LOVE-CF

LOVE-CF Studio dei processi sub-vulcanici in relazione agli osservabili geochimici e geofisici di superficie: un approccio multidisciplinare per la previsione delle eruzioni ai Campi Flegrei.

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Lucia Pappalardo

Obiettivi

Grazie ai moderni sistemi di monitoraggio oggi è possibile misurare con grande precisione le variazioni geofisiche e geochimiche, anche di piccola entità, che si possono verificare prima e durante un’eruzione vulcanica. Tuttavia durante le crisi pre-eruttive è ancora complesso definire una correlazione certa tra i segnali misurati in superficie e i fenomeni subvulcanici (e.g. arrivo di magma in serbatoi profondi; risalita di magma verso la superficie etc). Questo aspetto è particolarmente rilevante nel caso delle caldere, in cui lo stato di unrest vulcanico può essere causato dalla risalita di magma, ma anche da variazioni chimico-fisiche nel sistema idrotermale superficiale, da processi tettonici o da una combinazione di tutti questi fattori. 

Inoltre, l’evoluzione dello stato di unrest verso un’eruzione può dipendere dalla quantità di magma coinvolto, dalla sua profondità e dalla velocità con cui il magma si intrude e risale generalmente attraverso una rete complessa di sills e dicchi. Di conseguenza la definizione del tipo di unrest risulta fondamentale perché ha forti implicazioni sulla potenziale pericolosità vulcanica ed è infatti spesso oggetto di dibattito scientifico, maggiormente nel caso di sistemi calderici dove i segnali registrati risentono di una maggiore complessità del sistema.

Ne è un esempio lo stato attuale della caldera dei Campi Flegrei in Italia, che sta attraversando una lunga fase di unrest, il cui episodio più recente è iniziato nel 2000-2005 ed è tuttora in corso come testimoniano i dati multiparametrici raccolti grazie al sistema di monitoraggio dell’INGV di Napoli. Tuttavia, la possibile evoluzione dell’attuale unrest verso condizioni critiche fino all’eruzione è controversa ed è fortemente dibattuta nella letteratura scientifica recente. 

Figure 1 – Settore orientale della caldera flegrea. Al centro dell’immagine è riconoscibile il sito idrotermale di Solfatara-Pisciarelli.

Lo scopo principale del progetto multidisciplinare LOVE-CF, che si avvale di una combinazione di osservazioni vulcanologiche, petrologiche, geochimiche, sismologiche, geodetiche, inclusi esperimenti e modelli numerici, è definire un modello di riferimento dell’architettura e dinamica del plumbing system anche in relazione all’andamento degli osservabili di superficie. In particolare si mira a correlare le variazioni geochimiche e geofisiche misurate durante gli unrest vulcanici con le dinamiche del magma in profondità, ricostruite grazie allo studio di eventi significativi della storia eruttiva della caldera. Queste informazioni possono essere fondamentali per definire la sorgente dell’unrest (magmatica o non magmatica) e per prevedere la possibile evoluzione verso un'eruzione.

Il progetto LOVE-CF adotta il seguente approccio multidisciplinare:

1. a) integrazione (e.g. uso di reti neuronali) di dati strutturali, vulcanologici e petrologici di eruzioni passate di diversa magnitudo e significative per la storia vulcanologica della caldera, con risultati di esperimenti di decompressione, modelli numerici di propagazione di dicchi e risalita di magma;
2. b) misure geochimiche innovative di fluidi idrotermali (nuove specie redox e isotopi del CH4), analisi mineralogiche (prodotti di alterazione idrotermale) e sismiche (e.g. tremore fumarolico) presso il sito idrotermale strategico di “Solfatara- Pisciarelli”, unite alla caratterizzazione geochimica delle emissioni sottomarine nell'area della “Secca delle Fumose” nel Golfo di Pozzuoli, fino ad ora poco o per niente esplorato;
3. c) nuove analisi statistiche di dati multiparametrici (sismici, geochimici e geodetici) raccolti sia nella parte emersa che sommersa della caldera negli ultimi decenni e nel recente periodo di unrest, convalidate da osservazioni geologiche e modellazione numerica avanzata.

I principali obiettivi del progetto saranno:

- la definizione delle condizioni chimico-fisiche pre-eruttive di stazionamento dei magmi e dei principali fattori d’innesco delle eruzioni; la definizione dei processi e tempi di risalita magmatica nei condotti vulcanici durante la storia della caldera e il suo stato attuale;

- la valutazione della natura delle possibili sorgenti degli unrest (magmatiche o non-magmatiche) e dell’evoluzione dei relativi osservabili geochimici e geofisici; 

- la valutazione dello stato attuale della caldera e della sua possibile evoluzione verso condizioni critiche fino all’eruzione;

- la definizione della possibile correlazione tra la scala temporale e il tipo di fenomeni premonitori con la magnitudo della possibile eruzione attesa;

- l’avanzamento delle attività di monitoraggio dell’INGV, attraverso l’introduzione e lo sviluppo di nuovi osservabili geochimici (e.g. idrocarburi leggeri) e geofisici (e.g. tremore fumarolico), che possono essere indicatori più selettivi delle sorgenti di unrest.

Il progetto prevede un‘unica UR sia di coordinamento che di gestione finanziaria, mentre le attività scientifiche sono organizzate in 4 WP tematici, (figura 2). 

Figura 2 – Work Breakdown Structure del progetto LOVE-CF

I principali risultati attesi del progetto LOVE-CF sono la definizione di: (1) condizioni chimico-fisiche pre-eruttive dei magmi, (2) tempi e meccanismi di apertura del condotto e propagazione dei dicchi magmatici e relazione con il comportamento degli indicatori di unrest, (3) interazione tra la risalita di magma da zone profonde e il sistema idrotermale superficiale e loro influenza sugli osservabili geochimici, (4) natura (magmatica o non magmatica) delle sorgenti degli unrest, (5) natura ed evoluzione temporale degli indicatori di unrest all’avvicinarsi dell’eruzione e loro possibile relazione con la magnitudo dell'eruzione, nonché con la posizione della bocca eruttiva all'interno della caldera, (6) sviluppo di nuovi osservabili geochimici (es. idrocarburi leggeri) e geofisici (tremore fumarolico), e loro significato come indicatori di unrest, (7) valutazione dell'attuale comportamento della caldera e previsione della sua possibile evoluzione verso condizioni critiche fino all'eruzione.

 Tutte queste informazioni sono cruciali in termini di protezione civile poiché consentono di vincolare il passaggio tra i livelli di allerta del vulcano e di delimitare l'estensione delle aree a rischio strettamente correlate all'entità dell'eruzione attesa.

Breve descrizione dei metodi e obiettivi dei WPs.

WP 1) Osservazioni vulcanologiche (Lucia Pappalardo, Gianmarco Buono, Sandro de Vita, Mauro Di Vito, Antonietta Esposito, Sara Fanara, Flora Giudicepietro, Francesco Maccaferri, Giovanni Macedonio, Paola Petrosino, Burckard Schmidt).

In questo WP, le osservazioni vulcanologiche e petrologiche ottenute dallo studio di rocce naturali di eruzioni di diversa magnitudo rappresentative della storia magmatologica dei Campi Flegrei, saranno integrate con quelle di esperimenti e modelli numerici, anche attraverso l’uso di reti neuronali, al fine di poter ricostruire le condizioni chimico-fisiche e i tempi di stazionamento e risalita dei magmi e le loro relazioni con l’evoluzione degli indicatori geochimici e geofisici di unrest. I risultati ci permetteranno di tracciare la cristallizzazione e il degassamento del magma in funzione dell'entità dell'eruzione, della posizione della bocca eruttiva e del tempo di occorrenza dell'eruzione all'interno delle tre epoche di attività (task 1.1). Inoltre, le informazioni ottenute dallo studio di casi naturali saranno utilizzate per simulare le dinamiche di formazione e propagazione dei dicchi durante l’intrusione di magma attraverso lo sviluppo ad-hoc di modelli numerici avanzati (task 1.2).

WP 2) Osservazioni geochimiche (Stefano Caliro, Giuseppina Balassone, Andrea Bevilacqua, Francesco Capecchiacci, Giovanni Chiodini, Annarita Mangiacapra, Carmine Minopoli, Angela Mormone, Monica Piochi, Zaccaria Petrillo, Andrea Luca Rizzo, Massimo Russo, Sergio Scippacercola).

In questo WP sarà analizzata l'evoluzione e lo stato attuale del sistema idrotermale mediante misure geochimiche innovative su fluidi e prodotti di alterazione idrotermale raccolti sia in aree emerse (e.g. Solfatara-Pisciarelli) che sommerse (“Secca delle Fumose”) nel Golfo di Pozzuoli (Tasks 2.1 e 2.2). I risultati consentiranno di definire le relazioni tra il sistema idrotermale superficiale e il degassamento del magma in profondità e la loro influenza sul comportamento degli indicatori geochimici misurati in superficie. Inoltre, saranno eseguite analisi statistiche dei record geochimici con l'obiettivo di confrontare quantitativamente tutti i dati multiparametrici, e possibilmente prevedere l'approssimarsi della fratturazione delle rocce a causa del movimento di magma in profondità (task 2.3).

WP 3) Osservazioni sismiche (Anna Tramelli, Marco Calò, Luca D’Auria, Dario Delle Donne, Massimo Orazi, Patrizia Ricciolino, Cataldo Godano).

Questo WP si focalizzerà sull'analisi dei segnali sismici registrati nei Campi Flegrei dalla rete sismica INGV-NA dal 2012 al 2019 per evidenziarne ed esplorarne ogni eventuale variazione. Analizzeremo il rumore sismico registrato nella caldera concentrandoci sulle sue caratteristiche e variazioni nel tempo e nello spazio (task 3.1). Inoltre, analizzeremo statisticamente il catalogo sismico che viene costantemente aggiornato dall’INGV-NA per valutare i parametri caratteristici della sismicità e la loro variazione nel tempo e nello spazio (task 3.2). Inoltre, studieremo il tremore fumarolico che si registra in prossimità dell'area idrotermale di Pisciarelli per caratterizzarne il meccanismo sorgente e quantificarne la significatività come indicatore dello stato di unrest del vulcano. 

WP 4) Osservazioni geodetiche (Elisa Trasatti, Valerio Acocella, Giovanna Berrino, Christian Bignami, Ida Aquino, Sven Borgstrom, Carlo Del Gaudio, Erica De Paolo, Sergio Guardato, Marco Polcari, Ciro Ricco, Valeria Secreti, Cristiano Tolomei)

I principali obiettivi del WP 4 sono: i) collezionare il più completo dataset di dati geodetici di monitoraggio, incluso il catalogo di livellazione, SAR, tilt, GPS e misure del fondale marino; ii) costruire modelli avanzati del sistema di alimentazione dei Campi Flegrei per comprendere l'azione delle sorgenti di deformazione di breve e lungo termine. L'attività vulcanica recente di sollevamento/deflazione, rilevata da diverse tecniche moderne, viene considerata e confrontata con le deformazioni storiche. Questo approccio permette di ottenere informazioni quantitative sulle sorgenti vulcaniche usando l'attività storica come paradigma, al fine di quantificare il livello di hazard per prevedere eruzioni future. Il task 4.1 è focalizzato nella definizione dell'unrest dei Campi Flegrei in termini di deformazione superficiale della caldera, analizzando la maggior parte dei dati disponibili dal 1905 con diverse tecniche di monitoraggio. Il task 4.2 è dedicato alla modellazione analitica e numerica della sorgente vulcanica e del sistema di alimentazione.

Figure 3 – Metodi e obiettivi di ciascun WP e principali obiettivi del progetto.

LOVE-CF Linking surface Observables to sub-Volcanic plumbing-system: a multidisciplinary approach for Eruption forecasting at Campi Flegrei caldera (Italy).

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Lucia Pappalardo

Activity Objectives

Advanced monitoring networks have improved our ability to measure changes of a volcanic system before, during and after an eruption. However, it remains challenging to relate the monitoring signals with magma movement from deep reservoirs towards the surface. This is particularly true in the case of calderas, in which volcanic unrest can be due to magma movements at depth, changes in the shallow hydrothermal system, tectonic processes, or a combination of them. Furthermore in the event of magmatic unrest, this can result in an eruption or not, depending on the amount, location, and velocity of magma, possibly ascent through a complex network of dykes and sills. The cause of unrest however has critical implications for the potential eruptive hazard and it is frequently subject of scientific debate, even at well-monitored caldera systems.

The current state of Campi Flegrei caldera (Italy) is a typical example of this behavior as it has been experiencing a long-lasting unrest at least since 2000-2005, as testified by the multiparametric data collected by the INGV-NA monitoring system. However, it’s possible evolution towards critical conditions close to eruption, remains largely debated in the recent literature. 

Figure 1 - Eastern sector of the Campi Flegrei caldera. The Solfatara-Pisciarelli hydrothermal

site is identifiable in the center of the image.

The LOVE-CF project main goal is improving our ability to forecast the behavior of the Campi Flegrei caldera, through a multi-disciplinary approach based on a combination of volcanological, petrological, geochemical, seismological and geodetic observations, as well as experiments and numerical models. We aim at reconstructing a comprehensive view of the architecture and the dynamics of the plumbing system, through the investigation of representative past events, as a framework to interpret geochemical and geophysical changes observed during unrest. This will allow us to better evaluate the source of volcanic unrest (magmatic or not magmatic) and to forecast its possible evolution towards an eruption.

The LOVE-CF project relies on the following multidisciplinary topics:

1. a) integration (also using neural networks) of structural, volcanological and petrological data from representative past eruptions, with results of decompression experiments and numerical models of conduit dynamics and magmatic dyke propagation;
2. b) innovative geochemical (new redox gas species and CH4 isotopes), minero-petrological (alteration products) and seismic (fumarolic tremor) measurements at the crucial “Solfatara- Pisciarelli” hydrothermal site, as well as geochemical characterisation of submarine emissions in the area of “Secca delle Fumose” in the Gulf of Pozzuoli which until now, has been poorly-explored;
3. c) novel multi-parametric statistical analysis of seismic, geochemical and geophysical records collected (both on land and offshore) in the last decades and in the recent period of unrest, strengthened by geological observations and advanced numerical modelling.

The main objectives of the project are:

- assessment of eruptible magma storage conditions and eruption trigger factors (e.g. magma volume, depth, temperature, volatile content, residence time, etc) and syn-eruptive magma ascent processes (e.g. magma intrusion and degassing processes and timescale, evolution of magma rheology, depth and mechanism of fragmentation, etc) during the history of the caldera and its current state;

- evaluation of the nature (magmatic or not magmatic) of the sources of volcanic unrests and definition of the evolution of the associated geochemical and geophysical observables;

- evaluation of the current activity of the caldera and its possible evolution towards critical conditions and then to an eruption;

- assessment of possible correlation between timescale and nature of precursory phenomena with magnitude of the potential impending eruption;

- improvement of INGV monitoring activities, by introducing, developing and evaluating new geochemical (e.g. light hydrocarbons) and geophysical (e.g. fumarolic tremor) observables, that can act as more selective indicators of unrest sources.

The project involves a single UR (UR-CF) of Coordination and Financial management, while the scientific research activities are organised in 4 WPs grouped in thematic tasks (figure 2). 

Figure 2 – Work Breakdown Structure of the LOVE-CF project

The expected results of the LOVE-CF project are: (1) constraints on chemico-physical conditions of eruptible magmas in chamber(s), (2) timing and mechanisms of conduit opening and propagation of dykes and relationship with behavior of unrest indicators, (3) interaction between deep rising magmas and shallow hydrothermal system and its influence on surface observables, (4) nature (magmatic or not magmatic) of volcanic sources of the current and past unrests, (5) nature and temporal evolution of unrest indicators as eruption approaches and their possible relationship with magnitude/VEI of the eruption, as well as the location of the vent inside the caldera, (6) developing of new geochemical (e.g. light hydrocarbons) and geophysical (fumarolic tremor) measurements, and their meaning as unrest indicators, (7) evaluation of the current behavior of the caldera and forecasting its possible evolution towards critical conditions and then to an (eventually also major) eruption. 

 All these information are crucial in terms of civil defense, since they allow constraining the transition between alert levels of the volcano, as well as the location and extension of hazardous areas, strictly related to eruption magnitude.

WP 1) Volcanological-petrological observations, experiments and models (Lucia Pappalardo, Gianmarco Buono, Sandro de Vita, Mauro Di Vito, Antonietta Esposito, Sara Fanara, Flora Giudicepietro, Francesco Maccaferri, Giovanni Macedonio, Paola Petrosino, Burckard Schmidt).

In this WP, we will combine volcanological and petrological observations on natural rocks from representative Campi Flegrei eruptions of different magnitude, also using neural networks, with those of experiments and numerical models, to examine a possible link between the chemico-physical conditions of magma storage and ascent with eruption magnitude and the related unrest indicators. The results will allow us to track magma crystallisation and degassing taking place during magma storage and ascent, in function of magnitude of the eruption, location of the eruptive vent, and time of occurrence of the eruption inside the three epochs of activity (task 1.1). Furthermore, the information retrieved on natural case studies will be used to reconstruct the emplacement and propagation dynamics of dykes feeding past eruptions, by using ad-hoc numerical simulations (task 1.2).

WP 2) Geochemical observations (Stefano Caliro, Giuseppina Balassone, Andrea Bevilacqua, Francesco Capecchiacci, Giovanni Chiodini, Annarita Mangiacapra, Carmine Minopoli, Angela Mormone, Monica Piochi, Zaccaria Petrillo, Andrea Luca Rizzo, Massimo Russo, Sergio Scippacercola).

Here, we will mainly focus on investigating the evolution and current state of the hydrothermal system by innovative geochemical measurements on fluid and alteration rock samples collected both on land (Solfatara-Pisciarelli) and underwater (“Secca delle Fumose”) in the Gulf of Pozzuoli (task 2.1 and 2.2). The results will allow us to infer the relationships between shallow plumbing system and magma degassing at depth, as well as their influence on the pattern of geochemical indicators measured on the surface. Moreover, statistical analyses of geochemical records will be performed with the aim to quantitatively compare different types of multiparametric data, making efforts towards their statistical combination, and then possibly predict the approaching of rock-failure due to magma movement at depth (task 2.3).

WP 3) Seismic observations (Anna Tramelli, Marco Calò, Luca D’Auria, Dario Delle Donne, Massimo Orazi, Patrizia Ricciolino, Cataldo Godano).

This WP will focus on the analysis of the seismic signals recorded in the Campi Flegrei by INGV-NA seismic network from 2012 to 2019, to highlight any eventual variation and explore its meaning. We will analyse the seismic noise recorded in the caldera, focusing on its characteristics and variations in time and space (task 3.1). We will statistically analyse the seismic catalogue that is constantly updated by INGV-NA to evidence the seismicity characteristic parameters (task 3.2). In the meanwhile, we will concentrate on the seismic fumarolic tremor recorded close to the Pisciarelli hydrothermal area, to characterise its source mechanism and to verify its possible meaning as an indicator of unrest conditions.

WP 4) Geodetic observations. (Elisa Trasatti, Valerio Acocella, Giovanna Berrino, Christian Bignami, Ida Aquino, Sven Borgstrom, Carlo Del Gaudio, Erica De Paolo, Sergio Guardato, Marco Polcari, Ciro Ricco, Valeria Secreti, Cristiano Tolomei)

WP4 main goals are i) to collect the most complete dataset of geodetic monitoring data, including the catalogue of levelling, SAR, tilt, GPS and seafloor measurements; ii) to address the long-term and short-term pre-eruptive deformation source/s, building advanced models of the plumbing system. The recent activity of uplift/deflation, detected by several modern geodetic techniques, will be considered and related to the study of the historical deformations at Campi Flegrei. This approach will give quantitative insights to the volcanic sources, using as a paradigm, the historical activity in order to quantify deformation hazard levels usable to forecast future eruptions. Task 4.1 will focus on better defining the current state of the Campi Flegrei unrest in terms of surface deformation of the caldera, analysing most of the available data since 1905 from different monitoring techniques. Task 4.2 is dedicated to the analytical and numerical modelling of the volcanic source and plumbing system. 

Figure 3 - Methods and objectives of each WP and main perspectives of the project.