Universit` a degli Studi di Pisa
DIPARTIMENTO DI SCIENZE DELLA TERRA
Corso di Laurea Magistrale in Geofisica di Esplorazione ed Applicata
Tesi di Laurea Magistrale
Tomografia sismica
dell’area geotermica di Larderello - Travale dall’inversione dei tempi di tragitto
di terremoti locali.
Candidato:
Matteo Bagagli
Relatore:
Prof. Gilberto Saccorotti
Correlatore:
Dott. Davide Piccinini
Anno Accademico 2013–2014
. . . alla mia carissima Nonna
Indice
1 Introduzione 1
2 Metodi 4
2.1 La Local Earthquake Tomography (L.E.T.) . . . . 4
2.1.1 Il problema congiunto di rilocalizzazione & modellizzazione . 6 2.2 PStomo_eq . . . 6
2.2.1 Soluzione del problema diretto . . . 7
2.2.2 Soluzione del Problema Inverso . . . 10
2.3 Metodologia . . . 12
3 Area di studio 14 3.1 Larderello - Travale: introduzione . . . 14
3.1.1 Inquadramento geologico & Successione stratigrafica . . . 15
3.2 Principali Reservoirs & Target d’indagine . . . 17
3.2.1 Marcatori sismici . . . 17
4 Dati 19 4.1 GAPSS experiment . . . 19
4.2 Conversione dati . . . 20
4.3 Parametrizzazione dei modelli & Inversione . . . 20
5 Risultati & Analisi 28 5.1 Osservazioni introduttive . . . 28
5.2 Tomografia sul modello “Piccinini et.al.” . . . 30
5.2.1 Analisi dei risultati . . . 35
5.3 Test di risoluzione . . . 36
5.3.1 Checkerboard test . . . 37
6 Conclusioni 54 6.1 Conclusioni . . . 54
6.2 Discussione e prospettive future . . . 56
Bibliografia 60
ii
Capitolo 1 Introduzione
Questo lavoro di tesi ha come obiettivo principale lo studio della distribuzione delle velocità sismiche nel sottosuolo dell’area geotermica di Larderello-Travale (Larderello-Travale Geothermal Field; LTGF ) mediante l’inversione tomografica dei
tempi di tragitto di terremoti locali.
La tomografia sismica è una tecnica di indagine geofisica che sfrutta le osser- vazioni di onde elastiche di origine sia naturale che artificiale per determinare la distribuzione di una determinata proprietà fisica nel sottosuolo (p.es. velocità onde compressionali e trasversali, attenuazione; Aki e Richards 1980, Iyer e Hirahara 1993). Negli ultimi anni questa metodologia ha visto sempre più spesso applicazioni nell’esplorazione di risorse energetiche, in particolar modo per le indagini preliminari dei potenziali siti estrattivi.
Attiva sin dal 1905, l’area di Larderello-Travale è il più antico sito estrattivo di fluidi geotermici al mondo. Esso è anche il più produttivo, con una produzione di circa 4.800 GW h/y che rappresenta il 10% di quella mondiale. Altra caratteristica che rende il LTGF molto particolare è quella di essere uno dei pochi sistemi a vapore dominante nel mondo: viene estratto, infatti, vapore (composto al 95% di vapor d’acqua) ad elevate temperature e pressioni (picchi di 450◦C e di 1 Kbar; Barelli et al. 2000) per alimentare le turbine delle centrali elettriche. Il vapor d’acqua viene poi raffreddato e introdotto nuovamente in fase liquida nel sottosuolo attraverso i pozzi di reiniezione. I principali serbatoi sono situati a profondità comprese fra i 500 m ed i 4000 m, e sono sostanzialmente ubicati in zone fratturate delle formazioni anidritiche-carbonatiche della falda Toscana. L’intensificazione estrattiva ha generato un forte interesse nella ricerca di nuovi reservoirs nell’area.
Nel corso dell’ultimo ventennio sono state condotte molte indagini di seismic imaging, utilizzando sia metodi a riflessione e rifrazione con sorgenti artificiali [Cappetti e Ceppatelli 2005, Casini et al. 2010], sia inversione dei tempi di tragitto per terremoti locali, osservati dalla rete di monitoraggio ENEL, al momento unica compagnia energetica operante nell’area [Batini, Console e Luongo 1985, Batini et al. 2003b, De Matteis et al. 2008, Vanorio et al. 2004].
Il dataset utilizzato nel presente lavoro è stato ottenuto nell’ambito dell’e- sperimento GAPSS (Geothermal Area Passive Seismic Sources), un progetto condotto dall’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) durante il biennio 2012 − 2013. Questo progetto è mirato principalmente ad indagare la robustezza e le capacità risolutive delle tecniche di imaging proprie della sismologia
1
CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 2 passiva nella valutazione del potenziale geotermico di un’area. Proprio per questo motivo è stato scelto il LTGF: la vasta letteratura e i numerosi studi disponibili rendono il sito un’area di indagine estremamente interessante [Piccinini et al. 2013].
Nel corso dell’esperimento sono state operative fino a 20 stazioni sismiche, ubicate entro un’area di 1350 km2. Il data set sinora analizzato (Maggio 2012-Luglio 2013) consiste di alcune migliaia di terremoti, per un totale di circa 20.000 letture di tempi di arrivo di onde P ed S.
La prima parte del lavoro presenta una breve introduzione al problema inverso della tomografia sismica ed una descrizione della metodologia adottata. Succes- sivamente, viene descritto in dettaglio il codice di “PStomo_eq”, un software di analisi sismica originariamente creato da Harley M.Benz sotto il nome di fdto- mo_eq [Benz et al. 1996] e recentemente migliorato da Ari Tryggvason [Tryggvason 1998, Tryggvason 2009]. Questo software, distribuito come open source, è stato scelto principalmente per le modalità di soluzione del problema diretto (calcolo dei tempi di tragitto), che viene affrontato mediante una implementazione dell’al- goritmo alle differenze finite di Podvin & Lecomte [Podvin e Lecomte 1991] e di Hole & Zelt [Hole e Zelt 1995]. Il duplice problema inverso di localizzazione ipocen- trale e distribuzione delle velocità sismiche è invece risolto mediante l’algoritmo LSQR [Paige e Saunders 1982].
Il volume investigato ha dimensioni 45 × 30 × 15 km, ed è stato parametrizzato secondo blocchi cubici di lato 0, 5 km. La prima parte del lavoro è stata dedicata a definire l’illuminazione dello spazio dei modelli (Fig. 1.1), e la sensibilità dell’inver- sione al modello di partenza impiegato. Successivamente, ho condotto numerosi esperimenti numerici mirati a definire la risoluzione del metodo nella individuazione di anomalie di piccola lunghezza d’onda distribuite in varie posizioni all’interno del volume oggetto dell’indagine(spike test & checkerboard test).
I risultati sinora ottenuti (Fig. 1.2) permettono una ricostruzione soddisfacente del campo di velocità sino a profondità di circa 8 km; a profondità più elevate, la risoluzione diminuisce drasticamente a causa della quasi totale assenza di sorgenti sismiche. La distribuzione spaziale delle anomalie di velocità e delle localizzazioni ipocentrali è abbastanza concorde con i risultati ottenuti da studi precedenti [De Matteis et al. 2008, Vanorio et al. 2004]. Inoltre, le anomalie individuate sono ben correlabili con l’ubicazione dei corpi intrusivi riportata in letteratura [Bertini et al.
2006, Batini et al. 2003b,, Batini et al. 2003a].
CAPITOLO 1. INTRODUZIONE 3
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
0 5 10 15 20 25 30
DISTANCE [km]
DISTANCE [km]
Figura 1.1: Figura rappresentativa dell’illuminazione (ray-coverage) dello spazio dei modelli.
Figura 1.2: Risultati preliminari presentati all’(European Geosciences Union (EGU 2014).
