L’origine degli sciami sismici ai Campi Flegrei
di Mauro Di Vito, Francesca Bianco e Carlo Doglioni
vedi sotto la versione in inglese – below see english translation
Da millenni la caldera dei Campi Flegrei è sede di intensa attività vulcanica. La vitalità di quest’area irrequieta è manifestata anche dal rilascio concentrato di gas lungo delle sorte di camini che producono le fumarole, e dal bradisismo, cioè il lento sollevamento o abbassamento del suolo, fenomeno quest’ultimo accompagnato anche da attività sismica. Gli episodi più recenti di instabilità che si sono manifestati con sollevamento e sismicità sono stati quelli del 1969-72 e del 1982-84, quando molti abitanti dell’area, soprattutto quelli del centro storico di Pozzuoli, furono costretti ad abbandonare le proprie case. Dal 2005 a oggi è di nuovo in atto un lento sollevamento del suolo che a luglio 2023 ha raggiunto circa 111 centimetri nell’area del Rione Terra.
In questi mesi, come riportato nell’ultimo bollettino settimanale di sorveglianza vulcanica (relativo ai dati rilevati dalle reti di monitoraggio dell’INGV Osservatorio Vesuviano tra il 14 e il 20 agosto 2023), il valore medio della velocità di sollevamento nell’area di massima deformazione è aumentato a circa 15±3 mm/mese. In particolare, nelle ultime settimane, come riportato nello stesso bollettino, si stanno verificando più frequentemente sciami sismici, come quello avvenuto il 18 agosto, con poco più di cento terremoti di magnitudo maggiore o uguale a zero, e magnitudo massima 3.6 ± 0.3. L’area sismogenetica è rimasta simile nel tempo ed è evidenziata dalla distribuzione degli epicentri (Figura 1).
La deformazione del suolo
L’area che si solleva è centrata sul Rione Terra (Pozzuoli, parte storica) o poco più a sud, e presenta una deformazione radiale, in rapida attenuazione verso la periferia della caldera, con una forma “a campana”. I valori di deformazione locale sono misurati attraverso una fitta rete GNSS e tiltmetrica, integrata con osservazioni satellitari. Dal 2005, e in particolare negli ultimi periodi, la forma della deformazione si è mantenuta simile, a testimonianza che il processo, e soprattutto la sorgente, non mostrano modifiche significative (Figura 2).
La causa del sollevamento
Le misure periodiche geochimiche e quelle in continuo da stazioni fisse sia su fumarole che in pozzo mostrano che il processo di aumento di pressione del sistema geotermico sub-superficiale è ancora in corso e determina una forte risalita di fluidi maggiormente concentrati nell’area di Solfatara-Pisciarelli. Le misure sono effettuate anche nella parte sottomarina della caldera, nel Golfo di Pozzuoli, dove sono presenti punti di fuoriuscita di gas caldi, come il caso delle “Fumose” a sud di Monte Nuovo, l’apparato conico vulcanico formatosi in pochi giorni a fine settembre-primi di ottobre del 1538.
Gli ultimi sciami sismici dimostrano come il fenomeno non mostri cambiamenti sostanziali, seppure avvenga con pulsazioni che si ripetono nel tempo. La causa del sollevamento del suolo e quindi della sismicità può essere dovuta a una forte risalita di gas e una maggiore pressurizzazione del sistema idrotermale profondo: le rocce sono sottoposte a sforzo, si fratturano e generano terremoti. Un’altra possibilità è che si stiano iniettando nel sottosuolo delle piccole frazioni di magma alimentate dal sistema magmatico profondo, strutture cosiddette a sill, a circa 3-4 km di profondità. La sismicità è piuttosto concentrata nelle zone di massimo sollevamento e a una bassa profondità (fino a 3-4 km, raramente 5) per l’alta temperatura della crosta terrestre sotto i Campi Flegrei che fa sì che sotto quelle profondità le rocce si comportino solo in modo visco-plastico; i terremoti avvengono dunque prevalentemente nella stessa area e anche i loro meccanismi sono per lo più gli stessi.
I dati attualmente disponibili indicano che l’origine del sollevamento sia riconducibile ad una risalita, probabilmente pulsante, di fluidi di origine magmatica. I fluidi si generano a profondità probabilmente superiori a 6-8 km, all’interno di una vasta e articolata camera magmatica profonda presente sotto i Campi Flegrei, ipotizzata da vari tipi di studi e indagini indirette. Da questo magma provengono le grosse quantità di gas che risalgono per gradienti di densità, e quindi di pressione, verso la superficie. In particolare, i gas interagiscono con le rocce superficiali e con il sistema idrotermale superficiale, presente nei primi 2-3 km di profondità. La sorgente di spinta, dedotta dalla modellazione della deformazione del suolo, sembra essere posta intorno a 4 km. La quantità di gas rilasciata è ragguardevole: solo nell’area di Solfatara-Pisciarelli determina la fuoriuscita di oltre 3000 tonnellate di CO2 al giorno, in buona parte derivante dal degassamento magmatico profondo e dall’interazione del magma con rocce carbonatiche.
La sorveglianza vulcanica ed il monitoraggio, effettuati in continuo dalla sezione dell’INGV-Osservatorio Vesuviano attraverso la sua fitta rete strumentale multiparametrica (Figura 3), mira proprio a definire tutti i possibili cambiamenti nel sistema superficiale e profondo per determinare possibili risalite magmatiche verso la superficie che potrebbero produrre un’eruzione vulcanica.
Evoluzione della crisi bradisismica
Attualmente la probabilità di una eruzione vulcanica è relativamente bassa, proprio perché non vi sono evidenze di risalita di magma verso la superficie. Inoltre, il volume crostale sollevato al momento è pari a dimensioni molto inferiori al km3: si pensi, come riferimento, che alcune eruzioni avvenute nel passato sono state precedute da sollevamenti del suolo rapidi e concentrati di qualche decina di metri. I dati sismici, geochimici, le deformazioni del suolo, le variazioni termiche superficiali e in pozzo, le variazioni gravimetriche non forniscono, allo stato attuale, indicazioni che il magma stia risalendo verso la superficie. Tuttavia, il vulcano ha la sua inarrestabile naturale evoluzione e, prima o poi, tornerà a eruttare. L’attenzione dell’INGV-OV è massima nella raccolta, studio e interpretazione dei dati e ogni variazione viene e sarà sempre discussa e comunicata tempestivamente agli organi di Protezione Civile nei suoi vari livelli.
English version
The origin of earthquake swarms in the Phlegraean Fields
by Mauro Di Vito, Francesca Bianco and Carlo Doglioni
For millennia, the Campi Flegrei caldera has been the site of intense volcanic activity. The vitality of this restless area is also manifested by the concentrated release of gas along chimney-like rises that produce fumaroles, bradyseism, i.e., the slow raising or lowering of the ground, the latter phenomenon also accompanied by seismic activity. The most recent episodes of instability manifested by uplift and seismicity were those of 1969-72 and 1982-84, when many inhabitants of the area, especially those in the historic center of Pozzuoli, were forced to abandon their homes. From 2005 to the present, a slow uplift of the ground is again taking place, which in July 2023 was about 111 centimeters in the Rione Terra area.
In recent months, as reported in the latest weekly volcanic surveillance bulletin (related to data collected by the monitoring networks of the INGV Osservatorio Vesuviano between August 14 and 20, 2023), the average value of the uplift rate in the area of maximum deformation has increased to about 15±3 mm/month. In particular, in recent weeks, as reported in the same bulletin, seismic swarms are occurring more frequently, such as the one that occurred on August 18, with more than one hundred earthquakes of magnitude greater than or equal to zero, and maximum magnitude 3.6 ± 0.3. The seismogenic area has remained similar over time and is evidenced by the distribution of epicenters.
Ground deformation
The uplifting area is centered on the Rione Terra or slightly to the south, and exhibits radial deformation, attenuating rapidly toward the periphery of the caldera, with a “bell” shape. Local deformation values are measured through a dense GNSS and tiltmetric network, supplemented with satellite observations. Since 2005, and particularly in recent periods, the shape of the deformation has remained similar, indicating that the process, and especially its source, does not show significant changes.
The cause of the uplift
Periodic and continuous geochemical measurements from fixed stations both on fumaroles and in wells show that the pressurization process of the subsurface geothermal system is still in progress and results in a strong uplift of fluids mostly concentrated in the Solfatara-Pisciarelli area. Measurements are also carried out in the submarine part of the caldera, in the Gulf of Pozzuoli, where hot gas outflow points are present, such as the case of the “Fumose” south of Monte Nuovo, the volcanic conical apparatus formed in a few days in late September-early October 1538.
The latest seismic swarms show how the phenomenon does not show substantial changes, although it occurs with pulsations that are repeated over time. The cause of ground uplift and thus seismicity may be due to strong gas uplift and increased pressurization of the deep hydrothermal system: the rocks are being stressed, fracturing and generating earthquakes. Another possibility is that small batches of magma fed by the deep magmatic system, are being injected into the subsurface about 3-4 km deep.
Seismicity is rather concentrated in the areas of maximum uplift and at a shallow depth (up to 3-4 km, rarely 5) due to the high temperature of the Earth’s crust beneath the Phlegraean Fields, which causes the rocks below those depths to behave only visco-plastically; earthquakes therefore occur mostly in the same area and their mechanisms are also mostly the same.
Presently available data indicate that the origin of uplift can be the rising, probably pulsating, of fluids of magmatic origin, that is, magma and fluids. The fluids are generated at depths probably greater than 6-8 km, within a vast and articulated deep magma chamber present beneath the Phlegraean Fields, hypothesized by various types of studies and indirect investigations. From this magma come the large quantities of gases that rise by density gradients, and therefore pressure gradients, to the surface. In particular, the gases interact with the surface rocks and the surface hydrothermal system, which is present in the first 2-3 km depth. The source of deformation, inferred from ground deformation modeling, appears to be located approximately at 4 km depth. The amount of gas released is considerable: in the Solfatara-Pisciarelli area more than 3,000 tons of CO2 per day is released, much of it resulting from deep magmatic outgassing and the interaction of magma with carbonate rocks.
The volcanic multiparametric monitoring and surveillance carried out continuously by the INGV-Osservatorio Vesuviano section, through its dense multi-parameter instrumental network, aims precisely at defining all possible changes in the surface and deep system to determine possible magmatic rises to the surface that could produce a volcanic eruption.
Evolution of the bradyseismic crisis
At present, the probability of a volcanic eruption is relatively low, since there is no evidence of magma rising to the surface. Moreover, the crustal volume uplifted at the moment is much less than 1 cubic km in size: consider, for reference, that some eruptions in the past were preceded by rapid and concentrated ground uplifts of a few tens of meters. Seismic, geochemical, ground deformation, surface and in well thermal variations, and gravimetric variations do not, at present, provide indications that magma is rising to the surface. However, the volcano has its unstoppable natural evolution and, sooner or later, it will erupt again. The INGV-OV’s attention is utmost in the collection, study and interpretation of data, and any changes are and will always be discussed and communicated promptly to the Civil Protection Department at its various levels.