Campi Flegrei: analisi sollevamento del suolo e della sismicità nel periodo 2000-2020

ROMA – Nel periodo 2000-2020 sono stati riconosciuti e misurati, attraverso i dati acquisiti dal Sistema di Posizionamento Globale (GPS) e dalla rete sismica, due andamenti sovrapposti del sollevamento del suolo e della sismicità nell’area dei Campi Flegrei: una accelerazione su scala decennale e oscillazioni periodiche.
Questi i risultati dello studio “Data analysis of the unsteadily accelerating GPS and seismic records at Campi Flegrei caldera from 2000 to 2020”, recentemente pubblicato sulla rivista ‘Scientific Reports’ di Nature condotto da un team di ricercatori dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV), della Scuola Normale Superiore di Pisa e delle Università di Buffalo, Tufts e Penn State (USA).
La caldera dei Campi Flegrei è interessata, fin dagli anni ‘50, da significativi movimenti del suolo, fra cui il lento sollevamento tuttora in corso da quasi vent’anni. Questo fenomeno è chiamato bradisismo ed è caratterizzato da una sequenza di episodi di deformazione accompagnati da incrementi nell’attività sismica.
L’obiettivo dello studio è stato quello di comprendere la rapidità del fenomeno bradisismico e la sua possibile evoluzione. Inoltre, gli scienziati hanno indagato la presenza di fenomeni di periodicità negli episodi di deformazione del suolo e della sismicità più intensa.

A tal fine i ricercatori hanno analizzato matematicamente la velocità e l’accelerazione del sollevamento del suolo della caldera, il numero degli eventi sismici e la loro energia cumulativa anche comparando i dati registrati nel periodo 1983-2000 con quelli registrati nel periodo 2000-2020. Questa analisi ha permesso il riconoscimento di due andamenti temporali sovrapposti: una accelerazione su scala decennale e oscillazioni ricorrenti di varia frequenza.

“Le nostre analisi“, spiega Flora Giudicepietro, ricercatrice dell’Osservatorio Vesuviano dell’INGV e coautrice dello studio, “mostrano un aumento della velocità del sollevamento del suolo e un aumento della frequenza di accadimento dei terremoti a partire dal 2005. Il 90-97% del loro incremento è stato registrato dopo il 2011 e il 40-80% dopo il 2018. Il sollevamento del suolo sta tuttora proseguendo e nel mese di ottobre 2022 presso la stazione del Rione Terra di Pozzuoli lo spostamento verticale rispetto ai valori  registrati nel 2005 ha raggiunto circa 100 cm, così come riportato nei Bollettini periodicamente emessi dall’Osservatorio Vesuviano”.

Un ulteriore risultato dello studio ha riguardato i tempi di ricorrenza delle oscillazioni periodiche dei segnali.

“Le velocità registrate presentano oscillazioni coerenti fra i segnali di sollevamento e il numero degli eventi sismici”, spiega Andrea Bevilacqua, ricercatore della Sezione di Pisa dell’INGV e primo autore dello studio. “Abbiamo osservato sette principali picchi di oscillazione a partire dal 2000, uno ogni 2,8-3,5 anni circa, con oscillazioni secondarie circa a metà di questi intervalli. Dai segnali si è individuato anche un ciclo di periodo più lungo, pari a 6,5-9 anni”.

Lo studio di dettaglio dell’accelerazione su scala decennale ha permesso anche stime ulteriori.
“Per poter stimare le proprietà dell’accelerazione su scala decennale, abbiamo applicato un modello rappresentativo della dinamica che conduce alla rottura nei materiali elastici fragili sottoposti a uno sforzo costante”, continua Andrea Bevilacqua. “Questo ci ha permesso di calcolare dei tempi limite teorici per questa accelerazione, potenzialmente rappresentativi di uno stato critico del sistema, nell’ordine di 10 o 20 anni a seconda che si considerino rispettivamente i dati dell’attività sismica o quelli di deformazione del suolo. È importante sottolineare che il modello è valido nell’ipotesi che gli andamenti osservati negli ultimi due decenni proseguano in futuro nello stesso modo”.

“La stima dell’accelerazione decennale registrata dal 2005″, conclude Augusto Neri, ricercatore dell’INGV e coautore dello studio. “è un aspetto particolarmente rilevante emerso dall’analisi. È bene chiarire che i limiti temporali stimati non corrispondono a probabilità assolute dell’accadimento di eventi eruttivi a causa della natura semplificata del modello adottato e, soprattutto, perché l’accelerazione decennale finora osservata nei dati potrebbe modificarsi nel futuro, sia rallentando che accelerando maggiormente. I risultati dello studio rappresentano comunque un ulteriore stimolo a mantenere alta la guardia sull’evoluzione futura della caldera Flegrea”.

La ricerca pubblicata ha una valenza essenzialmente scientifica, priva al momento di immediate implicazioni in merito agli aspetti di protezione civile.

Link: https://www.nature.com/articles/s41598-022-23628-5

Citazione dello studio:
Bevilacqua, A., De Martino, P., Giudicepietro, F., Ricciolino, P., Patra, A., Pitman, E. B., Bursik, M., Voight, B., Flandoli, F., Macedonio, G., & Neri, A. (2022). Data analysis of the unsteadily accelerating GPS and seismic records at Campi Flegrei caldera from 2000 to 2020. Scientific reports, 12(1), 1-24, doi: 10.1038/s41598-022-23628-5.

Abstract
Ongoing resurgence affects Campi Flegrei caldera (Italy) via bradyseism, i.e. a series of ground deformation episodes accompanied by increases in shallow seismicity. In this study, we perform a mathematical analysis of the GPS and seismic data in the instrumental catalogs from 2000 to 2020, and a comparison of them to the preceding data from 1983 to 1999. We clearly identify and characterize two overlying trends, i.e. a decennial-like acceleration and cyclic oscillations with various periods. In particular, we show that all the signals have been accelerating since 2005, and 90–97% of their increase has occurred since 2011, 40–80% since 2018. Nevertheless, the seismic and ground deformation signals evolved differently—the seismic count increased faster than the GPS data since 2011, and even more so since 2015, growing faster than an exponential function The ground deformation has a linearized rate slope, i.e. acceleration, of 0.6 cm/yr² and 0.3 cm/yr² from 2000 to 2020, respectively for the vertical (RITE GPS) and the horizontal (ACAE GPS) components. In addition, all annual rates show alternating speed-ups and slow-downs, consistent between the signals. We find seven major rate maxima since 2000, one every 2.8–3.5 years, with secondary maxima at fractions of the intervals. A cycle with longer period of 6.5–9 years is also identified. Finally, we apply the probabilistic failure forecast method, a nonlinear regression that calculates the theoretical time limit of the signals going to infinity (interpreted here as a critical state potentially reached by the volcano), conditional on the continuation of the observed nonlinear accelerations. Since 2000, we perform a retrospective analysis of the temporal evolution of these forecasts which highlight the periods of more intense acceleration. The failure forecast method applied on the seismic count from 2001 to 2020 produces upper time limits of [0, 3, 11] years (corresponding to the 5th, 50th and 95th percentiles, respectively), significantly shorter than those based on the GPS data, e.g. [0, 6, 21] years. Such estimates, only valid under the model assumption of continuation of the ongoing decennial-like acceleration, warn to keep the guard up on the future evolution of Campi Flegrei caldera.