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Archivio digitale delle tesi discusse presso l'Università di Pisa

Tesi etd-09012011-193012


Tipo di tesi
Tesi di laurea magistrale
Autore
SECCHIARI, ARIANNA
URN
etd-09012011-193012
Titolo
Studio delle emissioni gassose di CO2 e Radon al suolo e modellazione numerica del reservoir geotermico dell'area del Torrente Milia, Monterotondo Marittimo (GR)
Dipartimento
SCIENZE MATEMATICHE, FISICHE E NATURALI
Corso di studi
SCIENZE E TECNOLOGIE GEOLOGICHE
Relatori
relatore Prof. Sbrana, Alessandro
correlatore Dott.ssa Marianelli, Paola
correlatore Ing. Vaccaro, Maurizio
controrelatore Dott. Fulignati, Paolo
Parole chiave
  • CO2 e Radon
  • emissioni gassose
  • modellazione numerica di serbatoi geotermici
  • gaseous emissions
  • CO2 and Radon
  • numerical modeling of geothermal reservoirs
Data inizio appello
30/09/2011
Consultabilità
Parziale
Data di rilascio
30/09/2051
Riassunto
RIASSUNTO.
Negli ultimi 20 anni è stato riscontrato un crescente interesse nello studio del processo di degassamento di CO2 dalla geosfera in vari ambiti delle Scienze della Terra, con l’obiettivo di definire le relazioni tra i flussi di gas al suolo e le strutture tettoniche, di quantificare la CO2 di derivazione profonda rilasciata in atmosfera e di esaminare i processi di degassamento sia di natura vulcanica che non vulcanica (Cardellini et al., 2003). Mentre è ormai riconosciuto che il degassamento di origine vulcanica sia in grado di immettere in atmosfera enormi quantitativi di CO2, solo ricerche recenti (Kerrick et al.,1995; Seward & Kerrick, 1996) hanno dimostrato che il processo di degassamento non vulcanico può costituire un input di CO2 in atmosfera globalmente significante e che molte aree caratterizzate da rilevanti emissioni di CO2 non vulcanica sono in aggiunta contraddistinte da elevati valori di heat flow, presenza di magmi sub superficiali e regimi estensionali simicamente attivi (Kerrick et al., 1995).
Inoltre la tecnica appare estremamente interessante nell’ottica dell’esplorazione geotermica, ai fini del riconoscimento delle principali strutture tettoniche presenti nel sottosuolo, dell’identificazione delle zone di risalita di fluidi e, in alcuni casi, dei reservoirs geotermici.
La prima parte del presente lavoro di tesi ha riguardato l’esecuzione di un survey di misure al suolo di CO2 all’interno della zona geotermica di Larderello e più precisamente nel comune di Monterotondo Marittimo (GR). Tale lavoro si inquadra all’interno di un progetto più grande di valutazione del potenziale geotermico della zona in prossimità del Torrente Milia e ha costituito una delle metodologie utilizzate ai fini dell’ubicazione dei futuri pozzi geotermici.
Le misure di CO2 al suolo sono state eseguite avvalendosi di un misuratore di flusso del tipo LICOR 8100 dotato di un analizzatore di gas all’infrarosso, che ha consentito la misura dei flussi di CO2 al suolo.
La campagna, realizzata nel mese di Gennaio 2011, ha riguardato l’acquisizione di 63 punti nell’area del Torrente Milia, seguendo come riferimento una griglia di campionamento rettangolare con una maglia di lato pari a 250 m, per una lunghezza e una larghezza complessiva rispettivamente di 3000 m e 1250 m, con una superficie totale di 3,75 Km2. Al di fuori di quest’area sono inoltre state realizzate 20 misure di flusso con ubicazione nelle zone limitrofe ad alcuni pozzi ENEL (Carboli C bis, Poggio Travi e Lumiera 1bis), nelle aree considerate classicamente come ricarica del campo geotermico e presso le fumarole (Le Biancane).
Dall’analisi dei valori di flusso di CO2 al suolo eseguita mediante il metodo grafico di analisi statistica (GSA) descritto da Chiodini et al. (1998) è emersa l’esistenza di quattro diverse popolazioni, ognuna contrassegnata da differenti caratteristiche e da diversa derivazione, mediante la cui identificazione è stato possibile eseguire una stima dell’output di CO2 giornaliero per l’intera area campionata del Torrente Milia, che ha fornito il valore di 145,45 t/d su una superficie di 3,75 Km2.
Tali dati sono molto simili a quelli riscontrati da campagne eseguite in altre aree della Toscana termicamente anomale o contrassegnate dallo sviluppo di rilevanti discontinuità tettoniche ed evidenziano il problema legato all’immissione in atmosfera di gas serra.
L’energia geotermica infatti rappresenta una fonte di energia a basso impatto ambientale, tuttavia il rilascio in atmosfera di CO2 dalle centrali è comunemente additato come uno degli effetti negativi derivanti dall’utilizzo della risorsa. La campagna condotta nell’area del Milia dimostra come anche aree di estensione limitata siano in grado di immettere naturalmente grandi quantitativi di CO2 in atmosfera. In effetti dati provenienti dalla letteratura scientifica attestano come il degassamento di CO2 di origine naturale ecceda, per molti campi geotermici del mondo tra cui Larderello, quello legato allo sfruttamento della risorsa.
Inoltre dai dati raccolti è stato verificato come le strutture tettoniche presenti, la geologia dell’area, le differenti caratteristiche del litotipo o i processi attivi nel sottosuolo potessero influenzare significativamente i valori di flusso registrati al suolo, sia per l’area in prossimità del Torrente Milia sia per la zona esterna. Questo ha consentito di poter determinare delle buone correlazioni tra i vari parametri.
In aggiunta sono state condotte le repliche di 6 punti di misura alla fine del mese di Giugno, per verificare se esistesse una variazione dei flussi di CO2 legata alla stagionalità.
Le misure di CO2 al suolo sono inoltre state affiancate da 7 misure di Radon (222Rn), effettuate mediante un detector per il Radon da campagna del tipo RTM 2100 della SARAD, ubicate in parte nell’area del Torrente Milia ed in parte al di fuori, nelle vicinanze dei pozzi Carboli C bis e Lumiera 1bis e nell’area di ricarica del campo geotermico. Questi dati hanno consentito di avanzare ulteriori interpretazioni per l’area oggetto di studio e di comprovare le ipotesi già avanzate con i soli dati inerenti le misure dei flussi di CO2.
La seconda ed ultima parte del lavoro ha invece riguardato la modellazione del comportamento idrologico e delle caratteristiche termiche del serbatoio geotermico, costituito dalla formazione del Calcare Cavernoso, nella zona dove la campagna di misure al suolo era stata effettuata mediante una griglia di campionamento regolare.
La simulazione numerica è stata eseguita su un modello tridimensionale avvalendosi del software PetraSim 5.1, utilizzando come simulatore di calcolo TOUGH2 e un’equazione di stato EOS1.
Il modello concettuale è stato ideato avvalendosi dei dati fisici, geologico-strutturali, idrogeologici e geochimici a disposizione, ha dimensioni di 2,7 1 0,8 km ed è stato schematizzato come comprendente tre corpi fondamentali: copertura-serbatoio-basamento. Su questo è stata costruita una griglia di calcolo regolare formata da 3672 celle di forma rettangolare. La prima fase della simulazione numerica ha mirato a ricostruire lo stato imperturbato del modello di partenza, che ha costituito la base di partenza per una seconda fase inerente la simulazione di differenti scenari di sfruttamento dell’area a fini geotermici per un arco di tempo pari a 50 anni.


ABSTRACT.
In the last 20 years a growing interest is noticed in studying the process of carbon dioxide
degassing from the geosphere in various field of Earth Sciences, with the aim of defining
relationship between gas flux on the ground and tectonic structures, quantifying deeply
derived CO2 released in to the atmosphere and studying volcanic degassing and nonvolcanic
degassing processes (Cardellini et al., 2003). While it is already recognized that
volcanic degassing can introduce huge quantities of carbon dioxide in to the atmosphere, only recent studies (Kerrick et al.,1995; Seward & Kerrick, 1996) have shown that nonvolcanic degassing may be a globally significant input of CO2 in to the atmosphere and that many areas where large emissions of non-volcanic carbon dioxide take place are also characterized by high heat flow values, by the presence of shallow magmas and seismically-active extensional tectonic regimes (Kerrick et al., 1995).
Besides the technique is interesting for geothermal exploring, for recognizing the main tectonic structures in the subsurface, for identifying zones of ascent of fluids and, in certain cases, for locating geothermal reservoirs.
In first part of this thesis a survey of measurements of carbon dioxide to the ground was
performed in the geothermal area of Larderello and, more exactly in the town of Monterotondo Marittimo (GR).
This work is framed within a larger project whose purpose is to assess the geothermal potential of the area near the torrent named Milia and was one of the methodologies used for location of future geothermal wells.
The measurements of CO2 were performed using a flow meter of the type LICOR 8100 equipped with a gas analyzer, which allowed the measure of CO2 fluxes to the ground.
During the survey, conducted in January 2011, 63 measurements of CO2 flux were taken in the area near the torrent Milia, using as a reference a rectangular sampling grid with a mesh side equal to 250 m, with an overall length and width of 3000 m and 1250 m respectively, with a total area of about 3,75 km2.
Outside this area 20 measurements of carbon dioxide flux were also done with location in the zone near certain wells ENEL (Carboli C bis, Poggio Travi e Lumiera 1bis), in areas classically considered as recharge of the geothermal field and in the area of fumaroles (“Le
Biancane”).
Analysis of the flux values made by graphical statistical analysis method (GSA) described by Chiodini et al. (1998) revealed the existence of four different populations, each of them marked by different characteristics and origin; the identification of these geochemical families allowed to estimate for the sampled area of Milia the daily carbon dioxide output which provided the value of 145,45 t/d over an area of 3,75 km2.
Those data are very similar to those obtained by other CO2 flux survey carried out in other Tuscan thermally anomalous areas or in zone characterised by the development of major tectonic discontinuities and also highlight the problem of putting greenhouse gases in to the atmosphere.
Geothermal energy is, as a matter of fact, a source of power with low environmental impact, however the release of carbon dioxide in to the atmosphere by power plants is commonly pointed out as one of the negative effects arising from the use of resource. The survey performed in the area near the Milia torrent proves that also area with small extension are able to enter naturally large amounts of CO2 in to the atmosphere. Indeed data from scientific literature certify that carbon dioxide degassing of natural origin
exceeds the one produced with the exploitation of geothermal resource, for many geothermal fields included Larderello.
From collected data was furthermore verified as the tectonic structures, the geology of zone, the different characteristics of rocks or the processes active in the subsurface environment could substantially influence the CO2 flux measured to the ground, both for the area near the Milia torrent but also for the outer zone. This has allowed to determine good relationship between various parameters.
In addition 6 replicas of measured points were carried out at the end of June to verify if there was a variation in CO2 fluxes due to seasonality.
Measurements of carbon dioxide flux were also accompanied by 7 Radon (222Rn) measurements, conducted using a portable detector type RTM 2100 produced by SARAD, placed in the area near Milia torrent and partly in the outer zone near the wells Carboli C bis and Lumiera 1bis and in the recharge area of the geothermal field. These data have allowed to advance further interpretations for the studied area and to prove the hypothesis
already made by using data from CO2 flux measurements.
The second and last part of the work concerned the modelling of the hydrological behaviour and the thermal characteristics of the geothermal reservoir, consisting of the formation of Calcare Cavernoso, in the zone where the survey of CO2 measurements was carried out using a regular sampling grid.
Numerical simulation was performed on a three-dimensional model employing the software PetraSim 5.1 and using TOUGH2 as a simulator and a equation of state EOS1.
The conceptual model was created with physical, geological-structural, hydrogeological and geochemical available data, it has a length of 2,7 km, a width of 1 km and a thickness of 0,8 km and has been modelled as comprising three fundamental bodies: cap-reservoirbasement.
On this model a computational grid consisted of 3672 regular rectangular cells was built. The first phase of numerical simulation aimed to model the current natural state
of the initial model, which constituted the basis for a second phase concerning the simulation of different scenarios of exploitation for geothermal purposes for a defined period of time equal to 50 years.
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