Vulcanologia

L'attività vulcanica


 
Premessa

Rimandandovi, per maggiori approfondimenti, al mio articolo sulla Sismologia Vulcanica [»]con cui queste mie brevi note si integrano e completano, vorrei adesso affrontare, anche se in maniera estremamente semplificata e ridotta, la questione dell’attività vulcanica da un punto di vista termodinamico.

Esistono, all’interno del mantello terrestre elementi chimici radioattivi instabili che, spontaneamente, in un periodo di tempo, più o meno lungo ma determinato, si trasformano in altri elementi stabili. Durante questa vera e propria metamorfosi si originano le cosiddette reazioni di fissione (scissione) nucleare con l’emissione di un’inimmaginabile quantità di energia termica attraverso particelle chiamate alfa (α), beta (β) e gamma (γ), si verificano in tal modo enormi e lentissimi spostamenti di materiale più caldo e meno denso, che tende a risalire dalle zone profonde del pianeta verso la superficie, mentre materiale più denso e più freddo ridiscende verso il basso attraverso correnti convettive e advettive a moto circolare che danno vita ad un trasferimento di energia termica.
Il vulcanismo, fenomeno a scala planetaria e che le testimonianze geologiche ci dicono essere presente ed attivo da miliardi di anni, rappresenta pertanto la risposta al lavoro compiuto nelle profondità del pianeta da microscopiche particelle radioattive: dalla tranquilla effusione di lava ad esplosioni gigantesche, così violente da sconvolgere enormi superfici.

Questo fenomeno geologico consiste nel trasferimento di immense quantità di energia e materia dall’interno del pianeta fino alla sua superficie attraverso continui processi di fusione parziale del mantello superiore terrestre (àstenosfera). Costituito prevalentemente da miscele di vari ossidi di Silice, Alluminio, Ferro, Calcio, Magnesio, Sodio, Potassio ed altri elementi
minori, questo materiale rappresenta il prodotto finale di un lungo processo svoltosi all’interno del nostro pianeta e che durante un’eruzione può risalire verso la superficie in tempi che variano da poche ore a molti anni, subendo nel contempo un vero e proprio processo di distillazione che produce magmi di composizione chimica e mineralogica assai diversa rispetto al capostipite (Differenziazione magmatica).
Nel corso di miliardi di anni, la superficie rugosa del nostro pianeta ha cambiato molte volte aspetto. Ci sono stati tempi in cui, tutte le terre emerse erano riunite in un unico supercontinente (Pangea) circondato da un unico oceano (Pantalassa). Un processo di espansione dei fondali oceanici e di conseguente deriva dei continenti, causato da questi lentissimi movime
nti convettivi di trasporto energetico dalle profondità del pianeta, ha portato all’attuale configurazione geografica del pianeta. Tutto ciò ha lasciato delle enormi cicatrici come testimonianza degli immani fenomeni geodinamici. Lungo queste aree a maggiore debolezza strutturale, si verificano terremoti ed eruzioni vulcaniche. Centinaia di vulcani attivi, più frequenti in alcune aree e meno in altre, si sviluppano sull’intero pianeta, quasi a costituire un’enorme “cerniera”. La maggior parte dei Vulcani si trova negli archi di isole come il Giappone, l’Indonesia, la Nuova Guinea, le Marianne, le Filippine, le Antille, e nei margini continentali a cordigliera come le Ande. Tuttavia il luogo più evidente dell'irrequietezza del nostro pianeta è rappresentato dagli oltre 75.000 Km di dorsali oceaniche che si sviluppano dall'Atlantico al Pacifico attraverso l'oceano Indiano e che sono caratterizzate da continue emissioni di materiale fuso. Questa enorme cicatrice si sviluppa lungo il fondo degli oceani, attraverso un complesso ed articolatissimo sistema di creste, dorsali e fratture che hanno dato luogo alla più imponente catena montuosa del globo.
Il bacino del Mediterraneo è una delle regioni del pianeta dove le testimonianze dei processi geodinamici derivanti direttamente o indirettamente dal vulcanesimo sono molto evidenti. Quest’area è dominata da processi tettonici di convergenza litosferica, che hanno probabilmente trovato sviluppo durante il Mesozoico, per effetto delle diverse velocità di apertura manifestatesi lungo la dorsale medio-atlantica. La maggiore velocità di apertura lungo il segmento meridionale della dorsale rispetto alla velocità del segmento settentrionale, ha indotto un'accelerazione relativa del blocco africano rispetto alla massa continentale euroasiatica, imprimendo all'Africa una rotazione antioraria e portandola a serrarsi contro l'Eurasia. Tale collisione si è sviluppata attraverso una serie di eventi occorsi in tempi differenti.
L’evoluzione del processo di convergenza tra Africa ed Eurasia ha conosciuto diverse fasi di collisioni determinando estesi fenomeni di subduzione e distensione nella crosta oceanica (Tetide) che hanno portato ad un'intensa disarticolazione e frammentazione della struttura litosferica originaria, creando un mosaico di microzolle più o meno stabili, in movimento le une rispetto alle altre.
Lungo il margine orientale della Sicilia, dove intense e continue manifestazioni eruttive di natura basica si sono verificate sin dalla fine del Miocene, circa 10 milioni di anni fa. Queste manifestazioni hanno interessato una fascia che si estende nell'entroterra fino a 30-40 Km. dalla costa jonica e, spostandosi verso posizioni sempre più settentrionali, hanno raggiunto l'area dove oggi si trova l' Etna. La progressiva crescita dei vulcani eoliani, tutti nati sul fondo del mare, ha condotto, nel corso degli ultimi 500 mila anni, alla loro emersione ed alla formazione delle sette isole che costituiscono oggi l'arcipelago. Altri edifici vulcanici, tuttora sotto il livello del mare, completano con rilievi sottomarini (Seamounts: Marsili, Vavilov, Magnaghi), il complesso strutturale che assume le caratteristiche tipiche di "arco vulcanico". Tra gli elementi strutturali che contraddistinguono l'arco delle Eolie serve ricordare la discontinuità litosferica con orientamento NNW-SSE, lungo la quale si collocano le isole di Vulcano, Lipari e Salina, che si estende verso Sud attraversando la Sicilia nord-orientale da Capo Tindari a Giardini sulla costa ionica. Questa discontinuità strutturale, che prende il nome di "linea Tindari-Letojanni", unitamente al sistema di faglie litosferiche che borda ad oriente la Sicilia meridionale e che viene comunemente designato come "scarpata ibleo-maltese", rappresenta la sede dei più frequenti e spesso disastrosi terremoti che hanno colpito la Sicilia orientale.

Qualsiasi attività vulcanica, parossistica o di modesta entità, è dovuta direttamente o indirettamente alla liberazione più o meno violenta dei gas disciolti molecolarmente nel magma. Il modo in cui si manifesta la separazione della fase gassosa dal resto della massa silicatica fusa, è funzione della viscosità del magma e delle condizioni geodinamiche che determinano la sua ascesa. Molti vulcani, tra cui l’Etna, presentano un’attività mista: effusiva ed esplosiva, al fine di meglio comprendere la dinamica della risalita e messa in posto dei magmi lungo i condotti eruttivi, nonché del tipo dell’attività vulcanica, sarà necessario stabilire il valore assunto dal rapporto tra: la Pint, dovuta alla somma delle tensioni di vapore parziali esercitate dai gas disciolti molecolarmente nel magma e la Pest che ad essa si oppone.

In condizioni di equilibrio termodinamico il rapporto tra Pint e Pest tende ad assumere un valore prossimo ad 1. A grande profondità, la Pest è data dalla somma della P idrostatica dell’intera colonna magmatica sovrastante a cui bisogna aggiungere la Resistenza dovuta alla Viscosità del magma.
Se per ragioni geodinamiche, il dicco magmatico viene a portarsi ad una profondità minore, il rapporto: Pint /Pest tenderà ad assumere valori prossimi o superiori al valore di equilibrio e conseguentemente la Pest diventerà inferiore alla somma delle Tensioni di vapore parziali esercitate dai gas disciolti molecolarmente nel magma e al fine di ristabilire termodinamicamente la condizione di equilibrio, un’enorme quantità di gas si libererà formando delle bolle (Slug) e darà inizio alla risalità del magma lungo i condotti eruttivi creando le condizioni fisiche per l’innesco di una nuova attività vulcanica.

 

Attività persistente ed eruzioni a condotto aperto

Attività tipica di vulcani a condotti aperti e a magma fluido (es: Etna).
Tale attività persistente consiste nella liberazione dei gas ad intervalli +/- regolari alla superficie della colonna magmatica e con esplosioni durante le quali vengono ejectati in alto brandelli di magma.
Quest’attività è dovuta ad una fluttuazione intorno all’equilibrio termodinamico tra Pest e Pint e può persistere a lungo finché non viene turbata da eventi estranei al sistema.


Nei vulcani a magma viscoso la fenomenologia è differente. L’alta viscosità del magma non soltanto ostacola la liberazione dei gas –che pertanto avviene in maniera altamente esplosiva-, ma causa anche un’enorme rallentamento dei movimenti convettivi con il risultato che il condotto non può rimanere aperto ma, deve essere svuotato ad ogni esplosione. Ne consegue che non si osservano né lanci di scorie o brandelli di lava, né effusioni lente subterminali come talvolta si osservano nei vulcani a magma fluido.
Nei vulcani a magma viscoso pertanto, l’attività persistente si manifesta con la formazione nel cratere di cupole di ristagno. Talvolta, la massa fusa dell’interno della cupola può venire in superficie lungo spaccature, formando delle tozze colate di lava che hanno come effetto solamente quello di accrescere la cupola di ristagno. Se la viscosità del magma è molto alta, attraverso il condotto di alimentazione vengono spinte in alto colonne di lava già quasi solida che formeranno delle protrusioni solide o guglie. Famosa quella dell’Aiguille del vulcano Pelée nell’isola della Martinica o quella del vulcano St. Helens in U.S.A. La crescita delle cupole di ristagno e delle protrusioni solide può durare con fluttuazioni per molti anni e talvolta può dare luogo a fenomeni esplosivi talmente imponenti da sconvolgere un’intera regione con conseguenze catastrofiche se la Pint dei gas è altissima. In questi casi si producono le cosiddette nubi ardenti che consistono in una sospensione incandescente mobilissima di cristalli preformati, lava, piroclastiti, gas e fluidi ad altissima temperatura che scorrono impetuosamente lungo le pendici dell’edificio vulcanico come una valanga densissima, con velocità superiori ai 200 km/h distruggendo tutto ciò che incontrano lungo la loro traiettoria producendo modificazioni geografiche immense e talvolta seminando morte e distruzione. Esempi di tali violentissime fenomenologie vulcaniche sono state le nubi ardenti discendenti del vulcano Pelèe e La Soufrière che nel 1902 distrussero le città di St. Pierre e St. Vincent nell’isola della Martinica (arcipelago delle Antille) o quella del vulcano: Mont St. Helens del 1980.

Nei vulcani come l’Etna, in seguito ad una rottura dell’equilibrio dinamico che regna durante l’attività persistente, si verificano delle eruzioni a condotto aperto. Ciò avviene generalmente, attraverso l’apertura di una fessura eruttiva in profondità nella quale il magma iniettandosi determina un brusco abbassamento della colonna magmatica nel condotto, provocando la diminuizione della Pidrostatica e la conseguente eruzione terminale, se la fessura non raggiunge la superficie del condotto o laterale, se la fessura radiale arriva in superficie lungo il fianco dell’edificio vulcanico.
Le eruzioni terminali di magmi fluidi rappresentano pertanto, la risposta violenta ad un rapido abbassamento della colonna magmatica in seguito all’aprirsi, in profondità, di una fessura eruttiva che non raggiunge la superficie. L’intensità di un’eruzione terminale dipende dall’ampiezza della fessura e dalla rapidità con la quale essa si apre. La fenomenologia di un’eruzione terminale, può essere schematizzata nel modo seguente: in seguito all’abbassamento della colonna magmatica, l’attività persistente si riduce ad emissione di vapori dai condotti.
Spesso, il materiale incoerente delle pareti del cratere frana otturando il condotto cosicchè si ha l’impressione che il vulcano sia inattivo; il magma più profondo già saturo di gas diviene soprassaturo e comincia a schiumeggiare. L’eruzione inizia con una forte esplosione che svuota il condotto precedentemente riempito dal materiale franato; seguono lanci di scorie e di brandelli di lava che aumentano a tal punto da formare fontane di lava alternate a efflussi di lava. L’intensità di quest’attività va man mano diminuendo con fluttuazioni finché tutto il piromagma si è degassato. Dopo una tale eruzione, segue un periodo di esaurimento.
Un’eruzione terminale di questo tipo, si è avuta sull’Etna il 4 luglio 1964.
Se l’eruzione terminale è particolarmente violenta i gas erompenti frantumano e polverizzano il magma producendo eruzioni di scorie, lava polverizzata e sabbie vulcaniche come quelle occorse nel versante meridionale dell’Etna nel 2002 alle bocche di 2750 e 2800 m. slm.

Precedute da intensi sciami sismici provocati dalla formazione in profondità di fratture radiali che si aprono a scatti progredendo sino alla superficie dell’edificio vulcanico hanno luogo le eruzioni laterali.

Il piromagma del condotto penetra immediatamente nella fessura contribuendo alla sua apertura sino a raggiungere la superficie. Le violente esplosioni che ne seguono lanciano in aria la breccia di apertura e successivamente scorie e brandelli di lava che accumulandosi lungo la fessura producono dei coni di materiale piroclastico (coni avventizi isolati o allineati), mentre dalle bocche più alte si liberano gas carichi di scorie e brandelli di lava, dalla parte più bassa della fessura eruttiva vengono emesse potenti colate di magma parzialmente degassato. Segue una sensibile diminuizione della Pidrostatica ed un abbassamento della colonna magmatica nel condotto centrale.
Una grande quantità di ipomagma si trasforma in piromagma che, liberando violentemente gran parte dei suoi gas, emerge dal Cratere Centrale sotto forma di enormi boli carichi di cenere.
Il tempo e le modalità di un’eruzione laterale saranno funzione delle variabili termodinamiche che sovrintendono il sistema e sino a quando non verrà raggiunto un nuovo stato di equilibrio l’eruzione continuerà sino al completo esaurimento.

 

Foto F. Emmi, F.Belluso, F.Randone