DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-025-03140-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41536577
تاريخ النشر: 2026-01-12
المؤلف: Luca Caricchi وآخرون
الموضوع الرئيسي: التحليل الجيولوجي والجيوكيميائي
نظرة عامة
حوض كامبي فليغري، الذي ثار آخر مرة في عام 1538، شهد عدة حالات من الاضطراب تتميز بزيادة النشاط الزلزالي، وانبعاثات الغاز، وتشوه الأرض، لا سيما في الخمسينيات والسبعينيات والثمانينيات، وما زال مستمراً منذ عام 2005. يشكل هذا الاضطراب خطرًا كبيرًا على حوالي 2 مليون ساكن في المنطقة المجاورة. باستخدام البيانات الحالية جنبًا إلى جنب مع النمذجة الحرارية وحسابات خصائص الصهارة، تفترض الدراسة أن حقن الصهارة على أعماق تتراوح بين 4-5 كم هو المسؤول على الأرجح عن هذه الحلقات من الاضطراب. تشير النتائج الحالية إلى وجود خزان صهارة مضغوط بشكل حرج على عمق حوالي 4 كم؛ ومع ذلك، سيتطلب الأمر من 2-3 عقود حتى يتجمع هذا الخزان على حجم كافٍ لتحفيز ثوران مشابه لذلك الذي حدث في عام 1538.
شهد الحوض ارتفاعًا ملحوظًا في السطح خلال حالات الاضطراب، مع قياسات بلغت 74 سم، 160 سم، و175 سم للأزمات المعنية، والارتفاع الحالي يتجاوز 130 سم، مما يمثل أعلى مستويات منذ عام 1950 على الأقل. لا يزال الآلية وراء هذا التضخم قيد التحقيق، مع فرضيات تقترح إما حقن الصهارة على العمق المقدر أو زيادة تدفق السوائل الصهارية من مصادر أعمق. تشير البيانات الجيوديسية من حالات الاضطراب بين 1982-1984 والحالات المستمرة إلى زيادة في الحجم تبلغ حوالي 64-87 مليون متر مكعب و60 مليون متر مكعب، على التوالي، على أعماق تتراوح بين 4-5 كم. بينما تفتقر التقديرات الحجمية للأزمات السابقة، تفترض الدراسة وجود علاقة تناسبية بين الارتفاع وزيادة الحجم بناءً على البيانات الملاحظة من الحلقات الأكثر حداثة.
طرق
في هذه الدراسة، يقوم المؤلفون بالتحقيق عدديًا في التطور الحراري لنظام الصهارة من خلال حل معادلة الحرارة ضمن إطار شبه ثلاثي الأبعاد (محوري) باستخدام نهج العناصر المحدودة. النموذج يحاكي حقن سلاسل أفقية رقيقة من الصهارة على عمق ثابت، تحديدًا عند 4 كم، مع درجة حرارة سائلة تبلغ 1250 درجة مئوية، بينما يتم تعيين درجة حرارة الصخور المحيطة عند 540 درجة مئوية. تتضمن المحاكاة توصيل الحرارة وإطلاق الحرارة الكامنة، مع شروط حدودية ثابتة لدرجة الحرارة عند القاعدة والسطح، وعدم وجود تدفق حراري أفقي عبر الحدود الجانبية. يُفترض أن يكون التدرج الحراري العمودي الأولي 135 درجة مئوية/كم، وهو ما يتماشى مع القياسات المحافظة من حوض كامبي فليغري.
يجري المؤلفون محاكاة للسلاسل بسمك 15 م و25 م، مع تعديل امتداداتها الجانبية لتتناسب مع أحجام حقن الصهارة المقدرة. تُستخدم حسابات الديناميكا الحرارية عند ضغوط تتراوح بين 150-300 ميغاباسكال لتأسيس علاقة بين درجة الحرارة ونسبة الانصهار، مما يكشف عن انخفاضات كبيرة في نسبة الانصهار مع انخفاض درجات الحرارة من السائلة إلى حوالي 1150 درجة مئوية ومرة أخرى تحت 950 درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك، تقوم الدراسة بمعايرة العلاقة بين درجة الحرارة والحجم المولي للسوائل الزائدة عند ضغط ثابت يبلغ 100 ميغاباسكال، مما يوفر فهمًا شاملاً للديناميات الحرارية داخل نظام الصهارة. تتوفر مزيد من التفاصيل حول معلمات إدخال النموذج في المواد التكميلية.
نتائج
في هذه الدراسة، يقوم المؤلفون بمحاكاة التطور الحراري للصهارة على عمق 4 كم، مع التركيز على حالات الاضطراب في بركان CFc من الخمسينيات حتى الآن. من خلال استخدام بيانات الانعكاس الجيوديسي، يقومون بنمذجة سيناريوهات حقن الصهارة لتقدير الحالة الفيزيائية للصهارة والضغط الداخلي الزائد داخل الخزان الضحل. تشير النتائج إلى أن الصهارة على هذا العمق مشبعة بالسوائل، تحتوي على ما يصل إلى 4 wt.% H₂O، وأن حجم الصهارة القابلة للثوران يتفاوت بشكل كبير مع سمك حقن الصهارة. على وجه التحديد، يقدرون أنه بين $60 \times 10^6$ و$80 \times 10^6$ م³ من الصهارة القابلة للثوران موجودة اليوم إذا كان سمك الحقن 25 م، بينما سيكون هناك كمية أقل بكثير متاحة عند سمك 15 م.
كما يقوم المؤلفون بتحليل فترة الانكماش من 1984 إلى 2005، ويجدون أن حجم السوائل الزائدة في الخزان خلال هذه الفترة يمكن أن يفسر الانكماش الملحوظ، مما يشير إلى أن حساباتهم قوية ضمن ترتيب من حيث الحجم. يبرزون أهمية النظر في كل من المصادر الضحلة والأعمق من انبعاثات الغاز، لا سيما الزيادة في نسبة CO₂/H₂O، مما يشير إلى مساهمات من سوائل غنية بـ CO₂ من أعماق أكبر. قد تؤدي هذه التفاعلات إلى تعقيدات إضافية في تبلور الصهارة وإطلاق السوائل، مما يشير إلى أن حجم السوائل الزائدة قد يتم تقديره بشكل أقل في نموذجهم. بشكل عام، تؤكد النتائج على الطبيعة الديناميكية لخزان الصهارة وآثارها على النشاط البركاني وانبعاثات الغاز.
نقاش
في هذا القسم، يناقش المؤلفون الآليات وراء الضغط الزائد في خزان الصهارة وتطوره الزمني، لا سيما في سياق الاضطرابات البركانية الأخيرة. يقومون بنمذجة حقن الصهارة بمعدل \(8 \times 10^6 \, \text{م}^3/\text{سنة}\) منذ عام 2015، مما يكشف أن الضغط الزائد الناتج يتأثر بعوامل مثل معدل إدخال الصهارة، لزوجة القشرة، حجم الخزان، وضغط الصهارة. تشير نمذجاتهم الحرارية إلى أن حجم خزان الصهارة من المتوقع أن يزيد من \(240 \times 10^6 \, \text{م}^3\) إلى \(250 \times 10^6 \, \text{م}^3\) على مدى عقد من الزمن، مما يشير إلى أن الضغط الزائد الحالي يتجاوز قوة الشد للصخور المحيطة، مما قد يؤدي إلى التصدع وانتشار الصهارة.
يحدد المؤلفون ثلاث فترات زمنية حاسمة تحكم الضغط في الخزان: فترة حقن الصهارة (\(\tau_{\text{in}}\))، فترة التبريد (\(\tau_{\text{cool}}\))، وفترة الاسترخاء ماكسويل (\(\tau_{\text{relax}}\)). تظهر حساباتهم أنه حتى تحت افتراضات محافظة، يبقى الخزان مضغوطًا بشكل حرج، متسقًا مع أنماط النشاط الزلزالي الملاحظة منذ عام 2019. يستنتجون أنه بينما قد لا يكون الخزان بحجم مثالي لثوران، فإن تراكم الصهارة المستمر وتطور التصدعات في القشرة قد يسهل النشاط البركاني المستقبلي، مما يبرز أهمية مراقبة هذه التصدعات لتقييم إمكانية الثوران.
DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-025-03140-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41536577
Publication Date: 2026-01-12
Author(s): Luca Caricchi et al.
Primary Topic: Geological and Geochemical Analysis
Overview
The Campi Flegrei caldera, which last erupted in 1538, has experienced several episodes of unrest characterized by increased seismicity, gas emissions, and ground deformation, notably in the 1950s, 1970s, 1980s, and ongoing since 2005. This unrest poses a significant risk to the approximately 2 million residents in the vicinity. Utilizing existing data alongside thermal modeling and magma property calculations, the study posits that magma injection at depths of 4-5 km is likely responsible for these unrest episodes. Current findings indicate the presence of a critically pressurized magma reservoir at around 4 km depth; however, it would require 2-3 decades for this reservoir to accumulate sufficient volume to trigger an eruption similar to that of 1538.
The caldera has undergone notable surface uplift during unrest episodes, with measurements of 74 cm, 160 cm, and 175 cm for the respective crises, and current uplift exceeding 130 cm, marking the highest levels since at least 1950. The mechanism behind this inflation remains under investigation, with hypotheses suggesting either magma injection at the estimated depth or an increased flux of magmatic fluids from deeper sources. Geodetic data from the 1982-1984 and ongoing unrest episodes indicate a volume increase of approximately 64-87 million cubic meters and 60 million cubic meters, respectively, at depths of 4-5 km. While volumetric estimates for earlier crises are lacking, the study assumes a proportional relationship between uplift and volume increase based on the observed data from the more recent episodes.
Methods
In this study, the authors numerically investigate the thermal evolution of a magma system by solving the heat equation within a quasi-3D (axisymmetric) framework using a finite element approach. The model simulates the injection of thin cylindrical horizontal sills of magma at a constant depth, specifically at 4 km, with a liquidus temperature of 1250 °C, while the surrounding rock temperature is set at 540 °C. The simulation incorporates heat conduction and latent heat release, with fixed temperature boundary conditions at both the base and surface, and no horizontal heat flux across lateral boundaries. The initial vertical temperature gradient is assumed to be 135 °C/km, which aligns with conservative measurements from the Campi Flegrei caldera.
The authors conduct simulations for sills with thicknesses of 15 m and 25 m, adjusting their lateral extents to correspond with estimated magma injection volumes. Thermodynamic calculations at pressures between 150-300 MPa are utilized to establish a relationship between temperature and melt fraction, revealing significant decreases in melt fraction as temperatures drop from the liquidus to approximately 1150 °C and again below 950 °C. Additionally, the study parametrizes the relationship between temperature and the molar volume of excess fluids at a fixed pressure of 100 MPa, providing a comprehensive understanding of the thermal dynamics within the magma system. Further details on the model’s input parameters are available in the supplementary materials.
Results
In this study, the authors simulate the thermal evolution of magma at a depth of 4 km, focusing on episodes of unrest at the CFc volcano from the 1950s to the present. By employing geodetic inversion data, they model magma injection scenarios to estimate the physical state of magma and internal overpressure within the shallow reservoir. The results indicate that the magma at this depth is fluid-saturated, containing up to 4 wt.% H₂O, and that the volume of eruptible magma varies significantly with the thickness of the magma injections. Specifically, they estimate that between $60 \times 10^6$ and $80 \times 10^6$ m³ of eruptible magma is present today if the injection thickness is 25 m, while significantly less would be available at 15 m thickness.
The authors also analyze the deflation period from 1984 to 2005, finding that the volume of excess fluids in the reservoir during this time could account for the observed deflation, suggesting that their calculations are robust within an order of magnitude. They highlight the importance of considering both shallow and deeper sources of gas emissions, particularly the increase in the CO₂/H₂O ratio, which indicates contributions from deeper CO₂-rich fluids. This interaction may lead to additional complexities in magma crystallization and fluid release, suggesting that the volume of excess fluids could be underestimated in their model. Overall, the findings underscore the dynamic nature of the magma reservoir and its implications for volcanic activity and gas emissions.
Discussion
In this section, the authors discuss the mechanisms behind the overpressurization of a magma reservoir and its temporal evolution, particularly in the context of recent volcanic unrest. They model magma injection at a rate of \(8 \times 10^6 \, \text{m}^3/\text{y}\) from 2015, revealing that the overpressure generated is influenced by factors such as magma input rate, crustal viscosity, reservoir size, and magma compressibility. Their thermal modeling indicates that the magma reservoir’s volume is expected to increase from \(240 \times 10^6 \, \text{m}^3\) to \(250 \times 10^6 \, \text{m}^3\) over a decade, suggesting that the current overpressure exceeds the tensile strength of the surrounding rocks, potentially leading to fracturing and magma propagation.
The authors identify three critical timescales governing the pressurization of the reservoir: the timescale of magma injection (\(\tau_{\text{in}}\)), cooling timescale (\(\tau_{\text{cool}}\)), and Maxwell relaxation timescale (\(\tau_{\text{relax}}\)). Their calculations show that even under conservative assumptions, the reservoir remains critically over-pressurized, consistent with seismic activity patterns observed since 2019. They conclude that while the reservoir may not be optimally sized for an eruption, the ongoing magma accumulation and the development of fractures in the crust could facilitate future volcanic activity, emphasizing the importance of monitoring these fractures to assess eruption potential.