Causes and consequences of deposit-derived pyroclastic density currents
Descrizione
Le correnti di densità piroclastiche (PDC) derivate da depositi si originano dall’instabilità gravitazionale di depositi vulcanoclastici incandescenti (10⁴–10⁷ m³), propagandosi per diversi chilometri dall’area sorgente e depositandosi a temperature molto elevate. Questi fenomeni rappresentano un potenziale pericolo per le comunità che vivono nei pressi dei vulcani e per i turisti.
Il presente progetto si propone di identificare i meccanismi di collasso e la reologia delle PDC derivate da depositi. Queste informazioni saranno fondamentali per mitigare il rischio associato a tali fenomeni sia nel breve che nel lungo termine, contribuendo all’interpretazione dei dati di monitoraggio dei vulcani attivi e alla corretta pianificazione territoriale nelle aree circostanti.
Come casi studio sono stati selezionati i vulcani Stromboli e Vesuvio (Italia), entrambi recentemente interessati da PDC derivate da depositi (Stromboli nel 1930 e 1944, Vesuvio nel 1944).
L’approccio metodologico del progetto prevede sia la caratterizzazione geomeccanica e petrografica classica delle rocce vulcaniche, sia l’analisi della variazione della resistenza della roccia ad alta temperatura, considerando le modificazioni dovute ai diversi gradi di saldatura del deposito incandescente, nonché le variazioni di porosità e cristallinità dei materiali.
Verranno progettati esperimenti di deformazione ad alta temperatura (T > 1100 °C) per studiare la reologia della miscela multifase (fuso, cristalli, pori). Gli esperimenti analizzeranno il comportamento reologico dalla deformazione omogenea a quella non omogenea, quest’ultima caratterizzata dalla localizzazione della deformazione nel campo viscoso e/o fragile. L’analisi delle curve di flusso ottenute permetterà di definire la resistenza uniassiale ad alta temperatura (ovvero la transizione da comportamento viscoso a fragile) del materiale studiato, nonché il suo indebolimento in risposta alla formazione di bande di taglio e alla deformazione duttile.
I depositi delle PDC verranno analizzati attraverso indagini di campo e studi geomorfologici. I rilievi in situ nelle aree di studio forniranno vincoli sul trasporto e sulla deposizione dei flussi. L’analisi geomorfologica, condotta mediante modelli digitali del terreno a differenti risoluzioni, permetterà di individuare sia le aree di distacco sia le zone di accumulo delle PDC derivate da depositi.
Per identificare i parametri che influenzano maggiormente la stabilità dei depositi vulcanoclastici, verranno condotte analisi di stabilità dei versanti in due e tre dimensioni, considerando la variazione dell’inclinazione del pendio e dell’angolo di base, la stratigrafia meccanica, la spinta magmatica o la sovrappressione dell’edificio vulcanico, il sovraccarico del pendio e gli effetti perturbatori dovuti a esplosioni o al rilascio di stress.
Per comprendere meglio la dinamica di questi fenomeni e quantificarne il potenziale impatto (in termini di area invasa, velocità, spessore e pressione dinamica), verranno inoltre effettuate simulazioni numeriche, integrando i risultati delle analisi dei dati raccolti durante le indagini di campo e lo studio geomorfologico.
Finalità
Le PDC derivate da depositi rappresentano un potenziale pericolo per le comunità prossime ai vulcani e per i turisti. Per migliorare la valutazione del rischio associato a questi fenomeni è necessario approfondire la comprensione del collasso dei materiali incandescenti, considerando il ruolo e l’effetto di fattori litologici (granulometria, grado di saldatura del materiale), topografici (pendenze del substrato, angolo di accumulo), e dei fattori scatenanti (gravità, spinta magmatica).
Se ben compresi, anche attraverso l’uso di tecniche avanzate di analisi e modellizzazione numerica, tutti questi fattori possono essere monitorati in modo efficace, consentendo di anticipare il collasso del materiale incandescente e lo sviluppo di valanghe ardenti. La ricostruzione di mappe di invasione, fondamentali per l’analisi del rischio, si basa su modelli di propagazione di flussi granulari, che permettono di stimare parametri di impatto quali velocità, spessore, temperatura e pressione dinamica delle PDC. Tuttavia, studi di questo tipo richiedono una caratterizzazione dettagliata dei depositi (area, volume, tessitura, struttura, granulometria) e, quando possibile, l’osservazione diretta degli eventi. Quest’ultima, supportata da reti di monitoraggio multiparametriche, permette di vincolare con maggiore precisione i processi di innesco, distacco, trasporto e deposizione. In particolare, la velocità di rilascio del materiale durante la formazione delle PDC derivate da depositi è un parametro chiave per comprenderne l’impatto (es. Risica et al., 2022), così come i processi di erosione e accrescimento volumetrico (es. Bernard et al., 2014).
Tutto ciò rende necessario un approccio più ampio allo studio del collasso del materiale vulcanico incandescente, come quello proposto in questo progetto, che prevede la caratterizzazione dei depositi accumulati fino allo studio degli impatti delle PDC derivate da depositi, attraverso indagini di campo, analisi di laboratorio, dati di monitoraggio e modelli numerici.
Risultati attesi
Il progetto si concentrerà sullo sviluppo di un approccio intergato per valutare il collasso di depositi vulcanoclastici di nuova formazione, ancora caldi, e la propagazione delle correnti piroclastiche derivate dal loro cedimento. Verrà posta particolare attenzione sia ai fattori predisponenti e ai meccanismi di innesco responsabili del cedimento dei depositi caldi, sia alla reologia dei flussi granulari generati, al fine di produrre mappe di intensità dei fenomeni, considerando la vasta variabilità dei processi coinvolti.
I PDC di origine deposizionale a Stromboli sono un fenomeno ricorrente, spesso associato ai parossismi stromboliani. In 143 anni, dal 1879 al 2022, si sono verificati almeno 36 parossismi, con una media di uno ogni 4 anni (Bevilacqua et al., 2020). La maggior parte, se non tutti, hanno prodotto PDC confinati nella Sciara del Fuoco. Due o tre di essi hanno generato PDC di origine deposizionale che si sono estesi al di fuori della Sciara del Fuoco, corrispondenti al 6-8% dei parossismi totali. Questo implica un tasso medio di ricorrenza di 50-65 anni per un fenomeno di elevata pericolosità.
L’obiettivo finale del progetto è lo sviluppo di procedure per l’applicazione operativa dell’approccio utilizzato nella gestione del rischio nelle aree potenzialmente soggette a questi fenomeni. Il prodotto finale del progetto sarà un manuale di buone pratiche/operativo, volto a spiegare l’uso pratico degli strumenti e dei risultati del progetto al personale degli osservatori vulcanologici e alle autorità di protezione civile. Inoltre, la metodologia sviluppata potrà essere applicata ad altri casi studio, sia in Italia (ad esempio, Etna) che a livello globale.
Stato dell’arte
L’instabilità gravitazionale dei materiali depositati durante l’attività eruttiva, sia che si tratti del collasso del bordo craterico o del cedimento di depositi incandescenti sui fianchi dei coni vulcanici, genera solitamente valanghe ardenti. Questo fenomeno ibrido presenta caratteristiche intermedie tra le correnti di densità piroclastiche (PDC) e le frane di rocce. Le PDC derivate da depositi sono molto più comuni di quanto ipotizzato fino a qualche decennio fa (Davies et al., 1978; Nairn e Self, 1978) e il crescente numero di osservazioni negli ultimi anni ha dimostrato che si tratta di eventi piuttosto frequenti nei vulcani a composizione mafica-intermedia, caratterizzati da elevati gradienti di pendenza. Valanghe di materiale incandescente sono state riportate per il vulcano Fuego in Guatemala (Davies et al., 1978; Risica et al., 2022), per l’eruzione del 1975 del vulcano Ngauruhoe in Nuova Zelanda (Nairn e Self, 1978) e per l’Etna nel 2014 (Andronico et al., 2018). Depositi associati a questi fenomeni sono presenti sui fianchi dell’Arenal (Costa Rica; Cole et al., 2005), del vulcano Shin-Fuji (Giappone; Yamamoto et al., 2005), del vulcano Asama (Giappone; Yasui e Koyaguchi, 2004) e del vulcano Tungurahua (Ecuador; Kelfoun et al., 2009).
PDC derivate da depositi si sono verificate a Stromboli (Italia) durante l’attività parossistica del 1930 (Rittmann, 1931; Di Roberto et al., 2014), quando piccoli flussi di materiale piroclastico incandescente si propagarono lungo il fianco settentrionale all’interno della Valle del Vallonazzo, raggiungendo il centro abitato di Stromboli e causando vittime. Ancora più rilevante è l’evento del 3 giugno 2018 al vulcano Fuego, che ha causato oltre 400 vittime. Indipendentemente dal meccanismo di innesco, questi eventi coinvolgono volumi relativamente piccoli (da decine di migliaia a decine di milioni di metri cubi), ma possono percorrere diversi chilometri dall’area sorgente e si depositano a temperature molto elevate (Davies et al., 1978; Nairn e Self, 1978; Hazlett et al., 1991; Yamamoto et al., 2005; Di Roberto et al., 2014; Risica et al., 2022; Andronico et al., 2018).
In generale, nei vulcani caratterizzati da magmi mafici-intermedi, si possono distinguere due tipologie di PDC derivate da depositi:
– quelle innescate da intrusioni di dicchi, propagazione di magma o, più raramente, esplosioni (Cole et al., 2005; Calvari et al., 2016; Di Traglia et al., 2022; Andronico et al., 2018);
– quelle generate dal collasso di materiale incandescente depositato sui fianchi del vulcano (Di Roberto et al., 2014; Risica et al., 2022).
Il materiale vulcanoclastico incoerente può collassare semplicemente per il superamento dell’angolo di attrito oppure per meccanismi non ancora del tutto compresi, come lo scalzamento basale o il sovraccarico del pendio dovuto a PDC o colate laviche.
Riferimento: PRIN 2022 PNRR – Codice progetto P20222BP7J – CUP F53D23012340001
Investimento totale del progetto: 239,413 €
Partner/proponente: Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Università degli Studi Roma Tre – Dipartimento di Scienze, Università degli Studi di Firenze – Dipartimento di Scienze della Terra
Coordinatore dell’UdR Università degli Studi Roma Tre: Prof. Alessandro Vona
