Analisi geofisiche e modellizzazioni numeriche per caratterizzare le dinamiche eruttive e di fianco del Mt. Etna

Mount Etna, one of the world’s most active volcanoes, has been the subject of this Ph.D. thesis, that focuses on three fundamental aspects, each shedding light on different aspects of the volcano’s complex behavior. The first part of the thesis work involves a long-term investigation of repeating earthquakes and ground deformation measurements along the Pernicana fault. A dataset of repeating earthquakes which occurred between 2000 and 2019 along the transtensive Pernicana fault system has been used to investigate the fault structure and the triggering mechanisms of the seismicity. By grouping the repeating earthquakes into families and integrating seismic and ground deformation data, four distinct portions of the fault have been identified. Each portion shows a different behavior in terms of seismicity, repeating earthquakes, and ground deformation, which can be attributed to structural differences including a segmentation of the fault plane at depth. The recurrence intervals of repeating earthquake families display a low degree of regularity, suggesting an episodic triggering mechanism, such as magma intrusion, rather than displacement under constant stress. The second part of the research explores the intricate relationship between the volcanic activity and the dynamics of the volcano’s flanks. The 2018 eruption of Mt. Etna represents a remarkable case study, as it was characterized by a violent onset on 24 December, originating from a ~2-km-long fissure, opened on the southeastern flank of the volcano, a sudden acceleration of the eastern flank of the volcano, and a violent earthquake that stroked the Fiandaca fault. This eruption lasted for a couple of days, emitting a dense ash-rich plume and lava flows in the Valle del Bove. Despite the intense seismicity and ground deformation, the magma volume that erupted was relatively small, estimated at just a few million cubic meters. This study uses a 3D Mixed Boundary Element Method to model the complex interplay between summit magma intrusion and the subsequent flank movements. This method allowed to investigate the simultaneous occurrence of coeval opening and shear displacements associated with the magma intrusion feeding the eruption. This study highlights the role of the Fiandaca fault, which had previously been locked, in releasing accumulated stress over time. Additionally, the Pernicana fault was found to passively respond to the volcanic activity. The third part of the thesis work focuses on the influence of topographic changes on infrasound data. Infrasound signals are used to investigate and monitor active volcanoes during eruptive and degassing activity. Infrasound amplitude information has been used to estimate eruptive parameters such as plume height, magma discharge rate, and lava fountain height. Active volcanoes are characterized by pronounced topography and, during eruptive activity, the topography can change rapidly, affecting the observed infrasound amplitudes. While the interaction of infrasonic signals with topography has been widely investigated over the past decade, there has been limited work on the impact of changing topography on the infrasonic amplitudes. In this thesis, the infrasonic signals accompanying 57 lava fountain paroxysms at Mt. Etna during 2021 were analyzed. In particular, the temporal and spatial variations of the infrasound amplitudes were investigated. During 2021, significant changes in the topography around the South-East Crater at Mt. Etna took place and were reconstructed in detail using high resolution imagery from unoccupied aerial system surveys. Through analysis of the observed infrasound signals and numerical simulations of the acoustic wavefield, it is possible to demonstrate that the observed spatial and temporal variation in the infrasound signal amplitudes can largely be explained by the combined effects of changes in the location of the acoustic source and changes in the near-vent topography, together with source acoustic amplitude variations. The results of the analysis demonstrate the importance of accurate source locations and high-resolution topographic information, particularly in the near-vent region where the topography is most likely to change rapidly and illustrate that changing topography should be considered when interpreting local infrasound observations over long time scales. Throughout the thesis, it becomes apparent that different data sources and a multiparametric approach are essential for a more profound understanding of Mt. Etna volcano-tectonic processes. The integration of data from seismology, GNSS, InSAR, infrasound, and other disciplines, coupled with various methodologies, enriches the comprehension of the volcano’s intricate dynamics. In conclusion, the holistic view of this Ph.D. thesis reinforces the idea that scientific research, backed by comprehensive data and methodological versatility, is pivotal for mitigating volcanic risks and ensuring the safety and well-being of people living around the volcano.

L’Etna, uno dei vulcani più attivi al mondo, è stato oggetto di questa tesi di dottorato, che si concentra su tre aspetti fondamentali, ciascuno dei quali indaga diversi aspetti del complesso comportamento del vulcano. La prima parte del lavoro di tesi si basa su un’indagine a lungo termine di terremoti ripetitivi e dati di deformazione del suolo lungo la faglia Pernicana. È stato usato un set di terremoti ripetitivi avvenuti tra il 2000 e il 2019 per indagare la struttura della faglia e i meccanismi che provocano la sismicità. Raggruppando i terremoti ripetitivi in famiglie ed integrando i dati sismici e di deformazione del suolo, sono state identificate quattro diverse porzioni della faglia. Ogni porzione mostra un diverso comportamento in termini di sismicità, terremoti ripetitivi e deformazione del suolo, che può essere attribuito a differenze strutturali e ad una segmentazione del piano di faglia in profondità. Gli intervalli di ricorrenza delle famiglie di terremoti mostrano un basso grado di regolarità, suggerendo un meccanismo di accadimento episodico, come ad esempio l’intrusione di magma, piuttosto che uno spostamento della faglia dovuto ad uno stress costante. La seconda parte della ricerca esplora la complessa relazione tra l’attività vulcanica e la dinamica di fianco del vulcano. L’eruzione del 2018 dell’Etna rappresenta un importante caso studio, in quanto è stata caratterizzata da un violento inizio la mattina del 24 dicembre, che ha avuto origine da una faglia lunga 2 chilometri, aperta sul fianco sud-orientale del vulcano; da un improvviso acceleramento del fianco orientale del vulcano; e da un violento terremoto che ha colpito la faglia Fiandaca. Questa eruzione, durata un paio di giorni, ha emesso una densa colonna di cenere e flussi di lava nella Valle del Bove. In questo studio è stato usato un metodo 3D Mixed Boundary Element per modellare la complessa interazione tra l’intrusione di magma e i successivi movimenti del fianco del vulcano. Inoltre, grazie a questo metodo è stato possibile investigare l’occorrenza simultanea di aperture e spostamenti di taglio associati all’intrusione di magma che alimentava l’eruzione. Questo studio mette in evidenza il ruolo della faglia Fiandaca, che era rimasta bloccata per anni, nel rilasciare lo stress accumulato nel tempo. Inoltre, si è visto come la faglia Pernicana ha risposto passivamente all’attività vulcanica. La terza parte del lavoro di tesi approfondisce l’influenza dei cambiamenti topografici sui dati infrasonici. I segnali infrasonici vengono utilizzati per indagare e monitorare i vulcani attivi durante l’attività eruttiva e di degassamento. Le informazioni sull’ampiezza dei segnali infrasonici sono state utilizzate per stimare parametri eruttivi come l’altezza della colonna eruttiva, il tasso di emissione del magma e l’altezza della fontana di lava. I vulcani attivi sono caratterizzati da una topografia pronunciata e, durante l’attività eruttiva, la topografia può cambiare rapidamente, influenzando l’ampiezza dei segnali infrasonici osservati. Sebbene l’interazione tra i segnali infrasonici e la topografia sia stata ampiamente studiata negli ultimi anni, pochi lavori si sono occupati dell’impatto dei cambiamenti topografici sull’ampiezza dei segnali infrasonici. In questa tesi, sono stati analizzati i segnali infrasonici che hanno accompagnato 57 fontane di lava all’Etna nel 2021. In particolare, sono state investigate le variazioni temporali e spaziali delle ampiezze infrasoniche. Nel corso del 2021, si sono verificati significativi cambiamenti nella topografia del cratere di Sud-Est dell’Etna, i quali sono stati ricostruiti in dettaglio usando immagini ad alta risoluzione derivanti da droni. Attraverso l’analisi dei segnali infrasonici osservati e simulazioni numeriche del campo delle onde acustiche, si dimostra che le variazioni spaziali e temporali osservate nelle ampiezze dei segnali infrasonici possono essere in gran parte spiegate dagli effetti combinati dei cambiamenti nella posizione della sorgente acustica e dei cambiamenti della topografia vicina al cratere, oltre che dalle variazioni dell’ampiezza acustica della sorgente. I risultati dell’analisi evidenziano l’importanza di localizzazioni accurate della sorgente e informazioni topografiche ad alta risoluzione, soprattutto nell’area vicina al cratere dove la topografia è più suscettibile a rapidi cambiamenti, e mostrano che i cambiamenti topografici dovrebbero essere considerati quando si interpretano le osservazioni infrasoniche locali su scale di tempo lunghe. Nell’arco dell’intera tesi, diventa evidente che diverse fonti di dati e un approccio multiparametrico sono essenziali per una comprensione più approfondita dell’Etna. L’integrazione di dati provenienti dalla sismologia, dai GNSS, dall’InSAR, dall’infrasuono e da altre discipline, accoppiata all’uso di diverse metodologie, arricchisce la comprensione della complessa dinamica del vulcano. In conclusione, la visione olistica di questa tesi di dottorato rafforza l’idea che la ricerca scientifica, supportata da dati esaustivi e versatilità metodologica, sia fondamentale per mitigare i rischi vulcanici e garantire la sicurezza e il benessere delle persone che vivono intorno al vulcano.