Rady trzęsień ziemi wstrząsają południowymi Włochami z rosnącą intensywnością od 2022 r., Grocząc setki tysięcy ludzi mieszkających na obszarze wulkanicznym znanym jako Campi Flegrei, gdzie ziemia doświadcza powolnych ruchów pionowych. Podczas gdy władze debatują w reakcjach katastrof i protokołów ewakuacji, naukowcy mogli znaleźć sposób na udaremnienie cyklicznych niepokojów: poprzez zarządzanie spływem wody lub obniżenie poziomów wód gruntowych, zmniejszając w ten sposób ciśnienie płynów w zbiorniku geotermalnym.
Poprzez obrazowanie podpowierzchniowe i eksperymenty laboratoryjne naukowcy z Stanford pokazali, w jaki sposób nabudowanie ciśnienia z wody i pary w zbiorniku pod Campi Flegrei mogą prowadzić do trzęsień ziemi, gdy Caprock lub pokrywka uszczelnia. Badania, opublikowane w Science Advances 2 maja, pokazują, że nawrót nadciśniętego zbiornika był opóźniony na deformacje i sejsmiczność na początku lat osiemdziesiątych i ponownie w ciągu ostatnich 15 lat, co ostatecznie prowadzi do identyfikacji mechanizmu bazowego.
Odkrycia podważają szeroko trzymaną teorię, że wstrząsanie jest napędzane przez magmę lub jej gazy wznoszące się na płytszą głębokość – gdy stopi się z głębokiej strefy stopu przesuwa się w górę do górnej części podpowierzchni pod obszarem wulkanicznym. Ujawniają również, w jaki sposób szybkość, z jaką woda stopniowo ładuje zbiornik, wpływa na szybkość deformacji i zmian wysokości ziemi.
„Aby rozwiązać ten problem, możemy zarządzać spływem powierzchni i przepływem wody, a nawet zmniejszyć ciśnienie poprzez wycofanie płynów ze studni” – powiedziała starsza autorka badania Tiziana Vanorio, profesor nauk o Ziemi i Planetarnej w Stanford Doerr School of Sustainability.
Naukowcy przeanalizowali powtarzające się wzorce i wspólne cechy w obrazowaniu struktur podpowierzchniowych i trzęsień ziemi z dwóch najnowszych okresów niepokojów Campi Flegrei. Charakteryzując się podnoszeniem lądowym i drżeniem podobnym do serii, w towarzystwie dudniących dźwięków, które stały się charakterystyczną cechą dla populacji, naukowcy podejrzewają, że aktywność ta sygnalizuje eksplozje napędzane parą, wywołane, gdy płynna woda szybko miga na parę podczas pęknięcia spowodowanego trzęsieniami ziemi. Badanie obejmuje dane z niepokojów z lat 1982–1984 i 2011-2024.
„Patrzyliśmy na coś, co wydarzyło się w odstępie dziesięcioleci, ale w obrazowaniu istnieją głębokie podobieństwa, które wskazują nie tylko na cykliczny wzór tego zjawiska, ale także na wspólną przyczynę”-powiedziała współautor Grazia de Landro, badacz na Uniwersytecie Neapolu Federico II, Włosze i Włosze. „Stamtąd rozpoczął pomysł współpracy, zwłaszcza patrząc na fizykę rockową. Korzystanie z fizyki rockowej jest jedynym sposobem na powiedzenie czegoś ilościowego na temat obrazowania podpowierzchni”.
Obszar wulkaniczny Campi Flegrei jest gospodarzem ograniczonego zbiornika geotermalnego pod miastem Pozzuoli, na zachód od Neapolu i Mount Vesuvius. Obszar ten był stale monitorowany od czasu niepokojów w latach 1982–1984, kiedy ziemia wzrosła o ponad 6 stóp, a port Pozzuoli stał się tak płytki, że statki nie mogły już zadokować. Następnie trzęsienie ziemi o sile 4 i tysiące mikro-trzęsień spowodowały ewakuację 40 000 osób z Pozzuoli.
„Przez ostatnie trzy lata było to wyzwanie. Wiele budynków zostało uszkodzonych przez ciągłe wstrząsanie, a niektórzy ludzie nie mają domów” – powiedział Vanorio, który dorastał w Pozzuoli i został zmuszony do ewakuacji w latach 80. „Ten projekt jest teraz moim celem jako obywatela, nie tylko jako geofizyk, ponieważ badanie sugeruje, że można zarządzać niepokojami, a nie tylko monitorować, otwierając drogę do zapobiegania”.
Land, który „oddycha”
Campi Flegrei to Caldera o szerokości 8 mil, ogromna depresja utworzona przez poważne erupcje około 39 000 i 15 000 lat temu, co spowodowało upadek powierzchni Ziemi. Caldera doświadcza podniesienia i osiadania, a ziemia rosną i tonie, nawet bez erupcji. Po niepokojach w latach 1982–1984 obszar zatonął o około 3 stóp. Aby nastąpić osiadanie, masa musi być uwalniana z podpowierzchni, która może obejmować magmę, wodę, pary i dwutlenek węgla.
Mieszkańcy Pozzuoli zauważają sposób, w jaki Caldera „oddycha”, emitując opary i przesuwając ziemię, czasem metry w górę lub w dół przez krótki czas.
Historycznie podniesienie w obszarach wulkanicznych było powszechnie akceptowane jako powiązane z procesami napełniania związanymi z magmami, które zakładają, że magma i/lub jej gaz są głównymi czynnikami deformacji, a następnie trzęsieniami ziemi-ale nie zawsze tak może być, zgodnie z ustaleniami badania. Podczas gdy niektórzy badacze zaczęli badać związek między opadami a sejsmicznością w ostatniej dekadzie, badanie wyjaśnia, że nie opady deszczu, ale presja wynikająca z powolnego, ale stałego gromadzenia wody w zapieczętowanym zbiorniku, który prowadzi do pękania – i w konsekwencji wstrząsanie, powiedział Vanorio.
„Wiemy, że roczna zmienność opadów wzrasta w ciągu ostatnich 24 lat, więc należy monitorować poziom wód gruntowych gromadzących się w podpowierzchni lub zapewnianie bezpośredniego kierowania odpływu wody” – dodał Vanorio.
Zamknięty system
Jedną godną uwagi cechą Campi Flegrei jest włóknisty charakter Caprock na szczycie zbiornika geotermalnego. Materiały włókniste są wykorzystywane w inżynierii do zbrojenia konstrukcyjnego, ponieważ mogą one deformować bez natychmiastowego szczelinowania. Mogą gromadzić odkształcenie, które w układzie wulkanicznym można ostatecznie uwolnić poprzez nagłą erupcję przegrzanej wody, pary i popiołu wulkanicznego.
Naukowcy zbadali 24 lata wzorców opadów, kierunki przepływu wody podpowierzchniowej i proces uszczelnienia Caprocka w celu zrozumienia ładowania zbiornika geotermalnego i jego nagromadzeniu ciśnienia. W laboratorium fizyki skalnej i geomateriałów Vanorio pokazali, w jaki sposób pęknięcia w uszczelnieniu Caprock poprzez interakcje minerałów skały z hydrotermalną wodą i parą.
Aby przetestować charakterystykę Caprocka, autorzy badań przeprowadzili eksperymenty przy użyciu naczynia hydrotermalnego, które funkcjonuje jak narzędzie znane wielu Włochom: MOKA Pot lub PROUDER ESPRESSO PRESPRESSO. Wypełnili dolną komorę solanką i górą popiołem wulkanicznym i kruszonymi skałami typowymi dla Campi Flegrei, a następnie podgrzeli statek do temperatury występującej w zbiorniku geotermalnym. W ciągu jednego dnia powstały włókna mineralne i pęknięcia w warstwie skalnej szybko uszczelniły się przez cementowanie.
Tworzy to zamknięty system, który umożliwia budowanie ciśnienia płynów, dopóki nie złamie otaczającej skały. Szczepienie z trzęsień ziemi powoduje nagłe spadek ciśnienia płynnego, gdy ciekła woda błyska w pary i ucieka. „To produkuje wybuchy i rozwijające się, brzmi typowe dla tego obszaru” – powiedział Vanorio.
Naukowcy zastosowali wiele dyscyplin, aby ujawnić, w jaki sposób Campi Flegrei działa jako system zamknięty, w tym tomografia podpowierzchni, którą De Landro przeprowadził przy użyciu rekordów trzęsienia ziemi w celu konstruowania obrazów podpowierzchni, które można analizować jak joman CT.
„Obrazowanie podpowierzchni za pomocą metod geofizycznych jest jak staromodny dzwonek do drzwi: mówi nam, że ktoś dzwoni przy drzwiach, ale nie mówi, kim jest. Zatem interpretacja obrazów tomografii musi być testowana w laboratorium-to sprawia, że ta współpraca między sejsmologią a fizyką rockową jest tak potężna”-powiedział Vanorio.
Nowy model
Analizy tomografii wraz z lokalizacją i zasięgiem trzęsień ziemi przyczyniły się do teorii naukowców, że nawracające dudnienie może nie być napędzane przez magmę lub emisję gazów z systemu. Podczas obu odcinków niepokojów trzęsienia ziemi rozpoczęły się w kaprock na stosunkowo płytkiej głębokości około 1 mili.
„Po wizualizacji czasowej ewolucji trzęsień ziemi można zobaczyć bardzo wyraźny wzór-trzęsienia ziemi pogłębione w czasie”, powiedział współautor Tianyang Guo, postoktorancki uczony w dziedzinie ziemi i nauk planetarnych, który połączył dane trzęsienia ziemi z dwóch odcinków do interpretacji wizualnej.
Gdyby magma lub jej gazy wznoszące się na płytsze głębokości były głównym motorem niepokojów, spodziewalibyśmy się przeciwnego wzorca – trzęsienia ziemi zaczynające się bliżej głębszego regionu stopu, około 5 mil poniżej powierzchni i stopniowo z czasem stając się płytsze. Ponadto Magma powstaje bez erupcji nie może wyjaśnić osiadania po niepokoju, powiedział Vanorio. Prawdopodobnym wyjaśnieniem osiadania jest zaobserwowane wyładowanie wody i pary po pęknięciu z aktywności sejsmicznej, co naturalnie uwalnia ciśnienie w zbiorniku.
Dzięki nowemu modelowi wewnętrznego działania Campi Flegrei naukowcy mają nadzieję przekazać mechanizmy, które powodują niepokoje w systemie gotowości lokalnym włoskim urzędnikom rządowym.
„Nazywam to doskonałą burzę geologii – masz wszystkie składniki, aby mieć burzę: palnik systemu – stopioną magmę, paliwo w zbiorniku geotermalnym i pokrywkę” – powiedział Vanorio. „Nie możemy działać na palniku, ale mamy moc zarządzania paliwem. Przywracając kanały wodne, monitorowanie wód gruntowych i zarządzanie ciśnieniem w zbiorniku, możemy przesuwać nauki o ziemi w kierunku bardziej proaktywnego podejścia – takiego jak profilaktyczna opieka zdrowotna – wczesne wykrycie ryzyka i zapobieganie niepokojom. W ten sposób nauka obsługuje społeczeństwo”.
Davide Geremia, były uczony doktorzen w laboratorium Vanorio, jest współautorem badania.