Le eruzioni dell’Etna rivelano che l’anidride carbonica e l’acqua possono innescare percorsi esplosivi separati.

I sistemi di alimentazione dei vulcani sono vasti e complessi. Ma non sono uniformi, nemmeno all’interno dello stesso vulcano. Una collaborazione guidata dalla Cornell University ha individuato meccanismi molto diversi alla base di due eruzioni storiche dell’Etna, in Italia. Comprendere queste dinamiche, unitamente alle tecniche che le hanno rivelate, può aiutare i geologi a valutare il rischio di future eruzioni.

I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Geochemistry, Geophysics, Geosystems . Il primo autore è Maxim Gavrilenko, ex ricercatore post-dottorato.

Il progetto è stato guidato da Esteban Gazel, professore titolare della cattedra Charles N. Mellowes presso il Dipartimento di Scienze della Terra e dell’Atmosfera del Duffield College of Engineering della Cornell University, la cui ricerca esplora il funzionamento dei vulcani, in particolare cosa rende un’eruzione esplosiva e quali sono i meccanismi che la controllano.

L’esplosività è determinata da una serie di fattori, dalla viscosità del magma ai volatili – o gas di separazione – che sono intrappolati al suo interno.

“Immaginate una bottiglia di bibita gassata. Se la aprite senza agitarla, potete berla, ma se la agitate, tutte le bollicine si separano molto rapidamente e si verifica un’esplosione”, ha spiegato Gazel. “I vulcani funzionano in modo simile e il mio laboratorio sta cercando di quantificare questi processi.”

Sostanze volatili, CO₂ e nuove tecniche

Le sostanze volatili più importanti sono l’acqua e l’anidride carbonica. Per lungo tempo, la comunità geologica ha ritenuto che l’acqua fosse la principale sostanza volatile responsabile delle eruzioni vulcaniche, ma nel 2023 il gruppo di Gazel ha dimostrato che anche l’anidride carbonica può innescare eruzioni esplosive. I ricercatori hanno fatto questa scoperta grazie a un nuovo metodo che utilizza la spettroscopia Raman per analizzare i cristalli formatisi nel magma e misurare le minuscole bolle di dimensioni micrometriche , che hanno uno spessore pari all’1-10% di quello di un capello umano.

“Questa tecnica ci fornisce la densità della CO₂ _e , utilizzando un’equazione di stato, possiamo trasformare quella densità in pressione, e la pressione può essere trasformata in profondità”, ha affermato Gavrilenko. “Applichiamo quindi queste tecniche a queste eruzioni esplosive e siamo in grado di ricostruire il sistema di condotti con una precisione senza precedenti.”

L’Etna come laboratorio naturale

Nella speranza di studiare un sistema semplificato che coinvolga principalmente sostanze volatili, i ricercatori hanno scelto l’Etna, che, per essere un vulcano, è un gigante relativamente tranquillo. Tuttavia, in passato ha avuto diverse esplosioni aggressive. Una delle più grandi registrate risale al 122 a.C.: si trattava di un’eruzione ” mafica “, con magma a bassa viscosità ricco di magnesio e ferro, e pliniana, la categoria di eruzioni più esplosiva, che prende il nome da Plinio il Vecchio, il quale le descrisse per la prima volta in occasione dell’eruzione del Vesuvio nel 79 d.C.

I collaboratori e coautori Terry Plank della Columbia University e Bruce Houghton dell’Università delle Hawaii a Manoa si sono recati sull’Etna e hanno condotto un campionamento sistematico sul campo. Dopo aver sequenziato e misurato i cristalli di magma, i ricercatori hanno determinato che nell’eruzione del 122 a.C., il magma proveniente da una profondità di circa 22 km si è lentamente fatto strada verso la superficie, ma si è fermato per diverse settimane a una profondità compresa tra 2 e 5 km, dove ha gradualmente rilasciato gas prima di eruttare.

Confronto tra due antiche eruzioni

Il team ha raccolto nuovi dati e ha confrontato i risultati con quelli di campioni provenienti da un’eruzione precedente, nota come evento Fall Stratified, avvenuta quasi 4.000 anni fa. In quel caso, il magma era risalito rapidamente da un livello più profondo del mantello , a circa 24-30 km di profondità, ed era eruttato nel giro di poche ore, spinto da una concentrazione di CO₂ molto più _elevata .

“Alcuni vulcani sono caratterizzati solo da elevate concentrazioni di CO₂ _, soprattutto nelle isole oceaniche, mentre altri sono controllati principalmente dall’acqua, come quelli nelle zone di subduzione. L’Etna è uno dei pochi vulcani al mondo in cui queste due specie volatili competono tra loro”, ha affermato Gazel. “Questo dimostra che, superata una certa soglia di CO₂ _, l’eruzione si verifica in profondità ed è molto rapida, mentre con una maggiore concentrazione di acqua, il processo eruttivo è controllato a livelli superficiali.”

Applicazioni globali e risonanza mitica

Il team di Gazel sta ora applicando il suo metodo ai vulcani in Cile, alle Hawaii e in molte altre località.

“Idealmente, questo dovrebbe essere fatto per ogni vulcano del pianeta”, ha affermato. “Questi sono i dati di cui abbiamo bisogno per i modelli fisici delle eruzioni, che sono alla base della valutazione del rischio.”

L’Etna non è solo un banco di prova ideale per analizzare le complesse dinamiche del comportamento vulcanico; Gazel ne apprezza anche il significato nella mitologia greca, dove è noto come luogo di sepoltura dei giganti Tifone ed Encelado, sconfitti dagli dei dell’Olimpo.

“Potrebbero esserci due mostri mitologici giganti sotto l’Etna”, ha detto Gazel. “E se si osserva il sistema di condotti dell’eruzione pliniana, assomiglia a Tifone, perché è allungato e sinuoso, e l’altro è Encelado, perché è più piccolo. Se lavori sull’Etna, è difficile non essere in qualche modo legati alla storia, al lavoro classico e all’ottima cucina.”

Abstract

Le eruzioni basaltiche pliniane mettono alla prova la nostra comprensione del vulcanismo esplosivo. L’eruzione pliniana dell’Etna del 122 a.C. è tra gli eventi esplosivi mafici più potenti conosciuti. In questo studio, combiniamo la barometria dei volatili del 122 a.C. ricavata da inclusioni fluide e fusi ospitati nell’olivina con dati comparativi dell’eruzione sub-pliniana Fall Stratified dell’Etna (3930 BP) per valutare le profondità di accumulo e i percorsi di degassamento che governano gli stili eruttivi esplosivi. I nostri risultati indicano che l’accumulo di magma del 122 a.C. è iniziato in profondità (circa 22 km) all’interno del sistema di alimentazione dell’Etna, ha avuto una complessa storia di risalita ed è stato infine immagazzinato pre-eruttivo a livelli superficiali (circa 2-5 km) per un minimo di circa 3 settimane, con conseguenti bassi contenuti di H₂O (circa 2% in peso) e CO₂ ₍ ≤500 ppm in inclusioni di fuso prive di bolle) in equilibrio. L’evento Fall Stratified, al contrario, registra un accumulo più profondo (circa 24-30 km), un elevato contenuto di volatili magmatici (concentrazioni di CO₂ fino a 9600 ppm, concentrazioni di H₂O _fino al 6,3% in peso) e tassi di risalita del magma eccezionalmente rapidi (17,5 m/s). Proponiamo che l’eruzione del 122 a.C. sia probabilmente il risultato di molteplici episodi di rifornimento da parte di magma basaltico con una concentrazione di CO₂ molto inferiore. ₂ concentrazione (<4.500 ppm) rispetto a quella dell’evento Fall Stratified. L’eruzione è stata probabilmente innescata da un aumento della viscosità effettiva del magma dovuto a un’estesa cristallizzazione di microliti a livelli superficiali, che ha causato un evento di vescicolazione secondaria. Questo meccanismo contrasta con le eruzioni derivate dal mantello come l’evento Fall Stratified, dove si ritiene che l’essoluzione di volatili in profondità, controllata dalla CO₂ _, sia alla base dell’eruzione.

Riassunto in linguaggio semplice

Le eruzioni vulcaniche altamente esplosive sono tipicamente associate a magmi ad alto contenuto di silice, ma in rare occasioni anche magmi basaltici a basso contenuto di silice possono generare eruzioni violente. Uno degli esempi più significativi noti è l’eruzione dell’Etna del 122 a.C. In questo studio, analizziamo minuscole sacche di magma fuso e fluido intrappolati all’interno di cristalli per determinare dove il magma si trovava prima dell’eruzione e per chiarire come si è spostato verso la superficie. Abbiamo scoperto che il magma del 122 a.C. è risalito dalle profondità della Terra, per poi fermarsi e rilasciare lentamente gas a basse profondità per almeno diverse settimane prima dell’eruzione. Durante questo periodo, si sono formati piccoli cristalli, aumentando la viscosità del magma e consentendo l’accumulo di gas, che ha infine portato a un’eruzione esplosiva. Questo comportamento contrasta nettamente con un’altra eruzione esplosiva dell’Etna, l’evento Fall Stratified, in cui il magma è risalito molto rapidamente da livelli più profondi perché conteneva quantità insolitamente elevate di gas. I nostri risultati dimostrano che le violente eruzioni basaltiche possono verificarsi attraverso processi diversi. Riconoscere queste differenze è importante per comprendere il comportamento vulcanico e per migliorare la valutazione del rischio nei vulcani attivi.

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