La resistività elettrica (ovvero equivalentemente il suo inverso, la conducibilità) è un parametro fisico che permette di esplorare la struttura del sottosuolo. Nell’esplorazione geotermica, ad esempio, fornisce uno dei metodi diagnostici più efficaci in quanto la resistività elettrica associata al serbatoio è in generale più bassa rispetto ai valori che assume nel materiale roccioso circostante (escluso le mineralizzazioni ad argilla). Il suo valore dipende da una serie di fattori, quali la temperatura, la porosità/permeabilità e la salinità del fluido geotermico. Di conseguenza, l'individuazione di una variazione significativa della resistività elettrica fornisce una prima serie di indicazioni sulla struttura sotterranea dell'area d'interesse. La resistività del sottosuolo viene misurata con metodi di prospezione elettromagnetica, che consentono di esplorare aree di parecchi chilometri quadrati di estensione a costi relativamente bassi rispetto ai costi associati, ad esempio, alla prospezione sismica.
Tra le diverse tipologie di metodi per la prospezione elettromagnetica per la caratterizzazione delle proprietà elettriche del sottosuolo, il metodo magnetotellurico (MT) e quello AudioMagnetoTellurico (AMT) consentono di esplorare in maniera efficace strutture ad elevata profondità.

L’IGG lavora in questo settore della geofisica dal 1990, ed ha sviluppato metodi per l’analisi del segnale magnetotellurico, la modellistica numerica, ed acquisito notevole esperienza nell’esplorazione di zone tettonicamente attive, quali zone vulcaniche e geotermiche.

Attualmente stiamo lavorando soprattutto sullo sviluppo ed applicazione di analisi integrate di dati magnetotellurici con altre informazioni per l’esplorazione geotermica profonda, partecipando ai progetti internazionali IMAGE (EU-FP7) e DESCRAMBLE (EU-H2020).

STRUMENTAZIONE

Il laboratorio di magnetotellurica è dotato di diversi strumenti in grado di acquisire dati MT in un'ampio spettro di frequenze (0.0001 Hz - 1000 kHz). Parte della strumentazione è stata progettata e realizzata in collaborazione con la West Systems S.r.l. (http://westsystem.eu).

1) Strumentazione per acquisizione dati MT broad-band (0.0001 Hz - 1 kHz):
Sistema multicanale ad alta risoluzione che permette di misurare le due componenti del Campo Elettrico (Ex, Ey) e le tre componenti del Campo Magnetico (Hx, Hy, Hz) e di acquisire dati MT ed AMT. Il sistema è corredato da:

  • Ricevitore ZEN HighRes della ZONGE (http://zonge) a banda ultra-larga (operante in frequenze da 0.0001 Hz a 1000 Hz) con precisione a 32 bit ad un passo di campionamento di 256 Hz. Il ricevitore può gestire i 6 canali in tempo reale fino ad una frequenza di campionamento di 1024 Hz. Ogni canale è corredato da una memoria di massa da 4 GB sufficiente a memorizzare dati per diversi giorni consecutivi di acquisizione
  • 4 sensori magnetometri modello ANT/4 della ZONGE
  • Set di elettrodi non polarizzabili (Pb-PbCl) modello WM (diametro 90 mm) della Wolf Ltd sviluppati specificatamente per misure MT, geoelettrica e Polarizzazione indotta
  • Set di cavi, accumulatori (12 V, 42 Ah) e parti di ricambio.

2) Strumentazione acquisizione dati MT in bassa frequenza (0.0001 Hz - 0.0003 Hz, 24 bit digital sampling):

  • 2 ricevitori NIMS
  • 5 ricevitori West-IGG
  • 3 sensori magnetometri fluxgate a tre componenti
  • Set di elettrodi impolarizzabili, cavi, accumulatori (12 V, 42 Ah) e parti di ricambio

3) Strumentazione AMT (MT in alta frequenza) (0.1 Hz - 100 kHz):

  • Trasmettitore STRATAGEM per misure CSAMT
  • 2 ricevitori West-IGG e 1 STRATAGEM
  • 4 sensori magnetometri ad induzione
  • Set di elettrodi metallici, elettrodi impolarizzabili, cavi, accumulatori (12 V, 42 Ah) e parti di ricambio.

4) Strumentazione per elaborazione dati MT e modellistica:

  • 2 Laptop per elaborazione in situ di dati magnetotellurici
  • Computer desktop ad alte prestazioni per processing, editing, modelling
    Software Winglink (Geosystem) per processing, editing e per modellazione 1D, 2D e (diretta) 3D
    Software Zonge per inversione 1D e 2D
    Codici di elaborazione dati MT ed inversione sviluppati in IGG

Il team sta sviluppando una piattaforma software basata su MatLab per l'inversione dei dati magnetotellurici mediante innovativi algoritmi di ottimizzazione.

PERSONALE

Dott.ssa Adele Manzella (Ricercatore CNR - Responsabile Laboratorio)
Dott.ssa Serena Botteghi (Ricercatore CNR)
Dott. Alessandro Santilano (Assegnista di Ricerca CNR)

CONTATTI

Telefono:

050 6213417 (Laboratorio)
050 6212392 (Dott.ssa Adele Manzella)
050 6212387 Dott.ssa Serena Botteghi e Dott. Alessandro Santilano)

E-mail:

adele.manzella(at)igg.cnr(dot)it
serena.botteghi(at)igg.cnr(dot)it

alessandro.santilano(at)igg.cnr(dot)it

METODI E APPLICAZIONI

La magnetotellurica (MT) è un metodo di prospezione geofisica di tipo passivo che utilizza le variazioni temporali del campo elettromagnetico naturale sulla superficie terrestre, in una banda di frequenze compresa tra 106 e 10-6 Hz, per determinare le variazioni della resistività elettrica del sottosuolo. Il segnale naturale è generato nell’alta atmosfera terrestre dall'attività temporalesca e dall'interazione del vento solare con magnetosfera e ionosfera terrestre. Quando le misure si limitano alle alte frequenze si utilizza il termine di AudioMagnetotellurica (AMT). Utilizzando le stesse tecniche di analisi del segnale, è possibile anche utilizzare un campo prodotto artificialmente con un trasmettitore: in questo caso si parla di CSAMT (Control Source AMT). Il CSAMT è utilizzato per aumentare il rapporto segnale-rumore in caso di forti disturbi elettromagnetici e segnale naturale debole.

Il campo elettromagnetico misurato in superficie è la somma di un campo esterno incidente (detto primario) e da un campo secondario, indotto nel sottosuolo da quello primario. L’acquisizione simultanea delle componenti ortogonali dei campi elettrici e magnetici in superficie permette di calcolare la funzione di trasferimento (impedenza) per ogni frequenza misurata, che fornisce indicazioni sulla distribuzione di resistività del sottosuolo.

La profondità di investigazione, variabile da qualche decina di metri fino a diverse decine di chilometri, è inversamente proporzionale alla frequenza del segnale studiato e della conducibilità elettrica delle rocce. Il metodo MT a segnale naturale arriva a profondità molto elevate, mentre il CSAMT è usualmente confinato a massimo 1-3 chilometri di profondità.
Ad ogni stazione MT si misurano 5 canali: due componenti orizzontali di campo elettrico, due componenti orizzontali e quella verticale di campo magnetico, dove le componenti orizzontali sono tra loro ortogonali (ad es., nord-sud e est-ovest). Una tipica stazione magnetotellurica consiste di due coppie di elettrodi (E) posizionati a formare due dipoli elettici ortogonali (di lunghezza variabile, generalmente tra i cinquanta e cento metri), utilizzati per rilevare le variazioni temporali delle 2 componenti orizzontali del campo elettrico (Ex, Ey) e tre magnetometri anch'essi posizionati in direzioni ortogonali, per rilevare le variazioni temporali delle 3 componenti (Hx, Hy, Hz) del campo magnetico.

Il sito di misura è praticamente invisibile alla superficie, perché tutti i sensori vengono interrati in modo da non essere disturbati durante le lunghe registrazioni notturne. L'area d'interesse viene esplorata posizionando diverse stazioni sul terreno, accuratamente scelte in modo da mantenere la distribuzione migliore e al contempo evitare zone con elevato disturbo elettromagnetico, difficile accesso e topografia accidentata.

Ad ogni sito i dati vengono registrati per una durata temporale che dipende dalla profondità che si intende raggiungere con l'esplorazione. Per ciascuna componente misurata, il risultato della misura (dato grezzo) è una serie temporale, cioè la variazione di campo (elettrico o magnetico) misurato nel tempo.

Il trattamento dati del segnale MT consiste nella trasposizione dal dominio del tempo al dominio delle frequenze mediante trasformate di Fourier, e nel calcolo dell’impedenza elettromagnetica tramite la quale si derivano i principali parametri utilizzati per la modellistica numerica (resistività apparente e fase, strike, tipper, skew ecc.). Si passa quindi alla fase di modellazione e interpretazione, mediante modellistica diretta e inversa 1D, 2D e 3D e integrazione con altre dati e informazioni disponibili.

Una caratteristica del metodo MT è quella di investigare non soltanto le variazioni di resistività lungo un tracciato o sulla verticale del sito di misura, bensì di ottenere informazioni relative a un volume semisferico (in un mezzo uniforme. In condizioni anisotrope il volume è più complesso) centrato sul punto di misura. Il raggio della semisfera e il volume investigato aumenta con il diminuire della frequenza del segnale registrato.

I principali ambiti applicativi e di ricerca sono indicati in figura

Tra questi, quelli che vengono in particolare utilizzati al CNR-IGG sono:

  • Esplorazione geotermica per l'individuazione dei sistemi di circolazione dei fluidi geotermici e delle zone che costituiscono la sorgente di calore;
  • Studi di carattere vulcanologico, per individuare la profondità ed il volume di camere magmatiche e gli edifici vulcanici di vulcani attivi italiani (Vesuvio e Etna);
  • Esplorazione delle falde acquifere;
  • Esplorazione profonda della crosta terrestre.

PROGETTI

Il laboratorio MT è stato coinvolto in diversi progetti scientifici e svolge attività di consulenza e collaborazioni scientifiche con università ed enti di ricerca in ambito nazionale ed internazionale.

Progetti scientifici recenti:

  • IMAGE (EU-FP7 Project, 2013-2017): "Integrated Methods for Advanced Geothermal Exploration
  • I-GET (EU-FP6 2005-2009): “Integrated Geophysical Exploration Technologies”
  • Si.Ri.Pro (Progetto PON 2004-2010): "SIsmica a RIflessione PROfonda, Metodologie integrate per l'esplorazione geofisica avanzata lungo un transetto crostale, Sicilia". Obiettivo: investigazione crosta profonda in Sicilia".
  • INTAS EU Project (2004-2006): "Three-dimension electromagnetic and thermal tomography of the active crustal zones".

Attività recenti di collaborazione scientifica:

  • Prospezioni geotermiche: Balmatt (Belgium), 2015); Canino (Viterbo), 2011 e 2014; Argentera (Cuneo), 2010;
  • Per esplorazione idrogeologiche: Equi Terme 2008-2009); Monte Amiata, 2003-2006.

Altre attività svolte

  • Rilievi magnetotellurici in progetti CROP Alpi Centrali, CROP03, CROP18 e progetti INGV (Vesuvio, Etna) per esplorazione crostale e vulcanica
  • Rilievi magnetotellurici in aree geotermiche del Larderello e Amiata, anche in collaborazione con Enel, e in Tibet, Slovacchia e Australia per esplorazione geotermica

INTERESSI SCIENTIFICI

  • Sviluppo di algoritmi di ottimizzazione dell’analisi dati magnetotellurici, in particolare per la rimozione del rumore elettromagnetico
  • Modellistica magnetotellurica integrata con altri informazioni
  • Esplorazione geotermica, crostale, vulcanica

PUBBLICAZIONI SELEZIONATE

  • Santilano A., Donato A. Galgaro A. Montanari D. Menghini A. Viezzoli A. Di Sipio E., Destro E. Manzella A. An integrated 3D approach to assess the geothermal heat-exchange potential: The case study of western Sicily (southern Italy). Renewable Energy, 97, 611-624, 2016
  • G. Molli, M. Doveri, A. Manzella, L. Bonini, F. Botti, M. Menichini, D. Montanari, E. Trumpy, A. Ungari & Luca Vaselli Surface-subsurface structural architecture and groundwater flow of the Equi Terme hydrothermal area, northern Tuscany Italy. Ital. J. Geosci., Vol. 134, No. 3, pp. 442-457, 2015
  • Santilano A., Godio A., Manzella A., Menghini A., RizzoE., Romano G and Viezzoli A.. Electromagnetic and DC methods for geothermal exploration in Italy – case studies and future developments. First Break volume 33, pp. 81-86, August 2015.
  • Nimalsiri T. B., Suriyaarachchi N. B., Hobbs B., Manzella A., Fonseka M., Dharmagunawardena H.A., Subasinghe N. D. Structure of a low-enthalpy geothermal system inferred from magnetotellurics — A case study from Sri Lanka. Journal of Applied Geophysics 117, 104–110, 2015.
  • Oskooi, B. and Manzella, A.: 2D inversion of the Magnetotelluric data from Travale geothermal field in Italy. Journal of the Earth & Space Physics. 36, No. 4, Pages 1-18, 2011.
  • Manzella A., Ungarelli C., Ruggieri G., Giolito C., Fiordelisi A.: Electrical resistivity at the Travale geothermal field (Italy). Proc. World Geothermal Congress, 2010.
  • Bianchi A., Bovini L., Botti F., Doveri M., Lelli M., Manzella A., Molli G., Montanari D., Pierotti L., Ungarelli C., Ungari A., Vaselli L.: Multidisciplinary approach to the study of the relationships between shallow and deep circulation of geofluids. Proc. World Geothermal Congress, 2010.
  • Spichak V., and Manzella A. (2009). Electromagnetic sounding of geothermal zones, Journal of Applied Geophysics, 68, 459-478.
  • Armadillo E., Bozzo E., Caneva G., Manzella A., Ranieri G. Imaging deep and shallow structures by electromagnetic soundings moving from the Transantarctic Mountains to the Wilkes Subglacial Basin. Terra Antartica Reports. Issue 13, Pages 65-74, 2007.
  • A. Manzella and A. Zaja: Volcanic structure of the southern sector of Mt. Etna after the 2001 and 2002 eruptions defined by magnetotelluric measurements. Bulletin of Volcanology 69 (1), 41-50, 2006.
  • Oskooi, B., Pedersen, L.B., Smirnov, M., ¡rnason, K., Eysteinsson, H., Manzella, A., and the DGP Working Group. The deep geothermal structure of the Mid-Atlantic Ridge deduced from MT data in SW Iceland. Phys. Earth Planet. Int., 150, 183-195, 2005.
  • Manzella, A. Resistivity and heterogeneity of Earth crust in an active tectonic region, southern Tuscany, Italy. Annals of Geophysics, 47, 107-118, 2004.
  • Manzella, A., Volpi, G., Zaja, A., and Meju, M. Combined TEM-MT investigation of shallow-depth resistivity structure of Mt. Somma-Vesuvius. J. Volc. and Geoth. Res., 131, 19-32, 2004.
  • Volpi, G., Manzella, A., and Fiordelisi, A. Investigation of geothermal structures by magnetotellurics (MT): an example from the Mt. Amiata area, Italy. Geothermics, 32, 131-145, 2003.
  • Manzella A.: Electrical resistivity structures of southern Tuscany geothermal areas, Italy, Proceedings 24th NZ Geothermal Workshop, 141-146, 2002.
  • Manzella, A.: Resolution of the magnetotelluric method in the crustal investigation of southern Tuscany. Studi per l'interpretazione del profilo sismico CROP18, Stato di Avanzamento, 15-19, 2002.
  • Manzella A., Volpi G., Corsi F., Fiordelisi A.: Distribution of resistivity in the upper crust of the Larderello geothermal area. Studi per l'interpretazione del profilo sismico CROP18, 2° Stato di Avanzamento, 19-24, 2002.
  • Manzella A., Volpi G., and Zaja A. New magnetotelluric soundings in the Mount Somma-Vesuvius volcanic complex: preliminary results. Annali di Geofisica, 43 n.2, 259-270, 2000.
  • Fiordelisi A., Manzella A., Buonasorte G., Larsen J., Mackie R.: MT methodology in the detection of deep, water-dominated geothermal systems. Proc. World Geothermal Congress, Kyushu-Tohoku, Japan, 1121-1126, 2000.
  • Manzella A., Mackie R., and Fiordelisi A. MT survey in the Amiata volcanic area: A combined methodology for defining shallow and deep structures. Physics and Chemistry of the Earth (A), 24, No. 9, 837-840, 1999.
  • Di Mauro D., G. Volpi , A. Manzella, A. Zaja, N. Praticelli, V. Cerv, J. Pek and A. De Santis
  • Magnetotelluric investigations of the seismically active region of northern bohemia: preliminary results, Annali di Geofisica, 42, n.1, 39-48, 1999.
  • De Angelis, M., Fiordelisi, A., Manzella, A., and Zaja, A. Two-dimensional analysis of a magnetotelluric profile in the CROP 03 area in southern Tuscany. Memorie della Società Geologica Italiana, 52, 295-304, 1998.
  • Fiordelisi, A., Mackie, R., Manzella, A., and Zaja, A. Electrical features of deep structures in southern Tuscany (Italy). Annali di Geofisica, 41, 333-341, 1998.
  • Baldi P., Bellani S., Buonasorte G., Fiordelisi A., Manzella A.: Geothermal exploration in Tuscany (Italy) for high temperature resources. WREC 1998, 2733-2736, 1998.
  • Cerv V., Manzella A., Pek J., Praus O., Zaja A. Magnetotelluric and deep geomagnetic induction data in the Bohemian Massif. Annali di Geofisica, 15, 413-422, 1997.
  • J. C. Larsen, R. L. Mackie, A. Manzella, A. Fiordelisi, and S. Rieven . Robust smooth magnetotelluric transfer functions. Geophys. J. Int., 124, Pag. 801-819, 1996.
  • Manzella A., Fiordelisi A.: Resistivity structure on the western side of the Mt. Amiata region. Proc. World Geothermal Congress 1995, 2, 881-886, 1995.
  • Fiordelisi A., Mackie RL., Madden T., Manzella A., Rieven S.: Application of the magnetotelluric method using a remote-remote reference system for characterizing deep geothermal system. Proc. World Geothermal Congress 1995, 2, 893-898, 1995.
  • Larsen J., Mackie RL., Fiordelisi A., Manzella A., Rieven S.: Robust processing for removing train signals from magnetotelluric data in central Italy. Proc. World Geothermal Congress 1995, 2, 903-908, 1995.
  • Zaja A., Morbin F., Manzella A.: 2-D MT- resistivity interpretation along CROP 8803 seismic profile, Southern Central Alps. Proceedings of the Symposium “CROP-Alpi Centrali” Sondrio, 20-22 October 1993. Quaderni di Geodinamica Alpina e Quaternaria, 2, 213-223, 1994. ISBN 88-86596-00-6
  • Manzella A., Bellani S., Brogi L., Jong Q., Pinna E., Rossi A. Magnetotelluric measurements in the Monte Amiata region. Annali di Geofisica, 37, 1229-1239, 1994.
  • Manzella A., Patella D., Roberti N., Rossi A., Siniscalchi A. Tramacere A. Prime misure magnetotelluriche effettuate in zone di interesse del CROP 03. Studi Geologici Camerti, Special Vol. 1991/1, 71-74, 1991.