Abstract

Molte eruzioni vulcaniche sono precedute brevemente dall’ingresso di nuovo magma dentro una camera magma superficile ( Sebbene l’ingresso di nuovo magma in camere magmatiche superficiale possa condurre a eventi pericolosi, tale ingresso non è sistematicamente rilevato e riconosciuto. In questo articolo, sono presentati i risultati di simulazioni numeriche della convezione e mescolamento di magmi in reservoirs magmatici di geometria complessa, e viene descritta la dinamica multiparametrica associata all’ingresso di magma leggero in magma residente pesante.
I risultati presentano andamenti della pressione inaspettati, e oscillazioni della pressione nel periodo Ultra-Long-Period (ULP – minuti -), relativi alla generazione di plume discreti di magma che risale. Le lunghezze d’onda molto lunghe delle oscillazioni di pressione si trasmettono al suolo in ULP di frequenza comparabile e di ampiezza dell’ordine di 10−4–10−2 m. Pertanto, l’ingresso di nuovo magma in camere magmatiche al di sotto dei vulcani può essere rivelata dagli spostamenti del suolo misurati nel periodo Ultra-Long alla superficie.

Numerical modeling

La simulazione numerica dei reservoirs magmatici e delle rocce incassanti deve risolvere la fluido-dinamica magmatica e la elastodinamica delle rocce, con approriate condizioni all’interfacia magma-roccia. La fluido-dinamica viene simulata con il codice GALES (Longo et al. 2006) robusto e testato, parallelo, agli elementi finiti con discontinuità temporale che risolve le equazioni di conservazione della massa dei componenti e della quantità di moto e dell’energia di una miscela omogenea con gas e/o cristalli.
Le proprietà e la distribuzione gas-liquido, la composizione del gas, la densità di liquido e gas, e la viscosità sono calcolate in funzione delle condizioni P-T-X locali, utilizzando modelli dipendenti dalla composizione e parametrizzazioni (Papale 2001; Papale et al. 2006; Giordano et al. 2008).
In una analisi del primo ordine in questo lavoro si assume un accoppiamento one-way e si adottano la furmulazione delle funzioni di per un Green per un mezzo omogeneo infinito (Aki and Richards 2002). In questo procedimento, si considerano come sorgenti puntuali i nodi della griglia localizzati alla parete del reservoir magmatico. Come funzione tempo sorgente, si utilizzano le evoluzioni temporali rispettive delle forze applicate dal magma calcolate dalla pressione e dagli stress fluidi forniti a quei nodi dalle simulazioni numeriche dalla dinamica di mixing e convezione magmatica.
Lo spostamento del suolo a una serie di ricevitori virtuali è ottenuta per integrazione, su tutte le sorgenti, delle funzioni di Green associate con le sorgenti individuali. Un tale accoppiamento one-way e l’assunzione di roccia omogenea sono giustificate a-posteriori delle lunghezze d’onda estremamente lunghe, di centinaia di chilometri, associate con oscillazioni di pressione ULP.

Simulazioni numeriche

Le simulazioni numeriche sono eseguite con riferimento ai due vulcani Etna e Campi FLegrei, dell’Italia del Sud. Questi vulcani offrono una ampia letteratura sugli stili eruttivi e sulle composizioni magmatiche, unitamente a una ricostruzione recente dello stato attuale del sistema magmatico e delle caratteristiche delle rocce incassanti. Viene infatti coinvolto un ampio range dei composizioni magmarice dal basalto (Etna) al basalto-shoshonite (Campi Flegrei). La quantità totale in volatili utilizzata (Spilliaert et al. 2006; Mangiacapra et al. 2008) copre il range 1.5–3.5 wt.% per l’H2O e 0.5–2 wt.% per la CO2.

Il maggior contenuto in volatili viene trasportato dal magma profondo, in accordo con il degassamento a sistema aperto a basse profondità vulcaniche (Wallace and Anderson 2000). Magma profondi sono quindi attesi come a densità minore, galleggianti, in magmi partialmente degassati (Longo et al. 2006), dando origine a processi governati da convezione e mixing magmatici. Il dominio computazionale delle simulazioni numeriche, e le condizioni iniziali ed al contorno sono riportate in Fig. 1, e rappresentantano una schematizzazione Cartesiana, 2D, semplificata, ma consistente con l’insieme delle conoscenze geochimiche, petrologiche, sismologiche, e geodetiche.

Risultati

I risulati delle simulazioni numeriche riguardanti la dinamica magmatica sono riportate nei plot colorimetrici di Fig. 2

Si alternano fasi dominate dal galleggiamento e dallo sprofondamento del magma all’ingresso della camera magmatica, che risultano in fluttuazioni ULP della pressione con un periodo di circa 110 s e ampiezza decrescente nel tempo (Fig. 3). La progressiva sostituzione del magma più denso residente originario da parte di magma più leggero comporta un diminuzione su larga scala della pressione su tutta la camera magmatica superficiale, per un massimo di −2 MPa dopo circa 25 min.

Le simulazioni elastodinamiche mostrano che le oscillazioni ULP calcolate per il fluido, e originate dall’ingresso di magma galleggiante nella camera magmatica superficiale, si traducono in movimenti del suolo di periodo confrontabile con ampiezze da millimetri (Campi Flegrei) a micrometri (Etna). La Fig. 4 riporta tali oscillazioni del suolo, come sarebbero registrate da strumenti con periodo si taglio di 500, 200, e 50 s.

Discussione e conclusioni

In questo lavoro, le oscillazioni del suolo ULP sono proposte come diagnostiche delle conseguenze della convezione di magma profondo.

L’identificazione di oscillazioni sostenute come le piccole ampiezze come quelle che emergono dalla simulazioni numeriche, richiedono da una parte, la messa in posto di strumentazione di campo vicino rappresentata da array di sismometri di larga broadband, strain-meters installati in pozzi, lunghe baseline di tiltmetri, e una reta GPS; d’altra parte, necessitano dello sviluppo e dell’applicazione di analisi dati sofisticata, che sia in grado si separare il contributo dei segnali spazialmente coerenti e del rumore.

Il risultato dei processi magmatici, altamente non lineari, qui simulati, e il record dei più recenti e avanzati strumenti broadband messi in posto ai vulcani, concorrono a dimistrare che informazioni nuove e vitali sullo stato sotterraneo della dinamica del vulcano possono essere ottenute attraverso sistematici ed estensivi studi del dominio delle frequenze ultralow dei segnali geofisici.

Citation

Longo A., P. Papale, M. Vassalli, G. Saccorotti, C. P. Montagna, A. Cassioli, S. Giudice, E. Boschi (2012). Magma convection and mixing dynamics as a source of Ultra-Long-Period oscillations, Bulletin of Volcanology, 74, 4, 873–880, doi:10.1007/s00445-011-0570-0.