IMPACT

IMPACT: un approfondimento multidisciplinare sulla cinematica e dinamica dei processi magmatici al monte Etna finalizzato alla individuazione di fenomeni precursori e allo sviluppo di sistemi di allerta rapida

Coordinatore: Eugenio Privitera

Obiettivi del progetto

Il progetto consiste in due work package (WP). Il primo è volto a migliorare la conoscenza delle parti intermedie e profonde del sistema di alimentazione dell’Etna, il secondo mira al rilevamento e alla caratterizzazione di anomalie nelle serie temporali dei dati di monitoraggio, l'identificazione di fenomeni precursori delle eruzioni e lo sviluppo di sistemi di allerta rapida. In dettaglio, partendo dall'attuale stato dell'arte dei sistemi di monitoraggio e delle conoscenze di base, il WP1 è dedicato al miglioramento delle conoscenze sulla struttura, sulla dinamica del vulcano e sul loro rapporto tra l'attività vulcanica e tettonica su larga e piccola scala, sia nel tempo che nello spazio. Il WP2 si occupa della definizione, caratterizzazione e rilevamento di segnali strumentali che possono essere interpretati come precursori e/o indicatori per la valutazione della pericolosità vulcanica, indagando anche sulla loro significatività e affidabilità. I risultati ottenuti nel WP1 saranno integrati nel WP2 al fine di inquadrare pattern e anomalie in un modello condiviso dell'attività vulcanica.

Gli obiettivi del WP1 sono:

• migliorare la conoscenza della struttura interna del vulcano e indagare sull’assetto tettonico che governa e controlla la risalita di magma ricco di volatili, dalla profondità alla superficie del vulcano;
• migliorare la conoscenza e la ricostruzione della topografia del basamento;
• sperimentare nuovi approcci metodologici e innovazioni nelle reti di rilevamento per colmare le lacune nella conoscenza sullo stato di stress del basamento. I nuovi dati acquisiti consentiranno: (i) di analizzare le variazioni di stress regionali che potrebbero favorire la risalita del magma lungo strutture specifiche, innescando e controllando lunghi cicli eruttivi; (ii) studiare le variazioni di stress che accompagnano le fasi di inflazione e deflazione dell'edificio e (iii) esplorare l'effetto della risalita del magma sulle strutture tettoniche regionali;
• produrre modelli innovativi (analitici e analogici, statici e dinamici) unendo i dati multiparametrici esistenti raccolti sull’Etna e i nuovi dati prodotti nel corso del progetto. I modelli integrati consentiranno di definire meglio le dinamiche di controllo della sismogenesi e del vulcanismo e la stretta relazione esistente tra geodinamica regionale, stress locale e attività vulcanica;
• migliorare la conoscenza della dinamica dei fianchi del vulcano e i processi di feedback tra lo spreading gravitazionale e l’attività vulcanica, con particolare riferimento alle intrusioni di dicchi e alle eruzioni laterali, nonché alla geometria delle faglie, alla loro cinematica e ai processi di creep.
• comprendere la relazione tra le dinamiche magmatiche pre- e sin-eruptive nel sistema di alimentazione, attività vulcanica e tettonica, che consentirà di implementare modelli innovativi del controllo strutturale sulle dinamiche vulcaniche. La base di conoscenza e d’informazione risultante, saranno integrate e sfruttate nel WP2, per il miglioramento della valutazione del hazard e la mitigazione dei rischi sismico e vulcanico.

Gli obiettivi del WP2 sono:

• superare l'attuale valutazione qualitativa dello stato di attività dell'Etna, collegando i processi magmatici con gli osservabili geofisici e geochimici, unitamente alle conoscenze e alle informazioni sulla struttura e sulla dinamica fornite dal WP1 ;
• effettuare l'analisi statistica delle serie temporali per definire livelli di soglia e sviluppare un sistema automatico per la valutazione dell’ "Indice quotidiano di pericolosità" come strumento di supporto ai processi decisionali.
• svolgere simultanee analisi quantitative multiparametriche su tutti gli osservabili disponibili, nel dominio spazio-tempo-energia, con particolare riferimento ai periodi pre-eruttivi, a scale temporali differenti (ad es., giorni, ore).
• identificare lo stato "normale" del vulcano e le anomalie nelle serie storiche di monitoraggio ;
• indagare le anomalie geofisiche e geochimiche, in termini di potenziali precursori e valutare le loro prestazioni e la loro affidabilità;
• definire la probabilità di accadimento di specifici fenomeni eruttivi e realizzare un sistema automatico basato sui parametri osservati ;
• effettuare la modellizzazione diretta degli osservabili geofisici e geochimici in funzione di processi vulcanici simulati, i risultati saranno confrontati con i dati sperimentali;
• primi tentativi di stimare in tempo reale i parametri sorgente delle eruzioni ;
• cercare di sviluppare e rendere operativi dei sistemi di allerta rapida;
• fornire linee guida per ottimizzare il monitoraggio vulcanico sull'Etna.

Organizzazione del progetto

Questo progetto di ricerca è organizzato in due Work Package (WP). Il WP1 è orientato a far progredire la comprensione dei processi vulcano-tettonici in modo da ottenere un modello concettuale sulle dinamiche eruttive che sia il più completo e condiviso possibile e si basi sulla struttura e sui processi dinamici del vulcano. Il WP2 si occuperà della rilevazione dei pattern spazio-temporali che precedono l'insorgenza dell'attività vulcanica al fine di ottenere elementi utili per la valutazione in tempo reale dell’hazard vulcanico e per sviluppare efficienti sistemi di allerta rapida. In particolare, il WP1 si avvarrà delle nuove analisi dei dati e della modellazione diretta che saranno sviluppate nel WP2 e il WP2 utilizzerà i risultati ottenuti nel WP1 per inquadrare i fenomeni osservati e le anomalie in un modello condiviso sull'evoluzione dell'attività vulcanica.

WP1 (coordinatore: Alessandro Bonforte )

WP2 (coordinatore: Eugenio Privitera)

L'organizzazione scientifica del progetto prevede cinque task (più un task per la gestione del progetto), due task afferiscono al WP1, altri due sono legati al WP2 e il quinto è condiviso tra i due WP.

Task 1 - Project Management (responsabile: Eugenio Privitera);

Task 2 - Struttura dell’Etna (responsabile: Francesco Guglielmino);

Task 3 - Dinamica dei processi magmatici (responsabile: Rosa Anna Corsaro);

Task 4 - Modello concettuale (strutturale e dinamico) (responsabile: Alessandro Bonforte);

Task 5 - Analisi statistiche e AI di serie spazio-temporali (responsabile: Eugenio Privitera);

Task 6 - Indice giornaliero di pericolosità e sistemi di allerta rapida (responsabili: Flavio Cannavò e Marco Liuzzo).

Il progetto è organizzato anche in Unità di Ricerca (UR) che hanno una funzione essenzialmente amministrativa e sono organizzate su base territoriale. In ogni Sezione partecipante al progetto è istituita un'UR, ad eccezione di Bologna. I partecipanti della Sezione di Bologna afferiscono all'UR dell'OE.

UR Osservatorio Etneo; responsabile: Eugenio Privitera.

Staff: Salvatore Alparone, Graziella Barberi, Pietro Bonfanti, Alessandro Bonforte, Andrea Cannata, Flavio Cannavò, Daniele Carbone, Ornella Cocina, Rosa Anna Corsaro, Gilda Currenti, Giuseppe Di Grazia, Susanna Falsaperla, Salvatore Gambino, Salvatore Giammanco, Elisabetta Giampiccolo, Filippo Greco, Francesco Guglielmino, Alessandro La Spina, Horst Langer, Vincenza Maiolino, Roberto Maugeri, Placido Montalto, Carla Musumeci, Rosalba Napoli, Eugenio Privitera, Giuseppe Puglisi, Giuseppe Salerno, Laura Sandri, Antonio Scaltrito, Luciano Scarfì, Mariangela Sciotto, Simona Scollo, Jacopo Selva, Salvatore Spampinato, Giuseppina Tusa, Tiziana Tuvè, Andrea Ursino.

UR Sezione di Palermo; responsabile: Sergio Bellomo.

Staff: Sergio Bellomo, Alessandra Correale, Cinzia Federico, Alessandro Gattuso, Giovanni Giuffrida, Fausto Grassa, Leonardo La Pica, Marco Liuzzo, Sabina Morici, Antonio Paonita.

UR Osservatorio Vesuviano; responsabile: Umberto Tammaro .

Staff: Elena Cubellis, Mauro Di Vito, Domenico Doronzo, Claudio Martino, Francesco Obrizzo, Umberto Tammaro.

UR Osservatorio Nazionale Terremoti; responsabile: Stefano Corradin .

Staff: Stefano Corradini, Lorenzo Guerrieri, Luca Merucci, Dario Stillitano.

UR Sezione di Pisa : responsabile: Paolo Papale.

Staff: Simone Colucci, Deepack Garg, Antonella Longo, Chiara Montagna, Paolo Papale.

IMPACT: a multidisciplinary Insight on the kinematics and dynamics of Magmatic Processes at Mt. Etna Aimed at identifying preCursor phenomena and developing early warning sysTems

Coordinator: Eugenio Privitera

Project objectives

The project consists of two work-packages (WP). The first is aimed at improving the knowledge of the intermediate and deep parts of the Etna volcanic feeding system, the second instead at the detection and characterization of anomalies in the time series of monitoring data, the identification of precursor phenomena of the eruptions and the definition of early warning systems. In detail, due to the current state-of-the-art of the monitoring systems and the background knowledge, the main objectives of the two WPs are devoted to improve the knowledge base of the structure, dynamics of the volcano and their relationship with volcanic and tectonic activity at large- to small-scale, both in time and space, (WP1) and to mood define, characterize and detect instrumental signals investigating their significance and reliability as precursors and indicators for volcanic hazard assessment (WP2). The results gained in WP1 will be integrated in WP2 in order to frame patterns and anomalies in a shared model of the volcanic activity and understand their meaning.

The objectives of WP1 are:

• to improve knowledge of the internal structure of the volcano and to investigate the tectonic assessment, which govern and control the upraise of volatile rich magma from depth to the surface of the volcano;
• to improve the knowledge and reconstruction of basement topography;
• to experience new methodological approaches, and network innovations for filling the gaps in the knowledge of the stress-state of the basement. The acquired new data will allow: (i) to analyze regional stress variations that could promote magma ascent along specific structures, triggering and controlling long eruptive cycles; (ii) to investigate the stress variations accompanying the inflation and deflation phases of the edifice and (iii) to explore the effect of magma ascent on regional tectonic structures eventually triggering earthquakes;
• to produce innovative models (analytical and analogue, static and dynamic) by merging the existing multi-parametric data collected on Mt. Etna and the new data produced during the project. The integrated models will allow to better define the dynamics controlling earthquakes and volcanism and the close relationship existing between regional geodynamics, local stress and volcanic activity;
• to improve the knowledge of the volcano’s flank dynamics and the feedback processes between gravitational spreading and volcanic activity, especially referring to lateral dyke intrusions and eruptions, as well as fault geometry, kinematics, creep;
• to better e understand the relationship among pre and syn-eruptive magma dynamics in the plumbing system, volcanic activity and tectonics, which will allow to implement innovative models of the structural control on volcanic dynamics. The resulting base knowledge and information, will be included and exploited in WP2, for the improvement of hazard assessment and mitigation of seismic and volcanic risks.

The objectives of WP2 are:

• to overcome the current qualitative assessment of Etna's state of activity, linking magmatic processes with geophysical and geochemical observables, coupled with the knowledge and information on the structure and dynamics provided by WP1;
• to perform statistical analysis of time series to define threshold levels (very high, high, medium, low), and to develop an automatic system for the evaluation of the "Hazard Daily Index" as decision-making
• to carry out simultaneous multiparametric quantitative analysis of all observables available in the space-time-energy domain, with particular reference to pre-eruptive periods at different time scales (eg., days, hours) .
• to identify the "normal" state of the volcano and anomalies in the monitoring time series;
• to investigate geophysical and geochemical anomalies in terms of potential precursors and to evaluate their performance and reliability;
• to define the probability of occurrence of specific eruptive phenomena and to implement an automatic system based on the observed parameters;
• to directly model geophysical and geochemical observables as a function of simulated volcanic processes, results will be compared with the experimental data;
• first attempts to estimate in near-real time the source parameters of the eruptions;
• to try to develop and implement early warning systems;
• to provide guidelines for optimizing volcanic monitoring on Etna.

Project organization

This research project is organized in two work packages. Work package 1 (WP1) is oriented to advance the understanding of the volcano-tectonic processes such as to achieve a more comprehensive and shared conceptual model of volcano structure and functioning that govern eruptive dynamics. Work package 2 (WP2) concerns the detection of the spatio-temporal patterns that precede the onset of volcanic activity in order to achieve useful elements for the real-time assessment of the hazard and develop efficient early warning systems. In particular, WP1 will take advantage of new data analyses and direct modelling developed in WP2, and WP2 will use the results gained in WP1 in order to frame observed phenomena and anomalies in a shared model of the volcanic activity evolution.

WP1 (coordinator: Alessandro Bonforte)

WP2 (coordinator: Eugenio Privitera)

The scientific organization of the project includes five tasks (plus one task for the project management), two are concerned to WP1, two others are related to WP2 and the fifth is shared between the two WPs.

Task 1 – Project Management (leader: Eugenio Privitera);

Task 2 – Mt. Etna structure (leader: Francesco Guglielmino);

Task 3 – Dynamics of magmatic processes (leader: Rosa Anna Corsaro);

Task 4 – Conceptual dynamical structural model (leader: Alessandro Bonforte);

Task 5 – Statistical and AI analyses of space-time series (leader Eugenio Privitera);

Task 6 - Hazard Daily Index and Early Warning Systems.( leaders: Flavio Cannavò and Marco Liuzzo).

The project is also organized in Research Unit (R.U.) that have an essentially administrative function and are organized on a territorial basis. A R.U. is established in each Section participating in the project, with the exception of Bologna. The participants of Bologna will belong to the R.U. of the OE.

The following are the R.U..

R.U. Osservatorio Etneo; leader: Eugenio Privitera.

Staff: Salvatore Alparone, Graziella Barberi, Pietro Bonfanti, Alessandro Bonforte, Andrea Cannata, Flavio Cannavò, Daniele Carbone, Ornella Cocina, Rosa Anna Corsaro, Gilda Currenti, Giuseppe Di Grazia, Susanna Falsaperla, Salvatore Gambino, Salvatore Giammanco, Elisabetta Giampiccolo, Filippo Greco, Francesco Guglielmino, Alessandro La Spina, Horst Langer, Vincenza Maiolino, Roberto Maugeri, Placido Montalto, Carla Musumeci, Rosalba Napoli, Eugenio Privitera, Giuseppe Puglisi, Giuseppe Salerno, Laura Sandri, Antonio Scaltrito, Luciano Scarfì, Mariangela Sciotto, Simona Scollo, Jacopo Selva, Salvatore Spampinato, Giuseppina Tusa, Tiziana Tuvè, Andrea Ursino.

R.U. Sezione di Palermo; leader: Sergio Bellomo.

Staff: Sergio Bellomo, Alessandra Correale, Cinzia Federico, Alessandro Gattuso, Giovanni Giuffrida, Fausto Grassa, Leonardo La Pica, Marco Liuzzo, Sabina Morici, Antonio Paonita.

R.U. Osservatorio Vesuviano; leader: Umberto Tammaro.

Staff: Elena Cubellis, Mauro Di Vito, Domenico Doronzo, Claudio Martino, Francesco Obrizzo, Umberto Tammaro.

R.U. Osservatorio Nazionale Terremoti; leader: Stefano Corradini.

Staff: Stefano Corradini, Lorenzo Guerrieri, Luca Merucci, Dario Stillitano.

R.U. Sezione di Pisa: leader: Paolo Papale.

Staff: Simone Colucci, Deepack Garg, Antonella Longo, Chiara Montagna, Paolo Papale.