Cosa si potrebbe fare per monitorare e comprendere meglio l'evoluzione delle faglie dell'Etna?Monitoraggio e analisi della deformazione superficiale tramite tecniche geodetiche e topografiche comparate. Caso studio del versante orientale del vulcano Etna.

The volcano - tectonic domains represent complex systems within the framework of geodynamic models studied by the international scientific community. We define these systems as complex because they represent the interaction between regional tectonic processes related to the geodynamics of the area and the volcanic processes generated by the dynamics of the volcano complex system. In these domains it is in fact necessary to define: i) the tectonic domain, ii) the current dynamics (tectonic-regional and volcanic process induced, iii) the main structural features of tectonic origin, iv) the main structural elements of volcanic origin and v) determine a model of relationship between regional and volcanic tectonic processes. In the active geological processes, the kinematic and mechanical behaviour of the geological body affected by deformation is extremely variable and depends on various factors that interfere in the process (geometric and physical variability of the geomechanical parameters, thermal disturbances, internal structure, water content, etc.) but in particular the deformation follows a process that has geodynamics as its origin, which is the source of the forces that translate into a regional and local stress. The role of the scientific community is to analyse this process in both directions: from the deformation to the source and vice versa, in order to be able to understand through criteria and mechanical physics law, how and when the complex system develops. The multidisciplinary approach is obviously the one that can best fulfil this system. The main goal is to obtain the knowledge of the mode and the velocity of deformation of the geological body affected by active geological processes. Therefore it is essential to identify the crucial points where to observe these dynamics in order to distinguish the main deformation systems from the associated ones and to evaluate the hierarchy of structures. Since 2014, the research group of the GEODynamics & GEOMatic Laboratory of the University of Catania, as part of a multidisciplinary project oriented to the study of active geological structures, has identified natural open-air laboratories where deformation phenomena could be recorded, analysed and modelled at different space-time scales. Nowadays, these laboratories have been identified in the areas of the mud volcanoes present in Sicily, along the coseismic shear zones of the Umbro-Marchigiano Apennines, in the interseismic extensional domain of southern Calabria and along the active shear zones of the eastern flank of the Etna volcanic complex. In particular, the orientation of the research group is to respond to the main criteria and models of deformations of geological body with elastic and plastic behaviour, concentrating in particular on the terminal areas of the discontinuities where most of the concentration of the stresses occurs and trying to detect the deformation by discriminating the main structures from those associated with them. The first structure of the Etna volcanic laboratory that the research group identified to start the experimentation is the shear system of San Gregorio - Acitrezza, which for its peculiar characteristics and development represents the ideal prototype for the study in progress. This structure, in fact, develops along the southern edge of the portion of the eastern slope of Etna considered unstable, and is made up of right lateral kinematic shear segments with associated extensional structures and aseismic creep deformation mode, which affect the inhabited centres of San Gregorio and Acitrezza. After a detailed morphostructural, geological-structural survey accompanied by geophysical investigations, the GEOD & GEOM Lab research group designed the first network of the "Etna Laboratory" for discrete geodetic-topographical monitoring of deformation along the active shear zones present on the volcano. Geodetic-topographic benchmarks have been installed to record their precise coordinates, between the shear zone of San Gregorio – Acitrezza Fault, through campaigns measurement. After that, this network has been extended to almost all the shear structures on the eastern flank of the volcano, called UNICT-Net. From several decades, one of the most sophisticated and multi-specialist monitoring systems in the world has already created on the Etna volcanic complex by the INGV-OE (National Institute of Geophysics and Volcanology - Etna Observatory). The idea of the GEOD & GEOM laboratory is therefore to concentrate the monitoring and analysis of deformation on the behaviour of the shear zones by integrating and without overlapping the existing monitoring network. Currently the permanent and discrete geodetic network ideated, installed and managed by the INGV allows to store, analyse and model the information of the ongoing deformation processes, making it possible to discriminate the distinct volcano tectonic phases that occur during eruptive cycles, seismic crises and everything that can be classified as an "active geological process". Since 2019, the GEODynamics & GEOMatic Laboratory of the University of Catania started to collaborate with the Laboratoire de Géologie de École Normale Supérieure in Paris and with the INGV-OE of Catania in order to improve the research methods and share data related to campaign and permanent GNSS registrations, which integrated with those of the GEODynamics & GEOMatic Laboratory of the University of Catania will serve to structure a more complete database for the research object. In this Ph.D. thesis, the time series developed by GNSS registrations on the benchmarks of the UNICT-Net network (2014 - 2020) and on the benchmarks of the ETNA@NET network managed by the INGV-OE will be analysed together with the time series of Permanent Scatters (PS) obtained through P-SBAS (2016 - 2019) tool. The deformation of the south-eastern sector of the unstable flank of Etna will be analysed in order to obtain with maximum resolution the deformation scenario acting in the area with particular attention to the faults already known in literature, including Belpasso-Ognina Lineament, Tremestieri-San Gregorio-Acitrezza Fault, Trecastagni Fault and Fiandaca-Nizzeti Fault. All this in order to discriminate the behaviour of each fault in relation to the deformation that involves them based to the elastic or plastic response of the layer involved. Another aspect is to analyse for each fault the offset that it generates through PS time series in order to outline the stress state to which the structure was subjected during the period analysed. The final objective of the thesis is to provide useful information to improve the monitoring of the above mentioned structures through the creation of new permanent GNSS stations in the most useful sites in order to improve the current state of knowledge on some structures on the unstable side of Mount Etna, as well as on their kinematic, rheological behaviour in relation to the substrate of Mount Etna.

I domini vulcano – tettonici rappresentano sistemi complessi nel quadro dei modelli geodinamici studiati dalla comunità scientifica internazionale. Tali sistemi li definiamo complessi perché rappresentano l’interazione tra i processi tettonici regionali legati alla geodinamica dell’area e quelli vulcanici generati dalle dinamiche del sistema geotermico. In tali domini occorre infatti definire in ordine il dominio tettonico, le dinamiche in atto (tettonico-regionali e indotte dal processo vulcanico), i principali lineamenti strutturali di origine tettonica, i principali elementi strutturali di origine vulcanica ed infine determinare un modello di relazione tra i processi tettonici regionali e quelli vulcanici. Nei processi geologici attivi il comportamento cinematico e meccanico delle “geomasse” interessate da deformazione è estremamente variabile e dipende da diversi fattori che interferiscono nel processo (variabilità geometrica e fisica del mezzo geomeccanico interessato, perturbazioni termiche, struttura interna, contenuto in acqua ecc.) ma soprattutto il processo deformativo segue un percorso che ha come origine la geodinamica ossia la sorgente delle forze che si traduce in un campo di sforzi regionale e locale. Il compito della comunità scientifica è quello di analizzare questo percorso nei due sensi: dalla deformazione alla sorgente e viceversa, in modo da riuscire a comprendere attraverso criteri e leggi della fisica meccanica come e quando il complesso sistema si sviluppa. L’approccio multidisciplinare è evidentemente quello che può meglio assolvere a questo sistema. Il principale anello di congiunzione di questo percorso è costituito dalla conoscenza dei modi e velocità di deformazione delle geomasse interessate da processi geologici attivi, ed è quindi fondamentale individuare i punti cruciali ove poter osservare tali dinamiche in modo da distinguere i sistemi di deformazione principali da quelli associati e valutare la gerarchia delle strutture. Dal 2014 Il gruppo di ricerca del GEODynamics & GEOMatic Laboratory dell’Università degli Studi di Catania, nell’ambito di un progetto multidisciplinare orientato allo studio e comportamento di strutture geologiche attive, ha individuato dei laboratori naturali a cielo aperto, dove si potessero registrare, analizzare e modellizzare i fenomeni deformativi a differenti scale spazio-temporali. Allo stato attuale tali laboratori sono stati individuati nell’aree dei vulcani di fango presenti in Sicilia, lungo le zone di taglio cosismiche dell’Appennino umbro marchigiano, nel dominio estensionale intersismico della Calabria meridionale e lungo le zone di taglio attive del versante orientale del complesso vulcanico etneo. In particolare l’orientamento del gruppo di ricerca è quello di rispondere ai principali criteri e modelli di deformazioni delle geomasse a comportamento elastico e plastico, concentrandosi in particolar modo sulle aree terminali delle discontinuità dove si ha la maggior parte della concentrazione degli sforzi e cercando di rilevare la deformazione discriminando le strutture principali da quelle ad esse associate. La prima struttura del laboratorio vulcanico etneo che il gruppo di ricerca ha individuato per iniziare la sperimentazione è il sistema di taglio denominato San Gregorio Acitrezza, che per le sue peculiari caratteristiche e sviluppo rappresenta il prototipo ideale per lo studio in atto. Tale struttura si sviluppa lungo il margine meridionale della porzione del versante orientale dell’Etna considerato “instabile”, ed è costituita da segmenti di taglio a cinematica trascorrente destra con associate strutture estensionali e modo di deformazione di tipo creep asismico, che interessano i centri abitati di San Gregorio e Acitrezza. Previa un dettagliato rilievo morfostrutturale, geologico-strutturale accompagnato da indagini geofisiche, il gruppo di ricerca del GEOD & GEOM Lab ha progettato la prima rete del “Laboratorio Etna” di monitoraggio discreto geodetico-topografico della deformazione lungo le zone di taglio attive presenti sul vulcano. Sono stati installati dei punti geodetico-topografici che consentissero, attraverso campagne di misura discrete, di registrare le coordinate precise di tali punti disposti a cavallo della zona di taglio denominata San Gregorio -Acitrezza. La rete così generata ha dato origine ad una più vasta rete, estesa a quasi tutte le strutture di taglio presenti sul versante orientale del vulcano, denominata UNICT-NET. Esiste già da diversi decenni nell’area del complesso vulcanico etneo un sistema di monitoraggio tra i più sofisticati e multi specialistico al mondo, l’idea quindi del laboratorio è quella di concentrare il monitoraggio e l’analisi della deformazione al comportamento delle zone di taglio integrando e senza sovrapporsi all’esistente rete di monitoraggio. Attualmente la rete geodetica permanente e discreta creata installata e gestita dall’INGV consente di archiviare, analizzare e modellizzare informazioni sui processi di deformazione in atto, consentendo di discriminare le distinte fasi vulcano tettoniche che si susseguono durante i cicli eruttivi, le crisi simiche e tutto ciò che può essere classificato come “processo geologico attivo”. Dal 2019 il GEODynamics & GEOMatic Laboratory dell’Università degli Studi di Catania ha stipulato un accordo di collaborazione internazionale con l’École Normale Supérieure di Parigi e l’Istituto Nazionale Geofisica e Vulcanologia – Osservatorio Etneo al fine di approfondire i metodi di ricerca e condividere i dati relativi alle registrazioni GNSS discrete e permanenti, che integrati a quelli in possesso del GEODynamics & GEOMatic Laboratory dell’Università degli Studi di Catania serviranno a strutturare un database più completo per l’oggetto della ricerca. In questa tesi di dottorato verranno analizzate le serie temporali sviluppate dalle registrazioni GNSS sui capisaldi della rete UNICT-Net (2014 – 2020) e sui capisaldi della rete ETNA@NET gestita dall’Istituto Nazione di Geofisica e Vulcanologia – Osservatorio Etneo (INGV-OE) insieme alle serie temporali dei Permanent Scatter ottenute tramite P-SBAS (2016 – 2019). Verrà analizzata la deformazione del settore sudorientale del fianco instabile dell’Etna per ottenere con la massima risoluzione il quadro deformativo agente nell’area con particolare attenzione alle faglie già note in letteratura, tra cui la Belpasso-Ognina Lineament, la Tremestieri-San Gregorio-Acitrezza Fault, Trecastagni Fault e la Fiandaca-Nizzeti Fault. Tutto ciò al fine di discriminare il comportamento di ogni faglia in relazione alla deformazione che le coinvolge in relazione alla risposta elastica o plastica della layer coinvolto. Un altro aspetto è quello di analizzare per ogni faglia l’offset che la stessa genera tramite serie temporali PS InSar al fine di delineare lo stato di sforzo a cui è stata sottoposta la struttura nel periodo analizzato. L’obiettivo finale della tesi è quello di fornire informazioni utili per migliorare il monitoraggio delle strutture suddette tramite la realizzazione di nuove stazioni GNSS permanenti nei siti più utili per approfondire lo stato di conoscenza attuale su alcune strutture sul fianco instabile dell’Etna, nonché sul loro comportamento cinematico, reologico in relazione al substrato del Monte Etna.