| descrizione: | Il Corso di Dottorato in Scienze della Terra (SdT) costituisce il terzo livello di formazione universitaria su tematiche di ricerca avanzata inerenti il sistema terra solida-idrosfera-atmosfera. L’obiettivo principale del Corso di Dottorato è formare esperti di alta qualificazione scientifica. Le attività di ricerca che verranno sviluppate durante il corso verteranno su tematiche di punta nell’ambito delle Scienze della Terra, che potranno essere sviluppate sia in ambito nazionale che internazionale. Lo studente di dottorato in Scienze della Terra acquisirà conoscenze specifiche e svilupperà un progetto di ricerca avanzato sulle maggiori tematiche dibattute a livello internazionale in uno dei seguenti ambiti: Geodinamica, Vulcanologia, Ambiente, Territorio, Energia, Risorse, Rischi, Clima. Il Corso di Dottorato in SdT è organizzato nei seguenti due curricula: (1) Geodinamica, Vulcanologia. Lo studente afferente a questo curriculum svilupperà un progetto di ricerca avanzato inerente alle maggiori tematiche dibattute a livello internazionale di Geologia Strutturale, Tettonica, Geofisica, Geodinamica e Vulcanologia. Lo studente approfondirà conoscenze specifiche riguardanti la deformazione e reologia della crosta e litosfera continentale, tettonica regionale, vulcanismo, modellazione di processi tettonici, vulcanici e geodinamici, meccanismi eruttivi, reologia e proprietà fisiche dei magmi. (2) Risorse, Ambiente e Territorio. Lo studente afferente a questo curriculum svilupperà un progetto di ricerca avanzato inerente alle maggiori tematiche dibattute a livello internazionale di Ambiente, Territorio, Energia, Risorse, Rischi, Clima. Lo studente approfondirà conoscenze specifiche riguardanti ricostruzioni paleoclimatiche e paleoambientali, risorse energetiche, (idrocarburi, geotermia), risorse idriche e dissesto idrogeologico, pianificazione e salvaguardia del territorio, geochimica e geochimica ambientale. Il collegio dei docenti è composto da esperti riconosciuti internazionalmente delle discipline menzionate.
Nel corso del Dottorato gli studenti lavoreranno nell’ambito della ricerca sia di base sia applicata. Le tesi di dottorato verranno svolte in laboratori altamente qualificati e/o sul terreno in aree del mondo di specifico interesse. Gli studenti di dottorato lavoreranno in un ambiente altamente stimolante caratterizzato da una collaborazione di gruppi di ricerca afferenti a diverse discipline al fine di realizzare una solida base scientifica e professionale per le loro future carriere nei campi della ricerca delle Scienze della Terra. Il percorso formativo del Corso in SdT è rivolto a formare professionalità con potenziale sviluppo occupazionale presso società pubbliche e private, nazionali e internazionali e università e centri di ricerca, pubblici e privati, che sviluppano didattica e ricerca avanzata su tematiche inerenti alle discipline delle Scienze della Terra.
In particolare, le tematiche scelte per il ciclo XL sono le seguenti:
a) Vincoli sulle proprietà fisiche della crosta dall’inversione congiunta di molteplici dati geofisici.
La composizione della crosta continentale terrestre e i processi dinamici della sua formazione sono ancora enigmatici. Questo è dovuto ai pochi vincoli diretti disponibili e alla difficoltà di ottenere modelli fisici affidabili in termini di temperatura e composizione dai dati geofisici. Nella ricerca proposta, miriamo a sviluppare una migliore conoscenza delle condizioni fisiche della crosta continentale attraverso un'inversione congiunta di più dataset geofisici vincolati dalle proprietà termodinamiche delle rocce crostali. In particolare, effettueremo l'inversione congiunta dei dati di gravità (e gradienti di gravità) e di velocità di fase delle onde superficiali a corto periodo estratte da rumore ambientale. Oltre ai vincoli termodinamici guidati dalle informazioni petrologiche, incorporeremo, nel processo inverso, ulteriori dati. In particolare, utilizzeremo come informazioni apriori, ‘receiver functions’, velocità delle onde P e dati di sismica attiva. Concentreremo i nostri sforzi su regioni dove sono disponibili reti sismiche dense, principalmente negli Stati Uniti (USarray) e nella regione del Mediterraneo Centrale (Alparray e Adriarray). I nostri risultati potrebbero consentire di ottenere un quadro più chiaro del ruolo della temperatura e della composizione all'interno della crosta e, cosa più importante, di chiarire in che modo e dove la presenza di fluidi e rocce parzialmente fuse influisce sulle osservazioni geofisiche. In questo modo potremmo contribuire a comprendere aspetti fondamentali riguardanti la reologia della crosta e la sua dinamica.
b) Ruolo delle asperità nel processo di generazione dei mega-terremoti prodotti dalla faglia di subduzione.
Il progetto proposto mira a comprendere i meccanismi chiave associati alla nucleazione, propagazione e arresto dei mega-terremoti lungo i margini convergenti. Si intende identificare le condizioni che favoriscono la generazione di questi eventi catastrofici, concentrandosi sui meccanismi che regolano l'interazione delle asperità lungo il megathrust. Questo comporta l'analisi di dati sismici, geodetici e geofisici per sviluppare un modello concettuale che rifletta la dinamica delle faglie di subduzione che sia successivamente validato attraverso la realizzazione di modelli sperimentali.
Il progetto si articolerà in due fasi: l'aggiornamento e l'arricchimento di un database globale sulla sismicità e i parametri fisici e geometrici che caratterizzano i margini convergenti, seguito dall'implementazione di una nuova generazione di modelli analogici che esploreranno sistematicamente il ruolo giocato dall’interazione tra le asperità del megathrust nella genesi dei mega-terremoti. Grazie a questo progetto si prevede di sfruttare tecnologie avanzate nell’analisi dei dati (es. , Time-series analysis , Machine Learning, Embedding Theory ed Extreme Value Theory) e sperimentali (es., mirco-accelerometri e telecamere ad alta velocità/risoluzione) al fine di realizzare un nuovo, significativo passo avanti nella comprensione del processo di generazione dei mega-terremoti.
c) Meccanica e dinamica dell’instabilità dei versanti di edifici vulcanici: impatto delle variazioni climatiche.
Tutti gli edifici vulcanici attivi sono soggetti a instabilità gravitativa. Molti di essi generano collassi a larga scala che modificano la morfologia del vulcano e possono avere conseguenze potenzialmente gravi sulle popolazioni locali e le infrastrutture. Infatti, l’instabilità dei versanti vulcanici rappresenta un aspetto critico negli studi di pericolosità, comprendendo un ampio spettro di processi gravitativi che possono indurre collassi parziali o catastrofici. Nei casi di vulcani in prossimità della costa, un collasso potrebbe addirittura innescare uno tsunami con conseguenze funeste, come recentemente è avvenuto con l’Anak Krakatau in Indonesia. Sebbene un simile processo sia stato studiato in molti vulcani esemplari (Kilauea, Piton de la Fournaise, La Palma, Monte Etna, Stromboli), i meccanismi fisici e i processi innescanti, come anche la geometria delle superfici/aree/zone in frana, sono ancora poco compresi e potenzialmente diversi in ogni vulcano e rispetto ai classici movimenti di massa sui versanti. Molti fattori, includendo la debolezza delle strutture, le eterogeneità del substrato, le intrusioni magmatiche, le eruzioni vulcaniche, l’alterazione idrotermale, e il meccanismo di crescita del sistema magmatico e dell’edificio, possono avere potenzialmente un ruolo nell’instabilità.
La comprensione dei meccanismi che guidano l’instabilità dei versanti vulcanici richiede un approccio multidisciplinare, integrando dati geologici, geofisici, geomeccanici, geomorfologici e geochimici per fare un modello dei processi coinvolti e catturare ogni segnale precursore di un collasso potenziale. Forze interne transienti dovute all’aumento della pressione nel condotto di alimentazione possono anche contribuire all’instabilità dei versanti. La deformazione sismica e asismica appare strettamente correlata sia con le superfici di scorrimento, come la Faglia della Pernicana sul Monte Etna che delimita l’area in frana a nord, sia con l’interno del versante in frana. A sua volta, l’instabilità del versante può alterare la distribuzione dello stress all’interno dell’edificio vulcanico, innescando potenzialmente l’attività vulcanica.
Decenni di indagini indicano che l’assetto morfostrutturale del substrato gioca un ruolo fondamentale nella dinamica dei versanti vulcanici. In particolare, si ritiene che la morfologia e la reologia del basamento possano controllare l’instabilità del versante specialmente se composto da alternanze di rocce incoerenti e argille, mentre l’immersione e pendenza di simili alternanze guidano la formazione e lo sviluppo della diffusione all’interno dell’edificio vulcanico. Affrontare le cause dell’instabilità vulcanica è una questione chiave nella dinamica dei vulcani con implicazioni dirette sulla valutazione di diversi tipi di rischi.
d) Il ruolo dei nanoliti nella frammentazione fragile dei magmi: Studio sperimentale della cinetica di cristallizzazione e della reologia multifase.
Diverse testimonianze provenienti da vulcani in tutto il mondo dimostrano che magmi chimicamente identici possono eruttare in modo effusivo o esplosivo in condizioni fisico-chimiche apparentemente simili. Questo comportamento enigmatico compromette la nostra capacità di modellare le eruzioni vulcaniche da un punto di vista fisico-chimico, determinare scenari di rischio e prevedere dunque gli impatti delle eruzioni esplosive. Recentemente, tuttavia, grazie all'uso delle nanotecnologie, si è evidenziata la presenza, nei prodotti delle eruzioni esplosive, di cristalli nanometrici contenenti Fe-Ti. Ad oggi è diventato evidente che una vasta gamma di prodotti eruttivi esperimentali, che appaiono vetri omogenei quando analizzati tramite le comuni tecniche di micro-analisi, contengono in realtà nanoliti in diverse concentrazioni. Il ritrovamento di tali cristalli di dimensioni nanometriche ha aperto nuove frontiere e interpretazioni sul meccanismo di frammentazione dei magmi e sull’interpretazione delle eruzioni di tipo esplosivo.
La presenza di nanoliti, infatti, aumenta la viscosità del magma di diversi ordini di grandezza, anche a bassissime concentrazioni. Inoltre, innesca una vigorosa nucleazione cristallina e la generazione di una elevata concentrazione di vescicole, e quindi di un accoppiamento gas magma che può generare eruzioni persistenti. Ad oggi non esistono studi sistematici sulla presenza di tali nanoliti, sulle condizioni di formazione e sul loro impatto sulla dinamica del magma. Questo, in ultima analisi, preclude la corretta modellazione delle eruzioni vulcaniche. Lo studio proposto si basa sull’analisi sistematica delle condizioni di formazione dei nanoliti in funzione delle variabili intensive ed estensive e il loro ruolo sulla reologia multifase dei magmi e quindi sulla loro frammentazione fragile.
Tale progetto comprende: i) esperimenti per determinare l'effetto della composizione, fO2, dP/dt e dT/dt sulla formazione dei nanoliti, ii) sviluppo di equazioni costitutive della reologia multifase in presenza e in assenza di nanoliti, iii) modellazione degli effetti dell’evoluzione reologica sin-eruttiva sulla dinamica di risalita del magma e sullo stile eruttivo risultante. Il progetto è dedicato a studenti con un forte background in vulcanologia fisica e petrologia con spiccato interesse per lo studio di terreno, di laboratorio e sperimentale.
e) Modellazione 3D Geologico/Geofisica per la Valutazione del Rischio Sismico nell'Appennino Centrale
Il progetto di dottorato proposto mira a una comprensione approfondita di aree ad elevato rischio sismico dell’Appennino Centrale, nello specifico le aree del bacino di Sulmona e della valle del Fucino, bacini “di collasso estensionale” delimitati da faglie sismogenetiche potenzialmente in grado di generare terremoti distruttivi con magnitudo comprese tra 6 e 7 Mw.
Il contesto tettonico dell’area è di grande interesse e tuttora argomento discusso in letteratura, anche a causa della carenza di un set ampio di dati geofisici e di un modello di velocità completo a scala crostale. Inoltre, il numero ridotto di stazioni sismiche disponibili e la bassa attività sismica registrata nell'area di studio (i bacini di Sulmona e Caramanico sono considerati zone di gap sismico, secondo i dati raccolti negli ultimi 20 anni dalla rete sismica nazionale dell’INGV) hanno reso difficile l'interpretazione delle strutture tettoniche profonde e la definizione dei piani di faglia in profondità.
Obbiettivo di questo progetto è chiarire le geometrie e i meccanismi di attivazione delle principali strutture tettoniche all’interno delle aree a rischio, attraverso la costruzione di un robusto modello tridimensionale, implementato attraverso l’utilizzo di software avanzati per l’interpretazione e modelling 2D/3D, integrando dati sismici, dati di pozzo, dati geologici di superficie, dati sismologici e dati geofisici, tra cui tomografie sismiche regionali e locali, dati termici e reologici, modelli gravimetrici e magnetici crostali. Questo al fine di supportare la valutazione del potenziale sismogenetico, gli studi sulla pericolosità sismica e sulla rilocazione dei terremoti.
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| description: | The PhD program in “Earth Sciences” (SdT) is the third level of university education on topics focused on the cutting-edge research in solid earth-hydrosphere-atmosphere. The main aim of the program is to train experts of high scientific qualification. The research activities that will be developed encompass fundamental Earth sciences disciplines at both national and international levels. The PhD student will acquire specific knowledge and professional skills and will develop a research project on advanced topics, debated in the international community, in Geodynamics, Volcanology, Environment, Climate, Resources, Energy and Geological Risks. The program in “Earth Sciences” is organized in two main curricula: (1) Geodynamics and Volcanology (2) Resources and Environment. (1) Geodynamics and Volcanology. The student will develop a research project focused on the main topics debated at international levels related to Structural Geology, Tectonics, Geophysics and Volcanology. The student will acquire specific knowledge on the deformation and rheology of the crust and continental lithosphere, regional tectonics, modelling of tectonic, volcanic and geodynamic processes, eruptive dynamics and rheology and physical properties of magma. (2) Resources and Environment. The student will develop a research project focused on the main topics debated at international levels related to Resources, Energy, Environment, Climate and Geological Risks. The student will acquire specific knowledge on the paleo-environment and paleo-climatic reconstructions, energy (hydrocarbons and geothermal energy), hydric resources and hydrogeological risk, territory management, geochemistry and environmental geochemistry and modelling of geological processes. The board of supervisors consists of worldwide recognized experts specialized in the cited disciplines.
Within the Ph.D. Course, students will benefit from top-level basic and applied research. Doctoral theses will be carried out in laboratories characterized by multidisciplinary research approach, and/or field work in selected regions around the world. Ph.D. students will work in a stimulating environment characterized by a strong integration and cooperation among different Earth science disciplines, building up a strong background for their future career in Earth science research fields. The Ph.D. program aims at creating professional figures in public institutions and private companies, national and international and in universities and research centers devoted to research and education in Earth science.
In particular, the topics chosen for the XL cycle are the following:
a) Constraints on Crustal Physical Properties from Joint Inversion of Multiple Geophysical Datasets.
The composition of the Earth's continental crust and the dynamic processes of its formation remain enigmatic due to limited direct constraints and the challenge of obtaining reliable physical models in terms of temperature and composition from geophysical data. In this research proposal, we aim to develop a better understanding of the physical conditions of the continental crust through a joint inversion of multiple geophysical datasets constrained by the thermodynamic properties of crustal rocks. Specifically, we will jointly invert gravity (and gravity gradients) data and phase velocity of surface waves at short periods extracted from ambient noise. In addition to thermodynamic constraints guided by petrological information, we will also incorporate additional data in the inverse process, including receiver function, P-wave velocities, and active seismic data. We will focus our efforts on regions where dense seismic arrays are available, primarily in the USA (USArray) and in the Central Mediterranean region (Alparray and Adriarray). Our results might provide a clearer picture of the role of temperature and composition within the crust and, more importantly, clarify how and where the presence of fluids and melt affects geophysical observations. In this way, we could contribute to understanding fundamental aspects regarding the rheology of the crust and its dynamics.
b) The role of asperities in the generation process of mega-earthquakes produced by the subduction mega-thrust.
The project aims to understand the key mechanisms associated with the nucleation, propagation, and arrest of mega-earthquakes along convergent margins. It intends to identify the conditions that favor the generation of these catastrophic events, focusing on the mechanisms that regulate the interaction of asperities along the megathrust. This involves analyzing seismic, geodetic, and geophysical data to develop a conceptual model that reflects the dynamics of subduction faults, which will then be validated through experimental modeling. The project will be organized into two phases: updating and enriching a global database on seismicity and the physical and geometric parameters characterizing convergent margins, followed by implementing a new generation of analog models that will systematically explore the role played by the interaction between megathrust asperities in the genesis of mega-earthquakes.
This project aims to leverage advanced technologies in data analysis (e.g., Time-series analysis, Machine Learning, Embedding Theory, and Extreme Value Theory) and experimental techniques (e.g., micro-accelerometers and high-speed/high-resolution cameras) to achieve a significant advancement in understanding the generation process of mega-earthquakes.
c) Mechanics and Dynamics of volcano’s flank instability: impact of climate change.
All active volcanic edifices are gravitationally unstable. Most of them form large scale collapses affecting the volcano’s morphology and potentially resulting in severe consequences for the local population and infrastructure. Volcano flank instability represents a critical phenomenon in geohazard studies, all-embracing a range of gravitational processes that can lead to partial or catastrophic collapses. At coastal volcanoes a collapse could even trigger deadly tsunamis, as recently occurred at Anak Krakatau, Indonesia. Although such process is being studied at many paradigmatic volcanoes (Kilauea, Piton de la Fournaise, La Palma, Mt. Etna, Stromboli), the physical mechanisms and triggering processes as well as the geometry of the sliding surfaces/areas/zones are still poorly understood and potentially different at distinct volcanoes and with respect to classical mass movement on hillslopes. Many factors, including weakness of the structure, heterogeneities of the basement, magma intrusion, volcanic eruptions, hydrothermal alteration, and growth mechanism of the magmatic system and the edifice all potentially play a role.
Understanding the mechanisms driving flank instability requires an interdisciplinary approach, integrating geological, geophysical, geomechanical, geomorphological and geochemical data to model the processes involved and to capture any precursory signals of potential collapse. Internal transient forces due to the increase of pressure in the plumbing system might also contribute to driving the flank sliding. Seismic and aseismic deformation appear tightly entangled both on sliding surfaces, such as the Pernicana fault on Mt. Etna, bounding the sliding area to the north, and within the sliding flank. Conversely, the flank instability could alter the stress distribution within the volcanic edifice, potentially triggering volcanic activity. Decades of investigations indicate that the morphostructural setting of the basement plays a fundamental role in volcanoes' flank dynamics. In particular, the basement morphology and rheology are thought to control the flank instability especially if consisting of weak rocks and clays alternating in the substratum, while the dip and slope of such layers drive the formation and development of spreading within the volcano edifice. Addressing the cause for volcano instability is a key question in volcano-dynamics, with a direct implication on different hazards.
d) The role of nanolites in the brittle fragmentation of magmas: experimental insights on crystallization kinetics and multiphase rheology.
Several examples from volcanoes around the world demonstrate that seemingly identical magmas can be erupted effusively or explosively under similar physicochemical conditions. This enigmatic paradox compromises our ability to model volcanic eruptions from a physicochemical standpoint, determine risk scenarios and impacts of explosive eruptions. However, thanks to the use of nanotechnologies, in the last seven years nanosized reports of Fe-Ti-bearing crystals in products of explosive eruptions have increased exponentially. It has become evident that a wide range of eruptive and experimental products that appear to be homogenous glasses to the most common micro analysis techniques indeed contain nanolites. Nanolite studies share controversial results that are known to be key in triggering the brittle failure of magma. The formation of nanolites increases magma viscosity despite their low concentration. Moreover, it triggers vigorous nucleation and the generation of a high number density of bubbles. However, the lack of systematic observations of nanolite formation and the quantification of its impact on magma dynamics prevents us from understanding the role of nanolites in controlling the brittle fragmentation of magmas. This ultimately precludes the correct modelling of volcanic eruptions from a physicochemical standpoint. The project will unveil the role of nanolites in the brittle fragmentation of magmas. This goal will be achieved by combining i) magma experiments to determine the effect of composition, fO2, dP/dt and dT/dt conditions of nanolite formation, ii) development of validated constitutive equations for the effect of nanolite formation on magma rheology, with iii) comprehensive numerical model of magma ascent and eruption. This is pivotal to creating a step-change in our ability to forecast and quantify the impacts of explosive eruptions through connections between field observations, experiments, magma properties and real-time monitoring data at active volcanoes.
e) 3D Geological/Geophysical Modeling for Seismic Risk Assessment in the Central Apennines.
This PhD research project aims to achieve an in-depth understanding of high seismic risk areas in the Central Apennines, specifically the Sulmona and the Fucino basins, which are "extensional collapse" basins bounded by seismogenic faults potentially capable of generating destructive earthquakes with magnitudes between 6 and 7 Mw. The tectonic context of the area is of great interest and remains a debated topic in the literature, partly due to the lack of a comprehensive set of geophysical data and a complete crustal-scale velocity model. Furthermore, the limited number of seismic stations and the low seismic activity recorded in the study area (the Sulmona and Caramanico basins are considered seismic gap zones, according to data collected over the past 20 years by the INGV national seismic network) have complicated the definition of fault geometry at depths.
The goal of this project is to clarify the geometries and activation mechanisms of the main faults within the hazard areas, through the construction of a robust 3D model, implemented through the use of advanced 2D/3D interpretation and modeling software tools, integrating seismic data, well data, surface geological data, seismological data, and geophysical data, including regional and local seismic tomographs, thermal and rheological data, and crustal gravimetric and magnetic models. The final aim is to support seismogenic potential assessment, seismic hazard studies, and earthquake relocation.
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