La valutazione della distribuzione del flusso di calore superficiale (HF) è un elemento basilare nei metodi di prospezione geotermica, consentendo di individuare con costi relativamente modesti aree termicamente anomale e fornendo un’immediata indicazione delle potenzialità geotermiche di un’area.
Il Laboratorio
I I metodi termici di prospezione geotermica (misure di temperatura in pozzo e calcolo dei gradienti geotermici; misure di conducibilità termica su campioni di roccia) sono del resto gli unici che consentano una misura diretta della grandezza “calore” che è il fine ultimo dell’esplorazione.
Il prodotto del valore di gradiente geotermico di un’area (∆t/∆z) per quello della conducibilità termica delle rocce (k) fornisce il valore del flusso di calore (Q), secondo la relazione:
Q = k x ∆t/∆z (Q = mWxm-2).
Il prodotto principale dell’attività del laboratorio sono le mappe di flusso di calore e/o di gradiente geotermico dell’area investigata.
Queste mappe rappresentano la base dell’esplorazione geotermica. Tuttavia, a seconda della disponibilità di dati e delle finalità dello studio, sono possibili diverse combinazioni di confronto diretto di HF con altri parametri geofisici, geochimici e strutturali che consentono una visione d’insieme delle caratteristiche geotermiche di un’area.orniscono 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.
Strumenti
Attualmente per le misure di temperatura in pozzo è disponibile uno strumento ad azionamento manuale con un cavo a quattro conduttori rivestito in teflon della lunghezza di 450 m; sensore di acquisizione costituito da una termoresistenza al platino da 100 Ohm nominali di tipo Pt100, con sensibilità +/- 0.01 °C e precisione +/- 0.03 °C. Strumento di controllo e indicatore di temperatura “Corradi RP 2000 S”.
La conducibilità termica viene misurata in laboratorio su campioni prelevati in pozzo (carote) o su campioni provenienti da affioramenti rocciosi. I campioni vengono preparati nel Laboratorio di macinazione rocce e separazione minerali dell’IGG.
Sono disponibili due strumenti con sorgente lineare:
- Shotherm QTM Showa Denko;
- Strumento autocostruito in collaborazione tra IGG e IPCF CNR, con caratteristiche analoghe allo Shotherm QTM;
- E’ disponibile inoltre uno strumento Isomet 2114 dotato alternativamente di sorgente planare o di sonda ad ago di Maxwell.
Per la modellizzazione termica delle aree studiate vengono utilizzati i codici:
- Hydrotherm 3.1 (2D) dell’USGS;
Shemat 7.1 (2D – 3D) (Università di Aachen).
Per il contouring e la realizzazione di grafici e sezioni termiche: - SURFER 13© (Golden Software);
GRAPHER 11© (Golden Software);
DIDGER 4© (Golden Software).
Personale e Contatti
Il personale del laboratorio chimico isotopico è composto da:
- Dott. Stefano Bellani (Ricercatore CNR – Responsabile Laboratorio Sede Pisa)
- Dott. Gianluca Gola (Ricercatore CNR – Responsabile Laboratorio UOS Torino)
Contatti:
- 050 6213286 (Dr. Stefano Bellani)
- +39 3805038398 (Dr. Gianluca Gola)
Metodi e Applicazioni
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 ricaOltre che nel calcolo del flusso di calore e dei gradienti geotermici, le misure di temperatura di precisione in pozzo trovano anche altre applicazioni nell’ambito delle scienze della terra. Questo laboratorio ha svolto e svolge infatti attività nell’individuazione e nel monitoraggio delle falde idriche sotterranee, anche in ambito minerario (miniere sotterranee di salgemma), e nelle ricostruzioni paleoclimatiche con dati di pozzi le cui temperature non mostrino effetti di circolazione di acque sotterranee. Un altro campo nel quale la misura del flusso di calore terrestre e dei gradienti geotermici rivestono una fondamentale importanza è quello delle applicazioni geotermiche di medio-bassa entalpia, settore in forte espansione per ragioni di risparmio energetico e salvaguardia ambientale.
I risultati dell’attività di campagna (misure in pozzo) e di laboratorio (misure di conducibilità termica) vengono integrati con altri parametri e trattati con modellistica termica 2D e 3D svolta con i codici di calcolo Hydrotherm 3.1 (USGS) e Shemat 8.0 (Università di Aachen). In collaborazione con colleghi IGG e di Università straniere sono state realizzate modellizzazioni termiche con codici più complessi (TOUGH2).vare informazioni sulla composizione ed il volume molare di soluzioni acquose contenenti fasi volatili (CO2 e/o CH4 e/o N2).
Progetti e Interessi Scientifici
La maggior parte delle attività del laboratorio sono svolte nell’ambito di collaborazioni con enti di ricerca e con industrie. Queste ultime rappresentano anche la principale fonte di finanziamento.
Tra gli altri, ma non solo, collaborazioni sono state e/o sono attive con:
Industria:
- ENEL
- Società Chimica Solvay
- Steam
- Sorgenia.
Enti di ricerca:
- INGV
- Southern Methodist University (Dallas, USA)
- Università di Trieste, Genova, Roma, Bologna, Lugano (CH).
Il laboratorio è anche attualmente inserito nel progetto “Horizon 2020 – DESCRAMBLE (2015-2018)” per la perforazione profonda nel campo geotermico di Larderello.
Pubblicazioni
- Bellani S., Magro G., Gherardi F. (2015). “Heat Flow and Helium Isotopes in the Geothermal Areas of Tuscany (Central Italy)”. Geothermal Resources Council Transactions, vol. 39, p. 399-405.
- Bellani S., Gherardi F. (2014). “Thermal Features of the Pisa Plain, a Neogenic Basin in Central Italy”. –Geothermal Resources Council Transactions, vol. 38, p. 357-361.
- Bellani S., Gherardi F. (2013). “Thermal Overview of an Area NW of the Larderello Geothermal Field, Italy”. – Geothermal Resources Council Transactions, vol. 37, p. 231-235.
- Magro G., Gherardi F., Bellani S. (2010): “Noble gases in karstic and thermal waters of Strimon basin (Greece-Bulgaria)”. Water-Rock Interaction Symposium, Guanajuato, Mexico, p. 345-348.
- Bellani S., Gherardi F. (2009). “Thermal Modeling of an Area West of the Mt. Amiata Geothermal Field, Italy”. – Geothermal Resources Council Transactions, vol. 33, p. 431-435.
- Magro G., Bellani S., Della Vedova B. (2009). “The deep roots of the Larderello geothermal field (Italy) from heat flux and 3He anomalies”. Geothermal Resources Council Transactions, vol. 33, p. 405-409.
- Della Vedova B., Vecellio C., Bellani S., Tinivella U.,(2008). “Thermal modelling of the Larderello geothermal field (Tuscany, Italy)”. Int. Journal of Earth Sciences, 97, 317-332.
- Pasquale V., Verdoya M., Chiozzi P., Bodri L., Bellani S. (2005) “Temperature signal in the underground for climate history reconstruction in Italy”. Global and Planetary Change, 47. pp. 36-50
- Bellani S., G. Magro, A. Brogi, A. Lazzarotto and D. Liotta, (2005). “Insights into the Larderello geothermal field: structural setting and distribution of thermal and 3He anomaly”. Proceedings of World Geothermal Congress, Antalya, Turkey, 24-29 April 2005. pp. 1-4.
- Bellani S., Brogi A., Lazzarotto A., Liotta D., Ranalli G. (2004) “Heat flow, deep temperatures and extensional structures in the Larderello geothermal field (Italy): constraints on geothermal fluid flow”. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 132, 15-29.
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- Baldi P., Bellani S., Ceccarelli A., Fiordelisi A., Squarci P., Taffi L. (1995) : “Geothermal anomalies and structural features of southern Tuscany” – “World Geothermal Congress Proceedings”- Florence, May 1995, pp. 1287-1291.
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