Lo studio dei precursori dei terremoti ha catalizzato l’interesse della comunità scientifica sin dagli anni 70 (Wakita et al., 1975; King, 1986, 1989; Thomas, 1988). La messa a punto di metodi e strumenti per il monitoraggio geochimico ha subito un’accelerazione dopo il terremoto di Tashkent, Uzbekistan, nel 1966 in concomitanza del quale è stata registrata per la prima volta una ben documentata anomalia di Radon (Ulomov and Mavashev, 1967).
Tuttavia, il problema della previsione dei terremoti è ancora lontano dall'essere risolto e l'utilità dei metodi e dispositivi di monitoraggio attualmente in uso è ancora oggetto di discussione e di ricerca attiva (vedi ad es. Albarello, 2015; Biagi e Tramutoli, 2015).
È ormai universalmente riconosciuto dalla maggior parte della comunità scientifica che opera in questo campo della ricerca, che la raccolta di serie temporali di dati affidabili (convalidati utilizzando procedure standardizzate) e con una copertura di tempo prolungata (in modo che i valori di fondo di ciascun parametro siano precisamente definiti) rappresenti un passo essenziale per ottenere risultati tangibili nella previsione dei terremoti. Il protocollo operativo del monitoraggio geochimico prevede la misura di più parametri indipendenti. Si ritiene che l’interpretazione incrociata delle serie di dati relative a questi parametri indipendenti consenta una migliore comprensione dei processi geodinamici che avvengono in profondità nelle fasi preparatorie di un terremoto (Toutain & Baubron, 1999). Poiché le variazioni dei parametri chimico-fisici oggetto del monitoraggio possono manifestarsi anche su intervalli temporali relativamente ristretti, anche nell’ordine di alcune ore, è necessario che il monitoraggio geochimico venga effettuato in modo continuo e dopo opportuna calibrazione del passo temporale di campionamento.
La scelta dei parametri da misurare è generalmente guidata dalla conoscenza attuale dei possibili processi fisici e meccanici che avvengono in profondità nelle fasi che precedono un terremoto, cioè durante la fase di accumulo di energia sismica. Si ritiene che, come conseguenza della variazione di permeabilità del sistema, associata all’accumulo di energia sismica, si debbano attendere variazioni della concentrazione di He, Ar, Rn, H2, CO2, CH4, H2S nei gas nel suolo e nelle acque profonde, oppure fenomeni di miscelazione tra acque di diversa origine per la rottura di barriere impermeabili, variazioni di temperatura e/o di salinità (per es. Scholz et al., 1973; Thomas, 1988; Muir-Wood and King, 1993; Rojstaczer et al., 1995; Roeloffs, 1998; Brodsky et al., 2003; Wang et al., 2004; Elkhoury et al., 2006; Wang and Chia, 2008; Doglioni et al., 2014).
La disponibilità di specifica strumentazione ad alta precisione è un ulteriore fattore che può influire sulla scelta dei parametri oggetto di monitoraggio.
Sulla base di questi criteri generali, e nell’ambito di un protocollo di collaborazione tra il Settore Prevenzione Sismica della Regione Toscana e istituto di Geoscienze e Georisorse del CNR di Pisa, a partire dal 2002 in Toscana è stata realizzata una rete di stazioni di monitoraggio automatico continuo per studiare possibili relazioni tra le variazioni di chimismo delle acque e gli eventi sismici. La Legge Regionale n° 58 del 16 ottobre 2009 definisce il quadro normativo con il quale la Regione Toscana disciplina le "Norme in materia di prevenzione e riduzione del rischio sismico". Questa legge sancisce che, insieme alle altre reti di monitoraggio continuo attive nella regione (rete sismica, rete accelerometrica e rete geodetica), la rete geochimica Toscana costituisce lo strumento principale di studio, analisi e ricerca sul rischio sismico.

La rete di monitoraggio geochimico della Toscana (Fig.1) è attualmente costituita da 6 stazioni operative installate nelle aree a maggior rischio sismico della regione: Lunigiana, Garfagnana, Mugello, Alta Valtiberina e comprensorio dell’Amiata. I siti selezionati sono i seguenti:

  • Equi Terme, nella provincia di Massa (sorgente termominerale che alimenta la piscina di un locale stabilimento termale);
  • Gallicano, nella provincia di Lucca (sorgente termominerale privata);
  • Vicchio, nella provincia di Firenze (sorgente Postignana)
  • Caprese Michelangelo, nella provincia di Arezzo (sorgente Armena);
  • Bagnore, nella provincia di Grosseto (sorgente pubblica);
  • Bagno Vignoni, nella provincia di Siena (pozzo termale, utilizzato per alimentare le piscine di un locale stabilimento termale).

STRUMENTI

Le stazioni di monitoraggio attualmente in uso (Fig. 2) sono state ideate e realizzate presso l'IGG-CNR di Pisa (Cioni et al., 2007). Queste stazioni funzionano con acqua corrente (condizioni di flusso variabile tra 2 e 5 l/min) e sono attrezzate per la misura contemporanea dei seguenti 6 parametri: temperatura, pH, conducibilità elettrica, potenziale redox e concentrazioni di CO2 e CH4 disciolti in soluzione acquosa. Per la determinazione di CO2 e CH4 è stata appositamente progettata una cella di estrazione dei gas (Fig. 3). La cella è munita di un tubo specificamente disegnato per favorire l’estrazione dei gas disciolti, il loro accumulo nello spazio di testa della cella ed il contemporaneo mantenimento di un battente acquoso a livello costante. I gas che si accumulano nello spazio di testa vengono mantenuti in contatto con la soluzione acquosa fino al raggiungimento di una condizione di equilibrio termodinamico con essa. Una pompa permette di prelevare la miscela gassosa dalla cella e di convogliarla all’interno di un circuito chiuso di cui fanno parte gli spettrometri IR dedicati alla misura della concentrazione dei gas.

Le stazioni sono programmate per acquisire un dato al secondo per ogni parametro e per registrare il valore medio, la mediana e la varianza delle misure su intervalli di 5 minuti. L’elevata frequenza di acquisizione dei dati garantisce la possibilità di individuare anche variazioni molto brevi. Nelle stazioni di Gallicano, Equi Terme e Bagno Vignoni le operazioni di acquisizione, memorizzazione e trasmissione dati vengono effettuate mediante un data logger commerciale, mentre nelle stazioni di Vicchio, Caprese Michelangelo e Bagnore tali operazioni sono gestite da un computer embedded. In queste ultime stazioni i dati vengono trasmessi via modem GSM, dietro interrogazione telefonica.

Le stazioni corredate di data logger sono invece programmate per inviare automaticamente e con cadenza giornaliera i dati tramite router GPRS - ad un server che si trova presso il CNR di Pisa. Ogni router si connette alla rete mobile per mezzo di una sim M2M. I datalogger sono stati programmati per inviare i dati ad un server ftp situato nel laboratorio: ogni giorno (a mezzanotte) i dati delle ultime 24 ore, vengono inviati al server in un file di tipo .csv di circa 72 KB. Sempre nel laboratorio è stato allestito un server ftp su sistema operativo Linux che riceve ogni giorno i dati dalle tre stazioni. Inoltre è stato allestito un pc nel quale è stato installato il programma "Monitoraggio Stazioni" (appositamente realizzato in c#) il quale ogni mattina si connette al server ftp per controllare che i file siano stati inviati correttamente e per ogni stazione invia un'email che avverte se la trasmissione dei dati ha avuto successo o meno. Se la stazione ha trasmesso i dati, nella e-mail, vengono mostrati anche i valori medi dei vari parametri registrati. Un'altra funzione del programma è quella di mostrare tramite dei grafici, l'andamento dei singoli parametri in un intervallo di tempo selezionabile (ad intervalli di un giorno).

PERSONALE

Dott.ssa Lisa Pierotti (Ricercatore CNR - Responsabile Laboratorio)
Dott. Ing. Gianluca Facca (Tecnico CNR)

CONTATTI

Telefono:

050 6212325 (Ufficio/Laboratorio)
338 6725807 (Dott.ssa Lisa Pierotti)
392 2091759 (Dott. Ing. Gianluca Facca)

E-mail:

lisa.pierotti(at)igg.cnr(dot)it
gianluca.facca(at)gmail(dot)com

METODI E APPLICAZIONI

La validazione dei dati registrati in continuo viene effettuata attraverso procedure manuali di calibrazione, generalmente eseguite con frequenza mensile (Fig. 4), e/o in concomitanza di variazioni anomale dei segnali. I parametri chimico-fisici (T, pH, CE) vengono misurati con strumentazione portatile di alta precisione, mentre la CO2 viene calibrata con standard a concentrazione nota (Fig. 5). Durante le operazioni di calibrazione vengono raccolte aliquote di acqua per l’analisi in situ dei bicarbonati ed in laboratorio dei costituenti principali (Na, K, Ca, Mg, Cl, SO4, SiO2, F, B).

Determinazioni isotopiche di δ18O, δD, δ13C, δ34S, TU vengono effettuate saltuariamente per avere informazioni aggiuntive sui tempi di residenza delle acque all'interno dell'acquifero, sulle aree di alimentazione dei circuiti profondi, oppure sull’origine dei solfati e della CO2 disciolta nelle acque. I dati ottenuti attraverso il monitoraggio discreto (parametri chimico-fisici e costituenti maggiori e minori delle acque) sono elaborati con programmi di speciazione con la finalità di verificare per via numerica i valori di CO2 disciolta misurati dalla stazione.I dati chimici ed isotopici che si ottengono dal monitoraggio discreto non vengono utilizzati unicamente per effettuare una validazione dei dati prodotti dal monitoraggio continuo, ma anche per cercare di definire nel modo più accurato possibile la naturale variabilità dei sistemi idrici monitorati. L'accurata caratterizzazione del fondo naturale e delle sue variazioni temporali è infatti una condizione imprescindibile per poter identificare anomalie di segnale eventualmente riconducibili ai processi preparatori di un evento sismico.

Le serie di dati sono analizzate con metodi statistici per evidenziare eventuali variazioni anomale legate alla attività sismica. La prima operazione consiste nella rimozione dei valori anomali registrati durante le operazioni di manutenzione, e durante l'interruzione del flusso dell'acqua nelle celle, generalmente per guasti alla pompa e/o blackout elettrici. Ogni mese, durante le operazioni di manutenzione, l'afflusso dell'acqua nelle celle è interrotto per circa un'ora. A causa della fase di campionamento di 5 minuti, 12 misurazioni anomale vengono registrate ogni mese. Per eliminare questi valori anomali, i dati sono stati filtrati con la tecnica del lisciamento a mediana mobile, che consente la sostituzione di ciascun elemento della serie con la mediana dei 2N + 1 elementi circostanti, dove 2N + 1 = 25 punti è la larghezza della "finestra" di smoothing utilizzata nel nostro caso (Box e Jenkins, 1976; Velleman e Hoaglin, 1981). I dati acquisiti durante l'interruzione del flusso nelle celle sono eliminate direttamente dalla elaborazione del segnale (Fig. 6).

I principali risultati ottenuti durante più di dieci anni di monitoraggio geochimico continuo in Toscana sono i seguenti:

  • È stato verificato che le stazioni di monitoraggio messe a punto presso CNR-IGG-Pisa hanno le caratteristiche tecniche per rilevare anche minime variazioni temporali dei parametri chimico-fisici e dei gas disciolti nelle acque naturali;
  • in tutti i siti di monitoraggio è stato riscontrato un buon accordo analitico tra i valori acquisiti automaticamente in continuo e quelli misurati manualmente in occasione delle operazioni periodiche di taratura;
  • per tutti i siti di monitoraggio sono state acquisite serie temporali sufficientemente lunghe da permettere una accurata definizione dei valori di fondo naturale di ciascuno dei parametri analizzati;
  • l'integrazione dei dati acquisiti attraverso il monitoraggio continuo con quelli acquisiti attraverso il monitoraggio discreto ha portato ad una approfondita conoscenza dei meccanismi di circolazione sotterranea nei vari sistemi monitorati e quindi all’elaborazione di modelli idrogeologici aggiornati.
  • l'integrazione di dati idrogeochimici con informazioni di carattere idrogeologico-idrostrutturale si è rivelata indispensabile per poter caratterizzare i meccanismi naturali che controllano la circolazione sotterranea delle acque e per poter distinguere con ragionevole certezza quelle che possono essere a tutti gli effetti definite come "anomalie di segnale".

Dal 2002 il Laboratorio Sistemi Automatici di Monitoraggio Geochimico è attivamente coinvolto in progetti scientifici:

  • 2002 - 2004: Realizzazione di una rete di monitoraggio geochimico in Garfagnana e Lunigiana allo scopo di studiare possibili relazioni tra variazioni di chimismo delle acque ed eventi sismiciî Convenzione con il Settore Prevenzione Sismica della Regione Toscana. Responsabile scientifico Dr. Roberto Cioni.
  • 2002 - 2004: Realizzazione di una rete di monitoraggio geochimico nell'Amiata allo scopo di studiare possibili relazioni tra variazioni di chimismo delle acque ed eventi sismiciî. Convenzione con il Settore Prevenzione Sismica della Regione Toscana. Responsabile scientifico Dr. Roberto Cioni.
  • 2010: Prosecuzione delle attività relative alla acquisizione, gestione, elaborazione dei dati relativi alla rete di monitoraggio geochimico nelle aree a maggior rischio sismico della Toscanaî Accordo di collaborazione con il Settore Prevenzione Sismica della Regione Toscana. Responsabile scientifico Dr. Roberto Cioni.
  • 2011: Prosecuzione delle attività relative alla acquisizione, gestione, elaborazione dei dati relativi alla rete di monitoraggio geochimico nelle aree a maggior rischio sismico della Toscana - Accordo di collaborazione con il Settore Prevenzione Sismica della Regione Toscana. Responsabile scientifico Dr. Lisa Pierotti
  • 2013: Prosecuzione delle attività relative alla acquisizione, gestione, elaborazione dei dati relativi alla rete di monitoraggio geochimico nelle aree a maggior rischio sismico della Toscana - Accordo di collaborazione con il Settore Prevenzione Sismica della Regione Toscana. Responsabile scientifico Dr. Lisa Pierotti
  • 2013: Convenzione per lo svolgimento di attività di ricerca relative alla previsione a breve termine dei terremoti nell'ambito della convenzione INGV-DPC, linea progettuale S3. Accordo di collaborazione con l'ARPA Emilia Romagna. Responsabile scientifico Dr. Lisa Pierotti
  • 2014 - 2015: Realizzazione della ricerca descritta nel progetto S3 - previsione a breve termine e preparazione dei terremoti, UR S3.02, nell'ambito dell'art.5 dell'accordo quadro DPC-INGV 2012-2021. Accordo di collaborazione con il Centro Ricerche Sismologiche dellíIstituto Nazionale di Oceanografia e Geofisica Sperimentale. Responsabile scientifico Dr. Lisa Pierotti
  • 2015: Prosecuzione delle attività relative all'acquisizione, gestione, elaborazione ed analisi dei dati relativi alla rete di monitoraggio geochimico nelle aree a maggior sismicità della Toscana - Accordo di collaborazione con il Settore Prevenzione Sismica della Regione Toscana. Responsabile scientifico Dr. Lisa Pierotti
  • 2016: Elaborazione di una relazione scientifica sulle caratteristiche chimiche e chimico-fisiche delle acque minerali naturali della sorgente di Equi Terme captata dallo stabilimento termale - Accordo di collaborazione con la Cooperativa Terme e Valle del Lucido. Responsabile scientifico Dr. Lisa Pierotti
  • 2016: Monitoraggio geochimico e radiometrico della sorgente termominerale di Gallicano (LU) ai fini di ricerca sul rischio sismico. Convenzione con il Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale dellíUniversità di Pisa ed il Comune di Gallicano. Responsabile scientifico Dr. Lisa Pierotti.
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