come le fratture nel livello impermeabile sovrastante il sistema idrotermale e i terremoti governano i movimenti verticali del terreno ai Campi Flegrei

l'ultima interpretazione della struttura dei Campi Flegrei
da Akande et al (2019)

La storia della caldera dei Campi Flegrei non sarebbe la stessa senza quei due livelli impermeabili che impediscono (o, meglio, limitano molto) lo sfogo dei gas provenienti dalla camera magmatica posta a 7 – 9 km di profondità: in particolare il livello impermeabile più basso, blocca i fluidi nel sistema idrotermale posto da 3 km di profondità in giù. Mi aveva sempre incuriosito il rapporto fra i terremoti più forti del 1984 e la fine del sollevamento: adesso un interessantissimo lavoro appena uscito fornisce un elegante modello che evidenzia il ruolo-chiave ricoperto dalle fratture presenti in questo livello nel determinare la pressurizzazione e la depressurizzazione del sistema idrotermale e, a cascata, nel guidare i movimenti del suolo e l’attività sismica, mettendoli in relazione fra loro.

DAL 1950, DIVERSI EPISODI DI SOLLEVAMENTO. Dall'epoca pre-romana la caldera dei Campi Flegrei è stata tendenzialmente interessata da una lenta subsidenza di circa 1–2 cm/anno, che viene saltuariamente interrotta da episodi di sollevamento del suolo, accompagnati da diffusi fenomeni sismici di origine vulcano-tettonica (Petrosino et al, 2008), come è successo prima dell’eruzione del Monte Nuovo nel XVI secolo e a partire dal 1950, da quando quattro episodi di sollevamento hanno interrotto la subsidenza secolare. I primi tre paragonabili in durata, hanno causato un sollevamento di 74 cm nel 1950–52, 159 cm nel 1970–72 e 178 cm nel 1982–84. Nel 1970–1972 è stata osservata una scarsa attività sismica, mentre sono stati rilevati circa 16.000 terremoti nel 1982-84. Il rapido sollevamento iniziato nel giugno-luglio 1982 cominciò a diminuire dopo lo sciame sismico del 1° aprile 1984. Dopo il 1984 ci sono stati vent'anni di sismicità occasionale e un abbassamento di 93 cm, ad un tasso medio 2,6 volte più veloce della subsidenza secolare. 

Il sollevamento, accompagnato da una debole sismicità, è ricominciato nel 2005, ad una velocità molto più bassa che nelle fasi precedenti, ma il perdurare del fenomeno ha consentito nell'aprile 2022 l’annullamento totale della subsidenza post-1985. La sismicità persistente è tornata nel 2012-2014, in corrispondenza di un deciso aumento del tasso medio di sollevamento. Dall’inizio del 2024 se ne nota una interruzione, ma è ancora troppo presto per dire se questa sia la fine della salita o no, speriamo lo sia).

IL RAPPORTO FRA DEFORMAZIONI DEL SUOLO E PRESSIONE NEL SISTEMA IDROTERMALE. Sismicità e movimenti del suolo nella caldera flegrea sono guidati da cambiamenti nel sistema vulcanico-magmatico, piuttosto che dallo stress regionale esterno (Rivalta et al., 2019) e le variazioni nella deformazione e nella sua velocità, nella sismicità e nei parametri geochimici sono coerente con un’unica sequenza a lungo termine di estensione della crosta al di sopra della falda geotermica (Kilburn et al. 2023). I fluidi che tendono a risalire dalla crosta terrestre costituiscono un sistema idrotermale che è bloccato da due orizzonti a bassa permeabilità:

• il più profondo si trova a 3-4 km di profondità e coincide con una zona in cui cambia la reazione allo stress da parte delle rocce, che al di sotto è asismica, mentre al di sopra un eccessivo aumento dello stress provoca delle rotture (i terremoti).
• l'orizzonte più superficiale a bassa permeabilità, a circa 1,5 km di profondità separa la circolazione dei fluidi vicini alla superficie da quelli provenienti dal basso che sono riusciti a superare il “blocco” dell’orizzonte più profondo, passando per le sue fratture.

I fluidi possono essere in parte magma (come nel 1984) o - soprattutto – gas magmatici (essenzialmente da CO2), entrambi provenienti da una camera magmatica posta a circa 7-9 km di profondità. 

Gli episodi di sismicità e sollevamento sono stati causati dall’aumento di pressione nei fluidi del sistema idrotermale, per due motivi: 

1. le fratture sopra il sistema idrotermale si chiudono, oppure 
2. aumenta la quantità di fluido proveniente dal basso

Un aumento della pressione provoca un inarcamento delle rocce soprastanti, che sua volta provoca terremoti che (ri)aprono delle fratture, lungo le quali i gas del sistema idrotermale riescono a risalire: in questo modo la pressione nel sistema diminuisce e il suolo tende di nuovo a scendere dopo una fase di risalita. Insomma, la subsidenza normale della caldera viene interrotta e il suolo si solleva quando l’afflusso di fluidi dal basso non è compensato dalla loro fuoriuscita nelle fratture nel livello impermeabile sovrastante. Quindi le aperture e le chiusure delle fratture in questo orizzonte modulano il movimento del suolo e la sismicità controllando il flusso di fluidi magmatici dal basso del sistema geotermico (Fig. 10). È probabile che ci siano cicli di apertura e chiusura di queste fratture, perché sono superfici di debolezza e quindi più facili a rompersi; ma una volta aperte i fluidi in transito depositano sulle loro pareti delle concrezioni e quindi le fratture tendono a richiudersi.

I risultati di uno studio appena uscito (Danesi et al, 2024) dimostrano che il comportamento della caldera dal 1982 è coerente con un’unica risposta a lungo termine alla pressurizzazione del sistema idrotermale nel 1982-84: prima la sismicità ha fratturato l’orizzonte impermeabile sotto il sistema geotermico; in seguito le fessure si sono richiuse, diminuendo il flusso di gas magmatico e provocando la nuova fase di sollevamento a partire dal 2005. 

il rapporto fra terremoti, (ri)apertura e (ri)chiusura di fratture e movimento del terreno
da Danese et al (2024)

I TERREMOTI DELLA FASE ATTUALE. Fra i tanti processi che possono innescare la sismicità vulcano – tettonica il più realistico è dunque rappresentato dalle variazioni di pressione nei fluidi a una profondità di ca. 3-4 km, e ai riflessi di queste variazioni sulla loro circolazione. Gli eventi sismici si verificano a una profondità inferiore a 3 km, sopra il sistema idrotermale. Danesi et al (2024) riconoscono tre cluster di sismicità spazialmente distinti:

1. un primo allineamento obliquo che si approfondisce da 2 km sotto Solfatara a 3 km 1,5 km a NE
2. un secondo gruppo sub-orizzontale a una profondità di 1,0–1,5 km tra Solfatara e Pozzuoli. 
3. un terzo gruppo di eventi che ha iniziato a verificarsi dal 2018 nella stezza zona del primo, ma  a profondità inferiori a 1 km 

Gli ipocentri quindi si trovano al di sopra del sistema idrotermale, in una zona a deformazione “fragile” (cioè dove la deformazione, quando diventa eccessiva avviene per rottura).

la modifica del tasso di sollevamento e il movimento del terreno
tra il 1982 e il 1987 (Berrino, 1994).

I CAMBIAMENTI STRUTTURALI NELLA CROSTA DAL 1982-84 E I TERREMOTI FLEGREI. Il grafico qui accanto evidenzia gli spostamenti del terreno tra 1982 e 1987. Si nota il brisco cambiamento del movimento avvenuto dopo i tereemoti più forti dellas equenza, nell'aprile 1984, La base della zona sismogenica corrisponde al livello impermeabile che in mancanza di fratture non può essere attraversato dai fluidi. Insomma, questo livello sigilla il sistema idrotermale, del quale i gas, accumulandosi, aumentano la pressione.

Abbiamo visto che quando la pressione nel sistema idrotermale raggiunge un certo valore, è quindi in grado di deformare e inarcare le rocce soprastanti, fino a quando non ce la fanno più a deformarsi e si rompono. Secondo Danese et al (2024) prima dello sciame sismico del 1 aprile 1984 il tasso di sollevamento era aumentato, accompagnato dalla sismicità nella massa sovrastante il sistema idrotermale; dopo i terremoti la velocità di sollevamento ha cominciato a diminuire e il numero di terremoti di magnitudo Md ≥ 3 è aumentato verso la Solfatara, dove è nel frattempo aumentata la percentuale di CO2 delle emissioni gassose (Chiodini et al., 2012). Per gli autori, quindi, il sollevamento si è interrotto dopo i terremoti perché la fratturazione ad essi associata ha consentito ai fluidi del sistema idrotermale a fuoriuscire nella crosta sovrastante (Fig. 3S), diminuendone di conseguenza la pressione e provocando l’inversione del movimento del suolo, con la forte subsidenza negli anni tra 1984 e 2004.

2005: RIPRENDE IL SOLLEVAMENTO. Nel primo periodo della nuova fase di sollevamento che dal 2005 si protrae fino ad oggi la sismicità è stata bassa. Danesi et al (2024) suggeriscono che la sua ripresa sia dovuta alla chiusura delle fratture apertesi nel 1984 mentre l’afflusso di gas dal profondo continua, provocando un nuovo aumento della pressione nel sistema idrotermale. Oggi l'accumulo di gas magmatico incapace di fuoriuscire è concentrato sotto la Solfatara, dove anche la tomografia sismica (una specie di TAC della crosta terrestre fatta con le onde sismiche) suggerisce una pressione molto alta. 

SCENARI FUTURI. Anche senza la sfera di cristallo, possiamo provare a capire cosa potrà succedere in futuro. Oltre ai tassi crescenti di sismicità di bassa magnitudo, solo dal 2019 e quindi a 14 anni dall’inizio della nuova fase di sollevamento si sono verificati dei terremoti con Magnitudo Md pari o superiore a 3, tutti a profondità comprese tra 2 e 3,5 km e con epicentri a circa 2,0–2,5 km di distanza dal centro di sollevamento. Questi terremoti hanno dimostrato come da quel momento sia stato nuovamente superato il livello critico di stress all’interno della copertura impermeabile del sistema idrotermale. 

Il futuro dipende da dove si verificheranno le rotture e quanto queste rotture cambieranno il valore del flusso di gas dal sistema idrotermale e quindi come si comporterà la pressione al suo interno. Ipotizzando un modello di rottura simile a quello del 1984, dal MIO punto di vista gli scenari dopo i forti terremoti dell’autunno 2023 inducono un cauto ottimismo e vanno da un rallentamento del sollevamento, fino ad un riposo o ad una nuova subsidenza. Questo a meno che le fratture si richiudano, nel qual caso il sollevamento ricomincerebbe, almeno fino a quando i fluidi continueranno ad entrare nel sistema idrotermale. (SIA CHIARO: SI TRATTA DI UN MIO PUNTO DI VISTA E NON DI UNA PREDIZIONE! ma mai come ora spero di aver avuto ragione..)

Su questo si innesca poi il problema della possibilità del verificarsi di eruzioni freatiche nelle vicinanze della Solfatara e di Pisciarelli (ne ho parlato qui). Tuttavia, l’emergere di sismicità nella copertura del sistema idrotermale lontano dalla Solfatara aumenta la possibilità di un maggiore rilascio di gas da parti della caldera, auspicabilmente diminuendo la possibilità di eruzioni freatiche.

Da ultimo si deve notare che un presupposto implicito negli scenari di Danese et al (2023) è che non sia cambiato in modo significativo il valore del rilascio di gas dal sistema magmatico posto a 7-9 km sotto la superficie. Uno scenario alternativo sarebbe la pressurizzazione del sistema idrotermale a causa di afflusso di nuovo magma proveniente da profondità superiori a 9 km,

In questo caso, il cambiamento nel flusso di gas può riflettere l’avvicinamento a condizioni adatte per una rinnovata risalita del magma e un’intrusione superficiale ed un episodio di rapido sollevamento, come nel 1982-84 o, se il magma raggiunge la nuova rottura, un’eruzione vera e propria.

Su questa possibilità sono però piuttosto scettico, perché non è stata osservata una sismicità profonda riferibile ad una risalita di magma da livelli crustali inferiori.

BIBLIOGRAFIA

questo post è sostanzialmente basato su:

Danesi et al (2024) Evolution in unrest processes at Campi Flegrei caldera as inferred from local seismicity Earth Planet. Sci. Lett. 626 (2024) 118530

ALTRI ARTICOLI CITATI

Berrino, 1994 Gravity changes induced by height-mass variations at the Campi

Flegrei caldera. J. Volcanol. Geoth. Res. 61, 293–309

Chiodini et al (2012) Early signals of new volcanic unrest at Campi Flegrei caldera? Insights from geochemical data and physical simulations. Geology 40, 943–946

De Martino et al (2021) The ground deformation history of the Neapolitan Volcanic Area (Campi Flegrei Caldera, Somma–Vesuvius Volcano, and Ischia Island) from 20 years of continuous GPS observations (2000–2019). Remote Sens.-Basel 13, 2725.

Kilburn et al. (2023) Potential for rupture before eruption at Campi Flegrei caldera, Southern Italy. Commun. Earth Environ. 4, 190.

Petrosino et al (2008). Recalibration of the Magnitude Scales at Campi Flegrei, Italy, on the basis of measured path and site and transfer functions recalibration of the magnitude scales at Campi Flegrei, Italy. B Seismol. Soc. Am. 98, 1964–1974

Rivalta et al (2019) Stress inversions to forecast magma pathways and eruptive vent location. Sci. Adv. 5, eaau9784