Monitorare il vulcano Kīlauea sull'isola Hawaii per riconoscere possibili precursori degli eventi eruttivi e prendere decisioni operative per minimizzarne gli effetti negativi. Sono i risultati dello studio, frutto della collaborazione scientifica INGV-USGS, pubblicato su Research Spotlight di EOS
Il monitoraggio dei vulcani in “real time” consente di ottenere informazioni sullo stato di attività che possono poi essere utilizzate dalle autorità preposte per prendere decisioni operative, al fine di minimizzare gli effetti negativi in caso di eventi parossistici. Da alcuni anni è in corso una collaborazione tra l’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) e l’U.S. Geological Survey (USGS), focalizzata sullo studio di segnali geofisici acquisiti al Kīlauea (vulcano delle Hawaii). Uno degli obiettivi di questa collaborazione consiste nel riconoscimento di precursori in grado di fornire indicazioni su possibili cambi nello stato di attività prima delle fasi eruttive. I risultati della ricerca Insights into shallow magmatic processes at Kīlauea Volcano, Hawaii, from a multiyear continuous gravity time series sono stati pubblicati su Journal of Geophysical Research e messi in evidenza nel Research Spotlight di EOS (Exciting new research from AGU journals: ).
“La collaborazione scientifica tra INGV e USGS, spiega Daniele Carbone, ricercatore dell’INGV, “è nata nel 2010, quando l’Hawaiian Volcano Observatory (HVO) dell'USGS ha deciso di installare dei gravimetri (strumenti per misurare piccole variazioni nell'accelerazione di gravità) in acquisizione continua al Kīlauea. Per poi proseguire con l'analisi e l’interpretazione dei dati acquisiti”.
Il Kīlauea è un vulcano situato sull'isola Hawaii, la più estesa dell'omonimo arcipelago. La sua origine è legata alla presenza sotto la crosta terrestre di un hot spot, ossia un punto caldo di risalita di roccia fusa. Il cratere sommitale del Kīlauea (Halema'uma'u) ospita un lago di lava che fluttua tra i 70 e i 150 m sotto l'orlo del cratere stesso.
“Il Kīlauea ha caratteristiche che lo rendono ideale per l’applicazione del metodo gravimetrico, dato che è possibile installare strumenti in prossimità delle strutture attive, consentendo così di aumentare il rapporto segnale/rumore. Inoltre, il livello del lago di lava è monitorato in continuo tramite una telecamera termica e quindi è possibile avere sempre informazioni indirette sullo stato di attività”, afferma il ricercatore.
Le variazioni di gravità che si osservano con i gravimetri sono il riflesso di variazioni di massa intorno al punto di osservazione. Nel caso del Kīlauea, l’abbassamento del livello del lago di lava causa una diminuzione di gravità. Infatti, si ha una diminuzione di massa, dato che viene a mancare un certo volume di lava in una posizione prossima al punto di osservazione.
“Conoscendo la forma del cratere e la variazione di livello, abbiamo calcolato questo volume e, attraverso la misura gravimetrica, abbiamo stimato la densità del materiale che occupava questo volume. Con il risultato di una densità pari a 1-1,5 g/cm^3. Ma, dal momento che la densità del magma è di norma molto più alta (circa 3 g/cm^3), si è dedotto che il valore osservato sia dovuto alla presenza di una grande quantità di bolle di gas (si tratta infatti di una schiuma), che fanno abbassare la densità media del materiale dentro il cratere”.
In molti vulcani attivi il monitoraggio è basato essenzialmente su dati relativi a deformazione del suolo, attività sismica ed emissioni gassose. Le osservazioni gravimetriche rappresentano una valida alternativa. Infatti le variazioni nel tempo dell’accelerazione di gravità riflettono cambi nella distribuzione delle masse nel sottosuolo e possono indicare condizioni di disequilibrio che precedono eventi parossistici.
“Utilizzando quattro anni (2011-2015) di dati acquisiti a una distanza di soli 150m dall’orlo del cratere sommitale del Kīlauea, che ospita un lago di lava, sono state evidenziate variazioni gravimetriche fortemente correlate con il livello del lago stesso. Questi dati hanno permesso di stimare che la densità del magma nella parte più superficiale del plumbing system al di sotto del cratere è molto bassa, di poco superiore rispetto alla densità dell’acqua. Una parte consistente del volume in questione è quindi occupata da fase gassosa”, continua ancora Carbone.
Alcuni transienti, osservati nella sequenza temporale, indicano fasi di disequilibrio dovute probabilmente a intrusioni magmatiche a bassa profondità. Tali eventi non possono essere evidenziati tramite altre tecniche ed enfatizzano l’importanza del metodo gravimetrico per riconoscere possibili precursori di eventi eruttivi.
Abstract
Continuous gravity data collected near the summit eruptive vent at Kīlauea Volcano, Hawaiʻi, during 2011–2015 show a strong correlation with summit-area surface deformation and the level of the lava lake within the vent over periods of days to weeks, suggesting that changes in gravity reflect variations in volcanic activity. Joint analysis of gravity and lava level time series data indicates that over the entire time period studied, the average density of the lava within the upper tens to hundreds of meters of the summit eruptive vent remained low—approximately 1000–1500 kg/m3. The ratio of gravity change (adjusted for Earth tides and instrumental drift) to lava level change measured over 15 day windows rose gradually over the course of 2011–2015, probably reflecting either (1) a small increase in the density of lava within the eruptive vent or (2) an increase in the volume of lava within the vent due to gradual vent enlargement. Superimposed on the overall time series were transient spikes of mass change associated with inflation and deflation of Kīlauea’s summit and coincident changes in lava level. The unexpectedly strong mass variations during these episodes suggest magma flux to and from the shallow magmatic system without commensurate deformation, perhaps indicating magma accumulation within, and withdrawal from, void space—a process that might not otherwise be apparent from lava level and deformation data alone. Continuous gravity data thus provide unique insights into magmatic processes, arguing for continued application of the method at other frequently active volcanoes.
Lago di lava all’interno del cratere sommitale del Kīlauea
(Credit: USGS )
Lago di lava all’interno del cratere sommitale del Kīlauea
(Credit: USGS - )
Livello della lava nel lago (in alto), tilt radiale (in mezzo) e gravità (in basso), durante periodi di alcune settimane nel 2011 (sinistra) e 2012 (destra). Le tre serie temporali sono ben correlate; questo indica che le variazioni gravimetriche sono indotte da processi vulcanici.