DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-56723-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39934120
تاريخ النشر: 2025-02-11
المؤلف: Flora Giudicepietro وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات الزلازل والتكتونيات
نظرة عامة
منذ أوائل عام 2021، شهدت حوض كامبي فليغري في إيطاليا زيادة في تسلسلات الزلازل البركانية-التكتونية (VT) الغريبة التي تتميز بفترات زمنية قصيرة جداً بين الأحداث، مما يدل على زيادة النشاط البركاني الذي استمر منذ عام 2005. تتركز هذه التسلسلات، وخاصة أسراب الانفجارات، في المناطق المرتبطة بالحقل الهيدروحراري الرئيسي وشذوذ جيوديسي حيث تكون معدلات الارتفاع أبطأ من المناطق المحيطة. يرتبط هذا النشاط الزلزالي بالانفجارات الفرياتيكية ومراحل الاضطراب الحرجة التي لوحظت في أنظمة بركانية أخرى، مما يشير إلى حالة نشاط ملحوظة لحوض كامبي فليغري.
تاريخياً، شهد حوض كامبي فليغري، الذي يبلغ قطره حوالي 12 كم ويعيش فيه حوالي 500,000 نسمة، دورات من الهبوط والارتفاع، وهو ظاهرة تعرف باسم البرايديسيم. حدث الانفجار الأخير في عام 1538 ميلادي، مما أدى إلى تشكيل مونتي نوفو. منذ الخمسينيات، شهد الحوض عدة مراحل من الارتفاع، مع تسجيل تشوهات أرضية وزلازل كبيرة خلال أزمات البرايديسيم في 1969-1972 و1982-1984، مما تسبب في أضرار للبنية التحتية المحلية. يستمر الاضطراب الحالي، الذي يتميز بارتفاع قدره 1.2 متر في الحوض المركزي وزيادة النشاط الهيدروحراري، في تهديد المنطقة ذات الكثافة السكانية العالية، مما يستدعي مراقبة دقيقة للظواهر الجيولوجية المتطورة.
طرق
تشمل الطرق المستخدمة في هذه الدراسة شبكة زلازل شاملة تديرها INGV-OV، وتتكون من 27 محطة حول حوض كامبي فليغري وأربع محطات إضافية في خليج بوزولي. تستخدم معظم المحطات أجهزة قياس الزلازل ثلاثية المكونات مع معدل أخذ عينات يبلغ 100 هرتز ومسرعات عند 200 هرتز، مما يتيح نقل البيانات في الوقت الحقيقي إلى مركز الاستحواذ INGV-OV. تركز الدراسة على الأحداث الزلزالية من 2005 إلى 2024، باستخدام كتالوج من قاعدة بيانات INGV-OV، والتي تشمل الزلازل المحلية في منطقة سولفاتارا-بيسيا ريللي. تم إنشاء كتالوج زلازل خاص بالمنطقة A لتحليل تسلسلات الأحداث القصيرة، على الرغم من أن الأعداد التراكمية لجميع الزلازل في الحوض أظهرت اختلافات ضئيلة عن تلك الموجودة في المنطقة A.
بالإضافة إلى بيانات الزلازل، تتضمن الدراسة قياسات تشوه الأرض من شبكة GNSS التابعة لـ INGV-OV وبيانات DInSAR Sentinel-1. تمت معالجة بيانات GNSS يومياً باستخدام برنامج برنيس، وتمت إزالة الإشارات الموسمية للتركيز على أنماط التشوه البركاني. قدمت قياسات DInSAR، المعالجة باستخدام نهج مجموعة القاعدة الصغيرة المتوازية (P-SBAS)، رؤى حول الإزاحة الرأسية مع مرور الوقت. تم أيضاً تحليل بيانات المراقبة الجيوكيميائية، بما في ذلك قياسات تدفق CO₂ من محطة في فوهة سولفاتارا وانبعاثات CO₂ المنتشرة من منطقة أكبر، مما كشف عن زيادة كبيرة في الانبعاثات في السنوات الأخيرة. تسهل المنهجيات المطبقة في هذه الدراسة فهمًا مفصلاً للديناميات الزلزالية والجيوكيميائية لنظام كامبي فليغري البركاني.
نتائج
سجلت شبكة الزلازل INGV-OV حوالي 18,500 زلزال في منطقة كامبي فليغري من مارس 2005 إلى مايو 2024، مع أقصى قوة ($M_d$) تبلغ 4.4 ومتوسط قدره 0.26. من بين هذه الزلازل، تم تحديد حوالي 10,200 زلزال، بشكل رئيسي في منطقة بوزولي ونظام سولفاتارا-بيسيا ريللي الهيدروحراري، حيث حدث حوالي 90% من الأحداث في هذه المناطق. تشير تحليل الزلازل من 2021 إلى 2024 إلى زيادة في النشاط الزلزالي يتميز بهزات بركانية (VT)، وغالباً ما تحدث في أسراب. ومن الملاحظ أنه تم تحديد فئة جديدة من الأحداث الزلزالية تُسمى “أسراب شبيهة بالانفجارات”، تتميز بفترات زمنية قصيرة جداً بين الأحداث وأشكال موجية فوضوية، مما يعقد الفهم التقليدي لتسلسلات الزلازل.
تسلط الدراسة الضوء أيضًا على وجود ارتباط كبير بين عجز الارتفاع في شذوذ جبل أوليبانو الجيوديسي وعدد الزلازل التراكمي، مع معامل ارتباط قدره $r = 0.998$. وهذا يشير إلى وجود علاقة قوية بين النشاط الزلزالي وتشوه الأرض، خاصة في المنطقة A، حيث تقع غالبية أسراب الشبيهة بالانفجارات. تشير النتائج إلى أن الاضطراب المستمر في كامبي فليغري يتأثر بعمليات زلزالية متعددة، بما في ذلك زيادة النشاط في نظام سولفاتارا الهيدروحراري والشذوذ الجيوديسي، وكلاهما يساهم في الزلازل المسجلة وأنماط تشوه الأرض.
مناقشة
في هذه المناقشة، يقوم المؤلفون بتحليل تسلسلات الزلازل التي تتميز بفترات زمنية قصيرة جداً بين الأحداث، والتي تعتبر مؤشرات حاسمة للعمليات الهيدروحرارية والجيوديسية داخل حوض كامبي فليغري. تقع هذه التسلسلات بشكل رئيسي في المنطقة A، حيث يقع نظام سولفاتارا-بيسيا ريللي الهيدروحراري، وترتبط بشذوذ جيوديسي لوحظ منذ عام 2021. يتم تفسير النشاط الزلزالي في هذه المنطقة على أنه استجابة هشة لصخور القشرة لتراكم الضغط عند الانحناء بين الحوض المركزي المشوه بشدة والمنطقة الخارجية الأقل تشوهًا. عمق مصدر التشوه الرئيسي، الذي يُقدر بحوالي 3800 متر، لا يزال غامضًا، مع تفسيرات محتملة تشمل تراكم السوائل الماجما أو تسرب الماجما.
يربط المؤلفون بين أسراب الشبيهة بالانفجارات التي لوحظت في كامبي فليغري والظواهر الزلزالية المماثلة الموثقة في مناطق بركانية أخرى، منسوبين هذه التسلسلات إلى تقلبات سريعة في ضغط السوائل داخل النظام الهيدروحراري. يقترحون أن نظام الضغط التمددي، الناتج عن تضخم مصدر التشوه المركزي للحوض، يتفاعل مع النظام الهيدروحراري، مما قد يزيد من نفاذية الصخور ويعزز انبعاثات الغاز. تسلط الدراسة الضوء على وجود ارتباط كبير بين عجز الارتفاع في منطقة جبل أوليبانو وعدد الزلازل التراكمي، مما يشير إلى أن هذا العجز في الارتفاع يمكن أن يكون مؤشراً على سلوك القشرة غير المرن استجابةً للتشوه المستمر. بشكل عام، تؤكد النتائج على الترابط بين الأنشطة الجيوديسية والهيدروحرارية والزلازل في الحوض، مع تداعيات لفهم إمكانية حدوث انفجارات فرياتيكية في المنطقة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-56723-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39934120
Publication Date: 2025-02-11
Author(s): Flora Giudicepietro et al.
Primary Topic: earthquake and tectonic studies
Overview
Since early 2021, the Campi Flegrei caldera in Italy has experienced an increase in peculiar Volcano-Tectonic (VT) seismic sequences characterized by very short inter-event times, indicative of heightened volcanic unrest that has persisted since 2005. These sequences, particularly burst-like swarms, are concentrated in areas associated with the main hydrothermal field and a geodetic anomaly where uplift rates are slower than the surrounding regions. This seismic activity is linked to phreatic explosions and critical unrest phases observed in other volcanic systems, marking a significant state of activity for Campi Flegrei.
Historically, the Campi Flegrei caldera, which has a diameter of approximately 12 km and is home to around 500,000 residents, has undergone cycles of subsidence and uplift, a phenomenon known as bradyseism. The last eruption occurred in 1538 CE, leading to the formation of Monte Nuovo. Since the 1950s, the caldera has experienced multiple uplift phases, with significant ground deformation and seismicity recorded during the bradyseism crises of 1969-1972 and 1982-1984, causing damage to local infrastructure. The ongoing unrest, marked by a 1.2 m uplift in the central caldera and increased hydrothermal activity, continues to pose risks to the densely populated area, necessitating close monitoring of the evolving geological phenomena.
Methods
The methods employed in this study involve a comprehensive seismic network managed by INGV-OV, consisting of 27 stations around the Campi Flegrei caldera and four additional stations in the Gulf of Pozzuoli. Most stations utilize three-component broadband seismometers with a sampling rate of 100 Hz and accelerometers at 200 Hz, enabling real-time data transmission to the INGV-OV acquisition center. The study focuses on seismic events from 2005 to 2024, utilizing a catalog from the INGV-OV database, which includes localized seismicity in the Solfatara-Pisciarelli area. A specific A-zone earthquake catalog was created to analyze short inter-event sequences, although the cumulative counts of all earthquakes in the caldera showed negligible differences from those in the A-zone.
In addition to seismic data, the study incorporates ground deformation measurements from the INGV-OV GNSS network and DInSAR Sentinel-1 data. The GNSS data were processed daily using Bernese software, and seasonal signals were removed to focus on volcanic deformation patterns. The DInSAR measurements, processed using the Parallel Small Baseline Subset (P-SBAS) approach, provided insights into vertical displacement over time. Geochemical monitoring data, including CO₂ flux measurements from a station in the Solfatara crater and diffuse CO₂ emissions from a larger area, were also analyzed, revealing a significant increase in emissions in recent years. The methodologies applied in this study facilitate a detailed understanding of the seismic and geochemical dynamics of the Campi Flegrei volcanic system.
Results
The seismic network INGV-OV has recorded approximately 18,500 earthquakes in the Campi Flegrei area from March 2005 to May 2024, with a maximum magnitude ($M_d$) of 4.4 and an average of 0.26. Of these, around 10,200 earthquakes were located, predominantly in the Pozzuoli region and the Solfatara-Pisciarelli hydrothermal system, with about 90% of events occurring in these areas. The analysis of seismicity from 2021 to 2024 indicates an intensification of seismic activity characterized by volcanic tremor (VT) earthquakes, often occurring in swarms. Notably, a new category of seismic events termed “burst-like swarms” was identified, featuring very short inter-event times and chaotic waveforms, which complicate the traditional understanding of earthquake sequences.
The study also highlights a significant correlation between the uplift deficit in the Mt. Olibano geodetic anomaly and the cumulative number of earthquakes, with a correlation coefficient of $r = 0.998$. This suggests a strong relationship between seismic activity and ground deformation, particularly in zone A, where the majority of burst-like swarms are located. The findings indicate that the ongoing unrest in Campi Flegrei is influenced by multiple seismogenic processes, including increased activity in the Solfatara hydrothermal system and the geodetic anomaly, both of which contribute to the observed seismicity and ground deformation patterns.
Discussion
In this discussion, the authors analyze seismic sequences characterized by very short interevent times, which serve as critical indicators of hydrothermal and geodetic processes within the Campi Flegrei caldera. These sequences are predominantly located in zone A, where the Solfatara-Pisciarelli hydrothermal system is situated, and are associated with a geodetic anomaly observed since 2021. The seismic activity in this area is interpreted as a brittle response of the crustal rocks to stress concentration at the flexure between the highly deformed central caldera and the less deformed outer region. The depth of the primary deformation source, estimated at approximately 3800 m, remains ambiguous, with potential interpretations including magmatic fluid accumulation or magma intrusion.
The authors draw parallels between the observed burst-like swarms in Campi Flegrei and similar seismic phenomena documented in other volcanic regions, attributing these sequences to rapid fluid pressure fluctuations within the hydrothermal system. They propose that the extensional stress regime, induced by the inflation of the caldera’s central deformation source, interacts with the hydrothermal system, potentially increasing rock permeability and promoting gas emissions. The study highlights a significant correlation between the uplift deficit in the Mt. Olibano area and cumulative earthquake counts, suggesting that this uplift deficit could serve as an indicator of the inelastic behavior of the crust in response to ongoing deformation. Overall, the findings emphasize the interconnectedness of geodetic, hydrothermal, and seismic activities in the caldera, with implications for understanding the potential for phreatic eruptions in the region.