Hydrothermale Systemdynamik im Fumarolenfeld Pisciarelli (Campi Flegrei): Einblicke aus geophysikalischer und numerischer Modellierung

Warum dieser unruhige Krater wichtig ist

Am westlichen Rand von Neapel, Italien, hebt sich eine ausgedehnte vulkanische Senke, die Campi Flegrei genannt wird, langsam, reißt auf und gibt unter dicht besiedeltem Gebiet Gase ab. Innerhalb dieser Caldera ist das Fumarolenfeld Pisciarelli inzwischen der wichtigste Ort, an dem heißer Dampf und Kohlendioxid an die Oberfläche entweichen. Zu verstehen, wie sich Fluide hier unterirdisch bewegen, ist nicht nur eine akademische Aufgabe: Es hilft Wissenschaftlern einzuschätzen, wie nahe das System an plötzlichen, dampfgetriebenen Explosionen sein könnte, die nahegelegene Gemeinden bedrohen würden.

Eine belebte vulkanische Nachbarschaft

Die Campi Flegrei haben eine lange Geschichte mächtiger Eruptionen und ruhigeren, aber beunruhigenden Episoden von Bodenerhebung, Gasaustritt und kleinen Erdbeben. Seit Anfang der 1980er Jahre hat sich der Boden stellenweise um mehr als einen Meter gehoben, begleitet von Zyklen des Anschwellens und Absinkens. In jüngerer Zeit haben sich die Gasemissionen verstärkt und die Aktivität hat sich in Richtung Pisciarelli verlagert, wo ein dröhnender Auslass, der Soffione, inzwischen mehr als 600 Tonnen Kohlendioxid pro Tag freisetzt – so viel wie einige ausbrechende Vulkane. Gleichzeitig hat sich die Landschaft um die Austrittsstellen schnell verändert, mit neuen Fumarolen, aufgewühlten Schlammpools und durch Erdrutsche destabilisierten Hängen.

Verborgene Risse und Deckschichten unter den Austritten

Frühere Feldarbeiten in Pisciarelli nutzten elektrische Abbildungen und andere geophysikalische Instrumente, um die unterirdische Struktur zu kartieren. Diese Untersuchungen zeigten ein Geflecht von Verwerfungen, die die flachen Gesteine durchschneiden, einen vertikalen Kanal aus zerrüttetem Material, der Fluide aufsteigen lässt, und eine dünne, tonreiche Schicht nahe der Oberfläche, die als undichter Deckel wirkt. Eine wichtige Verwerfung, die quer durch das Gebiet zieht, scheint Fluide seitlich teilweise zu blockieren und führt dazu, dass sich Gas auf einer Seite anreichert. Zusammen schaffen diese Merkmale bevorzugte Wege und Fallen für heißes Wasser und Gas, die die Hauptfumarole und den Schlammpool speisen.

Aufbau eines 3D-Digitalmodells des Untergrunds

Um dieses Bild in ein quantitatives Werkzeug zu verwandeln, bauten die Autorinnen und Autoren ein dreidimensionales Digitalmodell der Gesteine und Strukturen unter Pisciarelli. Sie kombinierten die geophysikalischen Bilder mit geologischen Bohrprotokollen, Messungen der Gasemissionen und Bodentemperaturen, um realistische Eigenschaften wie Dichte, Porosität und Durchlässigkeit für jede Schicht, den Aufstiegskanal, die Tonschicht und die Hauptverwerfung zuzuweisen. Mit einem Rechenprogramm, das simuliert, wie Wärme und ein zweikomponentiges Wasser–Kohlendioxid-Gemisch durch poröses Gestein strömen, injizierten sie heißes Fluid in etwa 100 Metern Tiefe und ließen das System sich so lange entwickeln, bis es ein stationäres Muster erreichte, das dem beobachteten Gasfluss an der Oberfläche entsprach.

Wo Druck, Wärme und Gas sich anreichern

Die Simulationen zeigen, dass sich ein druckbehaftetes Fluidpolster unter der Tonschicht bildet, mit Drücken, die denen entsprechen, die für das weitere hydrothermale System der Campi Flegrei geschätzt werden. Kohlendioxid neigt dazu, sich an der Basis des Aufstiegskanals anzureichern, steigt dann auf und wird unmittelbar unter der Deckschicht seitlich gedrängt, anstatt gerade nach oben zu wandern. Wärme breitet sich noch weiter aus, weil sie durch das umgebende Gestein leiten kann; daher umhüllt die heißeste Zone die Gasfahne und reicht näher an die Deckschicht heran. Direkt oberhalb der Tonschicht sagt das Modell eine ringförmige Zone voraus, in der flüssiges Wasser und Dampf koexistieren, mit einer Dampfanreicherung rund um den zentralen Fluidkern. Diese Muster stimmen gut mit unabhängigen Karten elektrischer Signale und Bodentemperaturen in Pisciarelli überein, was darauf hindeutet, dass das virtuelle Modell das reale Verhalten des Systems erfasst.

Eine Verwerfung, die eher wie ein Damm als wie ein Rohr wirkt

Ein zentrales Ergebnis der Studie ist die Rolle der Hauptverwerfung, die das Fumarolenfeld durchzieht. Im Modell verhält sich diese Verwerfung größtenteils wie ein Hindernis statt wie ein offener Abfluss. Ihre geringe Permeabilität schwächt vertikale Druckunterschiede darüber hinweg und lenkt aufsteigende Fluide entlang ihrer Kante, wodurch Gas, Druck und Wärme in der Nähe der Kontaktzone zwischen Verwerfung und Aufstiegskanal konzentriert werden. Die teilweise abdichtende Tonschicht darüber speichert dann zusätzlich Druck und Gas, lässt aber dennoch etwas Ausgasung an die Oberfläche zu. Diese Kombination aus einem undichten Deckel, einem fokussierten Kanal und einer barriereartigen Verwerfung schafft ein empfindliches Gleichgewicht, in dem mäßige Änderungen von Druck, Temperatur oder Gesteinsdurchlässigkeit die Strömungspfade umorganisieren und die Orte verändern können, an denen Energie gespeichert wird.

Was das für das lokale Risiko bedeutet

Für die Menschen rund um die Campi Flegrei sagt die Studie keinen unmittelbaren Ausbruch voraus, aber sie schärft das Bild, wo Probleme am ehesten beginnen könnten. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Gebiet um den Soffione, die flache Tonschicht und die Zone, in der der Aufstiegskanal auf die Verwerfung trifft, vorrangige Ziele für die Überwachung sind. Änderungen im Gasausstoß, der Bodentemperatur oder subtile elektrische Signale in diesen Bereichen könnten wachsenden Überdruck oder Verschiebungen zwischen Wasser und Dampf anzeigen, beides wichtige Faktoren für plötzliche dampfgetriebene Explosionen. Indem Oberflächenmessungen an ein physikbasiertes Untergrundmodell gebunden werden, bietet die Arbeit einen klareren Weg, den sich entwickelnden Zustand dieses unruhigen hydrothermalen Systems zu verfolgen.

Zitation: Salone, R., Troiano, A., Di Giuseppe, M.G. et al. Hydrothermal system dynamics at Pisciarelli fumarole field (Campi Flegrei): insights from geophysical and numerical modelling. Sci Rep 16, 15852 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46202-9

Schlüsselwörter: Campi Flegrei, Pisciarelli-Fumarolen, hydrothermales System, vulkanisches Gas, phreatische Explosionen