Segnali infrasonici e dinamica del magma al Mt. Etna: analisi acustica e multiparametrica per lo studio del sistema di alimentazione superficiale

This PhD thesis aims to investigate the shallow portion of the feeding system of Mount Etna, focusing in particular on the role of infrasonic signals as a tool for interpreting the volcano’s internal and shallow dynamics. Infrasound, indeed, thanks to its sensitivity to variations in conduit geometry and to the position of the magma free surface, can provide valuable information on the interconnection between the summit craters and on the temporal variations of magmatic processes occurring within the upper portions of the plumbing system. For this reason, the infrasonic signals produced during 51 lava fountain episodes that occurred between 2011 and 2015 and the particular phenomenon of infrasonic gliding recorded between May and June 2022 were analyzed. The first part of the thesis introduces the general principles of volcanic monitoring, illustrating the main techniques used (from seismology to geodesy, from thermal and geochemical observations to gravimetric and magnetic methods) and focusing particularly on infrasonic signals, their generation mechanisms, and the potential they offer for interpreting eruptive processes. A geological and volcanological framework of Mount Etna is then presented, including a description of the fault systems, the morphological evolution, and the recent eruptive activity, elements essential to understanding the context in which the analyzed infrasonic signals are produced. The following chapters illustrate the data and methodologies adopted: the techniques used to identify the events, spectral analysis through Fourier Transform and pseudospectrograms, source localization methods, and source modeling. Special attention is given to acoustic resonance models, both analytical and numerical, which allow linking the frequency of infrasonic signals to the geometry of the conduits and to the magma level within them. The infrasonic and seismic stations used for the analyses are also described. The subsequent two chapters present the results of the research carried out during the PhD. The infrasonic analyses show that the events originating from the Northeast Crater exhibit spectral variations that are temporally correlated with the lava fountains of the Voragine and Southeast Craters. This time relationship indicates that the spectral changes observed at the Northeast Crater reflect variations in the feeding system during the paroxysms of the other craters, thereby revealing the interconnection among the summit conduits. The observed variations are also consistent with an acoustic resonance model, suggesting that the changes in frequency are linked to variations in the level of the magma free surface within the conduit. The following chapter deals with the infrasonic gliding phenomenon recorded in 2022 at the Southeast Crater, characterized by a progressive frequency variation and the presence of multiple harmonics. Through inversion and modeling techniques, including cylindrical and conical-frustum geometries, as well as analytical and numerical methods, it was possible to reconstruct the crater geometry and estimate the temporal evolution of the magma level during the episode. The study shows that gliding can be interpreted as the acoustic resonance response of the conduit–crater system during magma transfer events, revealing internal dynamics that are not directly observable with other methods. Overall, the thesis demonstrates that infrasonic signals represent a powerful tool for analyzing the shallow dynamics of Etna’s feeding system. They make it possible to identify interconnections among the summit conduits, to track temporal variations in magma level, and to recognize complex dynamic phenomena such as gliding. The conclusions highlight that the integration of infrasonic data, seismic observations, and physical modeling provides fundamental information for understanding and monitoring volcanic activity, while also contributing to improving forecasting capabilities in volcanology.

Questo lavoro di tesi ha l’obiettivo di investigare la parte superficiale del sistema di alimentazione del Monte Etna, concentrandosi in particolare sul ruolo dei segnali infrasonici come strumento di interpretazione delle dinamiche interne e superficiali del vulcano. Infatti, l’infrasuono, grazie alla sua sensibilità alle variazioni della geometria dei condotti e alla posizione della superficie libera del magma, può fornire informazioni preziose sull’interconnessione fra i crateri sommitali e sulle variazioni temporali dei processi magmatici che avvengono nelle porzioni sommitali del plumbing system. Per questo motivo sono stati analizzati sia i segnali infrasonici prodotti durante 51 episodi di fontane di lava avvenuti tra il 2011 e il 2015, sia il particolare fenomeno di gliding infrasonico registrato tra maggio e giugno 2022. La prima parte della tesi introduce i principi generali del monitoraggio vulcanico, illustrando le principali tecniche utilizzate (dalla sismologia alla geodesia, dalle osservazioni termiche e geochimiche ai metodi gravimetrici e magnetici) e soffermandosi in particolare sui segnali infrasonici, sui loro meccanismi di generazione e sulle potenzialità che offrono per l’interpretazione dei processi eruttivi. Successivamente, viene presentato un quadro geologico e vulcanologico del Monte Etna, con una descrizione dei sistemi di faglie, dell’evoluzione morfologica e dell’attività eruttiva recente, elementi indispensabili per comprendere il contesto nel quale i segnali infrasonici analizzati vengono generati. Nei capitoli successivi della tesi vengono illustrati i dati e le metodologie adottate: le tecniche con cui sono stati identificati gli eventi, l’analisi spettrale tramite Trasformata di Fourier e pseudospettrogrammi, i metodi di localizzazione delle sorgenti infrasoniche, e la modellazione delle stesse. Per quest’ultima, particolare attenzione è riservata ai modelli di risonanza acustica, sia analitici sia numerici, che consentono di collegare la frequenza dei segnali infrasonici alla geometria dei condotti e al livello del magma al loro interno. Si descrivono inoltre le stazioni utilizzate, sia infrasoniche sia sismiche. Quindi i due capitoli successivi mostrano i risultati delle ricerche eseguite nell’ambito del dottorato di ricerca. Le analisi infrasoniche mostrano che gli eventi provenienti dal Cratere di Nord-Est presentano variazioni spettrali temporalmente correlate alle fontane di lava dei crateri Voragine e Sud-Est. Questa correlazione indica che le modifiche spettrali del Cratere di Nord-Est riflettono le variazioni del sistema di alimentazione durante i parossismi degli altri crateri, rivelando così l’interconnessione tra i condotti sommitali. Le variazioni osservate sono inoltre coerenti con un modello di risonanza acustica, suggerendo che i cambiamenti di frequenza sono legati alle variazioni del livello della superficie libera del magma nel condotto. Il capitolo successivo tratta del fenomeno di gliding infrasonico registrato nel 2022 al Cratere di Sud-Est, caratterizzato da una progressiva variazione della frequenza e dalla presenza di armoniche multiple. Attraverso tecniche di inversione e modellazione, che includono geometrie cilindriche e tronco-coniche, metodi analitici e numerici, è stato possibile ricostruire la geometria del cratere e stimare l’evoluzione temporale del livello del magma durante l’episodio. Lo studio mostra come il gliding possa essere interpretato come la risposta in termini di risonanza acustica del sistema condotto-cratere durante eventi di trasferimento di magma, rivelando dinamiche interne non direttamente osservabili con altri metodi. Nel complesso, la tesi dimostra che i segnali infrasonici rappresentano un potente strumento per analizzare le dinamiche superficiali del sistema di alimentazione dell’Etna. Essi permettono di identificare interconnessioni fra i condotti sommitali, di seguire nel tempo le variazioni del livello del magma e di riconoscere fenomeni dinamici complessi come il gliding. Le conclusioni indicano che l’integrazione tra dati infrasonici, sismici e modelli fisici consente di ricavare informazioni fondamentali per comprendere e monitorare l’attività del vulcano, contribuendo anche al miglioramento delle capacità previsionali in ambito vulcanologico.