Istituto Nazionale di Geosifica e Vulcanologia - Sezione di Catania

Il nostro gruppo si specializza in tecniche di misurazione remota (remote sensing) da terra, che hanno il distinto vantaggio su un vulcano di permettere agli operatori di effettuare misurazioni utili da una distanza che consente una maggiore sicurezza rispetto alle misurazioni dirette. Le misurazioni della composizione del gas sono effettuate utilizzando uno spettrometro all’infra-rosso a trasformata di Fourier e percorso aperto (OP-FTIR). Correntemente usiamo uno strumento Bruker OPAG-22 (www.bruker.de). Questo spettrometro utilizza la radiazione infra-rossa proveniente dal sole o dalla lava. Quando la radiazione passa attraverso il gas vulcanico, ogni gas assorbe parte della radiazione ad una lunghezza d’onda specifica in un modo unico, e questa “firma” permette di identificare diverse specie gassose quali SO₂, HCl e HF, ma anche CO₂, H₂O, CO, OCS e SiF₄ se il cammino ottico è sufficientemente corto (~1 km). La quantità di radiazione assorbita è direttamente correlata alla quantità di gas nel cammino, e pertanto possiamo derivare le quantità di tutte le altre specie da un singolo spettro. Ogni spettro richiede circa 5 secondi per essere acquisito.

Probabilmente, la sfida più grande nell’effettuare misurazioni con lo spettrometro OP-FTIR è l’analisi dei dati raccolti. Nel corso degli ultimi anni abbiamo accumulato molta esperienza nell’analisi di tali dati e abbiamo descritto alcuni degli approcci che sono stati sviluppati nella guida all’analisi dei dati FTIR.

Ogni specie gassosa richiede une tecnica speciale di misurazione. I flussi di CO₂ sono misurati usando il metodo della camera di accumulo, che consiste nel misurare il tasso di incremento della concentrazione di CO₂ dentro una camera cilindrica aperta al fondo e posta sulla superficie del terreno. La camera è fornita di una ventola interna in modo da ottenere un efficiente mescolamento del gas ed è collegata ad uno spettrofotometro portatile all’infra-rosso nondispersivo (NDIR) (PP Systems, UK, mod. EGM4; www.ppsystems.com). La variazione di concentrazione durante la fase iniziale di misura è proporzionale al flusso di CO₂. Questo è un metodo assoluto che non richiede correzioni legate alle caratteristiche fisiche del suolo. Ciascuna misura di flusso normalmente richiede un minuto.

Grazie all’utilizzo di questo metodo, fino a centinaia di misure possono essere eseguite in un giorno, e aree relativamente ampie possono essere campionate in un tempo ragionevolmente breve. I dati di flusso di CO₂ sono analizzati usando strumenti statistici, al fine di mappare la distribuzione delle emissioni anomale in relazione alla presenza di faglie e fratture del terreno e di stimare la quantità di CO₂ emessa.

Il gas radon nei suoli è misurato introducendo nel suolo una sonda alla profondità di circa 40 cm. Il gas viene aspirato nello strumento di misura tramite una pompa interna. Lo struemnto usato è un radonometro Durridge RAD7 (www.durridge.com). Il RAD7 permette la misurazione della concentrazione di ²²²Rn (radon) e di ²²⁰Rn (thoron) nella fase gassosa. Il radon (²²²Rn) è un prodotto di decadimento a breve vita derivato dalla serie di decadimento del ²³⁸U, con una semi-vita 3.8 giorni. Il thoron (²²⁰Rn) è un prodotto di decadimento della serie di decadimento del ²³²Th ed ha una semi-vita molto breve (55s) che lo rende utile nel discriminare settori con trasporto di gas del suolo molto veloce e/o affioramenti di minerali ricchi in U o Th.

Le misurazioni di gas del suolo sono effettuate una o due volte al mese in diversi siti ubicati sia sul fianco orientale sia su quello sud-occidentale dell’Etna. Entrambe queste aree sono storicamente note per essere quelle con i più elevati degassamenti diffusi sull’Etna. In particolare, le emissioni di CO₂ sono molto alte e a volte pericolose per gli uomini.

Sulla base della passata esperienza, l’area di sud-ovest, che include la città di Paternò, mostra degassamenti da una sorgente magmatica profonda (profondità di 7-12 km), mentre l’area orientale, che è ubicata tra i paesi di Zafferana Etnea e Santa Venerina, è affetta da degassamento la cui sorgente magmatica è più superficiale (profondità di 4-7 km). Altre aree che sono monitorate con una frequenza minore sono un area fumarolica di bassa temperatura vicino Torre del Filosofo (quota di circa 2900 m s.l.m.), che sembra essere connessa con dei gas che sfuggono dal sistema di alimentazione del Cratere di Sud-Est, e una linea di punti di misura attraverso la frattura di SE del 1989, una frattura secca che si è aperta durante l’eruzione del 1989 e che ha ripetutamente mostrato segni di movimento da allora.

La migrazione del magma verso la superficie all’interno di un vulcano è di solito accompagnata dal rilascio di gas che era precedentemente disciolto nel magma stesso. In un vulcano a condotto aperto, quale è l’Etna, la maggior parte del gas sfugge attraverso i principali condotti del vulcano e quindi attraverso i crateri sommitali. Tuttavia, una percentuale significativa (circa il 10%) del quantitativo totale di gas può sfuggire lateralmente attraverso faglie e fratture che normalmente sono presenti nei fianchi di un edificio vulcanico. Pertanto, aumenti nella quantità di gas emesso di solito indicano stadi iniziali di migrazione magmatica verso la superficie. Inoltre, il tipo di gas che viene rilasciato in superficie può fornire informazioni sul livello di attività vulcanica. La composizione chimica ed isotopica dei gas del suolo è il risultato di vari gradi di interazione fisico-chimica tra in gas profondo magmatico e fluidi più superficiali (principalmente acque di falda). Normalmente, più alto è il flusso di gas vulcanico che sfugge attraverso il suolo, minore è l’interazione con fluidi superficiali non magmatici. A loro volta, alti flussi di gas indicano l’arrivo e l’accumulo di nuovo magma ricco in gas in livelli superficiali di immagazzinamento entro il vulcano, e pertanto suggeriscono un maggiore potenziale per una nuova eruzione vulcanica.

Tra questi gas, il radon è di particolare importanza perché è un tracciante eccellente di faglie e fratture del terreno ed è anche un indicatore della velocità totale del gas nel terreno.

Questo tipo di approccio di monitoraggio sull’Etna ci ha permesso di:

1. rilevare molte faglie nascoste. Di fatto, nell’area Etnea molte strutture tettoniche sono ricoperte da lave o depositi alluvionali recenti, e non mostrano evidenze di superficie; in questi casi, la prospezione di gas del suolo è uno strumento utile per rilevare queste faglie, perché esse sono zone di alta permeabilità che fungono da vie di fuga preferenziali per i gas profondi verso la superficie. Pertanto, la distribuzione spaziale delle anomalie di gas del suolo riproduce strettamente l’andamento delle linee di faglia.
2. osservare variazioni temporali del degassamento del suolo correlate a variazioni nell’attività vulcanica. I valori di flusso di CO₂ collegati con le concentrazioni di ²²²Rn e ²²⁰Rn nei suoli sono stati periodicamente monitorati in alcuni dei siti sopra elencati a partire dal maggio 2006, e i valori medi di tali parametri hanno mostrato una interessante correlazione temporale con l’attività eruttiva dell’Etna.