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"METEOVESUVIO - http://meteovesuvio.altervista.org - Avv. Giuseppe D'Aniello"


18/5/18
NUOVO STUDIO A FIRMA ANCHE DEL DR. GIOVANNI CHIODINI DI INGV INDIVIDUA STRUTTURA DELLE DUE PRINCIPALI FUMAROLE DELLA SOLFATARA (CAMPI FLEGREI) - INDIVIDUATO UN SERBATOIO DI GAS A POCHI METRI DI PROFONDITA' - IMPLICAZIONI SU TEMPERATURA E COMPOSIZIONE GEOCHIMICA


Studio: *Anatomy of a fumarolic system inferred from a multiphysics approach
by Marceau Gresse, Jean Vandemeulebrouck, Svetlana Byrdina, Giovanni Chiodini, Philippe Roux, Antonio Pio Rinaldi, Marc Wathelet, Tullio Ricci, Jean Letort, Zaccaria Petrillo, Paola Tuccimei, Carlo Lucchetti & Alessandra Sciarra,
Pubblicato il 15/05/2018 sulla rivista Nature, Scientific Reports 8, art. numero 7580


Per la prima volta, per quanto ci è noto, viene rivelata la struttura delle due principali fumarole della Solfatara, con condotti e profondità delle camere di alimentazione. Questo utilizzando sofisticate tecniche. In pratica utilizzando il metodo della differente resistività elettrica dei materiali in tre dimensioni, unito allo studio del rumore sismico delle fumarole catturato con una rete mobile di array sismici, si è riuscito ad avere una sorta di tomografia della struttura sottostante le fumarole principali della Solfatara.
Ecco il modello di struttura interna delle fumarole tratto dallo studio*:






Vi diciamo subito il dato che impressiona di più: la profondità del serbatoio di gas che alimenta le due fumarole Bocca Grande (BG) e Bocca Nuova (BN): circa sessanta metri dal piano di calpestio della Solfatara. Chi ci segue sa che abbiamo documentato (e ne siamo testimoni e sperimentatori diretti) che alla Solfatara basta lanciare un masso in alto e alla ricaduta al suolo "ascoltare" i vuoti presenti nel sottosuolo. Che a circa 60/70 metri ci fosse invece un serbatoio di gas, questo è la prima volta che viene documentato.
Ma andiamo con ordine.

Gli autori dello studio sono partiti, con metodo scientifico, dall'osservazione di una discrepanza di temperature (e non solo) alle fumarole Bocca Grande e Bocca Nuova (le famose BG e BN dei bollettini e grafici che di solito postiamo). Dal 2000 al  2015 mentre la fumarola BG fa registrare un leggero e costante aumento, la fumarola BN fa registrare una leggera e costante diminuzione.
La temperatura, in base ai dati pubblicati nello studio (che sembrano femri a fine 2015), è di 160.7 °C per BG e 146.6 per BN. Attualmente, invece, la temperatura della fumarola BG misura circa 164 °C. Le due fumarole distano circa 30 metri l'una dall'altra; sussistono anche lievi differenze nel rapporto CO2/H2O e precisamente: Bocca Nuova ha una temperatura del 9% inferiore ed un fenomeno di consensazione dell'H2O (acqua) differente che fa ridurre del 2% il rapporto CO2/H2O. In particolare, viene ipotizzato che parte dell'acqua che afflusice nel condotto di BN arrivi già vaporizzata e questo in funzione della sua ubicazione.

Grafico temperatura BG e BN dal 2000:




A
questo link invece Nostro video della fumarola BG, Bocca Grande girato dal gestore del sito qualche anno fai ai Campi Flegrei pubblicato nella Nostra pagina multimedia.

Cercando sempre di semplificare e veicolare per quanto possibile un'informazione fruibile dai più, ci è sembrato di capire, dalla lettura complessiva dello studio, che la conoscenza geologica della sezione dei condotti fumarolici, la loro posizione nella Solfatara (BG a ridosso del bordo del cratere, BN più in basso), le dimensioni più grandi del condotto di BG (5 metri di diametro) rispetto a quelli di BN (2,5 metri), la profondità del serbatoio di gas, fanno si che le temperature finali misurate alle fumarole così come i rapporti CO2/H2O restituiscano valori parzialmente differenti. Questo semplificando al massimo, per quanto abbiamo appreso. Quindi lo studio conferma che le anomalìe riscontrate nel sistema flegreo sono associabili a fenomeni ricorrenti di input magmatici e dalla loro interazione col sistema idrotermale. 

Ora, sebbene possano sfuggire le implicazioni importanti dello studio, è bene precisare che lo studio della geochimica delle fumarole dei vulcani è di fondamentale importanza nelle determinazione di scenari previsionali in quanto spesso il cambiamento dello stato di un vulcano da quiescente all'eruzione passa attraverso delle variazioni geochimiche delle fumarole.

Aggiungiamo Noi, non senza una vena polemica con chi dovrebbe finanziare la ricerca, che per il Vesuvio, ad esempio, esiste un sistema di monitoraggio delle acque di falda insoddisfacente. Ogni sei mesi il sezionale INGV di Palermo effettua delle misurazioni geochimiche su tale sistema. Per non parlare del mancato monmitoraggio dei sistemi idrotermali sottomarini collegati ai vulcani in zona Torre del Greco - Torre Annunziata - Ercolano. Siamo polemici perché è notorio come il Vesuvio presenta storicamente dei precursori specifici anche nel livello e composizione delle acque di falda.

Tornando allo studio in parola, per chi vuole approfondire, postiamo la traduzione di buona parte di esso effettuata con Google Translator rimandando alla lettura integrale.

Abbiamo preferito un approccio più pratico e semplicisito nel commento allo studio. Non ce ne vogliano gli autori e gli addetti ai lavori ma cerchiamo di veicolare informazioni a tutti i lettori.

Lo studio è totalmente gratuito e scaricabile sul sito Nature a questo link.

Il Gestore, Avv. Giuseppe D'Aniello

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Traduzione di parti dello studio effettuata con Google Transaltor:
"
Lo studio delle composizioni geochimiche e delle temperature di scarico delle fumarole è un metodo classico e adatto per monitorare l'attività di un vulcano2,3,4,5,6. Ciò può anche fornire la comprensione della transizione dalla quiescenza ai disordini e cosa spinge il sistema verso una potenziale eruzione. Infatti, le eruzioni sono spesso precedute da un aumento delle emissioni di gas e da variazioni nella composizione che possono essere monitorate facilmente alle bocche fumaroliche7,8 (Fig. 1c, d). Questi cambiamenti che possono essere percepiti sulla superficie generalmente derivano dall'aumento della pressione e / o della temperatura interna e / o dai cambiamenti nella composizione del serbatoio magmatico. Tali variazioni sono state osservate, ad esempio, prima e immediatamente dopo l'inizio dell'attività eruttiva a Mount St. Helens9, Monte Etna10, Stromboli11, Vulcano3 e Asama Volcano12.
Tuttavia, la composizione della firma di una fumarola non dipende solo dalla fonte magmatica, ma anche da altri processi che si verificano durante l'ascensione dei gas magmatici attraverso il sistema idrotermale13. In alcuni casi, le interazioni tra fluidi magmatici e idrotermali comportano pressurizzazione, che può portare a eruzioni freatiche o freato-magmatiche6,14. È quindi necessaria una comprensione e deconvoluzione di queste interazioni magmatico-idrotermali per definire meglio la firma magmatica associata ai disordini vulcanici.
Tuttavia, valutare la dinamica dei disordini rimane un compito impegnativo, specialmente per una caldera attiva di lunga durata15 con un sistema idrotermale pervasivo. La caldera dei Campi Flegrei è uno di questi sistemi vulcanici, ed era formata da due importanti eventi eruttivi avvenuti negli ultimi 40 ky16,17,18 (Figura 1a). La caldera si trova in un'area densamente popolata con ~ 360.000 abitanti. Ha mostrato chiari segni di agitazione dagli anni '50, con una tendenza accelerata osservata nell'ultimo decennio4. Ciò rappresenta anche una grande preoccupazione per i tre milioni di abitanti della vicina città di Napoli (Italia). Il rinnovamento dell'attività Campi Flegrei è guidato da ripetute iniezioni di fluidi magmatici nel sistema idrotermale4. Negli ultimi 65 anni, ciò ha portato a una progressiva pressurizzazione che ha generato un sollevamento totale cumulativo di circa 4 m19,20, insieme a migliaia di terremoti e all'ampliamento dell'area di degassamento8,21. Questa attività è concentrata principalmente sotto il vulcano Solfatara (Figura 1a).
Negli ultimi dieci anni sono stati effettuati numerosi studi multidisciplinari per l'immagine di questo cratere attivo. Diverse indagini di resistività elettrica22,23,24,25,26, tomografia sismica27,28,29 e studi petrofisici30,31 hanno inferito due principali strutture idrotermali della Solfatara: il pennacchio a dominanza liquida del pool di fanghi di Fangaia e il gas dominato area sotto le fumarole principali. Utilizzando la riflessione sismica, Bruno, et al.32 definirono il ruolo cruciale delle faglie e delle fratture nel controllo della circolazione idrotermale. Queste regioni permeabili creano un'ebollizione intensa della falda acquifera, che induce un significativo rumore sismico22,33 correlato ad un elevato degassamento e temperatura della CO2 del suolo23,26. Il vulcano Solfatara ospita due fumarole persistenti all'intersezione delle principali faglie NW-SE e NE-SW, note come Bocca Grande e Bocca Nuova. Queste due fumarole si trovano a circa 25 m di distanza e hanno mostrato distinte sigle geochimiche temporali negli ultimi 15 anni. Mentre la fumarola di Bocca Grande ha mostrato un aumento di temperatura, Bocca Nuova indica il raffreddamento del sistema (Fig. 1b, c, d). L'interpretazione delle loro variazioni geochimiche è ancora in discussione. Recenti modelli numerici4,34,35,36 mostrano che la decompressione dei fluidi magmatici crea una zona dominata dal vapore che è ricoperta da uno strato di condensazione del vapore. Questa condensa può avere un forte impatto sulla composizione fumarolica37,38, sebbene la sua influenza non sia mai stata quantificata. In effetti, fino ad oggi, non è stata realizzata alcuna immagine diretta e completa di un sistema di condotti fumarolici. Di conseguenza, molti studi hanno invocato ipotesi su larga scala sulla geometria e le proprietà di una struttura di alimentazione permeabile. Di conseguenza, le interazioni a bassa profondità tra condotti di fumarole e strati di vapore condensato sono state raramente considerate nel monitoraggio del vulcano.
In questo studio, presentiamo un approccio multifisico che consente l'imaging e la comprensione dell'anatomia superficiale di un sistema fumarolico. Innanzitutto, utilizziamo la precedente tridimensionale (3D) resistività elettrica ad alta risoluzione (ERT) 26 per distinguere il liquido dalle strutture dominate dal vapore. Individuiamo quindi le sorgenti di rumore acustico prodotto dalle interazioni tra il gas e i condensati liquidi per rivelare il sistema "idraulico" della fumarola.
La geometria della fumarola è stata quindi incorporata in un modello di flusso multifase 3D, che era vincolato da osservabili superficiali (cioè, temperatura, pressione e flussi di CO2 e H2O). Concludiamo che la miscelazione in prossimità della superficie tra gas e vapore condensato può influenzare fortemente sia la composizione geochimica che la temperatura delle fumarole. Le nostre scoperte definiscono innanzitutto una metodologia multi-geofisica per l'immagine dell'anatomia di un sistema fumarolico e, in secondo luogo, forniscono un modello fisico che può spiegare le variazioni spaziali nelle composizioni geochimiche delle fumarole attraverso le interazioni tra la superficie e la superficie.

Il modello di resistività ottenuto da 3D ERT ad alta risoluzione di Gresse, et al.26 (vedi Metodi, e Fig. S2 in SI) rivela la distribuzione poco profonda del fluido nel sistema fumarolico (Figg.2 e S4; per un modello di resistività dettagliato, vedere Gresse, et al.26). Un serbatoio di circa 25.000 m3 di volume dominato dal gas è identificato ~ 60 metri sotto Bocca Grande e Bocca Nuova (Figura 2a), corrispondenti a un volume chiuso resistivo (20-40 Ωm). Questo serbatoio è collegato allo sfiato Bocca Grande attraverso un canale resistivo di circa 10 m di spessore e almeno 30 m di lunghezza (figura 2b). Questa grande regione saturo di gas canalizza la vigorosa ascesa dei gas. È interessante notare che una geometria simile è stata descritta nel vulcano Kusatsu-Shirane (Giappone) di Mori, et al.39, che ha stimato la lunghezza del condotto della fumarola (25-40 m) utilizzando la risonanza acustica.

Apparendo come un corpo conduttivo (1-10 Ωm), una regione dominata dal liquido si sovrappone a questo serbatoio di gas. Questo strato è formato principalmente dalla condensazione del vapore in prossimità del suolo in regioni ad alta degasazione diffusa sui fianchi della Solfatara, come riportato da Gresse, et al.26. La condensa scende per gravità per raggiungere l'area fumarolica di Bocca Grande e Bocca Nuova, che si trova all'incrocio tra i versanti orientali e meridionali della Solfatara.

Oltre all'indagine sulla resistività, abbiamo implementato due piccoli array sismici per determinare se il trasferimento di gas nella fumarola e le loro interazioni con i fluidi di superficie producono segnali rilevabili. Sono stati rilevati tremori sismici coerenti nella banda di frequenza da 6 Hz a 8,5 Hz e abbiamo applicato tecniche di elaborazione del campo corrispondente (MFP) (vedere Metodi, Fig. S7 in SI e Film S1) per individuare le sorgenti di questo tremore idrotermale nel tempo. La maggior parte delle sorgenti acustiche si trova al di sotto di Bocca Nuova, lungo una struttura lineare di ~ 5 m di diametro e 25 m di lunghezza (che corrisponde alla risoluzione massima della profondità del rilevamento), con un angolo di 20 ° verso Ovest. Il modello di velocità ottenuto dall'inversione della curva di dispersione (Fig. 3, Fig. S6 in SI) indica un netto aumento della velocità a ~ 8 m di profondità, da 150 m s-1 a 250 m s-1. Questa posizione è coerente con il contrasto di resistività tra lo strato resistivo di 8-10 m di spessore sulla superficie (20-100 Ωm) e il corpo conduttivo sottostante (1-10 Ωm). Questa disparità è probabilmente dovuta al confine tra roccia porosa parzialmente ridotta a permeabilità di gas26,30 e strato di condensa associato a una regione più permeabile. Questo limite non si verifica nelle vicinanze della bocca di Bocca Nuova (Figure 2b e 3), dove il gas fuoriesce attraverso una regione altamente permeabile attorno al condotto fumarolico. Questa regione conduttiva può essere correlata all'acqua condensata formata vicino allo sfiato.
1.
Perché i canali Bocca Grande e Bocca Nuova hanno caratteristiche diverse in termini di resistività elettrica e presenza di tremori sismici?

2.
Qual è la struttura definita dalle sorgenti di tremore sotto la bocca di Bocca Nuova e quale tipo di processo può produrre tale rilascio di energia sismica?

3.
Come possono le distinzioni geofisiche spiegare le differenze nelle firme geochimiche tra Bocca Grande e Bocca Nuova?

Per indagare su queste domande, abbiamo studiato come le dimensioni e le posizioni di queste due prese d'aria possano indurre interazioni distinte con lo strato di condensato e come questo strato possa influenzare i segnali geochimici di entrambe le fumarole.
Il modello di resistività elettrica rivela un canale saturo di gas resistivo che collega Bocca Grande a un giacimento dominato dal gas a circa 60 m di profondità. Tuttavia, nessun canale simile è dedotto sotto Bocca Nuova. Un calcolo da modelli di resistività sintetica (figura S5 in SI) mostra che un canale resistivo riempito di gas incorporato in uno strato conduttivo non può essere risolto nei nostri esperimenti se il suo diametro è <5 m. Di conseguenza, è probabile che la differenza nel modello di resistività per le due prese d'aria provenga dalla maggiore dimensione di Bocca Grande, che alimenta un'area più grande di caldo e di degasaggio. Al contrario, Bocca Nuova ha un orifizio superficiale di pochi decimetri di larghezza.

Appena sotto la bocchetta di Bocca Nuova, il fuoco delle sorgenti di tremore sismico indica una struttura lineare allungata attraverso lo strato di acqua saturo conduttivo. Nei sistemi idrotermali, l'elevata energia acustica viene prodotta quando le sacche di vapore si cavitano in acqua sottopavimento 40,41,42,43,44. Consideriamo che la bollitura e la cavitazione avvengono attorno al condotto caldo di Bocca Nuova. La fonte acustica rappresenta l'interfaccia di ebollizione tra il flusso verticale di gas all'interno del condotto e l'H2O condensato circostante. Questo condotto è chiaramente distinguibile in questi dati sismici, anche se la sua esatta posizione in profondità può essere spostata di pochi metri (vedere le incertezze del modello in Metodo e Fig. S8 in SI).

È interessante notare che non sono state rilevate significative sorgenti di tremore sismico intorno alla fumarola di Bocca Grande (film S1 in SI). Il numero limitato di geofoni non può spiegare l'assenza di fonti coerenti. Infatti, diversi studi che utilizzano il metodo MFP45,46 hanno dimostrato che le sorgenti acustiche possono essere recuperate con precisione ai margini degli array sismici. La fumarola di Bocca Grande si trova in un'area dove ci sono diverse prese d'aria che rappresentano fonti distribuite (vedi Fig. 1b). Queste diverse fonti limitano l'uso della tecnica MFP, poiché la coerenza di fase tra le stazioni non viene più soddisfatta. Pertanto, non è possibile recuperare con precisione singoli eventi vicino a questa fumarola.

Infine, l'interpretazione congiunta del modello di resistività e la localizzazione della sorgente acustica ci permettono di dedurre che Bocca Grande e Bocca Nuova sono effettivamente collegate allo stesso giacimento di gas superficiale attraverso due condotti distinti lunghi circa 30 m. I due percorsi del gas sono comunque diversi. Il flusso di Bocca Grande non presenta sorgenti localizzate, il che suggerisce una piccola interazione con uno strato liquido, mentre il percorso del gas di Bocca Nuova mostra chiaramente le interazioni tra il flusso di gas e la condensa liquida.

Per esplorare la coerenza del modello geofisico con le osservazioni geochimiche alle due prese d'aria, abbiamo eseguito simulazioni numeriche. Lo scopo era determinare se l'interazione tra il canale di Bocca Nuova e lo strato di condensato potesse spiegare sia la sua temperatura inferiore sia il rapporto di massa CO2 / H2O.

La geometria del flusso a due fasi ottenuta dal modello di resistività e la posizione della sorgente acustica (figura 2b) è stata utilizzata per creare simulazioni numeriche del sistema fumarolico utilizzando il codice TOUGH 247 e per studiare il trasferimento multifase di calore e flusso della CO2 - Miscela di H2O (vedi metodi). Il modello 3D replica la struttura di alimentazione fumarolica a 60 m di profondità, con lo stesso serbatoio dominato dal gas che alimenta le condotte Bocca Grande e Bocca Nuova (Fig. 4). Sulla base della conoscenza della temperatura fumarolica superficiale, della pressione e della composizione, consideriamo che il gas in questo serbatoio è a pressione idrostatica (6 bar) e contiene una miscela di CO2 e H2O con rapporto di massa 0,375 e un'entalpia di 1,7 × 105 J kg-1 CO2 e 2.8 × 106 J kg-1 rispettivamente (figure 4 e 5).
Per riprodurre le osservazioni alle prese d'aria (tassi di flusso di CO2 e H2O e temperatura48), l'afflusso di giacimento di gas al condotto è limitato dalla simulazione numerica che richiama le proprietà della roccia ottenute dalle misurazioni sul campo (testo S1 in SI) e sono coerenti con i valori di letteratura34, 36,49,50,51. Inoltre, applichiamo condizioni al contorno per replicare la parte superiore del serbatoio del gas, a ~ 158 ° C, e simulare l'acqua condensata che scorre verso ovest attraverso i condotti delle due fumarole. Frecce verdi, flusso di gas principale; frecce bianche

Il modello della struttura di alimentazione fumarolica mostra che Bocca Grande rilascia ~ 129 tonnellate e ~ 345 tonnellate di CO2 e H2O, rispettivamente, al giorno a 160,7 ° C, mentre Bocca Nuova rilascia ~ 38 tonnellate e ~ 103 tonnellate di CO2 e H2O, rispettivamente , al giorno a 146,6 ° C (Figure 1c e 4). La miscela in aumento di CO2 e H2O crea due regioni saturi di gas all'interno dei condotti Bocca Grande e Bocca Nuova, con una leggera sovrapressione (+1 × 104 Pa) nelle parti superiori (figura S10 in SI). La composizione di Bocca Grande è uguale a quella del giacimento di gas, con un rapporto di massa CO2 / H2O di 0,375, mentre per Bocca Nuova il rapporto è inferiore, a 0,369. Le differenze di temperatura sono dovute all'H2O condensato che entra nel condotto di Bocca Nuova, diminuendo il suo rapporto di massa CO2 / H2O di ~ 2% e la sua temperatura di ~ 9% (Fig. 5 e Fig. S11 in SI). Le interazioni tra i fluidi idrotermali e la condensa superficiale o l'acqua meteorica influenzano la temperatura più del rapporto di massa CO2 / H2O a causa dell'alto calore latente di H2O. La maggiore concentrazione di H2S e CH4 a Bocca Grande rispetto a Bocca Nuova (Fig. S1 in SI) potrebbe riflettere i processi di ossidazione vicino alla superficie di Bocca Nuova che sono favoriti dall'aggiunta di H2O poco profondo contenente ossigeno atmosferico38,52. Il δD sistematicamente più alto per Bocca Grande rispetto a Bocca Nuova (Fig. S1 in SI) suggerisce che l'acqua bassa entra nei canali fumarolici di Bocca Nuova principalmente come vapore, che è impoverito nel deuterio a causa del frazionamento, piuttosto che come nella fase liquida . Le interazioni trascurabili con l'acqua condensata circostante a Bocca Grande possono essere spiegate dal suo maggiore flusso degassante (circa il triplo di quello di Bocca Nuova), dal raggio più grande della sua bocca e dalla sua maggiore altezza (la pressione alla base della Bocca Il grande condotto è un po 'più alto della pressione idrostatica, mentre a Bocca Nuova è un po' al di sotto della pressione idrostatica).

Questi dati indicano che la miscelazione superficiale può influenzare significativamente la temperatura e le proprietà geochimiche delle emissioni di fumarole. Inoltre, forniscono un modello concettuale dell'anatomia di una fumarola che può ora essere trasposta in altri campi fumarolici (Fig. 6)."