Sværme af jordskælv har rystet det sydlige Italien med stigende intensitet siden 2022 og truet hundreder af tusinder af mennesker, der bor ovenpå et vulkansk område kendt som Campi FleGrei, hvor landet oplever langsomme lodrette bevægelser.
Mens myndighederne debatterer katastrofesvar og evakueringsprotokoller, kan forskere have fundet en måde at afværge den cykliske uro helt: ved at styre vandafstrømning eller sænke grundvandsniveauer og dermed reducere væsketrykket inden for det geotermiske reservoir.
Gennem underjordisk billeddannelse og laboratorieeksperimenter har Stanford -forskere vist, hvordan trykopbygning fra vand og damp i reservoiret under Campi FleGrei kan føre til jordskælv, når caprock eller låg forsegler.
Forskningen, der blev offentliggjort i Videnskab fremmerviser, at gentagelsen af et overtrykt reservoir stod bag deformation og seismicitet i de tidlige 1980’ere og igen i løbet af de sidste 15 år, hvilket i sidste ende førte til identifikationen af den underliggende mekanisme.
Resultaterne udfordrer en bredt holdt teori om, at ryste drives af magma eller dens gasser stiger til lavere dybde, når smelte fra en dyb smeltezone bevæger sig opad i det øverste underjordiske under det vulkanske område. De afslører også, hvordan den hastighed, hvormed vand gradvist genoplades reservoiret, påvirker deformationshastigheden og ændringer i landets højde.
“For at tackle problemet kan vi styre overfladeafstrømning og vandstrøm eller endda reducere trykket ved at trække væsker tilbage fra Wells,” sagde seniorundersøgelsesforfatter Tiziana Vanorio, lektor i jord- og planetariske videnskaber ved Stanford Doerr School of Sustainability.
Forskerne analyserede tilbagevendende mønstre og fælles egenskaber i billeddannelsen af strukturer under jorden og jordskælv fra Campi FleGreis to seneste perioder med uro.
Karakteriseret ved jordopløftning og burst-lignende ryster, ledsaget af rumlende lyde, der er blevet en signaturfunktion for befolkningen, har forskere mistanke om, at denne aktivitet signaliserer dampdrevne eksplosioner, udløst, når flydende vand hurtigt blinker til damp under brud forårsaget af jordskælv. Undersøgelsen inkluderer data fra uroen fra 1982–1984 og 2011–2024.
“Vi har set på noget, der fandt sted årtier fra hinanden, men der er dybe ligheder i billeddannelsen, som ikke kun peger på et cyklisk mønster af fænomenet, men også til en fælles underliggende årsag,” sagde medforfatter Grazia de Landro, en forsker ved University of Naples Fedico II, Italien og besøgende Scholar At Stanford.
“Derfra startede ideen om at arbejde sammen, især at se på rockfysik. Brug af rockfysik er den eneste måde at sige noget kvantitativt om billeddannelsen af undergrunden.”
Campi FleGrei Volcanic Area er vært for et afdækket geotermisk reservoir under byen Pozzuoli, vest for Napoli og Mount Vesuvius. Området er kontinuerligt overvåget siden uroen i 1982–1984, da landet steg mere end 6 meter og Pozzuolis havn blev så lavt, at skibe ikke længere kunne dokke. Derefter fik et jordskælv og tusinder af mikroquakes størrelse og tusinder af mikroquakes evakuering af 40.000 mennesker fra Pozzuoli.
“Det har været en udfordring i de sidste tre år. Mange bygninger er blevet beskadiget af den kontinuerlige ryster, og nogle mennesker har ikke hjem,” sagde Vanorio, der voksede op i Pozzuoli og blev tvunget til at evakuere i 1980’erne.
“Dette projekt er mit mål som borger nu, ikke kun som en geofysiker, fordi undersøgelsen antyder, at uro kan styres snarere end bare overvåges og åbner vejen til forebyggelse.”
Land, der ‘ånder’
Campi FleGrei er en 8-mils bred caldera, en enorm depression dannet af større udbrud for omkring 39.000 og 15.000 år siden, hvilket forårsagede sammenbruddet af Jordens overflade.
Calderaen oplever løft og forsyn, hvor landet stiger og synker, selv uden udbrud. Efter uroen i 1982–1984 sænkede området ca. 3 meter. For at forsynet skal forekomme, skal masse frigøres fra undergrunden, som kan omfatte magma, vand, damp og kuldioxid.
Beboere i Pozzuoli bemærker, hvordan calderaen “ånder”, der udsender dampe og flytter jorden, undertiden meter op eller ned over en kort tid.
Historisk set er opløftningen i vulkanske områder blevet bredt accepteret som værende knyttet til magma-relaterede genopfyldningsprocesser, hvilket antager, at Magma og/eller dets gasser er primære drivkræfter for deformation og derefter jordskælv-men dette er måske ikke altid tilfældet, ifølge undersøgelsens fund.
Mens nogle forskere begyndte at udforske forholdet mellem nedbør og seismicitet i det sidste årti, præciserer undersøgelsen, at det ikke er selve regnen, men snarere presset som følge af den langsomme, men stabile ophobning af vand i et forseglet reservoir, der fører til brud – og følgelig ryster Vanorio.
“Vi ved, at den årlige variation i nedbør er steget i de sidste 24 år, så det, der skal overvåges, er niveauet for grundvand, der akkumuleres i undergrunden, eller sikrer direkte kanalisering af vandafstrømning,” tilføjede Vanorio.
Et lukket system
Et bemærkelsesværdigt træk ved Campi FleGrei er den fibrøse natur af caprock på toppen af det geotermiske reservoir. Fibrøse materialer bruges til teknik til strukturel forstærkning, da de kan deformere uden straks brud. De kan akkumulere belastning, som i det vulkanske system til sidst kunne frigøres gennem et pludseligt udbrud af overophedet vand, damp og vulkansk aske.
Forskerne undersøgte 24 års nedbørsmønstre, retningen for vandstrømning under jorden og processen med caprock -forsegling for at forstå genopladningen af det geotermiske reservoir og dens trykopbygning. I Vanorios rockfysik og geomateriale laboratorium demonstrerede de, hvordan revner i Caprock -segl gennem interaktioner mellem klippens mineraler med hydrotermisk vand og damp.
For at teste Caprocks egenskaber gennemførte undersøgelsesforfatterne eksperimenter ved hjælp af et hydrotermisk kar, der fungerer som et værktøj, der er kendt for mange italienere: en Moka -gryde eller komfuret espresso -maker.
De fyldte bundkammeret med saltvand og toppen med vulkansk aske og knuste klipper, der er typiske for Campi FleGrei, opvarmede derefter karret til temperaturen, der findes i det geotermiske reservoir. Inden for en dag blev mineralfibre dannet, og revner i klippelaget forseglede hurtigt gennem cementering.
Dette skaber et lukket system, der gør det muligt for væsketryk at opbygge, indtil det brud den omgivende klippe. Frakturering fra jordskælv forårsager et pludseligt fald i væsketryk, når flydende vand blinker i damp og slipper ud. “Det producerer eksplosive bursts og blomstrende lyde typiske for området,” sagde Vanorio.
Forskerne anvendte flere discipliner for at afsløre, hvordan Campi FleGrei fungerer som et lukket system, inklusive tomografi af undergrunden, som De Landro udførte ved hjælp af jordskælvsregistre til at konstruere billeder af undergrunden, der kan analyseres som en CT -scanning.
“Billeddannelse af undergrunden gennem geofysiske metoder er som en gammeldags dørklokke: den fortæller os, at nogen ringer til døren, men det siger ikke, hvem det er. Således skal fortolkningen af tomografibilleder testes i laboratoriet-det er det, der gør dette samarbejde mellem seismologi og rockfysik så magtfuld,” sagde Vanorio.
En ny model
Analyser af tomografien sammen med placering og rækkevidde af jordskælv bidrog til forskernes teori om, at tilbagevendende rumling muligvis ikke er drevet af magma -påfyldning eller emission af gasser fra systemet. Under begge episoder med uro begyndte jordskælv inden for caprock på en relativt lav dybde på ca. 1 mile.
“Efter visualiseringen af den tidsmæssige udvikling af jordskælv kan du se et meget klart mønster-jordskælvene uddybes over tid,” sagde medforfatter Tianyang Guo, en postdoktorisk lærd i Jorden og planetariske videnskaber, der kombinerede jordskælvsdata fra de to episoder til visuel fortolkning.
Hvis Magma eller dets gasser stiger til lavere dybder var den primære drivkraft for uro, ville vi forvente, at det modsatte mønster – jordskælv, der starter tættere på den dybere smeltregion, ca. 5 miles under overfladen og gradvist blev lavere over tid, ifølge forskerne. Endvidere kan Magma Rising uden udbrud ikke forklare forsynet efter uroen, sagde Vanorio.
En plausibel forklaring på forsynet er den observerede udledning af vand og damp efter brud fra seismisk aktivitet, som naturligvis frigiver trykket i reservoiret.
Med deres nye model af Campi FleGreis indre arbejde håber forskerne at kommunikere de mekanismer, der forårsager uro i det simmende system til lokale italienske regeringsembedsmænd.
“Jeg kalder det en perfekt storm af geologi – du har alle ingredienserne til at have stormen: brænderen af systemet – den smeltede magma, brændstof i det geotermiske reservoir og låget,” sagde Vanorio.
“Vi kan ikke handle på brænderen, men vi har magten til at styre brændstoffet. Ved at gendanne vandkanaler, overvåge grundvand og styre reservoirtrykket kan vi skifte jordvidenskab mod en mere proaktiv tilgang – som forebyggende sundhedsvæsen – til at opdage risici tidligt og forhindre uro, før det udspiller sig. Det er, hvordan videnskaben tjener samfundet.”
Davide Geremia, en tidligere postdoktorisk lærd i Vanorios laboratorium, er medforfatter til undersøgelsen.