Dynamiques du système hydrothermal au champ de fumerolles de Pisciarelli (Campi Flegrei) : éclairages fournis par la géophysique et la modélisation numérique

Pourquoi ce cratère agité importe

À l’ouest de Naples, en Italie, une vaste dépression volcanique appelée Campi Flegrei gonfle, se fissure et rejette lentement du gaz sous une zone urbaine densément peuplée. Dans cette caldeira, le champ de fumerolles de Pisciarelli est aujourd’hui le principal point d’échappement de vapeur chaude et de dioxyde de carbone à la surface. Comprendre comment les fluides circulent sous terre ici n’est pas qu’un exercice théorique : cela aide les scientifiques à apprécier la proximité possible du système par rapport à des explosions soudaines entraînées par la vapeur, qui pourraient menacer les communautés voisines.

Un voisinage volcanique animé

Les Campi Flegrei ont une longue histoire d’éruptions puissantes et d’épisodes plus calmes mais préoccupants de soulèvement du sol, de dégazage et de petits séismes. Depuis le début des années 1980, le sol s’est soulevé de plus d’un mètre par endroits, avec des cycles de gonflement et d’affaissement. Plus récemment, les émissions gazeuses se sont intensifiées et l’activité s’est déplacée vers Pisciarelli, où un évent rugissant connu sous le nom de Soffione libère désormais plus de 600 tonnes de dioxyde de carbone par jour, autant que certains volcans en éruption. Dans le même temps, le paysage autour des évents a évolué rapidement : de nouvelles fumerolles se sont ouvertes, des mares de boue ont bouillonné et des pentes ont été fragilisées par des glissements de terrain.

Fissures et couvercles cachés sous les évents

Des travaux de terrain antérieurs à Pisciarelli ont utilisé l’imagerie électrique et d’autres outils géophysiques pour cartographier la structure souterraine. Ces levés ont révélé un enchevêtrement de failles qui coupent les roches superficielles, un conduit vertical de terrain fracturé qui laisse remonter les fluides, et une fine couche riche en argile proche de la surface qui joue le rôle d’un toit partiellement étanche. Une faille majeure, orientée à travers la zone, semble en partie bloquer les déplacements latéraux des fluides, provoquant une accumulation de gaz d’un côté. Ensemble, ces caractéristiques créent des voies préférentielles et des pièges pour l’eau chaude et les gaz qui alimentent la principale fumerolle et la mare de boue.

Construire un modèle numérique 3D du sous-sol

Pour transformer ce schéma en outil quantitatif, les auteurs ont construit un modèle numérique tridimensionnel des roches et des structures sous Pisciarelli. Ils ont combiné les images géophysiques avec des logs géologiques, des mesures de débit de gaz et de températures du sol pour attribuer des propriétés réalistes — densité, porosité et perméabilité — à chaque couche, au conduit de remontée, au cap d’argile et à la zone de faille principale. En utilisant un code numérique qui simule comment la chaleur et un mélange eau–dioxyde de carbone à deux phases se déplacent dans une roche poreuse, ils ont injecté du fluide chaud à environ 100 mètres de profondeur et laissé le système évoluer jusqu’à atteindre un état stationnaire compatible avec le flux de gaz observé en surface.

Où s’accumulent pression, chaleur et gaz

Les simulations montrent qu’une poche de fluide sous pression se forme sous le cap d’argile, avec des pressions similaires à celles estimées pour le système hydrothermal plus étendu des Campi Flegrei. Le dioxyde de carbone a tendance à s’accumuler à la base du conduit de remontée, puis à remonter et être poussé latéralement juste sous le cap plutôt que de monter verticalement. La chaleur se diffuse encore plus largement parce qu’elle peut se conduire à travers la roche environnante : la zone la plus chaude enveloppe ainsi la colonne de gaz et approche davantage du cap. Immédiatement au-dessus du cap, le modèle prédit une zone annulaire où coexistent eau liquide et vapeur, enrichie en vapeur autour du noyau fluide central. Ces schémas concordent bien avec des cartes indépendantes de signaux électriques et de température du sol à Pisciarelli, ce qui suggère que le modèle virtuel capture le comportement réel du système.

Une faille qui fait plutôt barrage qu’un drain

Un résultat clé de l’étude est le rôle de la faille principale qui traverse le champ de fumerolles. Dans le modèle, cette faille se comporte principalement comme une barrière plutôt que comme un drain ouvert. Sa faible perméabilité atténue les différences de pression verticale à travers elle et dirige les fluides montants le long de son bord, concentrant gaz, pression et chaleur près du contact entre la faille et le conduit de remontée. Le cap argileux partiellement scellant au-dessus emmagasine ensuite encore davantage pression et gaz tout en laissant cependant fuir une partie vers la surface. Cette combinaison d’un toit partiellement perméable, d’un conduit focalisé et d’une faille agissant comme une barrière crée un équilibre délicat où de modestes variations de pression, de température ou de perméabilité des roches peuvent réorganiser les voies d’écoulement et déplacer les zones de stockage d’énergie.

Ce que cela implique pour le risque local

Pour les habitants autour des Campi Flegrei, l’étude ne prédit pas une éruption imminente, mais elle précise les endroits où un incident est le plus susceptible de commencer. Les résultats indiquent que la zone du Soffione, le cap d’argile peu profond et la zone où le conduit de remontée rencontre la faille sont des cibles prioritaires pour la surveillance. Des variations du débit de gaz, de la température du sol ou de signaux électriques subtils dans ces secteurs pourraient révéler une surpression croissante ou des transitions entre eau et vapeur, deux éléments déterminants pour des explosions soudaines entraînées par la vapeur. En reliant les mesures de surface à un modèle souterrain fondé sur la physique, ce travail offre une façon plus claire de suivre l’état évolutif de ce système hydrothermal agité.

Citation: 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

Mots-clés: Campi Flegrei, fumerolles de Pisciarelli, système hydrothermal, gaz volcanique, explosions phréatiques