Des essaims de tremblements de terre secouent le sud de l'Italie avec une intensité croissante depuis 2022, menaçant des centaines de milliers de personnes vivant au sommet d'une zone volcanique connue sous le nom de Campi Flegrei, où la terre éprouve des mouvements verticaux lents.
Alors que les autorités débattent des réponses en cas de catastrophe et des protocoles d'évacuation, les chercheurs peuvent avoir trouvé un moyen de contrecarrer complètement les troubles cycliques: en gérant le ruissellement de l'eau ou en abaissant les niveaux des eaux souterraines, réduisant ainsi la pression des liquides dans le réservoir géothermique.
Grâce à l'imagerie souterraine et aux expériences de laboratoire, les scientifiques de Stanford ont montré comment l'accumulation de pression à partir de l'eau et de la vapeur dans le réservoir sous Campi Flegrei peut entraîner des tremblements de terre lorsque le caprock ou le couvercle de couvercle.
La recherche, publiée dans Avancées scientifiquesmontre que la récidive d'un réservoir sur-pressé était à l'origine de la déformation et de la sismicité au début des années 1980 et à nouveau au cours des 15 dernières années, conduisant finalement à l'identification du mécanisme sous-jacent.
Les résultats remettent en question une théorie largement répandue selon laquelle les tremblements sont entraînés par le magma ou ses gaz qui montent à une profondeur moins profonde lorsque la fonte d'une zone de fusion profonde se déplace vers le haut dans le sous-sol supérieur sous la zone volcanique. Ils révèlent également comment la vitesse à laquelle l'eau recharge progressivement le réservoir influence le taux de déformation et les changements de la hauteur du terrain.
« Pour résoudre le problème, nous pouvons gérer le ruissellement de surface et le débit d'eau, ou même réduire la pression en retirant les liquides des puits », a déclaré Tiziana Vanorio, auteur de l'étude principale, professeur agrégé de terre et de sciences planétaires de la Stanford Doerr School of Sustainability.
Les chercheurs ont analysé les modèles récurrents et les caractéristiques communes dans l'imagerie des structures souterraines et des tremblements de terre des deux périodes les plus récentes de Campi Flegrei.
Caractérisées par un soulèvement terrestre et des tremblements de type éclatement, accompagnés de sons grondants qui sont devenus une caractéristique de signature pour la population, les scientifiques soupçonnent que cette activité signale des explosions à vapeur, déclenchées lorsque l'eau liquide clignote rapidement à la vapeur pendant la fracturation causée par les tremblements de terre. L'étude comprend des données des troubles de 1982-1984 et 2011-2024.
« Nous avons examiné quelque chose qui s'est produit des décennies, mais il y a de profondes similitudes dans l'imagerie, qui pointent non seulement vers un schéma cyclique du phénomène mais aussi avec une cause sous-jacente commune », a déclaré la co-auteur Grazia de Landro, chercheuse à l'Université de Naples Federico II, Italie, et visite à Stanford.
« De là, il a commencé l'idée de travailler ensemble, en particulier en regardant la physique du rock. Utiliser la physique du rock est le seul moyen de dire quelque chose de quantitatif sur l'imagerie du sous-sol. »
La zone volcanique de Campi Flegrei accueille un réservoir géothermique plafonné sous la ville de Pozzuoli, à l'ouest de Naples et du Vésuve. La zone a été surveillée en continu depuis les troubles en 1982-1984, lorsque la terre a augmenté de plus de 6 pieds et que le port de Pozzuoli est devenu si superficiel que les navires ne pouvaient plus accoster. Après cela, un tremblement de terre de magnitude-4 et des milliers de micro-cimettes ont provoqué l'évacuation de 40 000 personnes de Pozzuoli.
« Ce fut un défi depuis trois ans. De nombreux bâtiments ont été endommagés par les tremblements continus, et certaines personnes n'ont pas de maisons », a déclaré Vanorio, qui a grandi à Pozzuoli et a été contraint d'évacuer dans les années 1980.
« Ce projet est mon objectif en tant que citoyen maintenant, pas seulement en tant que géophysicien, car l'étude suggère que les troubles peuvent être gérés, plutôt que simplement surveillés, ouvrant la voie à la prévention. »
Atterrir qui «respire»
Campi Flegrei est une caldeira de 8 miles de large, une vaste dépression formée par des éruptions majeures il y a environ 39 000 et 15 000 ans, ce qui a provoqué l'effondrement de la surface de la Terre.
La caldeira éprouve une augmentation et une subsidence, la terre augmentant et coulant, même sans éruption. Après les troubles en 1982-1984, la zone a coulé d'environ 3 pieds. Pour que l'affaissement se produise, la masse doit être libérée du sous-sol, qui peut inclure le magma, l'eau, la vapeur et le dioxyde de carbone.
Les résidents de Pozzuoli notent la façon dont la caldeira «respire», émettant des vapeurs et déplaçant le sol, parfois des mètres vers le haut ou vers le bas sur une courte période.
Historiquement, le soulèvement des zones volcaniques a été largement accepté comme étant lié aux processus de remplissage liés au magma, qui suppose que le magma et / ou ses gaz sont les principaux moteurs de déformation, puis les tremblements de terre, mais cela n'est pas toujours le cas, selon les résultats de l'étude.
Alors que certains chercheurs ont commencé à explorer la relation entre les précipitations et la sismicité au cours de la dernière décennie, l'étude précise que ce ne sont pas les précipitations elle-même, mais plutôt la pression résultant de l'accumulation lente mais régulière d'eau dans un réservoir scellé qui conduit à une fracturation – et, par conséquent, secoue, a déclaré Vanorio.
« Nous savons que la variation annuelle des précipitations a augmenté au cours des 24 dernières années, donc ce qui doit être surveillé, c'est le niveau des eaux souterraines qui s'accumulent dans le sous-sol, ou assurant la canalisation directe du ruissellement de l'eau », a ajouté Vanorio.
Un système fermé
Une caractéristique notable de Campi Flegrei est la nature fibreuse du Caprock au sommet du réservoir géothermique. Les matériaux fibreux sont utilisés dans l'ingénierie pour le renforcement structurel, car ils peuvent se déformer sans se fracturer immédiatement. Ils peuvent accumuler des contraintes qui, dans le système volcanique, pourraient éventuellement être libérées par une éruption soudaine d'eau, de vapeur et de cendres volcaniques surchauffées.
Les chercheurs ont examiné 24 ans de schémas de précipitations, les directions de l'écoulement de l'eau souterraine et le processus de scellage de caprock pour comprendre la recharge du réservoir géothermique et son accumulation de pression. Dans le laboratoire de physique et de géomatériaux de Vanorio, ils ont démontré comment les fissures du sceau Caprock par les interactions des minéraux de la roche avec de l'eau hydrothermale et de la vapeur.
Pour tester les caractéristiques du Caprock, les auteurs de l'étude ont mené des expériences à l'aide d'un vaisseau hydrothermal qui fonctionne comme un outil familier à de nombreux Italiens: un pot Moka ou un fabricant d'expresso de manche.
Ils ont rempli la chambre inférieure de saumure et le dessus de cendres volcaniques et de roches écrasées typiques de Campi Flegrei, puis ont chauffé le navire à la température trouvée dans le réservoir géothermique. En une journée, les fibres minérales se sont formées et les fissures dans la couche de roche ont rapidement scellé par la cimentation.
Cela crée un système fermé qui permet à la pression du fluide de s'accumuler jusqu'à ce qu'elle fracture la roche environnante. La fracturation des tremblements de terre provoque une baisse soudaine de la pression du fluide à mesure que l'eau liquide clignote dans la vapeur et s'échappe. « Cela produit des rafales explosives et des sons en plein essor typiques de la région », a déclaré Vanorio.
Les chercheurs ont appliqué plusieurs disciplines pour révéler comment Campi Flegrei fonctionne comme un système fermé, y compris la tomographie du sous-sol, que De Landro a effectué en utilisant des enregistrements de tremblement de terre pour construire des images du sous-sol qui peuvent être analysées comme une tomodensitométrie.
« L'imagerie du sous-sol à travers des méthodes géophysiques est comme une sonnette à l'ancienne: elle nous dit que quelqu'un sonne à la porte, mais cela ne dit pas qui c'est. Ainsi, l'interprétation des images de tomographie doit être testée en laboratoire – c'est ce qui rend cette collaboration entre la sismologie et la physique du rock si puissante », a déclaré Vanorio.
Un nouveau modèle
Les analyses de la tomographie ainsi que l'emplacement et la portée des tremblements de terre ont contribué à la théorie des chercheurs selon laquelle le grondement récurrent peut ne pas être motivé par la recharge de magma ou les émissions de gaz du système. Au cours des deux épisodes de troubles, les tremblements de terre ont commencé dans le caprock à une profondeur relativement peu profonde d'environ 1 mile.
« Après la visualisation de l'évolution temporelle des tremblements de terre, vous pouvez voir un schéma très clair – les tremblements de terre s'approfondissent au fil du temps », a déclaré le co-auteur Tianyang Guo, un érudit postdoctoral dans la Terre et les sciences planétaires qui ont combiné des données de tremblement de terre des deux épisodes pour une interprétation visuelle.
Si le magma ou ses gaz montant à des profondeurs moins profonds étaient le principal conducteur des troubles, nous nous attendrions à le schéma opposé – les compensations de la région de la fonte plus profonde, à environ 5 miles sous la surface, et devenant progressivement moins profondément au fil du temps, selon les chercheurs. En outre, le magma montant sans éruption ne peut pas expliquer l'affaissement après les troubles, a déclaré Vanorio.
Une explication plausible de la subsidence est le rejet observé de l'eau et de la vapeur après la fracturation de l'activité sismique, qui libère naturellement de la pression dans le réservoir.
Avec leur nouveau modèle de fonctionnement intérieur de Campi Flegrei, les chercheurs espèrent communiquer les mécanismes qui provoquent des troubles dans le système qui coule aux responsables locaux du gouvernement italien.
« J'appelle cela une tempête parfaite de géologie – vous avez tous les ingrédients pour avoir la tempête: le brûleur du système – le magma fondu, le carburant dans le réservoir géothermique et le couvercle », a déclaré Vanorio.
« Nous ne pouvons pas agir sur le brûleur, mais nous avons le pouvoir de gérer le carburant. En restaurant les canaux d'eau, en surveillant les eaux souterraines et en gérant la pression des réservoirs, nous pouvons déplacer la science de la Terre vers une approche plus proactive – comme les soins de santé préventifs – pour détecter les risques tôt et empêcher les troubles avant qu'il ne se déroule. C'est ainsi que la science sert la société. »
Davide Geremia, ancien érudit postdoctoral du laboratoire de Vanorio, est co-auteur de l'étude.
