Relations between seismo-volcanic signals and gas flow at mt. Etna's summit areas [Relazioni tra segnali sismo-vulcanici e flussi di gas nelle aree sommitali dell'Etna]

Seismo-volcanic signals and summit craters gas emissions are intimately linked phenomena, extremely useful for understanding and monitoring volcanic activity. With this regard, this project focuses on the relationships between Mt. Etna's activity, seismo-volcanic signals (low-frequency seismo-volcanic transients and volcanic tremor) and summit bulk SO2 flux in the period between January 2004 and December 2015. This study has two main objectives: the former is to identify a correlation between the previously listed parameters; the second objective is to interpret and summarise the relationship between the two signals. The investigation was carried out focussing on the various phases and styles of volcanic activity, identifying existence of systematic variations in the parameters. The study was carried out, first calculating the difference between the low-frequency seismo-volcanic transients (LFSTi) and the SO2 flux, obtaining an index called the pressurisation index (Pi). We then calculated the Spearman correlation between volcanic tremor (RMS) and SO2 flux and between LFSTi and SO2 flux for both the entire period and the sub-periods identified by the Pi index cycles. Results showed correlations and anticorrelations between parameters and cycles in the behaviour of the Pi index, together with changes in eruptive activity. The change in the relative relationship between the parameters and eruptive activity could reflect a pressurisation of the shallowest portion of the volcanic conduit, governed by the balance between the permeability/viscosity of the apical supply system and the rate of gas/magma flow from depth. Secondly, the SO2 flux is compared with the emitted magma volumes by calculating the difference between the cumulative SO2 mass and regression line for both parameters. A concordance emerged between increases in SO2 flux and periods of voluminous magma emission, suggesting a possible role of tectonics in the ascent of gas-rich volatile magma from depth and in mass flux modulation. Finally, the mass of magma associated with outgassing is compared with the mass of the erupted products. It emerged that at long-time scale and according to previous studies, most of the outgassed magma is unerupted. Overall, two models were proposed to explain the data variations observed in this work. The first attributes a primary role to the heat transferred by the variable flow of gas-magma from depth in modulating the physical characteristics of magma in the most apical portion of volcanic conduits (e.g. viscosity, permeability). The second model assumes that the increase in viscosity/decrease in permeability of the apical portion of the feeder system is due to outgassing during the final phase of an eruption, which leaves a residual, viscous amount of magma within the superficial portion of the conduits. Both models, therefore, assume that changes in the physical characteristics of the upper portion of the feeder system, reflected in changes in geophysical and geochemical parameters, play a main role in modulating volcanic activity. This multidisciplinary study has highlighted how the relationships between SO2 flux, seismo-volcanic parameters (RMS and LFSTi), together with magma volumes and eruptive activity provide useful information for understanding volcano dynamics. In addition, the relationship between SO2 flux and LFSTi is summarised by the Pi index, which provides a quantification of the pressure state within Mt. Etna's uppermost feeding system, useful for improving the understanding of eruptive processes, style and timing. The Pi index, therefore, appears to be a promising tool for understanding the dynamics of Mt. Etna's eruptive activity, with possible implications for monitoring.

I segnali sismo-vulcanici e le emissioni di gas dei crateri sommitali sono fenomeni intimamente legati, estremamente utili per la comprensione e il monitoraggio dell'attività vulcanica. A questo proposito, il presente progetto si concentra sulle relazioni tra l'attività dell'Etna, i segnali sismo-vulcanici (transienti sismo-vulcanici a bassa frequenza e tremore vulcanico) e il flusso di SO2 sommitale nel periodo compreso tra gennaio 2004 e dicembre 2015. Questo studio ha due obiettivi principali: il primo è quello di individuare una correlazione tra i parametri precedentemente elencati; il secondo è quello di interpretare e riassumere la relazione tra i due segnali. L'indagine è stata condotta focalizzandosi sulle diverse fasi e stili di attività vulcanica, individuando l'esistenza di variazioni sistematiche nei parametri. Lo studio è stato condotto calcolando innanzitutto la differenza tra i transienti sismo-vulcanici a bassa frequenza (LFSTi) e il flusso di SO2, ottenendo un indice chiamato indice di pressurizzazione (Pi). Abbiamo quindi calcolato la correlazione di Spearman tra tremore vulcanico (RMS) e flusso di SO2 e tra LFSTi e flusso di SO2, sia per l'intero periodo sia per i sottoperiodi identificati dai cicli dell'indice Pi. I risultati hanno mostrato correlazioni e anticorrelazioni tra i parametri e i cicli nel comportamento dell'indice Pi, insieme ai cambiamenti nell'attività eruttiva. La variazione della relazione relativa tra i parametri e l'attività eruttiva potrebbe riflettere una pressurizzazione della porzione più superficiale del condotto vulcanico, governata dall'equilibrio tra la permeabilità/viscosità del sistema di alimentazione apicale e il tasso del flusso di gas/magma dalla profondità. In secondo luogo, il flusso di SO2 è stato confrontato con i volumi di magma emessi calcolando la differenza tra la massa cumulativa di SO2 e la linea di regressione per entrambi i parametri. È emersa una concordanza tra gli aumenti del flusso di SO2 e i periodi di emissione voluminosa di magma, suggerendo un possibile ruolo della tettonica nella risalita di magma ricco in gas dalla profondità e nella modulazione del flusso di massa. Infine, la massa di magma associata al degassamento è stata confrontata con la massa dei prodotti eruttati. È emerso che, su scala temporale lunga e in accordo con gli studi precedenti, la maggior parte del magma degassato non viene eruttato. Nel complesso, sono stati proposti due modelli per spiegare le variazioni dei dati osservate in questo lavoro. Il primo attribuisce un ruolo primario al calore trasferito dal flusso variabile di gas-magma dalla profondità nel modulare le caratteristiche fisiche del magma nella porzione più apicale dei condotti vulcanici (ad esempio, viscosità, permeabilità). Il secondo modello ipotizza che l'aumento della viscosità/diminuzione della permeabilità della porzione apicale del sistema di alimentazione sia dovuto al degassamento durante la fase finale di un'eruzione, che lascia una quantità residua e viscosa di magma all'interno della porzione superficiale dei condotti. Entrambi i modelli, quindi, ipotizzano che i cambiamenti delle caratteristiche fisiche della porzione superiore del sistema di alimentazione, che si riflettono in variazioni dei parametri geofisici e geochimici, giochino un ruolo principale nel modulare l'attività vulcanica. Questo studio multidisciplinare ha evidenziato come le relazioni tra il flusso di SO2, i parametri sismo-vulcanici (RMS e LFSTi), insieme ai volumi di magma e all'attività eruttiva forniscano informazioni utili per la comprensione delle dinamiche vulcaniche. Inoltre, la relazione tra flusso di SO2 e LFSTi è sintetizzata dall'indice Pi, che fornisce una quantificazione dello stato di pressione all'interno del sistema di alimentazione apicale dell'Etna, utile per migliorare la comprensione dei processi eruttivi, dello stile e dei tempi. L'indice Pi, quindi, sembra essere uno strumento promettente per la comprensione delle dinamiche dell'attività eruttiva dell'Etna, con possibili implicazioni per il monitoraggio.