UNO

UNO: UNderstanding the Ordinary to forecast the extraordinary: An integrated approach for studying and interpreting the explosive activity at Stromboli volcano.

https://progetti.ingv.it/uno-stromboli

Piergiorgio Scarlato

Attività e obiettivi

L'attività ordinaria di Stromboli, caratterizzata da esplosioni che lanciano balistici fino a poche centinaia di metri di altezza, si alterna ad attività più pericolose, tra cui colate laviche ed esplosioni maggiori o parossistiche con pennacchi eruttivi che possono raggiungere diversi chilometri di altezza. Nei documenti storici e nei casi recenti dal 2002 al 2019, i cambiamenti dell'attività ordinaria hanno preannunciato l'inizio di crisi eruttive che includevano eventi pericolosi. Finora, questi cambiamenti sono stati documentati da precursori relativi principalmente alla frequenza, all'intensità e alla sorgente delle esplosioni, e registrati dalle reti continue di video-sorveglianza e di monitoraggio geofisico. Tuttavia, anche le proprietà del magma, la geometria del condotto e la loro relazione con le dinamiche esplosive sono aspetti rilevanti dell'attività ordinaria, ma sono stati studiati solo in modo frammentario, nonostante il loro potenziale per rispondere a domande fondamentali, in particolare: quali sono i cambiamenti nel sistema magmatico superficiale che anticipano le esplosioni parossistiche e le colate di lava? E a che scala temporale si verificano? La caratterizzazione delle particelle di cenere emesse a Stromboli durante l'attività ordinaria ha evidenziato che quando l'intensità delle esplosioni aumenta, il materiale frammentato diventa più fluidale e vetroso rispetto ai periodi con attività esplosiva di bassa intensità, caratterizzati dall'emissione di clasti fluidali e densi di tipo “blocky”. Ciò è correlato ai meccanismi di frammentazione del magma, che sono influenzati dalle proprietà fisiche e chimiche del magma (o dall'arrivo di nuovo magma) e dalla sua velocità/tasso di risalita. A loro volta, le variazioni del livello del magma e la frequenza esplosiva controllano l'evoluzione morfologica della terrazza craterica. Una investigazione completa dell'attività ordinaria richiede pertanto l'integrazione di dati provenienti da diverse fonti, al fine di ottenere parametri oggettivi e misurabili da considerare nella definizione dell'attività ordinaria. Tale definizione è necessaria per identificare i prodromi di una transizione verso un’attività più pericolosa. L'obiettivo generale di questo progetto è ampliare la comprensione dell'attività ordinaria e la sua relazione con gli stili eruttivi più pericolosi.

Saranno portati avanti tre principali settori di ricerca: 1) caratterizzazione fisica e modellizzazione dell'attività esplosiva e del degassamento; 2) studi tessiturali e petrochimici dei prodotti eruttati; 3) analisi morfologica della terrazza craterica e delle aree circostanti. Per ognuna di queste tematiche, verranno sviluppate e applicate nuove metodologie. La chiave del successo del progetto sarà la raccolta di dati integrati ad alta risoluzione spaziale e temporale dai tre tipi di ricerca e le loro analisi congiunte in un database condiviso. Le scale temporali conformi ai cambiamenti dei precursori saranno esplorate effettuando raccolte sistematiche di dati alla scala di giorni-mesi, integrate con campagne intensive di raccolta dati con acquisizione continua attraverso procedure semi-automatiche in condizioni di sicurezza.

Per indagare le dinamiche esplosive, durante il progetto verranno: 1) intensificate le campagne multiparametriche e sviluppato un sistema di imaging semi-automatico per registrazioni continue di lunga durata; 2) installate una nuova serie di microfoni infrasonici e acustici, collegati e implementati alla rete di monitoraggio geofisica esistente; 3) implementate un sensore a ultrasuoni che può rivelare cambiamenti nel rilascio di gas, generazione di sovrappressione e cambiamenti nelle proprietà reologiche/meccaniche delle rocce nell'area craterica; 4) studiate la composizione chimica dei gas magmatici tra e durante le esplosioni mediante spettrometria OP-FTIR e nuove telecamere UV ad alta velocità. Queste nuove indagini multiparametriche aumenteranno le possibilità di catturare le transizioni tra stili ed energia eruttivi e forniranno un database più robusto per la correlazione incrociata di parametri differenti. I dati osservati forniranno modelli di flusso multifase che consentiranno di studiare i possibili scenari esplosivi attesi.

Saranno studiati tre aspetti dei prodotti eruttivi: 1) analisi morfologiche e tessiturali (es. parametri di forma, cristalli e contenuto di bolle), 2) sali solubili contenenti S, Cl, e F che aderiscono alla superficie delle particelle di cenere, e 3) analisi chimiche e micro-tessiturali su vetri e minerali per comprendere l'evoluzione del sistema di alimentazione superficiale in termini di variazioni a breve termine delle caratteristiche del magma (ad esempio, chimica, mixing, mingling, contenuto di sostanze volatili). L’insieme di queste indagini verranno utilizzate per studiare le variazioni sin-eruttive del magma all'interno del condotto e la sua frammentazione, e per identificare le principali variazioni tessiturali o chimiche nel tempo che possono essere utili indicatori di una transizione dallo stato di attività ordinaria verso eventi potenzialmente pericolosi. Una raccolta frequente dei prodotti eruttati è fondamentale per investigare variazioni a breve termine dei processi che portano ad esplosioni violente e per definire differenti livelli dell'attività ordinaria. I cambiamenti morfologici della terrazza craterica e della Sciara del Fuoco a seguito di processi primari (colate laviche, depositi di caduta, flussi piroclastici) o secondari (instabilità gravitazionali, subsidenza, lahar) saranno identificati e quantificati più volte all'anno, attraverso modelli digitali del terreno ad elevata risoluzione spaziale e temporale in grado di fornire topografie aggiornate dell'intera area di studio.

A tal scopo, applicheremo tre tecniche di telerilevamento che, opportunamente integrate o combinate, consentiranno di riprodurre in modo sistematico l'ambiente vulcanico e sui suoi cambiamenti nel tempo: 1) Acquisizione satellitare Pancromatica e Multispettrale in modalità stereo; 2) LiDAR (Light and Detection Ranging); 3) UAV-SfM (Unmanned Aerial Vehicles - Structure from Motion).

Le tre tecniche, essendo complementari in termini di accuratezza, risoluzione spaziale, copertura areale e frequenza di ripetizione, assicureranno la mappatura e l’analisi dei cambiamenti della terrazza craterica e della Sciara del Fuoco a scala spaziale e temporale multipla. Dati morfologici e parametri eruttivi saranno inoltre utilizzati per inizializzare modelli numerici 3-D sulla dispersione delle bombe balistiche. Il carattere multidisciplinare di questo progetto sarà valorizzato dalla realizzazione di un database che assicuri la “interoperabilità”. L'esplorazione del database con metodi “big data” consentirà di scoprire nuove relazioni tra processi eruttivi, proprietà del magma e morfologia del vulcano, e anche di identificare i precursori più promettenti dei cambiamenti degli stili di attività. I risultati di questa ricerca saranno importanti per le implementazioni future del sistema di monitoraggio del vulcano Stromboli.

Elenco dei WP e nominativi dei responsabili

WP1. Physical and chemical parameterisation of the explosive activity (E. Del Bello)

WP1a. physical parameterisation through imaging 

WP1b. Physical parameterisation through acoustics

WP1c. Degassing parameterisation through FTIR and UV imaging 

WP1d. 3D numerical simulations of explosive eruptions at Stromboli: from parametrisation back to observation

WP2. Textural and petrochemical studies of the eruption products (D. Andronico)

WP2a. Ash sampling strategies

WP2b. Ash-leachates as a proxy for gas plume composition 

WP2c Micro-textural and chemical monitoring of eruptive products

WP3 Morphological changes and remote observation of volcanic activity (T. Ricci)

WP3a. Panchromatic and Multispectral Satellite data 

WP3b. Airborne LiDAR data

WP3c. UAVs

WP3d. 3D numerical simulations of ballistic trajectories at Stromboli

    WP4 Data management plan (M. Bisson)

Elenco delle UR e del personale afferente

The project is scientifically organised in a Project Management Team and four Working Packages. For administrative and financial purposes, the project is organised in three Research Units whose INGV headquarters are ROMA1 (RU1), OSSERVATORIO ETNEO (RU2), PISA (RU3).

UNO: UNderstanding the Ordinary to forecast the extraordinary: An integrated approach for studying and interpreting the explosive activity at Stromboli volcano.

Piergiorgio Scarlato

Activity and Objectives

At Stromboli volcano, the ordinary activity with explosions that eject ballistics up to a few hundred metres high, alternates with more hazardous activities, including lava flows and major or paroxysmal explosions, with eruption plumes up to several kilometres high. In historical records and recent cases from 2002 to 2019, changes in the ordinary activity heralded the onset of eruptive crises that included hazardous events. So far, precursory changes in the ordinary activity have been documented mainly concerning the frequency, intensity, and source location of the explosions, as recorded by the continuous visual and geophysical monitoring network. However, magma properties, conduit geometry, and their relationship with the explosion dynamics are relevant aspects of the ordinary activity, but have only been investigated spottly, despite their potential for answering key questions such as: what changes in the shallow plumbing system anticipate paroxysmal explosions and lava flows? And on what time scales?

Characterisation of ash particles emitted at Stromboli during ordinary activity, highlighted that when the intensity of the explosions increases, the fragmented material becomes more fluidal and glassy with respect to periods of low-intensity activity, characterised by the emission of both fluidal and dense, blocky clasts. This is related to the mechanisms of magma fragmentation, which are influenced by the physical and chemical properties of the magma (or the arrival of new one) and its ascent rate/flux. In turn, changes in magma level and explosion rates control the morphological evolution of the crater terrace. Fully exploring ordinary activity requires the integration of data from different sources, in order to obtain objective and measurable parameters to be considered in the definition of the ordinary activity. Such a definition is required to identify the prodromes of a transition to more hazardous activity. 

The overarching goal of this project is to push forward our understanding of the ordinary activity and its nexus with the more hazardous activity styles. Three key approaches will be pursued: 1) physical characterisation and modelling of the explosive activity and degassing; 2) textural and petrochemical studies of the erupted products; 3) morphological analysis of the crater terrace and surroundings. For each and all of the approaches, new methodologies will be developed and applied. Key to the success of the project will be the collection of integrated high spatial and temporal resolution data from all approaches and their joint analyses in a shared database. The appropriate time scales of the precursory changes will be explored by performing systematic data collections at the days-months scale, integrated with intensive data collection campaigns of continuous acquisition, through semi-automated and safe procedures.

To investigate explosion dynamics, we will: 1) intensify multiparametric field campaigns and develop a semi-automatic imaging system for longer continuous recording; 2) deploy a new set of infrasonic and audible microphones, linked to and implementing the existing geophysical monitoring network; 3) deploy ultrasonic sensor that may reveal changes in gas release, overpressure generation, and changes in the rheological/mechanical properties of the rocks in the crater area; 4) study the chemical composition of magmatic gases between and during explosions by OP-FTIR spectrometry and new, high-speed UV cameras. These new multiparametric investigations will increase the chances to capture transitions between eruptive styles and energy and provide a more robust database for cross-correlating different parameters. Observational data will feed multiphase flow models that will allow studying possible expected explosive scenarios.

Three aspects of eruptive products will be investigated: 1) morphological and textural analyses (e.g., shape and crystals and bubble content), 2) soluble S-, Cl-, F-bearing salts adhering to ash surfaces, and 3) micro-textural and chemical analyses on glasses and minerals to understand the evolution of the shallow plumbing system, in terms of short-term variations of magma features (e.g., chemistry, mixing, mingling, volatiles content). These combined investigations will be used to study syn-eruptive magma variations within the conduit and fragmentation, and to identify key textural or chemical variations in time that can be useful indicators of a departure from the ordinary activity state to potentially hazardous events. A frequent collection of the erupted products is pivotal to resolve short-time scale variation of the processes, leading to violent explosions and to define different levels of the ordinary activity. 

Morphological changes of the crater terrace and on the Sciara del Fuoco following primary (lava flows, fall out deposits, pyroclastic flows) or secondary processes (gravitational instabilities, subsidence, lahars), will be quantified several times per year producing digital topographic models at large spatial and temporal scales and covering the entire area of interest. We will apply three remote sensing technologies that, properly integrated or combined, will allow systematic investigations on the volcanic environment and its changes through time: 1) Panchromatic and Multispectral Satellite acquisition in stereo-mode; 2) airborne LiDAR (Light and Detection Ranging); 3) UAVs-SfM (Unmanned Aerial Vehicles- Structure from Motion). The three techniques are complementary in their accuracy, precision, area coverage, and repetition rate, and together will detail changes at multiple scales. Morphological data and eruption parameters will initialise 3-D numerical models on the dispersion of ballistic bombs.

The multidisciplinary character of this project will be valued by the implementation of an interoperable database. Exploring the database with big data methods will allow discovering new links between eruptive processes, magma properties and volcano morphology, and also identifying the most promising precursors to changes in activity styles. The results of this research will be key for future implementations of the monitoring system of Stromboli volcano.

Elenco dei WP e nominativi dei responsabili

WP1. Physical and chemical parameterisation of the explosive activity (E. Del Bello)

WP1a. physical parameterisation through imaging 

WP1b. Physical parameterisation through acoustics

WP1c. Degassing parameterisation through FTIR and UV imaging 

WP1d. 3D numerical simulations of explosive eruptions at Stromboli: from parametrisation back to observation

WP2. Textural and petrochemical studies of the eruption products (D. Andronico)

WP2a. Ash sampling strategies

WP2b. Ash-leachates as a proxy for gas plume composition 

WP2c Micro-textural and chemical monitoring of eruptive products

WP3 Morphological changes and remote observation of volcanic activity (T. Ricci)

WP3a. Panchromatic and Multispectral Satellite data 

WP3b. Airborne LiDAR data

WP3c. UAVs

WP3d. 3D numerical simulations of ballistic trajectories at Stromboli

     WP4 Data management plan (M. Bisson)

List of UR and related personnel

The project is scientifically organised in a Project Management Team and four Working Packages. For administrative and financial purposes, the project is organised in three Research Units whose INGV headquarters are ROMA1 (RU1), OSSERVATORIO ETNEO (RU2), PISA (RU3).