Accordo di Collaborazione Tecnico-Scientifica tra
Accordo di Collaborazione Tecnico-Scientifica tra
la Regione Xxxxxx-Romagna e l’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia
per la realizzazione di una cartografia tematica relativa alla presenza di gas nella porzione superficiale del sottosuolo della pianura emiliano-romagnola
Protocollo di indagine
per i fenomeni geologici particolari segnalati in Xxxxxx Xxxxxxx
A cura di Xxxxx Xxxxxxx, Xxxxxx Xxxxxx, Xxxxxxxxx Xxxxxxxxxx, Xxxxxx Xxxxx Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia
Sezione di Bologna Bologna, dicembre 2018
Il presente Protocollo è stato realizzato in in accordo e di concerto con Xxxxx Xxxxxx del Servizio Geologico, Sismico e dei Suoli della Regione Xxxxxx-Romagna.
1. Introduzione
Nella Regione Xxxxxx Xxxxxxx sono documentati alcuni fenomeni geologici superficiali inusuali, come il riscaldamento di acque superficiali e terreni, l’emissione di gas da pozzi o suoli, la liquefazione di xxxxxx o episodiche morie di pesci. L’osservazione di questi fenomeni non ha mai mancato di suscitare l’interesse delle persone, tanto da essere registrata nelle cronache di varie epoche storiche. Tuttavia, a partire dalla sequenza sismica del maggio del 2012, questi fenomeni sono stati accompagnati da una comprensibile apprensione e dal sospetto di un possibile nesso causale fra queste manifestazioni e la comparsa di sismicità nell’area. Dal 2012 al 2018 la Regione Xxxxxx Xxxxxxx ha raccolto circa un centinaio di segnalazioni che si riferiscono principalmente al riscaldamento di acque di pozzo, la segnalazione più frequente, insieme alle emissioni di gas da pozzi per acqua; in minor misura vengono segnalate anche l’apertura di fratture o sprofondamenti di terreno (sinkholes) e formazione di vulcanetti di fango o sabbia.
La comprensibile attenzione verso questi fenomeni ha coinvolto anche la comunità scientifica, motivando studi approfonditi svolti in collaborazione da accademici ed esperti di diverse università, enti pubblici o di ricerca (a titolo di esempio, si veda Sciarra et al., 2012; Xxxxxxxxxx et al., 2015; Xxxxxxx et al., 2015; Xxxxx et al., 2017; Xxxxxxxxxx et al., 2017). Queste ricerche concordano nell’individuare cause superficiali per le fenomenologie oggetto di studio, che sono spesso da ricondurre alla presenza di gas negli strati superficiali del sottosuolo. La presenza di metano nel sottosuolo della Pianura Padana è un fatto ben conosciuto, legato alla decomposizione della materia organica di cui sono ricchi i terreni della pianura. Sia la produzione che la decomposizione del metano sono reazioni che avvengono in condizioni opportune ad opera di batteri, e sono entrambe reazioni esotermiche, che avvengono cioè con rilascio di calore.
Le conoscenze acquisite fino ad ora suggeriscono quindi che l’interpretazione dei fenomeni anomali segnalati più di frequente richieda una caratterizzazione accurata della presenza e distribuzione di metano nelle acque superficiali e sotterranee, e nei suoli, da definire sia nel tempo che nello spazio. La stesura del protocollo di indagine oggetto di questa relazione è stata effettuata a partire da questa valutazione preliminare.
L’applicazione del presente protocollo per un periodo di prova permetterà di verificarne la completezza e l’efficacia, e di apportare i necessari aggiustamenti, in modo da garantire la massima efficienza possibile nell’esecuzione dei sopralluoghi in caso di evento. È inoltre possibile che la raccolta e la successiva interpretazione dei dati porti ad identificare ulteriori parametri di interesse. Il presente protocollo sarà dunque sottoposto ad una prima verifica nel corso dei primi sei mesi a partire dall’entrata in vigore, in collaborazione con i docenti e gli esperti delle università e degli enti che partecipano all’accordo RER - INGV.
Lo stesso protocollo potrà essere periodicamente rivisto, su indicazione di tutti gli operatori coinvolti, al fine di garantire l’implementazione di procedure efficaci ai fini di una corretta valutazione dei fenomeni in esame.
2. Lo studio dei fenomeni geologici anomali in Xxxxxx Xxxxxxx
La sequenza sismica del 2012 ha stimolato lo svolgimento di numerose ricerche scientifiche che hanno riguardato anche l’occorrenza di fenomeni geologici anomali e lo studio delle loro cause. Numerosi rilievi sul territorio sono stati condotti durante e dopo la sequenza sismica, sia per lo studio degli effetti co-sismici e post-sismici, sia a seguito di segnalazioni specifiche relative ai fenomeni insoliti descritti sopra (Xxxxxxx et al., 2012; Xxxxxxxxxx et al., 2015; Xxxxxxx et al., 2015; Xxxxx et al., 2017; Xxxxxxxxxx et al., 2017). I dati raccolti in quelle occasioni sono stati elaborati per fornire una sintesi delle fenomenologie osservate e per effettuare confronti con le segnalazioni relative ad epoche storiche precedenti. In alcuni casi, è stato possibile interpretare i dati raccolti permettendo in questo modo di identificare i meccanismi che hanno prodotto l’evento oggetto di studio.
La stesura del protocollo di indagine descritto in questo documento si basa in buona misura sull’esperienza pregressa accumulata nel corso di queste ricerche. Il lavoro di Xxxxxxxxxx et al. (2015) Ground heating and methane oxidation processes at shallow depth in Terre Calde di Medolla (Italy): Observations and conceptual model, pubblicato sulla rivista Journal of Geophysical Research, verrà utilizzato di seguito a titolo di esempio non esaustivo per illustrare la tipologia di informazioni e le diverse tipologie di dati ed approcci metodologici che potranno essere oggetto di future segnalazioni.
2.1 La caratterizzazione del fenomeno anomalo
L’articolo discute il fenomeno delle Terre Calde, localizzato nei pressi di Medolla, in provincia di Modena (identificato dalla posizione: 44°51′13.45′′N, 11°05′09.28′′E, World Geodetic System 84). Una ristretta porzione di terreni agricoli (circa 1 km2) è interessata dalla presenza di zone sub-circolari caratterizzate da temperature al suolo insolitamente elevate (Figura 1). Incrementi di temperatura, improvvisi e occasionali, hanno interessato anche le acque di falda nella stessa zona. Le cronache locali dimostrano che queste temperature anomale si sono registrate in quest’area fino dal tardo diciannovesimo secolo, spesso accompagnate dall’emissione diffusa di gas e “salse” dai suoli. È proprio la concomitanza fra riscaldamento ed emissione di gas che ha attirato l’attenzione dei ricercatori, suggerendo la possibilità di un nesso fra i due fenomeni. Le campagne di misura, in questo caso, sono state finalizzate non soltanto alla caratterizzazione del fenomeno anomalo, ma anche alla verifica del modello concettuale proposto.
2.2 La campagna di misure
Nel corso di questo lavoro sono state effettuate due campagne di misura, nel 2008 e nel 2013, volte alla quantificazione del flusso diffuso dai suoli. In corrispondenza delle zone caratterizzate da un degassamento anomalo è stata eseguita una perforazione fino ad una profondità di 2.5 m, misurando ad intervalli regolari sia la temperatura del suolo che i flussi di CO2 e CH4. Contestualmente sono stati prelevati campioni di gas per successive analisi chimiche ed isotopiche. L’elaborazione delle misure di degassamento diffuso ha permesso di evidenziare un flusso di metano pari a quasi 2 tonnellate al giorno nel 2013,
accompagnato da circa 4 tonnellate al giorno di anidride carbonica. La Tabella 1 illustra a titolo di esempio i valori ottenuti per il metano nelle due campagne di misura.
Tabella 1. Esempio di dati raccolti per la determinazione del flusso di metano rilevato nelle due campagne di misura effettuate nel 2008 e nel 2013 (modificato da Xxxxxxxxxx et al., 2015)
Data | Range di valori (g m-2d-2) | Media (g m-2d-2) | Deviazione std | Punti di misura | Area (m2) |
2008 | 0.0-51.8 | 6.6 | 15.9 | 50 | 258720 |
2013 | 0-2432 | 37.0 | 232.0 | 138 | 258720 |
2.3 I risultati
La realizzazione di mappe di degassamento diffuso e di distribuzione di temperatura al suolo (Figura 1) sono state integrate dalle misure effettuate nel corso della perforazione degli strati di suolo più superficiali. I profili di temperatura e quelli relativi alla concentrazione delle diverse specie gassose sono raffigurati in Figura 2. La composizione isotopica del carbonio ha consentito di riconoscere i principali processi alla base degli andamenti osservati, suggerendo l’esistenza di un processo di metanogenesi profondo, in grado di produrre metano isotopicamente leggero e anidride carbonica relativamente pesante, a cui si sovrappone un processo di ossidazione del metano, localizzato a bassa profondità in uno strato sabbioso ben areato, in grado di produrre anidride carbonica leggera e un metano isotopicamente più pesante. Si tratta in entrambi i casi di reazioni esotermiche, in grado di produrre un innalzamento delle temperature misurate. Il processo di ossidazione del metano, in particolare, è in grado di spiegare non soltanto il profilo di temperatura osservato nei primi metri del sottosuolo, ma anche la distribuzione delle diverse specie gassose, lungo lo stesso profilo.
La fondatezza di questo modello concettuale è stata verificata attraverso l’utilizzo di un modello fisico di propagazione dei gas nei suoli, con cui è stato possibile riprodurre il processo di risalita e generazione di calore all’interno degli strati più superficiali di suolo (Nespoli et al., 2015). I risultati del modello hanno riprodotto soddisfacentemente gli andamenti osservati in campagna.
L’approccio interdisciplinare utilizzato in questi lavori, l’esecuzione di più campagne successive e la misura contestuale di parametri diversi, sia fisici che chimici, ha permesso un’adeguata caratterizzazione del fenomeno e ha portato all’elaborazione e alla verifica di un modello concettuale convincente che può spiegare il verificarsi del fenomeno osservato. Il successo di questo approccio metodologico ha guidato la stesura del protocollo di indagine proposto di seguito.
Figura 1. Distribuzione della temperatura al suolo nel sito oggetto di studio. I valori sono misurati ad una profondità di 30 cm mediante termocoppia.
Figura 2. Profili verticali dei principali parametri misurati in campagna (dall’alto a sinistra: composizione isotopica del carbonio nelle diverse.
3. Protocollo di indagine
L’esperienza maturata durante i numerosi sopralluoghi effettuati dai ricercatori INGV, in collaborazione con tecnici regionali ed con i ricercatori degli atenei coinvolti, ha permesso di elaborare una modalità operativa da seguire in caso di nuove segnalazioni di fenomeni geologici anomali, tenendo conto anche dei risultati ottenuti nel corso delle ricerche scientifiche descritte sopra.
Di seguito viene descritto la procedura di acquisizione delle future segnalazioni e l’insieme di dati che andranno raccolti in occasione di sopralluoghi e per l’approfondimento degli studi in selezionate aree di interesse. L’elenco rappresenta un insieme esaustivo di misure possibili. La realizzazione del sopralluogo e la tipologia di parametri che verranno misurati verranno stabiliti in funzione della tipologia di segnalazione e tenendo conto della disponibilità di personale e strumenti al momento della segnalazione. L’identificazione univoca della segnalazione e dell’eventuale sopralluogo, e l’utilizzo della stessa metodologia di acquisizione delle misure consentiranno di salvaguardare la coerenza dei dati raccolti da operatori differenti e nell’ambito di diverse campagne di misura.
3.1 La segnalazione
Quando si raccolgono nuove segnalazioni è necessario registrare alcune informazioni allo scopo di identificare in modo univoco il sito e lo specifico evento oggetto di segnalazione. In base alle caratteristiche della segnalazione, verrà deciso ed organizzato un eventuale sopralluogo, compatibilmente con la disponibilità di personale, mezzi e strumentazione. Le informazioni relative alla segnalazione dovranno in particolare contenere:
1. l’identificazione della segnalazione, con particolare riferimento a:
a. data e ora di ricezione della segnalazione;
b. operatore/ente che riceve la segnalazione;
c. sigla univoca della segnalazione.
2. L’identificazione del segnalatore, con particolare riferimento a:
a. nominativo;
b. contatti.
3. L’ubicazione del sito, ed in particolare
a. indirizzo;
b. coordinate (ove disponibili);
c. contatti o eventuali istruzioni necessarie a garantire l’accesso al sito.
4. L’oggetto dell’anomalia, in particolare definendo se riguardi:
a. acque superficiali o di falda;
b. il suolo (fuoriuscita di sabbie, fratture o cavità)
c. altro;
La segnalazione conterrà inoltre una descrizione accurata del fenomeno, definita sulla base della testimonianza del segnalatore, che comprenderà, quando disponibili, una stima della durata, dell’estensione estensione areale dell’anomalia, eventuali misure effettuate dal segnalatore, eventuali manifestazioni analoghe osservate in passato o altre anomalie; la presenza di pozzi, il loro utilizzo e profondità; la possibile presenza (ed esito) di prove geognostiche nell’area.
Nota: Nel caso in cui l’anomalia riguardi la temperatura delle acque di pozzo, sarà necessario verificare l’eventuale presenza di pompe idrauliche per escludere da subito la possibilità che il riscaldamento sia dovuto ad un loro malfunzionamento.
3.2 Il sopralluogo
Quando le caratteristiche della segnalazione suggeriranno l’utilità di un sopralluogo (Figure
3 e 4), questo verrà organizzato compatibilmente alla disponibilità di personale e strumentazione e dovrà raccogliere informazioni utili ad una prima caratterizzazione dell’evento segnalato. Qui si fornisce un elenco indicativo di parametri utili. Il numero e il tipo di parametri che verranno effettivamente misurati nel corso del sopralluogo potrà variare, in funzione della tipologia di evento segnalato, e delle risorse disponibili al momento del sopralluogo. La coerenza nelle modalità di acquisizione dei dati, e l’indicazione di alcune voci obbligatorie nella compilazione della scheda di sopralluogo, consentirà di garantire l’omogeneità del dataset. Le voci obbligatorie nell’elenco sottostante sono contrassegnate con un asterisco.
1. l’identificazione del sopralluogo, con particolare riferimento a:
a. data e ora del sopralluogo*;
b. ubicazione del sito*;
c. oggetto dell’anomalia*;
d. riferimento alla sigla univoca di segnalazione*;
e. operatore/ente che svolge il sopralluogo*;
f. sigla univoca del sopralluogo*.
2. In presenza di pozzi da acqua, si procederà a segnalare:
a. profondità del pozzo*;
b. uso del pozzo;
c. livello dell’acqua*;
d. temperatura dell’acqua* eventualmente rilevata metro per metro lungo tutta la colonna d’acqua;
e. Conducibilità elettrica* eventualmente rilevata metro per metro lungo tutta la colonna d’acqua;
f. Eh, pH;
g. Presenza (detezione/misura) di gas disciolti (in particolare, metano);
h. Presenza (detezione) di gas essolti, sopra la superficie dell’acqua.
3. Temperatura* e pressione atmosferica;
4. Temperatura al suolo (10 cm);
5. Termografia a infrarosso;
6. Detezione di gas (metano) emessi dal suolo;
Figura 3. Test di funzionamento per lo strumento ProOceanus - Mini CH4 per la misura del metano disciolto in acqua presso il pozzo di Renazzo, tipicamente ricco in gas.
Figura 4. Immagini termiche del pozzo di Novellara (Reggio Emilia) scattate da posizioni diverse (distale a sinistra, prossimale a destra). La scala di colore è riportata a destra in ogni immagine: colori tendenti al bianco rappresentano temperature più elevate.
In particolari casi, potranno rendersi utili ulteriori campagne di misure, volte ad un approfondimento delle caratteristiche del sito oggetto di studio.
3.3 Misure di approfondimento
In alcuni siti di particolare interesse si potrà procedere ad indagini di maggior dettaglio, provvedendo ad effettuare ulteriori misure volte a quantificare:
1. il flusso di gas (metano/anidride carbonica) dall’acqua o dai suoli
2. l’estensione areale dell’anomalia registrata
3. l’analisi chimica delle acque di pozzo (in particolare: Ca, Mg, Na, K, Cl, HCO3,SO4, Fe, NH3,NO3,NO2, SiO2, Li, Br, I, floruri)
4. la composizione isotopica del carbonio in metano ed anidride carbonica
5. la presenza (nell’acqua o nel suolo) di batteri metanotrofi
6. indagini geofisiche del sottosuolo
7. trivellazioni manuali fino a qualche metro di profondità
Nota: ove appropriato si potranno prevedere l’installazione di sensori per la misura della temperatura o della conducibilità dell’acqua in continuo.
3.4 Interpretazione del fenomeno
I dati raccolti durante il sopralluogo e gli eventuali approfondimenti analitici saranno utilizzati per formulare una possibile interpretazione del fenomeno. Trattandosi in alcuni casi di misure o rilievi per i quali possono essere necessari tempi dell’ordine anche di alcuni mesi (ad esempio un monitoraggio in continuo della temperatura di un pozzo), l’interpretazione del fenomeno potrà essere successiva rispetto alla sua segnalazione ed alla data del primo intervento. Qualora ritenuto di interesse, sarà possibile implementare semplici modelli fisici per la rappresentazione del fenomeno oggetto di studio. L’utilizzo di modelli potrà contribuire all’interpretazione dei dati raccolti, consentendo di verificare la verosimiglianza dei modelli concettuali proposti.
3.5 Elenco dei siti oggetto di campagne ripetute
Alcune delle segnalazioni ricevute nel corso degli anni sono relative ad eventi particolarmente rilevanti (come riscaldamenti significativi - fino a 50°C - delle acque di pozzo), o che si sono ripetuti nel tempo, o che caratterizzano aree in cui storicamente sono stati documentati fenomeni anomali come quelli qui riportati.
L’attenzione verso questi siti può contribuire ad una migliore caratterizzazione delle fenomenologie osservate e del loro evolversi nello spazio e nel tempo. Per questo motivo, e compatibilmente con la disponibilità di risorse umane e materiali, le misure di cui al punto 3.2 verranno ripetute in alcune delle seguenti località (elencate a partire da quelle a maggior priorità). Questo elenco non è tuttavia esaustivo, dato che in futuro potrebbero pervenire altre segnalazioni meritevoli di approfondimenti ripetuti. La periodicità delle campagne di
misura da effettuare su ciascuno di questi siti verrà valutata nel corso dei primi sei mesi di applicazione del presente protocollo, tenendo conto della frequenza delle segnalazioni di nuovi fenomeni e della disponibilità di risorse.
Pozzo Renazzo Zona di Medolla
Pozzo Camposanto (Sig. Minozzi) Zona di Novi di Modena
Bologna, via Chiarin Pozzo di Corpo Reno Maiero
Concordia Serravalle Copparo
Mirandola, Mortizzuolo
4. Modalità di archiviazione e condivisione dei dati
Le informazioni e i dati acquisiti andranno archiviati opportunamente, costituendo un database che garantisca la loro conservazione, il loro facile reperimento e una pronta condivisione fra tutti i collaboratori che partecipano agli studi.
La scelta delle modalità di archiviazione più adatte e la loro implementazione richiederà un lavoro di accurata pianificazione da svolgere in collaborazione con i tecnici della Regione Xxxxxx Xxxxxxx e con i ricercatori delle università che partecipano alle attività di studio.
Verranno presi in considerazione strumenti di semplice utilizzo e già disponibili gratuitamente online, come i Moduli di Google Drive, illustrati di seguito a titolo di esempio. Questo strumento (che richiede l’attivazione di un’utenza google per il progetto) consente di predisporre facilmente moduli che ogni partner può utilizzare per la raccolta delle segnalazioni e delle misure raccolte nel corso del sopralluogo. La Figura 5 mostra a titolo di esempio come potrebbe essere strutturato un modulo per la raccolta delle segnalazioni.
Figura 5. Esempio di scheda per la raccolta di nuove segnalazioni
In questo caso, i dati raccolti vengono archiviati online, nei limiti di spazio previsti (tipicamente 15 Gb), e possono essere restituiti sia in forma sintetica (Figure 6), che in formato foglio di calcolo.
Figura 6. Esempio di restituzione delle informazioni rilevate dal modulo di Figura 5. Le stesse risposte possono essere salvate in formato foglio di calcolo.
Questa modalità di raccolta permette una facile condivisione fra partner e garantisce una corretta indicizzazione delle segnalazioni e dei sopralluoghi, grazie all’introduzione di campi obbligatori, che salvaguardano l’omogeneità del database. D’altro canto, questa modalità di inserimento dati non prevede al momento la possibilità di acquisizione automatica delle misure, che talvolta si rende necessaria.
I pro e contro di diversi sistemi di archiviazione verranno valutati collegialmente, nei primi mesi di attuazione del protocollo, insieme ai tecnici della Regione Xxxxxx Xxxxxxx e con il contributo dei ricercatori delle università coinvolte. La funzionalità dei moduli Google verrà valutata insieme ad altre alternative, in modo da scegliere una struttura di database efficiente e adatta allo studio dei fenomeni anomali. In particolare, verranno prese in considerazione forme di acquisizione e archiviazione più evolute, che consentano non solo la gestione dei dati, ma anche la loro analisi e rappresentazione, sfruttando piattaforme open-source disponibili online come la suite Rstudio (xxxx://xxxxx.xxxxxxx.xxx/), utili anche per la pubblicazione online dei dati elaborati (Figura 7).
Figura 7. Esempio di interfaccia web per l’acquisizione e l’elaborazione di dati di concentrazione di gas disciolti in acqua, creata con il pacchetto "Shiny" per il linguaggio di programmazione "R". Il sistema consente di rappresentare subito, graficamente o in mappa, i dati appena acquisiti.
Una volta definita la struttura del database, si procederà ad incorporare e sistematizzare le informazioni e i dati già raccolti nel corso dei numerosi sopralluoghi effettuati in passato, provvedendo anche ad integrare la pagina web del Servizio Geologico Regionale (xxxx://xxxxxxxx.xxxxxxx.xxxxxx-xxxxxxx.xx/xx/xxxxxxxx/xxxx/xxxxxxxx/xxxxxxxx-xxxxxxxxx-xxxxxx olari), già in uso per illustrare in modo schematico le segnalazioni raccolte .nel corso dei primi mesi di attuazione del protocollo.
5. Riferimenti bibliografici
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Xxxxxxx, X., Xxxxxxx, M., Xxxxxxxxxx, B. & Xxxxxxxxx, S. Ground heating and methane oxidation processes at shallow depth in Terre Calde di Medolla (Italy): Numerical modeling. Journal of Geophysical Research-Solid Earth (2015). doi:10.1002/2014JB011636
Xxxxxxx, X. Xxxxxxxx, B., Xxxxxxxxxx, M., Xxxxx, G., Xxxxxxx, M., Xxxxxxx L. & Xxxxxxxxxxx F. Soil-gas survey of liquefaction and collapsed caves during the Emilia seismic sequence. Annals of Geophysics 55, (2012).