Relazione Attività Ianno

Studi e costraints su stoccaggi intermedi, risalita e condotti attraverso la modellizzazione dei

UR#	AFFERENZA	RESPONSABILE
1	INGV Sez. di Catania (ex IIV)	Dr. Alessandro Bonaccorso
2	Dipartimento di Fisica - Univ. Bologna	Prof. Maurizio Bonafede
3	INGV Sez. di Catania (ex IIV)	Dr. Domenico Patane`
4	Ist. di Macchine, Fac. Ingegneria - Univ. di Catania	Prof. Guido La Rosa
5	Dipartimento di Scienze Geologiche - Univ. Catania	Prof. Stefano Gresta
6	Dip. Scienze della Terra - Univ. Messina	Prof. Giancarlo Neri
7	INGV Sez. di Catania (ex IIV)	Dr. Eugenio Privitera
8	INGV - Centro Nazionale Terremoti, Roma	Dr. Claudio Chiarabba

Il progetto è stato finanziato tramite convenzione con il Sistema POSEIDON firmata in data 30/9/2000. I finanziamenti POSEIDON sono pervenuti in data 23/11/2000 al dipartimento di afferenza del coordinatore. Per motivi amministrativi e contabili, legati alla stipula dei subcontratti e alla chiusura dell´esercizio finanziario 2000, detto dipartimento ha potuto trasferirli alle U.R. afferenti solo nel gennaio 2001. Il presente progetto ha quindi ricevuto da soli 6 mesi la disponibilita` (parziale) della prima tranche del finanziamento del primo anno (non sono stati resi finora disponibili neppure i fondi inventariabili della prima tranche 2001).

La convenzione con il Sistema POSEIDON prevedeva una prima relazione di attività dopo sei mesi dalla stipula della convenzione, regolarmente trasmessa in data 15/5/2001.

Inoltre al progetto originario (limitato alle prime 4 UR) sono state accorpate le UR 5,6,7,8 il che ha reso necessario un lavoro di ridefinizione di sinergie, obbiettivi e strategie, portato a compimento, con la collaborazione fattiva di tutte le UR, in occasione del Workshop di medio termine del Progetto, tenutosi a Catania nel luglio 2001.

A queste incertezze si è sovrapposta la crisi eruttiva dell´Etna, culminata nell´eruzione del luglio 2001 che ha impegnato i ricercatori della Sezione INGV di Catania in operazioni di monitoraggio.

Nonostante i ritardi e i problemi anzidetti, lo stato di avanzamento della maggior parte delle ricerche rispetta le previsioni; anzi, alcune attività, avviate già precedentemente all´inizio ufficiale del progetto, risultano in fase di completamento.

Il progetto mira ad utilizzare i dati geodetici, sismologici, petrografici e geologici (già esistenti o di nuova acquisizione) relativi all´area Etnea, per migliorare la conoscenza della struttura, del campo di deformazione e sforzo e dei processi di risalita dei magmi. A tal fine, si procedera` ad un confronto dei risultati forniti separatamente dai diversi approcci, per verificare la compatibilita` delle interpretazioni fornite, con l´obiettivo finale di un impiego integrato dei diversi dati in procedure di inversione congiunta. In particolare il Progetto prevede la creazione di modelli numerici realistici per lo studio della deformazione e della sismicita` associata ad eventi intrusivi, tenendo conto degli effetti prodotti dalla topografia e dalle eterogeneita` elastiche ad anelastiche desumibili da inversioni tomografiche.

TASK 1 - Modellizzazione dei campi di strain provocati dall´ azione di condotti elongati verticalmente

1.a - Discriminare fra gli effetti indotti da sovrapressione alla sorgente ed effetti collegati alla geometria dei condotti tramite il confronto fra dati di deformazione e modelli.

1.b - Estrarre informazioni sulla profondita` di frammentazione del magma e le sue variazioni durante eventi esplosivi parossismici tramite analisi di dettaglio del segnale sismico (polarizzazione e rapporti spettrali alle diverse stazioni)

è proseguita l´analisi preliminare dei segnali clinometrici durante le numerose fasi parossistiche ai crateri sommitali tra il 1998 e il 2000. In particolare si è continuato a verificare i dati registati durante le fasi parossitiche dal clinometro a base lunga ad alta precisione (lettura laser) installata a quote sommitali presso l´ osservatorio di Pizzi Deneri.

Inoltre durante il primo anno, e in particolare nel secondo semestre 2000, si è condotto uno studio sui meccanismi di risalita occorsi durante l´ evento intrusivo del gennaio 1998. E´ stata vincolata la messa in posto di intrusione, che trova relazione con la susseguente eruzione sommitale del febbraio 1999. Lo studio si è concretizzato attraverso l´ analisi dello sciame sismico associato e alla modellizzazione del segnale clinometrico.

· modelli analitici per le deformazioni prodotte dall´ azione di condotti vulcanici elongati verticalmente;

· utilizzo integrato di dati sismici e di deformazione per vincolare la sorgente intrusiva del gennaio 1998;

· metodo numerico-analitico di parametrizzazione (grid search + inversione analitica);

Bonaccorso A. and Davis P., Models of ground deformation from vertical volcanic conduits with application to eruptions of Mount. St. Helens and Mount Etna, J. Geophys.Res., 104, 10531-10542, 1999. Nota : questo lavoro è stato avviato e completato nella fase intercorsa tra la presentazione del progetto e l´ approvazione dello stesso.

Bonaccorso A. and Patanè D., Shear response to an intrusive episode at Mt. Etna volcano (January 1998) inferred through seismic and tilt data, Tectonophysics, 334/2, 61-75, 2001.

Bonaccorso A., Mt Etna volcano : modelling of ground deformation patterns of recent eruptions and considerations on the associated precursors, Special Number on “Mechanics and Thermalfluid Dynamics of the Volcanic Processes”, Journal Volcanology and Geothermal Research, in stampa, 2001

Bonaccorso A., Patanè D., Shear responce to an intrusive episode atMt. Etna volcano (January 1998) inferred through seismic and tilt data, Poster presentato al meeting annuale del dell´ American Geophysical Union, S. Francisco, Dicembre 2000.

Bonaccorso A., Ground deformation modelling and associated precursors of recent eruptions at Mt. Etna volcano, Intervento orale al 18th symposium of the International School of Geophysics, Advances in the assessment of earthquake and volcanic hazard, Erice, Sicily, 5-154 July 2001

Bonaccorso A., Studio dell´eruzione del Gennaio 1998 e dello sciame sismico associato attraverso dati sismici e clinometrici all´Etna, Convegno di medio termine del Progetto GNV-POSEIDON, Catania 19-20 luglio 2001.

Bonaccorso A., Deformazione da condotti vulcanici con particolare riferimento all´attività esplosiva 1998-2000 all´Etna, Convegno di medio termine del Progetto GNV-POSEIDON, Catania 19-20 luglio 2001.

TASK 2 - Modellizzazione “dinamica” delle variazioni clinometriche asismiche

Creazione di un catalogo delle deformazioni asismiche all´Etna e suo aggiornamento. Inversione dei dati tramite l´impiego di modelli di sorgenti tensili pressurizzate finalizzate a vincolare la loro profondita`.

Per quanto riguarda le variazioni clinometriche asismiche (transienti “lenti” da ore a giorni) talvolta registrate a scala dell´ intero edificio, si è proceduto con l´attenta verifica degli eventi degli ultimi anni ed è stato aggiornato il catalogo contenente le informazioni utili. Inoltre per quattro eventi registrati a 7-8 stazioni sono state condotte delle preliminari localizzazioni che individuano velocità di propagazione comprese tra 4.8 e 5.6 km/giorno. La sorgente del fenomeno, in considerazione geometrica puntiforme, risulterebbe localizzata in un´ area tra 4 e 6 km sotto il livello del mare, appena decentrata a SW rispetto ai crateri. Gli effetti registrati appaiono relazionabili a meccanismi tensili.

· inversione parametrica per un crack tensile con altezza variabile nel tempo per simulare il segnale clinometrico.

· Prima interpretazione sulla posizione e meccanismi della sorgente che produce le variazioni clinometriche asismiche.

Gambino S., Coseismic and aseismic tilt variations on Mt. Etna, Pageoph, sottoposto 2001

Gambino S. et al., Deformazioni cosismiche e asismiche all´Etna, Convegno di medio termine del Progetto GNV-POSEIDON, Catania 19-20 luglio 2001.

TASK 3 - Verifica risultati SAR attraverso integrazione dati clinometrici, livellazione, EDM, GPS.

Confronto dei risultati ottenuti dall´inversione dei dati geodetici e dei dati di interferometria SAR .

Sono state condotte le prime valutazioni di interferogrammi sintetici relativi agli effetti della sorgente depressurizzante associata all´eruzione 1991-92. Questa sorgente è quella già modellata attraverso le misure geodetiche terrestri e spaziale. Questo primo studio è stato finalizzato al confronto con gli interferogrammi misurati con la tecnologia SAR. Considerati i numerosi miglioramenti approcci di recente presentati in letteratura riguardo il filtraggio di effetti topografici e troposferici nella valutazione delle frange interferometriche, nella parte finale del primo anno si è iniziato, con il contributo dell´IRECE, un´analisi di ulteriori dati, ottenuti dall´ASI. L´analisi di questo nuovo set di interferogrammi, tutti a cavallo dell´eruzione e mai sinora utilizzati nei precedenti lavori , si prefigge lo scopo di meglio vincolare la sorgente in gioco.

i dati SAR sono stati forniti dall´ESA al progetto ERS AO3. 359 dal titolo "Development of SAR Techniques aimed at managing Natural Disasters in geodynamically active areas ".

Bonaccorso A. et al., Applicazione dell´interferometria differenziale per lo studio dell´eruzione 92-93, Convegno di medio termine del Progetto GNV-POSEIDON, Catania 19-20 luglio 2001.

TASK 4 - Verifica dell´inflation 1996-97 registrata dal GPS attraverso una comparazione con la metodologia SAR.

TASK 5A - Influenza delle discontinuità strutturali su anomalie di gravità, deformazioni e sforzi

TASK 5B - Misura in laboratorio delle ``Costanti elastiche statiche e dinamiche´´

- Influenza delle discontinuità strutturali su deformazioni e sforzi: Studio degli sforzi indotti da dicchi intrusivi attraverso superficie di discontinuità strutturali, tenendo conto della inclinazione del dicco rispetto alla giacitura degli strati, dell´estensione del dicco nonchè di relazioni costitutive viscoelastiche per gli strati più profondi. Ricerca di soluzioni matematiche rigorose per modelli semplificati.

- Variazioni di gravità in aree vulcaniche: valutazione dei contributi dovuti a (1) ingresso di massa magmatica, (2) contrazione e/o dilatazione del mezzo circostante, (3) deformazione delle superficie sepolte di discontinuità (4) variazione del livello di essoluzione dei volatili. Nel corso del primo anno l´attenzione è stata concentrata su modelli elasticamente omogenei e stratificati in densità.

- Attivita` sperimentali di laboratorio: dedicate a studiare la differenza fra moduli dinamici e statici nelle lave etnee, a pressione e temperatura normali.

- Influenza delle discontinuità strutturali su deformazioni e sforzi. Sono stati condotti studi di modellistica teorica per valutare l´effetto delle eterogeneita` strutturali sui campi di deformazione e sforzo indotti da fenomeni intrusivi. Sono stati elaborati modelli analitici per dicchi posti in prossimita` o attraverso superfici di discontinuita` strutturale, con orientazione arbitraria rispetto alla giacitura della superficie di discontinuita`. I modelli analitici sono stati confrontati con modelli numerici (Boundary element e Finite element) per verificare la capacita` dei modelli numerici di gestire soluzioni singolari, come quelle che si presentano all´intersezione fra il dicco e una superficie di discontinuita`. Una volta testati, i modelli numerici sono stati impiegati per inserire nel modello gradi crescenti di complessita`, come la presenza di una superficie libera, ovvero semplici topografie ed eterogeneita` sepolte axi-simmetriche. Si sono inoltre studiati gli effetti della topografia e delle eterogeneita` strutturali sepolte sul campo di deformazione prodotto da una sorgente isotropa di pressione (sorgente di Mogi), mostrando come la stima della profondita` della sorgente possa essere influenzata significativamente dalla presenza di eterogeneita`.

- Variazioni di gravità in aree vulcaniche. Abbiamo analizzato modelli di sorgenti deformative isotrope per valutare il potere risolutivo delle variazioni gravimetriche, in congiunzione con le deformazioni del suolo, nell´inferire la reologia del mezzo interessato e la quantita` di magma immesso in una regione di stazionamento superficiale, nella fase pre-eruttiva. Infatti, se si assume che la deformazione del mezzo sia determinata da una immissione di masse magmatiche provenienti dal mantello e che la reologia del mezzo sia elastica, esiste una relazione univoca fra massa del magma, deformazione del suolo e variazione di gravita`. Se la reologia del mezzo è visco-elastica, si possono avere deformazioni elevate con sovrapressioni contenute, ma i risultati della ricerca hanno mostrato che le variazioni residue di gravita` sono in ogni caso quelle previste da un mezzo elastico con pari deformazione (cioe` con elevata sovrapressione nella sorgente).

- Attività sperimentali di laboratorio. Le costanti elastiche sono parametri di importanza fondamentale ogni volta che si debbano considerare forze e deformazioni, il che capita in una vastissima gamma di problemi vulcanologici. Esistono due maniere fondamentali di misurare i parametri elastici. La prima è statica e si basa sulla misura della deformazione indotta su di un corpo da una forza nota. Il secondo metodo è dinamico e si basa sulla misura della velocita` di propagazione delle onde elastiche all´interno del materiale. Per questioni di fenomeni anelastici intrinseci non è affatto scontato che i valori coincidano e, anzi, essi possono differire in maniera sostanziale.. Nel primo anno di attività abbiamo utilizzato la tecnica di Ciccotti et al. (2001) per misurare la compliance statica in campioni di lava e arenaria. Questi campioni erano a forma di lastra con una frattura centrale di lunghezza variabile, preparati per il test di Double Torsion. Par tali provini esiste infatti una relazione che lega la compliance alla lunghezza (misurata) della frattura in funzione dei moduli elastici statici. La relazione originale, che deriva da un modello analitico, porta a risultati sostanzialmente errati in molti casi, ed è stata corretta con un modello numerico agli elementi finiti. Misurando la compliance dei provini per varie lunghezze della frattura, e adottando la curva teorica corretta si ottiene una stima accurata dei moduli elastici statici. Nella fase preliminare i vari metodi sono stati messi a punto su provini in PMMA (plexiglass) in quanto che le proprieta` reologiche di questo materiale sono ben note ed inoltre esso è facile da tagliare e permette una ispezione ottica delle fratture. Confrontando i valori stimati per il modulo di Young, utilizzando il metodo di Double Torsion, con oscillazioni forzate da 0.01 kHz a 100 Hz e utilizzando la propagazione di onde ultrasoniche a 50 kHz e 1 MHz, si è riscontrato un aumento del modulo di Young del 100%, da 2 a 4 Gpa.

Ciccotti M., 2000. A realistic finite-element model for the Double Torsion loading configuration. J. Am. Ceram. Soc. 83 [11], pp. 2737-44.

Ciccotti M., Gonzato G., and Mulargia F., 2000. The Double Torsion loading configuration for fracture propagation: an improved methodology for the load-relaxation at constant displacement. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 37, pp. 1103--1113.

Ciccotti M., Negri N., Gonzato G., Mulargia F., 2001. Practical application of an improved methodology for the Double Torsion load relaxation method. Int. J. of Rock Mech. Min. Sci. In press.

Bonafede, M., Parenti, B. and Rivalta, E., 2001. On strike slip faulting in layered media, Geophys. J. Int., submitted.

Rivalta, E., Mangiavillano, W. and Bonafede, M., 2001. The edge dislocation problem in a layered elastic medium, Geophys. J. Int., submitted.

Bonafede M., 2000. Modelling Ground Deformation and Gravity Residuals at ”Campi Flegrei ” Caldera (Italy): Constraints on Source Processes, EOS Trans. AGU, 81 (48), Fall Meet. Suppl. Abstract G21A-02, 2000.

Bonafede, M., 2001. Modelling ground deformation and gravity residuals in volcanic regions, EGS 26-th General Assembly, Geophys. Res. Abstract, 3, GRA3-1069.

Bonafede M., 2001. Deformazioni del suolo e variazioni di gravita` in aree vulcaniche: contributo di sorgenti immerse in mezzi elastici e visco-elastici, Convegno di medio termine del Progetto GNV-POSEIDON, Catania 19-20 luglio 2001.

Ciccotti M. e Mulargia F. 2001. Costanti elastiche statiche e dinamiche: relazione sui primi mesi di attività, Convegno di medio termine del Progetto GNV-POSEIDON, Catania 19-20 luglio 2001.

Trasatti, E., Bonafede M., Giunchi C., Cianetti S. 2001. Modellazione numerica di aree vulcaniche e studio dell´effetto delle eterogeneita` strutturali del mezzo nelle deformazioni causate, Convegno di medio termine del Progetto GNV-POSEIDON, Catania 19-20 luglio 2001.

Trasatti, E., Bonafede M., Giunchi C., Cianetti S. 2001. Modellazione numerica di intrusioni magmatiche in mezzi eterogenei: applicazione all´Etna, Tesi di Laurea in Fisica, Università di Bologna.

Bonafede M. e Pallante, P., 2001. Variazioni residue di gravita` e deformazioni indotte da fenomeni vulcanici, Tesi di Laurea in Fisica, Università di Bologna.

In seno alla task SCM, L´UR3 (INGV-CT2) effettuerà in collaborazione con il Department of Geological Sciences Virginia Tech - USA (VT) un nuovo approccio tomografico in velocità dell´area etnea, utilizzando tutti i dati recenti (terremoti locali registrati nel periodo 1988-2001) di più elevata qualità (registrazioni digitali). I risultati che deriveranno da questa ricerca, consentiranno anche attraverso un confronto con quelli già pubblicati, di valutare quelli che sono i limiti attuali di uno studio tomografico all´Etna, al fine di indirizzare in futuro le indagini per poter ottenere un modello crostale affidabile per l´area. Tale ricerca sarà propedeutica allo studio tomografico in attenuazione, che verrà svolto nella seconda fase dall´IIV in collaborazione con l´Università di Granada – Spagna (UG).

L´attività di ricerca dell´UU.RR. INGV-CT2 e VT sono iniziate in ritardo rispetto agli altri progetti GNV, in quanto il supporto economico, derivante da fondi Poseidon, è stato messo a disposizione solamente dal Gennaio 2001.

Tuttavia, già a partire da Novembre 2000 si era proceduto ad intraprendere rapporti con gli altri gruppi di ricerca coinvolti nei sottoprogetti 6) e 7). In particolare, nel mese di Dicembre è stato svolto un periodo di lavoro a Catania con il responsabile dell´U.R. dell´Università di Granada, per la definizione delle metodologie e delle procedure di analisi da utilizzare per lo studio tomografico in attenuazione, mentre in occasione del Convegno AGU tenutosi a S. Francisco sono stati intrapresi rapporti con l´U.R. VT per lo studio tomografico in velocità.

Successivamente si è proceduto ad approntare il data set da utilizzare per le analisi.

L´inizio del presente progetto ha fatto si che si potesse dare anche avvio ad uno studio di dettaglio sull´attività che ha caratterizzato l´Etna in questi ultimi anni, attraverso l´integrazione dei dati sismologici e di deformazione del suolo. Al convegno AGU è stato pertanto presentato, in collaborazione con il task SDS, un lavoro preliminare dal titolo “Shear response to an intrusive episode at Mt. Etna Volcano (Jannuary 1998) inferred through seismic and tilt data”. Una parte di questo lavoro è stato mirato alla ri-localizzazione dei terremoti etnei utilizzando i modelli di velocità 3D disponibili per l´area. In particolare, è stato utilizzato il modello 1D di Hirn et al. (1991) e il modello 3D di Chiarabba et al. (2000) per valutare, anche se preliminarmente, quelli che sono gli effetti che le variazioni laterali di velocità hanno sulla stima degli azimuth e degli angoli di incidenza e quindi sul calcolo dei meccanismi focali.

Si è proceduto anche ad estendere il rapporto di collaborazione con l´U.R. ING (responsabile Chiarabba C.) per gli studi relativi all´analisi dell´attenuazione all´Etna e per procedere ad effettuare alcuni miglioramenti preliminari al modello 3D di Chiarabba et al. (2000).

La maggior parte del lavoro svolto in questi mesi è stato mirato a realizzare i moduli software e le procedure di analisi necessarie all´elaborazione dei dati, in maniera tale da integrare e migliorare il programma di analisi off-line ASDP (Patanè e Ferrari, 1999, Physics of the Earth and Planetary Interiors, 113/1-4, p. 57-74). Ciò allo scopo di avere un unico strumento informatico che consenta a tutte le U.R. coinvolte nel progetto di rielaborare in maniera semplice ed interattiva l´intero data set (1988-2001) disponibile, costituito dai dati delle reti permanenti IIV e Poseidon e delle reti temporanee OV, i quali presentano differenti formati di registrazione.

Il data set terremoti locali 1988-2001 e´ in fase di completamento e già da Aprile è iniziate l´analisi dati. Si ritiene che entro fine anno si possa già avere una prima inversione tomografica.

Bonaccorso A. and Patanè D. (2001) Shear response to an intrusive episode at Mt. Etna volcano (January 1998) inferred through seismic and tilt data. Tectonophysics, 334, 61-75.

Patane`, D.: Tomografia in velocita` ed attenuazione all´Etna: stato dell´arte e prospettive future, Convegno di medio termine del Progetto GNV-POSEIDON, Catania 19-20 luglio 2001.

TASK 8 - Simulazione di sorgenti deformative attraverso l´utilizzo di metodi numerici

Il programma di ricerca di questa U.R. persegue l´obiettivo di verificare gli effetti di sorgenti interne al sistema vulcanico, attraverso l´utilizzo di tecniche numeriche a elementi finiti, utilizzando specifici software sulla base di modelli analoghi realizzati per applicazioni di tipo meccanico.

In particolare, una volta perfezionata la ‘calibrazione´ dei modelli FEM e meglio individuata la conoscenza del mezzo, si potranno eseguire simulazioni numeriche sui comportamenti attesi al variare di determinati parametri fisici (ubicazione, pressioni e/o spostamenti, forme della sorgente, topografia). La ‘calibrazione´ sarà effettuata basandosi sui risultati analitici già ottenuti in mezzi omogenei.

Le deformazioni della superficie di un´area vulcanica sono usualmente causate da variazioni di pressione o spostamenti delle sorgenti interne, per questo motivo è di fondamentale importanza studiarne la loro influenza in funzione della loro forma e profondità.

Per capire un sistema complesso, come quello in esame, è spesso necessario estrarre le sue caratteristiche essenziali, ed usarle per la creazione di un modello. Un modello consente di analizzare il sistema, e di predirne il suo comportamento in differenti condizioni e parametri.

Nella ricerca da noi svolta abbiamo utilizzato dei modelli numerici. La chiave di un buon modello agli elementi finiti, consiste nel trovare un accordo tra la complessità necessaria per riprodurre la situazione reale, e la semplicità richiesta per la risoluzione della analisi. In particolare si è partiti dalla semplificazione della topografia della zona vulcanica, assunta di forma prismatica o cilindrica, con superficie libera piana. All´interno di tali sistemi sono state ubicate delle sorgenti di forma piana (faglie) o sferica con differenti profondità di posizionamento rispetto alla superficie libera; le sorgenti piane sono soggette a spostamenti normali alla loro superficie, mentre le sferiche a spostamenti radiali o a variazioni di pressione

Sono state eseguite diverse analisi per la calibrazione di questo strumento di calcolo confrontando i risultati ottenuti con quelli teorici attesi.

Le geometrie sono stata realizzate al CAD ed importate nel codice di calcolo FEMAP per la ‘meshatura´, in seguito trasferite in MARC per il set-up dei modelli, necessario per le successive analisi all´interno dello stesso programma. In tali modelli è stata sfruttata la simmetria allo scopo di diminuire i tempi computazionali.

La prima fase del lavoro si è concentrata sulla scelta delle giuste dimensioni e della tipologia di elementi da usare per questo tipo di simulazioni. A tale scopo sono stati realizzati 3 modelli bisimmetrici, di forma prismatica, di dimensioni differenti in cui la sorgente, di forma piana e verticale, è stata posta alla profondità di 0.5 km; tutti i modelli sono stati ‘meshati´ con elementi brik a 8 nodi e a 12 nodi ed elementi tetra 12. Come condizioni al contorno, alla superficie della base dei modelli è stato impedito lo spostamento verticale, mentre la superficie superiore e stata lasciata completamente libera; inoltre alla superficie verticale contenente la sorgente, per simmetria sono stati impediti gli spostamenti orizzontali.

Le caratteristiche meccaniche del mezzo sono state assunte come isotropo ed omogeneo con modulo elastico E=49000 N/mm² e coefficente di Poisson n=0.25. Il valore del modulo elastico si è ricavato come valore medio della distribuzione dei moduli elastici in funzione della profondità ottenuta tramite la misurazione della velocità del suono. Questo valore concorda con quello utilizzato da altri autori in analisi simili (Numerical modeling of surface deformation and mechanical stability of Vesuvius volcano-Russo et altri).

Il confronto dei risultati FEM con quelli ‘analitici´ ottenuti per mezzi omogenei, ha messo in evidenza che ci sono sostanziali differenze nella scelta della tipologia di elementi; nello specifico gli elementi che più si addicono a questo tipo di modellazione sono i brik a 12 nodi, mentre i brik a 8 nodi e i tetra danno valori che si allontanano sempre più da quelli teorici. Il raffronto dei modelli con differenti dimensioni ha permesso di affermare che il modello con dimensioni di 10 km*10 km*14 km fornisce risultati che hanno sufficiente rispondenza con quelli analitici, consentendo di diminuire drasticamente i tempi di calcolo.

Stabilite le giuste dimensioni e gli elementi da usare si sono successivamente realizzati dei modelli con sorgente inclinata di 15° rispetto alla verticale, e con sorgente sferica. Nei modelli che contengono un crack inclinato, per assegnare lo spostamento all´interno del mezzo si è utilizzata la tecnica degli ‘split-nodes´ (A simple and efficient method for introducing faults into finite element computations- H. J. Melosh e A. Rafsky).

In tutte le simulazioni le deformazioni sulla superficie libera, sul piano di simmetria della sorgente, mostrano una perfetta rispondenza con quelle teoriche tranne nel primo tratto, in cui non sono perfettamente coincidenti ma quasi uguali. Questo è giustificato dalla presenza di tensioni non nulle sulla superficie libera, che contrasta con la teoria. Alla soluzione di tale problema stiamo attualmente lavorando incrementando il numero di elementi nella zona immediatamente vicina alla sorgente anche se questo provoca un aumento esponenziale dei tempi computazionali.

Dai risultati dei modelli assialsimmetrici con sorgente sferica si è calcolato il rapporto tra il sollevamento massimo u_m, (misurato sulla superficie libera e sull´asse di simmetria) e lo spostamento u₀ imposto alle sue pareti per vari rapporti h/a (h= profondità del centro della sorgente – a=raggio della sfera). La legge di variazione di tale rapporto rispecchia quella indicata in letteratura (Finite element deformation of an elastic, non uniform medium produced by a dilating or pressurized magma chamber-F. Quareni).

Marco Elia M., Occhipinti Amato R, 2001. Applicazioni del metodo degli elementi finiti nello studio di deformazioni in aree vulcaniche, Convegno di medio termine del Progetto GNV-POSEIDON, Catania 19-20 luglio 2001.

TASK 9 - Sistema di alimentazione magmatica e deformazione sismica associata alla risalita del magma: applicazione ad alcuni vulcani italiani

Modello tridimensionale della velocita´ delle onde P, localizzazioni dei terremoti con mezzi di velocita´ eterogenei, meccanismi focali dei terremoti piu´ forti avvenuti negli ultimi anni (magnitudo superiore a 2.0), misura dei rapporti spettrali dei terremoti t*, relazioni di fase che simulano la risalita magmatica trattando il sistema alle pressioni e temperature ottenute per via modellistica.

La ricerca dell´U.R. ING e´ iniziata in ritardo in quanto l´U.R. e´ stata prima spostata su un altro progetto e quindi condivisa da due progetti. Il supporto economico, derivante da fondi Poseidon, e´ stato reso disponibile solamente da Gennaio 2001. Nel primo anno sono stati presi rapporti con gli altri gruppi di ricerca del progetto per l´analisi dell´attenuazione del vulcano Etna e per una valutazione circa miglioramenti possibili nel calcolo del modello Vp e Vp/Vs. Il data set terremoti locali 1994-2000 e´ in fase di costruzione. Per quanto riguarda la parte di geofisica sperimentale sono stati eseguiti i primi rilievi di fattibilita´, preparato il data set di campioni di roccia su cui effettuare gli esperimenti e iniziato un primo stage presso il laboratorio.....

1) Modello di velocità: E´ stato calcolato un modello tridimensionale di velocità delle onde P per la crosta al di sotto del vulcano. Le caratteristiche principali della struttura profonda sono state riconosciute: un grosso corpo ad alta Vp nella crosta superiore esteso fino a 18 km di profondità. I terremoti avvenuti nel periodo 1994-98 sono stati rilocalizzati nel modello tridimensionale ottenendo forti miglioramenti.

2) Meccanismi Focali: Sono state eseguite riletture accurate dei primi arrivi sui sismogrammi registrati dalla rete Poseidon nel periodo 1994-1998 per il calcolo dei meccanismi focali degli eventi sismici. La procedura che viene applicata alle letture per il calcolo dei meccanismi focali è quella delle polarità delle onde P. Ad oggi sono stati processati e calcolati 112 meccanismi focali di eventi avvenuti nel periodo Novembre 1994 - Dicembre 1995. Le letture relative alla rete Poseidon sono in corso di integrazione con quelle disponibili per altre stazioni sismiche operanti al vulcano.

3) Attenuazione: E´ stata messa a punto una procedura per il calcolo dei T-star da usare nell´inversione per l´attenuazione. La procedura consiste in diversi step:

La fase di rilettura accurata delle fasi P è propedeutica ed indispensabile alla stima dei t-star

4) Geofisica Sperimentale: Sono in studio le proprietà fisiche delle rocce del M.Etna (basalti e gabbri) svolgendo esperimenti con l´apparato multi-anvil. E´ stata misurata la conduttività elettrica di due campioni (basalto CSE 16042k e gabbro TMP 21Y) a pressione di 900 e 1500 Mpa, temperature variabili tra 400 e 800 °C (subsolidus) e frequenze tra 0.1 e 105 Hz. I campioni scelti sono rappresentativi della composizione piu´ primitiva del magma. Le pressioni e temperature alle quali sono stati condotti gli esperimenti corrispondono a quelle riscontrabili nella crosta inferiore e al passaggio con il mantello superiore. In esperimenti successivi verranno condotti alle temperatura del liquidus per investigare il comportamento sotto condizioni di fusione parziale. Gli esperimenti sono stati condotti al laboratorio del Bayerisches Geoinstitut of Bayreuth in collaborazione con il dott. Brent Poe.

Una interpretazione preliminare degli spettri di impedenza ottenuti durante gli esperimenti di conduttività mostrano che il basalto e i gabbri hanno differente resistenza elettrica per le stesse condizioni di pressione e temperatura, i.e., a 800 °C e 900 MPa i basalti hanno una resistenza di un fattore 4 più alta del gabbro. I risultati mostrano inoltre che la resistenza dei due campioni è dipendente dalla pressione, mentre l´energia di attivazione rimane la stessa.

Chiarabba C, Amato A. Boschi E., and Barberi F., 2000: Recent seismicity and tomographic modeling of the Mount Etna plumbing system, Journal Geophysical Research, 10,923-10,938.

De Gori P, G.B. Cimini, C. Chiarabba, G. De Natale, C. Troise and A. Deschamps, 2001: Teleseismic tomography of the Campanian volcanic area and surrounding apenninic belt, J. Volcanol. Geotherm. Res., in press.

De Natale G., C. Troise, F. Pingue, P. De Gori, and C. Chiarabba 2001: Structure and dynamics of the Somma-Vesuvius volcanic complex, Mineral. and Petrol., in press.

Chiarabba C., P. De Gori, M. Moretti, e P. Scarlato 2001: Sistemi di alimentazione magmatica da tomografia sismica e geofisica sperimentale, atti del Workshop ´´Evaluation magmatic processes by laboratory experiments, physical modeling and field measurements, 15-18, Roma, 27-29 Giugno, 2001.

Chiarabba C. et al., 2001: Vincoli alla struttura profonda del Mt. Etna da tomografia sismica, Convegno di medio termine del Progetto GNV-POSEIDON, Catania 19-20 luglio 2001.

TASK 10 - Definizione di scenari eruttivi per l´Etna sulla base di indagini multidisciplinari integrate

Organizzazione dei diversi data-base; scelta dei diversi eventi eruttivi per i quali realizzare gli scenari; validazione dei diversi database; realizzazione degli scenari sulla base delle singole discipline; acquisizione di nuovi dati.

La ricerca in oggetto è stata finanziata per 40 ML per il I anno. Finora è stata accreditata solo la prima tranche di 20 ML.

L´integrazione di dati sismotettonici e macrosismici per gli anni 1981-1991 ha portato, oltre alla costituzione del database, anche al confronto tra le anomalie dei campi macrosismici e quelle relative alla velocità di propagazione delle onde sismiche all´Etna ha permesso di evidenziare zone di anomalia nei diversi settori del vulcano che potranno essere utilizzate nello sviluppo di modelli di velocità 3D.

La costituzione di un database relativo a dati geofisici, vulcanologici, petrografici, geochimici ed isotopici per gli anni 1981-1991 ha permesso di iniziare una nuova valutazione del meccanismo eruttivo per l´eruzione del marzo 1981.

L´analisi dell´attività sismica ne periodo 1983-1996, in relazione ai fenomeni intrusivi del 1989-1991, ha evidenziato come anche attraverso l´analisi di parametri sismologici quantitativi quali le dimensioni frattali e il coefficiente b della relazione di Gutenberg-Richter, risulti evidente la variazione di stile di attività del vulcano tra il periodo 1983-88 e quello 1993-96. Tale studio può essere di notevole interesse nella definizione di possibili scenari dinamici del vulcano.

L´analisi del tremore vulcanico associato ad eruzioni parossistiche, con particolare riguardo agli episodi eruttivi del settembre 1989, ha evidenziato come previsioni basate su approcci di tipo statistico possano essere effettuate con una incertezza ragionevole. Resta opinabile l´utilità della "previsione" di tali fenomeni, mentre è ancora da definire nel dettaglio la dinamica del loro meccanismo eruttivo. A tale proposito, è stata testata la validità del modello di Chouet per quanto riguarda la sorgente del tremore vulcanico all´Etna in occasione di episodi di fontane di lava al Cratere di NE. Il modello non si mostra soddisfacente nella rappresentazione del fenomeno.

Risultati molto promettenti derivano invece dall´applicazione di tecniche di localizzazione ipocentrale di precisione, ad alcuni sciami di terremoti associati alle prime fasi dell´eruzione del 1991-93. Il confronto tra i risultati e i modelli di sorgente di deformazione stanno offrendo numerosi spunti di riflessione sulla "reale" consistenza ed evoluzione temporale del dicco eruttivo.

Infine è proseguita la raccolta dei dati relativi all´attività vulcanica dei crateri sommitali osservata e documentata per il periodo luglio 2000 - giugno 2001.

Azzaro R., Barbano M.S., Antichi B., Rigano R., 2000. Macroseismic catalogue of Mt. Etna earthquakes from 1832 to 1998. Acta Vulcanologica, 12, 1, 3-36, e CDROM.

Barbano M.S., De Rubeis V., Tosi P., Vinciguerra S., 2000. Clustering properties of Etna seismicity during 1981-1991. Journal of Seismology, 4 (2), 191-196.

Lombardo G., Barbano M.S., Costanzo S., 2000. Anomalies of seismic wave propagation at Mt. Etna Volcano, Italy. Journal of Volcanology and Geothermal Research. 101, 171-182.

Vinciguerra S., Gresta S., Barbano M.S. and Distefano G., 2001. The two behaviours of Mt. Etna volcano between 1983-1988 and 1993-1996: evidences from b value and fractal dimension of seismicity. Geophys. Res. Lett., 28, 11, 2257-2261.

Musumeci C., Gresta S. and Malone S., 2001. Magma system recharge of Mount St. Helens (USA) from precise relative hypocenter location of microearthquakes. J. Geophys. Res. (submitted May 2001)

Lombardo G., Imposa S., Coco G., Corrao M. 2000 - Features of volcanic tremor associated with recent eruptive episodes at Mt. Etna volcano (Italy). ESC General Assembly, Lisbon, Portugal, W.G. "Seismic Phenomena Associated with Volcanic Activity", Sao Miguel, Azzorre, p. 49.

Privitera E., Gresta S., Cammarata L., 2000. Spectral analysis of volcanic tremor at Mount Etna during a summit explosive eruption: a critical study of the Chouet´s source model. ESC General Assembly, Lisbon, Portugal, W.G. "Seismic Phenomena Associated with Volcanic Activity", Sao Miguel, Azzorre,

TASK 11 - Determinazione della distribuzione spazio-temporale degli sforzi sismogenetici

Analisi intensiva dei dati degli eventi sismici originatisi nell´area etnea nel periodo 1988-1999. Elaborazione di tali dati per il calcolo dei parametri sismici di base (ipocentri, magnitudo e meccanismi focali) ed avvio delle stime dei parametri di stress e strain

Non erano in programma specifici sviluppi metodologici, i quali viceversa dovranno auspicabilmente essere conseguiti nella fase di determinazione dei parametri di stress e strain (II° anno). Possono comunque essere citati a ragione gli sviluppi nel calcolo dei parametri focali ottenuti dalle analisi effettuate in struttura crostale 3D.

I risultati possono ritenersi soddisfacenti e corrispondono a quanto programmato e specificatamente indicato alla voce "Obiettivi".

Le analisi dei parametri focali hanno consentito di costituire un dataset di meccanismi alquanto consistente (oltre 200 soluzioni focali di qualità compatibile con le esigenze di calcolo dei tensori stress-strain) il che rende ottimisti in relazione alle successive fasi di attuazione del progetto. Il campione comprende tutti gli eventi sismici localizzati nella crosta etnea nel periodo di riferimento dell´indagine, aventi magnitudo maggiore o eguale a 2.7. Sono altresì presenti numerosi terremoti di magnitudo inferiore (2.0<M<2.7). La sismicità copre in maniera soddisfacente l´intero complesso vulcanico, anche se si evidenziano eterogeneità di distribuzione ipocentrale peraltro già note da precedenti studi. Le incertezze sui parametri ipocentrali risultano generalmente contenute entro i 3 Km e gli errori sui parametri del meccanismo sono valutati entro i 20°. Sono in corso verifiche dei calcoli focali attraverso l´impiego di modelli tridimensionali di velocità crostale.

Le attività del primo anno, come del resto ampiamente programmato, si sono sviluppate nell´ambito di una sistematica collaborazione con l´UR. coordinata dal Dott. E. Privitera. Tale collaborazione rappresenterà un punto di forza anche nello svolgimento dell´attività del secondo e terzo anno, anche se in questo caso gli obiettivi primari delle rispettive UU.RR. (Neri e -Privitera) si diversificheranno, puntando sulle analisi stress-strain nel primo caso, e sullo studio dei patterns sismici e confronti con altri dati geofisici e vulcanologici, nel secondo).

- n° 1 pubblicazione su rivista internazionale (completamento di un lavoro iniziato precedentemente all´avvio del progetto)

- database dei meccanismi focali etnei per il periodo Gennaio 1988 - Gennaio 1999

Barberi G., Cocina O., Neri G., Privitera E., Spampinato S., 2000. Volcanological inferences from seismic-strain tensor computations at Mt. Etna volcano, Sicily. Boll. Volc., 62, 318-330.

Neri G. and Cocina O., Evoluzione del campo degli sforzi sismogenetici e fenomenologie di sciame nell´area etnea nel periodo 1988-1998, Convegno di medio termine del Progetto GNV-POSEIDON, Catania 19-20 luglio 2001.

b) realizzazione di un data base di meccanismi focali affidabili nel periodo 1990-´98;

d) confronto con dati di deformazione del suolo, gravimetria ed osservazioni vulcanologiche.

Il ritardato inizio del progetto e la mancata assegnazione della seconda rata del finanziamento, hanno determinato alcuni disaggi, tra cui l´impossibilità di bandire la borsa di studio prevista, che ha impedito lo sviluppo dell´obiettivo a). Difatti, per quanto riguarda lo studio del TMC, è stato possibile completare una ricerca, già iniziata negli anni antecedenti l´inizio del progetto, che è stata recentemente pubblicata (vedi elenco delle pubblicazioni).

- L´obiettivo b) è stato quasi completamente raggiunto, almeno per ciò che riguarda il calcolo delle soluzioni del piano di faglia mediante il metodo delle polarità, e necessita solamente di alcune verifiche che permettano di validare la qualità del dato elaborato. In questo caso è stato possibile raggiungere risultati superiori, rispetto a quanto programmato, in quanto l´analisi è stata estesa anche agli anni successivi (sino al giugno 2001).

- è tuttora in corso l´analisi dei tensori degli sforzi e delle deformazioni (il raggiungimento dell´obiettivo c) era previsto per il secondo anno del progetto) che a giudicare dalle prime analisi sembrerebbe in grado di arricchire (e forse modificare) alcune delle conclusioni tratte dagli studi precedenti. La recente attività sismica (novembre 2000 – giugno 2001) ha modificato il pattern della sismicità osservato negli anni immediatamente precedenti, pertanto si è ritenuto opportuno approfondire alcuni aspetti, avviando delle analisi (tuttora in corso) che potessero indirizzare alla comprensione del fenomeno. In particolare, si è osservato che la distribuzione areale dello strain release nei primi 10 Km di crosta, avviene in aree che sono state attive anche negli anni precedenti prima dell´accadimento di cicli eruttivi al Cratere di Sud-Est, evidenziando che alcune zone sismogenetiche reagiscono alle variazioni positive dello sforzo, attivandosi ripetutamente. L´analisi della distribuzione spaziale degli eventi sismici nell´ultimo periodo (novembre 2000 – giugno 2001), evidenzia l´esistenza di due volumi asismici ubicati, rispettivamente, immediatamente ad est dei Crateri Sommitali (CS), ad una profondità maggiore di 5 Km, ed ovest sud-ovest dei CS, ad una profondità compresa tra 2 e 5 Km. Questi volumi asismici, già noti in letteratura, sono stati interpretati come zone di stazionamento di masse magmatiche e risultano essere sorgenti di deformazioni lente del suolo e di anomalie di gravità. La sequenza spazio - temporale della sismicità, induce a supporre che nel periodo analizzato si sia verificato un trasferimento di massa tra le due zone di stazionamento. La distribuzione epicentrale evidenzia due importanti allineamenti: il primo con orientazione circa NNW-SSE, è ubicato nell´area che va dalla Schiena dell´Asino, La Montagnola ed i CS; il secondo mostra un allineamento ENE-WSW ed è localizzato nell´area CS, M. Palestra e M. Intraleo. Altre aree sismogenetiche sono state individuate nel settore compreso tra i due allineamenti precedentemente citati e nella Valle del Bove. Sono di rilievo le seguenti osservazioni: i) la distribuzione epicentrale enfatizza la zona asismica superficiale; ii) la sismicità che delinea l´allineamento NNW-SSE presenta un parametro b piuttosto elevato; iii) sempre lo stesso allineamento NNW-SSE presenta un analogo andamento planimetrico della sismicità verificatesi in occasione dello sciame sismico che ha preceduto ed accompagnato (12 – 18 luglio) l´apertura delle fratture da cui si è verificata l´eruzione attualmente in corso. Infine, l´analisi di 98 meccanismi focali elaborati per il periodo novembre 2000 – giugno 2001 ha evidenziato che la direzione azimutale degli assi P converge verso la zona asismica superficiale, individuando pertanto un centro di pressione in tale volume che potrebbe essere all´origine della sismicità osservata.

- L´obiettivo d) viene perseguito gradualmente in funzione della disponibilità delle informazioni che provengono dalle altre discipline e dall´avanzamento delle ricerche esposte ai punti precedenti (il raggiungimento dell´obiettivo d) era previsto per il terzo anno del progetto). Alcune interessanti convergenze sono state già evidenziate ed è attualmente in corso la raccolta sistematica delle informazioni bibliografiche.

Barberi G., Cocina O., Neri G., Privitera E., Spampinato S., 2000. Volcanological inferences from seismic-strain tensor computations at Mt. Etna volcano, Sicily. Boll. Volc., 62, 318-330.

Sarao`, A, Panza, G.F., Privitera E., Cocina O., 2001. Non-double-couple mechanisms in the seismicity preceding the 1991-93 Etna volcano eruption, Geophys. J. Int., 145, 319-335.

Privitera E., Analisi dell´evoluzione spazio-temporale dei campi di sforzo e deformazione sismica all´Etna e relazioni con i recenti cicli eruttivi del cratere di Sud-Est, Convegno di medio termine del Progetto GNV-POSEIDON, Catania 19-20 luglio 2001.

UR#	AFFERENZA	RESPONSABILE
1	Dip. Scienze della Terra Univ. Pisa	M. Rosi
2	INGV Catania	M. Pompilio
3	Dip. Scienze della Terra Univ. Firenze	L. Francalanci
4	Istituto Geologia Marina Bologna	M. Marani
5	CIRCFT Università di Padova	A. Vettore
6	Dip. Sc. Geol. Geotecniche Univ. Milano-Bicocca	A. Tibaldi
7	Dip. Fisica Univ. Bologna	S. Tinti
8	Dip. Scienze della Terra Univ. Parma	G. Serri
9	INGV Roma	M. L. Carapezza
10	CNRS-CEA Gif/Yvette Francia	P. Allard

Il progetto triennale è finalizzato alla raccolta integrata di dati geologici, petrologici, geochimici e di geologia marina che permetta un sostanziale avanzamento di conoscenze per la definizione degli scenari eruttivi attesi e la previsione a medio termine dei fenomeni pericolosi. Il progetto prevede inoltre l´acquisizione di dati rilevanti alla definizione della pericolosità di fenomeni connessi al franamento catastrofico della Sciara del Fuoco (fenomeni esplosivi e onde di tsunami) con relativa identificazione delle aree esposte ai diversi pericoli. Il progetto si prefigge infine di contribuire alla mitigazione del rischio, mediante la sperimentazione di nuove tecniche di monitoraggio geochimico e petrologico, da utilizzare per la previsione dei fenomeni eruttivi pericolosi.

Raccolta e integrazione di dati stratigrafici, geocronologici, petrologici, isotopici e geochimici sui prodotti emessi dall´attività attuale del vulcano fino dal suo inizio. Stima del contenuto in volatili dei magmi, tramite l´analisi delle inclusioni vetrose e delle matrici della frazione juvenile e di misure con tecniche di remote-sensing (COSPEC e FTIR) dei gas contenuti nel pennacchio vulcanico.

Sono state eseguite indagini sull´evoluzione temporale della composizione del magma dello Stromboli attuale (UR Francalanci) analizzando 60 campioni di scorie e pomici eruttate nel corso di “esplosioni maggiori” avvenute negli anni 1998, 1999, e 2000 e di scorie emesse dall´attività ordinaria. Oltre alle analisi di maggiori e tracce su roccia totale, sono state eseguite analisi isotopiche su roccia totale e cristalli singoli di clinopirosseni e plagioclasi di una scoria e di una pomice, con il metodo delle traverse nucleo-bordo. I dati relativi alle traverse, indicano la presenza di complesse zonature isotopiche. I valori dei nuclei registrano una diminuzione nel tempo del rapporto isotopico. I nuclei dei clinopirosseni e dei plagioclasi di una scoria del 1996 sono sia più che meno radiogenici (0.70605-0.70633) dei bordi (circa 0.7061). Le fasi minerali della pomice del 1996 sono più omogenee isotopicamente (0.70608-0.70616), con solo rari nuclei riassorbiti aventi due composizioni distinte (0.7061 e 0.7063). I risultati sono in accordo con il modello di evoluzione dello Stromboli in cui una riserva di magma di composizione come quella delle scorie è continuamente rialimentata da un magma un po´ più primitivo che ha la composizione della pomice.

Il sistema magmatico attuale dello Stromboli, rappresentato dalle due componenti, scorie emesse dall´attività ordinaria e pomici emesse dai parossismi e dalle esplosioni maggiori, è stato indagato dal punto di vista delle inclusioni silicatiche contenute nei minerali (UR Rosi). I risultati fino ad ora ottenuti indicano che le inclusioni silicatiche nei cristalli di olivina coprono un ampio intervallo composizionale (CaO/Al₂O₃ = 0.99-0.29) e testimoniano della presenza di liquidi piuttosto primitivi intrappolati in cristalli forsteritici di olivina contenuti nelle pomici. Le inclusioni silicatiche primitive analizzate in cristalli di olivina delle pomici, alla microsonda elettronica e spettrometria infrarossa (FTIR), mostrano alti contenuti in volatili con H₂O tra 2.3 e 2.8 wt.%, CO₂tra 894 e 1689 ppm, S tra 2250 e1660 ppm e Cl tra 2030 e 1660 ppm, e rapporto S/Cl intorno all´unita´. Le inclusioni contenute nei cristalli più faialitici delle scorie dell´attività ordinaria sono praticamente prive di volatili ovvero presentano valori praticamente identici a quelli del vetro della massa fondamentale. Sulla base dei risultati ottenuti viene proposto che il magma degassato, che alimenta l´attivita´ “normale”, sia il risultato della cristallizzazione del magma piu´ ricco in volatili indotta da decompressione e perdita di H₂O a bassa pressione. Questo processo dovrebbe verificarsi all´interno del cono. La rapida risalita e l´arrivo in superficie di batches di magma ricco in volatili, e´ proposto come il meccanismo principe che produce le esplosioni piu´ energetiche (parossismi ed esplosioni maggiori) a Stromboli.

Sono state eseguiti studi sulla composizione della componente gassosa emessa sia in modo continuo (attività fumarolica) sia impulsivo (esplosioni), che contribuiscono a formare il pennacchio gassoso del vulcano, (UR Allard), utilizzando come metodo di telerilevamento la spettrometria infrarossa con trasformata di Fourier (open-path FTIR). Il metodo consente di determinare, in modo simultaneo, le concentrazioni di vari componenti gassosi nelle emanazioni vulcaniche, misurando il loro spettro di assorbimento della radiazione emessa da una sorgente calda. I risultati dell´applicazione del metodo a Stromboli mostrano: a) una relativa costanza della fase gassosa durante gli intervalli di emanazione non esplosiva, b) brusche e riproducibili variazioni durante le esplosioni che, oltre ad un aumento delle concentrazioni, includono un brusco aumento del CO/CO2 e COS/CO2 (x5-10), SO2/HCl (x2-4) e CO2/SO2 (x2-3). Alla luce dei dati sugli stessi volatili disciolti nelle inclusioni vetrose dei cristalli di olivina, le variazioni nei rapporti chimici osservate durante le esplosioni sono consistenti con la risalita veloce e periodica di grosse bolle (slugs) che si formano in profondità con un processo di degassamento in disequilibrio (Rayleight distillation). In contrasto la fase gassosa non esplosiva è rappresentativa di un degassamento all´equilibrio integrato lungo l´intera colonna magmatica (batch equilibrium degassing). La combinazione di questi dati con quelli di COSPEC per il flusso di SO2 permetterà di quantificare, in modo più accurato, i flussi gassosi emessi allo Stromboli affinando il bilancio del degassamento magmatico.

Mètrich, N., Bertagnini, A., Landi, P., Rosi, M. (2000) Crystallisation driven by decompression and water loss at Stromboli volcano (Aeolian islands). J. Petrol., 42:1471-1490.

Davies G.R. (2000) Complex magma chamber dynamics at Stromboli during the 20th century. Goldschmidt 2000, Journal of Conference Abstracts, 5(2), 335.

Landi, P., Bertagnini, A., Mètrich, N., Rosi, M. Oscillatory zoning in plagioclase as a record of the evolution of the crystal-rich magma body at Stromboli . Annual meeting of Coordinate Project «Hazard Assessment of Stromboli Volcano» – 6-8 June 2001.

Mètrich, N., Bertagnini, A., Landi, P., Rosi, M. Chemical variability and volatile content of magmas that sustain the current activity at Stromboli. Annual meeting of Coordinate Project «Hazard Assessment of Stromboli Volcano» – 6-8 June 2001.

Rosi, M ., Bertagnini, A., Landi, P., Mètrich, N. The activity of Stromboli from the Sciara del Fuoco collapse to date. Annual meeting of Coordinate Project «Hazard Assessment of Stromboli Volcano» – 6-8 June 2001.

Mètrich, N., Bertagnini, A., Landi, P., Rosi, M. Crystallization driven by decompression and water loss. Stromboli (Aeolian islands): a school case. IAVCEI congress, Bali July 2000.

Esecuzione di indagini geologiche e geotecniche mediante un rilevamento litostratigrafico e strutturale in scala 1:2000 – 1:5000 della struttura della Sciara del Fuoco; individuazione dei siti più significativi da campionare per la caratterizzazione geotecnica che sarà effettuata negli anni successivi. Revisione ed elaborazione di dati di geologia marina già disponibili presso l´IGM di Bologna da usare come base per la campagna di acquisizione dati in programma per l´anno prossimo.

Ricordando che esistono pochissimi lavori sulla caratterizzazione litotecnica dei prodotti vulcanici, al fine di preparare una carta litotecnica necessaria alle fasi successive del lavoro, si è sperimentata una classificazione della successione rocciosa in unità litologiche utili ai fini geologico-applicativi. Le unità litostratigrafiche sono quindi state suddivise o accorpate in base alle caratteristiche reologiche dominanti, funzione del tipo di materiale, granulometria, grado di cementazione, presenza di matrice, caratteristiche tessiturali dei clasti, ecc.

La depressione della Sciara del Fuoco e le zone circostanti sono state rilevate in scala 1:5000 al fine di preparare una mappa strutturale, una di meccanica delle rocce, una litologica e una geomorfologica. Queste mappe rappresentano i dati di base che verranno utilizzati per il prosieguo della ricerca negli anni successivi. Il rilevamento strutturale, assieme ai dati litostratigrafici esistenti, hanno confermato lo sviluppo di quattro collassi di settore verso NO negli ultimi 13 ka. In più, il rilevamento strutturale e di meccanica delle rocce hanno mostrato uno scenario complesso di deformazione post 13 ka BP. La deformazione si è prodotta soprattutto attraverso lo sviluppo di fratture e dicchi di direzione da NNE a ENE lungo la zona di debolezza principale di direzione NE che attraversa l´isola e la cima del vulcano. Lo stesso campo di deformazione ha anche interessato, anche se meno pervasivamente, il fianco NO del cono (cioè a NO della zona di debolezza NE-SO). Le fratture sono rappresentate per lo più da giunti, seguiti in ordine di abbondanza decrescente da fessure, microfaglie e rare faglie. Tutte queste fratture sono per lo più verticali o sub-verticali con immersione bimodale. I piani di frattura sono di estensione moderata con bruschi cambi di direzione nell´ordine di +/- 15° che probabilmente riflettono l´anastomizzazione di strutture originali di raffreddamento sotto l´influenza di un campo di sforzo successivo. Queste strutture hanno interagito con altre deformazioni riconducibili ad un campo di sforzo connesso con la mancanza di contenimento lungo le spalle del primo collasso di settore di 13 ka fa, nonchè lungo le spalle dei successivi collassi laterali. Altri giunti hanno direzioni più disperse e rappresentano l´effetto di condizioni locali di erosione, di richiamo gravitativo e raffreddamento dei depositi. Nella parte sommitale della Sciara del Fuoco abbiamo scoperto un sistema di fratture lungo circa 150 m sviluppatosi nell´anno 2000. Esso è costituito da segmenti di direzione NE con dilatazione NW-SE posti a sud dei crateri attivi, e da segmenti ESE con movimenti dominanti trascorrenti sinistri posti lungo la traccia del fianco meridionale dell´ultimo collasso di settore. I movimenti sono stati nell´ordine di 30-50 cm. La carta geomorfologica rivela la distribuzione delle frane superficiali e delle relative scarpate, le zone di erosione preferenziale e i cammini di erosione regressiva delle scarpate principali dei vari collassi di settore. Sono state riconosciute tre tipologie principali di frane superficiali: rock falls, debris flows e rock slides. Alcune scarpate di frana sono presenti anche a monte del villaggio di Stromboli, ad un´altitudine di circa 750 m. Le mappe e i risultati qui esposti brevemente centrano completamente gli obiettivi di questa UR per il primo anno di ricerca.

Le fratture del 2000 sopra descritte sono state monitorate tramite ripetuti controlli diretti e con l´installazione di capisaldi di ferro fissati con cemento. Dall´inizio del 2001 e fino all´ultimo controllo effettuato il 5 giugno 2001, queste fratture non hanno evidenziato indizi superficiali di ulteriori movimenti. I dati dettagliati su queste fratture sono stati inviati sotto forma di rapporto al Prof. Gasparini, come Presidente del GNV.

Durante il 2000 e il 2001, l´UR Marani ha condotto due crociere oceanografiche, una e´ stata dedicata all´acquisizione di dati di eco-scandaglio e di sidescan sonar ad alta risoluzione, l´altra alla campionatura dei fondali marini nelle porzioni sottomarine dell´edificio di Stromboli. Le ricerche sono state pianificate tramite l´interpretazione di dati multibeam acquisiti dall´Istituto per la Geologia Marina di Bologna nel 1996 e 1999, che forniscono una batimetria di dettaglio delle zone piu´ profonde di 200 m.

Nel dicembre del 2000, durante la campagna TIR2000, sono stati acquisiti profili di eco-scandaglio ad alta risoluzione (CHIRP) nell´area adiacente la Sciara del Fuoco e nel Canyon di Stromboli. Sulla base dell´interpretazione dei profili CHIRP, sono stati selezionati 10 siti di campionatura nei quali sono state effettuati carotaggi a gravita´. Solo 2 dei 10 campionamenti hanno avuto successo con il recupero di una successione sedimentaria di 480 e 91 cm.

Nell´aprile del 2001, durante la campagna VST01, sono stati acquisiti 300 km di linee di sidescan sonar ad alta risoluzione, che offrono la copertura della scarpata sommersa dell´edificio di Stromboli da una profondita´ di 200 a 1000 m. La scala delle immagini sidescan sonar e´ 1:3000 con una risoluzione di 0,75 m. I dati sono ancora in corso di correzione ed elaborazione.

Da un primo studio preliminare, le carote recuperate durante la crociera TIR2000, campionate rispettivamente nel bacino Marsili (profondita´ di 3300 m) e nel fianco profondo nordoccidentale dell´edificio di Stromboli (profondita´ 3000 m), risultano composte da una successione stratigrafica costituita principalmente da livelli torbiditici. Nella prima, i livelli sono costituiti soprattutto da una successione di numerose torbiditi volcanoclastitiche a spessori ridotti e a grana generalmente fine; un livello di tefra, individuato alla base della carota, e´ stato campionato ed analizzato dall´U.R dell´Universita di Pisa, allo scopo di stabilire la sua provenienza. La seconda carote contiene livelli piu´ spessi costituiti da volcanoclastiti a granulometria piu´ grossolana. Lo studio dei livelli piu´ significativi di entrambe le carote, attraverso l´analisi sedimentologica, geochimica e micropaleontologica e´ attualmente in corso presso l´IGM-CNR e UNIPI.

L´interpretazione preliminare dei dati sidescan sonar acquisiti durante la crociera VST01, integrati dai dati CHIRP acquisiti nella campagna TIR2000, ha messo in luce i processi gravitativi attualmente in atto nelle porzioni sommerse dell´edificio di Stromboli. In particolare, la zona adiacente la Sciara del Fuoco e´ caratterizzata da un cuneo vulcanoclastico di mare profondo costituito da materiale grossolano organizzato in barre e canali longitudinali con disposizione a ventaglio. In alcune aree blocchi con dimensioni fino a 50 m sono presenti sulla superficie del cuneo. Altri cunei di mare profondo, costituiti da materiale vulcanogenico grossolano, sono stati evidenziati nei fianchi occidentali e meridionali dell´edificio di Stromboli caratterizzati da assenza di piattaforma; anche in questi corpi deposizionali prevalgono forme di fondo orientate longitudinalmente. Depositi vulcanoclatici fini sono presenti nella porzione settentrionale dell´edificio caratterizzata dalla presenza di una piattaforma. Numerose superfici di distacco gravitativo sono la testimonianza di frequenti franamenti sottomarini dovuti a una forte instabilita´ dei sedimenti, e che originano l´arretramento del ciglio della piattaforma.

- n° 4 pubblicazioni su riviste internazionali, nazionali, presentazioni a congressi, rapporti tecnici e carta geologica

Tibaldi A., 2001. Multiple sector collapses at Stromboli volcano, Italy: how they work. Bulletin Volcanology, 63, 2/3, 112-125.

Tibaldi A. e Pasquarè G. Geological Map of Stromboli. National Project on 1:50,000 Prototype Map Atlas, CNR-SGN-CARG. In stampa.

Tibaldi A. e Rosi M., 2001. Il campo di fratture del 2000-2001 nella parte SE della Sciara del Fuoco, Stromboli. Rapporto per il G.N.V., Protezione Civile, Milano-Roma, 4 figg. + 4 pagg.

Gamberi F. e Marani M. (2001). Preliminary results of two oceanographic cruises over the submarine portions of the Stromboli edifice. Annual meeting of the coordinated project "Hazard assessment of Stromboli Volcano". Stromboli 6-8 June 2001.

Aggiornamento del codice attualmente in uso per la propagazione delle onde di tsunami, portandolo da 1.5D a 2D, sviluppo di modelli numerici che considerino l´accoppiamento dinamico frana-onde marine, messa a punto di un sistema eco-GPS, realizzazione di una rete GPS ed esecuzione del rilievo batimetrico nel tratto di mare compreso fra Scari e Piscità.

Nell´ambito del primo anno, l´attività dell´Unità di Padova è stata rivolta allo svolgimento dei seguenti compiti: 1) materializzazione di punti di appoggio GPS a terra; 2) predisposizione di un primo prototipo del software di acquisizione e gestione dei dati del rilievo batimetrico; 3) esecuzione di rilievi batimetrici di test sottocosta.

Per quanto riguarda il primo punto si è provveduto alla materializzazione di 6 punti GPS per le stazioni di riferimento a terra, i cui dati sono stati utilizzati per effettuare le correzioni differenziali, in tempo reale, delle osservazioni acquisite durante la navigazione sottocosta. In base alla morfologia dell´isola di Stromboli, l´ubicazione di tali punti è stata scelta in modo da avere una distribuzione uniforme delle stazioni di riferimento garantendo comunque la copertura GPS lungo tutto il perimetro dell´isola stessa. Infine è stata eseguita la compensazione della rete per la determinazione delle coordinate 3D dei punti.

I dati GPS sono stati acquisiti mediante ricevitori Trimble 4000 SSi, a doppia frequenza, con tempi di permanenza su ogni vertice della rete variabili tra 45 minuti e 1 ora, in dipendenza della disponibilità di un numero adeguato di satelliti. Infine le baselines sono state compensate mediante software commerciale Trimble GPSurvey.

Successivamente è stato affrontato l´aspetto relativo all´implementazione di un software dedicato al rilievo batimetrico, che fosse in grado sia di gestire contemporaneamente il flusso di dati provenienti dall´ecoscandaglio e dal ricevitore GPS, sia di visualizzare a video la rotta percorsa durante la navigazione. Il software è caratterizzato da una struttura modulare, i cui componenti principali riguardano la sezione di visualizzazione della traccia seguita dalla barca, il modulo per l´esecuzione in tempo reale della trasformazione di coordinate e quello di sincronizzazione tra i dati acquisiti dall´ecoscandaglio e dal GPS. Il software così realizzato consente sia di pianificare in sede di progetto i profili ortogonali alla costa lungo i quali eseguire il rilievo batimetrico, sia di controllare in tempo reale, durante il rilievo stesso, l´eventuale scostamento della barca dalle traiettorie programmate.

Nel giugno di quest´anno è stato realizzato un rilievo batimetrico di test, che ha interessato la zona dell´isola di Stromboli compresa tra il molo di Scari e Punta dell´Omo, per un´estensione lineare di circa 2.5 Km. Si sono così ottenuti profili batimetrici caratterizzati da interasse di 5m, distanza massima dalla costa di 150-200m e precisione nelle coordinate 3D dei punti dei profili dell´ordine del cm.

Avendo acquisito esperienza nell´ambito della modellazione 3D, l´Unità di Padova ha eseguito delle prove di modellazione del fondale rilevato, trasformando i dati acquisiti come file ASCII in un formato binario compatibile con quello richiesto dal software di modellazione 3D. In tal senso un primo test è stato eseguito su una porzione limitata dell´intero rilievo batimetrico, ottenendo risultati incoraggianti, ma con problematiche legate principalmente alla gestione di elevate quantità di dati avendo a disposizione piattaforme hardware con limitate capacità elaborative.

E´ intenzione dell´Unità di Ricerca di Padova di proseguire nell´esecuzione del rilievo batimetrico sottocosta dell´isola. Tuttavia, l´esperienza conseguita nella prima fase di test ha posto in evidenza alcune difficoltà per l´esecuzione del rilievo completo dell´isola nei tempi e modi programmati inizialmente. In particolare la risoluzione richiesta per la maglia di acquisizione (5m) e condizioni meteorologico-ambientali non sempre favorevoli, determinano necessariamente un notevole allungamento dei tempi di lavoro, non garantendo pertanto il rispetto delle specifiche del progetto proposto.

Uno degli obiettivi dell´UR Tinti è l´estensione del codice numerico per la simulazione di frane in modo che possa essere applicato a frane ove gli effetti bidimensionali sono importanti. Il primo passo in questa direzione è stato effettuato simulando la frana che causò la catastrofe del Vajont nel 1963. Si tratta di un caso che è stato ritenuto utile studiare perchè: 1) è una frana con fronte molto ampio, ossia molto maggiore della lunghezza longitudinale del corpo di frana, per il quale quindi non è conveniente usare un codice 1D; 2) è una frana emblematica, che generò una catastrofe con oltre 2000 vittime, per la quale è disponibile un set di dati nutrito, ed è quindi possibile confrontare i risultati della simulazione con le osservazioni sperimentali post-evento; 3) è una frana per la quale l´approccio lagrangiano utilizzato dal codice attuale dell´UR Tinti sembra essere il più adatto. La frana è stata simulata suddividendo il corpo di frana in senso longitudinale in subfrane che evolvono in modo indipendente, con verifica a posteriori che il sincronismo tra le varie subfrane sia rispettato in modo soddisfacente: con ciò intendendo che le varie subfrane si staccano contemporaneamente e si muovono assieme con velocità simili sino all´arresto. Il modello ha dato risultati apprezzabili, e particolarmente buono è risultato il confronto tra i depositi calcolati ed osservati (Zaniboni, 2000; Bortolucci et al., 2001). Un ulteriore avanzamento è lo sviluppo di un codice completamente 2D: il codice, già realizzato, è attualmente in fase di test su casi analitici: scivolamento di corpi rigidi su superfici a geometria semplice.

In generale il maremoto prodotto da una frana sottomarina viene studiato considerando che l´energia fluisca a senso unico dal corpo di frana al moto ondoso. In realtà, i due sistemi debbono essere considerati come sistemi mutuamente interagenti anche nel caso di un fluido inviscido che non esercita resistenza sulla superficie del corpo di frana. Lo studio dell´accoppiamento completo fra corpo di frana che si muove sul fondo marino e onde di maremoto è stato affrontato su casi semplici (corpi rigidi, batimetria semplice ed approssimazione di shallow water in fluido inviscido 1D). Lo studio ha messo in evidenza che nella prima fase predomina il passaggio di energia dal corpo di frana al corpo d´acqua (fase di prima generazione del maremoto). Successivamente, l´energia si può trasmettere anche dal moto ondoso al corpo di frana: la frana può cioè essere accelerata o decelerata dalle variazioni di pressione idrostatica associate a cavi e creste delle onde. L´effetto è maggiore quando il moto avviene in regime critico (numero di Froude prossimo a 1). Si è comunque osservato che la dinamica è prevalentemente determinata dal passaggio di energia dal corpo solido al moto ondoso, il che giustifica l´approccio tradizionale che trascura l´accoppiamento completo tra i due sistemi, studiando solo l´effetto del primo sul secondo.

Nel corso del primo anno è stato inoltre migliorato il codice agli elementi finiti per la propagazione del maremoto generato da frane: è stato infatti utilizzato su griglie a risoluzione variabile (da 100 m a 2000 m) che coprono un bacino assai vasto (circa 2 10⁴ km²). Il codice è stato prima testato sul caso del maremoto prodotto dal collasso laterale del vulcano Oshima nel mare del Giappone avvenuto nel 1741 (Tinti et al., 2000), per il quale esiste una soddisfacente documentazione storica. Esso è stato poi usato per studiare la propagazione di un maremoto nel Tirreno Meridionale prodotto dal collasso della Sciara del Fuoco a Stromboli (Bortolucci e Tinti, 2001). Lo studio, concentrato sulla propagazione nel mid-field a nel far-field, ha evidenziato che il maremoto non solo produce grandi effetti sulle coste di Stromboli, ma che determina onde di grande ampiezza anche nelle isole vicine (p.e. Panarea, Lipari, Vulcano, ecc.) e che entro 10-15 minuti attacca con violenza le coste di Calabria e Sicilia: le coste più colpite sono quelle attorno a Tropea e Capo Vaticano in Calabria.

Tinti S., Bortolucci E., Satake K., 2000, The 1741 Oshima-Ohshima Tsunami, XXVII General Assembly of the European Seismological Commission, 10-15 September 2000, Lisbon, Book of abstract, p.27

Bortolucci E., Tinti S., 2001, Impact on Calabria and Sicily of a large tsunamigenic scenario-collapse of Stromboli volcano, XXVI EGS General Assembly, 25-30 March 2001 Nice, Geophysical Research Abstracts, Vol. 3, CDROM.

Bortolucci E., Tinti S., Zaniboni F., 2001, Lagrangian modelling of the 1963 Vajont catastrophic landslide, XXVI EGS General Assembly, 25-30 March 2001 Nice, Geophysical Research Abstracts, Vol. 3, CDROM.

Tinti S., Bortolucci E., Chiavettieri C., 2001. Tsunami excitation by submarine slides in shallow-water approximation, Pure Applied Geophysics, 158, 759-797.

Installazione di due stazioni di monitoraggio in continuo del flusso di CO2 a Pizzillo e nell´area craterica, integrate con sensori per la misura di parametri ambientali, installazione di due stazioni per il monitoraggio in continuo di T, pH e conducibilità in due pozzi, studio di fattibilità di un campionatore continuo di cenere mirato all´individuazione dei siti migliori per posizionare lo strumento e all´ottimizzazione delle sue caratteristiche tecniche.

Gli obiettivi del primo anno sono stati pienamente raggiunti. Le acque termali dei pozzi ubicati alla base dell´edificio vulcanico sono state campionate mensilmente e sono state eseguite le analisi per la composizione chimica, isotopica, elementi in tracce e contenuto in gas disciolti. Quest´ultimo si è rivelato un ottimo tracciante geochimico per l´elevata mobilità del gas, combinata con le differenti solubilità dei vari componenti. La composizione chimica ed isotopica indica che le acque termali sono una miscela di acqua meteorica e acqua di mare (dominante) modificata chimicamente dall´interazione con gas caldi e acidi (principalmente CO₂) di origine profonda. Le acque studiate hanno temperature comprese tra 35 e 52 °C e sono caratterizzate dalla presenza di elio ed anidride carbonica disciolti in concentrazioni diversi ordini di grandezza superiori rispetto ad un acqua in equilibrio con l´atmosfera. Il carbonio della CO₂ disciolta ha inoltre la stessa composizione isotopica di quello della fumarola craterica. In due pozzi (Fulco e Zurro) monitorati in continuo con sonde multiparametriche (pH, temperatura, conducibilità, livello piezometrico), si sono notate variazioni di alta frequenza probabilmente correlate con le maree. Purtroppo le stazioni di misura hanno avuto diversi problemi tecnici e il set di dati disponibili per il primo anno è molto incompleto. Le stazioni dovranno essere modificate ed in parte riprogettate. Dal dicembre 2000, la piovosità viene misurata e vengono prelevati campioni mensili di pioggia per la composizione isotopica da tre siti (bordo craterico, Pizzillo e Sirenetta). Nel luglio 2001 una prospezione di radon è stata effettuata su 50 punti al suolo lungo i fianchi bassi del vulcano e nelle acque termali. I dati preliminari confermano la presenza di aree di degassamento anomalo a Pizzillo, Piscità e Le Schicciole. Sono state installate due stazioni per la misura del flusso di CO₂ dal suolo (metodo della camera di accumulo): la prima a dicembre 1999 alla mofeta di Pizzillo e la seconda nell´agosto 2000 sul bordo craterico. I due siti erano stati preventivamente identificati per il rilascio anomalo di gas, la cui composizione chimica ed isotopica indicava la presenza di una componente profonda (magmatica). I gas di questi due siti sono stati mensilmente campionati ed analizzati. Le stazioni misurano anche i parametri ambientali (pressione e temperatura dell´aria, direzione e velocità del vento, umidità dell´aria e del suolo, piovosità). Nel primo anno di misura le due stazioni hanno confermato le ovvie differenze di degassamento tra il cratere (fondo di 8000 g*m²/giorno con picchi fino a 45000) e la base del vulcano (fondo di circa 200 g*m²/giorno in inverno e di 300 – 400 in estate, con picchi fino a 2000). L´influenza dei parametri ambientali sul flusso di CO₂ è stata valutata mediante un modello di regressione lineare multipla. Pressione e temperatura dell´aria, e umidità del suolo sono i fattori che più influenzano il flusso alla stazione di Pizzillo, mentre sul bordo del cratere il flusso risente soprattutto della velocità del vento che vi raggiunge spesso valori molto elevati. In Fig. 1 sono riportati i valori di flusso di CO₂ misurati a Pizzillo (A) e sul bordo craterico (B) insieme alla curva dei valori “previsti”. Questi ultimi sono stati calcolati dal modello statistico assumendo che tutte le variazioni di flusso siano imputabili a variazioni dei parametri ambientali. Buona parte delle variazioni si spiegano con questo modello: circa il 60% per la stazione di Pizzillo e il 35% per quella craterica. Rimangono comunque evidenti anomalie in entrambe le stazioni, particolarmente in alcuni periodi, che lasciano intravedere una possibile connessione con il sistema di degassamento profondo. Nel secondo anno di attività queste anomalie saranno confrontate con i dati sismici e di osservazione diretta dell´attiva esplosiva dello Stromboli.

Un´altra interessante applicazione è la sperimentazione, in corso a Pizzillo, di due tecniche addizionali per il monitoraggio del flusso di CO₂: la concentrazione di CO₂ viene misurata , in continuo, a quattro differenti profondità nel suolo, insieme alla concentrazione dinamica di CO₂misurata a 50 cm di profondità. Il gradiente di concentrazione della CO₂ verrà utilizzato per stimare la componente diffusiva del flusso sulla base dei valori di permeabilità e porosità misurati sperimentalmente su una carota prelevata in situ. Si sta esplorando la possibilità di utilizzare una strumentazione capace di misurare gradienti di pressione molto piccoli, allo scopo di valutare anche la componente viscosa del flusso. La disponibilità di un set di dati continui sul flusso di CO₂ ottenuti con i metodi della camera di accumulo e della concentrazione dinamica, insieme con i più rilevanti parametri ambientali consentirà, per la prima volta, un confronto sistematico tra i due metodi di misura.

M. L. Carapezza and S. Inguaggiato (2001). Interaction between thermal waters and CO2-rich fluids at Stromboli volcano (Italy). Proc. WRI-10 (R. Cidu ed.) Rotterdam, Balkema.

M. L. Carapezza and S. Inguaggiato (2001). Continuous and automatic geochemical monitoring at the Stromboli natural laboratory (Aeolian Islands, Italy). Geophys. Res. Abstract, EGS 26th General Assembly, Nice, March 2001.

M. L. Carapezza and S. Inguaggiato (2001). Search of possible geochemical precursors of major explosions of Stromboli. GNV Stromboli project annual meeting (abstract and oral presentation).

Ricostruzione della storia eruttiva con tecniche tefrostratigrafiche, datazioni radiometriche e caratterizzazione chimica, mineralogica e del contenuto in volatili dei depositi recenti, post-5.000 yr BP, del vulcano.

Sono state eseguite indagini stratigrafiche sui depositi piroclastici recenti del vulcano, mediante scavo di trincee e osservazioni di campo sia nella zona di Punta Lena (UR Rosi), sia sui fianchi del cono (UR Pompilio). Le trincee stratigrafiche nelle zone distali pianeggianti di Scari /Punta Lena/S. Vincenzo, hanno consentito il riconoscimento di sottili livelli di tefra compositi da cenere e lapilli pomicei riconducibili a eventi parossistici dello Stromboli attuale di età compresa tra il III-VII secolo e l´attuale. In due trincee è stato inoltre riconosciuto, poco al disotto dei tefra dello Stromboli attuale, un livello millimetrico composto di cenere e piccole pomici afiriche, di composizione chimica identica a quella del M. Pilato di Lipari. La correlazione pone l´inizio dell´attività attuale dello Stromboli in epoca medievale dopo il secolo VII d.C. Una trincea scavata a monte di S. Vincenzo, ha attraversato due strati archeologici datati all´Età del Bronzo Antico (2000-1500 a.C.) e alla fine del Neolitico (3500-3000 a.C.). Poco al di sotto dello strato archeologico più antico sono stati rinvenuti carboni che hanno dato età calibrate di 2630-2470, 3330-2900, e 2900-2620 a.C. Le età radiometriche sono in ottimo accordo con quelle archeologiche. Poichè i carboni si collocano immediatamente a tetto di ceneri pedogenizzate delle Secche di Lazzaro, le datazioni danno un´età minima all´unità eruttiva delle Secche di Lazzaro. Sui versanti del vulcano e nella parte sommitale, sono state eseguite oltre 40 sezioni stratigrafiche. Lungo i bordi della Sciara si riconoscono depositi di scorie agglutinate che, localmente danno origine a pseudocolate. Altrove sono stati identificati depositi di caduta di (pomici e scorie) e di flusso caldi (hot avalanches). In gran parte dei campioni raccolti e studiati sono presenti le due componenti (povera e ricca in cristalli) che caratterizzano i prodotti dell´attività attuale del vulcano. Datazioni radiometriche preliminari indicano una età convenzionale di 240± 40 anni per la successione più alta. Data la vicinanza delle tematiche affrontate le UR Rosi e Pompilio hanno convenuto di unire gli sforzi per pervenire nel secondo anno ad un´unica ricostruzione degli eventi esplosivi maggiori avvenuti nel periodo VII-VIII secolo d.C. - attuale.

Rosi, M., Bertagnini, A. Landi, P. (2000) Onset of the persistent activity at Stromboli volcano (Italy). Bull. Volcanol., 62, 294-300.

Studio petrografico di noduli campionati in varie unità eruttive e delle inclusioni fluide al loro interno.

Tra i noduli studiati provenienti dalle sei unita´ eruttive di Stromboli, solo i noduli di quarzo contengono inclusioni fluide studiabili.

La ricerca e´ consistita prevalentemente nello studio delle inclusioni fluide presenti nei noduli di quarzo inclusi nelle lave calcalcaline di Strombolicchio e di Paleostromboli II.

I noduli studiati sono costituiti prevalentemente da cristalli di quarzo e subordinati piccoli minerali interstiziali quali plagioclasi, clinopirosseni, K-feldspati, biotiti e quarzo unitamente a del vetro silicatico interstiziale. Alcuni noduli mostrano una ben preservata struttura originaria mentre la maggior parte risulta aver subito un esteso processo di fusione ed un successivo processo di ricristallizzazione ad alta temperatura.

Nei cristalli di quarzo sono state identificate quattro principali categorie di inclusioni fluide distinte sulla base di relazioni tessiturali e sulla base del tipo di fluido contenuto.

Le inclusioni denominate di Tipo I contengono CO₂ in fase liquida+vapore. Si rinvengono isolate o in piccoli gruppi entro gli originari cristalli di quazo e pertanto possono essere considerate primarie sebbene abbiano subito un processo di riequilibrio successivo al loro incorporamento nella lava ospite.

Le inclusioni di Tipo II risultano monofasiche a temperatura ambiente e contengono CO₂ in fase vapore. Sono le inclusioni piu´ comuni e si rinvengono lungo allineamenti intercristallini. Su basi tessiturali possono venir suddivise in tre sottotipi. La loro origine appare secondaria e successiva ad un processo di decrepitazione delle inclusioni primarie/riequilibrate di Tipo I.

Le inclusioni di Tipo III sono bifasiche, contengono vetro silicatico e CO₂ in fase vapore e sono prevalentemente associate alle inclusioni di Tipo II.

Le inclusioni di tipo IV sono inclusioni bifasiche acquose di chiara origine secondaria disposte lungo piani di frattura ed allineamenti con un evidente aspetto “immaturo”.

Le analisi microtermometriche sono state condotte mediante tavolino scaldante/raffreddante sulle inclusioni di Tipo I e II. Il fluido contenuto in entrambi i tipi e´ supposto essere CO₂ pura in quanto i dati microtermometrici sono molto prossimi alla temperatura del punto triplo per la CO₂pura.

I dati microtermometrici sulle temperature di omogeneizzazione indicano che le inclusioni di Tipo I omogenizzano in fase liquida o in condizioni critiche in un intervallo compreso tra 21 e 31 °C con un picco di frequenza a 29-30 °C. Le inclusioni di Tipo II invece omogenizzano in fase vapore mostrando una distribuzione continua compresa tra 13.5 e 23 °C con un picco di frequenza a 28-29 °C. In generale, non si osservano variazioni nella distribuzione delle temperature di omogeneizzazione tra i campioni di Strombolicchio e quelli di Paleostromboli II.

Nota la composizione del fluido, la temperatura di omogeneizzazione ed i meccanismi di omogeneizzazione puo´ essere calcolata la densita´ del fluido contenuto. Applicando l´equazione di stato dei gas reali al microsistema inclusioni a due sole variabili (P e T) e´ possibile ricavare la curva isocora che esprime le condizioni P-T della fase fluida. (Nella presente ricerca e´ stata utilizzata l´equazione di Kerrick e Jacob per il sistemi a CO₂ pura).

I dati di densita´ ed i relativi dati di pressione, ottenuti dai due picchi di frequenza delle inclusioni di Tipo I e Tipo II, suggeriscono due fasi i di stazionamento del magma a pressioni rispettivamente di circa 2.5-2.6 kbar e 0.8 k bar.

· due campagne di terreno a Stromboli (campionatura) per ampliare il "range" composizionale degli inclusi magmatici e degli xenoliti crostali del basamento in corso di studio. La campionatura è stata focalizzata sia sui prodotti del Paleostromboli che sugli ejecta dell´attività parossistica attuale ("eruzioni maggiori");

· analisi al SEM e in microsonda elettronica delle principali fasi minerali e dei vetri silicatici interstiziali presenti negli xenoliti;

· analisi degli elementi maggiori e in tracce in ICP-OES-MS (Actlabs, Canada) su roccia totale degli xenoliti più rappresentativi;

· analisi isotopiche (TIMS) di Sr, Nd e Pb su campioni selezionati (Copenhagen);

· partecipazioni a congressi nazionali e internazionali e al meeting annuale del Progetto.

Per quanto riguarda la caratterizzazione dei liquidi di fusione parziale della crosta continentale di Stromboli (Renzulli et al., 2000a, b) è stato portato a termine e pubblicato sul Bulletin of Volcanology uno studio sull´origine dei liquidi silicatici ad elevati contenuti di silice presenti in alcuni xenoliti (Renzulli et al., 2001a).

Tra gli ejecta delle eruzioni attuali più violente (rispetto alle normali esplosioni del vulcano), sono stati recentemente scoperti e campionati xenoliti vetrosi ("buchiti") ricoperti o non da un sottile "film" (millimetrico) di scoria basaltica juvenile. Le "buchiti" stricto sensu sono rocce dominantemente vetrose che si formano per fusione parziale di rocce ricche in Al (protoliti pelitici o arenacei), tipicamente indotte da intrusioni di magmi. Differenti campioni di queste buchiti probabilmente emessi durante alcune delle eruzioni "parossistiche" attuali e recenti di Stromboli (1930? 1944?) sono attualmente oggetto di un approfondito studio petrologico (Salvioli et al., 2001a). Questo tipo di xenoliti rappresentano uno strumento ideale per la caratterizzazione geochimica dei liquidi che si formano “oggi” per fusione parziale “in-situ” del basamento crostale del vulcano e per lo studio dei processi di contaminazione dei magmi basaltici dell´attività attuale del vulcano.

La mineralogia modale (mullite, sillimanite, spinello ercinitico, cordierite, corindone ± quarzo) ed il vetro ricco in Al delle buchiti di Stromboli sono a favore di una loro origine per fusione parziale sia di sedimenti di tipo pelitico che di arenarie. Lo studio al SEM di queste rocce ha messo in evidenza variazioni composizionali dei vetri anatettici sono ben correlate con quelle mostrate dalle fasi minerali coesistenti. Stime geotermobarometriche preliminari indicano che la fusione parziale delle rocce sorgenti che hanno prodotto le buchiti è avvenuta in situ, nella crosta continentale di Stromboli ad una temperatura di 700-850° C ed una pressione di 2-3 k bars. I dati per ora raccolti suggeriscono una rapida risalita dei liquidi anatettici “buchitici” all´interno del sistema magmatico attuale del vulcano.

Durante il primo anno di attività sono stati selezionati per uno studio petrologico anche xenoliti di quarziti feldspatiche e di hornfelses, caratterizzati da una mineralogia modale e da una tessitura che forniscono importanti informazioni sul le relazioni spazio-temporali dei processi di fusione parziale nella crosta continentale e la risalita in superficie di questi xenoliti (Renzulli et al., 2001b, c). In particolare, l´insieme delle microstrutture presenti nelle quarziti feldspatiche indicano un raffreddamento relativamente lento dei liquidi ibridi prodotti. I processi di fusione parziale che hanno interessato queste rocce sono perciò avvenuti in situ e non sono legati alla storia degli xenoliti durante il loro trasporto in superficie da parte del magma. L´associazione di minerali presenti negli hornfelses (cordierite, Na-K-Ca feldspato, sillimanite, corindone) indicano un metamorfismo di contatto di alto grado su rocce pelitiche, in cui si sono raggiunte le condizioni di incipiente fusione parziale. Le composizioni dei feldspati a Na-K-Ca suggeriscono temperature di circa 850°C, mentre una pressione di formazione di 2-4 kbars può essere estrapolata da comuni griglie petrogenetiche delle rocce metapelitiche. Da indagini preliminari al TEM (Renzulli et al., 2001b), i feldspati di alta temperatura che caratterizzano questi hornfelses non sono interessati da processi di riordino strutturale e/o smescolamenti di tipo pertitico/criptopertitico. Per questo motivo è ipotizzabile che la storia sub-solidus (lento raffreddamento) di questi xenoliti sia stata preclusa da una loro risalita in superficie subito dopo il raggiungimento della facies di alto grado metamorfico.

Sono state ultimate le indagini sulle inclusioni vetrose e fluide presenti in alcuni inclusi gabbroidi campionati nella sequenza piroclastica della Petrazza allo scopo di definire la temperatura di cristallizzazione delle fasi e la composizione dei fluidi circolanti. Le indagini microtermometriche e spettrometriche hanno rivelato la presenza di CO2 e S come importanti componenti della fase fluida. H2O, non riscontrata nelle inclusioni fluide, rimane dissolta nel magma, in quantità anche significative, come dimostrato anche dalle composizioni dei plagioclasi (Salvioli et al., 2001b, c).

Infine è in corso di studio una indagine su noduli cumulitici a granulometria medio-fine, rappresentati da rocce gabbroidi deformate contenenti quantità variabili di materiale interstiziale (vetro e/o vetro + minerali "quenched"). Le relazioni composizionali tra i minerali e le microstrutture di queste rocce indicano una transizione graduale tra i differenti tipi di "fabric" riconosciuti, in stretta relazione con gli incrementi dei tassi di deformazione. I primi risultati di questo studio suggeriscono che lo sviluppo di foliazioni in rocce gabbroidi sub-vulcaniche è controllato da un insieme di condizioni chimico-fisiche comprese tra i due end-members rappresentati dalle deformazioni di flusso "sub-magmatiche" e le deformazioni plastiche relative a processi di ricristallizzazione sub-solidus (Mattioli et al., 2001a, b).

Renzulli A., Serri G., Santi P., Mattioli M., Holm P.M. (2001a) - Origin of high-silica liquids at Stromboli volcano (Aeolian Islands, Italy) inferred from crustal xenoliths. Bull. Volcanol., 62, 400-419.

Eruzioni Esplosive di Vulcani Attivi Italiani - Scenari Eruttivi, Carte di Pericolosita´ e di Rischio: Vesuvio, Vulcano e Lipari

UR#	Affiliazione	Responsabile
1	Dip. Scienze della Terra, Universita´ della Calabria	Rosanna De Rosa
2	Dip. Geomineralogico Universita´ di Bari	Luigi La Volpe
3	Dip. Scienze della Terra, Universita´ di Pisa	Roberto Mazzuoli
4	Centro di Studio di Geologia Strutturale e Dinamica, Pisa	Maria Teresa Pareschi
5	Dip. Scienze della Terra, Universita´ di Perugia.	Angelo Peccerillo
6	Dip. Scienze della Terra, Universita´ di Pisa.	Alessandro Sbrana
7	CRSCM-CNRS, Orleans	Bruno Scaillet

L´obiettivo finale e´ quello di ricostruire gli scenari eruttivi, in termini di fenomeni esterni e cause interne dei medesimi, di alcune eruzioni esplosive di magnitudo media e medio-piccola (V.E.I. = 3-5) verificatesi nel passato recente (<10.000 anni) al Vesuvio (eruzioni AP2 e AP3, 472 d.C., 512 d.C, 1631), a Vulcano (eruzioni di Commende del VI°sec d.C., di “Pietre Cotte” e del 1888-1890) e verificatesi a Lipari negli ultimi 20.000 anni. I risultati della ricerca dovrebbero permettere di coprire la variabilita´ dello spettro fenomenologico degli eventi attesi a medio-breve periodo per i vulcani studiati. I diversi scenari ricostruiti per i diversi vulcani costituiranno la base per la verifica ed il miglioramento dei modelli di funzionamento esistenti (Vesuvio e Vulcano) o prodotti nel corso della ricerca (Lipari) e per la produzione (Lipari) o l´aggiornamento (Vesuvio e Vulcano) delle carte di zonazione della pericolosita´ Tali carte verranno inserite in Sistemi Informatici Territoriali, aggiornati o costruiti nell´ambito della ricerca, permettendo il passaggio a carte preliminari di zonazione del rischio.

Il progetto si sviluppa attraverso ricerche a carattere tematico raggruppabili in tre task principali:

Nel complesso i risultati del primo anno di lavoro devono essere considerati molto lusinghieri e positivi, con tutti i principali obiettivi prefissati raggiunti o vicini ad esserlo. Nella realta´ delle cose questo sarebbe tanto piu´ vero in quanto la disponibilita´ di finanziamenti e´ iniziata tra novembre e gennaio e, di conseguenza, questa relazione e´ relativa a non piu´ di 6-7 mesi di spesa. E´ pero´ ovvio, soprattutto per alcune UR, che l´abbondanza dei risultati conseguiti e dei lavori pubblicati riflette un´attivita´ gia´ in corso al momento dell´approvazione del progetto.

a) Avanzamenti nella conoscenza delle condizioni P-T di cristallizzazione del sistema di alimentazione del Vesuvio

b) Avanzamenti nella conoscenza delle condizioni P-T di cristallizzazione ed evoluzione nei sistemi di alimentazione di La Fossa e Vulcanello

c) Ricostruzione dei processi di evoluzione e delle condizioni di cristallizzazione dei magmi di Vulcano e Lipari (e delle Eolie in generale) attraverso indagini petrologiche e geochimiche sui prodotti juvenili e sugli inclusi

In collaborazione tra le UR 6 e 7 si stanno sviluppando metodologie analitiche in spettrometria FTIR per la determinazione delle specie volatili (H₂O e CO₂) in inclusioni silicatiche attraverso attività coordinate interlaboratorio. Sono stati sintetizzati vetri fonolitici standard a tenore noto nelle specie volatili sopra dette. I vetri standard sono stati utilizzati per la determinazione dei coefficienti di assorbanza e sono in corso le misure FTIR degli stessi standard. E´ in fase di pre-installazione a Siena un tavolino riscaldante Vernadsky.

Vesuvio - Nelle inclusioni silicatiche (MI) di olivine forsteritiche nei prodotti piroclastici delle eruzioni del 1794, 1822 e 1872 del Vesuvio e´ stata riconosciuta la presenza di fusi tefritici intrappolati in condizioni di medio-alta pressione in condizioni analoghe a quelle ottenute per le eruzioni del 1944 e del 1906. Sono proseguite le ricerche sulla interazione tra magmi e rocce incassanti per i diversi tipi di camere magmatiche vesuviane. (UR 6-7). Sono proseguiti gli studi sull´attivita´ del periodo medievale. Sono stati studiati i prodotti delle eruzioni stromboliane dell´VIII secolo, caratterizzate dalla emissione dei magmi meno evoluti del periodo. Sono stati raccolti dati microanalitici (EDS e FTIR) su masse di fondo, fasi minerali ed inclusioni silicatiche in pirosseni (UR6). Sono stati condotti esperimenti a 100-200 Mpa, 800-900°C e fO₂ tra NNO-NNO+1 (membrane a H₂), su vetri ottenuti dalla fusione delle pomici fonolitiche vesuviane a contenuto variabile in acqua. Gli esperimenti sono stati capaci di riprodurre tutte le fasi mineralogiche presenti nelle fonoliti (UR7).

Vulcano e Isole Eolie - E´ stato completata la raccolta dati (mineralogici, geochimici, isotopici e delle inclusioni silicatiche e fluide) relativa alla ricostruzione del funzionamento del sistema di alimentazione di La Fossa (UR 6-7). E´ stato completato lo studio delle patine di alterazione (UR 6). Sono stati eseguiti gli studi sulle inclusioni fluide e vetrose contenute negli xenoliti quarzosi delle isole di Vulcano, Filicudi, Alicudi e Salina (UR5).

Vesuvio - E´ stata ottenuta conferma che magmi profondi hanno alimentato serbatoi magmatici superficiali per l´intero periodo 1631-1944. Sono stati ricostruiti i processi di interazione tra magmi vesuviani di diversa temperatura e composizione e rocce carbonatiche portando significativi contributi alla comprensione della genesi delle rocce di skarn. I dati raccolti per le eruzioni medievali suggeriscono la presenza di processi di degassamento preeruttivo a sistema aperto in risalita e una importante cristallizzazione sineruttiva per decompressione (UR 6). Le relazioni sperimentali di fase a 200 MPa mostrano andamenti sistematici e consistenti. Il risultato piu´ significativo riguarda la non stabilita´ dell´anfibolo a temperatura superiore agli 825°C nei fusi fonolitici (eruzioni di Mercato, Avellino e Pompei) qualunque sia il loro contenuto in acqua. La temperatura pre-eruttiva delle fonoliti (per P intorno a 200 Mpa) deve quindi essere stata < 825°C (UR7). Lo studio delle MI dei prodotti femici del Vesuvio ha confermato il coinvolgimento di magma profondo, risalito rapidamente e mescolatosi con magma residente. Tale processo appare, come gia´ ipotizzato, ripetitivo e ciclico. Esso puo´ essere riconosciuto solo attraverso lo studio delle MI (UR 6-7). E´ stato sviluppato un modello numerico per l´evoluzione termica e composizionale della camera magmatica al Vesuvio per i periodi 1874/1906 e 1944 attuale, ottenendo le caratteristiche fondamentali reologiche del magma nella camera. Inoltre, uno studio numerico su tre secoli di evoluzione termica della camera e della roccia incassante e´ stato focalizzato sulle caratteristiche dell´anomalia termica attorno al reservoir vesuviano. Il modello utilizza dati di partenza geologici derivanti dagli studi precedentemente descritti (UR6).

Vulcano e Isole Eolie - La distribuzione bimodale delle densità dei fluidi intrappolati nei cristalli di quarzo degli xenoliti di Vulcano indica chiaramente che esistono due distinti livelli di intrappolamento posti a diverse profondità. Se tali livelli rappresentano camere magmatiche, viene confermata l´ipotesi basata su dati geochimici di una evoluzione polibarica dei magmi di Vulcano. I dati cristallochimici relativi ai clinopirosseni provenienti da rocce mafiche di composizione analoga di vari apparati eoliani hanno mostrato forti variazioni che indicano una cristallizzazione a varie pressioni. Tali variazioni sono fortemente correlate con il tempo e la posizione dei vulcani indicando una risalita delle camere magmatiche verso livelli più superficiali procedendo dagli apparati più antichi a quelli più recenti e dai vulcani della parte occidentale a quelli centrali e orientali dell´arco (UR5)

- Definizione degli schemi interpretativi da usare per la categorizzazione dei depositi di flusso, in funzione dei caratteri strutturali e tessiturali e dei risultati delle indagini di laboratorio.

- Vesuvio: avanzamenti nella definizione degli scenari di eruzioni subpliniane; studio tessiturale e composizionale dei depositi di caduta riferiti a eruzioni di diversa energia rappresentative della variabilità eruttiva del vulcano.

- Lipari: avanzamenti nella definizione della dinamica eruttiva dei magmi riolitici recenti di Lipari;

E´ stato elaborato un metodo fisico-sedimentologico che, dai caratteri strutturali e tessiturali dei depositi, consente di ricavare la velocità e la densità dei flussi piroclastici diluiti e turbolenti (surge). Esso (brevemente discusso nella relazione dell´UR 2) può essere direttamente utilizzato per il calcolo della pressione dinamica, e quindi per definire in modo quantitativo la pericolosità dei flussi piroclastici turbolenti e diluiti.

Attraverso analisi di immagini è stato costruito un diagramma classificativo binario basato sul prodotto fra circolarità e allungamento e sul prodotto fra rettangolarità e compattezza, che rende possibile la discriminazione fra clasti dovuti a frammentazione fragile e clasti dovuti a frammentazione duttile. E´ stato messo a punto un metodo per il calcolo della dimensione frattale e per l´elaborazione statistica elementare e multivariata dei risultati dell´analisi frattale (UR 2).

Vesuvio – Sono state intraprese campagne di terreno comuni (UR 1-2-6) per lo studio di dettaglio della stratigrafia e delle facies dei depositi delle eruzioni AP2 e del 472.

Vulcano – E´ stata completata la raccolta dati relativa ai depositi della eruzione della Breccia di Commenda. E´ stato condotto uno studio al SEM sui caratteri delle particelle di cenere dei depositi dell´eruzione 1888-1890 affioranti sull´orlo del cratere di La Fossa, con lo scopo di definire: i) i processi di frammentazione e quindi migliorare la ricostruzione dei processi eruttivi ii) contribuire all´aggiornamento dello scenario eruttivo. E´ stata inoltre condotta una campagna per il campionamento di strati da surge di tutte le successioni stratigrafiche del cono di La Fossa, mirata agli studi sperimentali sui processi di devetrificazione e di trasformazione sin e posteruttiva del vetro vulcanico per definire il tipo di fluidi con cui il magma ha interagito durante i processi freatomagmatici e risalire alla temperatura di messa in posto dei flussi.

Lipari - stratigrafia di dettaglio dei prodotti piu´ recenti e studi tettonico-strutturali (UR3); dati preliminari sulla temperatura, il contenuto in volatili pre-eruttivo e la profondità di stazionamento del magma riolitico di Monte Guardia (UR1)

Vesuvio - Per quanto la ricostruzione stratigrafica sia ancora preliminare viene confermato che l´eruzione di Pollena e´ stata caratterizzata da una fase iniziale con dinamiche prevalentemente da caduta e frammentazione magmatica ed una fase successiva con dinamiche prevalentemente da surge e frammentazione freatomagmatica (UR2). I caratteri strutturali e tessiturali dei depositi da surge fanno prevedere che nel prosieguo del progetto sarà possibile applicare il modello fisico-sedimentologico, illustrato nella sezione sugli sviluppi metodologici, per ricostruire la velocità e la densità dei flussi. I dati preliminari sembrano indicare che per le eruzioni di tipo pliniano e sub-pliniano i parametri composizionali della frazione cineritica, non variano significativamente con la distanza dal centro di emissione (UR1).

Vulcano – E´ in stesura una nota scientifica dedicata alla ricostruzione dello scenario e dei meccanismi eruttivi dell´eruzione della Breccia di Commenda nella quale il “motore” prevalente della eruzione è rappresentato dal sistema idrotermale acido di La Fossa (UR6). I risultati delle indagini sulle ceneri dell´eruzione 1888-1890 hanno permesso di chiarire che le dinamiche di frammentazione siano da legare prevalentemente a processi di interazione magma/acqua. L´eruzione del 1880-1890 non deve essere considerata come una tipologia eruttiva a se stante: essa, piu´ semplicemente, è caratterizzata da esplosioni freatomagmatiche di magnitudo molto più piccola che nelle eruzioni precedenti di La Fossa (UR2).

Lipari - lo studio di dettaglio dell´eruzione del Monte Guardia (ca 22 ka) ha messo in evidenza che l´efficienza dell´interazione magma-acqua è aumentata nel corso dell´eruzione. La componente juvenile della sequenza piroclastica mostra evidenze del mescolamento del magma riolitico con uno più basico. Sono state determinate le proporzioni del mescolamento, i processi di mingling e mixing e le ricadute di questi sulle dinamiche eruttive (UR1-3).

Vesuvio – Avanzamenti nella valutazione della pericolosita´ legata allo scorrimento delle colate di fango: indagini geologiche e geomorfologiche sulle zone sorgenti delle colate di fango; mappe preliminari di propensione al dissesto; indagini sui debris flows sineruttivi in Appennino.

Affinamento delle carte di pericolosita´ relative alla caduta di piroclastiti al Vesuvio

Vesuvio - E´ iniziata la ricostruzione 3D dei fan di dispersione dei flussi piroclastici nel settore nord orientale del Somma e la messa a punto di tecniche di rappresentazione 3D su programmi dedicati (UR6). E´ in corso lo studio sugli effetti dello scorrimento di debris flows in aree abitate (Episcopio), per valutare i danni indotti dall´impatto di questi flussi sulle strutture. Sono in elaborazione tabelle preliminari che mettono in correlazione i danni (distruzione totale, danneggiamento parziale, ecc) con opportuni valori delle forze di impatto (idrostatica, dinamica a collisionale – dovuta ai grossi oggetti trasportati).

Vesuvio - Sono stati raccolti dati geologici, geotecnici e sedimentologici sui depositi di lahar presenti sulle pendici del Somma-Vesuvio e sui debris flows sineruttivi presenti sui contrafforti appenninici: oltre 40 sezioni sono state studiate in dettaglio (UR4).

Vesuvio - E´ stata completata l´elaborazione dei dati relativi ai depositi di caduta di 24 eruzioni esplosive post 20ka e sono state approntate carte tematiche di pericolosità probabilistiche attraverso l´integrazione di dati geologici e di modellistica fisica (UR6). Le analisi di facies hanno portato alla distinzione di due principali tipi di depositi vulcanoclastici (lahar): sineruttivi, quelli originati durante e/o immediatamente dopo un´eruzione (essenzialmente caratterizzati dalla omogeneità litologica del materiale vulcanico rimosso, appartenente spesso per più del 90% all´eruzione alle cui spese si è avuta l´erosione) e intereruttivi, originatesi in periodi di prolungata stasi eruttiva o comunque a distanza di tempo dall´ultimo evento eruttivi (molto piu´ eterogenei); è stata effettuata la suddivisione, su basi morfologiche e stratigrafiche, tra aree sorgenti ed aree inondabili per debris flows sineruttivi. Per quanto riguarda l´aspetto relativo agli alluvionamenti (flussi diluiti) sono state effettuate delle simulazioni con un modello bidimensionale che dà informazioni sulle grandezze idrauliche integrate sulla profondita di flusso; l´evento massimo di riferimento si è ricavata dalle misurazioni storiche (150 mm). (UR4).

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Scenari eruttivi da ricerche di modellistica fisica e vulcanologia sperimentale

UR#	AFFERENZA	RESPONSABILE
01	Dip. di Fisica , Univ. di Bologna	Prof.Michele Dragoni
02	Mars Center, Napoli	Prof.Francesco Gaeta
03	Osserv. Vesuviano-INGV, Napoli	Prof. Giovanni Macedonio
04	CSGSDA-CNR,c/o DST,Univ. Pisa	Dott. Augusto Neri
05	INGV, c/o DST, Univ. di Pisa	Dott. Paolo Papale
06	DST, Università di Camerino	Prof. Michael Carroll
07	DSMP, Università di Torino	Dott. Corrado Cigolini
08	DGV, Univ. Federico II, Napoli	Prof. Benedetto De Vivo
09	DSG, Università di Roma 3	Prof. Daniela Dolfi
10	IGF-INGV, Palermo	Prof. Pasquale M. Nuccio
11	IIV-INGV, Catania	Dott. Massimo Pompilio
12	DST, Univ.di Roma “La Sapienza”	Prof. Raffaello Trigila
13	CNT-INGV, Roma	Prof. Claudio Chiarabba
14	Osserv. Vesuviano-INGV, Napoli	Prof. Giuseppe De Natale
15	BGHRC, Univ.College, London	Prof. Christopher Kilburn
16	DST, Università di Trieste	Prof. Giuliano Panza
17	DST, Università di Firenze	Dott. Maurizio Ripepe

Il progetto di ricerca ha come obiettivo primario la costruzione di una base interpretativo-metodologica dei processi vulcanici basata sul legame stretto tra i vincoli legati a risultanze fenomenologiche (i.e.: dell´attività vulcanica, dei suoi precursori e dei suoi prodotti), la modellistica fisica e, ove le prime manchino (i.e.: nel caso delle fenomenologie intratelluriche), la vulcanologia sperimentale.

Integrando la ripartizione usuale della ricerca in questo campo per “aree vulcaniche”, il progetto si propone, quindi, di vincolare alcuni principi generali di funzionamento dei vulcani, che possano essere convenientemente utilizzati per la comprensione e la previsione delle fasi eruttive alla formulazione di “scenari”, intesi come la rappresentazione di un processo che va dall´instaurarsi dei primi fenomeni precursori fino alle fasi eruttive vere e proprie.

In quest´ambito sono stati identificati alcuni nodi cruciali dalla cui analisi dipende l´attendibilità degli scenari che possono essere proposti per i vulcani studiati. Questi obiettivi, d´importanza centrale e più congeniali per le metodologie d´indagine utilizzate nel Progetto approvato, sono quattro e precisamente: i) il ruolo della componente volatile dei magmi sull´evoluzione dei sistemi pre-eruttivi ed eruttivi, ii) gli effetti dell´interazione fra dinamica del sistema magmatico e struttura vulcanica tramite la simulazione dei parametri osservabili legati alle variazioni dei campi di sforzo, iii) la rappresentazione in modelli numerici e termofluidodinamici dei principi e delle leggi che regolano l´evoluzione dei sistemi magmatici nei serbatoi subvulcanici, la loro salita in superficie nei condotti ed infine i meccanismi eruttivi veri e propri, iv) la valutazione e la verifica sperimentale di alcuni parametri utilizzati come precursori eruttivi ( i.e.: l´andamento della deformazione e della fratturazione di sistemi rocciosi sottoposti a campi di sforzo provocati da fluidi o da fusi magmatici) e di altri considerati di base fra i meccanismi d´innesco delle eruzioni, come è il caso dell´interazione magma-acqua.

1. – E´ stato attivato il sito web del Progetto per la divulgazione delle informazioni relative al coordinamento del Progetto e la divulgazione dei risultati scientifici. Il sito, la cui struttura ed aggiornamento sono a cura di C.Troise, G.De Natale e G. Macedonio dell´Osservatorio Vesuviano, si può visitare all´indirizzo: www.res.ov.ingv.it/trigila.

2. – Nell´ambito delle Riunioni di Progetto previste nella Proposta è stato organizzato il Workshop di Primo Anno, dal titolo: “Evaluating magmatic processes by laboratory experiments, physical modeling and field measurements”. Il workshop si è tenuto a Roma dal 27 al 29 Giugno 2001, presso la Sede dell´Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, a Via di Vigna Murata 605. Si sono iscritti al Workshop ed hanno partecipato ai lavori un centinaio di ricercatori oltre agli invitati stranieri . I contributi di questi ultimi, su temi di ricerca che sono centrali per i Task nei quali è articolato il Progetto, hanno riguardato: i) Advances in the understanding of crystal-melt partitioning (Task 1) da parte di B.J. Wood; ii) Dynamics of magma chambers and caldera collapse (Task 2 e Task 3) da parte di J. Marti; iii) Modeling the mechanics of volcanic structures (Task 2) da parte di F.Cornet; costituendo un punto di riferimento per la formazione e l´aggiornamento degli operatori che fanno capo al Progetto.

Al Workshop hanno partecipato 16 delle 17 U.R. in cui è articolato il Progetto contribuendo con 26 Comunicazioni. I Proceedings, sono stati pubblicati in un volumetto di 144 pagine, distribuito al Workshop e successivamente inviato ai Responsabili interessati dell´INGV, del GNV, del PROCIV e della Commissione di Valutazione del GNV-Framework Program.

· Sviluppo di metodologie sperimentali sulla solubilità di He, Ne, N2 in fusi silicatici contenenti H2O e CO2, e di Cl in fusi di composizione fonolitica e trachitica. Sviluppo di una metodologia FTIR a riflettanza diffusa per l´analisi dell´H2O su vetri finemente vescicolati non analizzabili secondo il metodo classico per trasmissione.

· Studio nelle vulcaniti del Somma-Vesuvio delle inclusioni silicatiche od anche fluide (per CO₂ + H₂O) con l´analisi degli altri componenti volatili presenti (SO₂, Cl, F) e messa a punto di metodologie sperimentali per la determinazione della solubilità di questi componenti volatili; acquisizione di dati sul contenuto di H₂O e sulla struttura dei vetri delle pomici dell´eruzione del Vesuvio del 79 d.c..

· 3.- Studio del contenuto in H₂O + CO₂delle inclusioni vetrose di eruzioni dell´Etna a diversa tipologia e chimismo.

· 4.- Studio sperimentale del controllo di H₂O e CO₂sulle relazioni di fase fino a 500 MPa in sistemi rappresentativi dei magmi dell´Etna e di Stromboli anche al fine di una loro evoluzione di tipo seriale

1. E´ stata sviluppata una metodologia originale per la realizzazione di un sistema chiuso multifase contenente nel fuso i volatili maggiori H₂O + CO₂ed un gas inerte in concentrazioni rigorosamente note per potere condurre quei bilanci di massa necessari al calcolo della ripartizione vapore-fuso del gas inerte. Il problema è stato risolto tramite la sintesi ad alta pressione di un vetro silicatico di composizione uguale a quella del campione studiato contenente una quantità misurabile di gas inerte disciolto ed utilizzando frammenti di quel vetro per caricare di una quantità nota di gas inerte il campione studiato. Con tale procedura è stata studiata la solubilità di He in fusi silicatici contenenti H₂O + CO₂ottenuti da campioni di composizione basaltica e riolitica provenienti dall´Is di Vulcano. E´ stata anche verificata un´importante dipendenza della suddetta solubilità in funzione delle quantità di CO₂ ma soprattutto di H₂O presenti nel sistema. E´ in fase di studio l´estensione del metodo per la determinazione delle solubilità di N_2,Ne ed Ar e la preparazione di un modello che consenta di calcolare direttamente la solubilità del gas inerte note le variabili intensive di controllo del sistema fra cui H₂O(m) e CO₂(m).

Le ricerche sulla solubilità di Cl in fusi di composizione trachitica e fonolitica si svolgono all´Università di Camerino dove è in fase di installazione un impianto idrotermale a raffreddamento rapido. I risultati finora ottenuti mettono in evidenza la maggiore solubilità del Cl (di un fattore 2) in fusi alcalini evoluti rispetto a fusi riolitici sintetizzati alle stesse condizioni dei primi. Gli esperimenti sono stati eseguiti in condizioni in cui il fuso trachitico coesiste sia con una fase fluida acquosa che con una brina ricca in sali. I risultati ottenuti indicano che la solubilità del Cl aumenta al diminuire della pressione; confrontando questi dati con le abbondanze di Cl misurate nelle inclusioni di melt e nella matrice vetrosa delle pomici dei depositi dell´Ignimbrite Campana suggeriscono che i magmi trachitici più evoluti abbiano avuto origine ad una profondità minima di 2-3 km.

2. Dallo studio sistematico delle composizioni delle inclusioni vetrose nei fenocristalli delle vulcaniti emesse nel corso dell´attività del Somma-Vesuvio si osserva che i magmi dell´attività precalderica (>14.000 YBP) risultano più ricchi in silice rispetto a quelli sin- e post-calderici che a loro volta risultano arricchiti in S, Cl, CaO, MgO e P₂O₅ ed altri elementi in traccia. Inoltre, i dati delle inclusioni vetrose indicano che i magmi (di età < 3.550YBP) associati all´attività pliniana e sub-pliniana sono più ricchi in H₂O ed S e con rapporti S/Cl significativamente più elevati rispetto ai magmi associati alle eruzioni interpliniane. I risultati delle ricerche mostrano come la solubilità di Cl possa variare nei magmi vesuviani in funzione della loro composizione. A causa di ciò al diminuire di Ca, Mg, e Fe si determina una brusca riduzione della concentrazione in Cl ed ipotizzando un meccanismo di “third boiling” si può osservare un aumento generale della componente volatile nei melts per effetto della cristallizzazione di fasi anidre o povere in elementi volatili. Altri risultati riguardano lo studio delle inclusioni fluide e vetrose degli skarns al Vesuvio che chiarisce come l´assimilazione di rocce carbonatiche da parte del magma alcalino sia avvenuta a moderata profondità (<5km) e lo studio delle inclusioni vetrose nei fenocristalli di xenoliti in brecce e litici sia del Somma che dei Campi Flegrei che fa ipotizzare un legame genetico fra i due complessi vulcanici.

Tramite la preparazione di standard ottenuti sperimentalmente ad alta P ed alta T è stata calibrata su campioni di pomici grigie e bianche dell´eruzione del Vesuvio del 79 d.c. la tecnica per l´analisi FTIR dell´H₂O disciolta nel vetro. I risultati ottenuti dallo studio sui caratteri strutturali delle pomici e sul loro contenuto in H₂O indicano che: a) Le caratteristiche granulometriche, di porosità e di tenore in H₂O evidenziano uno stato stazionario della colonna durante la fase di emissione delle pomici bianche. b) Le stesse caratteristiche rivelano, per le pomici grigie modalità di emissione controllate dalle dimensioni del condotto. c) La porosità, ed il contenuto di acqua residua sono indipendenti sia dalla classe granulometrica dei clasti analizzati, sia dalla zona di provenienza e pertanto rispecchiano, al contrario dei caratteri granulometrici, l´evoluzione del magma fino al momento della frammentazione. d) Il tenore in H₂O nei vetri subisce una brusca diminuzione al passaggio pomici bianche-pomici grigie per aumentare successivamente nel corso dell´eruzione. f) La BSD evidenzia , sia nei campioni delle pomici bianche che in quelli delle grigie, un doppio stadio di vescicolazione: il primo relazionabile alla depressurizzazione nella camera magmatica; il secondo, numericamente più importante, relazionabile alla risalita nel condotto prima della frammentazione. Infine, sempre al Vesuvio su campioni dell´eruzione del 1944, è stata valutata sperimentalmente l´influenza della diffusione di CO₂ da parte delle rocce incassanti la camera magmatica come trigger per la exsoluzione dell´H₂O e quindi del quenching del magma residuo nella camera stessa, ed il controllo dell´H₂O(liq), sui coefficienti di partizione fra clinopirosseno e fuso di alcuni elementi traccia, in particolare terre rare,.

3. Lo studio sui tenori in H₂O e CO₂ nelle inclusioni vetrose dei fenocristalli di olivina nei tefra basaltici a composizione picritica dell´Etna, in quelli hawaiitici dell´eruzione pliniana del 122BC, in quelli delle fontane di lava dell´eruzione 1995-96,ed nelle inclusioni dei bordi vetrosi di lave a pillow a chimismo tholeitico dragate fino a 1700m sul versante E del vulcano hanno dato valori massimi di H₂O e CO₂ rispettivamente di 2.7%, del 3%, dell´1.8% e dell´1.3% per l´H₂O e di 1500ppm, 4-500ppm, 200ppm e non rilevabili per il CO_2. Il complesso dei dati raccolti indica che i magmi dell´Etna sono già ricchi in volatili negli stadi iniziali dell´evoluzione magmatica con conseguenze significative sulle relazioni di fase e sulle proprietà reologiche dei magmi stessi.

4. Su campioni rappresentativi di magmi dell´Etna a vario grado di differenziazione sono stati effettuati fino ad oggi 98 esperimenti, a temperature nell´intervallo liquidus - solidus ed a pressioni comprese fra quella atmosferica e 500MPa. Questi dati oltre a fornire informazioni sul controllo della componente volatile sulla composizione dei liquidi differenziati permettono una stima delle proprietà reologiche di questi ultimi in particolare della pressione di galleggiamento esercitata dai fusi a seconda del tenore in volatili disciolti e quindi della loro velocità di salita in superficie.

I risultati di esperimenti d´equilibrio effettuati a pressione atmosferica ed a temperature nell´intervallo liquidus-solidus su 4 campioni raccolti al Vulcano Stromboli e rispettivamente di serie magmatica calco-alcalina, calco-alcalina alta in potassio, shoshonitica e alcalino-potassica mettono in evidenza un significativo arricchimento in K₂O a fronte di un moderato arricchimento in SiO₂. Risultati preliminari di esperimenti in saturazione di H₂O ed a pressioni fino a 200MPa mostrano invece un´inversione di questa tendenza.

- n° 15 pubblicazioni su riviste nazionali, atti, presentazione a convegni, etc

Corsaro R.A., Neri M., Pompilio M.: (2001) - Paleo-environmental and volcano-tectonic evolution of the south-eastern flank of Mt.Etna in the last 225 ka inferred from the volcanic succession of the “Timpe”, Acireale, Sicily. Journal of Volcanology and Geothermal Research, (in press).

Corsaro R. A. e Pompilio M.: (2001) - Buoyancy of magmas at Mt.Etna: effects on the localisation of magma reservoirs and on the eruptive styles . Earth and Planetary Science Letters (submitted).

Couch, S., Sparks RS.J., Carroll M.R.: (2001) - Convective self-mixing of magmas in open-system chambers. Nature, 411, 1037-1039.

Danyushevky L.V., and Lima A.: (2001) - Relationships between Campi Flegrei and Mt Somma volcanism: evidence from melt inclusions in clinopyroxene phenocrysts from volcanic breccia xenoliths. Mineralogy and Petrology. Special issue: Mt Somma – Vesuvius and volcanism of the Campanian Plain (De Vivo B. & Rolandi G., Edts) (in press).

De Natale, G., Chiarabba, C., Troise, C., Trigila, R., Dolfi, D., Kissling. E.:(2001) - Determination of 3D sub-structure at Somma-Vesuvius volcano: the effect of magma quenching due to gas exolution, J.Geophys. Research (submitted).

Gilg H.A., Lima A., Somma R., Belkin H.E., De Vivo B., Ayuso R.A.: (2001) - Isotope geochemistry and fluid inclusion study of skarns from Vesuvius. Mineralogy and Petrology. Special issue: Mt Somma – Vesuvius and volcanism of the Campanian Plain (De Vivo B. & Rolandi G., Edts) (in press).

Nuccio P.M., Paonita A.: (2000) - Investigation of the He solubility in H2O-CO2 bearing silicate liquids at moderate pressure II: the Extended Ionic Porosity (EIP) model. Earth Planet. Sci. Lett., 183, 499-512.

Paonita A., Gigli G., Gozzi D., Nuccio P.M., Trigila R.: (2000) - Investigation of the He solubility in H2O-CO2 bearing silicate liquids at moderate pressure: a new experimental method. Earth Planet. Sci. Lett., 181, 595-604.

Raia F., Webster J.D., De Vivo B.:(2000) - Pre-eruptive volatile contents of Vesuvius magmas: constraints on eruptive history and behavior. I – The medieval and modern interplinian activities. Eur. J. Mineral., 12: 179 – 193.

Signorelli, S, Carroll, M.R.:(2000) - Solubility and fluid-melt partitioning of Cl in hydrous phonolitic melts. Geochimica Cosmochimica Acta 64, 2851-2862.

Signorelli, S., Vaggelli G., Romano C., Carroll M.R.: (2001) - Volatile zoning (H2O, F, Cl, S) of Campanian Ignimbrite magmas (Phlegrean Fields, Italy): evidence from the study of glass inclusions and matrix glasses. Contributions to Mineralogy and Petrology, 140, 543-553.

Webster J.D., De Vivo B.:(2001) - Experimental and modeled solubilities of chlorine in aluminosilicate melts, consequences of magma evolution, and implications for magmatic brine exsolution at Mt. Somma-Vesuvius. American Mineralogist (in press).

Webster J.D., Raia F., De Vivo B., Rolandi G.: (2001) - The behavior of chlorine and sulfur during differentiation of the Mt Somma-Vesuvius magmatic system. Mineralogy and Petrology. Special issue: Mt Somma – Vesuvius and volcanism of the Campanian Plain (De Vivo B. & Rolandi G., Edts) (in press).

TASK 02 - Dinamica dei sistemi magmatici ed interazione con la struttura vulcanica

Nell´ambito dell´obiettivo generale sulla messa a punto di modelli strutturali di edifici vulcanici vengono sviluppati i metodi per:

1.- L´inversione e l´interpretazione di dati sismici e geodetici in relazione alle variazioni di stress e strain e le ricerche sul tensore momento sismico e tomografia da onde di superficie con interpretazione dei processi sismogenetici di tipo vulcano-tettonico ai Campi Flegrei e Vesuvio.

2.- L´analisi, con applicazione al Vesuvio, delle modalità di fratturazione lenta delle rocce vulcaniche e della sua influenza sui fenomeni sismici e sulle emissioni acustiche che precedono le fenomenologie eruttive

3.- L´elaborazione di un modello tridimensionale della velocità delle onde P per il vulcano Etna, utilizzando le localizzazioni di terremoti con mezzi di velocità eterogenei e sulla base di mecccanismi focali dei terremoti (M>2.0) degli ultimi anni, con misura spettrale dei terremoti t*, e l´interpretazione dei processi intrusivi tramite tecniche di inversione bayesana dei dati di deformazione.

4.- Lo studio sperimentale ad alta P ed alta T, delle proprietà fisiche (inizialmente la conduttività elettrica) delle rocce costituenti il sistema magmatico-vulcanico ai fini di una migliore definizione del loro comportamento sismico.

1. E´ stata ricavata, dall´inversione congiunta di tutti i dati disponibili di sismica attiva e passiva, un modello strutturale dettagliato P ed S per il Somma-Vesuvio fino a 5 km di profondità. Le anomalie, in particolare l´alta rigidità in asse craterico, è stata interpretata come magma cristallizzato per essoluzione di gas, e modesta diminuzione di temperatura. Integrando la conoscenza strutturale del vulcano nella modellistica dei campi di sforzo generati sia dal peso dell´edificio vulcanico che da variazioni esterne ed interne, è stato possibile ricavare un modello che spiega la genesi della sismicità vulcano-tettonica, che sembra avere validità molto generale nei vulcani centrali. Analoghe interpretazioni strutturali, dall´inversione tomografica dei terremoti avvenuti ai Campi Flegrei dal 1970 al 1984, integrate in un modello semplice di variazione di sforzo in camera magmatica, permettono di spiegare la genesi della sismicità dei Campi Flegrei, che avviene sempre in concomitanza di episodi deformativi significativi. La differenza nella genesi dei terremoti nelle due aree vicine Vesuvio e Campi Flegrei sembra riflettere, in maniera molto più generale, le differenze tra la sismicità delle caldere rispetto ai vulcani centrali. In entrambe le aree studiate, sono stati ricavati modelli generali di attività, di particolare rilievo per l´interpretazione dei futuri processi pre-eruttivi. Ai Campi Flegrei, in particolare, è evidenziata l´importanza dell´interscambio tra sistema magmatico e sistema geotermale. Sebbene già siano stati raggiunti diversi risultati significativi, le ricerche in questi campi saranno continuate nei prossimi anni del progetto, e permetteranno di ricavare modelli ancora più attendibili per l´evoluzione dei processi pre-eruttivi, in particolare per i Campi Flegrei dove l´informazione da dati recenti è molto più dettagliata. Lo studio del tensore momento sismico su 18 terremoti avvenuti nel marzo 1984 in corrispondenza dell´ultima crisi bradisismica, evidenzia un´evoluzione temporale della componente isotropica che merita ulteriori approfondimenti; inoltre si osserva una maggiore concentrazione di elevati valori di componente isotropica intorno ai 3 km di profondità. Le mappe di tomografia ottenute mostrano anomalie nella velocità di gruppo in prossimità del Golfo di Pozzuoli, della regione del Gauro e degli Astroni. Dalle inversioni delle curve di dispersione regionali si otterranno i modelli strutturali.

2. Nel primo anno è stato concluso lo sviluppo di un nuovo modello teorico ed è stata avviata la ricerca sperimentale. Il nuovo modello descrive la crescita di una popolazione di fratture sotto uno stress costante. Questo meccanismo favorisce la fratturazione in grande di una roccia ad uno stress che è inferiore alla sua resistenza teorica. La crescita si sviluppa in tre fasi: la nucleazione di nuove fratture, la crescita di fratture già esistenti, e la coalescenza delle fratture per creare una fratturazione in grande della roccia. Sono stati riconosciuti tutti e tre gli andamenti prima delle eruzioni di Pinatubo (Filippine) nel 1991 e di Montserrat (Caraibi) nel 1995. Al contrario, fin adesso da dati sperimentali sulle emissioni acustiche è stato riconosciuta solo la fase di nucleazione.

A livello qualitativo, la combinazione delle tre fasi può simulare il comportamento sismico registrato prima di un´eruzione e cioè: un´accelerazione semplice della frequenza degli eventi fino all´eruzione, accelerazione ed attenuazione senza attività eruttiva, ed alternanze fra accelerazione ed attenuazione fino all´eruzione. A livello quantitativo, sono stati individuati dal modello i parametri chiave che controllano la fratturazione lenta: il fracture toughness, il modulo di Young, e l´efficienza di corrosione.

3. E´ stato elaborato un modello tridimensionale di velocità delle onde P per la crosta sottostante il vulcano Etna. Le caratteristiche principali della struttura profonda indicano un grosso corpo ad alta Vp nella crosta superiore esteso fino a 18 km di profondità. In questo modello tridimensionale i terremoti avvenuti nel periodo 1994-98 sono stati, pertanto, rilocalizzati. Circa i meccanismi focali sono state eseguite riletture accurate dei primi arrivi sui sismogrammi registrati dalla rete Poseidon nel periodo 1994-1998. La procedura che viene applicata alle letture per il calcolo dei meccanismi focali è quella delle polarità delle onde P. Le letture relative alla rete Poseidon sono in corso di integrazione con quelle disponibili per altre stazioni sismiche operanti al vulcano. Altri dati riguardano la procedura per il calcolo dei t* per l´attenuazione.

E´ stata inoltre messa a punto una nuova metodologia di inversione Bayesiana dei dati di deformazione, per l´interpretazione di processi intrusivi. Il metodo è stato applicato all´interpretazione degli spostamenti verticali osservati all´Etna dal 1994 al 1998, ed ha messo in evidenza l´episodio intrusivo più evidente degli ultimi 20 anni. Questi studi, presentati sia al GNGTS 2000 che all´EGS di Nizza 2001, hanno permesso di ipotizzare l´accadimento di un importante episodio eruttivo, che in effetti è iniziato alcuni giorni fa e che, in base all´entità della deformazione osservata, alla profondità dell´intrusione primaria (circa 4 km dal livello del mare), potrebbe innescare una delle più grandi eruzioni (nel senso dei volumi eruttati) degli ultimi 20 anni. I risultati di questo studio hanno evidenti ed attuali implicazioni pratiche, la prima della quale è la necessità di ripetere le misure di livellazione per controllare il grado di drenaggio dell´intrusione primaria da parte della recente attività.

4. Sono in corso di studio le proprietà fisiche delle rocce del M.Etna (basalti e gabbri) tramite esperimenti con un apparato multi-anvil dell´Università di Bayreuth (D). E´ stata misurata la conduttività elettrica di due campioni (basalto CSE 16042k e gabbro TMP 21Y) a pressione di 900 e 1500 Mpa, temperature variabili tra 400 e 800 °C (subsolidus) e frequenze tra 0.1Hz e 0.1 MHz. Le pressioni e temperature alle quali sono stati condotti gli esperimenti corrispondono a quelle riscontrabili nella crosta inferiore e al passaggio con il mantello superiore. Una interpretazione preliminare degli spettri di impedenza ottenuti durante gli esperimenti di conduttività mostrano che il basalto e i gabbri hanno differente resistenza elettrica per le stesse condizioni di pressione e temperatura.

- n° 15 pubblicazioni su riviste, nazionali, atti, presentazione a convegni, etc

Chiarabba C., Amato A., Boschi E., and Barberi F.: (2000) - Recent seismicity and tomographic modeling of the Mount Etna plumbing system, Journal Geophysical Research, 10,923-10,938.

De Gori P., Cimini G.B., Chiarabba C., De Natale G., Troise C. and Deschamps A.: (2001) - Teleseismic tomography of the Campanian volcanic area and surrounding apenninic belt, J. Volcanol. Geotherm. Res.,(in press).

De Natale G., Chiarabba C., Troise C., Trigila R., Dolfi D. and Kissling E.: (2001) - Determination of 3D sub-structure at Somma-Vesuvius volcano: the effect of magma quenching due to gas exolution. Journal Geophysical Research, (submitted).

De Natale G., Kuznetzov I., Kronrod T., Peresan A., Saraò A., Troise C. & Panza G.F: (2001) - The recent seismic crisis of Mt. Vesuvius in the framework of its past 30 years seismic activity. Geophys. J. Int. (submitted)

De Natale G., Troise C., Pingue, F., De Gori, P. and Chiarabba, C.: (2001) - Structure and dynamics of the Somma-Vesuvius volcanic complex. Mineralogy and Petrology (in press).

De Natale, G., Troise, C. and Pingue, F.: (2001) - A 2D mechanical-thermalfluid-dynamical model for bradisisma at Campi Flegrei caldera., Journ. of Geodynam (in press).

Panza G.F. & Saraò A.: (2000) - Monitoring volcanic and geothermal areas by full seismic moment tensor inversion: are non-double couple components always artefacts of modeling? Geophys. J. Int., 143, 353-364.

Rocchi, V., Sammonds, P., Kilburn C.R.J.: (2001) - Deformation and fracture maps for basaltic rocks. J. Volcanol. Geotherm. Res. (in press)

Saraò A., Panza G.F., Privitera E., Cocina O.: (2001) - Non double couple mechanisms in the seismicity preceding 1991-1993 Etna volcano eruption. Geophys. J. Int. 145, 319-335

Troise C., Castagnolo D., Peluso F., Gaeta F.S., Mastrolorenzo G. and De Natale G.: (2001). - A 2-D mechanical-thermal-fluid-dynamical model for geothermal systems at calderas, J. Volcanol. Geotherm. Res. (in press) .

Troise C., Pingue F., and De Natale G.: (2001) - Coulomb stress changes at calderas: modeling the seismicity of Campi Flegrei (Southern Italy), Journ. Geophys. Res., (submitted).

TASK 03 - Modellistica termofluidodinamica dei processi di salita magmatica e di trasporto in superficie

2. Sviluppo di un modello fluidodinamico multifase e multicomponente per la simulazione dei processi di dispersione piroclastica da eruzione esplosive.

4. Studi sulla vescicolarità dei prodotti di eruzioni esplosive e loro caratterizzazione tessiturale.

5. Sviluppo di un modello di flusso tridimensionale per un liquido di Bingham isotermo in un canale lavico a pendenza costante

6. Generalizzazione di software di simulazione di maremoti di origine sismica al caso di generazione da flussi piroclastici

1. La dinamica dello svuotamento di una camera magmatica viene descritta quantitativamente modellizzando l´espansione del magma come quella di un fluido comprimibile per pressioni inferiori alla pressione di nucleazione delle bolle che si formano per exsoluzione dei gas. Nel modello la camera magmatica è assisimmetrica con distribuzione di pressione idrostatica, accoppiata ad un condotto eruttivo a sezione costante in cui scorre il fluido magmatico. La miscela bi-fase liquido/gas viene considerata isoterma, e trattata in modo omogeneo. La frammentazione magmatica viene postulata al raggiungimento del massimo compattamento delle bolle sferiche, quando la frazione volumetrica di gas raggiunge il 75%. Il modello di camera magmatica proposto si pone come un´evoluzione dei modelli proposti da Druit e Sparks (1984), e Bower e Woods (1997, 1998), che considerano nella camera un gradiente di pressione verticale litostatico prefissato. Al contrario, in questo modello la distribuzione in pressione viene ottenuta dall´integrazione dell´equazione dell´idrostatica, dove la densità del magma viene considerata costante per pressioni superiori alla pressione di nucleazione mentre, è modellizzata come quella dello pseudo-gas (liquido incomprimibile + gas perfetto) per pressioni inferiori. La solubilità del gas (vapore acqueo) nel magma viene calcolata in funzione della pressione utilizzando una relazione semi-empirica di tipo potenza. I parametri della relazione sono ottenuti utilizzando il modello di Ghiorso e Sack (1995) in funzione della composizione chimica del liquido magmatico. Il modello per il flusso di magma nel condotto eruttivo è basato sulla soluzione delle equazioni di trasporto per uno pseudo-gas isotermo, in condotto a sezione costante. Nella parte dopo la frammentazione, il modello di flusso nel condotto è simile a quello di Buresti e Casarosa (1989, 1990) ma con approssimazione isoterma, e viene esteso in modo naturale anche alla regione a bolle, mediante opportuna modifica del coefficiente di attrito con le pareti. Le condizioni al contorno per il modello del condotto sono sulla pressione alla base del condotto, e sulla velocità, assunta sonica al cratere. Il valore della pressione alla base del condotto coincide con la pressione al tetto della camera magmatica e costituisce la variabile di interfaccia tra i due modelli. La massa di magma nella camera viene ottenuta per integrazione della densità del magma nel volume nella camera, mentre la sua variazione viene fornita dal tasso eruttivo attraverso il condotto. In tal modo i due modelli accoppiati di camera e condotto permettono di conoscere la variazione dei diversi parametri nel tempo tra cui il tasso eruttivo, la velocità del fluido, e la pressione lungo il condotto, al cratere, e alle pareti della camera. Durante gli anni successivi, questo modello verrà accoppiato a modelli strutturali per la descrizione del campo di stress nella parte esterna della camera, al fine di conoscere le eventuali condizioni di collasso della camera magmatica od ostruzione del condotto.

2. Questo aspetto della ricerca ha riguardato l´estensione del precedente modello fisico bifase alla descrizione di miscele multifase e multicomponte Le fondamentali equazioni di conservazione della massa e di bilancio della quantità di moto e dell´energia per la fase gas e per N fasi solide, rappresentanti particelle di diverse dimensioni e proprietà, sono state risolte su un dominio di calcolo bidimensionale e assisimmetrico. Il modello è stato utilizzato per la realizzazione di alcune simulazioni di messa in posto di flussi piroclastici su topografia piana e con diversa composizione granulometrica. In particolare, le simulazioni hanno permesso di descrivere la diversa dinamica delle varie componenti granulometriche del flusso dando rilevanti indicazioni sui processi di sedimentazione ed elutriazione che avvengono durante la sua messa in posto. Si è inoltre intrapreso lo studio per la parallelizzazione del codice numerico in modo da poter realizzare nel futuro simulazioni tridimensionali del fenomeno.

Questo modello è stato applicato simulando l´eruzione del Vesuvio del 79 AD. Sono state simulate due distinte fasi di picco del flusso di massa Vesuvio che corrispondono rispettivamente all´emissione di magma bianco e grigio con formazione di depositi di fallout intercalati da depositi di flusso durante la fase grigia. I dati di input delle simulazioni, rappresentativi delle due fasi eruttive e determinati indipendentemente, consistono nella composizione del magma liquido, nel contenuto in cristalli e acqua, del flusso di massa, della pressione-temperatura-profondità del magma all´entrata del condotto. I risultati delle simulazioni sono in sostanziale accordo con la dinamica eruttiva ricostruita da studi vulcanologici indipendenti. In particolare, sia la fase bianca che la fase grigia producono delle colonne sostenute quando si considera la presenza di un 20 wt.% di microliti nel magma. La fase grigia mostra comunque un carattere meno sostenuto con la formazione di collassi parziali della colonna. Senza la presenza di microliti nel magma, le simulazioni prevedono il collasso totale della colonna indicando che, almeno nei casi esaminati, la nucleazione di microliti può giocare un ruolo chiave nella dinamica eruttiva.

Il modello è stato inoltre applicato allo studio della pericolosità dei flussi piroclastici. Sono stati analizzati i risultati delle simulazioni di propagazione di flussi piroclastici al Vesuvio realizzate in un precedente progetto europeo. Le simulazioni numeriche hanno permesso di stimare i tempi di arrivo dei flussi, la loro velocità, densità, temperatura, nonchè le massime distanze raggiunte. Inoltre sono stati analizzati gli andamenti della pressione dinamica e della variazione di pressione isotropica, la cui stima è fondamentale per la determinazione delle conseguenze sulle strutture investite .

3. Simulazioni numeriche sono state disegnate per valutare quale tra i due criteri di alto "strain rate" o di "gas bubble overpressure" possa dare luogo alla frammentazione del magma. Abbiamo usato il modello di condotto stazionario, multifase, modificato per tenere conto dell´aumento di pressione nelle bolle di gas. Il criterio di frammentazione secondo strain rate, che si basa sulla transizione di un comportamento del magma da duttile a fragile in seguito all´attraversamento della transizione vetrosa, produce vescicolarità alla frammentazione pari a 0.70-0.80, valore che del resto costituisce il tipico intervallo di vescicolarità delle pomici dei depositi esplosivi. Il criterio di gas bubble overpressure, invece, da luogo a un intervallo di vescicolarità alla frammentazione di 0.30-0.50, molto inferiore a quello mostrato dai campioni naturali. In questo caso, per ottenere vescicolarità dell´ordine di 070-0.80 devono essere impiegati valori non realistici della resistenza del magma di alcune decine di MPa. Questo criterio mostra inoltre una corrispondenza diretta tra il contenuto totale di acqua del magma e la sua vescicolarità, relazione che non è mai stata trovata in campioni naturali o riportata in letteratura, e che il criterio di strain rate invece non mostra.

Abbiamo anche condotto uno studio per vedere come i diversi parametri composizionali (composizione del liquido, contenuto in volatili e in cristalli) influenzino la frammentazione. Il primo risultato mostra che, se variamo queste quantità composizionali su un largo spettro di valori, la vescicolarità alla frammentazione non cambia, e abbraccia l´intero intervallo mostrato dalle pomici naturali da 0.60 a 0.85. Inoltre, ognuno dei parametri composizionali gioca un ruolo più o meno complesso sulle condizioni di frammentazione. Un aumento di cristalli porta infatti a una minore vescicolarità alla frammentazione, mentre l´acqua non segue un comportamento lineare, poichè un decremento di acqua produce una vescicolarità più bassa, ma solo per le rioliti e non per le daciti. Infine, l´anidride carbonica influenza soprattutto la profondità di frammentazione, con un aumento di CO₂ che porta a una minore profondità di frammentazione

4. Sono state studiate le tessiture di campioni di pomice provenienti da depositi di caduta e di flusso piroclastico di grandi eruzioni esplosive, inclusa l´eruzione del Pinatubo 1991 e altre eruzioni nell´area Napoletana. I clasti pomicei sono stati studiati attraverso tecniche di analisi di immagine, e i parametri tessiturali che sono stati misurati sono la vescicolarità, la densità numerica delle vescicole, la forma e taglia delle vescicole, e il contenuto di cristalli totale e in pasta di fondo.

La presenza di prodotti juvenili con diverse caratteristiche tessiturali mescolati insieme e presenti in tutti i livelli stratigrafici viene interpretata come dovuta a gradienti orizzontali delle proprietà del magma nel condotto. Questi gradienti sembrano essere responsabili dell´innesco di processi quali dissipazione viscosa alle pareti del condotto, quindi locali incrementi di temperatura e decrementi di viscosità che, a loro volta, influenzano la distribuzione delle variabili di flusso durante la risalita del magma.

5. E´ stato sviluppato un modello fluidodinamico tridimensionale di una colata di lava canalizzata che si può applicare anche sui fronti lavici, ove, a causa del raffreddamento, la reologia binghamiana della lava non può essere ignorata. Si è assunto che la lava sia un fluido di Bingham isotermo che scorre in un canale rettangolare con una inclinazione costante. Il profilo di velocità del fluido è stato calcolato risolvendo, in modo semianalitico, l´equazione di Navier-Stokes stazionaria accoppiata con l´equazione costitutiva del fluido di Bingham. Si è calcolata la vorticità del fluido e tramite questa si sono definite la forma e la posizione del plug per differenti flussi: un condotto completamente pieno, un condotto parzialmente pieno, un canale aperto. Ciascuna componente del vettore vorticità del fluido soddisfa l´equazione di Laplace ed è stata calcolata applicando il metodo del rilassamento. La portata della colata è stata calcolata per diversi valori dello sforzo di soglia; è emerso che all´aumentare dello sforzo di soglia la reologia di Bingham provoca una significativa diminuzione della portata. Per i valori più elevati dello sforzo di soglia, il plug al centro del flusso si salda con quello negli angoli suggerendo un possibile meccanismo reologico di formazione dei tubi di lava. Si è inoltre formulato un modello che descrive gli effetti termici stazionari di un tubo di lava. Si è infine avviato uno studio sistematico dei processi termici che avvengono nelle colate di lava. Tali processi rivestono un ruolo decisivo nella dinamica delle colate. Essi sono studiati tramite la formulazione di modelli analitici o semi-analitici che consentono di riprodurli e di valutarne l´importanza relativa nel raffreddamento dei corpi lavici.

6. Sono stati esaminati i risultati dei modelli sviluppati dal gruppo di Pisa e dell´Osservatorio Vesuviano, INGV, relativi ad eruzioni vesuviane (Esposti Ongaro et al., 2001; Todesco et al., 2001), che verranno indicati con la sigla MFP (Modello di Flussi Piroclastici) con l´obiettivo di individuare il tipo di meccanismo tsunamigenico “più ragionevole” e di definire i dati calcolabili mediante MFP ed utilizzabili come data-set di ingresso al modello di generazione di maremoto. Si è potuto così determinare che i flussi piroclastici vesuviani che raggiungono il mare con sufficiente energia cinetica hanno densità bassa e tendono a muoversi sulla superficie marina: la pressione esercitata dal flusso sull´acqua è la sorgente del maremoto. I dati rilevanti che calcolabili da MFP sono i dati 1) di fluttuazione della pressione atmosferica a livello del mare, 2) della velocità del flusso piroclastico disaggregata nelle tre componenti (gas, solid phase, mixture), 3) della velocità aggregata del flusso. è stata effettuata la modifica del software di generazione di maremoto per consentire la generazione di onde marine da parte di flussi piroclastici superficiali. Si rammenta che tale software contemplava solo due meccanismi di generazione: generazione tettonica da parte di un terremoto che provoca deformazioni del fondo marino e generazione da parte di movimento di massa (frana subaerea che precipita in mare o frana sottomarina). Infine sono state effettuate simulazioni di maremoto nel golfo di Napoli utilizzando una sorgente statica (assimilabile ad una sorgente sismica): l´esperimento ha consentito di ricavare informazioni significative sulle proprietà di propagazione del bacino napoletano (Piatanesi e Tinti, 2001). Uno dei risultati più interessanti è che l´energia del moto ondoso rimane in parte intrappolata entro il golfo dove vengono eccitati i modi propri di oscillazione e non si trasmette in modo significativo a sud della penisola sorrentina.

- n° 16 pubblicazioni su riviste nazionali, atti, presentazione a convegni, etc

Dragoni M., D´Onza F., Tallarico A.:(2001) - Temperature distribution inside and outside a lava tube.J. Volcanol. Geotherm. Res., (submitted).

Esposti Ongaro T., Neri A., Todesco M., Macedonio G.: (2001) - Pyroclastic flow hazard at Vesuvius by using numerical simulations. II. Analysis of local flow variables, Sub judice (b).

Esposti Ongaro T., Cavazzoni C., Neri A., Erbacci G., Macedonio G.: (2001) - Parallel numerical simulation of pyroclastic flow dynamics at Vesuvius, Sub judice (a).

Mastrolorenzo, G., Brachi, L., Canzanella, A.: (2001) - Vesicularity of various types of pyroclastic deposits of Campi Flegrei volcanic field: evidences of analogies in magma rise and vesiculation mechanisms. J. Volcanol. Geotherm. Res. (in press).

Neri A., Macedonio G., Gidaspow D., Esposti Ongaro T.: (2001) - Multiparticle simulation of collapsing volcanic columns and pyroclastic flows. Sub judice (a).

Neri A., Papale P., Del Seppia D.e Santacroce R.: (2001) - Coupled conduit and atmospheric dispersal dynamics of the AD79 Plinian eruption of Vesuvius. EPSL, (submitted).

Papale P.:(2001) - Dynamics of magma flow in volcanic conduits with variable fragmentation efficiency and nonequilibrium pumice degassing. J. Geophys. Res., B6, 106:11043-11065

Polacci M., Papale P. e Rosi M.: (2001) - Textural heterogeneities in pumices from the climactic eruption of Mount Pinatubo, 15 June 1991, and implications for magma ascent dynamics. Bull Volcanol 63:83-97

Tallarico A., Dragoni M.: (2000) - A three-dimensional Bingham model for channeled lava flows, J. Geophys. Res., 105, 25969-25980.

Todesco M., Neri A., Esposti Ongaro T., Papale P., Macedonio G., Santacroce R., Longo A. : (2001) - Pyroclastic flow hazard at Vesuvius by using numerical simulations. I. Large-scale dynamics, Sub judice.

TASK 04 – Simulazione sperimentale e modellistica parametrizzata di processi eruttivi e loro precursori

1. Messa a punto dell´attrezzatura sperimentale per la simulazione del processo di interazione magma-H₂O. Calibrazione dei parametri chimici, fisici e cinetici di controllo per la riproduzione quantitativa del fenomeno simulato. Analisi dell´influenza della cinetica del processo sulle variazioni di volume del sistema interagente.

2. Modello termo-fluido-dinamico del Bradisisma flegreo. Misure sperimentali di flussi di volume su campioni di tufo giallo napoletano in condizioni di equilibrio e di non equilibrio termico.

3. Studio sperimentale sulla fratturazione delle rocce a P =1atm.e a T fino a 700°C.

4. Studio termodinamico delle relazioni di fase in sistemi magmatici rappresentativi di vulcaniti eruttate al Vesuvio e a Stromboli per la determinazione dei parametri di input nei modelli che definiscono le modalità di alimentazione magmatica ed i processi eruttivi.

1. Hanno riguardato essenzialmente la messa a punto dell´assetto dell´attrezzatura sperimentale in ordine a: i) gli aspetti concernenti la riproducibilità sperimentale del processo d´interazione magma-H₂O e, ii) quelli tesi ad isolare gli effetti dei diversi parametri che controllano il processo stesso. Il primo problema è stato risolto tramite un controllo accurato della massa del campione interagente, della massa dell´acqua, della pressione di iniezione di quest´ultima, della pressione di confine del campione interagente, della temperatura d´interazione del campione e di quella dell´acqua. La riproducibilità sperimentale del processo misurata sulla base della variazione di volume nella camera portacampioni in seguito all´interazione è risultata sempre migliore del 90%.Le analisi sugli effetti dei parametri che controllano il processo d´interazione e cioè: i) dello stato fisico del materiale interagente (totalmente fuso, in parte fuso ed in parte cristallino e con o senza volatili disciolti); ii) della pressione e delle modalità di iniezione dell´acqua (isobariche, impulsive); iii) delle proprietà reologiche del materiale interagente (viscosità, densità); iv) del rapporto fra la massa dell´acqua e quella del materiale interagente (che per le caratteristiche strumentali dell´apparecchiatura comporta comunque una integrale trasformazione dell´acqua allo stato soprecritico); v) delle variabili intensive P,T alle quali avviene l´interazione; sono, tuttora, in corso. I dati finora raccolti riguardano, a parità di tutti gli altri parametri di controllo, gli effetti legati allo stato fisico del materiale interagente ed alle diverse modalità di iniezione dell´H₂O sulla distribuzione dell´energia meccanica derivante dalla trasformazione H₂O(liq) → H₂O(gas).

Le indicazioni fornite da questa prima serie di esperimenti sulla distribuzione del lavoro svolto nel processo di interazione mettono in grande evidenza l´importanza dello stato di aggregazione del materiale interagente e delle modalità di iniezione dell´acqua sul trasporto di massa del materiale frammentato. Questo dato ha ovvie ricadute sulla valutazione della pericolosità delle eruzioni idromagmatiche e apre la strada alla elaborazione di un modello eruttivo che include anche questi fra i diversi parametri di controllo. Tale modello risulta di grandissima utilità per quei vulcani come quello dei Colli Albani in cui l´attività idromagmatica apre e chiude cicli importanti dell´attività vulcanica perchè potrebbe portare alla valutazione del rischio collegato al verificarsi di un nuovo ciclo di attività vulcanica rispetto a quello derivante da un´attività eruttiva in fase di chiusura.

2. E´ stato misurato il flusso di volume in condizioni isoterme su campioni di tufo dei Campi Flegrei provenienti da carote di perforazione a profondità diverse Conoscendo le dimensioni dei campioni, trascurando la pressione idrostatica presente nell´apparecchiatura e utilizzando la legge di Darcy, è stato possibile calcolare la permeabilità idraulica K di questi tufi. Durante le misure fatte in condizioni di transiente termico una forza aggiuntiva (termoosmotica) spinge il permeante dalla parte calda a quella fredda del campione. L´effetto è quello di far aumentare il valore del flusso di volume in uno stesso campione, per una stessa pressione di lavoro. I valori del flusso di volume, misurato in funzione della pressione di esercizio, vengono riportati su grafici: Il parametro di curva è la temperatura. Nell´intervallo di pressioni e temperature investigato il flusso di volume è proporzionale alla pressione applicata e il valore della permeabilità idraulica K è indipendente dalla temperatura e dalla pressione, essendo una caratteristica intrinseca del mezzo poroso. E´ perciò corretta in questo caso l´approssimazione lineare di Poiseuille. I risultati sperimentali sono stati applicati al modello termo-fluido-dinamico proposto per spiegare sia le grandi crisi bradisismiche sia i piccoli uplifts. Questo modello spiega la distribuzione di temperature ai Campi Flegrei in termini di trasporto advettivo del calore ed indica come responsabile delle deformazioni del suolo le variazioni di pressione e temperatura che avvengono alla base degli acquiferi più profondi (circa 3km dalla superficie).

3. E´ stato costruito presso l´UCL di Londra, un nuovo apparato sperimentale in grado di operare a T fra quella ambiente e 1,000°C e a P fra quella atmosferica fino a 50 MPa (equivalente ad una profondità di 2 km) per studiare gli effetti di alcuni parametri sulla formazione di fratture, la loro propagazione e la loro coalescenza fino al collasso strutturale di edifici vulcanici. Fra questi quelli ritenuti più importanti sono: il fracture toughness, il modulo di Young, e l´efficienza della corrosione operata dal magma sulla fratturazione di un edificio vulcanico, Alcune misure di prova sotto uno stress tensile, utilizzando dei campioni di K-basalto del Vesuvio hanno dato risultati preliminari (P: 1 atm–30 MPa; T: 20°-650°C) da cui sembra che l´insieme dei parametri chiave che controllano la fratturazione lenta possa cambiare all´interno un edificio vulcanico solo del 10-20%. Se verranno verificati da altri esperimenti, questi risultati indicano che la corrosione potrebbe essere il parametro di controllo che innesca la sismicità prima di un´eruzione.

4. L´analisi petrografica e l´interpretazione tessiturale delle strutture microscopiche ha permesso di riconoscere l´esistenza di noduli di natura mantellica e crostale sia all´interno di vulcaniti del Vesuvio che di Stromboli. Inoltre, lo studio termodinamico di reazioni chiave (rappresentative delle paragenesi di equilibrio) ha permesso di quantificare i regimi termobarometrici associati ai processi d´interazione xenoliti-cumulati-magma che avvengono durante la risalita e lo stazionamento di questi magmi. In particolare, al Vesuvio, l´esistenza di paragenesi di “quenching” presenti nella mesostasi dei noduli dunitici (costituite da microliti di clinopirosseno, olivina (Fo₈₅), plagioclasio (An_75-70) e leucite) permette di inferire che il materiale dunitico, originariamente formatosi in corrispondenza della transizione crosta-mantello, ha stazionato a pressioni di circa 3.5 kbar (a temperature di 1100-1150 °C) prima di essere eruttato. Questi regimi termobarometrici che identificano la presenza di una camera magmatica a circa 10-12 km di profondità. Considerando che il sistema idrotermale di questo vulcano è situato ad una profondità di circa 3.5-4 km (in accordo, tra l´altro, con i tempi di risalita e decadimento del gas radon, ²²²Rn), la porzione attiva della camera magmatica del Vesuvio risulterebbe “confinata”, durante le eruzioni recenti, ad una profondità compresa tra circa 4.5-12 km. Inoltre lo studio sperimentale dell´equilibrio fra clinopirosseno e fuso su campioni dell´eruzione del 1944 ha consentito di valutare il controllo dell´H₂O(liq), sui coefficienti di partizione fra clinopirosseno e fuso di alcuni elementi traccia, in particolare terre rare e sulla natura geochimica dei fusi che si generano per frazionamento di clinopirosseno a diverse T, P, e concentrazioni dei componenti volatili. Situazione distinta è quella di Stromboli in cui i processi di “contaminazione” crostale (abbondanti xenoliti di gabbronoriti e gabbri con reazioni di subsolidus) risultano essere amplificati. In questo caso l´interazione tra i magmi andesitici stromboliani e questi materiali avvengono essenzialmente tra i 20 km ed i 9-10 km di profondità.

- n° 12 pubblicazioni su riviste nazionali, atti, presentazione a convegni, etc.:

Borghi A, Cossio R., Olmi F., Ruffini R., Vaggelli G.: (2001) - EPMA Major and trace element analysis in garnet and its petrological applications. Mikrochimica Acta (submitted)

Cigolini C., Salierno F., G. Gervino, P. Bergese, Marino C., Russo M., Prati P., Ariola V., Bonetti R., Begnini S.: (2001) – High Resolution Radon Monitoring and Hydrodynamics at Mount Vesuvius. Geophysical Research Letters (accepted).

Palladino D.M., Gaeta M., Marra F. - (2001): A large k-foiditic hydromagmatic eruption from the early activity of the Alban Hills volcanic District, Italy. Bull Volcanol (in press)

Peluso F., Arienzo I.:(2001) - Experimental determination of equilibrium and nonequilibrium thermodynamic properties of natural porous media. Entropie (submitted)

Peluso F., Arienzo I.:(2001) - Thermoosmostic effect in natural porous media: nonequilibrium thermophysical properties of Neapolitan Yellow Tuff samples.JETC(submitted)

Rocchi, V., Sammonds, P., Kilburn C.R.J.: (2001) - Deformation and fracture maps for basaltic rocks. J. Volcanol. Geotherm. Res. (in press)

Wood B.J. and Trigila R. – (2001): Experimental determination of aluminous clinopyroxene-melt partition coefficient for potassic liquids, with application to the evolution of the Roman province potassic magmas. Chemical Geology, 172, 213-223.

Studio dei depositi piroclastici dell´Etna finalizzato alla ricostruzione delle principali eruzioni esplosive ed alla valutazione della loro pericolosità

UR#	AFFERENZA	RESPONSABILE
1	Università dell´ Insubria, Como	Luigina Vezzoli
2	INGV sezione Catania	Mauro Coltelli
3	CNR Ist. Geologia Marina Bologna	Luigi Vigliotti

1.1 Studio di dettaglio delle successioni piroclastiche oloceniche fino all´attuale in affioramenti naturali, in trincee e trivellazioni

1.3 Correlazioni tefrostratigrafiche usando le proprietà magnetiche dei depositi

2) Cronologia relativa e numerica (UR coinvolte: UR1, UR2, UR3 – Resp. Cesare Ravazzi)

3) Caratteristiche fisiche delle eruzioni (UR coinvolte: UR1, UR2 – Resp. Paola Del Carlo)

3.1 Parametri fisici delle eruzioni calcolati dalla misura dei depositi piroclastici

3.2 Parametri fisici dei magmi calcolati dallo studio dei prodotti piroclastici (VSD, CSD, volatili dai vetri e dalle inclusioni)

3.3 Studio della dinamica del degassamento dei magmi basaltici anche mediante esperimenti di laboratorio

4) Valutazione della pericolosità (UR coinvolte: UR1, UR2 – Resp. Mauro Coltelli)

4.1 Valutazione dell´impatto delle eruzioni esplosive dell´Etna sul territorio e sulla popolazione

Sono state studiate le 28 carote marine prelevate nella crociera oceanografica Urania Etna-99 nella parte sommersa dell´edificio etneo, in cui sono stati identificati macroscopicamente e campionati 40 livelli di tefra. Su di essi sono state effettuate le operazioni di preparazione, l´analisi morfoscopica allo stereomicroscopio per discriminare tefra primari da livelli vulcanoclastici risedimentati. E´ in corso l´analisi petrografica degli juvenili in sezione sottile per la caratterizzazione del tipo e moda dell´associazione minerale, del tipo di vetro e vescicolazione.

E´ stata misurata la suscettività magnetica di 14 carote prelevate nel mar Jonio ad una profondità compresa tra i 40 e i 1500 metri, selezionate per la loro continuita´ stratigrafica, la presenza di intervalli temporali significativi e di livelli di tephra correlati ai marker terrestri.. Le carote analizzate sono : ET-99-06, ET-99-07, ET-99-11, ET-99-13, ET-99-16, ET-99-17, ET-99-18, ET-99-20, ET-99-21, ET-99-22, ET-99-24 sulla parte sommersa dell´edificio etneo, ET-99-M11, ET-99-M19, ET-99-M63 sul sea-mount M. Alfeo. Lo scanning delle carote, eseguito ad una risoluzione di 2cm, ha permesso di individuare una serie di livelli vulcanici non sempre visibili ad occhio nudo. Alcuni di questi, attraverso la caratterizzazione petrografica in sezione sottile, sono riferiti a depositi primari depositati negli ultimi 15 ka e correlati con livelli marker di tefra presenti sulle pendici del vulcano.

Tra le carote marine sono state individuate quelle con un record rappresentativo per la ricostruzione dell´attività esplosiva del vulcano nel corso del tempo.

Per l´intervallo di tempo compreso tra il tardi-glaciale e la parte iniziale dell´Olocene è stata individuata come carota di riferimento la ET99-M11 prelevata sul sea-mount M. Alfeo. I sedimenti rappresentativi dell´Olocene iniziale, corrispondente alla deposizione del sapropel S1, sono stati campionati a scala centimetrica ed il contenuto micropaleontologico esaminato attraverso il conteggio dei foraminiferi planktonici. I dati, ancora in via di elaborazione, permetteranno di ricostruire una stratigrafia di dettaglio sulla base delle ecozone riconosciute da Capotondi et al. (1997). I dati verranno integrati con datazioni ¹⁴C (AMS) effettuate sui gusci dei foraminiferi plaktonici prelevati dal sedimento. In questa carota è stato ritrovato un frammento di legno, la cui datazione, mediante radiocarbonio, verrà utilizzata per calcolare il reservoir del bacino.

Per riempire alcune lacune che sono ancora presenti nella ricostruzione tefrostratigrafica degli ultimi 10 ka, sono stati eseguiti alcuni rilievi in campagna sul basso fianco orientale dell´Etna ed anche all´interno della città di Catania, dove sono state descritte nuove sezioni stratigrafiche. Per quanto riguarda lo scavo e lo studio di trincee e carotaggi nelle aree distali della Sicilia nord-orientale è stata eseguita una ricerca bibliografica sulla cartografia e sulla geologia del Quaternario nell´area dei Monti Nebrodi per selezionare le aree più favorevoli alla sedimentazione e conservazione dei livelli di tephra nei depositi continentali Quaternari.

I Ricercatori della UR INGV CT hanno partecipato al Convegno Internazionale “Cities on Volcanoes 2”, Auckland, New Zealand, 12-14 Febbraio 2001 ed a un sopralluogo insieme a B. Houghton sulla frattura eruttiva del Tarawera del 1886 per confrontare questa eruzione pliniana basaltica con quella del 122 a.C. all´Etna.

- Completamento analisi palinologiche su sez. 156 e costruzione di diagrammi pollinici.

Per lo studio della cronologia relativa mediante palinologia e geopedologia sono state riesaminate sul terreno le sezioni stratigrafiche n. 4 (Salto del Cane) per l´area meridionale e n. 156 (casa del Fanciullo) per l´area nord-orientale della parte medio-distale dell´edificio vulcanico. Le sezioni sono state pulite e riscavate. I depositi vulcanoclastici sono stati descritti qualitativamente e misurati nei loro parametri fisici, quali granulometria, coesione, colore, superfici di discontinuita´, sostanza organica, contenuto in argilla, prima di effettuare il campionamento di livelli ritenuti omogenei e significativi ai fini dell´analisi palinologica e geopedologica.

Uno studio paleomagnetico completo è stato effettuato su un U-channell prelevato dalla stessa sezione della carota ET99-M11 studiato dal punto di vista micropaleontologico. Mediante un magnetometro criogenico è stata misurata non solo la magnetizzazione naturale rimanente (NRM), ma anche magnetizzazioni artificiali, quali la magnetizzazione rimanente anisteretica (ARM) e isoterma (IRM). I risultati verranno utilizzati per ricostruire la curva della variazione secolare del c.m.t. che verrà utilizzata per la cronologia di dettaglio della carota.

Sono stati inoltre campionati livelli di depositi piroclastici di caduta nella sezione stratigrafica terrestre n. 4 (Salto del Cane) per determinazioni paleomagnetiche

Durante la descrizione delle sezioni stratigrafiche sono stati eseguiti alcuni campionamenti di paleosuoli e frammenti di carbone per datazioni 14C, preparati i campioni e spediti per l´analisi radiometrica presso il laboratorio della Beta Analytic Inc. (USA).

Allo scopo di ricostruire la dinamica eruttiva dell´eruzione pliniana del 122 aC è stato eseguito un campionamento di dettaglio della sezione stratigrafica n. 128 in cui affiora la parte medio-prossimale del deposito. Sono stati raccolti 100 clasti juvenili su 9 livelli caratteristici della sequenza verticale del deposito. Su ciascun clasto sono state eseguite misure di densità e ricavato il valore di vescicolarità. In base alle misure di densità, sono stati selezionati 10 clasti per ogni campione, rappresentativi della variazione di vescicolarità, su cui sono state eseguite sezioni sottili lucide che serviranno per caratterizzare la popolazione di vescicole e di microliti, usando immagini SEM e la microsonda elettronica. Questi risultati verranno confrontati con quelli ottenuti dalle misure sulle scorie del Tarawera da B. Houghton, allo scopo di rilevare similarità nella dinamica eruttiva delle due eruzioni. Inoltre è stato eseguito il campionamento degli stessi livelli per le analisi granulometriche.

I parametri fisici delle maggiori eruzioni esplosive etnee degli ultimi 12 ka sono stati ricavati dal calcolo del loro volume, attraverso la misura delle aree delle isopache di 12 eruzioni con programmi software (NHI) e l´applicazione del metodo di Pyle (1989).

Coltelli M., Del Carlo P., Houghton B.F. (2001): Towards understanding the trigger mechanisms of basaltic Plinian eruptions. Proceedings of the Cities on Volcanoes 2, Auckland, New Zealand 12-14 February 2001.

Del Carlo P., Cristofolini R., Pompilio M. (2001): Volatile contents and eruptive dynamics of the 122 BC Plinian Etna eruption (Italy). Abstract Volume of the FIST Conference, Chieti, 5-8 Settembre 2001.

Determinazione del numero, tipo, intensita´, cronologia e distribuzione degli eventi esplosivi registrati nella sequenza vulcanoclastica etnea.

Per poter valutare la pericolosità delle eruzioni esplosive sono stati trattati in modo statistico il loro numero nell´unità di tempo ed i tipi principali. Dalla ricostruzione tephro e cronostratigrafica è stato ricavato il numero minimo di eventi esplosivi avvenuti negli ultimi 12 ka. Dalla studio delle caratteristiche fisiche delle eruzioni sono stati classificati i diversi tipi di eventi esplosivi (stromboliani, subpliniani, pliniani) che sono stati divisi per classi di magnitudo. Da questi dati è stato ottenuto un diagramma di frequenza delle eruzioni nel periodo olocenico per intervalli temporali di 1 ka.

Del Carlo P., Coltelli M., Vezzoli L. (2001): Relationship between communities and volcanoes: the example of Etna. Proceedings of the Cities on Volcanoes 2, Auckland, New Zealand 12-14 February 2001.