С 2022 года юг Италии сотрясают землетрясения с возрастающей интенсивностью, угрожая сотням тысяч людей, живущих на вершине вулканической зоны, известной как Кампи Флегрей, где земля испытывает медленные вертикальные движения.

Пока власти обсуждают меры реагирования на стихийные бедствия и протоколы эвакуации, исследователи, возможно, нашли способ полностью предотвратить циклические беспорядки: путем управления стоком воды или понижения уровня грунтовых вод, тем самым уменьшая давление жидкости в геотермальном резервуаре.

С помощью визуализации недр и лабораторных экспериментов ученые из Стэнфорда продемонстрировали, как нарастание давления воды и пара в резервуаре под Флегрейскими полями может привести к землетрясениям, когда покрывающая порода, или крышка, герметизируется.

Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, показывает, что повторяемость избыточного давления в резервуаре была причиной деформации и сейсмичности в начале 1980-х годов и снова за последние 15 лет, что в конечном итоге привело к выявлению основного механизма.

Результаты исследования ставят под сомнение широко распространенную теорию о том, что тряска вызвана подъемом магмы или ее газов на меньшую глубину, когда расплав из глубокой зоны расплава движется вверх в верхние недра под вулканической областью. Они также показывают, как скорость, с которой вода постепенно пополняет резервуар, влияет на скорость деформации и изменения высоты земли.

«Чтобы решить эту проблему, мы можем управлять поверхностным стоком и потоком воды или даже снизить давление, извлекая жидкости из скважин», — говорит старший автор исследования Тициана Ванорио, доцент кафедры наук о Земле и планетах в Школе устойчивого развития имени Доэрра при Стэнфордском университете.

Исследователи проанализировали повторяющиеся закономерности и общие характеристики изображений подземных структур и землетрясений, произошедших во время двух последних периодов волнений на Флегрейских полях.

Ученые подозревают, что эта активность, характеризующаяся подъемом земли и взрывоподобным сотрясением, сопровождаемая грохочущими звуками, которые стали отличительной чертой для населения, является признаком паровых взрывов, которые происходят, когда жидкая вода быстро превращается в пар во время трещин, вызванных землетрясениями. Исследование включает данные о беспорядках 1982–1984 и 2011–2024 годов.

«Мы изучаем события, произошедшие с разницей в десятилетия, но на снимках есть глубокие сходства, которые указывают не только на цикличность явления, но и на общую основную причину», — говорит соавтор исследования Грация Де Ландро, научный сотрудник из Неаполитанского университета имени Фридриха II (Италия) и приглашенный научный сотрудник Стэнфорда.

«Отсюда и возникла идея совместной работы, особенно в плане изучения физики горных пород. Использование физики горных пород — единственный способ сказать что-то количественное о визуализации недр».

Вулканическая область Кампи Флегрей содержит закрытый геотермальный резервуар под городом Поццуоли, к западу от Неаполя и Везувия. Территория постоянно контролируется с момента беспорядков в 1982–1984 годах, когда земля поднялась более чем на 6 футов, а гавань Поццуоли стала настолько мелкой, что корабли больше не могли причаливать. После этого землетрясение магнитудой 4 балла и тысячи микротрясений вызвали эвакуацию 40 000 человек из Поццуоли.

«Последние три года были настоящим испытанием. Многие здания были повреждены постоянными толчками, а у некоторых людей нет домов», — сказал Ванорио, выросший в Поццуоли и вынужденный эвакуироваться в 1980-х годах.

«Этот проект теперь является моей целью как гражданина, а не только как геофизика, потому что исследование показывает, что беспорядками можно управлять, а не просто контролировать, что открывает путь к предотвращению».

Земля, которая «дышит»

Флегрейские поля — это кальдера шириной 13 км, огромная впадина, образованная крупными извержениями около 39 000 и 15 000 лет назад, которые привели к обрушению поверхности Земли.

Кальдера испытывает подъем и опускание, при этом земля поднимается и опускается, даже без извержения. После волнений в 1982–1984 годах область опустилась примерно на 3 фута. Для того, чтобы произошло опускание, из-под поверхности должна высвободиться масса, которая может включать магму, воду, пар и углекислый газ.

Жители Поццуоли отмечают, что кальдера «дышит», выделяя пары и перемещая грунт, иногда на несколько метров вверх или вниз за короткое время.

Исторически считалось, что подъем в вулканических районах связан с процессами заполнения, связанными с магмой, что предполагает, что магма и/или ее газы являются основными движущими силами деформации и последующих землетрясений, однако, согласно результатам исследования, это не всегда так.

Хотя некоторые исследователи начали изучать связь между осадками и сейсмичностью в последнее десятилетие, исследование проясняет, что не сами осадки, а давление, возникающее в результате медленного, но постоянного накопления воды в герметичном резервуаре, приводит к образованию трещин и, как следствие, к сотрясениям, сказал Ванорио.

«Мы знаем, что годовые колебания количества осадков увеличиваются за последние 24 года, поэтому необходимо контролировать уровень грунтовых вод, накапливающихся в недрах, или обеспечивать прямое направление стока воды », — добавил Ванорио.

Закрытая система

Одной из примечательных особенностей Кампи Флегрей является волокнистая природа покрывающей породы на вершине геотермального резервуара. Волокнистые материалы используются в инженерии для структурного армирования, поскольку они могут деформироваться без немедленного разрушения. Они могут накапливать напряжение, которое в вулканической системе в конечном итоге может быть высвобождено посредством внезапного извержения перегретой воды, пара и вулканического пепла.

Исследователи изучили 24-летние модели распределения осадков, направления подземного потока воды и процесс уплотнения покрышки, чтобы понять пополнение геотермального резервуара и рост его давления. В лаборатории физики горных пород и геоматериалов Ванорио они продемонстрировали, как трещины в покрышке запечатываются посредством взаимодействия минералов породы с гидротермальной водой и паром.

Для проверки характеристик кэпрока авторы исследования провели эксперименты с использованием гидротермального сосуда, который функционирует как инструмент, знакомый многим итальянцам: гейзерная кофеварка или кофеварка для приготовления эспрессо на плите.

Они заполнили нижнюю камеру рассолом, а верхнюю — вулканическим пеплом и дроблеными камнями, типичными для Кампи Флегрей, затем нагрели сосуд до температуры, обнаруженной в геотермальном резервуаре. В течение дня образовались минеральные волокна, а трещины в слое породы быстро запечатались посредством цементации.

Это создает закрытую систему, которая позволяет давлению жидкости нарастать до тех пор, пока оно не разрушит окружающую породу. Разрывы от землетрясений вызывают внезапное падение давления жидкости, когда жидкая вода вспыхивает в пар и вырывается наружу. «Это производит взрывные всплески и гулкие звуки, типичные для этой области», — сказал Ванорио.

Чтобы выяснить, как Кампи Флегрей функционирует как замкнутая система, исследователи применили несколько дисциплин, включая томографию недр, которую Де Ландро выполнил с использованием записей землетрясений для построения изображений недр, которые можно анализировать подобно компьютерной томографии.

«Визуализация недр с помощью геофизических методов похожа на старомодный дверной звонок: он сообщает нам, что кто-то звонит в дверь, но не сообщает, кто это. Таким образом, интерпретация томографических изображений должна быть проверена в лабораторных условиях — именно это делает это сотрудничество между сейсмологией и физикой горных пород таким мощным», — сказал Ванорио.

Новая модель

Анализ томографии, а также местоположения и охвата землетрясений способствовали теории исследователей о том, что повторяющийся грохот может быть вызван не пополнением магмы или выбросом газов из системы. Во время обоих эпизодов волнений землетрясения начинались в пределах покрывающей породы на относительно небольшой глубине около 1 мили.

«После визуализации временной эволюции землетрясений можно увидеть очень четкую закономерность — землетрясения со временем становятся глубже», — сказал соавтор Тяньян Го, докторант наук в области наук о Земле и планетах, который объединил данные о землетрясениях из двух эпизодов для визуальной интерпретации.

Если бы магма или ее газы, поднимающиеся на меньшие глубины, были основной причиной беспорядков, мы бы ожидали противоположной картины — землетрясения начинались бы ближе к более глубокой области расплава, примерно в 5 милях под поверхностью, и постепенно становились бы мельче с течением времени, согласно исследователям. Более того, подъем магмы без извержения не может объяснить оседание после беспорядков, сказал Ванорио.

Правдоподобным объяснением проседания является наблюдаемый выброс воды и пара после разрыва, вызванного сейсмической активностью, что естественным образом снижает давление внутри резервуара.

С помощью своей новой модели внутреннего устройства Кампи Флегрей исследователи надеются донести до местных итальянских правительственных чиновников механизмы, вызывающие беспорядки в бурлящей системе.

«Я называю это идеальным геологическим штормом — у вас есть все ингредиенты для возникновения шторма: горелка системы — расплавленная магма, топливо в геотермальном резервуаре и крышка», — сказал Ванорио.

«Мы не можем воздействовать на горелку, но у нас есть возможность управлять топливом. Восстанавливая водные каналы, контролируя грунтовые воды и управляя давлением в резервуарах, мы можем перевести науку о Земле в сторону более проактивного подхода — например, профилактического здравоохранения — для раннего выявления рисков и предотвращения беспорядков до того, как они разразятся. Вот как наука служит обществу».

Соавтором исследования является Давиде Джеремия, бывший научный сотрудник лаборатории Ванорио.