Misteri del vulcano Masaya, due fonti di magma nascoste sotto la superficie

Il vulcano Masaya, situato in Nicaragua a soli venti chilometri a sud-est dalla capitale Managua, rappresenta da sempre uno dei teatri geologici più affascinanti e al contempo monitorati del pianeta. Famoso per i suoi molteplici crateri e per il suo spettacolare lago di lava incandescente insediato all’interno del cratere Santiago, questo gigante di roccia racchiude nelle sue profondità un comportamento ben più complesso di quanto ipotizzato in passato.

Una recente e dettagliata indagine scientifica condotta dai ricercatori della Penn State University, i cui risultati sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica Geophysical Research Letters, ha gettato nuova luce sul sistema magmatico sotterraneo di questa struttura. Attraverso l’uso di avanzate tecnologie di rilevamento satellitare, gli studiosi hanno individuato la presenza di due distinte sorgenti magmatiche attive sotto il vulcano. Questa scoperta aiuta a comprendere come la roccia fusa si muova sotto terra e fornisce uno strumento prezioso per valutare i rischi legati alle future eruzioni vulcaniche.

Un gigante attivo a due passi da due milioni di persone

Per comprendere l’importanza di questi studi non occorre essere geologi professionisti. Il Masaya è una caldera vulcanica, ossia una grande depressione circolare formatasi in seguito al crollo del terreno avvenuto migliaia di anni fa a causa dello svuotamento di una vasta camera magmatica. All’interno di questa struttura si trovano diversi crateri sovrapposti.

La particolarità del Masaya risiede nella sua vicinanza ad aree fortemente popolate:

• Circa due milioni di persone risiedono entro un raggio di appena 21 chilometri dal vulcano.

• Il complesso è sede del primo parco nazionale del Nicaragua, istituito nel 1979, ed è una tra le mete turistiche più visitate dell’America Centrale.

• Nonostante l’ultima colata lavica di grandi dimensioni risalga al 1772, il vulcano manifesta un degassamento costante.

Il fenomeno del degassamento vulcanico comporta il continuo rilascio nell’atmosfera di anidride solforosa, un gas acre e potenzialmente dannoso per la salute umana e per le coltivazioni. Quando il magma risale vicino alla superficie, la pressione diminuisce e i gas disciolti nella roccia fusa si liberano nell’aria. Monitorare questi gas e le deformazioni del suolo è fondamentale per distinguere la normale attività di routine da segnali premonitori di una possibile attività eruttiva imminente.

Radiografia da remoto, come i satelliti vedono la Terra respirare

Come è possibile osservare cosa accade a chilometri di profondità senza scavare all’interno del vulcano? La risposta risiede nell’impiego della tecnologia spaziale. Per sei anni, dal 2018 al 2024, il team di ricerca ha analizzato le rilevazioni eseguite dal satellite Sentinel-1 dell’Agenzia Spaziale Europea.

Il metodo utilizzato è denominato InSAR, acronimo di Interferometria Radar ad Apertura Sintetica. Il satellite invia impulsi a microonde verso il suolo e misura il tempo impiegato dal segnale per ritornare indietro. Confrontando le immagini acquisite a distanza di giorni o anni, gli scienziati sono in grado di calcolare spostamenti verticali del terreno nell’ordine di pochissimi millimetri.

Questo sistema presenta enormi vantaggi:

• I segnali radar attraversano senza difficoltà le nuvole, elemento cruciale nelle regioni a clima tropicale come il Nicaragua, spesso coperte da fitte nubi.

• Permette di monitorare l’evoluzione di un’intera regione senza doversi affidare unicamente a stazioni GPS a terra, che in alcune zone possono essere scarse o soggette a guasti.

Quando un serbatoio di magma sotterraneo si riempie di nuova roccia fusa, la pressione aumenta e spinge verso l’alto la crosta terrestre, generando un fenomeno chiamato rigonfiamento o inflazione. Al contrario, quando il magma defluisce, si sposta o perde gas, la pressione diminuisce e il terreno sovrastante tende a sprofondare, dando luogo a un fenomeno noto come deflazione.

Due serbatoi sotterranei che si muovono in direzioni opposte

L’analisi dei dati raccolti dal satellite Sentinel-1 ha evidenziato un comportamento inatteso e privo di una spiegazione semplice secondo i vecchi modelli. Durante i sei anni di osservazione, diverse porzioni del vulcano si sono mosse in direzioni opposte:

1. Tra il 2018 e la metà del 2022, il terreno situato nella zona centrale della caldera di Masaya, a nord del cratere principale, ha mostrato un progressivo sprofondamento.

2. A partire dalla metà del 2022 e fino al 2024, la medesima area ha invertito il proprio movimento, iniziando a sollevarsi gradualmente. Questo cambio di rotta indica che nuovo magma ha iniziato ad affluire da zone più profonde per ricaricare la camera magmatica principale.

3. Contemporaneamente, il settore direttamente circostante il cratere Santiago e il lago di lava ha continuato a sprofondare in modo ininterrotto per l’intero arco temporale compreso tra il 2018 e il 2024.

Questo comportamento sfalsato prova l’esistenza di un sistema a due livelli:

• Un serbatoio magmatico principale, profondo, collocato sotto il centro della caldera.

• Un secondo serbatoio più superficiale, posizionato esattamente sotto il cratere attivo, soggetto a uno svuotamento costante o a una perdita continua di gas e fluidi.

Prospettive per la prevenzione dei rischi vulcanici

Sebbene i dati attuali non indichino un pericolo imminente per le popolazioni che vivono attorno al vulcano, la scoperta di questa architettura a doppio serbatoio trasforma la comprensione del Masaya. Sapere che esistono due sorgenti distinte consente ai vulcanologi di affinare i modelli matematici di simulazione.

Identificare la normale attività di fondo del vulcano permette di cogliere tempestivamente eventuali anomalie, migliorando i sistemi di allerta precoce a tutela della sicurezza pubblica. Inoltre, le dinamiche individuate al Masaya presentano forti analogie con quelle di altri celebri vulcani basaltici dotati di lago di lava, come il Kilauea alle Hawaii, rendendo questa ricerca una pietra di paragone valida su scala globale.

Approfondimenti tecnici e parametri modellistici della ricerca

I dati tecnici dettagliati estratti dalla pubblicazione scientifica ufficiale forniscono i valori quantitativi dei modelli geodetici elaborati per descrivere il sistema magmatico del Masaya.

Parametri satellitari e serie temporali InSAR

L’analisi è stata condotta elaborando le immagini acquisite dal radar in banda C (lunghezza d’onda di circa 5,6 cm) del satellite Sentinel-1.

• Finestra temporale: Da gennaio 2018 a febbraio 2024.

• Processamento: Il software GAMMA è stato impiegato per la creazione degli interferogrammi, combinato con il modello digitale di elevazione TanDEM-X con risoluzione spaziale di 12 metri per la rimozione della componente topografica.

• Analisi temporale: L’estrazione dei punti di riflettività coerenti nel tempo è stata effettuata mediante l’algoritmo StaMPS/MTI (Stanford Method for Persistent Scatterers).

• Punto di riferimento geodetico: La regione di riferimento stabile (assunta a deformazione nulla) si trova a sud del cono vulcanico, centrata alle coordinate di latitudine $11.9707^{\circ}$ N e longitudine $-86.1602^{\circ}$ W.

Risultati della modellazione geodetica del serbatoio principale (Masaya Central Reservoir – MCR)

Per modellare la sorgente di pressione sferica all’interno di un semispazio elastico omogeneo, i ricercatori hanno adottato un modello analitico di sorgente puntiforme secondo la formulazione matematica di Mogi. La stima dei parametri è stata effettuata tramite l’algoritmo di inversione non lineare Neighborhood Algorithm.

• Posizione orizzontale e profondità: Il centro del serbatoio magmatico principale è localizzato approssimativamente al centro della caldera, a latitudine $11.998^{\circ}$ N, longitudine $-86.163^{\circ}$ W e ad una profondità stimata di circa $3.200\text{ m}$.

• Primo Periodo (gennaio 2018 – metà 2022): Durante questa fase si è registrata una deflazione con uno spostamento lungo la linea di vista (LOS) verso il basso/allontanamento dal satellite di circa $3\text{ cm}$ a nord del cratere Santiago. La variazione di volume modellata per la sorgente di Mogi corrisponde a $\Delta V \approx -1,3 \times 10^{6}\text{ m}^{3}$.

• Secondo Periodo (metà 2022 – febbraio 2024): Si è verificata un’inversione di tendenza verso l’inflazione, con un tasso di spostamento LOS verso il satellite di circa $4\text{ mm/anno}$. L’inversione geodetica indica un incremento volumetrico pari a $\Delta V \approx 4,5 \times 10^{5}\text{ m}^{3}$.

• Analisi estesa (2024 – aprile 2026): Ulteriori simulazioni basate sull’estensione della serie temporale stimano un ulteriore accumulo volumetrico di circa $1,6 \times 10^{6}\text{ m}^{3}$. I confronti con le crisi eruttive precedenti suggeriscono che per riattivare un’intensa attività effusiva o la ricomparsa stabile del lago di lava potrebbe essere necessario un accumulo volumetrico cumulativo prossimo a $4,0 \times 10^{6}\text{ m}^{3}$.

Modellazione del serbatoio superficiale sotto il cratere Santiago

La componente residua del segnale geodetico ha rivelato un secondo pattern deformativo, localizzato esclusivamente nell’area circostante il cratere attivo.

• Posizione orizzontale e profondità: La sorgente superficiale è stata posizionata a latitudine $11.983^{\circ}$ N, longitudine $-86.169^{\circ}$ W, ad una profondità di appena $200\text{ m}$ al di sotto della superficie craterica.

• Comportamento e variazioni volumetriche: A differenza della camera profonda, questo serbatoio superficiale ha mostrato un costante stato di deflazione lungo tutto il periodo d’esame:

  • Per il periodo 2018–2022, la perdita di volume stimata è stata di $\Delta V \approx -4.000\text{ m}^{3}$.

  • Per il periodo 2022–2024, il modello indica un ulteriore decremento volumetrico pari a $\Delta V \approx -6.000\text{ m}^{3}$.

Comparazione con l’architettura magmatica del vulcano Kilauea

La configurazione a due livelli geometrici rilevata al vulcano Masaya mostra spiccate somiglianze con la struttura di alimentazione del vulcano Kilauea alle Hawaii:

• Entrambi i sistemi vulcanici basaltici presentano una camera magmatica principale situata a una profondità intermedia compresa tra $3\text{ km}$ e $4\text{ km}$.

• Entrambi possiedono un condotto idraulico o serbatoio altamente superficiale collocato entro il primo chilometro di profondità ($<1\text{ km}$), direttamente connesso alle condotte di degassamento e alla formazione intermittente di laghi di lava.

Traduzione abstract. La disponibilità dello studio completo, in accesso libero o riservato, è verificabile tramite il link del DOI nel box sotto se disponibile.

Abstract

Analizziamo e modelliamo la deformazione del terreno presso il vulcano Masaya, in Nicaragua, utilizzando serie temporali di radar ad apertura sintetica interferometrica (InSAR) di Sentinel-1 che coprono il periodo da gennaio 2018 a febbraio 2024. Le serie temporali mostrano che il serbatoio centrale di Masaya (MCR) ha subito uno spostamento di circa 3 cm lungo la linea di vista (LOS) dal satellite a nord del cratere Santiago dal 2018 a metà del 2022 (Periodo 1), seguito da un movimento verso il satellite da metà del 2022 al 2024 (Periodo 2), interpretato come inflazione dell’MCR dovuta a un nuovo apporto di magma dalle profondità. Utilizzando un modello a sorgente puntiforme (modello “Mogi”), le nostre inversioni geodetiche identificano una posizione preferenziale della sorgente approssimativamente al centro della caldera di Masaya, a una profondità di circa 3.200 m, e una variazione di volume di circa -1,3 × 10⁻⁶. ⁶ M ³ nel Periodo 1 e ∼4,5 × 10 ⁵ M ³ Nel Periodo 2. Per tutto il periodo 2018-2024, l’area intorno al cratere attivo di Santiago ha mostrato un movimento costante in allontanamento dal satellite, attribuito a un secondo bacino idrico più superficiale in fase di svuotamento, situato a circa 200 metri di profondità.

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