1997. Geophys. Res. Lett., 25, 1971-1974.
Haessler H., Gaulon R., Rivera L., Console R., Frogneux. M., Gasparini G., Martel L., Patau G., Siciliano M. & Cistermas A. (1988). The Perugia (Italy) earthquake of 29 April 1984: a microearthquake survey. Bull. Seism. Soc. of America, 78, 1948-1964.
Menichetti M. (1992) - Evoluzione tettonico-sedimentaria della Valle di Gubbio. Studi Geologici Camerti, Vol. Spec. 1992/1, 155-163.
Scarsella F. (1951) - Un aggruppamento di pieghe dell'Appennino Umbro-Marchigiano. Boll. Serv. Geol. D'Italia, 73.