RICERCA ITALIANA     

Evoluzione tettono-magmatica dei Campi Flegrei - Italia meridionale.

Università degli Studi del Sannio di Benevento

Abstract

L'analisi delle ricerche già svolte ai Campi Flegrei documenta che un'intenso vulcanismo e deformazioni vulcano-tettoniche sono avvenuti durante il tardo Quaternario e sono tuttora attive. Esistono però differenti opinioni riguardo a: dimensioni e timing della caldera, evoluzione dei magma, meccanismi di risorgenza , ruolo giocato dai sistemi di faglia regionali. L'obiettivo principale del progetto è chiarire l'evoluzione tettono-magmatica dei Campi Flegrei attraverso lo studio delle strutture, della geomorfologia e dei meccanismi focali di alcuni dei terremoti storici verificatisi nell'area. Di pari passo, il programma di ricerca prevede la definizione dei parametri geochimici che presiedono alla dinamica interna dei sistemi magmatici di vulcani attivi con l'obbiettivo di:realizzare una determinazione geobarometrica, termometrica e composizionale dei fusi silicatici e delle fasi volatili coesistenti; determinare l'influenza dei volatili negli equilibri di fase dei magmi alcalini dei Campi Flegrei. Sarà effettuata un'analisi geomorfologico-strutturale dettagliata. Lo studio geomorfologico prevede un rilevamento di dettaglio delle forme del paesaggio rappresentate da allineamenti delle bocche eruttive, scarpate di faglia, depressioni tettoniche, oppure deducibili da posizioni anomale di altre caratteristiche del paesaggio quali antiche linee di costa e superfici terrazzate, canali susseguenti e anomalie idrografiche correlate. Lo studio dei lineamenti e delle faglie prevede: acquisizione dei dati, analisi statistica dei lineamenti e analisi geologica. Tali dati saranno analizzati separatamente per individuare eventuali trends strutturali preferenziali. I risultati delle analisi statistiche e le carte dei lineamenti e delle faglie saranno integrati con i dati geologici e geomorfologici disponibili. L'orientazione degli assi principali dello stress sarà determinata sia attraverso lo studio della cinematica delle faglie, sia tramite l'analisi dei meccanismi focali dei terremoti storici dei Campi Flegrei. Inoltre, per valutare se il campo di stress agente ai Campi Flegrei sia rimasto costante nel tempo, si confronteranno l'orientazione degli assi principali dello stress ottenuti dai dati sismici con quelli ricavati dall'analisi delle faglie. Infine, le carte dei lineamenti e delle faglie ottenute verranno confrontate con le carte geologiche disponibili al fine di verificare l'esistenza o meno di una relazione tra genesi ed orientazione delle strutture fragili e localizzazione dell'attività vulcanica. Verranno effettuati studi sulle inclusioni vetrose che rappresentano un fattore determinante nella distinzione tra stili vulcanici diversi. Verranno determinati i contenuti di H2O e il rapporto S/Cl che rappresentano un marker nella distinzione tra eruzioni pliniane, subpliniane e interpliniane. Il programma di ricerca sarà sviluppato in 2 fasi: 1° Anno: raccolta ed analisi di tutti i dati bibliografici disponibili; raccolta dei dati geomorfologico-strutturali su lineamenti e faglie e dei dati relativi ai terremoti storici che hanno interessato l'area; campionatura dei prodotti vulcanici; preparazione dei campioni (sezioni sottili petrografiche, per inclusioni fluide e silicatiche (melts), polveri di roccia totale e separazione delle fasi minerali); studio microtermometrico. 2° Anno: analisi statistica dei dati strutturali e loro interpretazione; compilazione di carte di lineamenti, di carte delle faglie, di carte geomorfologiche; valutazione del campo di stress locale e/o regionale; analisi degli elementi maggiori, in traccia; analisi delle inclusioni fluide e silicatiche (melts) ; elaborazione dei dati raccolti e scrittura di lavori scientifici su riviste con peer review system. Lo scopo finale è creare un modello deformativo capace di coniugare i patterns delle strutture fragili con la distribuzione e l'evoluzione geochimica dei prodotti legati ai principali eventi vulcanici verificatisi nell'area. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Agostino ZUPPETTA Università degli Studi del SANNIO di BENEVENTO

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il programma di ricerca relativo all'area dei Campi Flegrei si articola in due parti principali: la prima prevede uno studio dettagliato di carattere geologico-strutturale, geomorfologico e sismotettonico, mentre la seconda parte prevede uno studio a prevalente carattere geochimico dei depositi magmatici dei Campi Flegrei
L'obiettivo principale della prima parte è chiarire l'evoluzione tettono-magmatica di quest'area ovvero stabilire le relazioni intercorrenti tra l'evoluzione geodinamica di questo settore del margine tirrenico e l'instaurarsi su di esso dell'attività vulcanica quaternaria. Questo verrà raggiunto attraverso la stesura di una carta dei lineamenti tettonici regionali, delle faglie e delle evidenze geomorfologiche e attraverso la valutazione del campo di stress locale definito sia dai vettori slip delle faglie sia dal trattamento dei dati sismici. Lo scopo finale è quello di creare un modello deformativo capace di coniugare i patterns delle strutture fragili con la distribuzione dei prodotti legati ai principali eventi vulcanici verificatesi nell'area.
La seconda parte ha invece come obiettivo principale la definizione dei parametri geochimici che presiedono alla dinamica interna del sistema magmatico dei Campi Flegrei e nella comprensione dei meccanismi eruttivi. Si prevede di realizzare una determinazione geobarometrica, termometrica e composizionale dei fusi silicatici e delle fasi volatili coesistenti e di determinare l'influenza dei volatili negli equilibri di fase dei magmi alcalini dei Campi Flegrei. Si intende inoltre stabilire se esistano differenze rilevanti nelle condizioni chimico-fisiche del sistema di alimentazione delle singole eruzioni e delineare l'evoluzione chimica e termica del magma nel corso della sua risalita. Infine ci si pone l'obiettivo di stabilire se esistano differenze rilevanti nel sistema di alimentazione dei vulcani che si sviluppano lungo il bordo o nella parte centrale della caldera.
Si sottolinea in ultimo che, partendo dai risultati geomorfico-strutturali e geochimici ottenuti, l'obbiettivo finale del programma globale sarà la costruzione di un modello tettono-magmatico coerente dei Campi Flegrei. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La Piana Campana e i Campi Flegrei rappresentano delle depressioni strutturali poste all'interno dell'Appennino campano, un thrust belt sviluppatosi per effetto della collisione continentale che fece seguito alla chiusura dell'Oceano Ligure.
La deformazione ha avuto inizio nel Langhiano ed é continuata almeno fino al Pliocene Superiore-Pleistocene Inferiore quando si é realizzata la sovrapposizione della catena appenninica ai sedimenti dell'avanfossa.
Nel Pliocene Superiore la catena ha incominciato a sollevarsi nei domini più interni dove tra l'altro, per effetto del sinking della placca adriatico-ionica ancora attivo nei domini esterni (Foredeep Bradanico), si andava consolidando anche lo sviluppo di un mare marginale (Bacino Tirrenico). Il sinking secondo Turco & Zuppetta (1998) e' tra l'altro responsabile della strutturazione ad archi della catena appennica (p.e. arco calabro), che ha avuto inizio per il settore meridionale della catena nel Messiniano con l'apertura del Tirreno, e della genesi degli archi vulcanici ad essi associati (arco laziale, arco campano, arco eolico).
A sud della linea Pescara-Roccamonfina, si individua una prima struttura ad arco, l'arco metamorfico calabro, per effetto della migrazione verso SE della catena calabra. Alle strutture tettoniche sinistre che guidano la migrazione sono associate strutture distensive WSW-ENE responsabili dell'impostarsi iniziale della depressione campana. Col procedere della migrazione e per effetto del rollback dello slab della placca adriatica si individua una nuova struttura arcuata, l'arco meridionale auctt., guidato da master faults N-S destre cui è associata una generale distensione N-S controllata da faglie dip-slip ad andamento EW.
L'evoluzione tettonica così disegnata prevede per la catena appenninica meridionale, in contrasto con il modello classico a horst e graben controllato da fasi tettoniche distensive con sistemi di faglie normali ad andamento NW-SE e NE-SW (Ippolito et al., 1973; Finetti e Morelli, 1974) che hanno dissecato anche il margine tirrenico dell'Appennino, una deformazione con spostamento delle coltri secondo vettori che solo nelle fasi iniziali sono orientati verso SE e che con l'evolversi della deformazione tettonica ruotano velocemente verso NE.
Sulle linee tettoniche distensive a direzione WSW-ENE prima e poi E-W si imposta nella Piana Campana, e più in generale nelle depressioni strutturali allineate lungo il margine tirrenico, la risalita dei magmi che caratterizzano l'arco vulcanico campano. Per effetto del rollback dello slab adriatico la migrazione dell'attività vulcanica procede da W verso E, dando origine agli apparati vulcanici dei Campi Flegrei e, negli stadi quasi-finali, anche all'apparato vulcanico del Somma-Vesuvio.
L'età di inizio del vulcanismo nell'area campana non è noto. Sequenze di lave e piroclastiti con circa 2 milioni di anni di età sono state incontrate in perforazione tra Villa Literno e Parete (Barbieri et al., 1979; Di Girolamo et al., 1984; Rosi e Sbrana, 1987), mentre prodotti vulcanici con età superiore a 350 ka sono stati riconosciuti nelle aree appenniniche (De Vivo et al., 2001), al Vesuvio (Brocchini et al., 2001) e a Ischia (Gillot et al., 1982). I Campi Flegrei sono un'area depressa interpretata come una struttura calderica la cui origine è oggetto di dibattito scientifico: essa viene attribuita infatti all'eruzione dell'Ignimbrite Campana (37 ka), oppure a quella del Tufo Giallo Napoletano (12 ka), oppure ad entrambe (Rosi e Sbrana (1987) Orsi et al. (1996)); il margine calderico sarebbe riconoscibile da indagini gravimetriche, magnetiche e sismiche (Barberi et al., 1991; Zollo et al., 2003). Altri ritengono che l'Ignimbrite Campana sia un evento unico proveniente dalla depressione di Acerra (Scandone et al., 1991). Queste interpretazioni non sono condivise da De Vivo et al. (2001) e Rolandi et al. (2003) che riconoscono nella Piana Campana l'esistenza di diversi eventi ignimbritici nell'intervallo >300 ka - 18 ka. In particolare l'evento ignimbritico datato da Rosi e Sbrana (1987) e da Orsi et al. (1996) a 37 ka e noto come Ignimbrite Campana viene datato da De Vivo et al. (2001) e Rolandi et al. (2003) a 39 ka. Questi ultimi autori attribuiscono i vari eventi ignimbritici a fratture che si originano nella Piana Campana con andamento appenninico e anti-appenninico; in questa interpretazione l'influenza della tettonica regionale sembrerebbe giocare un ruolo importante sul controllo del vulcanismo in Campania (Bruno et al., 2002; Di Girolamo et al., 1984). Ai Campi Flegrei i prodotti vulcanici più antichi hanno un'età di circa 50 ka e sono costituiti principalmente da depositi piroclastici e da resti di duomi lavici (Alessio et al., 1973; Pappalardo et al., 1999) che si rinvengono solo lungo le scarpate che bordano i Campi Flegrei ed hanno composizione evoluta, essenzialmente trachitica e alcalitrachitica. Essi comprendono i duomi lavici di Punta Marmolite (47 ka) e di Cuma (37 ka) (Cassignol e Gillot, 1982), e una serie di depositi piroclastici (per esempio i Tufi di Torre Franco, >42 ka) i cui centri eruttivi non sono più visibili. Tra le eruzioni più vecchie bisogna notare l'eruzione di Torregaveta avvenuta tra 17 e 14 ka da un cratere ubicato nel settore sud-occidentale dei Campi Flegrei (Di Girolamo et al., 1984). Tra i prodotti dei Campi Flegrei il Tufo Giallo Napoletano è l'evento eruttivo maggiormente studiato (Di Girolamo et al., 1984; Rosi e Sbrana, 1987; Orsi et al., 1995; Scandone et al., 1991) sia per la sua distribuzione areale, sia per il suo volume. L'eruzione del Tufo Giallo Napoletano a carattere variabile da freatopliniano a freatomagmatico, in funzione della variabile efficienza dell'interazione acqua/magma (Scarpati et al., 1993; Orsi et al., 1995), ha emesso da un centro ubicato nei Campi Flegrei 40 km3 di magma a composizione da alcalitrachitica a latitica. L'eruzione ha determinato un collasso calderico che ha dato origine all'attività vulcanica recente con età inferiore a 12 ka. Negli ultimi 12 ka la caldera dei Campi Flegrei è stata sede di circa 30 eruzioni concentrate in tre epoche, comprese tra 12 e 10.5, tra 8.6 e 8.2, e tra 4.5 e 3.7 ka (Di Vito et al. 1999). L'ultima eruzione avvenne nel settembre del 1538 A.D., dopo un periodo di quiescenza durato circa 3.000 anni, e formò il cono del Monte Nuovo (Di Vito et al., 1987). Le eruzioni furono principalmente esplosive freatomagmatiche e magmatiche, e subordinatamente effusive, da centri essenzialmente monogenici. I depositi più diffusi sono quelli piroclastici da surges, da caduta e da flusso per la maggior parte dispersi intorno al centro eruttivo; rari sono i duomi lavici. La composizione dei magmi eruttati varia da trachitica ad alcalitrachitica; solo poche eruzioni, tra le quali le eruzioni di Minopoli 1 e di Minopoli 2, vennero alimentate da magmi a composizione meno evoluta da trachibasaltica a latitica (Armienti et al., 1983; Civetta et al., 1991; D'Antonio et al., 1999). Durante il periodo eruttivo più recente la caldera è stata interessata da deformazioni del suolo che a partire da 10 ka (Rosi e Sbrana, 1987; Giudicepietro, 1993) hanno portato alla formazione del terrazzo marino de "La Starza", terrazzo delimitato a SW da una falesia fossile impostata lungo una faglia ad andamento NW-SE. Una faglia ad andamento NE-SW delimita il blocco de "La Stanza" a NW. Questa faglia, che ribassa il blocco occidentale, disloca anche i versanti meridionali del cono tufaceo del Gauro e, probabilmente, attraversa la piana di San Vito raggiungendo l'edificio del Senga. La deformazione è continuata in tempi storici e attuali. Movimenti di abbassamento del suolo sono dimostrati dalla presenza della linea di costa di età romana ad una profondità di 10 m sotto il livello del mare, e di numerose rovine di età romana e medievale a profondità variabili al di sotto del livello del mare. Questo evidenzia una generale subsidenza dell'area dei Campi Flegrei negli ultimi 2.000 anni (De Pippo et al., 1984). Movimenti di innalzamento del suolo si verificarono prima dell'eruzione del Monte Nuovo del 1538 A.D.. Le misure altimetriche effettuate all'inizio dello scorso secolo hanno poi mostrato che il massimo sprofondamento dell'area è avvenuto nella città di Pozzuoli, in prossimità del Serapeo, con incrementi decrescenti regolarmente in direzione est e ovest lungo la costa (Lirer et al., 1987). Il lento sprofondamento della superficie è proseguito fino al 1968. Nei periodi 1970-1972 e 1982-1984 due importanti episodi di sollevamento hanno avuto luogo nell'area di Pozzuoli (Berrino et al., 1984). Questi episodi hanno prodotto un sollevamento, di 170 cm e 182 cm rispettivamente, nel punto di massima deformazione a Pozzuoli.
Gli episodi di sollevamento sono stati accompagnati da crisi sismiche tra il 1970-1972 e nel 1983. Il sollevamento che ha avuto luogo nel 1970-1972 è stato seguito da uno sprofondamento di quasi 20 cm. Tra il 1985 e il 2002, infine, lo sprofondamento ha raggiunto un totale di circa 70 cm determinato tramite interferometria InSAR (Avallone et al., 1999).
La causa delle deformazioni viene attribuita alla migrazione di fluidi caldi sotto pressione (Oliveri del Castillo e Quagliariello, 1969), oppure a sovrapressioni nella camera magmatica (Bonafede et al., 1986), oppure ancora a sovrapressione nella camera magmatica sommata al trasferimento convettivo di calore agli acquiferi confinati superficiali (Bonafede, 1990; De Natale et al., 1991).
Differenti interpretazioni sono state proposte dai ricercatori sulle relazioni intercorrenti tra tettonica ed attività vulcanica. Infatti, per quanto attiene le relazioni intercorrenti tra l'eruzione dell'Ignimbrite Campana, la struttura della Piana Campana e la genesi di una correlata caldera, sulla base della distribuzione dei prodotti superficiali alcuni autori hanno proposto un meccanismo legato ad un'eruzione fissurale controllata da una preesistente faglia neotettonica NO-SE che correva lungo la Piana Campana (Di Girolamo, 1970; Barberi et al., 1978). Al contrario, altri ricercatori, sulla base di dati di campagna, di pozzi, gravimetrici e sismici, ritengono che una caldera, che si comporta alla guisa di un pistone, sia presente nei Campi Flegrei e nella parte settentrionale del Golfo di Napoli e che essa sia responsabile delle eruzioni legate all'Ignimbrite Campana e al Tufo Giallo Napoletano (Rittman, 1950; Nunziata e Rapolla, 1981; Rosi et al., 1983; Orsi et al., 1996). L'esistenza di una tale caldera è stata recentemente discussa da Milia e Torrente (2003) che hanno documentato, nella parte settentrionale del Golfo di Napoli, un pattern di faglie regionali e l'assenza di chiare strutture calderiche.
Ancora, vi sono anche interpretazioni differenti sull'area centrale dei Campi Flegrei che come si è detto è marcata in superficie dal terrazzo marino de "La Starza" posto attualmente a 40 m a.s.l. (Cinque et al., 1985) con evidenze di almeno due differenti livelli di erosione marina separate da un salto topografico (a 40 m e a 50-54 m a.s.l.). Il blocco sollevato delimitato dal terrazzo de "La Starza" viene considerato infatti come un duomo risorgente da Orsi et al. (1996), mentre Milia e Torrente (2000) lo interpretano come l'effetto superficiale di un'anticlinale tettonica che emerge durante l'Olocene in corrispondenza di Pozzuoli.
Come si evince da quanto sopra riportato, nonostante la notevole mole di pubblicazioni prodotte dagli Autori sui Campi Flegrei rimane ancora aperta la problematica dell'esistenza o meno di relazioni tra patterns di faglie regionali e ubicazione e caratterizzazione dei prodotti legati ai principali eventi dell'attività vulcanica.
In questo contesto, giova qui ricordare che ai fini di una conoscenza dell'evoluzione magmatica dei Campi Flegrei e quindi di una loro caratterizzazione in funzione della valutazione del rischio vulcanico, riveste importanza primaria il ruolo dei volatili nei magmi (De Vivo et al., 2005). L'importanza dei volatili nella generazione, risalita e cristallizzazione dei magmi, è stata riconosciuta sin dagli anni 20-30 (Bowen, 1928). Negli anni 1960-80, furono intrapresi diversi studi sperimentali per determinare i parametri termodinamici che controllano la solubilità dei volatili nei magmi (Burnham & Jahns, 1962; Wyllie, 1979). La capacità dei magmi di trasportare elementi è una funzione diretta delle solubilità di tali elementi nel magma e nei fluidi annessi, ed in questo contesto il comportamento degli alogeni riveste un'importanza particolare. Le solubilità dei volatili nel magma, a loro volta, dipendono dalla composizione, pressione, temperatura dei magmi e dei fluidi annessi. La comprensione quindi del comportamento di elementi specifici di interesse, è in parte, direttamente legata alla conoscenza dei processi di degassamento e della composizione dei fluidi che evolvono dai magmi. Con il tempo, grazie allo sviluppo di nuove tecniche analitiche, hanno avuto impulso gli studi sulle inclusioni vetrose (melts) intrappolate nei cristalli magmatici. Anderson et al. (1989) hanno pubblicato il primo set di dati ottenuto con tecniche spettroscopiche all'infrarosso per l'analisi di inclusioni vetrose di una singola eruzione, Bishop Tuff (California). Successivamente altri studi sulle inclusioni vetrose di Bishop Tuff (Skirius et al., 1990; Hervig e Dunbar, 1992) hanno dimostrato che le inclusioni registrano una varietà di processi magmatici che non possono essere rivelati con altri approcci petrologici. In particolare, gli studi svolti sui vulcani italiani hanno messo in rilievo l'importanza del degassamento e della cristallizzazione nella determinazione dello stile eruttivo. Gli studi di Raia et al. (2000), Webster et al. (2001) e Webster et al. (2003), sulle inclusioni vetrose contenute nei prodotti dell'intera attività del Vesuvio, mostrano che i magmi associati all'attività pliniana e subpliniana, successivamente all'eruzione di Avellino (2550 YBP), contengono una maggiore abbondanza di H2O, arricchimenti significativi in S e rapporti S/Cl significativamente più elevati rispetto a quelli che si rinvengono nei magmi associati alle eruzioni pliniane. Secondo questi risultati, i rapporti S/Cl rappresenterebbero un marker per le eruzioni pliniane, subpliniane e interpliniane. La verifica dei modelli interpretativi costruiti da Webster et al. (2001, 2003) e Lima et al. (2003) per il Somma-Vesuvio, costituisce una ragione valida per estendere anche questo tipo di indagini agli apparati vulcanici dei Campi Flegrei. <<<