la nuova tomografia sismica dei Campi Flegrei

Finalmente è uscita la tanto attesa nuova tomografia sismica dei Campi Flegrei. Questo ottimo lavoro, grazie alla enorme messe di dati disponibili, riesce a vedere anche nel tempo, dal 1985 al 2022 e oltre alle anomalie già note ne introduce una terza presente solo in determinati periodi, le cui caratteristiche fanno pensare alla messa in posto nel 1984 e nel 2017 di piccole masse magmatiche a 5 km di profondità.

La zona a massimo sollevamento e le due zone sismiche principali

I MOVIMENTI DEL SUOLO AI CAMPI FLEGREI NEGLI ULTIMI SECOLI. Le due gigantesche eruzioni avvenute 39.000 (Ignimbrite Campana) e 15.000 anni fa (Tufo Giallo Napoletano), provocarono il collasso e la formazione della caldera flegrea; in tempi più recenti sono documentate almeno 70 eruzioni minori, l’ultima delle quali nel 1536 ha creato Monte Nuovo. Il termine bradisismo è nato proprio per descrivere i cicli di sollevamento e subsidenza del terreno osservati ai Campi Flegrei, ma in genere tutti i vulcani tendono a sollevarsi quando sono in fase di unrest (termine che indica la presenza di segnali più o meno visibili di attività in corso superiori ai valori di fondo) e a riabbassarsi in fase di quiete (ad esempio il Vesuvio ora si sta leggermente abbassando). La caldera flegrea è in genere sottoposta a una subsidenza di circa 1–2 cm/anno come testimoniano le rovine sommerse di Baia. Il moto del suolo si inverte nelle fasi di unrest, in genere accompagnate da diffusi fenomeni sismici di origine vulcano-tettonica, come è successo tra XV e XVI secolo, la fase a cui appartiene l’eruzione del Monte Nuovo e come succede adesso.

Venendo a tempi più recenti, dopo quella fase di unrest e sollevamento la subsidenza è ricominciata e così all’inizio del ‘900 la zona del porto di Pozzuoli si trovava praticamente a livello del mare e probabilmente ora sarebbe almeno parzialmente sommersa senza i tre episodi di sollevamento della seconda metà del XX secolo (74 cm nel 1950–52, 159 cm nel 1970–72 e 178 cm nel 1982–84, quest’ultimo accompagnato da una importante attività sismica). Dopo il 1984, cessato l'unrest, il suolo ha ricominciato ad abbassarsi fino al 2005, quando è iniziata la fase di sollevamento attuale.

I tre episodi del XX secolo sono stati caratterizzati da una velocità di sollevamento molto maggiore di quella odierna, ma la lunghezza decisamente maggiore della fase di sollevamento che stiamo vivendo da quasi 20 anni (contro i circa 3 delle precedenti) ha consentito nell'aprile 2022 l’annullamento totale della subsidenza post-1985. La sismicità, all’inizio debole, è aumentata nel 2012-2014, in corrispondenza di un deciso aumento del tasso medio di sollevamento e oggi ha raggiunto livelli molto significativi per frequenza e Magnitudo.

È sicuro che il sollevamento tra 1982 e 1984 sia stato provocato dalla risalita fino a un paio di km dalla superficie di un corpo magmatico, ed è probabile che la stessa cosa sia successa negli anni ‘50 e ‘70. Insomma, tecnicamente non si può parlare di eruzione perché con questo termine si intende magma che arriva in superficie, ma ci siamo andati molto vicino. La fase che stiamo vivendo assomiglia molto al sollevamento precedentemente sconosciuto documentato da Trasatti et al (2023) nel periodo 1540-1582, successivo quindi alla formazione del Monte Nuovo e probabilmente legato ad una eruzione abortita.

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

L’aspetto preponderante degli ultimi 20 anni è una risalita di fluidi vulcanici in un sistema idrotermale. Il problema è che a una profondità di 3-4 km la risalita è bloccata da un orizzonte a bassa permeabilità, al di sopra del quale i fluidi possono cercare di dirigersi verso la superficie solo lungo delle fratture. E così, quando la quantità di fluidi che provengono dal basso è maggiore di quella che riesce a risalire lungo le fratture del blocco impermeabile la pressione nel sistema idrotermale aumenta, provocando un inarcamento delle rocce soprastanti (il bradisismo, appunto), che sua volta innesca i terremoti. In genere dopo eventi sismici più forti il sollevamento diminuisce o si interrompe perché i terremoti (ri)aprono delle fratture e quindi aumenta la quantità di fluidi che riesce a risalire verso la superficie e la pressione nel sistema diminuisce.

Purtroppo però questi fluidi sono molto mineralizzati, quindi tendono a depositare concrezioni nelle fratture, che quindi si richiudono molto facilmente, precludendo ulteriori uscite dal sistema, e così il sollevamento riprende. Quindi aperture e chiusure delle fratture nell’orizzonte al di sopra del sistema idrotermale ne controllano la pressione e determinano i movimenti verticali e la sismicità (Danesi et al, 2024).

Mentre il centro del sollevamento è posto poco a largo di Pozzuoli, la sismicità si annida lungo una faglia nel golfo e in terraferma nel settore di Pozzuoli. La sua distribuzione evidenzia la presenza di due zone di debolezza crustale.

LA TOMOGRAFIA SISMICA è una specie di TAC della Terra, che può essere fatta a varie scale, dal singolo affioramento a grandi porzioni del mantello e anche più sotto.

Si utilizzano i tempi di arrivo delle onde sismiche provocate da terremoti di cui si conoscono con precisione l’ipocentro e l’orario d’arrivo nelle varie stazioni. In genere si considerano due valori, la velocità delle onde Prime (Vp) e il rapporto fra la velocità delle onde Prime e delle onde Seconde (Vp/Vs). Le velocità dipendono dalla temperatura e dalle condizioni meccaniche del mezzo attraversato: ad esempio in una roccia solida la velocità sarà maggiore che in una fratturata e le zone con fluidi o con magmi possono essere agilmente distinte proprio incrociando i valori di VP con quelli del rapporto Vp/Vs, che è è particolarmente sensibile alla porosità del mezzo attraversato e alla presenza di fluidi e magmi fusi.

Il set di dati sismici considerato è costituito da 16.669 misurazioni del tempo di arrivo delle onde P e 8.292 S di 1894 terremoti locali, registrati tra gennaio 1984 e dicembre 2022. Grazie all’enorme quantità di dati a disposizione oltre alle 3 dimensioni spaziali è stato possibile seguire l’evoluzione nel tempo della situazione. 

Il volume crostale indagato (circa 20 km x 20 km x 8 km) copre l’intera caldera; sono inoltre stati elaborati 3 profili verticali (N-S, E-W e SW-NE). Due profili si incrociano in mare (N-S vs E-O nei pressi del porto di Pozzuoli, N-S vs SW-NE 1,5 km al largo del Rione Terra), mentre i profili E-W e SW-NE si incrociano a sud dell'Accademia Areonautica. La profondità massima raggiungibile dall’indagine è 6 km, poi la risoluzione delle indagini diventa troppo bassa. 

I risultati della tomografia nelle 3 sezioni individuate consentono di vedere la posizione delle anomalie

LE ANOMALIE EVIDENZIATE DALLA TOMOGRAFIA. La modellazione evidenzia 3 principali anomalie, di cui le prime due presentano una bassa Vp e un rapporto Vp/Vs variabile:

• la ANOMALIA A corrisponde all’incirca al centro del sollevamento e si trova in mare a largo del porto di Pozzuoli, centrata a 2,5 km di profondità. Data la sua posizione è facilmente visibile nelle sezioni N/S e SW/NE, ma non appare nella sezione E/W ed è quindi limitata verso nord all’area a sud di questa sezione
• la ANOMALIA B è più profonda (3,5–4 km) e si estende da sotto alla parte N dell'anomalia A fino alla Solfatara e si trova sotto la zona sismica principale.
• C’è poi la ANOMALIA C: si distingue per la bassa Vp e un alto rapporto Vp/Vs. Si trova a 5 km di profondità separata dalla sovrastante anomalia B da un livello ad alta Vp. Questa anomalia è “nuova” ed è estremamente interessante, perché è ben visibile nel 1984, con valori Vp e Vp/Vs coerenti con la presenza di magma. Poi scompare e solo dopo l’aprile del 2019 ne viene fuori una nuova, dalle caratteristiche molto simili, di estensione e profondità minori e posizione leggermente diversa. L’interpretazione più facile è l’accumulo di una piccola quantità di magma.

Le anomalie A e B invece sono compatibili con la presenza di fluidi appartenenti a sistemi idrotermali che impregnano la crosta: il rapporto Vp/Vs generalmente basso smentisce la presenza di quantità rilevanti di materiale fuso ed è correlato all'accumulo di fluidi magmatici in zone molto fratturate con importante sovrapressione di gas.

 

LA ZONA DELLA SOLFATARA. A profondità basse, il modello 4D dipendente dal tempo rivela dal 1984 al 2020 una notevole diminuzione del rapporto Vp/Vs tra 1 e 2 km di profondità al di sotto della Solfatara. Questa circostanza viene interpretata come una diminuzione della profondità della transizione liquido-gas, a causa dell’aumento delle temperature e sarebbe coerente con il contemporaneo aumento di temperatura e pressione dedotto dalla concentrazione di CO misurata alle fumarole della Solfatara (Caliro et al., 2007). Questa evidenza conferma quest'area come percorso preferenziale per la risalita dei fluidi caldi che innescano la sismicità, a causa del trasferimento di energia dai fluidi caldi alle rocce ospitanti (Chiodini et al., 2021).

CONCLUSIONI: i cambiamenti nel tempo nei parametri elastici rivelano che:

1. la caldera dei Campi Flegrei sta vivendo una fase di unrest, in cui sia il principale serbatoio di magma profondo che il sistema idraulico sovrastante vengono ricaricati. Il serbatoio centrale sembra essere stato ricaricato da fluidi magmatici durante i disordini del 1982-1984 e, dopo un periodo di possibile degasaggio, anche di recente, perché i risultati rivelano una nuova iniezione di magma nel serbatoio profondo, a partire dal 2019, che potrebbe testimoniare una nuova fase di accumulo e riorganizzazione del magma. 

risultato grafico: in giallo il sistema idrotermale 

I punti rappresentano i terremoti

In rosso le iniezioni magmatiche (2019 e 1984) 

2. La concentrazione della sismicità in una colonna allungata verticalmente direttamente sotto la Solfatara, insieme ai cambiamenti transitori di velocità osservati, suggerisce coerentemente con il quadro già delineato una sovrapproduzione di fluidi caldi che ascendono dal serbatoio profondo. La ripetizione di tali processi si traduce nella crescita a lungo termine del sistema idraulico e favorisce fratture più estese. 

Il trasferimento episodico di magmi durante fasi di unrest può essere un processo comune nelle caldere; se ci sarà o no una eruzione, questo dipenderà da quanto sono effimere tali iniezioni e dalla depressurizzazione locale della copertura.

DA ULTIMO, PERMETTETEMI DI TOGLIERMI DEI SASSOLINI DALLE SCARPE. Qualcuno ha asserito che: eh ma gli studi sono di 2 anni fa, quindi sono vecchi. È ovviamente una conclusione fatta da chi non ha la minima idea di come stanno le cose.

1. Gli studi scientifici per essere pubblicati in articoli su riviste scientifiche, devono essere sottoposti alla referazione, la cosiddetta peer-review revisione fra pari): una analisi rigorosa e scrupolosa da parte di revisori ugualmente autorevoli (e anonimi, per non essere condizionati). In genere questo processo porta ad un arricchimento e a un miglioramento del lavoro, ma in alcuni casi anche al suo rifiuto (anche io ho referato articoli e per quelli che ho scritto io sono stato referato). Un articolo così quindi necessita di un certo tempo per la pubblicazione da quando viene proposto ad una rivista. In più in questo caso la quantità di dati disponibili, incredibilmente maggiore rispetto alle tomografie a cui siamo abituati, ha costretto gli Autori a esplorare nuove metodologie e quindi la referazione è stata forse anche più lunga del normale.
2. Uno studio preliminare (ad esempio, con i dati fino a 3 mesi fa) avrebbe meno attendibilità.
3. I dati arrivano a dicembre 2022 e quindi alla data di pubblicazione gli ultimi sono di meno di un anno e mezzo fa

Insomma, più veloce di così non si poteva fare, a dispetto dei soliti contestatori che pigiano tasti senza sapere come stanno le cose. 

BIBLIOGRAFIA CITATA

Caliro et al (2007). The origin of the fumaroles of La Solfatara (Campi Flegrei, south Italy). Geochim. Cosmochim. Acta 71, 3040–3055. 

Chiodini et al (2021). Hydrothermal pressure-temperature control on CO2 emissions and seismicity at Campi Flegrei (Italy). J. Volcanol. Geotherm. Res. 414, 107245 

Giacomuzzi et al (2024). Tracking transient changes in the plumbing system at Campi Flegrei Caldera Earth Planet. Sci. Lett. 637 (2024) 118744 

Trasatti et al (2023). Magma transfer at Campi Flegrei caldera (Italy) after the 1538 AD eruption. Geophysical Research Letters, 50, e2022GL102437