FIRST

FIRST - Previsione dell’attività eruttiva dello Stromboli: tempistiche, stile eruttivo, dimensione, intensità e durata

Sonia Calvari

Obiettivi - Il progetto FIRST rappresenta la naturale prosecuzione di diversi progetti precedenti finalizzati allo studio dello Stromboli: Hazard at Stromboli volcano (2000- 03); Monitoring and Research Activity at Stromboli and Panarea (2005-07); Paroxysm (2007- 09); Centro di Pericolosità Vulcanica (CPV, Allegato B2 2016 e 2017). In accordo con la missione dell’INGV, questo progetto vuole migliorare la capacità della comunità scientifica di prevedere l’attività eruttiva dello Stromboli in termini di variazioni dello stile eruttivo e di scala dell’eruzione futura attesa sulla base dei dati di monitoraggio e di altre osservazioni geofisiche e geochimiche. In particolare si propone di definire lo stato del vulcano distinguendo tra livello di base ed attività eccezionali, quali ad esempio esplosioni violente, parossismi o eruzioni laterali, combinando insieme i dati di monitoraggio delle reti INGV con dati satellitari e modellizzazioni numeriche della propagazione di magma e gas. Diversi studi recenti hanno mostrato la possibilità di realizzare a Stromboli un sistema di allerta con un anticipo di qualche minuto per le eruzioni esplosive parossistiche e di ore o giorni per l’attività effusiva. Questi risultati si basavano sull’analisi dei dati di monitoraggio, soprattutto sismicità, infrasuono, deformazione del suolo, geochimica dei fluidi e termografia da terra e da satellite. Raramente però questi segnali sono stati analizzati in maniera congiunta, a scapito di una comprensione e modellizzazione globale del sistema di alimentazione superficiale e della velocità di risalita del magma ricco in gas dalla zona profonda del sistema di alimentazione magmatico. In questo progetto desideriamo integrare i dati di monitoraggio geochimico con misure discrete ad alta frequenza, necessarie per vincolare i processi di degassamento e per analizzare e confrontare i dati geochimici insieme ai segnali geofisici. Analizzeremo dati multidisciplinari di monitoraggio focalizzando l’attenzione sull’analisi di possibili precursori, per sviluppare un modello del comportamento osservato e cercare di applicarlo ad un sistema di allerta. Un’analisi comprensiva dei dati di monitoraggio associata alla modellizzazione numerica della risalita delle bolle e della propagazione del gas attraverso l’edificio vulcanico contribuirà a consolidare il modello concettuale di funzionamento del sistema di alimentazione superficiale dello Stromboli e insieme vincolare il tempo di risalita del magma ricco in gas dalla zona sorgente. Le campagne geochimiche di misure discrete del rapporto 3He/4He nelle fumarole e nelle acque termali verrà confrontato con le stesse misure effettuate nelle inclusioni fluide dei minerali, con l’intensità e la distribuzione areale della CO2 e del flusso di calore, e con la misura del contenuto molecolare di H2O, CO2, ed SO2 nel pennacchio gassoso. Verranno effettuate misure ad alta frequenza (ogni 5 minuti) del gas radon dal suolo in un sito prossimo alla sommità del vulcano insieme alla raccolta di dati meteorologici. La modellizzazione e l’analisi dei dati di monitoraggio pregressi verranno integrati con lo studio di terreno dell’eruzione laterale più recente avvenuta a Stromboli fuori dalla Sciara del Fuoco verso l’anno 100 d.C. (± 100). Questa eruzione (conosciuta come colata di San Bartolo) è stata coeva alla deposizione delle piroclastiti note come “Lower Sequence”. I prodotti esplosivi ed effusivi di questo periodo forniranno indicazioni sulla transizione alla attività persistente ed al sistema di alimentazione, che osserviamo attualmente caratterizzato dalla coesistenza di magmi ricchi in gas e poveri in cristalli (pomici bionde) e magmi degassati e ricchi in cristalli (scorie brune). Ci basiamo sul lavoro di Calvari et al. (2011) per realizzare un rilievo geologico di grande dettaglio della porzione subaerea del campo lavico dell’eruzione di San Bartolo con lo scopo di definire la durata dell’eruzione, il volume eruttato e i processi eruttivi di questa eruzione tipo, aggiungendo anche nuove datazioni. Lo scopo è quello di ottenere il volume del magma eruttato, ricostruire la sua morfologia, estensione e la sequenza degli eventi, lo stile eruttivo, la durata e valutare la pericolosità di questo evento. Questo studio sarà completato con la caratterizzazione petrologica e composizionale della “Lower Sequence” e dei prodotti lavici per ricostruire la velocità e le modalità della risalita del magma ed il suo stazionamento nella crosta. Le analisi stratigrafiche, composizionali e petrologiche e nuove datazioni su campioni selezionati delle carote perforate al COA e a Timpone del Fuoco (TDS) permetteranno di valutare la frequenza di accadimento e la pericolosità di questi eventi nel passato. Pur essendo rare, le eruzioni laterali al di fuori della Sciara del Fuoco sono possibili, e nel 1994 l' intrusione di un dicco laterale che non ha raggiunto la superficie è stato rilevato con le deformazioni del suolo (Bonaccorso 1998). Un ruolo importante in questo progetto verrà attribuito all’analisi dei dati di deformazione del suolo derivanti dalle reti INGV di GNSS, tilt e dilatometri. Questi sono i solo strumenti capaci di seguire l’intero processo di risalita del magma dalla sorgente alle manifestazioni eruttive del vulcano, come l’intrusione di dicchi (Bonaccorso, 1998; Mattia et al., 2008), la deflazione successiva ad eventi eruttivi (Bonaccorso et al., 2007), l’apertura di fratture e l’attività parossistica (Mattia et al., 2004; Bonaccorso et al., 2012; Giudicepietro et al., 2020; Di Lieto et al., 2020), e gli eventi effusivi (Bonaccorso et al., 2009). Inoltre i dati raccolti dalle reti di deformazione del suolo sono tra quelli più estesi temporalmente e più completi (la rete di tilt è attiva dal 1992; quella di GNSS dal 1997). Questo progetto rappresenta un'importante opportunità per: 1) verificare tutte le sequenze temporali registrate finora; 2) procedere, laddove necessario, con una generale rianalisi di tutti i dati GNSS esistenti seguendo l’attuale stato dell’arte ed una procedura unica; 3) definire ogni possibile segnale precursore associato ad: a) attività effusiva; b) attività parossistica; c) variazione dello stato di attività del vulcano. Lo scopo finale è quello di proporre un nuovo modello delle sorgenti attive durante le principali fasi di deformazione registrate dalle reti di monitoraggio attraverso l’utilizzo di software per le inversioni analitiche e agli elementi finiti. Verrà anche effettuato un confronto tra la sorgente vulcanica modellizzata con le deformazioni del suolo e con la tomografia. Useremo a tal fine i dati raccolti durante la crociera TOMOETNA (Coltelli et al., 2016) per ottenere un modello tomografico tridimensionale migliorato dello Stromboli e del suo sistema di alimentazione. Questi dati comprendono tre anelli concentrici di rilievi sismici intorno al cono di Stromboli e ancora non sono stati usati per un modello ad alta risoluzione dell’intero edificio vulcanico e delle sue radici fino alla Moho.

FIRST - ForecastIng eRuptive activity at Stromboli volcano: Timing, eruptive style, size, intensity, and duration

Sonia Calvari

Activity Objectives - The FIRST proposal builds upon several previous projects: Hazard at Stromboli volcano (2000- 03); Monitoring and Research Activity at Stromboli and Panarea (2005-07); Paroxysm (2007- 09); Volcanic Hazard Centre ("Allegato B2" 2016 and 2017). Consistently with the terms of reference and the INGV mission, the project is aimed at improving the ability of the scientific community to forecast the Stromboli behaviour in terms of changes in the eruptive style and scale of the future expected eruption, basing on the monitoring data and on geophysical and geochemical observables. In particular, it is aimed at defining the state of the volcano, distinguishing between background activity and exceptional eruptions (such as violent explosions, paroxysms or flank eruptions), combining together the monitoring data from the INGV networks, satellite data and the numerical modelling of gas and magma propagation. Several recent studies have highlighted the possibility to activate early warning systems at Stromboli, in advance of a few minutes for explosive paroxysmal eruptions and of a few hours to days for effusive activity. These findings are based on the analysis of monitoring data, primarily seismicity, infra-sounds, ground deformation, fluid geochemistry, and thermal imaging from ground and satellite. However, these signals were rarely investigated all together, thus neglecting a comprehensive understanding and modelling of the shallow supply system and of the speed of upward movement of the gas-rich magma batch from the source region. We propose to integrate geochemical monitoring data with high-frequency measurements, necessary to better constrain the degassing process and to jointly analyse both geochemical and geophysical signals. In the present project, we will analyse multi-disciplinary monitoring data focusing on the analysis of possible precursory signals to develop a model for the observed behaviour, in order to exploit that insight into an early warning system. A comprehensive data analysis associated with numerical modelling of slug ascent and gas propagation through the volcanic edifice, will contribute to consolidating the conceptual model of Stromboli’s shallow supply system and to constrain the time scale of gas-rich magma ascent from the source region. The geochemical campaigns will include measurements of the 3He/4He ratios in fumaroles and thermal waters, to be compared with the same measurements in fluid inclusions of minerals, the intensity and areal distribution of CO2 and heat flux, and the detection of molecular content of H2O, CO2, and SO2 in the plume. High-frequency (5 minutes) measurements of soil gas radon will be performed in a site close to the volcano summit, together with the main meteorological parameters. Modelling and data analysis of past and new monitoring data will be complemented by the field characterisation of the most recent flank eruption that occurred at Stromboli, outside the Sciara del Fuoco ~AD 100 ± 100. This eruption was contemporary to the Lower Explosive Sequence when no golden pumices yet erupted. We build upon the previous work (Calvari et al. 2011) by carrying a detailed geological survey of the subaerial San Bartolo lava flow field, aiming to define the timing, volume and modalities of occurrence of this test-case eruption, adding also new dating. We aim to obtain a reliable volume of the erupted material, its morphology and extension, reconstructing the sequence of events, eruptive style, duration and hazard. This study will be integrated by the petrologic and compositional characterisation of the Lower Sequence (pyroclastics) and of the lava products, to address the speed and the modalities of magma ascent and its stationing within the crust. Stratigraphic, compositional, petrological analyses, and new dating on selected samples taken from the COA and TDF well-cores, will allow to obtain the frequency and the hazard of these events in the past. Although rare, flank eruptions outside the Sciara are likely, and in 1994, an attempt of lateral dike intrusion was documented by ground deformation (Bonaccorso 1998). An important role in this project will be devoted to the analysis of ground deformation data from INGV networks: GNSS, tilt and strainmeter data. These are the only instruments able to follow the entire spectrum of the magma supply process from the depth to the explosive or effusive manifestations of the volcano, such as dike intrusion (Bonaccorso, 1998; Mattia et al., 2008), deflation following effusive activity (Bonaccorso et al., 2007), fracture opening and paroxysmal activity (Mattia et al., 2004; Bonaccorso et al., 2012; Giudicepietro et al., 2020; Di Lieto et al., 2020), and effusive activity (Bonaccorso et al., 2009). Moreover, the data collected from the ground deformation networks are between the longest and most complete (tilt network active since 1992; GNSS network since 1997). In this sense, this project is probably the best possibility to: 1) verify all the time series collected; 2) where necessary, proceed with a general reprocessing of all the GNSS collected data following the state-of-the-art and a unique procedure; 3) define any possible precursory signal associated to: a) effusive activity; b) paroxysmal activity; c) impending unrest. Finally, a proposal of new improved models of the sources active during the main episodes recorded by ground deformation networks, will be performed with appropriate software for analytic and finite elements inversions. A tight connection between the volcanic source modelled using ground deformation data and tomography, will be also attempted. In this project, we will use all the data collected during the TOMOETNA cruise (Coltelli et al., 2016), in order to obtain a new improved 3D tomographic model of Stromboli and of its feeding system. These data comprise a three-ring seismic survey all around the Stromboli cone, and they haven’t yet been used for a high-resolution model of the whole volcanic edifice and its root in the Moho.