LINEE GUIDA PER LA SALVAGUARDIA DEI BENI CULTURALI DAI RISCHI NATURALI

PARTE 1  Studi ed indagini finalizzate alla microzonazione sismica dell'area di Cerreto di Spoleto(PG)

1. Introduzione

2. Fase conoscitiva

    2.1. Geologia e geomorfologia

    2.2. Caratterizzazione geomeccanica

    2.3.  Sismica a rifrazione

3. Fase interpretativa

    3.1. Amplificazione sismica locale: possibili fattori

4 Fase di verifica

    4.1. Indagini di sito: misure velocimetriche

    4.2. Modellazione numerica

5. Prevedibile sviluppo della ricerca

6. Conclusioni

Indice Cerreto

1. Introduzione

Nella presente relazione vengono illustrate le attività,  svolte nel biennio 2000/2001, nell’ambito del progetto ENEA-MURST “Catastrofi naturali e loro conseguenze sul patrimonio culturale ed ambientale  italiano. Mitigazione e previsione di alcune tipologie di eventi.” Questa ricerca è stata condotta in seno al gruppo di lavoro di ingegneria sismica dell’unità UTS-PROT (responsabile Ing. C. Martelli), ed è stata coordinata dall’Ing. D. Rinaldis.

In particolare, le attività svolte riguardano uno studio finalizzato alla microzonazione sismica dell’abitato di Cerreto di Spoleto, scelto nell’ambito del sopramenzionato progetto in base ai seguenti criteri:

-    l’analisi delle carte di pericolosità sismica a scala nazionale appositamente prodotte (Romeo et al., 2000), nelle quali la fascia appenninica si evidenzia per la rilevante pericolosità, che potrebbe essere innalzata dalla presenza di effetti locali legati alla geologia di superficie;

-     la presenza, nell’area del centro storico e in località Borgo Cerreto, di emergenze di interesse storico-monumentale rappresentate da chiese del XII-XIII secolo (Chiesa dell’Annunziata, S.Giacomo, S.Lorenzo) e del XIV-XVI secolo (S.Paterniano, S.M. Delibera);

-     la testimonianza  di risentimenti di elevata intensità (fino al IX MCS), dovuti a terremoti vicini (Monachesi & Stucchi, 1997), e l’elevata frequenza di scosse di media intensità (VII-VIII MCS): il sito, infatti,  risulta appartenere all’area italiana con maggiore probabilità di eccedenza (60-70%) di intensità VII-VIII MCS in 50 anni (GNDT, 1997);

-    la sua posizione in un contesto geologico-geomorfologico di interesse per la risposta sismica locale, dovutamente alla presenza di condizioni predisponenti a locali fenomeni di amplificazione delle onde sismiche quali la morfologia  della dorsale carbonatica, le significative variazioni delle condizioni di fratturazione dei calcari, la presenza di placche di travertino sepolte sotto le alluvioni del fondovalle e di estese falde di detrito di versante ai margini delle valli fluviali (Bongiovanni et al., 2000);

-    la presenza di postazioni accelerometriche della rete locale ENEA, realizzata alla fine degli anni ’80 per lo studio della variazione del moto del terreno in seguito a particolari condizioni geomorfologiche e delle conseguenti implicazioni sul comportamento di strutture durante un evento sismico (Basili et al., 1998; Rinaldis et al., 1998). In origine essa era composta da strumenti a registrazione digitale di prima generazione, CODISMA (CONTRAVES), che hanno fornito importanti registrazioni relative agli eventi principali del 26.09.97 e del 14.10.97, ed è attualmente strumentata con accelerometri ETNA (KINEMETRICS).

In particolare, nell’area comprendente l’abitato in oggetto, in collaborazione con l’Università di Roma Tre e l’INGV, è stata sperimentata una metodologia di indagine che ha integrato diversi contributi a carattere geologico-geomorfologico, geologico-tecnico e geofisico.

La ricerca è stata impostata e svolta nelle tre seguenti fasi:

-     una “fase conoscitiva”, finalizzata all’acquisizione di elementi dettagliati per la caratterizzazione geologica e geologico-tecnica del sito, che ha comportato lo svolgimento di diverse campagne di rilevamento geologico-geomorfologico e geologico-tecnico oltre che di indagini geofisiche indirette (sismica a rifrazione);

-     una “fase interpretativa”, finalizzata alla ricostruzione di un “modello geologico di riferimento” per la identificazione di aree ed elementi potenzialmente esposti a fenomeni di amplificazione locale delle onde sismiche, che ha comportato l’utilizzo di strumenti informatici per la rappresentazione tridimensionale del territorio e la costruzione di database informatici per l’analisi e la gestione dei dati di campagna;

-     una “fase di verifica”, finalizzata al riscontro delle ipotesi connesse al “modello geologico di riferimento” mediante indagini geofisiche di sito (misure velocimetriche) e l’impostazione di un modello numerico tarato sugli elementi conoscitivi acquisiti e sui risultati delle indagini di sito.

I risultati ottenuti nel corso del biennio di ricerca sono già oggetto dei due seguenti Rapporti Tecnici ENEA:

·     BONGIOVANNI G., MARTINI G., MARTINO S., PACIELLO A & VERRUBBI V. (2000) – Studio geologico-geomeccanico dell’area di Cerreto di Spoleto (PG) finalizzato alla microzonazione sismica – Rapporto Tecnico ENEA, RT/AMB/2000/14.

·     BONGIOVANNI G., MARTINO S., PACIELLO A. & VERRUBBI V. (2001 – in stampa) – Indagini geotecniche e geofisiche finalizzate alla microzonazione sismica dell’area di Cerreto di Spoleto (PG) – Rapporto Tecnico ENEA, RT/AMB/2001/22.

e delle seguenti pubblicazioni scientifiche, in corso di stampa:

·     MARTINO S., PACIELLO A., VERRUBBI V. & MARTINI G. (2000) – Studio geologico geomeccanico dell’area di Cerreto di Spoleto (PG) finalizzato alla microzonazione sismica – Geologia Applicata ed Idrogeologia - Serie AIGA.

·     BONGIOVANNI G., MARTINO S., PACIELLO A. & VERRUBBI V. (2001) – Geophysical surveys and velocimetric measures in the Cerreto di Spoleto area, aiming at a seismic microzoning. Bollettino di Geofisica Teorica ed Applicata.

E’ stata svolta anche un’attività divulgativa, mediante workshop interni tenuti presso il C.R. ENEA-Casaccia.

Inizio

2. Fase conoscitiva

2.1. Geologia e geomorfologia

La dorsale su cui sorge la parte più antica dell’abitato di Cerreto di Spoleto si presenta come un rilievo allungato in direzione circa NE-SW, delimitato a sud dal corso del Fiume Nera ed a nord dal corso del Fiume Vigi, suo affluente di destra. La dorsale presenta un’ampiezza variabile da circa 500m a sud a circa 1000m a nord ed un dislivello rispetto al fondovalle variabile, da sud a nord, da 155 a 230m circa (Fig.1).

Il rilevamento geologico e geomorfologico di dettaglio è stato effettuato alla scala 1:5000 su un’area di circa 5km comprendente la dorsale di Cerreto di Spoleto, le pendici settentrionali di M. Lo Stiglio ed il versante in destra idrografica del F. Vigi (Tavola 1).

In corrispondenza della dorsale di Cerreto di Spoleto affiorano termini litologici ascrivibili alle formazioni della Scaglia bianca, della Scaglia rossa e della Scaglia Variegata appartenenti alla Successione Umbro-Marchigiana. Verso ovest, in destra idrografica del Fiume Vigi, affiorano anche termini superiori della successione, riferibili alle formazioni della Scaglia Cinerea e del Bisciaro.

La Scaglia bianca (Albiano sup. – Turoniano p.p.) affiora essenzialmente lungo il versante meridionale della dorsale di Cerreto di Spoleto ed alla base del versante settentrionale di M. Lo Stiglio: essa è rappresentata da calcari bianchi o grigi da mediamente a sottilmente stratificati, con liste di selce grigia o nera. La Scaglia rossa (Turoniano p.p – Eocene medio) affiora per la maggior parte della dorsale (Fig.2) e dei versanti ad essa adiacenti (M. Lo Stiglio, versante in destra Vigi) ed è rappresentata da calcari micritici e calcari marnosi da rosati a rossoscuri con a luoghi noduli e liste di selce generalmente rossa o rosea, passanti verso l’alto ai termini della Scaglia Variegata, che affiorano lungo il F.Vigi in prossimità della località Ponte del Piano, costituiti da marne e marne calcaree intercalate a calcari marnosi rossi e calcareniti.

I termini della Scaglia Cinerea (Eocene sup. – Aquitaniano inf.), ben affioranti a nord e ad ovest della località Ponte del Piano, sono costituiti da marne e marne argillose grigio-verdi o grigio cenere con poche e sottili intercalazioni di calcari marnosi, passanti verso l’alto ai termini del Bisciaro (Aquitaniano inf. – Burdigaliano p.p) rappresentati da marne grigie con sottili intercalazioni di calcari marnosi grigio scuri.

Tutti i litotipi affioranti con comportamento lapideo sono in generale caratterizzati da un intenso stato di fatturazione, che è stato possibile descrivere più in dettaglio grazie alla caratterizzazione geomeccanica effettuata.
I depositi del fondovalle costituiscono un materasso di alluvioni recenti (Olocene) rappresentate da limi e sabbie da fini a grossolane con intercalazioni ghiaiose, specie in prossimità delle confluenze. In particolare, intercalazioni ghiaiose in una matrice sabbiosa, tra livelli di argille limose con ciottoli, sono state incontrate in un sondaggio di 10m effettuato in località Borgo Cerreto in prossimità della confluenza tra i Fiumi Vigi e Nera. Particolarmente significativa è la presenza di piccoli conoidi di deiezione fluviale allo sbocco sul fondovalle dei principali impluvi dei versanti carbonatici (destra Vigi).

Fig.2 – Scaglia rossa affiorante in corrispondenza della dorsale di Cerreto di Spoleto.

In località C.le il Tonno, tra Cerreto di Spoleto e Triponzo, affiorano estesamente travertini in facies  fitoermale con sacche detritiche costituite da  sabbie da medie a fini che formano una placca sub-orizzontale delimitata a sud ed a est dal corso del Fiume Nera (Fig.3).

Una placca di travertino di più ridotte dimensioni è stata incontrata in tre sondaggi di 30m (S2, S3, S4 in Tavola 1) effettuati dal Comune di Cerreto di Spoleto per il piano di lottizzazione dell’area a sud-ovest di Borgo Cerreto, compresa tra il Fiume Nera e la strada statale. I tre sondaggi hanno incontrato travertini con intercalazioni sabbiose a partire da 6m di profondità fino a fondo foro.
L’assenza dei depositi travertinosi in un sondaggio di 20m (S1 in Tavola 1), effettuato lungo la sponda meridionale del Fiume Vigi, in prossimità della confluenza con il Fiume Nera, ha consentito di delimitare a nord la placca di travertino sepolta.
La prosecuzione al di sotto delle alluvioni ghiaiose con livelli limoso-sabbiosi della falda di detrito di versante alle pendici di M.te Lo Stiglio è stata osservata in uno dei quattro sondaggi effettuati di fronte all’attuale stabilimento di acqua minerale Misia per la realizzazione del nuovo stabilimento.
L’area in esame è caratterizzata da un complesso assetto tettonico che vede sovrapposti gli effetti di una tettonica polifasica dovuta al coinvolgimento di questo settore nei processi di strutturazione della catena appenninica, a partire dal Miocene superiore (Calamita & Deiana, 1995; Calamita et al., 1995).

Le strutture plicative riconosciute nell’area hanno asse orientato in direzione circa appenninica e sono rappresentate da una sinclinale con nucleo nella Scaglia rossa a nord est dell’abitato di Cerreto di Spoleto cui segue, più a sud, un’anticlinale con nucleo in Scaglia bianca. Una serie di piccole scaglie tettoniche sono state riconosciute nel settore più occidentale della dorsale di Cerreto di Spoleto. Inoltre, alla scala di affioramento, nei termini della Scaglia rossa e della Scaglia bianca, sono riconoscibili fitti motivi di pieghe isoclinaliche con vergenza a SE, soprattutto in prossimità dei nuclei delle strutture plicative di scala maggiore. Tali motivi testimoniano il carattere marcatamente pervasivo dello stile plicativo.
Le evidenze di tettonica disgiuntiva sono legate sia al regime compressivo sia a quello distensivo-transtensivo (Lavecchia et al., 1994; Boccaletti et al., 1986). Al primo sono riferibili i thrust che delimitano le piccole scaglie tettoniche, al secondo la presenza di due principali sistemi di faglie: un primo NS±10° a carattere transtensivo, un secondo circa N25W a carattere principalmente distensivo.
Nel settore orientale al sistema di faglie orientato NS±10° appartengono il contatto tettonico tra la Scaglia rossa e la Maiolica affiorante ad est di Triponzo, che produce una significativa anomalia ad angolo retto nel deflusso del Fiume Nera, e i lineamenti lungo  i quali si distribuiscono le placche di travertino di Triponzo e di C.le il Tonno.

Nel settore occidentale un lineamento NS±10° collega le principali emergenze sorgentizie lungo l’allineamento Fonte Misia - Fonte Le Logge; ad esso si allineano i deflussi dei fiumi Vigi e Nera. Lungo tale lineamento, inoltre, si localizza la placca di travertino incontrata nei sondaggi al di sotto delle alluvioni recenti. Un ulteriore elemento tettonico, parallelo al precedente, si segue lungo l’allineamento Ponte del Piano - Migliaralda (pro parte già in Pialli G. et al., 1995) e condiziona il deflusso del Fiume Nera in corrispondenza di un’ansa di meandro orientata circa NS, incidendo un canalone di detrito lungo il versante meridionale della dorsale di Cerreto di Spoleto. La fascia milonitica associata a tale elemento affiora nel paese presso una sezione stradale per uno spessore di circa 3m all’interno della Scaglia rossa (Fig.4) e può essere ritenuta responsabile della sconnessione di una scalinata nel paese e dei particolari danni subiti dall’edificio della palestra scolastica a seguito della sequenza sismica osservata in Umbria-Marche nell’autunno 1997.
Per quanto detto, il sistema con orientazione NS±10° può essere relazionato a circuiti di acque profonde e di conseguenza sia alla distribuzione di importanti emergenze sorgentizie minerali (Fonte Misia, Fonte Le Logge) sia alla formazione ed all’attuale localizzazione dei depositi travertinosi.
Al secondo sistema di faglie, con orientazione circa N25W, appartengono i lineamenti tettonici individuati nella porzione sud occidentale della dorsale di Cerreto di Spoleto che attraversano l’intera dorsale producendone il ribassamento verso est nel settore più orientale e verso ovest in quello più occidentale.

Dal punto di vista geomorfologico l’affioramento dei termini marnosi e calcareo marnosi della Scaglia Cinerea e del Bisciaro determina a nord della dorsale di Cerreto di Spoleto una morfologia caratterizzata da versanti meno acclivi e da minori rilievi. Particolarmente significative sono sia la presenza di piccole creste carbonatiche strette ed allungate (settore sud occidentale della dorsale) prodotte dall’erosione lineare lungo gli impluvi e dallo sbloccamento dovuto agli elementi tettonici, sia la presenza di ampie spianate con dislivello dai fondovalle fino a qualche decina di metri, legate all’affioramento delle placche di travertino.
Il pattern fluviale, come già detto in precedenza, appare a luoghi sensibilmente condizionato dai principali lineamenti tettonici, specialmente nel caso delle principali linee di deflusso (fiumi Vigi e Nera).
Localmente, infine, in corrispondenza delle pareti più ripide e lungo le zone di alimentazione dei canali di detrito sono riconoscibili fenomeni di crollo, mentre lenti movimenti di detrito interessano le estese coperture eluviali sugli affioramenti di Scaglia Cinerea e Bisciaro in corrispondenza dei tratti di versante più acclivi.

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2.2. Caratterizzazione geomeccanica

La caratterizzazione geomeccanica in corrispondenza della dorsale di Cerreto di Spoleto ha preso in esame i litotipi ascrivibili alle Formazioni della Scaglia rossa e della Scaglia bianca ed è stata finalizzata alla valutazione del grado di fratturazione delle rocce affioranti, mediante la misura del numero volumetrico delle discontinuità Jv e dell’indice della dimensione dei blocchi Ib (ISRM, 1978; 1993).

A tal fine, sono state individuate 21 stazioni geomeccaniche in corrispondenza di affioramenti di roccia caratterizzati da sufficiente estensione e da un basso grado di alterazione superficiale (Tavola 2). Le stazioni sono state scelte in modo da coprire il più uniformemente possibile l’area della dorsale o da ricadere in settori di particolare interesse dal punto di vista geologico per la microzonazione sismica.

In modo specifico, tali settori corrispondono a importanti elementi tettonici e a zone prossimali a contatti con i depositi alluvionali di fondovalle o con le coltri detritiche di versante. La distanza media tra i punti di misura così ottenuti è di circa 250m.
In corrispondenza di ogni stazione sono stati individuati i principali sistemi di fratture, a scala di affioramento, misurando le giaciture delle fratture visibili ed attribuendo ad ogni sistema la giacitura media da esse ottenuta; per ogni sistema, inoltre, sono state misurate l’apertura, la spaziatura ed il tipo di riempimento delle fratture visibili.

In corrispondenza delle singole stazioni geomeccaniche sono state riconosciute le seguenti tipologie di ammasso relazionate alla forma dei blocchi (ISRM, 1978; 1993):

-        tabulare: una dimensione considerevolmente più piccola delle altre due;

-        a blocchi: dimensioni circa uguali;

-        irregolare: notevoli variazioni in forma e dimensioni dei blocchi;

-        frantumata: roccia intensamente giuntata fino a milonitica

Le giaciture medie dei piani dei singoli sistemi di fratture sono state proiettate sul piano equatoriale del reticolo equiareale di Schmidt (proiezione dall’emisfero inferiore) e confrontate con le giaciture dei principali elementi strutturali, quali piani di faglie e assi di pieghe.
L’esame dei dati raccolti nelle 21 stazioni geomeccaniche scelte in corrispondenza della dorsale di Cerreto di Spoleto ha consentito di valutare il grado di fratturazione degli ammassi rocciosi affioranti ed ha reso possibile evidenziare interessati correlazioni tra lo stato di fratturazione e l’assetto tettonico e stratigrafico dell’area esaminata.  
Dall’analisi dei risultati ottenuti si evince che affioramenti irregolari e frantumanti, corrispondenti ad un alto stato di fratturazione della roccia, sono rappresentati al 68% e quindi nettamente più diffusi di ammassi tabulari e a blocchi, corrispondenti ad un medio stato di fratturazione della roccia (Fig.5a).
La distribuzione dei valori di Ib e Jv calcolati per ogni singola stazione di misura consente di valutare una dimensione dei blocchi tipici di roccia variabile da poco meno di 25cm a meno di 5cm per ammassi da tabulari a irregolari, mentre il valore varia da 7cm a 3cm per gli ammassi frantumati (Fig.5b).

Il numero di giunti al metro cubo per le diverse tipologie di ammasso riconosciute, espresso dal valore medio di Jv, varia da 20 a poco più di 30 per gli ammassi da tabulari a irregolari, mentre è superiore a 65 per gli ammassi frantumati. In base ai valori medi di Jv per le diverse tipologie di ammasso è possibile definire le dimensioni dei blocchi degli affioramenti esaminati come variabili da piccole a molto piccole (ISRM, 1978; 1993) (Fig.5b).  
Nel complesso, dunque, risulta una buona correlazione tra i valori dei parametri relativi alla caratterizzazione geomeccanica degli ammassi e la descrizione qualitativa degli stessi, effettuata in base alle evidenze di affioramento.  
La distribuzione areale dei valori di Ib e Jv è stata confrontata con l’assetto tettonico e stratigrafico rilevato, evidenziando l’associazione delle stazioni in cui l’ammasso risulta frantumato, e dunque con valori molto alti di Jv e molto piccoli di Ib, con zone a maggiore tettonizzazione, corrispondenti a fasci di faglie o a principali nuclei di pieghe, ben rappresentati nel settore orientale della dorsale di Cerreto di Spoleto.  
Ammassi di tipo irregolare, a blocchi o tabulare, si ritrovano, invece, in posizione più distale rispetto ai principali elementi tettonici o in prossimità di elementi disgiuntivi minori, per i quali si può supporre  un carattere meno pervasivo della tettonica e di conseguenza un movimento più solidale dei blocchi (porzione occidentale della dorsale di Cerreto di Spoleto).

Gli ammassi rocciosi esaminati sono in generale caratterizzati da discontinuità chiuse (ISRM, 1978; 1993), variabili da strette (0.1-0.25mm) a parzialmente aperte (0.25-2.5mm), con riempimento di tipo prevalentemente marnoso, a luoghi particolarmente alterato. Raramente discontinuità parzialmente aperte sono riempite da concrezioni calcitiche perlopiù riconducibili a processi di percolazione delle acque di infiltrazione.  
Particolarmente interessante risulta il confronto dei piani rappresentativi dei sistemi di fratture proiettati per ogni stazione sul reticolo di Schmidt con l’assetto tettonico e stratigrafico rilevato (Tavola 2). Risulta ovunque riconoscibile la famiglia di discontinuità dovuta ai piani di stratificazione, la cui giacitura è evidentemente associata allo stile plicativo a carattere marcatamente pervasivo prodottosi in regime tettonico compressivo. Inoltre, nella porzione centrale ed occidentale della dorsale di Cerreto di Spoleto si ritrovano piani ad alto angolo orientati circa NS e ben correlabili con gli elementi del principale sistema di faglie orientato NS±10° oppure più ruotati, con direzione circa N25W±10° e dunque meglio correlabili con gli elementi del sistema di faglie secondario mediamente orientato N25W.