I fluidi (liquidi, gas o fluidi supercritici) presenti nelle litosfera durante la storia della terra possono essere rimasti intrappolati sotto forma di piccole, in genere microscopiche, inclusioni all’interno dei minerali.

I fluidi naturali più comuni intrappolati nelle inclusioni sono:

  • soluzioni acquose a salinità variabile
  • fasi volatili (per lo più CO2, CH4 ed N2 in differenti proporzioni)
  • idrocarburi
  • soluzioni acquose a salinità variabile contenenti anche fasi volatili e/o idrocarburi.

Le analisi delle inclusioni fluide quindi forniscono informazioni fondamentali sulla natura fisico-chimica dei fluidi presenti in passato in vari ambienti geologici. Il metodo analitico principale è quello microtermometrico basato sulle temperature a cui avvengono passaggi di fase all’interno delle inclusioni fluide. Le analisi sulle inclusioni fluide sono comunemente utilizzati nello studio e la prospezione di giacimenti minerari, in ricerche geotermiche, nell’esplorazione petrolifera; in petrologia metamorfica, magmatica e sedimentaria; in ricerche sulle relazioni tra circolazione dei fluidi e strutture tettoniche ecc.

Le inclusioni fluide si possono classificare in base alle fasi presenti a temperatura ambiente e ai rapporti volumetrici tra le fasi. A) Inclusione bi-fasica a liquido e vapore, ricca in liquido; B) Inclusione bi-fasica a liquido e vapore, ricca in vapore; C) Inclusione tri-fasica in cui sono presenti 2 liquidi immiscibili (Liquido 1: soluzione acquosa, Liquido 2: CO2) ed una fase gassosa (costituita in gran parte da CO2); D) Inclusione tri-fasica in cui sono presenti: liquido, vapore ed un solido (cubo di NaCl).

Le inclusioni fluide possono formarsi sia durante la crescita del minerale ospite (inclusioni primarie e pseudo-secondarie) che successivamente alla completa cristallizzazione del minerale ospite (inclusioni secondarie). A) Inclusioni primarie disposte lungo zone di crescita del minerale ospite, intrappolate in imperfezioni formate nel cristallo durante la sua crescita; B) Inclusioni pseudo-secondarie: rimangono intrappolate all’interno di fratture che si formano nel minerale durante la sua crescita; in questo caso la frattura è completamente contenuta nel cristallo ospite poiché quest’ultimo continua a crescere dopo la formazione della frattura, C) Inclusioni secondarie nel quarzo: rimangono intrappolate all’interno di fratture che si formano nel minerale dopo la sua crescita (in questo caso la frattura contenente le inclusioni incontra il bordo del cristallo ospite). Il minerale ospite delle inclusioni mostrate nelle microfotografie è quarzo.

STRUMENTAZIONE

Il laboratorio è equipaggiato delle seguenti apparecchiature per analisi microtermometriche:

  • Tavolino riscaldante/congelante (-180/+600°C) Linkam THMSG 600 montato su un microscopio Leitz Ortholux dotato di obiettivi Olympus (20x, 50, 80x) con lenti a lunga distanza focale e corredato di un sistema di raffreddamento ad azoto liquido (LNP93/2), controller TMS93/1500, Software LinkSys, e di una videocamera JVC TK-C1380 per l’acquisizione di immagini digitali. In alternativa può essere montato un Tavolino Linkam TS 1500 di alta temperatura (fino a 1500°C).
  • Tavolino riscaldante/congelante Linkam THMS600 (-180/+600°C), montato un microscopio Zeiss di tipo Axio Scope.A1, dotato di 3 obiettivi (5x, 20x, 50x) a lunga distanza focale Epiplan, corredato di controller Linkam T95-STD e LINKPAD, pompa per la circolazione dell’acqua, sistema di raffreddamento Linkam THMS-LNP95, videocamera per microscopia digitale Axiocam ICc1, software Axiovision REL. 4.8.2 per acquisizione ed elaborazioni immagini, e driver per tavolini Linkam compatibili con il software Axiovision.
  • Dischi di quarzo contenenti inclusioni fluide sintetiche di diversa composizione e densità impiegati per la calibrazione delle termocoppie dei tavolini Linkam e per scopo didattico.

PERSONALE

Dott. Giovanni Ruggieri (Ricercatore CNR - Responsabile Laboratorio)

Dott.ssa Valentina Rimondi (Rcercatore Associato)

Dott.ssa Guia Morelli (Assegnista di Ricerca CNR)

CONTATTI

Telefono:

055 2757793 (Laboratorio)
055 2757457 (Dott. Giovanni Ruggieri)

E-mail:

giovanni.ruggieri(at)igg.cnr(dot)it

METODO

La microtermometria è il metodo principale per lo studio delle inclusioni fluide. Le analisi microtermometriche si effettuano utilizzando un tavolino riscaldante/raffreddante montato su un microscopio ottico mediante il quale è possibile osservare e registrare le temperature dei passaggi di fase che avvengono nelle inclusioni fluide durante cicli termici controllati. Sulla base delle temperature dei passaggi di fase è possibile ottenere informazioni su alcuni parametri chimico-fisici dei fluidi intrappolati come per esempio: la salinità ed il volume molare di soluzioni acquose, la presenza di CO2 (e talora di CH4 e/o N2) all’interno delle inclusioni, il volume molare di fluidi costituiti esclusivamente da CO2 o CH4 o N2. Inoltre, integrando le informazioni microtermometriche con dati ottenuti per micro-spettroscopia RAMAN, si possono ricavare informazioni sulla composizione ed il volume molare di soluzioni acquose contenenti fasi volatili (CO2 e/o CH4 e/o N2).

APPLICAZIONI

Gli studi sulle inclusioni fluide sono correntemente applicati a molteplici campi delle scienze della terra tra i quali:

  • la giacimentologia, sia per l’elaborazione di modelli minero-genetici e che per scopi di prospezione mineraria;
  • la geotermia per la ricostruzione dell’evoluzione dei sistemi geotermici ed a fini geotermometrici;
  • l’esplorazione petrolifera;
  • la petrologia metamorfica e sedimentaria;
  • la geologia strutturale per ricerche sulle relazioni tra circolazione dei fluidi e sviluppo di strutture tettoniche.
  • la gemmologia

La salinità delle inclusioni fluide contenenti soluzioni acquose non sature in sali a temperatura ambiente può essere stimata sulla base della temperatura di fusione del ghiaccio se esso è l’ultimo solido a fondere. La salinità delle inclusioni fluide viene convenzionalmente indicata in "% in peso di NaCl equivalente", cioè la quantità (in % in peso) di NaCl , che produce un abbassamento della temperatura di fusione del ghiaccio equivalente a quella osservata. Il diagramma H2O-NaCl e le microfotografie illustrano i vari momenti del ciclo termico necessario per la misura della temperatura di fusione del ghiaccio di un inclusione bi-fasica ricca in liquido contenente una soluzione salina in cui il sale disciolto principale è NaCl. L’inclusione viene prima congelata, portando la temperature significativamente al di sotto della temperatura di congelamento della soluzione. (A) I solidi che si sono formati durante il congelamento sono ghiaccio ed hydrohalite; (B) riscaldando l’inclusione si ha un cambiamento dell’aspetto dell’inclusione (si forma del liquido) a causa della completa fusione dell’hydrohalite alla temperatura dell’eutettico; (C) aumentando ancora la temperatura si ha la progressiva fusione del ghiaccio: inizialmente sono presenti numerosi cristalli di ghiaccio con forma rotondeggiante; (D) vicino alla temperatura di completa fusione del ghiaccio è presente solo un piccolo cristallo di ghiaccio; (E) appena sopra la temperatura di fusione del ghiaccio sono presenti solo liquido e la bolla di vapore. L’ultimo cristallo di ghiaccio è fuso a circa -11°C corrispondente ad una salinità del 15% in peso di NaCl equivalente.

Le inclusioni fluide possono essere considerate in genere sistemi quasi-isocorici (cioè il volume molare dell’inclusione cambia in modo trascurabile dal momento del suo intrappolamento). Per le inclusioni contenenti soluzioni saline, una volta stimata la salinità del fluido è possibile determinarne anche il volume molare (e quindi anche la densità) osservando la così detta temperatura di omogeneizzazione (Th), cioè la temperatura alla quale l’inclusione diviene mono-fasica durante un ciclo di riscaldamento. Il diagramma Pressione-Temperatura per il sistema H2O-NaCl per una concentrazione del 15% in peso di NaCl (da Bondar and Vytik (1994) in: Fluid Inclusions in Minerals: Methods and Applications, Virginia Polytechnic Institute, Blacksburg (1994), 117–130, modificato) e le microfotografie illustrano alcuni momenti delle analisi microtermometriche per la misura della Th della solita inclusione bifasica ricca in liquido. (A) A temperatura ambiente l’inclusione è costituita da una fase liquida e una bolla di vapore e quindi si trova sulla curva liquido/vapore della soluzione salina, aumentando la temperatura la dimensione della bolla diminuisce (il liquido si espande); (B) poco prima della Th la bolla è molto piccola; (C) alla Th la bolla scompare e l’inclusione è costituita solo dalla fase liquida. Aumentando ulteriormente la temperatura l’inclusione segue l’isocora che parte dalla Th. Ogni isocora è caratterizzata da un volume molare quindi dalla Th è possibile ottenere anche il volume molare dell’inclusione. La Th corrisponde alla temperatura di formazione dell’inclusione solo se essa è stata intrappolata lungo la curva liquido/vapore, cioè in condizioni di immiscibilità di fluidi (per esempio durante un processo di ebollizione). Se invece l’inclusione fluida è stata intrappolata nel campo del liquido per stimare la temperatura di intrappolamento del fluido (Tt) è necessario conoscere la pressione di intrappolamento (Pt). Per esempio, se la Pt per l’inclusione esaminata ricavata da stime sul carico litostatico era di 150 MPa la Tt doveva essere di 490°C. Se invece si conosce la temperatura del fluido (per esempio in base a geotermometri indipendenti) si potrà calcolata la Pt.

Schema concettuale della circolazione dei fluidi nel sistema idrotermale fossile di Boccheggiano-Montieri collocato a sud del sistema geotermico di Larderello. Il modello di circolazione è stato elaborato sulla base di dati di geologia strutturale, di inclusioni fluide ed isotopici. Da: Liotta D., Ruggieri G., Brogi A., Fulignati P., Dini A., Nardini, I. (2010): Migration of geothermal fluids in extensional terrains: the ore deposits of the Boccheggiano-Montieri area (southern Tuscany, Italy). International Journal of Earth Sciences, 99, 623-644

PROGETTI

  • IMAGE (in corso) è un progetto è finalizzato all'esplorazione e alla valutazione di serbatoi geotermici utilizzando un approccio multidisciplinare comprendente anche la comprensione dei processi e delle proprietà dei serbatoi geotermici supercritici mediante lo studio di sistemi fossili esumati analoghi ai sistemi attivi. Lo studio delle inclusioni fluide ha come scopo la caratterizzazione fisico-chimica dei fluidi che circolavano nei serbatoi idrotermali esumati.
  • DESCRAMBLE (in corso), il progetto si propone di perforare in crosta continentale, in condizioni geotermiche supercritiche, e di testare e dimostrare tecniche di perforazione innovative tali da controllare le emissioni di gas, l'ambiente aggressivo e le condizioni di alta temperatura e pressione previste nei fluidi profondi. Come test site è stato scelto il campo geotermico di Larderello. Lo studio delle inclusioni fluide è finalizzato alla ricostruzione delle caratteristiche fisico-chimiche dei fluidi presumibilmente presenti alla profondità finale della perforazione.
  • Progetto bilaterale CNR-TUBITAK (2014-2015): Approccio integrato per la caratterizzazione del quadro strutturale e del relativo sistema geotermico fossile lungo il bordo settentrionale del bacino Quaternario di Denzili (Turchia). Lo scopo del progetto era quello di comprendere le relazioni tra strutture tettoniche e i fluidi idrotermali che hanno generato i numerosi depositi di travertino presenti nell’area. Mediante lo studio delle inclusioni fluide ed analisi isotopiche è stato possibile caratterizzare la temperatura e l’origine dei fluidi associati alle strutture che deposto i travertini.

INTERESSI SCIENTIFICI

Applicazioni delle inclusioni fluide a:

  • Studi sull’evoluzione fluidi e dei processi di interazione acqua-roccia in campi geotermici.
  • Ricerche sulla genesi di mineralizzazioni e giacimenti idrotermali.
  • Ricostruzioni termo-barometriche di complessi termo-metamorfici.
  • Studi sulle relazioni tra strutture tettoniche e circolazione dei fluidi.
  • Ricerche su di analoghi naturali per il sequestro mineralogico della CO2

Uno dei siti di studio del progetto IMAGE è il sistema di vene a quarzo e tormalina del Monte Calamita (Isola d’Elba, Italia) che rappresenta un sistema idrotermale fossile esumato simile a quello che dovrebbe esserci nel sottosuolo di Larderello al di sotto del sistema attualmente sfruttato. (A) Campionamento delle vene a quarzo e tormalina; (B) Particolare di una vena a quarzo e tormalina; (C) Inclusione bi-fasica (liquido + vapore) nel quarzo della vena; (D) Inclusione multi-fasica (liquido + vapore + halite (H) + 3 solidi (S2, S3, S6)) nel quarzo della vena.

Per il progetto DESCRAMBE sono in corso studi su campioni provenienti dal campo geotermico di Larderello caratterizzati dalla presenza di tormalina. Questi campioni contengono inclusioni fluide che sono state intrappolate a profondità maggiori rispetto a quelle attuali (il sistema è esumato). I dati ottenuti dallo studio delle inclusioni fluide saranno utilizzati per ricostruite alcuni parametri chimico-fisici del fluidi che probabilmente saranno incontrati nel corso della perforazione in condizioni super-critiche. (A) e (B) Campione di vena a quarzo e tormalina proveniente da un pozzo del sistema geotermico di Larderello oggetto di studio del progetto; (C) Inclusione bi-fasica (liquido + vapore) nel quarzo della vena; (D) Inclusione tri-fasica (liquido + vapore + halite) nel quarzo della vena.

Nel corso del progetto bilaterale tra CNR e TUBITAK sono state campionati vene di travertini a bande ubicati nel bordo settentrionale del bacini di Denizli allo scopo di analizzare le inclusioni fluide contenute nella calcite delle vene. (A) Deposito di travertino oggetto dello studio e del campionamento; (B) Inclusioni pseudo-secondarie bi-fasiche (liquido + vapore) ricche in liquido e mono-fasiche nella calcite; (C) Inclusione bi-fasica (liquido + vapore) ricca in liquido nella calcite. 

PUBBLICAZIONI SELEZIONATE

  • Brogi, A., Alçiçek, M.C., Yalçiner, C.T., Capezzuoli, E., Liotta, D., Meccheri, M., Rimondi, V., Ruggieri, G., Gandin, A., Boschi, C., Büyüksaraç, A., Alçiçek, H., Bülbül, A., Baykara, M.O., Shen, C.-C. (2016) Hydrothermal fluids circulation and travertine deposition in an active tectonic setting: Insights from the Kamara geothermal area (western Anatolia, Turkey). Tectonophysics, 680, 211–232.
  • Rimondi, V. , Costagliola, P., Ruggieri, G., Benvenuti, M., Boschi, C., Brogi, A., Capezzuoli, E., Morelli, G., Gasparon, M., Liotta, D. (2016) Investigating fossil hydrothermal systems by means of fluid inclusions and stable isotopes in banded travertine: an example from Castelnuovo dell’Abate (southern Tuscany, Italy). International Journal of Earth Sciences, 105, 659-679.
  • Bicocchi G., Tassi F., Bonini M., Capecchiacci F., Ruggieri G., Buccianti A., Burgassi P., Vaselli O. (2013) The high pCO2 Caprese Reservoir (Northern Apennines, Italy): Relationships between present- and paleo-fluid geochemistry and structural setting. Chemical Geology 351, 40–56.
  • Gasparrini M., Ruggieri G., Brogi A. (2013 ) Diagenesis versus hydrothermalism and fluid-rock interaction within the Tuscan Nappe of the Monte Amiata CO2-rich geothermal area (Italy). Geofluids, 13, 159–179.
  • Liotta D., Ruggieri G., Brogi A., Fulignati P., Dini A., Nardini I. (2010) Migration of geothermal fluids in extensional terrains: the ore deposits of the Boccheggiano-Montieri area (southern Tuscany, Italy). International Journal of Earth Sciences, 99, 623-644.
  • Mazzarini F., Isola I., Ruggieri G., Boschi C. (2010) Fluid circulation in the upper brittle crust: Thickness distribution, hydraulic transmissivity fluid inclusion and isotopic data of veins hosted in the Oligocene sandstones of the Macigno Formation in southern Tuscany, Italy. Tectonophysics, 493, 118–138.
  • Boiron M.C., Cathelineau M., Ruggieri G., Jeanningros A., Gianelli G., Banks D.A. (2007) Active contact metamorphism and CO2-CH4 fluid production in the Larderello geothermal field (Italy) at depths between 2.3 and 4 km. Chemical Geology, 237, 303-328.
  • Dini A., Di Vincenzo G., Ruggieri G., Rayner J., Lattanzi P. (2005) Monte Ollasteddu, a new gold discovery in the Variscan basement of Sardinia (Italy): first isotopic (Ar-40-Ar-39, Pb) and fluid inclusion data. Mineralium Deposita, 40, 337-346.
  • Montomoli C., Ruggieri G., Carosi R., Dini A., Genovesi M. (2005) Fluid source and pressure-temperature conditions of high-salinity fluids in syn-tectonic veins from the Northeastern Apuan Alps (Northern Apennines, Italy). Physics and Chemistry of the Earth, 30, 1005-1019.
  • Ruggieri G., Giolito C., Gianelli G., Manzella A., Boiron M.C. (2004) Application of fluid inclusions to the study of Bagnore geothermal field (Tuscany, Italy). Geothermics, 33, 675-692.
  • Vaggelli G., Francalanci L., Ruggieri G., Testi S. (2003) Persistent polybaric rests of calc alkaline magmas at Stromboli volcano, Italy: pressure data from fluid inclusions in restitic quartzite nodules. Bulletin of Volcanology, 65, 385-404.
  • Maineri C., Benvenuti M., Costagliola P., Dini A., Lattanzi P., Ruggieri G., Villa I.M. (2003) Sericitic alteration at the La Crocetta deposit (Elba island, Italy): interplay between magmatism, tectonics and hydrothermal activity. Mineralium Deposita, 38, 67-86.
  • Montomoli C., Ruggieri G., Boiron M.C., Cathelineau M. (2001) Pressure fluctuation during uplift of the northern Apennines (Italy): a fluid inclusions study. Tectonophysics, 341, 121-139.
  • Ruggieri G., Gianelli G. (1999) Multi-stage fluid circulation in a hydraulic fracture breccia of the Larderello geothermal field (Italy). Journal of Volcanology and Geothermal Research, 90, 241-261.
  • Ruggieri G., Cathelineau M., Boiron M.C., Marignac C. (1999) Boiling and fluid mixing in the chlorite zone of the Larderello geothermal system. Chemical Geology, 154, 237-256.
  • Gianelli G., Mekuria N., Battaglia S., Chersicla A., Garofalo P., Ruggieri G., Manganelli M., Gebregziabher Z. (1998) Water-rock interaction and hydrothermal mineral equilibria in the Tendaho geothermal system. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 86, 253-276.
  • Gianelli G., Ruggieri G., Mussi M. (1997) Isotopic and fluid-inclusion study of hydrothermal and metamorphic carbonates in the Larderello geothermal field and surrounding areas, Italy. Geothermics, 26, 393-417.