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Monitoraggio chimico-isotopico dei gas periferici in area etnea
A. Caracausi, M. Martelli, P.M. Nuccio, A. Paonita, A. Rizzo
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Introduzione
La variazione della composizione chimica e del rapporto isotopico dell’elio delle manifestazioni gassose, rappresentano un importante indicatore delle dinamiche del magma all’interno del sistema di alimentazione di un vulcano. Numerosi studi svolti non solo in area etnea (Nuccio e Paonita, 2001; Caracausi et al., 2003a; 2003b; Capasso et al., 2004; Rizzo et al., 2006) hanno mostrato come tali variazioni siano legate al degassamento magmatico durante fasi di risalita e/o depressurizzazione, sebbene sorgenti diverse e/o processi più superficiali possano contribuire alla modificazione di tali gas. In accordo a tale tesi, dal 1996 la Sezione di Palermo dell’INGV, fra le numerose attività di monitoraggio svolte per fini di sorveglianza dell’attività vulcanica dell’Etna, effettua un controllo periodico della composizione chimica (CO2, He, H2, O2, N2, CH2 e CO) ed isotopica (δ13C-CO2, δ18O CO2, R/Ra He) dei gas emessi dalle principali manifestazioni naturali presenti sia in area peri-etnea che al di fuori dell’edificio vulcanico. I siti regolarmente monitorati sono sei (Fig. 1):
  • P39 si trova in Contrada Pescheria e consiste in emissioni gassose diffuse dal suolo a CO2 dominante (Fig. 2).
  • Vallone Salato e Stadio, prossimi all’abitato di Paternò, sono gas gorgoglianti da vulcanetti di fango, edificati dagli stessi fluidi emergenti e periodicamente distrutti dalle precipitazioni (Fig. 3).
  • Naftia (Palagonia), è una mofeta caratterizzata da imponenti emissioni di CO2 che da alcuni decenni vengono sfruttate per fini commerciali (Stabilimento di Mofeta dei Palici).
  • Fondachello, si trova presso il comune di Mascali e consiste in gas gorgoglianti in un canale d’irrigazione (Fig. 4).
  • Gioitto, si trova in prossimità del centro abitato di Bronte e consiste in emissioni gassose diffuse dal suolo a CH4 dominante.
In base alle esperienze maturate in questi anni, il campionamento di queste manifestazioni viene svolto con cadenza quindicinale; ai fini delle attività di sorveglianza dell’area etnea questa finestra temporale consente di rivelare le anomalie geochimiche dei gas emessi da queste aree.

Geochimica dei fluidi emessi dalle manifestazioni periferiche
Le manifestazioni gassose di Naftia, Stadio e P39 sono principalmente costituite da CO2, e mostrano variabili contenuti di CH4. Quest’ultima diventa la specie dominante nei gas di Fondachello, e talvolta, Vallone Salato. L’elio è presente con concentrazioni fino a 650 ppmv. La componente atmosferica è pressoché trascurabile in tutti i gas campionati (Fig. 5 e 6 e 7).
I rapporti 3He/4He misurati nei gas campionati ricadono nel range 6.5±1 Ra (Fig. 7); questi valori sono perfettamente in linea con le misure effettuate nelle inclusioni fluide presenti all’interno dei fenocristalli di olivina delle lave etnee (Marty et al., 1994) e indicano, almeno relativamente a questa specie, un’origine magmatica.
Soltanto Gioitto presenta un rapporto isotopico dell’elio inferiore ad 1 (0.05 Ra) tipico di un gas di origine crostale. Insieme all’elevata concentrazione di metano ed ai modesti contenuti di CO2 ed He, tale caratteristica indica una genesi dei fluidi totalmente differente, legata alla presenza dei serbatoi di idrocarburi gassosi presenti nella Sicilia orientale.
Il campionamento delle manifestazioni gassose periferiche etnee ha evidenziato come i gas in risalita siano interessati da significative modificazioni della composizione chimica, dovute alla dissoluzione selettiva della CO2 negli acquiferi idrotermali superficiali (Fig. 6). Data la sua maggiore solubilità in H2O rispetto alle altre specie gassose, la CO2 si impoverisce nella fase volatile, provocando un arricchimento delle altre specie. Tale processo è stato quantificato attraverso modelli geochimici che consentono di calcolare la composizione chimica del gas magmatico prima del frazionamento in seguito a processi di interazione con gli acquiferi superficiali (Caracausi et al., 2003b).
Filtrati da tali disturbi, i rapporti He/Ne e He/CO2 hanno mostrato variazioni sincrone che, sulla base di simulazioni numeriche del degassamento magmatico etneo, sono state interpretate come dovute all’essoluzione di volatili dal magma in risalita e depressurizzazione. Tali variazioni sincrone sono state utilizzate per calcolare le pressioni assolute di degassamento della sorgente magmatica ed identificare processi di risalita magmatica (Fig. 8). Va sottolineato che le pressioni di degassamento stimate in base alle anomalie chimiche ed isotopiche, corrispondono alle principali zone di stazionamento del magma nel sistema di alimentazione etneo, dedotte attraverso indagini geofisiche (Murru et al., 1999; Chiarabba et al., 2000).
Le anomalie del rapporto isotopico dell’elio, inoltre, si sono manifestate prima e durante le principali fasi eruttive del vulcano, suggerendo la presenza di dinamiche magmatiche profonde in un sistema di alimentazione molto più esteso di quanto precedentemente stimato (Caracausi et al., 2003a). I dati attuali indicano che l’attività etnea determina anomalie anche in aree distanti fino a 60 km lungo uno dei principali lineamenti tettonici regionali (NE-SW). Bruschi aumenti del rapporto isotopico dell’elio indicano trasferimenti di magma ricco in volatili attraverso meccanismi convettivi, simili a quelli proposti da Kazahaya et al. (1994). Tali risalite di magma hanno spesso rappresentato l’innesco dei più importanti momenti eruttivi etnei nel periodo 2001-2006 (Fig. 9; Rizzo et al., 2006).
Bibliografia
Capasso G., Carapezza M. L., Federico C., Inguaggiato S., Rizzo A. (2004) - The 2002-2003 eruption at Stromboli volcano (Italy): precursory changes in the carbon and helium isotopic composition of both fumarole gases and thermal waters. Bull. Volcanol., 68: 118–134.

Caracausi A, Italiano F, Nuccio P M, Paonita A, Rizzo A (2003b) Evidence of deep magma degassing and ascent by geochemistry of peripheral gas emissions at Mt. Etna (Italy): assessment of the magmatic reservoir pressure. J Geophys Res 108 (B10): 2463 doi: 10.1029/2002JB002095.

Caracausi A, Favara R, Giammanco S, Italiano F, Nuccio P.M, Paonita A, Pecoraino G, Rizzo A (2003a) Mount Etna: Geochemical signals of magma ascent and unusually extensive plumbing system. Geophys Res Lett 30 (2): 1057 doi: 10.1029/2002GL015463.

Chiarabba, C., A. Amato, E. Boschi and F. Barberi, Recent seismicity and tomographic modeling of the Mount Etna plumbing system, J. Geophys. Res. 105, 10923-10938, 2000.

Kazahaya K., Shinohara I. and G. Saito, Excessive degassing of Izu-Oshima volcano: magma convection in a conduit, Bull. Volcanol., 56, 207-216, 1994.
Marty, B., T. Trull, P. Lussiez, I. Basile and J.C. Tanguy, He, Ar, O, Sr and Nd isotope constraints on the origin and evolution of Mount Etna magmatism, Earth Planet. Sci. Lett. 126, 23-39, 1994.

Murru, M., Montuori, C., Wyss, M., and Privitera, E., The locations of magma chambers at Mt. Etna, Italy, mapped by b-values, Geophys. Res. Lett., 16, 2553-2556, 1999.

Nuccio, P. M., and A. Paonita, Magmatic degassing of multicomponent vapors and assessment of magma depth: application to Vulcano Island (Italy), Earth Planet. Sci. Lett. 193, 467-481, 2001.

Rizzo A., Caracausi A., Favara R., Martelli M., Nuccio P.M., Paonita A., Rosciglione A., Paternoster M. (2006) - New insights into magma dynamics during last two eruptions of Mount Etna as inferred by geochemical monitoring from 2002 to 2005. Geochem. Geophys. Geosyst., 7, Q06008, DOI 10.1029/2005GC001175.
Ubicazione dei siti di campionamento
Manifestazione Gassosa
Figura 1 - Ubicazione dei siti di campionamento
Figura 2 - Manifestazione gassosa dal suolo di P39
Gas gorgoglianti alle Salinelle di Paternò
Gas gorgoglianti dal torrente di Fondachello
Figura 3 - Gas gorgoglianti alle Salinelle di Paterṇ
Figura 4 - Gas gorgoglianti dal torrente di Fondachello
Composizione chimica dei gas campionati in termini di He, CH4 e CO2.
Variazioni di elio e metano nei gas campionati
Fig. 5 - Composizione chimica dei gas campionati in termini di He, CH4 e CO2.
Fig. 6 - Variazioni di elio e metano nei gas campionati
Composizione isotopica dell’elio, espresso come R/Ra non corretto per la contaminazione atmosferica, e 4He/20Ne nei siti campionati.
Stima delle pressioni assolute di degassamento del magma che alimenta le manifestazioni gassose campionate. Le aree in grigio rappresentano le zone di stazionamento del magma nel sistema di alimentazione etneo in accordo con le investigazioni geofisiche (Murru et al., 1999; Chiarabba et al., 2000). Le aree in giallo identificano le principali variazioni del rapporto isotopico dell’elio (Rizzo et al., 2006).
Fig. 7 - Composizione isotopica dell'elio, espresso come R/Ra non corretto per la contaminazione atmosferica, e 4He/20Ne nei siti campionati.
Fig. 8 - Stima delle pressioni assolute di degassamento del magma che alimenta le manifestazioni gassose campionate. Le aree in grigio rappresentano le zone di stazionamento del magma nel sistema di alimentazione etneo in accordo con le investigazioni geofisiche (Murru et al., 1999; Chiarabba et al., 2000). Le aree in giallo identificano le principali variazioni del rapporto isotopico dell'elio (Rizzo et al., 2006).

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