La Linea di Attività “Ricerca - Vulcani” comprende le attività di ricerca attinenti ai sistemi e ai processi vulcanici. Le attività sono raggruppate in sei diverse Aree tematiche denominate: 1) Storia eruttiva; 2) Struttura e sistema di alimentazione dei vulcani; 3) Proprietà chimico-fisiche dei magmi e dei prodotti vulcanici; 4) Processi pre-eruttivi; 5) Processi eruttivi e post-eruttivi; 6) Pericolosità vulcanica e contributi alla stima del rischio. La denominazione delle Aree tematiche è la stessa adottata negli ultimi tre anni vista la sua ottima rappresentatività di tutte le attività svolte nella Linea.
Tutte le Aree tematiche sono a carattere fortemente multidisciplinare rispetto alle diverse metodologie di indagine impiegate nelle ricerche. Le Aree tematiche sono, allo stesso tempo, complementari e funzionali le une alle altre con l’obiettivo di descrivere i processi vulcanici nella loro globalità e nel modo più quantitativo, coerente e completo possibile.
A queste tematiche strettamente vulcanologiche si aggiungono due tematiche trasversali e comuni ai tre Dipartimenti denominate i) Ricostruzione e modellazione della struttura crostale e ii) Studi per le georisorse. In queste tematiche diverse competenze dei tre Dipartimenti si uniscono e integrano per meglio affrontare temi particolarmente trasversali.
L’impegno dedicato dai ricercatori e tecnologi INGV nella Linea “Ricerca - Vulcani” nel 2020 è stato pari a 851 mesi-persona che ha rappresentato il 7,8% del totale INGV nel 2020. Questa percentuale include sia i mesi-persona dedicati alle attività di Ricerca Libera “ordinaria” sia quelli dedicati ai progetti di ricerca a finanziamento esterno. La produttività scientifica riferita ai lavori JCR censiti nel 2020 è di circa 162 pubblicazioni con una media di circa 2,3 pubblicazioni JCR/FTE (Full Time Equivalent LdA Ricerca)/anno. Questa stima è di poco inferiore a quella di circa 3 ottenuta nel 2017, 2018 e 2019.
Organizzazione della Linea di Attività
Qui di seguito si descrivono brevemente le sei Aree tematiche utilizzate per descrivere le attività della LdA.
Storia eruttiva
In questa area tematica vengono realizzati studi mirati alla ricostruzione e caratterizzazione della storia eruttiva dei sistemi vulcanici. L’area include l’analisi della natura ed estensione dei depositi e dei prodotti vulcanici mirata alla ricostruzione dei fenomeni pre-eruttivi, eruttivi e post-eruttivi e alla creazione delle relative basi dati. Comprende inoltre indagini geologiche,
tefro-stratigrafiche, tefro-cronologiche, magnetostratigrafiche, statistiche, archeologiche e ricerche storiche.
Struttura e sistema di alimentazione dei vulcani
Questa area tematica include lo studio della struttura del sistema vulcanico e della sua evoluzione geologico-strutturale; le relazioni tra sistema vulcanico, contesto geodinamico e assetto vulcano-tettonico; le indagini sul sistema magmatico e sulla sua evoluzione inclusa la caratterizzazione della sua geometria e delle zone sorgenti e di stoccaggio del magma; gli studi sulla dinamica e sulla geometria delle intrusioni magmatiche e sui campi di fratture associati agli eventi intrusivi, anche connessi con collassi di settore; lo studio delle condizioni chimico-fisiche dei magmi e delle rocce tramite metodologie geofisiche, geochimiche, petrologiche, mineralogiche e fisico-matematiche.
Proprietà chimico-fisiche dei magmi e dei prodotti vulcanici
Questa area tematica comprende studi analitici, sperimentali e teorici e computazionali mirati alla definizione delle proprietà costitutive dei magmi e dei prodotti dell’attività vulcanica; proprietà chimiche e fisiche dei magmi e dei prodotti dell’attività effusiva ed esplosiva; studi mirati alla caratterizzazione della natura multifase e multicomponente dei magmi, dei prodotti effusivi e delle miscele piroclastiche.
Processi pre-eruttivi
L’area tematica include lo studio della dinamica del magma all’interno del sistema vulcanico; le analisi del processo di risalita del magma in superficie e delle interazioni tra magma, roccia incassante e sistema idrotermale; il monitoraggio dei segnali geofisici e geochimici associati ai movimenti e alla risalita del magma e analisi della loro evoluzione; lo sviluppo di modelli concettuali, analogici, statistici e teorico-computazionali in grado di descrivere i processi che controllano la risalita dei magmi e la loro relazione con i segnali registrati in superficie.
Processi eruttivi e post-eruttivi
Questa tematica comprende lo studio della dinamica delle fenomenologie eruttive e post-eruttive; l’osservazione dei processi attraverso tecniche di misura, locali e remote, finalizzate alla quantificazione delle variabili fisiche e chimiche che descrivono i fenomeni e la loro dinamica; lo sviluppo di modelli concettuali, analogici, statistici e teorico-computazionali dei processi eruttivi del vulcanismo esplosivo ed effusivo, dallo svuotamento del serbatoio magmatico, alla risalita del magma nella crosta fino alle diverse manifestazioni eruttive in superficie ed in atmosfera. Include inoltre lo studio della dinamica dei fenomeni collegati (es.
esplosioni freatiche, collassi di versante, frane, tsunami, lahar, degassamento naturale, vulcanismo secondario, ecc.).
Pericolosità vulcanica e contributi alla stima del rischio
Questa area tematica include studi mirati alla quantificazione della pericolosità vulcanica alle diverse scale spaziali e temporali; lo sviluppo di metodi probabilistici (e.g. alberi degli eventi, modellazione stocastica dell’occorrenza di eventi vulcanici) e deterministici per la definizione di scenari pre-eruttivi ed eruttivi e la creazione di mappe di pericolosità; lo sviluppo di modelli e metodi finalizzati alla previsione dell’attività vulcanica e all’identificazione dei segnali “precursori”; la caratterizzazione dei fenomeni pericolosi associati (e.g. deformazioni del suolo, attività sismica, esplosioni freatiche, collassi
Figura 2.1.13 Immagine al microscopio elettronico di un frammento di cenere vulcanica. Il vetro vulcanico (lo sfondo grigio uniforme nella foto) è intatto, ma un cristallo fratturato (grigio più scuro) testimonia il processo di fratturazione e rimarginazione del magma nel corso dell'eruzione (da Taddeucci et al., 2021).
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di versante, frane, tsunami, lahar, degassamento naturale, vulcanismo secondario, ecc.); i contributi alla stima del rischio vulcanico incluse indagini di vulnerabilità e d’impatto dei fenomeni.
Nella Tabella e nel diagramma a torta qui sotto riportati è mostrata la distribuzione dei mesi-persona nelle 6 Aree tematiche per l’anno 2021. Le attività relative ai processi pre-eruttivi, ai processi eruttivi e post-eruttivi e alla stima della pericolosità vulcanica sono le più consistenti ma tutte le Aree includono una significativa percentuale di mesi-persona. In particolare l’Area tematica sui processi pre-eruttivi è quella cresciuta maggiormente rispetto allo scorso anno. A queste Aree prettamente vulcanologiche vanno aggiunte due Aree trasversali ai tre Dipartimenti che riguardano attività legate alla ricostruzione e modellazione della struttura crostale e alle georisorse e la cui percentuale totale è comunque circa l’1% delle attività dell’Ente.
Aree Tematiche Dipartimento Vulcani, LdA “Ricerca – Vulcani”
Mesi/persona non su progetti di ricerca
Mesi/persona su progetti ricerca (interni ed esterni)
Mesi/persona
totali (m/p) m/p in % m/p in % su totale INGV
Storia eruttiva 30 25 55 5,8 0.52
Struttura e sistema di alimentazione dei
vulcani 46 83 129 13,5 1.23
Proprietà chimico-fisiche dei magmi e
dei prodotti vulcanici 27 30 57 6,0 0.54
Processi pre-eruttivi 75 207 282 29,5 2.68
Processi eruttivi e post-eruttivi 94 126 220 23,0 2.09
Pericolosità vulcanica e contributi alla
stima del rischio 76 137 213 22,3 2.02
Totale 348 608 956 100,0 9.08
Nel 2021 le attività di ricerca libera del Dipartimento Vulcani rappresentano, in termini di mesi-persona, circa il 9,1% delle attività dell’INGV. Questo dato è leggermente superiore a quello dello scorso anno (7,8%). Circa il 64% di queste attività sono realizzate nell’ambito di progetti scientifici interni o a finanziamento esterno (in confronto al 28% nel 2019 e 11% nel 2020 quelli a solo finanziamento esterno). Questo forte incremento è dovuto sia al pieno avvio dei progetti Strategici Dipartimentali 2019, Pianeta Dinamico e Ricerca Libera 2019, sia alla nuova procedura seguita per la raccolta dei mesi-persona che include nella stima anche i progetti scientifici interni. La percentuale relativa ai progetti esterni è in gran parte
associata a progetti UE come EUROVOLC e ChEESE e al progetto Premiale 2015 ASH-Resilience. Questi progetti sono stati estesi a causa della crisi pandemica e sono particolarmente collaborativi coinvolgendo un numero significativo di colleghi e Sezioni dell’Istituto, nonché di partner della comunità vulcanologica europea (per i progetti UE).
Le attività realizzate nelle diverse Aree tematiche della Linea “Ricerca - Vulcani” sono inoltre propedeutiche, e per molti aspetti funzionali, alle attività incluse nella Linea “Servizio e ricerca per la Società - Vulcani”.
È da evidenziare come la forza lavoro impegnata nelle attività della LdA “Ricerca - Vulcani” (9,1%) sia ancora inferiore rispetto a quella impegnata nella LdA “Servizi e ricerca per la società - Vulcani” in cui confluiscono tutte le attività di servizio realizzate per il Dipartimento di Protezione Civile, autorità regionali e locali, nonché altre Istituzioni nazionali e internazionali (e.g. ENAC, AM, DG-ECHO) (che ammontano a circa il 12% delle attività dell’INGV in termini di mesi-persona, valore analogo a quello dello scorso anno). Questo differenziale si è comunque ridotto rispetto agli anni scorsi grazie a un maggior investimento in progetti di ricerca e a una riduzione dell’impegno di personale nelle attività verso DPC.
Programmazione del triennio con particolare riferimento al 2021
L’insieme delle ricerche e delle competenze esistenti all’interno di questa Linea di Attività hanno permesso di individuare tre Obiettivi Strategici di ampio respiro su cui si intende focalizzare principalmente le attività di ricerca nel prossimo triennio.
Questi obiettivi, già individuati e raffinati nei precedenti PTA, vanno visti come un tentativo di identificare delle direzioni scientifiche e tecnologiche in grado di portare in prospettiva ad un salto di qualità nella nostra conoscenza del funzionamento dei vulcani (quelli italiani ma non solo) nonché nella nostra capacità di prevedere il loro comportamento futuro. Essi sono:
• V-OS1 - Realizzazione di un nuovo modello 4D (spaziale e temporale) dei vulcani italiani.Questo obiettivo mira alla ricostruzione della struttura e dei sistemi di alimentazione dei vulcani attivi italiani tramite l’utilizzo di nuove e più accurate tecniche di osservazione e indagine, siano esse nuovi sistemi di monitoraggio o specifiche campagne strumentali di natura geofisica o geochimica. La ricostruzione a più alta risoluzione delle proprietà del sistema vulcanico in 3D e dei suoi rapporti con la struttura tettonica regionale, nonché della sua evoluzione nel tempo, rappresentano infatti una informazione fondamentale per poter comprendere la dinamica del sistema e poterne prevedere il comportamento futuro. Ricostruzioni 3D dei principali vulcani italiani quali Vesuvio, Campi Flegrei, Etna e Stromboli, sono già state realizzate ma nuove e più accurate indagini sono oggi possibili e auspicabili utilizzando le più moderne tecnologie disponibili. Lo stesso vale per altri vulcani meno indagati, come ad esempio Ischia e Vulcano, e per i numerosi vulcani sottomarini, molti dei quali ancora scarsamente conosciuti. Una attività rilevante di questo obiettivo dovrebbe consistere nella realizzazione di un sistema informatico in grado di visualizzare, integrare ed elaborare la grande quantità di dati multidisciplinari raccolti dalle precedenti campagne strumentali e dalle diverse reti di osservazione presenti su ciascuno dei vulcani attivi italiani con l’obiettivo di ottenere una rappresentazione il più possibile coerente e accurata del loro stato e della loro evoluzione.
Figura 2.1.14 L'integrazione delle diverse misure (GNSS e Radar satellitari) sull'intero periodo di 12 giorni mette in evidenza la rapida contrazione dell'edificio, dovuta allo svuotamento complessivo del sistema di alimentazione più profondo dell'Etna (da Bonforte et al., 2021).
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• V-OS2 - Caratterizzazione della dinamica di risveglio dei vulcani e previsione dell’attività eruttiva.La comprensione della dinamica di risveglio dei vulcani rappresenta una delle maggiori sfide della vulcanologia moderna. La difficoltà è dovuta sia alla inaccessibilità del sistema vulcanico alla osservazione diretta sia alla estrema variabilità della dinamica a seconda della tipologia del vulcano. A fronte di importanti progressi fatti nella previsione dei fenomeni per vulcani a condotto aperto e caratterizzati da frequente attività, come l’Etna e lo Stromboli, profonde incertezze permangono nell’interpretazione dei segnali di sistemi vulcanici a condotto chiuso e di cui non abbiamo osservato recenti eruzioni, come per esempio i Campi Flegrei e il Vesuvio. La possibilità di rappresentare con un sufficiente grado di accuratezza l’evoluzione di questo processo richiede comunque la conoscenza dettagliata della struttura del sistema a grande e piccola scala e dei suoi rapporti con la tettonica locale e regionale (vedi obiettivo strategico V-OS1), la disponibilità di specifiche reti di monitoraggio ad alta risoluzione spaziale e temporale, nonché la disponibilità di modelli fisico-matematici in grado di descrivere i processi fondamentali che regolano la dinamica del risveglio e le relazioni tra i diversi segnali osservabili misurati. Un aspetto cruciale di questo obiettivo è quello di poter relazionare, nel modo più accurato possibile, la tipologia dei segnali registrati durante il risveglio del vulcano con la scala e la tipologia (e se possibile gli Eruption Source Parameters) dell’eruzione attesa. Lo sviluppo di metodi probabilistici e statistici in grado di quantificare le diverse incertezze in gioco, accoppiato all’utilizzo dei dati di monitoraggio e di modelli fisico-matematici per la simulazione dei fenomeni, potrebbe infatti portare alla individuazione degli scenari pre-eruttivi ed eruttivi più verosimili in funzione dei segnali registrati. Su questo obiettivo strategico prioritario sono stati recentemente focalizzati i quattro Progetti Strategici Dipartimentali 2019 avviati nel corso del 2020.
• V-OS3 - Osservazione, misurazione e modellazione fisico-matematica dei processi eruttivi.L’eccezionale difficoltà di comprendere la natura dei fenomeni vulcanici è in gran parte associata alla impossibilità di controllare e quindi riprodurre tali fenomeni, alla loro pericolosità che ne impedisce una facile misurazione, nonché alla difficoltà di descriverne la dinamica tramite semplici equazioni di trasporto e costitutive. Questo obiettivo mira a migliorare la descrizione dei fenomeni eruttivi tramite lo sviluppo e l’integrazione di tecniche di misura più accurate dei fenomeni osservati (da terra e da satellite), la realizzazione di esperimenti di laboratorio in grado di mimare i processi osservati e descriverne le equazioni costitutive, e lo sviluppo di modelli fisico-matematici più realistici. La sinergia e la complementarietà tra osservazioni e misurazioni dei fenomeni, esperimenti di laboratorio e descrizioni teoriche e numeriche dei fenomeni rappresentano infatti il principale motore per lo sviluppo della conoscenza dei processi vulcanici. Obiettivo primario nel triennio sarà in particolare l’integrazione dei dati ottenuti dalle attività osservative e di monitoraggio con i modelli fisico-matematici, anche attraverso lo sfruttamento di nuove infrastrutture di calcolo ed analisi dati, al fine di: 1) fornire casi di validazione e calibrazione dei modelli computazionali; 2) migliorare le previsioni realizzate attraverso tecniche di data-assimilation; 3) fornire modelli interpretativi e analisi dei dati di osservazione e Figura 2.1.15 Elevazione superficiale massima di uno
tsunami generato da una frana sottomarina con volume di 17,6 Mm3 e confronto tra runup stimati da simulazioni numeriche e ricostruzioni di terreno (da Esposti Ongaro et al., 2021).
monitoraggio. Un ulteriore aspetto importante di questo obiettivo è la possibilità di integrare e concentrare i suddetti metodi di indagine su fenomeni e/o eruzioni ben osservati e studiati, ovvero su case-studies di riferimento, in modo di ridurre le incertezze in gioco e ottenere così una rappresentazione unitaria delle dinamiche indagate.
Per quanto riguarda l’attività progettuale prevista nell’anno 2021 e nel successivo biennio, in aggiunta ai sopra riportati progetti in corso a finanziamento esterno, si prevede che sarà particolarmente concentrata su (alcune attività sono sviluppate e di interesse anche per altre Linee di Attività):
1) la realizzazione del Progetto Strategico 2019 del Dipartimento Vulcani focalizzato sulla tematica “Dalla dinamica di unrest pre-eruttiva alla previsione dell’eruzione attesa”. Il progetto è a sua volta suddiviso in 4 sottoprogetti di cui 1 sui Campi Flegrei, 1 sull’Etna e 2 sullo Stromboli. I progetti sono triennali e coinvolgono buona parte della comunità vulcanologica interna e diversi gruppi della comunità nazionale e internazionale.
2) Il progetto Pianeta Dinamico “Geoscienze per la comprensione dei meccanismi di funzionamento della Terra e dei conseguenti rischi naturali”, nell’ambito del quale saranno sviluppati otto distinti sottoprogetti inerenti gli Obiettivi Strategici vulcanologici definiti nel PTA. I sottoprogetti riguardano attività di ricerca con particolare riferimento ai Campi Flegrei, Vesuvio, Etna, Vulcano e Ischia.
3) La seconda tornata dei progetti istituzionali di Ricerca libera (2019). Questa iniziativa include circa 25 progetti su numerose tematiche di pertinenza del DIpartimento Vulcani (circa il 50% del totale dei progetti). Una nuova tornata di questo tipo di progetti è in fase di definizione e sarà gestita dal Consiglio Scientifico.
4) Il progetto “Rete multiparametrica”. Questa iniziativa, sviluppata prevalentemente nell’ambito della Linea di Attività Infrastrutture e Sviluppo Tecnologico e del neo costituito Centro per il Monitoraggio delle Isole Eolie, mira allo sviluppo di nuovi sistemi osservativi, reti di monitoraggio, indagini e studi in grado di accrescere la capacità di osservazione, comprensione e previsione dei fenomeni geofisici, vulcanici e ambientali. In particolare le attività vulcanologiche saranno finalizzate principalmente allo sviluppo di sistemi di early-warning e stime di pericolosità allo Stromboli (a cofinanziamento di attività richieste dal Dipartimento della Protezione Civile), e all’osservazione e indagine della struttura dei Campi Flegrei, Stromboli e Etna.
Per il dettaglio delle attività programmate relative alla LdA Ricerca – Vulcani si rimanda al capitolo 17.3 del Volume 2.