Динамика гидротермальной системы в зоне фумарол Pisciarelli (Campi Flegrei): выводы геофизического и численного моделирования

Почему этот беспокойный кратер важен

На западной окраине Неаполя, Италия, обширная вулканическая впадина Campi Flegrei постепенно поднимается, растрескивается и выделяет газы под густонаселенным городским районом. Внутри этой кальдеры поле фумарол Pisciarelli сейчас является главным местом выхода горячего пара и углекислого газа на поверхность. Понимание того, как здесь движутся жидкости под землёй, не чисто академическое занятие: это помогает учёным оценить, насколько система может быть близка к внезапным паровым взрывам, которые могут угрожать прилегающим сообществам.

Шумный вулканический квартал

Campi Flegrei имеет долгую историю мощных извержений и более спокойных, но тревожных эпизодов поднятия грунта, выделения газов и мелких землетрясений. С начала 1980‑х в некоторых местах уровень земли поднялся более чем на метр, с циклами вздутия и проседания. В последнее время выбросы газов усилились, а активность сместилась в сторону Pisciarelli, где ревущий выход, известный как Софионе, сейчас выбрасывает более 600 тонн углекислого газа в день — столько же, сколько некоторые извергающиеся вулканы. Одновременно ландшафт вокруг выходов быстро меняется: появляются новые фумаролы, булькают грязевые котлы, и склоны дестабилизируются оползнями.

Скрытые трещины и покрышки под выходами

Предыдущие полевые работы в Pisciarelli использовали электрическое зондирование и другие геофизические методы для картирования подповерхностной структуры. Эти обследования выявили сеть разломов, прорезающих мелкие породы, вертикальный канал разрушенных пород, по которому поднимаются жидкости, и тонкий богатый глиной слой близко к поверхности, выступающий в роли «протекающей крышки». Один крупный разлом, тянущийся через район, по-видимому частично препятствует боковому перемещению флюидов, вызывая накопление газов с одной стороны. В совокупности эти элементы создают предпочитаемые пути и ловушки для горячей воды и газа, питающие основную фумаролу и грязевой котёл.

Создание 3D цифровой модели подпочвы

Чтобы превратить эту картину в количественный инструмент, авторы построили трёхмерную цифровую модель пород и структур под Pisciarelli. Они объединили геофизические изображения с геологическими записью, измерениями выхода газов и температурой грунта, чтобы присвоить реалистичные свойства — такие как плотность, пористость и проницаемость для потоков — каждому слою, восходящему каналу, глинистой покрышке и основной зоне разлома. Используя компьютерный код, моделирующий перенос тепла и двухкомпонентной смеси вода–углекислый газ в пористой породе, они ввели тёплую жидкость на глубине около 100 метров и дали системе развиться до устойчивой схемы, согласующейся с наблюдаемым потоком газа на поверхности.

Где накапливаются давление, тепло и газ

Симуляции показывают, что под глинистой покрышкой формируется прессуризованный карман жидкости с давлением, сопоставимым с оценками для более широкой гидротермальной системы Campi Flegrei. Углекислый газ имеет тенденцию накапливаться у основания восходящего канала, затем поднимается и под капом отталкивается вбок, а не движется строго вверх. Тепло распространяется ещё шире, потому что оно может проводиться через окружающие породы, поэтому самая горячая зона огибает газовую струю и приближается ближе к покрышке. Непосредственно над покрышкой модель предсказывает кольцевую зону сосуществования жидкости и пара, обогащённую паром вокруг центрального жидкостного ядра. Эти закономерности хорошо согласуются с независимыми картами электрических сигналов и температуры почвы в Pisciarelli, что говорит о том, что виртуальная модель захватывает реальное поведение системы.

Разлом, который действует скорее как плотина, чем как труба

Ключевой результат исследования — роль главного разлома, пересекающего поле фумарол. В модели этот разлом ведёт себя в основном как барьер, а не как открытый сток. Его низкая проницаемость ослабляет вертикальные перепады давлений через него и направляет восходящие жидкости вдоль своего края, концентрируя газ, давление и тепло вблизи контакта между разломом и восходящим каналом. Частично запечатывающая глинистая покрышка сверху затем дополнительно аккумулирует давление и газ, при этом позволяя некоторой утечке на поверхность. Такое сочетание протекающей крышки, сфокусированного канала и разлома-барьера создаёт деликатное равновесие, в котором небольшие изменения давления, температуры или проницаемости пород могут реорганизовать пути потока и сместить места накопления энергии.

Что это означает для местного риска

Для жителей вокруг Campi Flegrei исследование не предсказывает неминуемого извержения, но оно уточняет картину того, где проблемы наиболее вероятно начнутся. Результаты указывают, что район Софионе, мелкая глинистая покрышка и зона, где восходящий канал встречается с разломом, — приоритетные цели для наблюдений. Изменения в выходе газа, температуре грунта или тонкие электрические сигналы в этих зонах могут выявить растущее перепрессуривание или переходы между водой и паром, оба из которых являются важными факторами для внезапных паровых взрывов. Связывая поверхностные измерения с физической моделью подпочвы, работа предлагает более ясный способ отслеживать изменяющееся состояние этой беспокойной гидротермальной системы.

Цитирование: 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

Ключевые слова: Campi Flegrei, фумаролы Pisciarelli, гидротермальная система, вулканические газы, фреатические взрывы