MONITORAGGIO AMBIENTALE ATTRAVERSO L’UTILIZZO DI ALGORITMI PER LA STIMA DELL’ECCESSO/DIFETTO DI MASSA DA DATI GRAVIMETRICI
Creators: name: Castaldo, Raffaele
Publisher: name: Università degli Studi di Napoli Federico II
Year: 2010

description: Lo scopo del presente lavoro è stato quello di sviluppare algoritmi capaci di stimare la massa di strutture geologiche (giacimenti minerari) e/o la massa movimentata nel sottosuolo a seguito di attività antropiche (giacimenti di stoccaggio del gas). Ad esempio, il monitoraggio di quest’ultimo processo, presenta notevoli difficoltà che si riscontrano soprattutto nell’acquisire dati validi con i quali procedere a valutazioni attendibili dello stato del sito di stoccaggio. Al contrario, l’utilizzo di tecniche geofisiche consente di acquisire i dati in maniera “diretta” (le variazioni fisiche indotte dai processi dinamici sono direttamente collegati a quelli rilevati dal monitoraggio geofisico), inducendo il minimo impatto sull’ambiente. Una delle metodologie geofisiche utilizzabili, le cui misure sono sensibili alle variazioni di densità nel terreno e quindi alle variazioni di massa, è la gravimetria.  
Il metodo gravimetrico implica un’analisi dettagliata delle anomalie del campo gravitazionale terrestre indotte dalle eterogeneità presenti nel sottosuolo. La gravimetria, e più in particolare la microgravimetria, é un metodo geofisico impiegato in particolar modo in ambiti dove le informazioni da determinare sono legate ai contrasti di densità tra le strutture e/o corpi sepolti. Tale metodologia permette a livello teorico, e sotto opportune condizioni, di stimare univocamente la massa o meglio l’eccesso/difetto di massa associato alle anomalie di gravità misurate; ciò a differenza della stima della densità che, come è noto, è soggetta a diversi livelli di ambiguità anche intrinseca.  
Per tale motivo in questo lavoro di tesi si è proceduto allo sviluppo di algoritmi in grado di fornire modelli (in termini di massa, densità, dimensioni volumetriche e profondità) delle strutture geologiche di interesse. Ci si è proposto altresì di implementare e sviluppare nuove tecniche per stimare la massa (es.: Gas, Olio, Acqua) movimentata nel sottosuolo a seguito delle attività di produzione e/o stoccaggio di idrocarburi.  
A questo scopo è necessario rilevare il valore del campo gravimetrico relativo in corrispondenza di stazioni di misura disposte opportunamente sulla superficie terrestre e possibilmente in corrispondenza di una maglia regolare dimensionata opportunamente a seconda degli scopi dell’indagine. La microgravimetria è applicabile in vari campi ambientali. Miglioramenti della strumentazione e delle tecniche di acquisizione ed elaborazione dati hanno permesso che il monitoraggio divenisse un approccio particolarmente adatto per controllare siti di interesse economico e non. Infatti gli ambiti di applicazione di questo tipo di approccio sono vari, tra cui: settore petrolifero (es.: duomi salini, giacimenti di idrocarburi); settore minerario; ambito urbano, settore geotermico e vulcanologico, etc.. 
In ambito di rischio ambientale le maggiori problematiche che possono insorgere riguardo ai siti di stoccaggio sono sia relative alle fughe di gas dalla roccia-serbatoio sia in senso verticale che laterale. La maggior parte delle perdite sicure di gas nel sottosuolo sono favorite dalla presenza o dall’insorgere di discontinuità meccaniche nella roccia legate ai campi di stress tettonico presenti nell’area interessata: faglie (fratture con movimento reciproco dei due lembi generati dalla rottura) e fratture (discontinuità meccanica senza movimento reciproco dei lembi). Occorre quindi valutare l’esistenza di queste superfici di discontinuità, i loro spostamenti (direzione ed entità) e la frequenza con cui avvengono (consultazione delle serie storiche della sismicità delle aree prossime all’area di stoccaggio). Inoltre è interessante riuscire a determinare gli spostamenti dei fluidi nel sottosuolo per capire come si dispone il gas iniettato ad alte pressioni nelle rocce serbatoio.  
In questo lavoro di tesi sono stati presi in esame tre approcci metodologici per la stima dell’eccesso/difetto di massa. Un metodo classico (1), già conosciuto in letteratura scientifica per il quale è stato sviluppato solo l’algoritmo, un metodo basato sull’inversione dei dati gravimetrici (2) ed una metodologia nuova (3), maturata nel corso di questo triennio basata sull’analisi multiscala: 
 
1.00
2.00
3.00
 
La formulazione di algoritmi sviluppati su tali metodologie permetterà di calcolare la variazione di massa senza alcuna assunzione relativa alla forma e alle dimensioni del corpo. 
Prima però di utilizzare questi approcci metodologici, che ricordiamo consistono nella stima dell’eccesso/difetto di massa adatto per monitorare siti di stoccaggio del gas, si è provveduto ad applicare gli algoritmi su dati gravimetrici acquisiti nell’area geografica del nord Europa, in Svezia, al fine di analizzare e stimare i parametri di un giacimento minerario. Il massiccio corpo di solfuri è situato sul fianco settentrionale di una sinclinale all’interno del distretto di Skelleftea. I minerali si ritrovano all'interno delle unità riolitiche, al di sopra dl deposito Viterliden granitoide. La miniera di Udden è sviluppata in direzione est-ovest. La valutazione dell’eccesso/difetto di massa e quindi la stima dei volumi della struttura mineraria, rappresenta in tale ambito un notevole passo avanti. Infatti esso comporta notevoli vantaggi nella programmazione e nella scelta di quali miniere sono sfruttabili permettendo una valutazione preventiva della quantità di materiale estraibile.  
Una zona dell’Italia Settentrionale ricca di tali giacimenti è la Pianura Padana. La geologia del giacimento rende ideale l’istallazione di un sito di stoccaggio del gas. Infatti si ritrovano una successione di rocce di copertura impermeabili alternate ad arenarie di spessore di circa un chilometro. La variazione del parametro porosità della roccia serbatoio è relativamente alto, ed risulta essere intorno al 26-29%. Alcune riserve di stoccaggio, situate in pianura padana, sono state monitorate nel recente passato con varie stazioni gravimetriche temporali. Grazie ad una collaborazione avviata tra il gruppo di ricerca di esplorazione geofisica (Università di Napoli “Federico II”, Dipartimento Scienze della Terra) e l’Eni S.p.A. rilievi ed acquisizioni nel 2006 di dati gravimetrici sono stati elaborati e interpretati al fine di valutare le quantità di masse movimentate nel sottosuolo.  
In questo terzo anno di ricerca sono state eseguite pero anche simulazioni numeriche di modelli di sorgente che riproducessero anomalie gravimetriche relative ai casi reali analizzati, da utilizzare per la validazione degli algoritmi proposti. Sono stati considerati diversi modelli associabili a situazioni geologiche complesse. Infine come accennato in precedenza, sono stati elaborati ed analizzati i dati gravimetrici sperimentali, relativi a due diversi settori ambientali: una miniera di solfuri nel nord della Svezia e un sito di stoccaggio gas individuato nel nord Italia.  
Sono stati utilizzati gli algoritmi sviluppati e i risultati ottenuti sono molto interessanti: infatti nel primo caso sperimentale analizzato (miniera di solfuri) è stato possibile, oltre che stimare la massa della struttura mineraria avendo informazioni sulle densità media delle rocce anche il suo volume. Assumendo un valore di densità media di 2.9 g/cm3 per la struttura mineraria e 2.4 g/cm3 per le rocce circostanti, è possibile valutare la massa tramite la relazione More=M*(ore/).  
La massa stimata del corpo minerario è 7.5*109 kg, con un volume di 2.18*106 m3. 
Nel secondo caso (sito di stoccaggio gas) è stato possibile stimare, la variazione di massa media del giacimento nel periodo tra Aprile ed Ottobre 2006 e la variazione di densità media. Variazione di densità media che è stata valutata in 156 kg/m3. Tale stima tiene conto di tutte le variazioni di densità verificatesi in questo periodo, quindi ad esempio anche variazioni del livello di falda superficiale che influenza il dato osservato del campo di gravità. Con dati di pozzo relativi alla densità del gas all’interno delle rocce serbatoio e al monitoraggio della falda, sarebbe possibile perfezionare l’analisi valutando la massa del gas nei due stati del sito di stoccaggio (pieno - vuoto).