Esperimenti e simulazioni per prevedere la pericolosità delle eruzioni vulcaniche

di Gianmarco Buono, Sara Fanara, Giovanni Macedonio, Danilo Palladino, Paola Petrosino, Gianluca Sottili, Lucia Pappalardo

Oggi grazie alle moderne tecniche di monitoraggio è possibile prevedere con un certo anticipo il risveglio di un vulcano, ma siamo in grado di stabilire quanto sarà catastrofico? Un team internazionale di vulcanologi sta da tempo lavorando per rispondere a questa domanda.

I risultati di una recente ricerca multidisciplinare, pubblicata sulla rivista Earth-Science Reviews, a cui hanno partecipato ricercatori dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, dell’Università di Göttingen in Germania, dell’Università di Napoli “Federico II” e dell’Università “Sapienza” di Roma, hanno consentito di fare luce sulle relazioni tra il processo di degassamento del magma durante la sua risalita verso la superficie e il grado di intensità delle eruzioni (figura 1).

Figura 1 –  Schema di condotto vulcanico. Il magma profondo contiene specie volatili disciolte a causa dell’alta pressione. Le specie più comuni sono H2O e CO2. Durante la risalita nel condotto il magma è soggetto a decompressione; questo causa la nucleazione delle bolle e la loro crescita. I gas si espandono alimentando l’eruzione. Quando le bolle raggiungono una concentrazione critica avviene la frammentazione del magma e l’eruzione diventa esplosiva, con la formazione di una colonna eruttiva. Immagine modificata da: Gonnermann e Manga, 2007, Annu. Rev. Fluid Mech.

E’ noto che l’intensità di un’eruzione, e quindi il suo potere distruttivo, dipendono da diversi fattori tra cui le dimensioni del condotto vulcanico, il tipo di magma eruttato e la quantità e la natura dei gas disciolti nel magma in profondità.

In particolare, la quantità di gas che si libera dal magma durante la sua migrazione verso la superficie, e che costituisce il motore dell’eruzione, è uno dei fattori principali che determinano il carattere dell’eruzione e la sua capacità di formare alte colonne eruttive e flussi piroclastici potenzialmente distruttivi.

Tuttavia, il processo di degassamento magmatico non è ancora completamente noto e costituisce oggi uno degli argomenti di maggior interesse della ricerca scientifica internazionale.

Presso il laboratorio di Petrologia sperimentale (HP-HT High Pressure – High Temperature) dell’Università di Göttingen, sono state ricostruite le condizioni di elevata temperatura e pressione esistenti nelle camere magmatiche e nei condotti di risalita del magma durante le eruzioni vulcaniche. Utilizzando per la prima volta sia H2O che CO2 come sostanze volatili, è stata simulata in laboratorio la decompressione di magmi alcalini, ricchi in potassio, che hanno una composizione simile a quella dei magmi che hanno alimentato l’attività esplosiva dei vulcani napoletani ad alto rischio (Campi Flegrei e Somma-Vesuvio).

I campioni sperimentali sono stati analizzati presso il laboratorio di Microtomografia dell’INGV di Napoli dove è stato possibile ricostruire in estremo dettaglio la loro tessitura in tre dimensioni, grazie alle grandi potenzialità offerte dalla tecnica della microtomografia a raggi X (figura 2).

Figura 2 – A sinistra) Laboratorio di Microtomografia dell’INGV di Napoli. A destra) Immagine tridimensionale ottenuta tramite microtomografia ai raggi X di un campione prodotto da esperimenti di decompressione; in nero: bolle lasciate dalla fuga del gas; in grigio chiaro: microliti; in grigio scuro: matrice vetrosa.
Figura 3 – Immagini microtomografiche di campioni sperimentali ottenuti da fusi magmatici ricchi in H2O e CO2 decompressi con alti (sinistra) e bassi (destra) tassi di decompressione.

I risultati degli esperimenti di decompressione (figura 3), insieme alle simulazioni numeriche dei processi fisici (figura 4), hanno fornito preziose informazioni sulla cinetica del degassamento magmatico e quindi in altri termini, sulle relazioni tra il contenuto in gas, la velocità di risalita del magma nel condotto e il carattere esplosivo dell’eruzione.

Il nuovo studio ha messo in evidenza che in magmi ricchi in H2O, la decompressione rapida genera un numero elevato di bolle isolate, mentre lente decompressioni garantiscono la formazione di un reticolo di bolle altamente interconnesse attraverso cui il gas può allontanarsi dal magma (figura 3). Inoltre, la presenza di CO2 favorisce la nucleazione di nuove bolle a scapito della crescita delle bolle già formate, in tal modo ritardando il processo di interconnessione delle bolle e quindi l’allontanamento della fase gassosa, contribuendo così ad aumentare il grado di esplosività dell’eruzione. In particolare, grazie a questo tipo di studi, si riesce a conoscere il contenuto di gas liberato dal magma quando questo fuoriesce dal condotto vulcanico e a prevedere se un’eruzione sarà effusiva o esplosiva. Infine, la simulazione dei processi di dispersione dei prodotti vulcanici all’esterno del vulcano permette di stimarne gli effetti sull’ambiente e di definire quanto l’eruzione può essere distruttiva.

Figura 4 – Confronto tra le simulazioni numeriche (linee nere continue) e i risultati degli esperimenti di decompressione (punti azzurri). Nei tre riquadri sono mostrati i dati ottenuti effettuando gli esperimenti ad elevato tasso di decompressione (1 MPa/s). Da sinistra verso destra sono mostrati il numero di bolle per unità di volume (bubble number density), il diametro medio delle bolle nei campioni ed il contenuto di H2O che rimane disciolta nel liquido magmatico. Come si può notare, la teoria riproduce adeguatamente gli esperimenti. Analoghi esperimenti sono stati condotti anche utilizzando la sola CO2 come specie volatile e miscele di H2O e CO2, sia ad alti (1 MPa/s) che a bassi (0.01 MPa/s) tassi di decompressione.

Queste conoscenze sono fondamentali perché permettono di correlare le variazioni dei parametri geochimici e geofisici registrati in superficie dalle reti di monitoraggio durante le crisi pre-eruttive al grado di esplosività dell’eruzione attesa.

In futuro, grazie a questo tipo di approcci multidisciplinari, sarà forse possibile, attraverso il monitoraggio vulcanico, non solo prevedere in tempo utile l’arrivo di una prossima eruzione, ma anche stimarne la sua intensità. L’INGV ha recentemente finanziato il progetto triennale “LOVE-CF” con l’obiettivo di approfondire queste tematiche per l’area vulcanica dei Campi Flegrei.

Approfondimenti

Cosa è un condotto vulcanico? 

Il condotto vulcanico è quell’insieme di fratture che si dipartono con continuità dalla camera magmatica verso la superficie terrestre. Il condotto può essere eruttivo, se il magma raggiunge la superficie terrestre, o può originare un dicco in cui il magma solidifica senza produrre l’eruzione.

L’apertura di un condotto è generalmente causata dalla pressione e dalla corrosione esercitate dal magma sulle rocce attraversate nel corso della sua risalita verso la superficie. L’esistenza di zone di debolezza nel materiale attraversato facilita tale processo; ne consegue che i condotti spesso coincidono con faglie e fratture preesistenti. 

Quando un magma risale verso la superficie terrestre subisce un degassamento, ovvero le sostanze volatili disciolte al suo interno (in particolare acqua e biossido di carbonio) possono fuoriuscire attraverso la formazione e la crescita di bolle. Il modo in cui evolve il degassamento determina quanto catastrofica sarà l’eruzione. In generale, quando la risalita nel condotto è molto rapida e/o il magma è viscoso, i fluidi liberati rimangono intrappolati nel liquido magmatico favorendone l’eruzione esplosiva. L’alta decompressione e/o un’elevata viscosità del magma infatti ostacolano l’espansione del gas, la pressione quindi cresce all’interno delle bolle fino a farle esplodere (frammentazione del magma). Se la risalita è lenta e/o il magma è poco viscoso, i gas magmatici hanno il tempo e la possibilità di espandersi, fino a originare bolle in grado di risalire all’interno del fuso magmatico o formare reti interconnesse di bolle, che facilitano l’allontanamento del gas dal liquido (outgassing), generando l’emissione tranquilla di lava (eruzione effusiva). 

Perché studiamo la tessitura delle rocce vulcaniche? 

Lo studio della tessitura delle rocce vulcaniche (presenza di microcristalli e di bolle, con caratteristiche variabili, influenzate dalla velocità di raffreddamento e fuoriuscita del gas dal magma) permette di definire i meccanismi ed i tempi di risalita dei magmi nei condotti vulcanici, immediatamente prima e durante un’eruzione vulcanica.

Durante la risalita del magma, la decompressione riduce la solubilità delle sostanze volatili, che si separano dalla fase fusa formando bolle di gas (vescicolazione). Questo processo di degassamento promuove la precipitazione di microcristalli (microliti) nel magma a causa dell’innalzamento della temperatura del liquidus (temperatura a cui il magma inizia a cristallizzare).

L’estensione e il tasso con cui avvengono questi processi (vescicolazione e cristallizzazione) possono essere calcolati e usati per definire i tempi di risalita del magma. L’analisi di campioni ottenuti da esperimenti in condizioni controllate permette di decifrare con maggiore precisione le informazioni contenute nella tessitura delle rocce naturali e di risalire ai corrispondenti valori dei parametri chimico-fisici che regolano il processo di degassamento magmatico. 

Cosa sono le simulazioni numeriche?

Le simulazioni numeriche sono riproduzioni al computer, tramite opportuni modelli fisico-matematici, dei processi fisici che avvengono dalle profondità dei sistemi magmatici fino alla dispersione dei prodotti vulcanici nell’atmosfera. Tali fenomenologie infatti possono essere rappresentate da sistemi di equazioni che esprimono le leggi fisiche fondamentali, permettendoci di descrivere il comportamento, spesso molto complesso, dei magmi. In particolare, tali equazioni mettono in relazione le variabili che definiscono lo stato del sistema vulcanico al variare del tempo.

Ad esempio, la temperatura del gas, la pressione e il suo volume sono legate tra loro tramite le leggi dei gas, che nel nostro caso devono tenere conto delle maggiori interazioni tra le molecole dovute all’alta pressione. Altro fattore importante è la solubilità del gas nel magma, ovvero la quantità massima di gas che può essere disciolta nel magma senza che si formino le bolle, misurata in condizioni di equilibrio. Questo parametro permette di conoscere quante bolle possono formarsi alle diverse pressioni (o profondità) durante la risalita del magma dal profondo.

Tuttavia, la formazione e la crescita delle bolle richiede una certa quantità di tempo per permettere la migrazione del gas verso la bolla. Questo tempo, seppur molto piccolo, non può essere trascurato quando la velocità di decompressione è rapida come nella maggior parte delle eruzioni vulcaniche. Per descrivere questo effetto si utilizza la teoria cinetica della nucleazione e crescita delle bolle, che studia i tempi e le modalità in cui nascono e crescono le bolle all’interno del magma, quando questo viene portato ad una condizione diversa dal suo stato di equilibrio termodinamico. L’insieme di queste relazioni, in aggiunta alle equazioni che esprimono i principi fondamentali della fisica, come le leggi di bilancio di massa ed energia, risolte tramite computer, ci permette di prevedere l’evoluzione di ciascun parametro (pressione, temperatura, gas disciolto, volume delle bolle, ecc.) in funzione del tempo, durante la risalita del magma nel condotto.