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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)."