WP3 Sviluppo di procedure automatiche per l’integrazione nelle sale operative di misure, modelli predittivi e prodotti di ricerca dell’INGV - Utilizzo preliminare del failure forecast method sui dati GPS di spostamento orizzontale registrati nella caldera

Abstract

La caldera dei Campi Flegrei è un campo vulcanico che ha prodotto almeno 70 eruzioni negli ultimi 15,000 anni [Smith et al., 2011; Bevilacqua et al., 2016]. Episodi di lento sollevamento e abbassamento del terreno, chiamati bradisismo, caratterizzano la dinamica recente del sistema [Acocella et al., 2014; Bevilacqua et al., 2020]. Negli ultimi decenni ci sono state due crisi bradisismiche, nel 1969/1972 e nel 1982/1984, con un sollevamento di 1.70 m e 1.85 m, rispettivamente. Migliaia di terremoti, con una magnitudo massima di 4.2, hanno causato l’evacuazione parziale di Pozzuoli nell’ottobre 1983. Le crisi sono state seguite da circa 20 anni di subsidenza, circa 1 m in totale, fino al 2005 [Del Gaudio et al., 2010]. Dopo il 2005 i Campi Flegrei si sono sollevati nuovamente, con un tasso più lento che nelle crisi precedenti ma accelerando progressivamente [De Martino et al., 2014; Chiodini et al. 2016; Giudicepietro et al., 2019; Tamburello et al., 2019], con uno spostamento verticale massimo nell’area centrale di ca. 70 cm.
In questo studio, usando il failure forecast method [Voight, 1988] si fornisce una stima preliminare del failure time dei segnali di unrest della caldera dei Campi Flegrei, concentrandoci sul dato di deformazione orizzontale registrato in 11 stazioni GPS nel periodo [2011, 2020]. In particolare, si applica un approccio probabilistico che modifica il metodo classico incorporando un rumore stocastico nelle equazioni linearizzate e una proprietà di mean-reversion per modularne gli effetti [Bevilacqua et al., 2019]. La formulazione stocastica permette di analizzare i dati registrati in ca. 10 anni di monitoraggio, includendo, tramite il rumore, gli effetti della dinamica variabile che caratterizza l’unrest della caldera. Si forniscono previsioni temporali con quantificazione dell’incertezza, cioè informazioni su un intervallo di possibili failure times (potenzialmente indicativi della data di eruzioni, vedi sotto).
La base del failure forecast method è una legge fondamentale dei materiali sollecitati verso il punto di rottura: ẇ-α ẅ = A, dove ẇ è il tasso del segnale precursore, e α, A sono parametri del modello che si adattano ai dati. Per α >1, la soluzione è una power law di esponente 1/(1 − α) che diverge al tempo Tf, chiamato failure time [Cornelius and Voight, 1995]. Nel nostro caso, Tf è il tempo in cui i segnali in accelerazione, registrati ai Campi Flegrei, divergerebbero all’infinito, se seguissero il modello power law nel futuro. L’interpretazione di Tf come l’inizio di un’eruzione vulcanica è puramente speculativa [Kilburn, 2018].