Uszkodzona skorupa ziemska pod Polami Flegrejskimi ma związek z wypiętrzeniem i sejsmiką



Badania skorupy Campi Flegrei ujawniły uszkodzoną warstwę skalną pod powierzchnią ziemi, która może być odpowiedzialna za utrzymujące się niepokojące zjawiska wulkaniczne. Strefa osłabiona przez wcześniejsze wtargnięcia magmy wydaje się obecnie zatrzymywać gazy z głębszych źródeł. Ten wzrost ciśnienia pod powierzchnią ziemi może wyjaśniać zarówno ciągłe podnoszenie się gruntu, jak i niewielkie trzęsienia ziemi rejestrowane od 2005 roku.

Campi Flegrei, kaldera wulkaniczna na zachód od Neapolu, od prawie dwóch dekad wykazuje ciągłą aktywność. Od 2005 r. grunt, zwłaszcza w mieście Pozzuoli, podniósł się o około 1,1–1,2 metra, czemu towarzyszyły częste niewielkie trzęsienia ziemi.

Chociaż nie ma jednoznacznych dowodów na obecność magmy, naukowcy nadal badają procesy leżące u podstaw tej długotrwałej aktywności. Najnowsze badania przeprowadzone przez Gianmarco Buono i jego współpracowników z Narodowego Instytutu Geofizyki i Wulkanologii (INGV) rzucają nowe światło na możliwe procesy zachodzące pod powierzchnią ziemi. Zespół zbadał próbki skał pobrane z głębi kaldery. Połączył je z danymi sejsmicznymi i modelami komputerowymi. W ten sposób odkrył osłabioną warstwę skał na głębokości od 2,5 do 3 kilometrów. 

Prawdopodobnie została ona dawno temu uszkodzona przez unoszącą się magmę. Ta delikatna strefa może obecnie powodować utrzymujące się podnoszenie się gruntu i trzęsienia ziemi.

Analiza warstw skalnych i stref słabych

Badanie opiera się na danych z odwiertu geotermalnego SV1, który został wykonany na głębokość 3046 metrów (9993 stóp) w pobliżu centrum kaldery. Temperaturę na dnie odwiertu oszacowano na ponad 419°C (786,2°F), co wynika z topnienia cynku podczas wiercenia. Na podstawie tego odwiertu naukowcy zidentyfikowali trzy główne warstwy skalne na podstawie ich reakcji na obciążenia:

1. Warstwa górna (0,5–2,0 km): skały te są miękkie i porowate (porowatość 20–28%) i składają się z tufu wulkanicznego i osadów. Stopniowo ulegają deformacji i nie pękają tak łatwo. Ich wytrzymałość jest umiarkowana, a wytrzymałość na ściskanie wynosi około 15–50 megapaskali (MPa).
   
2. Warstwa środkowa (2,0–2,5 km): Tutaj skały stają się mniej porowate i bardziej zwarte (do 70 MPa). Pod wpływem nacisku nagle zaczynają pękać.
   
3. Warstwa dolna (2,5–3,0 km): Tutaj sytuacja ulega zmianie, ponieważ ich wytrzymałość na ściskanie osiąga 110 MPa. Mimo że skały te znajdują się głęboko, są słabsze niż te znajdujące się powyżej. W przeszłości zostały one podgrzane i zmienione przez gorące ciecze i magmę, co spowodowało ich pękanie i zmiany chemiczne. Zawierają minerały, takie jak epidot, chloryt i amfibol, które powstają w temperaturach powyżej 360 °C. Ta osłabiona strefa nie zachowuje się jak skała nienaruszona. Łatwiej ulega pękaniu i może zatrzymywać ciecze. W związku z tym pod ziemią może gromadzić się ciśnienie.
   

Sejsmiczne oznaki pęknięć i wzrostu ciśnienia

Dane sejsmiczne dotyczące lokalnych trzęsień ziemi w latach 2005–2023 wykorzystano do stworzenia trójwymiarowych obrazów podłoża. Wykazały one wyraźne zmniejszenie prędkości fal sejsmicznych na głębokości od 2,5 do 3 km (1,55 do 1,86 mili), co jest cechą często kojarzoną z pękniętą skałą nasyconą gazem lub cieczą. Najsilniejsze trzęsienia ziemi w ostatnich latach miały miejsce tuż nad tą warstwą. Potwierdza to hipotezę, że nagromadzenie ciśnienia w osłabionej strefie powoduje pękanie skał i aktywność sejsmiczną.

Poniżej tego poziomu, na głębokości około 4 km, skała ponownie ulega zmianie. Popiół wulkaniczny ustępuje miejsca znacznie twardszym skałom węglanowym, które są gęstsze (2700 kg/m³ w porównaniu z 1900 kg/m³) i sztywniejsze (moduł ścinania 30 GPa w porównaniu z 8,5 GPa). Granica ta prawdopodobnie zapobiega dalszemu wznoszeniu się magmy.

Modelowanie dróg magmy

Naukowcy wykorzystali symulacje komputerowe, aby zbadać, jak magma porusza się podczas wynurzania się z głębi. Skupili się na wałach, wąskich, pionowych warstwach magmy. W swoich modelach wały te zaczynały się na głębokości ośmiu kilometrów i wypływały w górę przez skorupę ziemską. Modele wykazały, że wały te zatrzymują się na głębokości 3–4 km. Jest to dokładnie miejsce przejścia miękkiego tufu w twardy węglan. Za każdym razem, gdy wał zatrzymuje się, obciąża i ogrzewa otaczającą skałę, powodując jej dalsze uszkodzenia. Z biegiem czasu to powtarzające się wnikanie mogło stworzyć widoczną obecnie strefę słabości.


Model płaskiej struktury Campi Flegrei z warstwami skalnymi, symulowanymi drogami magmy i miejscami trzęsień ziemi. Trzy obszary opierają się na pomiarach odwiertów i danych sejsmicznych. Kolorowe obszary oznaczają magmę na głębokości od 2 do 3 km. Trzęsienia ziemi między 2000 a 2025 r. są przedstawione jako kule. Większe trzęsienia koncentrują się w pobliżu powierzchni strefy intruzji, gdzie w osłabionej skale gromadzi się ciśnienie. Źródło zdjęcia: AGU Advances/autorzy

Aby symulacje były realistyczne, zespół uwzględnił takie czynniki, jak:

1. zmniejszenie ciśnienia powierzchniowego w wyniku zapadnięcia się kaldery (5 MPa)
   
2. gęstość magmy (2400–2600 kg/m³)
   
3. wielkość wałów przeciwpowodziowych od 0,003 do 0,008 km² (0,0012-0,0031 mi²) w przekroju poprzecznym
   

Założyli również, że każdy wał przeciwpowodziowy stopniowo „zapomina” obciążenia poprzednich wałów, a jego skuteczność zmniejsza się za każdym razem o 20%. 

Zamieszki w Campi Flegrei spowodowane raczej ciśnieniem gazu niż ruchami magmy

Podczas gdy wcześniejsze epizody niepokoju w Campi Flegrei mogły być spowodowane wtargnięciem magmy, obecna aktywność wydaje się być spowodowana przede wszystkim gromadzeniem się gazu w płaskiej, osłabionej warstwie skorupy ziemskiej na głębokości od 2,5 do 3 kilometrów. W strefie tej nagromadzenie cieczy powoduje wzrost ciśnienia. Jeśli ciśnienie przekroczy wytrzymałość skały, dochodzi do pęknięć, które wywołują trzęsienia ziemi i podnoszenie się powierzchni.

W badaniu wykorzystano modele pęknięć progowych, aby ustalić, jakie ciśnienie byłoby potrzebne do odkształcenia gruntu. Okazało się, że wystarczyłoby nadciśnienie rzędu 5 do 15 MPa, co nadal mieści się w zakresie wytrzymałości osłabionych skał w tej warstwie.

Związek między przeszłymi szkodami a obecną aktywnością w polu flegrejskim

Badanie to daje nam nowy wgląd w możliwe przyczyny niepokojów w polach Flegrejskich. Skorupa ziemska posiada swego rodzaju „pamięć” geologiczną. Dawne intruzje pozostawiły po sobie bliznowatą, kruchą strefę, która obecnie reaguje na głębokie wtłoczenia gazów i cieczy. Strefa ta może nadal powodować wypiętrzenia i trzęsienia ziemi, nawet jeśli magma pozostaje głęboko pod powierzchnią.

Istnieje również możliwość, że większe ilości magmy z głębszych warstw (7–8 km) będą przedostawać się bezpośrednio na powierzchnię. W takich przypadkach strefa osłabienia nie będzie w stanie powstrzymać jej wzrostu. Niektóre wcześniejsze erupcje mogły przebiegać właśnie w ten sposób. Zrozumienie tej struktury pozwala naukowcom lepiej interpretować obecne sygnały i uzyskać jaśniejszy obraz tego, co może się wydarzyć w przyszłości. Pokazuje również, że nawet głęboko zalegająca magma może nadal oddziaływać na powierzchnię poprzez stare uszkodzenia skorupy ziemskiej.

---

Amon
www.strefa44.pl
www.strefa44.com.pl