UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CATANIA Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali Dipartimento di Scienze Geologiche DOTTORATO DI RICERCA in “Evoluzione geologica di orogeni di tipo mediterraneo” XXIII CICLO “Paleoseismological off- fault analyses in eastern Sicily: a contribute to the characterization of seismic sources” Tesi di dottorato di: Coordinatore: Prof. C. Monaco Claudia Pirrotta Tutor: Prof.ssa M.S. Barbano Anno Accademico 2009/10 Tesi di dottorato in “Evoluzione geologica di orogeni di tipo mediterraneo” di Claudia Pirrotta PALEOSEISMOLOGICAL OFF- FAULT ANALYSES IN EASTERN SICILY: A CONTRIBUTE TO THE CHARACTERIZATION OF SEISMIC SOURCES Riassunto …………………………………………………….……........................................i Abstact ……………………………………………………………........................................i Chapter 1 1- Geological and seismological features of Sicily……………………………………..…...1 1.1- Geological and structural setting of eastern Sicily…………………………...………...2 1.2- Eastern Sicily historical earthquakes and related seismogenic sources ……..…………7 Chapter 2 2- Earthquake Geology……………………………………………...……………………..18 2.1- Primary effects…………………………………………………………………..........20 2. 2- Secondary effects ……………………………………………………………...……..22 2.2.1- Landslides and rock-falls ……………………………………………………...…....23 2.2.2- Ground deformations ………………………………………………………..……...26 2.2.3- Liquefactions: soft sediment deformations …………………………………….…...30 2.2.4- Hydrological anomalies ……………………………………………………...……..34 2.2.5- Tsunami deposits ……………………………………………………………..…… 35 Chapter 3 3- Paleoseismology ………………………………………………………………………..39 3.1- Paleoseismological investigations.……………………………….……..…………….40 3.1.1- Historical data analysis ……………………………………………………..….…...41 3.1.2- On-fault Paleoseismology ………………………………………….………...…......43 3.1.3- Off-fault Paleoseismology …………………………………………………...…......45 3.1.3.1- Near fault geomorphological investigation ……………………….………..…......46 3.1.3.2- Stratigraphic record analysis ………………….….. …………….………..….…...47 3.2- Paleoseismological investigations in Italy: the state of the art……….………..……...49 Tesi di dottorato in “Evoluzione geologica di orogeni di tipo mediterraneo” di Claudia Pirrotta Chapter 4 4- Historical databases of seismogeological effects in Sicily and empirical relationships between source parameters vs epicentral distances..…………………………………....….53 4.1-Historical records of seismogeological effects in Sicily: analysis and classification….53 4.1.1- A-class: landslides. ………………………………………………………………....55 4.1.2- B-class: ground deformations………………………………………………….........56 4.1.3- C-class: liquefactions…………………………………………………………..........57 4.1.4- D-class: hydrological anomalies ………………………………………………....…58 4.2- Databases of the seismogeological effects……………………………………..…...…59 4.3- Empirical relationships between magnitude/ intensity versus epicentral distance (Re)…………………………………………………………………………………………61 4.4- Data analysis………………………………………………………………………..…61 Chapter 5 5. Study of the deformative structures …………………………………………………..…72 5.1- Method……………………………………………………………………………...…72 5.2- Minissale site……………………………………………………………………...…..74 5.2.1- Minissale trench study………………………………………………………...…….76 5.3- Agnone site. ……………………………………..……………………………...…….80 5.3.1- Agnone trench study………………………………………..………………….……82 5.4- Vendicari site………………………………………..………..………………….……88 5.4.1- Analysis of the deformation structures ……………………….………..….………..91 5.4.1.1- Brittle deformation analysis……………………………………..……………...…93 5.4.1.1.1- Microscopic thin section analysis………………………..…..……………..…...97 5.4.1.2- Soft sediment deformation structure analysis ………………………….…..……..98 5.4.2- Deformative phases reconstruction …………………………....……………...…...101 5.5- Data analysis ……………………………………..…..…………………..…….……101 5.5.1- Minissale site …………………………………………..…..…………..………….103 5.5.2- Agnone site………………………………………..…..…………………..…….....104 5.5.3- Vendicari site………………………………………..…..…………………..……..105 5.5.3.1- Brittle deformations………………………………………..…..………………...105 Tesi di dottorato in “Evoluzione geologica di orogeni di tipo mediterraneo” di Claudia Pirrotta 5.5.3.2- Soft deformations…………….…..…………………..……………...……..…….107 5.5.3.3- Chronology of the deformative events………………...…………………...…….109 Chapter 6 6- Study of tsunami deposits ………………………………………………….………….110 6.1- Analysis of sandy deposits …………………………………………………………..111 6.1.1- Method ………………………………………………………………….....………111 6.1.2- Study sites ………………………………………………………………...……….112 6.1.2.1- The Augusta Bay……………………………………………………………..….112 6.1.2.1.1- On shore study …………………………………………………………...……113 6.1.2.1.2- Off shore study…………………………………………………………..….….116 6.1.2.2- Pantano Morghella………………………………………………………..….…..121 6.2- Study of boulders ……………………………………………………………….…...123 6.2.1- Method ……………………………………………………………………….…....123 6.2.2- Study sites………………………………………………………………………….127 6.2.2.1- Capo Campolato site……………………………………………………….…….127 6.2.2.2- Vendicari site……………………………………………………………….........131 6.2.2.3- S. Lorenzo site…………………………….………………………….………….133 6.3- Data Analysis…………………………………………………….……………….….134 6.3.1- Study of sandy deposits……………………………………………..………….….135 6.3.2- Boulder study….………………………………………………...……..….....…….135 Chapter 7 7- Discussions and conclusions…………………………………………………………..137 Appendix A ……………………………………………………………………………....141 Appendix B …………..………….………………………………………………………170 Appendix C ……………………...……………………………………………………….179 References …………...…………………………………………………………...............182 Acknowledgements …………………..………………………………………..................211 Tesi di dottorato in “Evoluzione geologica di orogeni di tipo mediterraneo” di Claudia Pirrotta Riassunto La ricerca effettuata consiste in uno studio paleosismologico off-fault , ovvero nell’ analisi e datazione di effetti sismogeologici innescati in Sicilia dai terremoti storici e paleo terremoti della Sicilia e della Calabria meridionale. La scelta del tipo di effetto studiato è dettata dalle problematiche sismogeologiche di questa regione. Infatti in Sicilia sono avvenuti eventi tra i più disastrosi della storia sismica Italiana, ma la reale definizione e collocazione delle sorgenti sismogenetiche è un argomento tutt’oggi aperto e fortemente dibattuto, poiché questi eventi sono avvenuti in epoca pre- strumentale e non hanno lasciato evidenze geologiche di fagliazione superficiale. Al contrario, questi terremoti hanno innescato numerosi effetti sismogeologici nell’area epicentrale, ben descritti dalle fonti storiche. Pertanto, considerando anche il suo ricco e antico patrimonio storico, la Sicilia rappresenta un ottimo laboratorio dove testare diverse metodologie di studio paleosismologico off fault. Gli scopi della ricerca svolta sono molteplici ed in particolare consistono da un lato nella possibilità di fornire nuovi e utili dati per meglio comprendere la sismicità della Sicilia, dall’altro lato di testare studi innovativi in una regione dove questo tipo di indagine è stata scarsamente applicata. La ricerca effettuata segue due principali linee. In una prima fase è stata analizzata la sismicità regionale della Sicilia ed è stata effettuata la raccolta e l’analisi delle fonti storiche originali e del patrimonio documentario esistente, successivamente è stato realizzato uno studio di campagna al fine di trovare ed analizzare direttamente in sito le strutture sismogeologiche. I dati storici raccolti, che consistono in descrizioni di effetti sismogeologici, quali frane, liquefazioni, deformazioni del terreno e anomalie idrogeologiche, sono stati criticamente analizzati e classificati. A questo scopo è stata effettuata la caratterizzazione litologica e geomorfologica dei siti mediante l’utilizzo di carte geologiche e l’analisi aerofotogrammetria, al fine della corretta assegnazione al fenomeno descritto del corrispondente effetto sul terreno. Questi dati sono stati utilizzati per realizzare database georeferenziati, mappe riportanti la distribuzione degli effetti sismoindotti e mappe di Tesi di dottorato in “Evoluzione geologica di orogeni di tipo i mediterraneo” di Claudia Pirrotta suscettibilità del territorio al loro verificarsi, mediante l’utilizzo di software GIS. Inoltre, i dati sono stati utilizzati per l’estrapolazione di relazioni empiriche tra i parametri di sorgente (Maw, Mas e Io) e le distanze epicentrali del sito (Re) per ogni effetto sismogeologico, mediante il metodo dell’ upper bound-curve che indica la soglia massima di innesco dell’effetto. Questa prima fase di ricerca ha messo in luce che la Sicilia è una regione altamente suscettibile allo sviluppo degli effetti sismogeologici. In particolare frane e deformazioni del terreno rappresentano gli effetti più frequenti, che si verificano per i più bassi valori di energia e sono maggiormente concentrati nel fianco orientale del Monte Etna, che risulta caratterizzato sia da fatturazione cosismica che asismica, e nel settore settentrionale della cintura Orogenica (Catena Appenninico Maghrebide e Catena Kabilo Calabride), caratterizzato da complesse formazioni strutturali in stato di persistente instabilità. Liquefazioni e anomalie idrologiche sono risultate meno frequenti, si generano per più alte soglie di energia, ed i settori maggiormente suscettibili sono la valle del Belice e la Piana di Catania, caratterizzate da depositi olocenici, non consolidati e generalmente saturi d’acqua. Inoltre, l’utilizzo delle upper- bound curves ha messo in luce possibili errori nella definizione dei parametri focali di alcuni terremoti ottenuti dal campo macrosismico. Per esempio il terremoto del 5 Marzo 1823 della Sicilia settentrionale, che è stato