Fagliazione superficiale da terremoti e creep asismico sul vulcano Etna: ruolo del basamento pre-vulcanico, relazioni con l'instabilità di fianco e le intrusioni magmatiche, implicazioni per i futuri scenari di rischio

This PhD thesis is based on the study of surface faulting events, seismicity and related volcanic eruptions occurring in the Etna volcano (Sicily, Southern Italy), a region where almost 1 million currently people live. The thesis collects the surface faulting events of the last 200 years with particular attention to those occurred during the last two decades. A detailed reconstruction of the surface faulting along the eastern flank of Etna related to the earthquakes of 29 October 2002 and 26 December 2018 and the related aseismic creep events is provided; these events had a shallow hypocentre within the volcanic pile and can be interpreted as the response of sliding of the eastern flank towards the SE. Furthermore, paleosesimological investigations along the Fiandaca Fault, causative of the 2018 earthquake, have been conducted. In addition, detailed information is provided regarding the aseismic creep events that occurred in 2022 and 2023. One of the aims of the thesis is to define the factors affecting the surface faulting in the Etnean volcanic environment. The topography, the morphology of the basement roof and the thickness of the overlying volcanic pile are among the main factors influencing faulting, in terms of: displacement, slip vector and position of fault strands. Conversely, surface geology typically plays a minor role in affecting surface faulting. The volcanic pile lies above a clay basement sloping towards the east. This particular geometry presumably leads to the sliding of the volcanic pile onto the basement clays through a system of blocks separated by faults. In addition, the clay basement and the thickness of the volcanic pile appear to play a dominant role in driving the surface deformation with stick-slip and creep phenomena along faults. Faults involving a volcanic pile thickness greater than 450 m have a seismic behaviour. Conversely, faults where the volcanic pile thickness is less than 250 m tend to move with aseismic creep phenomena. Tehrefore, the volcanic pile could be the seismogenic layer. From the analysis of historical seismicity, it was also possible to make forecasts on the future seismic scenario that could affect the eastern slope of Etna. Furthermore, from a statistical analysis it emerged that earthquakes of magnitude greater than 4 are in 77% of the cases correlated with flank eruptions and therefore probably triggered by magmatic intrusions. Finally, the accurate analysis of surface faulting and flank eruption events allowed to confirm their close relationship with flank instability. The big 17th century Etna flank eruptions, culminated in the 1669 eruptive event, may have changed the volcano's dynamics. In particular, starting from 19th century the establishment of more frequent flank eruptions could have triggered the acceleration of the ongoing instability process by promoting: a) the opening of eruptive fissures more frequently on the volcano's upper-middle flanks and b) the increase in seismicity along the faults that accommodate the sliding of the eastern and south-eastern flanks. The acceleration of the flank instability could be confirmed by the slip rates along the faults that appear to have increased in recent times, more than 10 times in the case of the Pernicana and San Gregorio Faults bounding the eastern flank sliding. Palaeoseismological investigations carried out along the Fiandaca Fault appear to confirm this trend. The hypothesis of the acceleration of flank instability should be further investigated through: a) new palaeoseismological trenches that could provide further information regarding the trend of fault slip rates over time; and b) a detailed statistical study regarding the spatiotemporal distribution of the eruptive fissures.

Questa tesi di dottorato è basata sullo studio degli eventi di faliazione superficiale, sismicità e le connesse eruzioni vulcaniche che insistono nel vulcano Etna, un’area in cui vivono circa 1 milione di persone. La tesi raccoglie gli eventi di fagliazione superficiale degli ultimi 200 anni con particolare attenzione a quelli avvenuti negli ultimi 20. Viene fornita una dettagliata ricostruzione della fagliazione superficiale lungo il versante orientale dell’Etna relativa ai terremoti del 29 Ottobre 2002 e del 26 Dicembre 2018 e degli eventi di creep asismico connessi. Questi eventi hanno avuto un ipocentro superficiale dentro il pacco vulcanico e possono essere interpretati come la risposta di uno scivolamento del vulcano verso SE. Inoltre, indagini palesismologiche sono state condotte lungo la Faglia di Fiandaca, responsabile del terremoto del 2018. In aggiunta, vengono fornite dettagliate informazioni riguardo agli eventi di creep asismico avvenuti nel 2022 e nel 2023. Uno degli scopi della tesi è quello di definire i fattori che influenzano la fagliazione superficiale nell’ambiente vulcanico etneo. La morfologia del tetto del basamento e lo spessore del pacco vulcanico sopra di esso risulta essere tra i fattori principali che influenzano la fagliazione in termini di rigetto, direzione dei vettori di spostamento e posizione delle fratture al suolo. Infatti, il pacco vulcanico poggia su un basamento argilloso vergente verso est. Questa particolare geometria porta presumibilmente allo scivolamento del pacco vulcanico sulle argille del basamento attraverso un sistema di blocchi separate dalle faglie. Fattori secondari che influenzano la fagliazione sono la topografia e raramente la geologia di superficie. Inoltre, il basamento argilloso e lo spessore del pacco vulcanico appare avere un ruolo dominante nel guidare la deformazione superficiale con faglie che si rompono in maniera sismica e con fenomeni di creep. Le faglie che interessano uno spessore di vulcaniti superiore a 450 m hanno un comportamento sismico. Al contrario le faglie che si trovano dove lo spessore del pacco vulcanico è inferiore a 250 m tendono a muoversi con fenomeni di creep asismico. Quest’ultima analisi suggerisce che il pacco vulcanico rappresenta lo spessore sismogenetico. Dall’analisi della sismicità storica è stato anche possibile fare delle previsioni sul futuro scenario sismico che potrebbe interessare il versante orientale dell’Etna. Inoltre, è emerso che i terremoti di magnitudo superiore a 4 nel 77% dei casi sono correlati ad eruzioni laterali e quindi probabilmente innescati dalle intrusioni magmatiche. Infine, l’accurata analisi degli eventi di fagliazione superficiale e eruzioni laterali ha permesso di confermare la loro stretta relazione con l’instabilità di fianco. Le grandi eruzioni laterali dell'Etna nel XVII secolo, culminate nell'evento eruttivo del 1669, possono aver modificato la dinamica del vulcano. In particolare, a partire dal XIX secolo, l'instaurarsi di eruzioni di fianco più frequenti potrebbe aver innescato un'accelerazione del processo di instabilità in atto, favorendo: a) l’apertura di fessure eruttive con più frequenza nei medio-alto versanti del vulcano e b) l’aumento della sismicità lungo le faglie che accomodano lo scivolamento del fianco orientale e sud orientale. Quest’ultima potrebbe essere confermata dai tassi di scorrimento lungo le faglie che sembrano aumentati negli ultimi secoli. Le indagini paleosismologiche eseguite lungo la Faglia di Fiandaca sembrano confermare questa tendenza. L’ipotesi dell’accelerazione dell’instabilità di fianco dovrebbe essere investigata ulteriormente attraverso a) la realizzazione di nuove trincee paleosismologiche che potrebbero fornire ulteriori informazioni riguardo all’andamento degli slip rate nel tempo, e b) uno studio statistico di dettaglio riguardo la distribuzione spaziotemporale delle fessure eruttive.