يكشف بحث جديد أن ضغط المياه الجوفية المحبوسة، وليس الصهارة البركانية، قد يُسبب الزلازل في كالديرا كامبي فليجري بإيطاليا. ويمكن لإدارة هذا الضغط أن تمنع الاضطرابات المستقبلية.
ربط باحثون من جامعة ستانفورد زلازل كامبي فليجري بضغط المياه الجوفية، وليس بالصهارة. ويمكن لإدارة تدفق المياه أن تقلل من خطر الزلازل في المنطقة.
منذ عام 2022، شهدت جنوب إيطاليا زلازل متزايدة الشدة، مما عرض مئات الآلاف من الناس للخطر في منطقة كامبي فليجري البركانية، حيث ترتفع الأرض وتنخفض ببطء. وبينما يواصل المسؤولون دراسة خطط الإخلاء واستراتيجيات الاستجابة للكوارث، ربما يكون الباحثون قد حددوا طريقة محتملة لوقف هذه الاضطرابات المتكررة: إدارة جريان المياه السطحية أو خفض مستويات المياه الجوفية لخفض ضغط السوائل في الخزان الحراري الأرضي.
باستخدام التصوير تحت السطحي والتجارب المعملية، أثبت علماء في جامعة ستانفورد أن ضغط المياه المحبوسة والبخار تحت كامبي فليجري يمكن أن يسبب الزلازل عندما يتصلب الغطاء الصخري، أو الطبقة السطحية. ووجدت الدراسة، التي نُشرت في مجلة "ساينس أدفانسز"، أن هذا التراكم في الضغط كان مسؤولاً عن النشاط الزلزالي وتشوه الأرض في أوائل الثمانينيات ومؤخراً، على مدى السنوات الخمس عشرة الماضية، مما دفع الفريق إلى اكتشاف الآلية الرئيسية الدافعة.
تُفنّد هذه النتائج الاعتقاد السائد بأن الزلازل في المنطقة ناجمة عن صعود الصهارة أو الغاز إلى السطح من مناطق ذوبان أعمق. بل تكشف الدراسة كيف يؤثر إعادة تغذية الخزان تدريجيًا بالمياه على تشوه الأرض وتغيرات الارتفاع بمرور الوقت.
وصرحت تيزيانا فانوريو، الباحثة الرئيسية في الدراسة والأستاذة المشاركة في علوم الأرض والكواكب في كلية ستانفورد دوير للاستدامة: "لمعالجة هذه المشكلة، يُمكننا إدارة الجريان السطحي وتدفق المياه، أو حتى تقليل الضغط عن طريق سحب السوائل من الآبار".

تقع منطقة كامبي فليجري البركانية أسفل بلدة بوتسولي، التي تم تصويرها هنا في عام 2018. أدى الارتفاع السريع خلال الثمانينيات إلى ترك ميناء البلدة ضحلًا جدًا بحيث لا يمكن الرسو فيه.

حلل الباحثون الأنماط المتكررة والخصائص المشتركة في تصوير الهياكل الجوفية والزلازل من أحدث فترتي اضطرابات في كامبي فليجري. يتميز هذا النشاط بارتفاع الأرض واهتزازات تشبه الانفجارات، مصحوبة بأصوات مدوية أصبحت سمة مميزة للسكان، ويشتبه العلماء في أن هذا النشاط يشير إلى انفجارات مدفوعة بالبخار، تحدث عندما يتحول الماء السائل بسرعة إلى بخار أثناء التشققات الناجمة عن الزلازل. تتضمن الدراسة بيانات من اضطرابات 1982-1984 و2011-2024.
قالت المؤلفة المشاركة غراتسيا دي لاندرو، الباحثة في جامعة نابولي فيديريكو الثاني بإيطاليا، والباحثة الزائرة في جامعة ستانفورد: "لقد كنا ننظر إلى حدث حدث بفارق عقود، ولكن هناك أوجه تشابه عميقة في التصوير، والتي لا تشير فقط إلى نمط دوري للظاهرة ولكن أيضًا إلى سبب أساسي مشترك". من هنا انطلقت فكرة العمل معًا، لا سيما في مجال فيزياء الصخور. فاستخدام فيزياء الصخور هو السبيل الوحيد لتحليل بيانات كمية عن تصوير باطن الأرض.
تحتضن منطقة كامبي فليجري البركانية خزانًا حراريًا أرضيًا مُغطى أسفل مدينة بوتسولي، غرب نابولي وجبل فيزوف. وقد خضعت المنطقة لمراقبة مستمرة منذ الاضطرابات التي شهدتها المنطقة بين عامي 1982 و1984، عندما ارتفع منسوب الأرض لأكثر من مترين، وأصبح ميناء بوتسولي ضحلًا لدرجة أن السفن لم تعد قادرة على الرسو. بعد ذلك، أدى زلزال بقوة 4 درجات وآلاف الهزات الصغرية إلى إجلاء 40 ألف شخص من بوتسولي.

صورٌ ملتقطة من منظورين متقابلين، بفارق 180 درجة. من بركة نبع طبيعي صغيرة عام 2016 (على اليسار)، إلى حوض واسع مملوء بالماء عام 2024، يُظهر هذا التسلسل الزيادة المطردة في تصريف النظام الحراري الأرضي نتيجةً للنشاط الزلزالي - وهو دليل بصري واضح على تكثيف النشاط الهيدروديناميكي في كامبي فليجري. بحلول عام 2024، ستكون أعمدة السياج الخشبية مغمورة تحت الماء.
قال فانوريو، الذي نشأ في بوتسولي واضطر إلى الإخلاء في ثمانينيات القرن الماضي: "لقد كان الأمر تحديًا على مدار السنوات الثلاث الماضية. تضررت العديد من المباني بسبب الهزات المستمرة، وبعض الناس ليس لديهم منازل". وأضاف: "هذا المشروع هو هدفي كمواطن الآن، وليس مجرد جيوفيزيائي، لأن الدراسة تشير إلى أنه يمكن إدارة الاضطرابات، بدلاً من مجرد مراقبتها، مما يفتح الطريق للوقاية منها".
أرض "تتنفس"
كامبي فليجري هي كالديرا بعرض 8 أميال، وهي منخفض شاسع تشكل نتيجة ثورات بركانية كبرى قبل حوالي 39,000 و15,000 عام، مما تسبب في انهيار سطح الأرض. تشهد كالديرا ارتفاعًا وهبوطًا، حيث ترتفع الأرض وتغرق، حتى بدون ثوران. بعد الاضطرابات التي وقعت بين عامي 1982 و1984، انخفضت المنطقة بحوالي 3 أقدام. لكي يحدث الهبوط، يجب أن تنطلق كتلة من باطن الأرض، والتي قد تشمل الصهارة والماء والبخار وثاني أكسيد الكربون.
يلاحظ سكان بوتسولي طريقة "تنفس" كالديرا، حيث تُصدر أبخرةً وتُحرك الأرض، أحيانًا لأمتارٍ أعلى أو أسفل خلال فترة قصيرة.

تطور زمني للزلازل في منطقة كامبي فليجري البركانية منذ عام ٢٠١٥. على السطح، تتجمع مراكز الزلازل في البداية حول نبع بوتسوولي-بيشياريلي، حيث تتراكم المياه في نهاية المطاف باتجاه مجرى النهر. مع مرور الوقت، تتوسع الزلازل لتغطي منطقة دائرية متزايدة الاتساع داخل مستجمعات المياه الهيدرولوجية، مما يعكس تجارب فيزياء الصخور والتربة التي أُجريت في منتصف القرن العشرين، حيث تنتشر المياه من مصدر نقطي في نمط كروي تقريبًا. البيانات من المعهد الوطني للفيزياء الجيولوجية وعلم البراكين (INGV).
تاريخيًا، كان من المقبول على نطاق واسع أن يرتبط الارتفاع في المناطق البركانية بعمليات إعادة التعبئة المرتبطة بالصهارة، وهو ما يفترض أن الصهارة و/أو غازاتها هي العوامل الرئيسية للتشوه ومن ثم الزلازل - ولكن قد لا يكون هذا هو الحال دائمًا، وفقًا لنتائج الدراسة. وبينما بدأ بعض الباحثين في استكشاف العلاقة بين هطول الأمطار والزلازل في العقد الماضي، توضح الدراسة أن هطول الأمطار في حد ذاته ليس هو ما يؤدي إلى التصدع - وبالتالي، الاهتزاز، بل هو الضغط الناتج عن التراكم البطيء والمستمر للمياه في خزان مغلق، وفقًا لفانوريو.
وأضاف فانوريو: "نعلم أن التباين السنوي في هطول الأمطار قد تزايد على مدى السنوات الأربع والعشرين الماضية، لذا فإن ما يجب مراقبته هو مستوى المياه الجوفية المتراكمة في باطن الأرض، أو ضمان التوجيه المباشر لجريان المياه".
نظام مغلق
من السمات البارزة لكامبي فليجري الطبيعة الليفية للغطاء الصخري فوق الخزان الحراري الأرضي. تُستخدم المواد الليفية في الهندسة لتعزيز الهياكل، إذ إنها قابلة للتشوه دون أن تتكسر فورًا. كما أنها قادرة على تراكم الضغط، والذي قد يتحرر في النظام البركاني في نهاية المطاف من خلال ثوران مفاجئ للمياه شديدة الحرارة والبخار والرماد البركاني.
درس الباحثون أنماط هطول الأمطار على مدار 24 عامًا، واتجاهات تدفق المياه الجوفية، وعملية سد الغطاء الصخري لفهم عملية إعادة شحن خزان الطاقة الحرارية الأرضية وتراكم الضغط فيه. وفي مختبر فيزياء الصخور والمواد الجيولوجية في فانوريو، أظهروا كيف تُسد الشقوق في الغطاء الصخري من خلال تفاعلات معادن الصخور مع المياه الحرارية المائية والبخار.

صور لبئر حراري أرضي يقع في المنطقة التي تتدفق منها المياه الجوفية نحو بوتسولي. تُظهر الصور ارتفاعًا واضحًا في مستويات ضغط المياه بين عامي ٢٠١٨ (على اليسار) و٢٠٢٤.
لاختبار خصائص الغطاء الصخري، أجرى مؤلفو الدراسة تجارب باستخدام وعاء حراري مائي يعمل كأداة مألوفة لدى العديد من الإيطاليين: إبريق موكا، أو آلة صنع الإسبريسو على الموقد. ملأوا الحجرة السفلية بمحلول ملحي، والحجر العلوي بالرماد البركاني والصخور المكسرة، وهي سمة مميزة لجبل كامبي فليجري، ثم سخّنوا الوعاء إلى درجة حرارة الخزان الجوفي الحراري. في غضون يوم واحد، تشكلت ألياف معدنية، وسُدّت الشقوق في طبقة الصخور بسرعة من خلال عملية التماسك.
هذا يُنشئ نظامًا مغلقًا يسمح بتراكم ضغط السوائل حتى يُكسر الصخور المحيطة. يُسبب التشقق الناتج عن الزلازل انخفاضًا مفاجئًا في ضغط السوائل، حيث يتحول الماء السائل إلى بخار ثم يتسرب. قال فانوريو: "يُنتج هذا انفجارات وأصواتًا مدوية، سمة مميزة للمنطقة".
وقد طبق الباحثون العديد من التخصصات للكشف عن كيفية عمل كامبي فليجري كنظام مغلق، بما في ذلك التصوير المقطعي للسطح السفلي، والذي قام به دي لاندرو باستخدام سجلات الزلازل لبناء صور للسطح السفلي يمكن تحليلها مثل التصوير المقطعي المحوسب.
قال فانوريو: "إن تصوير باطن الأرض بالطرق الجيوفيزيائية أشبه بجرس باب تقليدي: يُخبرنا أن أحدهم يرن على الباب، لكنه لا يُحدد هويته. لذا، يجب اختبار تفسير صور التصوير المقطعي في المختبر - وهذا ما يجعل هذا التعاون بين علم الزلازل وفيزياء الصخور قويًا للغاية".
نموذج جديد
ساهمت تحليلات التصوير المقطعي، إلى جانب موقع الزلازل ومدى مداها، في نظرية الباحثين القائلة بأن الهدير المتكرر قد لا يكون مدفوعًا بإعادة ملء الصهارة أو انبعاث الغازات من النظام. خلال كلتا نوبتي الاضطرابات، بدأت الزلازل داخل الغطاء الصخري على عمق ضحل نسبيًا يبلغ حوالي ميل واحد.

يوضح هذا الرسم التخطيطي تركيب المختبر المستخدم لدراسة كيفية انغلاق الصخور المتشققة من كالديرا كامبي فليجري ونمو ألياف معدنية دقيقة بحجم الميكرون والنانوية. يعمل التركيب (ب) كإبريق قهوة موكا (أ): تمثل الحجرة السفلية الخزان الجوفي، بينما يحتوي مرشح القمع على الصخور المتشققة (محاكيًا طبقة الغطاء الصخري)، وتحاكي اللوحة الساخنة أسفلها الحرارة المتصاعدة من أعماق الأرض. في أسفل الصورة، تُظهر صور المجهر (ز-ح) معادن ليفية تشكلت في المختبر، تشبه إلى حد كبير البنى الدقيقة الليفية الموجودة في طبقة الغطاء الصخري الطبيعية في كامبي فليجري (ط).
قال الباحث المشارك تيانيانغ قوه، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في علوم الأرض والكواكب، والذي جمع بيانات الزلازل من الحادثتين للتفسير البصري: "بعد تصوير التطور الزمني للزلازل، يُمكننا رؤية نمط واضح للغاية - تتعمق الزلازل بمرور الوقت".
إذا كانت الصهارة أو غازاتها التي ترتفع إلى أعماق أقل هي الدافع الرئيسي للاضطرابات، فسنتوقع نمطًا معاكسًا - زلازل تبدأ أقرب إلى منطقة الذوبان الأعمق، على بُعد حوالي 8 كيلومترات تحت السطح، وتصبح تدريجيًا أقل عمقًا بمرور الوقت، وفقًا للباحثين. علاوة على ذلك، قال فانوريو إن ارتفاع الصهارة دون ثوران بركاني لا يُمكن أن يُفسر الهبوط الذي يلي الاضطرابات. أحد التفسيرات المعقولة للهبوط هو التفريغ الملحوظ للماء والبخار بعد التشقق الناتج عن النشاط الزلزالي، والذي يُطلق الضغط بشكل طبيعي داخل الخزان.
من خلال نموذجهم الجديد للعمليات الداخلية في كامبي فليجري، يأمل الباحثون في إطلاع مسؤولي الحكومة الإيطالية المحلية على الآليات التي تُسبب الاضطرابات في النظام المُغلي.
قال فانوريو: "أُطلق عليها اسم "عاصفة جيولوجية مثالية" - لديك جميع العناصر اللازمة لحدوث هذه العاصفة: مُشعل النظام - الصهارة المنصهرة، والوقود في خزان الطاقة الحرارية الأرضية، والغطاء". وأضاف: "لا يمكننا التأثير على المُشعل، ولكن لدينا القدرة على إدارة الوقود. من خلال استعادة قنوات المياه، ومراقبة المياه الجوفية، وإدارة ضغط الخزانات، يُمكننا تحويل علوم الأرض نحو نهج أكثر استباقية - مثل الرعاية الصحية الوقائية - للكشف المُبكر عن المخاطر ومنع الاضطرابات قبل وقوعها. هكذا يخدم العلم المجتمع".

المصدر