La possibile evoluzione delle condizioni meccaniche delle rocce al di sopra del campo geotermico dei Campi Flegrei e le conseguenti implicazioni sulla dinamica del vulcano e sui parametri che la governano

La fase di sollevamento attualmente in corso ai Campi Flegrei differisce sensibilmente da quelle recenti e ben studiate scientificamente perché è ben più lunga e presenta un tasso di sollevamento molto minore (anche se, per la sua lunghezza, in valore assoluto è la più importante). In un lavoro recentemente uscito Kilburn et al (2023) sostengono che il cambiamento nel comportamento del sollevamento sia stato causato dalle interazioni fra il gas magmatico che si accumula a circa 3 km sotto la superficie e la crosta sovrastante, dove i gas inducono delle fratturazioni. Una fratturazione più diffusa potranno offrire al magma e al gas che risalgono da una profondità maggiore un accesso più facile alla superficie rispetto a quanto è successo fino ad ora. Comprendere i cambiamenti strutturali in atto oggi è quindi essenziale per rendere più affidabili gli scenari pre-eruttivi.

la stratigrafia ddella caldera flegrea
da Kilburn et al 2023

La caldera flegrea è notoriamente interessata da movimenti verticali, talmente significativi da essere citati addirittura nella copertina nel leggendario Principles of Geology di Charles Lyell del 1832 e il più prestigioso riconoscimento per contributi eccezionali nelle Scienze della Terra è la medaglia Lyell, assegnata ogni anno dalla Geological Society of London. Nella medaglia Lyell sono raffigurate le colonne del tempio di Serapide a Pozzuoli. Anzi, le osservazioni che fece Lyell al tempio di Serapide sono la prima osservazione sicura del gradualismo dei fenomeni geologici (ne ho parlato qui)

I resti della città di Baia attualmente sommersi dimostrano che il suolo in età romana fosse ben più alto di adesso e un forte sollevamento precedette l’eruzione del Monte Nuovo del 1538.

IL SISTEMA IDROTERMALE DEI CAMPI FLEGREI E I SUOI MOVIMENTI VERTICALI. I Campi Flegrei hanno un sistema idrotermale attivo fino a una profondità di circa 2,5-3,0 km, alimentato dal degassamento del magma che si trova a circa 8 km di profondità. I gas vengono costantemente rilasciati dalle fumarole (le principali sono la Solfatara e Pisciarelli).

La maggior parte dei fluidi per adesso rimane in profondità perché tra essi e la superficie si trovano sedimenti impermeabili, per cui l’unico modo di risalire dei gas è attraverso delle fratture, che attualmente sono poche (ho parlato di recente proprio della provenienza di questi fluidi).

Sollevamenti e subsidenze sono legati ad intrusioni magmatiche a bassa profondità come nel 1985 (Troise et al, 2019) o ad aumenti della temperatura nel sistema idrotermale dovuto all’afflusso dal profondo dei gas liberati dal magma che aumentano la temperatura e la pressione nel sistema idrotermale. A questo modo si genera la sismicità a profondità minore di 3 km (e quindi ben risentita dalla popolazione) attualmente presente nei dintorni di Pozzuoli. La sismicità avviene in genere durante le fasi di sollevamento e viene considerata vulcano-tettonica. 

Alla conclusione della fase di intrusione di magmi e/o degli afflussi di vapore profondi le fasi di sollevamento si concludono innescando una relativa subsidenza e una netta diminuzione dell’attività sismica. Da notare che la velocità del sollevamento per cause magmatiche come nel 1984-85 è decisamente più alta che in una fase semplicemente guidata dai gas come quella attuale. Il rilassamento tra il 1986 e il 2004 viene spiegato con una diminuzione del flusso di gas dalla camera magmatica (Kilburn et al, 2017).

In particolare negli ultimi decenni ci sono stati 4 episodi di sollevamento, di cui l’ultimo è ancora in corso dal 2005 (quindi quasi 20 anni contro i pochi anni degli episodi precedenti). È caratterizzato da un tasso medio di sollevamento dell'ordine di 0,01-0,1 m all'anno, dieci volte più lento di quelli che lo hanno preceduto, ma a causa del suo protrarsi nel tempo il valore assoluto del sollevamento è estremamente alto. Inoltre la sequenza sismica attuale interessa una minima parte del volume crustale interessato dalla sequenza del 1984.

La ovvia domanda è “come mai queste differenze?”.

IL RAPPORTO FRA DEFORMAZIONE E NUMERO DI TERREMOTI. Tutto il lavoro ruota sulla curva del grafico che mette in relazione il numero progressivo di eventi sismici con il sollevamento. Quello che balza agli occhi è che dal 2015 la curva descritta da questo rapporto tende ad aumentare la pendenza in modo esponenziale, per poi diventare una retta.

Vediamo la curva divisa in 3 settori: tra l’agosto 2010 e il gennaio 2015 è sostanzialmente lineare. Dal gennaio 2015 al gennaio 2020 abbiamo 5 anni in cui la curva descrive un esponenziale. Dal maggio 2020 al giugno 2021 la curva diventa di nuovo una retta. 

La curva ritorna ad essere una retta perché la resistenza alla trazione delle rocce scende dal suo valore iniziale a zero man mano che le fratture crescono e si uniscono; nel 1984 sembra che il processo si sia arrestata prima ddi arrivare a questo punto. Il nuovo comportamento del rapporto fra sollevamento e sismicità dimostrerebbe quindi una diminuzione della resistenza nella zona interessata dalle rotture, almeno dal maggio del 2020, quando la crosta è entrata nel regime anelastico di deformazione. Il comportamento anelastico è un precursore di un'ulteriore rottura, ma non è detto che si arrivi per forza ad una rottura totale. Si possono prevedere almeno tre scenari diversi:

(1) si stabilisce un nuovo stato di equilibrio: il sollevamento rallenta fino ad arrestarsi e si ritorna ad una subsidenza come tra 1986 e 2004

(2) il quantitativo di flusso oscilla, perché i fluidi tendono a depositare minerali nelle fratture cercando quindi di chiuderle, mentre la pressione tende a riaprirle. Anche in questo caso comunque il movimento del suolo si inverte e quindi dal sollevamento si passa a subsidenza 

(3) Il sollevamento continua finché la crosta superiore non si rompe completamente. Supponendo che nelle fratture passeranno soltanto fluidi in pressione, le conseguenze possono variare da un aumento generale del flusso di gas in superficie a rilasci concentrati come esplosioni freatiche. Annoto che probabilmente le esplosioni freatiche saranno difficilmente prevedibili.

Robertson e Kilburn (2016): l'eruzione del Rabaul del 
1994 è stata èreceduta da una sismicità inferiore
a quella registrata tra 1984 e 1986 senza la produzione di una eruzione 

POSSIBILI MODIFICHE AI PRECURSORI DI UNA ERUZIONE. Se la situazione nei prossimi anni evolverà in questa direzione, ci potranno essere delle significative modifiche in alcuni parametri che vengono monitorati per prevedere le eruzioni.

Il lavoro di Kilburn et al 2023 non si occupa di parametri come temperatura e composizione delle fumarole o osservazioni gravimetriche, anche se penso che la nuova situazione porterà ad una variazione significativa di alcuni parametri di base anche in questi ambiti, probabilmente su valori intermedi fra quelli attuali “a riposo” e quelli di “preavviso di eruzione” e resta il fatto che prima di una eruzione ci saranno lo stesso delle variazioni “in peggio” di questi parametri.

Per Kilburn et al (2023) ci potrebbero essere cambiamenti importanti su precursori come la sismicità e le deformazioni del suolo: in particolare a parità di condizioni saranno minori i tassi di sismicità e il sollevamento del suolo. Questo comportamento è stato dedotto in analogia a quanto già osservato alla caldera del Rabaul, in Papua Nuova Guinea dove l’eruzione del 1994 fu preceduta si da un aumento nella frequenza di eventi, ma su valori dieci volte inferiori a quelli registrati durante una crisi sismica durata due anni nel decennio precedente che non aveva poi provocato una eruzione (Robertson e Kilburn, 2016) (il tutto ricordandosi che il Rabaul è un vulcano di tipo calcalcalino mentre i Campi Flegrei appartengono alla suite potassica e il comportamento potrebbe non essere lo stesso).

La cosa importante derivata da questi studi è che IN CASO DI ERUZIONE alcuni scenari da esaminare saranno diversi da quelli attuali.

CONSIDERAZIONI SUL FUTURO DEI CAMPI FLEGREI. Questo, ovviamente, non vuole dire che a causa di questo cambiamento nella meccanica delle rocce ci sarà sicuramente un’eruzione, anche se questa eventualità – che è indipendente da questa nuova situazione – non è assolutamente da scartare a priori perché in ognuno dei tre scenari descritti la crosta superficiale dei Campi Flegrei sarà sicuramente più fratturata di adesso e quindi più debole di quanto non sia stata dal 1950 fino ad oggi. 

La domanda è cosa succederebbe in queste nuove condizioni in caso di iniezioni magmatiche come quella che si è messa in posto tra il 1982 e il 1984 (e probabilmente è successo lo stesso nei brevi episodi di sollevamento tra 1950 e 1952 e tra il 1969 e il 1972)? In quelle occasioni la lava è rimasta all’interno della crosta, ma se ci fossero state le nuove condizioni di bassa resistenza, queste intrusioni sarebbero potute arrivare in superficie?

Faccio notare, come ripete spesso il mio amico Luigi Chiaiese, che dire questo non è “Terrorismo Mediatico" (cosa di cui furono accusati Kilburn e gli altri Autori nel 2016). È semplicemente quello che dice lo stato dell’arte della Scienza. 

Ma attenzione: al solito non dico "sarebbero arrivate in superficie" ma mi domando se avrebbero potuto arrivarci: applicandolo ad oggi ripeto che c'è una enorme differenza fra dire che “sarebbe più facile che il magma arrivi in superficie” e dire che “ci sarà sicuramente una eruzione” (come intende fra le righe qualche titolista acchiappaclick)! 

Quindi io non mi colloco fra quelli che dicono che ci sarà sicuramente una eruzione, anche se è uno scenario che non si può assolutamente escludere. Faccio altresì notare che se il magma non si fosse fermato a un paio di km di profondità, dal 1950 di eruzioni ce ne sarebbero state sicuramente una, ma probabilmente 3. E questo – di nuovo – non è allarmismo, ma la realtà dei fatti.

i terremoti con M maggiore di 3 si sono verificati solo negli ultimi anni e sono abbastanza allineati

DUE PAROLE SULL’EVENTO DELL’11 GIUGNO 2023. Come si nota da questa carta i 3 eventi con M superiore a 3 nella terraferma sono allineati lungo una linea che corrisponde più o meno alla faglia della Starza ed è pure vicina alla zona dove si è intruso il magma nel 1985 (la linea in magenta) (per confronto nella carta c’è anche a sinistra la carta da Kilburn et al 2023 da cui ho preso i dati). I tre epicentri sono vicini alla faglia ma non corrispondenti. Ma questo non è un problema: se la faglia non è verticale ovviamente l’epicentro non cade sulla proiezione in superficie della faglia. 

La magnitudo superiore di questi 3 eventi in effetti è un po' anomala. Come si vede dalla figura qui accanto, questa faglia delimita, l’area con la sismicità di fondo attuale, e quindi in qualche modo potrebbe controllare qualcosa. Però dai dati della deformazione satellitare non mi sembra che gli effetti arrivino in superficie.

BIBLIOGRAFIA

Kilburn et al (2023) Potential for rupture before eruption at Campi Flegrei caldera Communications Earth & Environment 4:190

Robertson e Kilburn (2016) Deformation regime and long-term precursors to eruption at large calderas-Rabaul Earth and Planetary Science Letters 438 (2016) 86–94

Troise et al (2019) The Campi Flegrei caldera unrest: Discriminating magma intrusions from hydrothermal effects and implications for possible evolution. Earth-Science Reviews 188, Pages 108-122