Η τέλεια γεωλογική καταιγίδα
Η ηφαιστειακή περιοχή Campi Flegrei βρίσκεται κάτω από την πόλη Pozzuoli, η οποία απεικονίζεται εδώ το 2018. Η ταχεία ανύψωση κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1980 άφησε το λιμάνι της πόλης πολύ ρηχό για ελλιμενισμό. (Από: Kurt Hickman).
Ένα γεωθερμικό πηγάδι που βρίσκεται στην περιοχή όπου το υπόγειο νερό αποστραγγίζεται προς το Ποτσουόλι. Δείχνουν σαφή αύξηση των επιπέδων πίεσης του νερού μεταξύ 2018, αριστερά, και 2024. Terme di Agnano Tiziana Vanorio.
Σμήνη σεισμών πλήττουν τη νότια Ιταλία με αυξανόμενη ένταση από το 2022, απειλώντας εκατοντάδες χιλιάδες ανθρώπους που ζουν στην κορυφή μιας ηφαιστειακής περιοχής γνωστής ως Campi Flegrei, όπου η γη βιώνει αργές κατακόρυφες κινήσεις.
Ενώ οι αρχές συζητούν για την αντιμετώπιση καταστροφών και τα πρωτόκολλα εκκένωσης, οι ερευνητές μπορεί να έχουν βρει έναν τρόπο να αποτρέψουν εντελώς την κυκλική αναταραχή: διαχειριζόμενοι την απορροή νερού ή μειώνοντας τα επίπεδα των υπόγειων υδάτων, μειώνοντας έτσι την πίεση των υγρών μέσα στο γεωθερμικό ταμιευτήρα.
Μέσω απεικόνισης του υπογείου και εργαστηριακών πειραμάτων, επιστήμονες του Στάνφορντ έχουν δείξει πώς η συσσώρευση πίεσης από το νερό και τους ατμούς στη δεξαμενή κάτω από το Campi Flegrei μπορεί να οδηγήσει σε σεισμούς όταν το υπερκείμενο πέτρωμα, ή το καπάκι, σφραγίζει.
Η έρευνα, που δημοσιεύτηκε στο Science Advances , δείχνει ότι η επανεμφάνιση μιας υπερπιεσμένης δεξαμενής ήταν η αιτία της παραμόρφωσης και της σεισμικότητας στις αρχές της δεκαετίας του 1980 και ξανά τα τελευταία 15 χρόνια, οδηγώντας τελικά στην αναγνώριση του υποκείμενου μηχανισμού.
Τα ευρήματα αμφισβητούν μια ευρέως διαδεδομένη θεωρία ότι η δόνηση προκαλείται από το μάγμα ή τα αέριά του που ανεβαίνουν σε μικρότερο βάθος όταν το τήγμα από μια βαθιά ζώνη τήξης κινείται προς τα πάνω στο ανώτερο υπέδαφος κάτω από την ηφαιστειακή περιοχή. Αποκαλύπτουν επίσης πώς ο ρυθμός με τον οποίο το νερό σταδιακά επαναφορτίζει τη δεξαμενή επηρεάζει τον ρυθμό παραμόρφωσης και τις αλλαγές στο ύψος της γης.
«Για να αντιμετωπίσουμε το πρόβλημα, μπορούμε να διαχειριστούμε την επιφανειακή απορροή και τη ροή του νερού ή ακόμα και να μειώσουμε την πίεση αντλώντας υγρά από τα πηγάδια», δήλωσε η επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, Τιζιάνα Βανοριο, αναπληρώτρια καθηγήτρια Γεωεπιστημών και πλανητικών επιστημών στη Σχολή Βιωσιμότητας Stanford Doerr.
Οι ερευνητές ανέλυσαν επαναλαμβανόμενα μοτίβα και κοινά χαρακτηριστικά στην απεικόνιση υποεπιφανειακών δομών και σεισμών από τις δύο πιο πρόσφατες περιόδους αναταραχής στα Campi Flegrei.
Χαρακτηριζόμενη από ανύψωση της γης και δόνηση που μοιάζει με έκρηξη, συνοδευόμενη από ήχους βροντής που έχουν γίνει χαρακτηριστικό γνώρισμα του πληθυσμού, οι επιστήμονες υποψιάζονται ότι αυτή η δραστηριότητα σηματοδοτεί εκρήξεις που προκαλούνται από ατμό, οι οποίες ενεργοποιούνται όταν το υγρό νερό μετατρέπεται γρήγορα σε ατμό κατά τη διάρκεια ρωγμών που προκαλούνται από σεισμούς. Η μελέτη περιλαμβάνει δεδομένα από τις αναταραχές του 1982-1984 και του 2011-2024.
«Εξετάζουμε κάτι που συνέβη με διαφορά δεκαετιών, αλλά υπάρχουν βαθιές ομοιότητες στην απεικόνιση, οι οποίες υποδεικνύουν όχι μόνο ένα κυκλικό μοτίβο του φαινομένου αλλά και μια κοινή υποκείμενη αιτία», δήλωσε η συν-συγγραφέας Grazia De Landro, ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο της Νάπολης Federico II στην Ιταλία και επισκέπτρια καθηγήτρια στο Στάνφορντ.
«Από εκεί ξεκίνησε η ιδέα της συνεργασίας, ειδικά εξετάζοντας τη φυσική των πετρωμάτων. Η χρήση της φυσικής των πετρωμάτων είναι ο μόνος τρόπος για να πούμε κάτι ποσοτικό σχετικά με την απεικόνιση του υπεδάφους.»
Η ηφαιστειακή περιοχή Campi Flegrei φιλοξενεί μια καλυμμένη γεωθερμική δεξαμενή κάτω από την πόλη Pozzuoli, δυτικά της Νάπολης και του Βεζούβιου. Η περιοχή παρακολουθείται συνεχώς από τις αναταραχές του 1982-1984, όταν η στάθμη της γης ανέβηκε περισσότερο από 1,8 μέτρα και το λιμάνι του Pozzuoli έγινε τόσο ρηχό που τα πλοία δεν μπορούσαν πλέον να δέσουν. Μετά από αυτό, ένας σεισμός μεγέθους 4 Ρίχτερ και χιλιάδες μικροσεισμοί οδήγησαν στην εκκένωση 40.000 ανθρώπων από το Pozzuoli.
«Ήταν μια πρόκληση τα τελευταία τρία χρόνια. Πολλά κτίρια έχουν υποστεί ζημιές από τις συνεχείς δονήσεις και κάποιοι άνθρωποι δεν έχουν σπίτια», δήλωσε ο Βανοριο, ο οποίος μεγάλωσε στο Ποτσουόλι και αναγκάστηκε να εκκενώσει την περιοχή τη δεκαετία του 1980.
«Αυτό το έργο είναι ο στόχος μου ως πολίτη πλέον, όχι μόνο ως γεωφυσικού, επειδή η μελέτη υποδηλώνει ότι τις αναταραχές μπορείς να διαχειριστείς, αντί απλώς να τις παρακολουθείς, ανοίγοντας τον δρόμο για την πρόληψη».
Γη που «αναπνέει»
Το Campi Flegrei είναι μια καλδέρα πλάτους 8 μιλίων, μια τεράστια κοιλότητα που σχηματίστηκε από μεγάλες εκρήξεις πριν από περίπου 39.000 και 15.000 χρόνια, οι οποίες προκάλεσαν την κατάρρευση της επιφάνειας της Γης.
Η καλδέρα παρουσιάζει ανύψωση και καθίζηση, με τη στεριά να ανεβαίνει και να βυθίζεται, ακόμη και χωρίς έκρηξη. Μετά τις αναταραχές του 1982-1984, η περιοχή βυθίστηκε κατά περίπου 3 πόδια. Για να συμβεί καθίζηση, πρέπει να απελευθερωθεί μάζα από το υπέδαφος, η οποία μπορεί να περιλαμβάνει μάγμα, νερό, ατμούς και διοξείδιο του άνθρακα.
Οι κάτοικοι του Ποτσουόλι παρατηρούν τον τρόπο με τον οποίο «αναπνέει» η καλδέρα, εκπέμποντας αναθυμιάσεις και μετακινώντας το έδαφος, μερικές φορές μέτρα πάνω ή κάτω σε σύντομο χρονικό διάστημα.
Ιστορικά, η ανύψωση σε ηφαιστειακές περιοχές έχει γίνει ευρέως αποδεκτή ως συνδεδεμένη με διαδικασίες αναπλήρωσης που σχετίζονται με το μάγμα, γεγονός που υποθέτει ότι το μάγμα ή/και τα αέριά του είναι οι κύριοι παράγοντες παραμόρφωσης και στη συνέχεια σεισμών - αλλά αυτό μπορεί να μην ισχύει πάντα, σύμφωνα με τα ευρήματα της μελέτης.
Ενώ ορισμένοι ερευνητές άρχισαν να διερευνούν τη σχέση μεταξύ βροχοπτώσεων και σεισμικότητας την τελευταία δεκαετία, η μελέτη διευκρινίζει ότι δεν είναι η ίδια η βροχόπτωση, αλλά μάλλον η πίεση που προκύπτει από την αργή αλλά σταθερή συσσώρευση νερού σε μια σφραγισμένη δεξαμενή που οδηγεί σε ρωγμάτωση - και, κατά συνέπεια, σε δόνηση, δήλωσε ο Βανόριο.
«Γνωρίζουμε ότι η ετήσια διακύμανση των βροχοπτώσεων έχει αυξηθεί τα τελευταία 24 χρόνια, επομένως αυτό που πρέπει να παρακολουθείται είναι η στάθμη των υπόγειων υδάτων που συσσωρεύονται στο υπέδαφος ή η διασφάλιση της άμεσης διοχέτευσης της απορροής του νερού », πρόσθεσε ο Βανοριο.
Μια χρονική εξέλιξη των σεισμών στην ηφαιστειακή περιοχή Campi Flegrei από το 2015. Στην επιφάνεια, τα επίκεντρα των σεισμών αρχικά συγκεντρώνονται γύρω από την πηγή Pozzuoli-Pisciarelli, όπου το νερό τελικά συσσωρεύεται κατάντη. Με την πάροδο του χρόνου, οι σεισμοί επεκτείνονται για να καλύψουν μια ολοένα και ευρύτερη κυκλική περιοχή εντός της υδρολογικής λεκάνης απορροής, αντικατοπτρίζοντας πειράματα φυσικής πετρωμάτων και εδάφους από τα μέσα του 20ού αιώνα, στα οποία το νερό από μια σημειακή πηγή εξαπλώνεται σε ένα περίπου σφαιρικό μοτίβο. Τα δεδομένα προέρχονται από το Istituto Nazionale di Geofisica e Vucanologia (INGV). Από: Tiziana Vanorio και INGV
Ένα κλειστό σύστημα
Ένα αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό των Campi Flegrei είναι η ινώδης φύση του υπερκείμενου πετρώματος στην κορυφή του γεωθερμικού ταμιευτήρα. Τα ινώδη υλικά χρησιμοποιούνται στη μηχανική για δομική ενίσχυση, καθώς μπορούν να παραμορφωθούν χωρίς να σπάσουν αμέσως. Μπορούν να συσσωρεύσουν τάση, η οποία στο ηφαιστειακό σύστημα θα μπορούσε τελικά να απελευθερωθεί μέσω μιας ξαφνικής έκρηξης υπερθερμασμένου νερού, ατμού και ηφαιστειακής τέφρας.
Οι ερευνητές εξέτασαν 24 χρόνια βροχοπτώσεων, τις κατευθύνσεις της υπόγειας ροής του νερού και τη διαδικασία σφράγισης των υπερκείμενων πετρωμάτων για να κατανοήσουν την επαναφόρτιση του γεωθερμικού ταμιευτήρα και τη συσσώρευση πίεσης σε αυτόν. Στο Εργαστήριο Φυσικής Βράχων και Γεωϋλικών του Vanorio, κατέδειξαν πώς σχηματίζονται ρωγμές στο υπερκείμενο πέτρωμα μέσω των αλληλεπιδράσεων των ορυκτών του πετρώματος με το υδροθερμικό νερό και τον ατμό.
Για να δοκιμάσουν τα χαρακτηριστικά του υπερκείμενου πετρώματος, οι συγγραφείς της μελέτης διεξήγαγαν πειράματα χρησιμοποιώντας ένα υδροθερμικό δοχείο που λειτουργεί σαν ένα εργαλείο οικείο σε πολλούς Ιταλούς: μια κατσαρόλα μόκα ή μια μηχανή εσπρέσο σε εστία.
Γέμισαν τον κάτω θάλαμο με άλμη και την κορυφή με ηφαιστειακή τέφρα και θρυμματισμένα πετρώματα, τυπικά των Campi Flegrei, και στη συνέχεια θέρμαναν το δοχείο στη θερμοκρασία που υπάρχει στη γεωθερμική δεξαμενή. Μέσα σε μια ημέρα, σχηματίστηκαν ορυκτές ίνες και οι ρωγμές στο στρώμα βράχου σφραγίστηκαν γρήγορα μέσω της τσιμεντοποίησης.
Αυτό δημιουργεί ένα κλειστό σύστημα που επιτρέπει τη συσσώρευση πίεσης ρευστού μέχρι να σπάσει το βραχώδες περιβάλλον. Η θραύση από σεισμούς προκαλεί απότομη πτώση της πίεσης του ρευστού καθώς το υγρό νερό μετατρέπεται σε ατμό και διαφεύγει. «Αυτό παράγει εκρηκτικές εκρήξεις και ήχους βροντής, τυπικούς της περιοχής», δήλωσε ο Βανοριο.
Οι ερευνητές εφάρμοσαν πολλαπλούς κλάδους για να αποκαλύψουν πώς λειτουργεί το Campi Flegrei ως κλειστό σύστημα, συμπεριλαμβανομένης της τομογραφίας του υπεδάφους, την οποία ο De Landro πραγματοποίησε χρησιμοποιώντας αρχεία σεισμών για να κατασκευάσει εικόνες του υπεδάφους που μπορούν να αναλυθούν όπως μια αξονική τομογραφία.
«Η απεικόνιση του υπεδάφους μέσω γεωφυσικών μεθόδων είναι σαν ένα παλιομοδίτικο κουδούνι: Μας λέει ότι κάποιος χτυπάει την πόρτα, αλλά δεν λέει ποιος είναι. Έτσι, η ερμηνεία των εικόνων τομογραφίας πρέπει να δοκιμαστεί στο εργαστήριο - αυτό είναι που κάνει αυτή τη συνεργασία μεταξύ σεισμολογίας και φυσικής των πετρωμάτων τόσο ισχυρή», δήλωσε ο Βανοριο.
Ένα νέο μοντέλο
Οι αναλύσεις της τομογραφίας, μαζί με την τοποθεσία και την εμβέλεια των σεισμών, συνέβαλαν στη θεωρία των ερευνητών ότι οι επαναλαμβανόμενοι κραδασμοί μπορεί να μην προκαλούνται από την αναπλήρωση του μάγματος ή την εκπομπή αερίων από το σύστημα. Κατά τη διάρκεια και των δύο επεισοδίων αναταραχής, οι σεισμοί ξεκίνησαν μέσα στο υπερκείμενο βράχο σε σχετικά μικρό βάθος περίπου 1 μιλίου.
«Μετά την οπτικοποίηση της χρονικής εξέλιξης των σεισμών, μπορείτε να δείτε ένα πολύ σαφές μοτίβο - οι σεισμοί βαθαίνουν με την πάροδο του χρόνου», δήλωσε ο συν-συγγραφέας Tianyang Guo, μεταδιδακτορικός ερευνητής στις επιστήμες της Γης και των πλανητών, ο οποίος συνδύασε δεδομένα σεισμών από τα δύο επεισόδια για οπτική ερμηνεία.
Αν το μάγμα ή τα αέριά του που ανεβαίνουν σε μικρότερα βάθη ήταν η κύρια αιτία της αναταραχής, θα περιμέναμε το αντίθετο μοτίβο - σεισμούς που ξεκινούν πιο κοντά στην περιοχή βαθύτερης τήξης, περίπου 8 χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια, και σταδιακά γίνονται πιο ρηχοί με την πάροδο του χρόνου, σύμφωνα με τους ερευνητές. Επιπλέον, η άνοδος του μάγματος χωρίς έκρηξη δεν μπορεί να εξηγήσει την καθίζηση μετά την αναταραχή, είπε ο Βανόριο.
Μια εύλογη εξήγηση για την καθίζηση είναι η παρατηρούμενη εκκένωση νερού και ατμών μετά τη ρωγμάτωση από σεισμική δραστηριότητα, η οποία φυσικά απελευθερώνει πίεση μέσα στη δεξαμενή.
Με το νέο τους μοντέλο για την εσωτερική λειτουργία των Campi Flegrei, οι ερευνητές ελπίζουν να κοινοποιήσουν τους μηχανισμούς που προκαλούν αναταραχή στο σιγοβράζον σύστημα στους τοπικούς ιταλικούς κυβερνητικούς αξιωματούχους.
«Το αποκαλώ τέλεια γεωλογική καταιγίδα - έχεις όλα τα συστατικά για να έχεις την καταιγίδα: τον καυστήρα του συστήματος -το λιωμένο μάγμα, το καύσιμο στη γεωθερμική δεξαμενή και το καπάκι», είπε ο Βανοριο.
«Δεν μπορούμε να δράσουμε στον καυστήρα, αλλά έχουμε τη δύναμη να διαχειριστούμε το καύσιμο. Αποκαθιστώντας τα κανάλια ύδρευσης, παρακολουθώντας τα υπόγεια ύδατα και διαχειριζόμενοι την πίεση των δεξαμενών, μπορούμε να στρέψουμε την επιστήμη της Γης προς μια πιο προληπτική προσέγγιση - όπως η προληπτική υγειονομική περίθαλψη - για την έγκαιρη ανίχνευση κινδύνων και την πρόληψη αναταραχών πριν ξεσπάσουν. Έτσι υπηρετεί η επιστήμη την κοινωνία.»
Ο Davide Geremia, πρώην μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο του Vanorio, είναι συν-συγγραφέας της μελέτης.
Γεωδίφης με πληροφορίες από τη σελίδα stanford.edu
Tiziana Vanorio, The Recurrence of Geophysical Manifestations at the Campi Flegrei Caldera, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adt2067. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt2067
https://sustainability.stanford.edu/news/scientists-discover-key-taming-unrest-italys-campi-flegrei
https://phys.org/news/2025-05-scientists-key-earthquake-italy-campi.html
