I geofluidi di origine naturale in Italia: classificazione, analisi e interpretazione in chiave sismotettonica

Uno studio pubblicato sulla rivista Frontiers in Earth Science illustra le interazioni tra la sismotettonica e i diversi geofluidi in Italia. L’obiettivo di questo studio multidisciplinare è stato di comprendere sempre meglio le relazioni esistenti tra i terremoti, la sismotettonica e le emissioni di fluidi naturali, quali le sorgenti termali e i gas serra come l’anidride carbonica e il metano nonché i vulcanelli di fango.

Lo studio

Lo studio è stato condotto a scala nazionale e può contribuire da un lato alla quantificazione delle emissioni di gas serra, e dall’altro a migliorare la comprensione dei processi tettonici che danno luogo ai forti terremoti. Usualmente nel valutare ad esempio le emissioni di gas serra si svolgono analisi a scala mondiale, oppure, viceversa, vengono svolte analisi di gran dettaglio del contesto tettonico di emissioni di gas a scala comunale o tutt’al più regionale. Raramente si sono effettuati studi e correlazioni tra le emissioni di fluidi e il loro ambiente tettonico a livello nazionale, come nel nostro caso. L’Italia si è rivelata il luogo ideale dove effettuare questo studio in quanto nel nostro paese:

1. disponiamo di una buona conoscenza della sismicità e dei processi geologici oggi in atto nonché della sismicità storica e della storia geologica del passato;
2. coesistono numerosi processi e contesti geodinamici assai diversi tra loro;
3. disponiamo di più di un secolo di dati relativi ai geofluidi, come ad esempio il prezioso lavoro di catalogazione e descrizione delle acque termali portato avanti da Luigi Tioli alla fine del diciannovesimo secolo (Figura 1); e, non da ultimo,
4. l’Italia è una delle aree del mondo con il più alto rilascio di anidride carbonica e metano a causa di meccanismi naturali.

Abbiamo sistematicamente organizzato, elaborato e confrontato un gran numero di informazioni georeferenziate provenienti da database, sviluppati da diversi gruppi di ricerca a scala nazionale, relativi alle emissioni di geofluidi (Figura 2), alle torbe, al flusso di calore (Figura 3), alle faglie sismogenetiche, e alla sismicità – sia storica sia strumentale (Figura 4).

Figura 2. Emissioni di geofluidi. Triangolo bianco: sorgente termale con T>20°C; rombo verde: emissione di CO2; rombo giallo: emissione di gas (per lo più CH4); rombo marrone: vulcano di fango. Le aree colorate indicano i differenti domini tettonici attivi; celeste: rifting e assottigliamento crostale; blu: estensione post-orogenica; rosso: compressione attiva; verde: trascorrenza attiva.

Figura 3. Flusso di calore in Italia (CNR-IGG). La spaziatura tra le isolinee è variabile come nell’elaborazione originale. L’isolinea di 70 mW/m2 è stata utilizzata per separare aree con sorgenti termali ed emissioni di CO2 collegate all’elevato flusso di calore stesso – superiore a 70 mW/m2; a ovest – dalle aree dove la presenza di questi fluidi è l’effettivo risultato della loro circolazione nelle rocce della crosta superiore – ad est. Le aree colorate indicano i differenti domini tettonici attivi; celeste: rifting e assottigliamento crostale; blu: estensione post-orogenica; rosso: compressione attiva; verde: trascorrenza attiva.

Figura 4. Dati sismologici e sismotettonici. Rettangolo nero e fascia rossa: proiezione in superficie di sorgenti sismogenetiche individuali e composite da DISS v. 3.2.1; linea rossa: faglia capace da ITHACA; linea tratteggiata nera: lineamento trasversale da DISS v. 2.0; simbolo rosso: terremoto di M ≥ 5.5 da CPTI15. Le aree colorate indicano i differenti domini tettonici attivi; celeste: rifting e assottigliamento crostale; blu: estensione post-orogenica; rosso: compressione attiva; verde: trascorrenza attiva.

Figura 5. Testimonianze di emissioni di fluidi naturali in occasione di terremoti recenti e del passato raccolte nel CFTI5Med, sotto le voci di “emissioni di gas ed eruzioni di vulcani di fango” (79 dati) e “emissioni di acido solfidrico” (60 dati). Tutti i dati sono rappresentati, come nel database di provenienza, con un simbolo a spirale.

Per poter focalizzare lo studio sulle emissioni di fluidi controllate da quella circolazione profonda che si può verificare nei primi chilometri di spessore crostale, possibile sede di forti terremoti, non abbiamo preso solo in considerazione tutti i dati relativi alle sorgenti termali e alle emissioni di anidride carbonica disponibili in letteratura, ma abbiamo selezionato e analizzato anche quelle emissioni che si verificano esclusivamente in aree a medio e basso flusso di calore (Figura 3).

Anche nel caso delle emissioni di metano e delle manifestazioni dei vulcani di fango abbiamo prima preso in considerazione tutti i dati noti, e successivamente li abbiamo selezionati, in questo caso escludendo le emissioni di metano biogenico perché queste in genere forniscono indicazioni solo su processi molto superficiali, di scarso interesse sismotettonico. Abbiamo inoltre preso in considerazione le emissioni di fluidi osservate e documentate in occasione di terremoti del passato (Figura 5).

Per poter svolgere adeguatamente il lavoro abbiamo per prima cosa sviluppato uno schema semplificato relativo al regime tettonico dominante a scala nazionale; in accordo con i dati di sismicità, di tettonica attiva e di stress tettonico disponibili abbiamo separato le aree a prevalente dominio estensionale dalle aree a prevalente regime compressivo, per tutto il territorio nazionale. Successivamente abbiamo suddiviso le aree in estensione in due sottocategorie (vedi Figura 2 e successive):

• (a) aree peri-tirreniche pianeggianti e collinari di Toscana, Lazio e Campania, dove la crosta è soggetta a estensione attraverso il suo stiramento e assottigliamento e dove si verificano rari terremoti di magnitudo moderata e
• (b) aree montuose della dorsale appenninica, dove la crosta è soggetta a sollevamento regionale ed estensione e dove esiste un potenziale per forti terremoti.

Le aree compressive sono state anch’esse differenziate in

• (a) aree soggette a prevalente compressione dovuta all’affastellamento dei cosiddetti “thrust” che costituiscono la catena alpina ed appenninica (prendendo in considerazione anche la parte al di sotto dei depositi recenti p.e. della Pianura Padana e del Mar Adriatico), sede di terremoti moderati e
• (b) aree soggette a prevalente tettonica trascorrente, caratterizzata dalla presenza di rari terremoti con magnitudo moderata-forte.

I risultati

I risultati della nostra ricerca indicano che le sorgenti termali (Figura 6) e le emissioni di CO₂ (Figura 7) sono decisamente prevalenti nelle aree tirreniche di assottigliamento crostale e, quando sporadicamente presenti nelle aree interne dell’Appennino, si localizzano per lo più ai margini delle grandi faglie normali, spesso in corrispondenza di strutture ereditate trasversali alla catena appenninica (Figura 8).

Figura 6. Distribuzione di sorgenti termali, elementi sismotettonici e domini tettonici. Le sorgenti termali sono rappresentate con (a) un asterisco rosso se discusse nel testo dell’articolo; (b) un triangolo grigio se presenti in aree con flusso di calore > 70 mW/m2; (c) un triangolo rosso se presenti entro 5 km dalle estremità di una sorgente sismogenetica individuale e (d) un triangolo bianco in tutti i rimanenti casi. Il diagramma in alto mostra la distribuzione di sorgenti termali nei differenti regimi tettonici oggi attivi. Da notare che il 42% delle sorgenti è presente in aree tirreniche di assottigliamento crostale e solo il 13% nelle aree estensionali dell’Appennino sede di forti terremoti.

Figura 7. Distribuzione di emissioni di CO2, elementi sismotettonici e domini tettonici. Le emissioni di CO2 sono rappresentate in (a) rosso se discusse nel testo dell’articolo; (b) grigio se presenti in aree con flusso di calore > 70 mW/m2; (c) verde in tutti i rimanenti casi. Il diagramma in alto mostra la distribuzione delle emissioni di CO2 nei differenti regimi tettonici oggi attivi. Da notare che il 61% delle emissioni di CO2 è presente in aree tirreniche di assottigliamento crostale e solo il 18% nelle aree estensionali dell’Appennino sede di forti terremoti.

Al contrario di quanto usualmente ritenuto, possiamo oggi affermare che le emissioni di anidride carbonica interessano solo marginalmente le aree in estensione attiva oggi sede di forti terremoti quali quelli del 24 agosto e del 30 ottobre 2016.

All’opposto, le emissioni di metano sono rare nelle aree tirreniche e nelle aree montuose interne appenniniche, ma caratterizzano gli ambienti del pedeappennino e della Pianura Padana, sedi di terremoti compressivi di magnitudo moderata, quali quelli che hanno colpito l’Emilia nel 2012  (Figura 9).

Un discorso a parte merita una peculiare manifestazione di emissione di geofluidi, quella relativa alla presenza dei cosiddetti “vulcani di fango”. Queste particolari manifestazioni sono presenti esclusivamente in aree in compressione attiva; inoltre, la loro posizione appare essere estremamente peculiare in quanto tendono a concentrarsi sulla cresta di anticlinali attive localizzate proprio in corrispondenza di importanti strutture trasversali (Figura 10).

Figura 9. Distribuzione di emissioni di CH4, elementi sismotettonici e domini tettonici. Le emissioni di CH4 sono rappresentate in (a) rosso se discusse nel testo dell’articolo; (b) grigio se ritenute di natura biogenica e/o se localizzate entro una distanza di 5 km da una emergenza di torba o carbone fossile; (c) giallo in tutti i rimanente casi. Il diagramma in alto mostra la distribuzione delle emissioni di CH4 nei differenti regimi tettonici oggi attivi. Da notare che il 54% delle emissioni di CH4 è presente negli ambienti compressivi del pedeappennino, della Pianura Padana e della Sicilia.

Figura 10. Distribuzione di vulcani di fango, elementi sismotettonici e domini tettonici. I vulcani di fango sono rappresentati in (a) in rosso se discussi nel testo dell’articolo; (b) grigio se localizzati entro una distanza di 5 km da una emergenza di torba o carbone fossile; (c) marrone in tutti i rimanente casi. Il diagramma in alto mostra la distribuzione dei vulcani di fango nei differenti regimi tettonici oggi attivi. Da notare che l’85% dei vulcani di fango è presente negli ambienti compressivi del pedeappennino, della Pianura Padana e della Sicilia.

In conclusione in Italia il rilascio di fluidi naturali sembra essere controllato da due processi indipendenti:

• la deformazione tettonica in atto, come indicano la concentrazione di emissioni di CO₂ e sorgenti termali in aree di assottigliamento crostale e la concentrazione di emissioni di CH₄ in aree compressive;
• l’esistenza di discontinuità crostali profonde ereditate dalla lunga storia geologica della penisola, testimoniata dalla presenza di emissioni di CO₂ nelle aree interne dell’Appennino e dei vulcani di fango, che si collocano con sistematicità lungo importanti strutture trasversali alla catena appenninica, anche se spesso non immediatamente percepibili dalla geologia di superficie (Figura 11).

Questa ricerca potrà fornire un contributo negli studi di sismotettonica regionale in quanto le emissioni di geofluidi, fornendo delle indirette indicazioni sulla presenza di importanti discontinuità litosferiche, potrebbero essere utilizzate per vincolare al meglio le sorgenti sismogenetiche responsabili di forti terremoti e pertanto potrebbero contribuire alla valutazione della pericolosità sismica in una regione geologicamente così complessa quale è l’Italia.

• Il lavoro citato è pubblicato su Frontiers in Earth Science: Paola Vannoli, Giovanni Martinelli e Gianluca Valensise, The seismotectonic significance of geofluids in Italy, 9, doi:10.3389/feart.2021.579390.

A cura di Paola Vannoli e Gianluca Valensise– (INGV-Roma1)

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