Дослідники зі Стенфорда пов’язали землетруси в Кампі Флегрей з тиском ґрунтових вод, а не з магмою. Керування потоком води може зменшити сейсмічний ризик у регіоні. З 2022 року південна Італія переживає дедалі інтенсивніші серіали землетрусів, що наражає на небезпеку сотні тисяч людей у ​​вулканічному регіоні Кампі Флегрей, де земля повільно піднімається та опускається. Поки чиновники продовжують зважувати плани евакуації та стратегії реагування на стихійні лиха, дослідники, можливо, визначили потенційний метод зупинити ці повторювані заворушення: управління стоком поверхневих вод або зниження рівня ґрунтових вод для зниження тиску рідини в геотермальному резервуарі. Використовуючи підземну візуалізацію та лабораторні експерименти, вчені зі Стенфорда продемонстрували, що тиск води та пари, що утримуються під Кампі Флегрей, може спричиняти землетруси, коли поверхневий шар, або покривна порода, стає герметичним. Дослідження, опубліковане в Science Advances, показало, що це накопичення тиску було відповідальним за сейсмічну активність та деформацію ґрунту як на початку 1980-х років, так і останнім часом, протягом останніх 15 років, що дозволило команді розкрити ключовий рушійний механізм. Ці результати спростовують давню думку про те, що землетруси в цьому районі спричинені магмою або газом, що піднімається на поверхню з глибших зон розплаву. Натомість дослідження показує, як поступове поповнення резервуара водою впливає на деформацію землі та зміни висоти з часом. «Щоб вирішити цю проблему, ми можемо керувати поверхневим стоком і потоком води або навіть знизити тиск, відбираючи рідини зі свердловин», – сказала старший автор дослідження Тіціана Ваноріо, доцент кафедри наук про Землю та планети в Школі сталого розвитку Стенфордського Дорра. Дослідники проаналізували повторювані закономірності та спільні характеристики зображень підземних структур та землетрусів з двох останніх періодів заворушень у Кампі Флегрей. Характеризується підняттям суші та вибухоподібним трясінням, що супроводжуються гуркотливими звуками, які стали характерною рисою для населення, і вчені підозрюють, що ця активність сигналізує про вибухи, спричинені парою, які спрацьовують, коли рідка вода швидко перетворюється на пару під час розломів, спричинених землетрусами. Дослідження включає дані про заворушення 1982-1984 та 2011-2024 років. «Ми спостерігали за деякими подіями, які відбувалися з різницею в десятиліття, але в отриманих зображеннях є глибокі подібності, які вказують не лише на циклічний характер явища, але й на спільну основну причину», – сказала співавторка дослідження Грація Де Ландро, дослідниця Неапольського університету Федеріко II, Італія, та запрошена наукова співробітниця Стенфорда. «Звідти виникла ідея працювати разом, особливо вивчаючи фізику гірських порід. Використання фізики гірських порід – єдиний спосіб дати кількісну оцінку зображенню підземних шарів». У вулканічній зоні Кампі Флегрей під містом Поццуолі, на захід від Неаполя та Везувію, знаходиться геотермальний резервуар з геологічним покриттям. За цим районом постійно ведеться спостереження з часів заворушень 1982-1984 років, коли суша піднялася більш ніж на 6 футів, а гавань Поццуолі стала настільки мілкою, що кораблі більше не могли швартуватися. Після цього землетрус магнітудою 4 бали та тисячі мікроземетрусів спричинили евакуацію 40 000 людей з Поццуолі. «Це було справжнім викликом протягом останніх трьох років. Багато будівель постраждали від безперервного трясіння, а деякі люди залишилися без житла», – сказав Ваноріо, який виріс у Поццуолі та був змушений евакуюватися у 1980-х роках. «Цей проект зараз є моєю метою як громадянина, а не лише як геофізика, тому що дослідження показує, що заворушеннями можна керувати, а не просто моніторити, що відкриває шлях до запобігання». Земля, яка «дихає» Кампі Флегрей — це кальдера завширшки 13 кілометрів, величезна западина, утворена внаслідок великих вивержень приблизно 39 000 та 15 000 років тому, які спричинили обвал поверхні Землі. Кальдера зазнає підйомів та просідань, при цьому суша піднімається та опускається, навіть без виверження. Після заворушень 1982-1984 років ця територія опустилася приблизно на 0,9 метра. Щоб відбулося просідання, з-під землі має вивільнитися маса, яка може включати магму, воду, пару та вуглекислий газ. Мешканці Поццуолі відзначають, як кальдера «дихає», виділяючи пари та рухаючи землю, іноді на кілька метрів вгору або вниз протягом короткого часу. Історично склалося так, що підняття вулканічних районів широко вважалося пов’язаним з процесами поповнення, пов’язаними з магмою, що передбачає, що магма та/або її гази є основними рушійними силами деформації, а потім землетрусів, але, згідно з результатами дослідження, це не завжди так. Хоча деякі дослідники почали досліджувати зв’язок між опадами та сейсмічністю в останнє десятиліття, дослідження уточнює, що не самі опади, а тиск, що виникає внаслідок повільного, але постійного накопичення води в герметичному резервуарі, призводить до розтріскування, а отже, і до трясіння, сказав Ваноріо. «Ми знаємо, що річна вага кількості опадів зростає протягом останніх 24 років, тому необхідно контролювати рівень накопичення ґрунтових вод у підземних шарах або забезпечувати пряме спрямування стоку води», – додав Ваноріо. Закрита система Однією з примітних особливостей Кампі Флегрей є волокниста природа покривної породи на вершині геотермального резервуара. Волокнисті матеріали використовуються в інженерії для конструкційного армування, оскільки вони можуть деформуватися, не руйнуючи негайно. Вони можуть накопичувати напругу, яка у вулканічній системі зрештою може вивільнитися через раптове виверження перегрітої води, пари та вулканічного попелу. Дослідники вивчили 24-річні схеми опадів, напрямки потоку підземних вод та процес герметизації покривної породи, щоб зрозуміти поповнення геотермального резервуара та нарощування тиску в ньому. У Лабораторії фізики гірських порід та геоматеріалів Ваноріо вони продемонстрували, як тріщини в покривній породі герметизуються завдяки взаємодії мінералів породи з гідротермальною водою та парою. Щоб перевірити характеристики покривної породи, автори дослідження провели експерименти, використовуючи гідротермальну посудину, яка функціонує як інструмент, знайомий багатьом італійцям: мока-пот або кавоварка для еспресо на плиті. Вони заповнили нижню камеру розсолом, а верхню — вулканічним попелом та подрібненим камінням, типовим для Кампі Флегрей, потім нагріли посудину до температури, що спостерігається в геотермальному резервуарі. Протягом дня утворилися мінеральні волокна, а тріщини в шарі породи швидко загерметизувалися шляхом цементації. Це створює замкнену систему, яка дозволяє тиску рідини наростати, доки вона не розтрощить навколишню породу. Розтріскування внаслідок землетрусів спричиняє раптове падіння тиску рідини, коли рідка вода спалахує, перетворюючись на пару та виривається назовні. «Це створює вибухові сплески та гуркіт, типові для цієї місцевості», – сказав Ваноріо. Дослідники застосували кілька дисциплін, щоб з’ясувати, як Кампі Флегрей функціонує як замкнена система, включаючи томографію підземних шарів, яку Де Ландро провів, використовуючи записи землетрусів для створення зображень підземних шарів, які можна аналізувати подібно до комп’ютерної томографії. «Візуалізація надр за допомогою геофізичних методів схожа на старомодний дверний дзвінок: він повідомляє нам, що хтось дзвонить у двері, але не називає, хто це. Таким чином, інтерпретацію томографічних зображень необхідно перевірити в лабораторії – саме це робить цю співпрацю між сейсмологією та фізикою гірських порід такою потужною», – сказав Ваноріо. Нова модель Аналіз томографії разом з місцем розташування та охопленням землетрусів посприяв теорії дослідників про те, що періодичні гуркіти можуть бути викликані не поповненням магми або викидом газів із системи. Під час обох епізодів неспокою землетруси почалися в межах покривної породи на відносно невеликій глибині близько 1 милі. «Після візуалізації часової еволюції землетрусів можна побачити дуже чітку закономірність – землетруси з часом поглиблюються», – сказав співавтор Тяньян Го, постдокторант із наук про Землю та планети, який об’єднав дані про землетруси з двох епізодів для візуальної інтерпретації. Якби магма або її гази, що піднімаються на менші глибини, були основною рушійною силою нестабільності, ми очікували б протилежної картини – землетрусів, що починаються ближче до глибшої області розплаву, приблизно на 5 миль нижче поверхні, і з часом поступово стають менш глибокими, за словами дослідників. Крім того, підйом магми без виверження не може пояснити просідання після нестабільності, сказав Ваноріо. Правдоподібним поясненням просідання є спостережуване викидання води та пари після розриву внаслідок сейсмічної активності, що природним чином звільняє тиск усередині резервуара. За допомогою своєї нової моделі внутрішньої роботи Кампі Флегрей дослідники сподіваються повідомити місцевим італійським урядовцям механізми, що викликають заворушення в киплячій системі. «Я називаю це ідеальною бурею геології – у вас є всі інгредієнти для виникнення бурі: пальник системи – розплавлена ​​магма, паливо в геотермальному резервуарі та кришка», – сказав Ваноріо. «Ми не можемо діяти на пальник, але в нас є сила керувати паливом. Відновлюючи водні канали, контролюючи ґрунтові води та керуючи тиском у резервуарі, ми можемо переорієнтувати науки про Землю на більш проактивний підхід – такий як профілактична медична допомога – для раннього виявлення ризиків та запобігання заворушенням до їх розгортання. Саме так наука служить суспільству».