4.1 Descrizione della zona

Capitolo 4

Caso studio: Massa Marittima

4.1 Descrizione della zona

Massa Marittima

si trova in provincia di Grosseto, a poco meno di 40 km a NE rispetto al capoluogo di provincia e a circa 20 km a S di Larderello (v. Figure 4.1 e 4.2).

Cade all’interno dell’area descritta nel Foglio 306 “Massa Marittima” della Carta Geologica d’Italia, scala 1:50000, del Servizio Geologico d’Italia [15], che rappre- senta un’area della Toscana meridionale per la maggior parte di competenza della provincia di Grosseto e in parti minori delle province di Pisa, Livorno e Siena. Per una descrizione dettagliata delle caratteristiche geologiche, stratigrafiche, tettoniche e idrogeologiche si rimanda alle Note illustrative del Foglio, [13].

L’area del Foglio 306 - Massa M.ma si trova al centro delle Colline Metallifere, zona conosciuta fin dall’antichità per i suoi giacimenti minerari e più recentemente per la presenza e lo sfruttamento di risorse geotermiche e bacini idrotermali, nonchè al margine meridionale del ben noto campo geotermico di Larderello.

La carta geologica alla scala 1:50000, a cui si fa riferimento [15], è stata redat- ta sulla base di rilievi svolti, in gran parte alla scala 1:10000 negli anni 1992-98, utilizzando come base topografica l’ingrandimento delle tavolette alla scala 1:25000 dell’I.G.M., la Carta Tecnica della Regione Toscana e soprattutto le carte aereofo- togrammetriche dell’ENEL alla scala 1:10000.

Quanto segue (fino a parte della sezione 4.3) è tratto a partire dalle Note illus- trative del Foglio 306 della Carta Geologica d’Italia, Costantini et al. [13]. I dati sono tratti anche da [2], [14], [16] e [15].

Il paesaggio è tipicamente collinare, ad eccezione del settore nord-orientale (del Foglio) dove vi sono rilievi che si elevano oltre i 1000 m sul livello del mare: il P.gio

1

da ora anche Massa M.ma.

4.1. Descrizione della zona

Figura 4.1: Porzione della Toscana meridionale rappresentata nel Foglio 306 della Carta Geologica d’Italia [15], da [13].

PISA

LARDERELLO

MASSA MARITTIMA

Figura 4.2: Inquadramento regionale della zona di Massa Marittima, v. anche Fig. 4.23 e

Fig. 4.24.

4.2. Inquadramento geologico e stratigrafico

delle Macie (758 m) ad ovest di Sasso Pisano, l’Aia dei Diavoli (875 m) a sud di Castelnuovo Val di Cecina, i Monti di S. Croce (764 m), P.gio Mutti (786 m), P.gio Croce di Prata (848 m), P.gio Ritrovoli (1014 m), le Cornate di Gerfalco (1060 m).

I corsi d’acqua principali sono due: il fiume Cornia, che ha formato nel suo tratto terminale la pianura alluvionale di Piombino, e il fiume Pecora, che ha costituito la pianura di Follonica. Il Cornia è quello più importante, vi affluiscono i torrenti Milia, Lodano, Massera, Turbone ed altri minori (Costantini et al. [13]).

Nel foglio in oggetto le precipitazioni ammontano mediamente a 865 mm/anno, con valori massimi poco superiori ai 1000 mm/anno registrati al suo margine orientale e valori minimi poco inferiori a 750 mm/anno rilevati in corrispondenza delle stazioni poste nella parte sud-occidentale dell’area in esame (v. Figura 4.3).

Figura 4.3: Carta delle precipitazioni medie annue nell’area in esame (A.I. 1967-1997)- (da A.A.T.O. 6, 1998), in Costantini et al. [13]. Le curve esprimono le precipitazioni in mm/anno.

4.2 Inquadramento geologico e stratigrafico

Il contesto stratigrafico-strutturale è particolarmente complesso, nell’area del Foglio

306 affiorano prevalentemente formazioni appartenenti alle unità liguri ed alle unità

toscane mentre i depositi del Neoautoctono Toscano sono limitati ai bacini di Lustig-

4.2. Inquadramento geologico e stratigrafico

nano, di Montebamboli e, nella parte meridionale del Foglio, al bacino di Perolla (Costantini et al. [13]).

L’area rappresenta un tratto di catena collisionale, il Paleoappennino, che si è cor- rugato nel Miocene inferiore. In essa sono presenti tutte le problematiche geologiche che caratterizzano una catena collisionale e sono riconoscibili le deformazioni verifi- catesi, con stili tettonici diversi, nelle fasi pre, sin e post-collisionali. I movimenti verificatisi durante gli eventi pre e sin-collisionali hanno contribuito alla costruzione di un edificio a falde il cui modello è illustrato in Figura 4.4.

Figura 4.4: Successioni delle unità tettoniche nell’area del foglio, in Costantini et al. [13].

Esso prevede la presenza, al di sopra dell’unità della Falda Toscana, di ben quattro unità alloctone

, delle quali le tre superiori derivano dal Dominio Ligure, mentre quella inferiore dal Dominio Subligure. Il corrugamento di queste unità si è verificato, procedendo dal bacino ligure verso l’avampaese adriatico, dal Cretacico superiore all’Eocene superiore, fino cioè alla completa chiusura del Bacino Ligure. Gli eventi deformativi che cadono in questo intervallo di tempo sono spesso indicati con il nome di “fasi liguri”.

Durante il Miocene inferiore si determina l’accavallamento delle unità subligure

4.2. Inquadramento geologico e stratigrafico

e ligure sul Dominio Toscano: quest’ultimo subisce un forte corrugamento e va a sovrapporsi al Dominio Umbro-Marchigiano, [13].

La zona delle Colline Metallifere si configura, pertanto, nel Miocene inferiore, come un edificio a falde, il quale sarà più tardi smantellato dalla tettonica distensiva (cfr. il paragrafo “Tettonica”, in questa stessa sez.). La configurazione originaria è stata approssimativamente ricostruita nella seguente successione di unità tettoniche [13]:

• unità liguri,

• unità subliguri,

• unità della Falda Toscana,

• unità di Monticiano-Roccastrada,

• unità degli gneiss.

Stratigrafia Le unità lito-stratigrafiche principali individuabili nella zona sono (cfr. [13]):

• Depositi continentali recenti,

• Neoautoctono toscano,

• Dominio ligure,

• Dominio subligure,

• Dominio toscano,

• Basamento metamorfico.

Si riporta nell’appendice A, a pag. 135, l’elenco delle unità stratigrafiche pre- senti nell’area rappresentata nel Foglio 306 della Carta Geologica d’Italia, Massa Marittima.

Tettonica Il quadro strutturale della tettonica della zona è estremamente articola- to e complesso, costituisce il risultato di eventi deformativi caratterizzati da stili tet- tonici differenti. Le formazioni affioranti non sono più antiche del Permo-Carbonifero e sono interessate da deformazioni pre, sin e post collisionali dell’orogenesi alpina.

Come in tutta la Toscana meridionale, anche in questa zona gli effetti della tet-

tonica distensiva post-collisionale si sovrappongono decisamente a quelli degli eventi

4.2. Inquadramento geologico e stratigrafico

Figura 4.5: Schema strutturale delle unità tettoniche dell’area considerata [15].

tettonici precedenti, rendendoli in alcuni casi del tutto incomprensibili [13]. La de- scrizione degli elementi tettonici più recenti consente per questo di comprendere meglio l’aspetto morfostrutturale dell’area.

Secondo la letteratura specializzata e in particolare da quanto riportato in Costan- tini et al. [13], nel versante tirrenico dell’Appennino Settentrionale la collisione con- tinentale si è conclusa nell’Aquitaniano, gli eventi deformativi successivi (come già detto) si sono sviluppati in regime di distensione a partire dalla fine del Miocene superiore

. Da questo momenti il Tirreno Settentrionale e la parte interna dell’Ap- pennino Settentrionale sono stati interessati, fino al Quaternario, da una intensa tettonica distensiva accompagnata da attività magmatica.

L’assetto strutturale attuale della Toscana meridionale è, per l’appunto, dominato dalle deformazioni legate alla tettonica distensiva post-collisionale, che nel Neogene e nel Quaternario ha determinato il collasso e lo smembramento di questo ampio settore della catena nord-appenninica. Gli eventi distensivi, secondo alcuni studi

, hanno inizio alla fine del Miocene inferiore. Da questa fase seguono, nella Toscana

3

Carmignani et al., 1995; 1996; cfr. in Costantini et al. [13].

4.3. Inquadramento geotermico

meridionale, due distinti eventi distensivi

. Dal primo, riferito ad un intervallo com- preso fra il Miocene inferiore ed il Tortoniano superiore, ne è derivata una situazione geometrica molto caratteristica nota con il nome di “serie ridotta”. Il secondo evento è invece riferito ad un intervallo compreso fra il Tortoniano superiore ed il Pleis- tocene medio, ne è derivato un sistema di fosse tettoniche, subparallele, allungate in direzione NW-SE

.

4.3 Inquadramento geotermico

Il fatto che il suolo italiano sia caratterizzato da numerose sorgenti idrotermali è da collegare con l’assetto tettonico della penisola, che si trova nella zona di collisione fra la placca Europea e quella Africana, su un margine continentale caratterizzato da un’attività crostale dinamica, come testimoniato, soprattutto al centro-sud, da elevata sismicità, vulcani attivi e aree con anomalie del gradiente termico. Questo fattore principale, insieme alla giovane orografia di Alpi e Appennini, alla piovosità, alla presenza di sistemi di faglie attive e di rocce carbonatiche molto fratturate danno luogo a un’ingente circolazione di acque termali sotterranee [2]. In particolare, nella zona considerata, l’uniformità litologica dei carbonati consente una forte circolazione a scala regionale.

La Toscana meridionale è caratterizzata da numerose manifestazioni geotermiche, in particolare nei campi di Larderello (di cui Massa M.ma è al margine meridionale), Travale e del Monte Amiata. Le attività geotermiche industriali sono sviluppate appunto nei campi di Larderello, Travale e Amiata. Lo sfruttamento industriale riguarda attualmente le risorse ad alta entalpia per produzione di energia elettri- ca, con impianti a espansione diretta o flash. Recentemente sono tuttavia emerse prospettive di utilizzo della risorsa a bassa entalpia (per fini anche non elettrici), ovvero su temperature attorno ai 100

C o di poco superiori.

4.3.1 Campo geotermico di Larderello

Le varie fasi della tettonica regionale hanno dato luogo (come detto in precedenza) al- l’accavallamento di diversi complessi, che si presentano nel seguente ordine (dall’alto verso il basso, Figura 4.6):

Neoautoctono: sedimenti marino-lacustri, marini e fluviali;

Unità liguri: complesso Ofiolitico, Complesso del Flysch Calcareo-Marnoso e Com- plesso di Canetolo;

5

Bertini et al. 1991, cfr. Costantini et al. [13].

6

Il grado di estensione del primo evento è di almeno il 60 %, mentre per il secondo evento si

aggira attorno al 7 % (Bertini et al. 1991).

4.3. Inquadramento geotermico

Falda toscana: costituita da rocce carbonatiche evaporitiche alla base e sequenza terrigena al tetto; una laminazione tettonica spinta in alcune zone conduce alla completa mancanza di alcune porzioni (“serie ridotta”, cfr. 4.2);

Complesso a Scaglie Tettoniche: sovrapposizione di sequenze dolomitiche evap- oritiche (Anidriti di Burano e Calcare Cavernoso), sequenze clastiche di basso grado metamorfico del Verrucano e formazioni Paleozoiche;

Basamento: “Complesso delle cornubianiti”, “Complesso dei micascisti” e “Comp- lesso delle filladi”; queste unità sono state interessate da tre eventi metamor- fici, i primi due sviluppatisi durante la deformazione Alpina, l’ultimo è stato un termometamorfismo dovuto alla messa in posto di plutoni (fonti di calore sotterraneo).

Complesso ofiolitico Flysch calcareo - marnoso Formazione di Canetolo

Filladi inferiori

Micascisti

Cornubianiti

Neoautoctono

Unità liguri

Falda Toscana

Complesso a Scaglie Tettoniche

Basamento

Figura 4.6: Assetto tettonico dei principali complessi geologici della Toscana meridionale (Pandeli et al., 1991, modificata, in Bindi [2]).

I campi geotermici di Larderello e di Travale - Radicondoli distano far di loro

circa 15 km. Sono localizzati in corrispondenza di un alto strutturale della Falda

Toscana e del Complesso a Scaglie Tettoniche. Le formazioni carbonatiche meso-

4.3. Inquadramento geotermico

Figura 4.7: Carta delle temperature medie annue nell’area in esame (A.I. 1967-1997)-(da A.A.T.O. 6, 1998), in Costantini et al. [13].

il primo serbatoio

. Le Unità liguri, insieme ai terreni Neoautoctoni, rappresentano la copertura del campo. Il substrato metamorfico è caratterizzato da livelli per- meabili discontinui intervallati da forti spessori di rocce a bassa permeabilità. In queste unità, rese permeabili da processi termometamorfici, è individuato il secondo serbatoio.

I campi geotermici di Larderello e Travale - Radicondoli si trovano in corrispon- denza delle zone in cui le temperature al tetto del primo serbatoio geotermico sono massime ([16]; [2]). Le aree di affioramento delle formazioni carbonatico-evaporitiche mesozoiche costituiscono aree di infiltrazione delle acque meteoriche e sono ritenute quindi zone di ricarica; in corrispondenza di queste si registrano temperature inferiori (v. Fig. 4.8).

La distribuzione delle temperature a -2000 m s.l.m. è, invece, più uniforme di quella precedente e mostra come in realtà i due campi costituiscono un unico sistema geotermico che si estende su un’area di circa 400 km

.

La messa in posto di plutoni ha conferito all’area un gradiente geotermico che supera i 300

C/km e una fisionomia particolare, interferendo fin dal Miocene superi- ore con le strutture che si stavano formando in tutta la Toscana meridionale. Oltre, infatti, all’andamento anulare concentrico delle direzioni delle faglie, che tagliano

7

Duchi et al., 1986, in Bindi [2].

4.3. Inquadramento geotermico

Pozzi geotermici

Affioramenti delle formazioni permeabili (serbatoio geotermico)

Figura 4.8: Distribuzione delle temperature al tetto del primo serbatoio, campo geotermico di Larderello - Travale (ENEL 1992, in [2]).

solamente i sedimenti miocenici, si ha anche una disposizione ellissoidica dei bacini neogenici intorno a zone sollevate, che, con molta probabilità, non sono mai state in- teressate dalla sedimentazione neoautoctona. Un esempio è la struttura delle Cornate di Gerfalco.

Le temperature medie annue superifiali sono riportate in Fig. 4.7. Nell’Inventario delle risorse geotermiche nazionali - Regione Toscana, stilato da ENEL, ENI, CNR e ENEA nel 1987 è possibile recuperare i dati sui flussi termici e le temperature delle zone interessate da campi geotermici. In questo lavoro si è fatto uso di questi dati, al fine di calcolare il potenziale geotermico della zona.

Per studiare i flussi di calore di origine geotermica e calcolare il contenuto en- ergetico immagazzinato in una certa porzione di roccia, si usa prendere in consid- erazione grandezze riferite ai volumi Cataldi et al., in [6], propongono una suddi- visione della parte occidentale della Toscana centro-meridionale in 31 aree, in base a ragionevoli omogeneità di geologia e regime termico (cfr. 4.4, pag. 73). I 3 km superiori di ogni area vengono suddivisi orizzontalmente in tre volumi principali:

1. copertura impermeabile (neoautoctono, liguridi, parte superiore della serie

4.3. Inquadramento geotermico

2. rocce giurassiche e triassiche, che formano il serbatoio principale (parte inferiore carbonatica della serie toscana);

3. sottostante quarzite triassica e paleozoica e fillite a bassa porosità (“basamento”

del campo).

Secondo questo schema si basa appunto la valutazione del potenziale geotermico

presente in Cataldi et al. [6]; la stessa suddivisione, secondo l’approccio del metodo

volumetrico, è utilizzata in questo lavoro per affrontare una valutazione del primo

ordine della risorsa e poi modificata nella sucessiva analisi statistica.

4.3. Inquadramento geotermico

- 400 m

0 m - 800 m

50 °C

100 °C 0 m

- 400 m

- 400 m - 400 m

50 °C

Figura 4.9: Temperature e profondità del tetto del serbatoio, da [16].

In azzurro le isoipse del tetto del serbatoio riferite al livello del mare: 0 m s.l.m.; -400 m s.l.m.; -800 m s.l.m.;

in verde le isoterme del tetto del serbatoio: 50

C; 100

C.

In rosso la sezione geologica oggetto della simulazione numerica (v. sez. 4.7).

150

200 250

150 50 °C

60 °C

Figura 4.10: Isolinee di temperature e flusso di calore, da [16].

In arancio le linee che collegano i punti a uguale flusso di calore: 150 mW/m

; 200 mW/m

; 250 mW/m

;

in blu le isoterme a 500 m di profondità dal piano campagna: 50

C; 60

C.

In rosso la sezione geologica oggetto della simulazione numerica (v. sez. 4.7).

4.4. Precedenti valutazioni del potenziale della zona

4.4 Precedenti valutazioni del potenziale della zona

In questa sezione si fa riferimento al lavoro di Cataldi et al., 1978 [6], che consiste in una valutazione del potenziale geotermico del sottosuolo della Toscana centro- meridionale. Si riportano i dati utilizzati e i risultati ottenuti, alcuni dei quali cos- tituiscono anche dei riferimenti del presente lavoro. Nel lavoro citato è delimitata come area di interesse quella compresa tra il fiume Arno a nord, il confine con il Lazio a sud, il mar Tirreno a ovest, mentre ad est la separa dal complesso montuoso del Chianti e del Cetona una depressione di estensione regionale.

L’area, estesa 8661 km

, viene suddivisa in 26 zone “termiche” (in base a criteri geologici e idrologici), e altre 5 sotto-zone distinte (aventi temperature nel serba- toio maggiori di 195-200

C). La zona identificata dal numero 12, nelle tabelle, è denominata proprio “Massa Marittima”, come il centro abitato rappresentativo; si estende per 410 km

e le è assegnata un’elevazione topografica media di 330 m. La temperatura di riferimento, per il calcolo dell’energia termica, è di 15

C (288 K).

Per ogni zona viene calcolato il contributo al potenziale geotermico secondo il metodo volumetrico (v. 2.4.2, pag. 29, cfr. anche [5]). Gli autori del lavoro citato precisano anche che, essendo carenti all’epoca i dati provenienti da misure dirette, è stato necessario in alcuni casi operare assunzioni arbitrarie e soggettive

.

Gli obiettivi del lavoro citato erano:

• l’individuazione delle aree di studio secondo criteri geologici e termici,

• la valutazione della risorsa energetica di base presente nei complessi rocciosi fino a 3 km di profondità,

• la stima della percentuale di questa risorsa utilizzabile per fini elettrici nel breve termine (si ricorda che il lavoro è datato al 1978).

Le caratteristiche principali e le grandezze caratteristiche assegnate alla zona denominata “Massa Marittima” sono riportate nelle tabelle 4.1, e 4.2.

I risultati a cui giunge il lavoro citato sono riportati nelle tabelle 4.3 e 4.4 (quest’ultima riassume la valutazione del potenziale geotermico).

8

Si vuole mettere in evidenza che, nonostante l’enorme numero di perforazioni, data l’importanza

storica, scientifica e industriale dell’area geotermica di Larderello, i dati pubblicati riguardo alcune

zone del campo risultano tuttora (durante la stesura del presente lavoro) carenti, al fine di realizzare

una dettagliata simulazione numerica 3D di serbatoio.

4.4. Precedenti valutazioni del potenziale della zona

Tabella 4.1: Grandezze caratteristiche della zona “Massa Marittima”, Cataldi et al., cfr.

[6].

superficie 410 km

elevazione topografica 330 m temperatura di riferimento 15

C

Tabella 4.2: Caratteristiche geometriche e proprietà termofisiche di roccia e fluido utilizzati per l’analisi volumetrica.

Copertura Serbatoio Basamento

spessore m 300 300 2400

volume km

123 123 984

profondità media m 150 450 1800

T media

C 30 45 115

∆T (rispetto a 15

C)

C 15 30 100

porosità totale (φ

) 0,28 0,14 0,024

porosità effettiva (φ

) 0,001 0,05 0,0075

volume roccia km

88,56 105,78 960,384

volume fluido km

34,44 17,22 23,616

densità roccia kg/m

2400 2600 2700

cal. spec. roccia J/kgK 920,92 837,2 879,06

densità fluido kg/m

1000 1000 950

cal. spec. fluido J/kgK 4186 4186 4186

fattore di recupero (R

) 0,005 0,125 0,02

depth factor (F

) 0,95 0,85 0,4

4.4. Precedenti valutazioni del potenziale della zona

Tabella 4.3: Risultati dell’analisi di Cataldi et al., [6], zona “Massa Marittima”. Si riportano anche i valori originali in cal.

Copertura

cal GJ

energia termica nella roccia 7,0·10

2,936·10

energia termica nel fluido 5,2·10

2,163·10

totale copertura H

1,22·10

5,099·10

H

· R

6,1·10

2,549·10

H

· R

· F

5,795·10

2,422·10

Serbatoio

cal GJ

energia termica nella roccia 1,65·10

6,9076·10

energia termica nel fluido 5,2·10

2,16249·10

totale serbatoio principale H

2,17·10

9,07009·10

H

· R

2,713·10

1,134·10

H

· R

· F

2,306·10

9,637·10

Basamento

cal GJ

energia termica nella roccia 5,445·10

2,2794·10

energia termica nel fluido 2,24·10

9,3914·10

totale basamento H

5,669·10

2,3734·10

H

· R

1,134·10

4,747·10

H

· R

· F

4,535·10

1,899·10

Tabella 4.4: Potenziale geotermico, secondo Cataldi et al., [6], zona “Massa Marittima”.

cal GJ

roccia 5,680·10

2,378·10

fluido 3,280·10

1,372·10

totale 6,008·10

2,515·10

per unità di superficie

cal/km

GJ/km

1,465·10

6,134·10

cal GJ

P H

· R

1,411·10

5,906·10

P H

· R

· F

6,899·10

2,887·10

4.4. Precedenti valutazioni del potenziale della zona

4.4.1 Pozzo ENEL “Massa 2”

La maggior parte dei dati disponibili sul sottosuolo della zona di Massa Marittima può essere ricavata dagli studi effettuati sul Sondaggio Stratigrafico “Massa 2”, in particolare in Bertini et al., 1994 [17].

Alla pofondità di 4150 m è stata misurata una temperatura di 350

C. La pro- fondità massima raggiunta nel sondaggio è di 4340,7 m. Nel lavoro citato viene affermato chiaramente che alla profondità di 2960 m non sono presenti fluidi utiliz- zabili a fini geotermici [17]. Il sondaggio, eseguito all’interno del comune di Massa

Figura 4.11: Ubicazione del sondaggio stratigrafico Massa 2, da Bertini et al., 1994 [17].

Marittima (GR) (Figura 4.11), fu realizzato per controllare l’estensione a Sud del campo geotermico di Larderello. Negli anni precedenti erano, inoltre, stati effettuati studi geologici e geofisici che facevano prevedere la presenza di temperature attorno ai 250-300

C al di sotto dei 3000 m di profondità.

Le formazioni attraversate dal pozzo sono elencate di seguito (per i nomi delle formazioni v. Appendice A, cfr. [13]):

0 - 55 m Conglomerato di Montebamboli (sedimenti del Mioc. sup.) 55 - 460 m Argille e calcari a Palombini (Cret. inf.)

460 - 655 m Flysch calcareo-marnoso (Cret. inf.)

655 - 1245 m Anidriti di Burano (Trias. sup.)

1245 - 1610 m Tocchi (Trias. sup.)

4.4. Precedenti valutazioni del potenziale della zona

1610 - 1630 m Verrucano s.s (Trias. med. sup.) 1630 - 1760 m Anidriti di Burano (Trias. sup.) 1760 - 2555 m Verrucano s.s (Trias. med. sup.) 2555 - 2820 m Tocchi (Trias. sup.)

2820 - 3050 m Verrucano s.s (Trias. med. sup.) 3050 - 3080 m Tocchi (Trias. sup.)

3080 - 3650 m Verrucano s.s (Trias. med. sup.) 3650 - 3920 m Anidriti di Burano (Trias. sup.) 3920 - 4030 m Verrucano s.s (Trias. med. sup.)

4030 - 4340,7 m Filladi e quarziti del T. Mersino (Carb. sup. - Perm. inf.) La presenza del Quarzo, negli orizzonti silicizzati alla base della copertura ligure, indicherebbero una circolazione idrotermale avvenuta a temperature molto superiori rispetto alle attuali. Allo stesso tempo la presenza di Gesso nei primi livelli della formazioni delle Anidriti di Burano, confermerebbe la presenza di circolazione sub- superficiale (in corrispondenza di un assorbimento di fluido di 10 m

/h a 655 m).

Per i dettagli sulle altre mineralizzazioni incontrate e i rilievi geofisici cfr. [17].

Il profilo di temperatura misurato nel pozzo è riportato in Figura 4.12. Il suo valore nella formazione ligure è lo stesso di quello misurato nelle campagne di misura superficiali (1,15

C / 10 m). Il gradiente nelle Anidriti di Burano, tra 655 m e 1245 m, diminuisce per il diverso valore della conducibilità termica e anche per la presenza della suddetta circolazione sub-superficiale. Alle profondità maggiori di 1245 m si incontrano zone ad alta permeabilità, confermata dalla presenza di manifestazioni di gas metano a 1660 m (con portata massima di 50 Nm

/h e pressione statica di 50 bar) e di fratture a 2968 m e 3041 m (pressione statica di 101 m e iniettività di 2,5 m

/h/bar).

Osservazioni Nel sondaggio “Massa 2”, la successione di Scaglie Tettoniche incon- trata è quella di maggior spessore di tutta l’area di Larderello (più di 2500 m); l’is- pessimento di tale formazione è una caratteristica del margine Sud di questo campo geotermico. La sua parte superiore è, inoltre, caratterizzata da abbondanti depositi idrotermali.

L’alternarsi di frequenti e spessi letti anidritici non favorisce la permeabilità per fratturazione

; le fratturazioni sono state riscontrate, infatti, solo nella formazione del Verrucano.

L’andamento piuttosto regolare e lineare del gradiente geotermico (valore medio di circa 0,75

C/ 10 m) attesta la mancanza dei tipici fenomeni convettivi dei campi geotermici.

9

cfr. 1.1.2, pag. 9.

4.4. Precedenti valutazioni del potenziale della zona

Bertini et al., [17], ritengono altamente improbabile la presenza di serbatoi a pro- fondità superiori rispetto a quella raggiunta nel “Massa 2”. L’ambiente sottostante, infatti, molto probabilmente a temperature maggiori di 350

C e semiduttile, sembra sfavorevole allo sviluppo di zone ad alta permeabilità.

94; 690

120; 1218

143; 1618

177; 2070

211; 2548

233; 2900

345; 4150

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Pr of ond it à [m]

Temperatura [°C]

Gradiente termico - pozzo MASSA 2

Figura 4.12: Gradiente di temperatura, sondaggio stratigrafico “Massa 2” (ENEL), [17].

4.5. Applicazione del metodo volumetrico

4.5 Applicazione del metodo volumetrico

Il primo passo, approssimativo, per conoscere le potenzialità geotermiche della zona è l’applicazione del metodo volumetrico (volume method o stored heat, cfr. sez.

2.4.2), come già detto è il più affidabile e riconosciuto fra i metodi del primo ordine.

Estensione geografica considerata In analogia a quanto fatto da Cataldi et al.

[6], si è deciso prima di tutto di individuare l’area in riferimento a cui effettuare i calcoli sulla risorsa geotermica.

Criteri di scelta per l’individuazione della zona sono stati:

• il possibile utilizzo industriale della risorsa (usi diretti, per il centro abitato di Massa Marittima, o elettrici da ciclo binario);

• restringere l’area di studio rispetto a quella individuata nella valutazione prece- dente ([6]), l’area considerata in Cataldi et al. 1978 [6] si spinge a NE fi- no a includere aree (es. Monte Cornate) ritenute storicamente di ricarica di tutto il campo geotermico di Larderello, ma anche altre aree di interesse geologico-geotermico non rilevante ai fini di questo lavoro.

L’area considerata in questo lavoro ha estensione di 126,8 km

circa, è delimitata a N e a NO dalla valle del torrente Milia, mentre per i limiti a S e a SE si è fatto riferimento ai bordi inferiori del Foglio 306 (“Massa Marittima”) della Carta Geo- logica d’Italia, [15]. La stessa area è stata poi oggetto dell’analisi statistica (v. sez.

successiva, 4.6; cfr. sez. 2.6, pag. 40).

Scelta dei volumi

I volumi principali considerati ai fini della valutazione sono stati scelti in analogia alla struttura tipica dei campi geotermici, adottata anche in [6]:

• copertura,

• possibile serbatoio principale (burano, calcare cavernoso),

• basamento (unità a scaglie tettoniche).

Si vuole sottolineare che il volume indicato come ‘basamento’ non è strettamente

da considerare come il vero e proprio basamento del campo geotermico (cornubianiti

e filladi, basamento del campo di Larderello, di cui Massa Marittima è al margine

meridionale, cfr. 4.3.1, pag. 67), bensì come quello strato su cui poggiano il burano

e il calcare cavernoso che si suppone abbiano permeabilità e porosità tali da potersi

considerare serbatoio (si tratta, infatti, molto più probabilmente del Complesso a

Scaglie Tettoniche, cfr. la sez. 4.3.1, pag. 67).

4.5. Applicazione del metodo volumetrico

Figura 4.13: Mappa della zona su cui si è eseguita la valutazione secondo il metodo volu- metrico, sono rappresentati i confini territoriali dei comuni. L’area racchiusa dal contorno azzurro è quella interessata dai calcoli; la linea nera rappresenta la sezione geologica oggetto della simulazione numerica (cfr. sez. 4.7, pag.

92).

4.5. Applicazione del metodo volumetrico

Figura 4.14: Mappa della geologia della zona di Massa Marittima e confine della zona

studiata (linea azzurra). Per le sigle delle formazioni affioranti si faccia

riferimento all’Appendice A a pag. 135 e alla sez. 4.2 a pag. 63.

4.5. Applicazione del metodo volumetrico

Riprendendo un concetto presente nel lavoro di Cataldi, anche in questo caso si è stabilita una profondità limite. Dai dati a disposizione sul pozzo ENEL “Massa 2”

(Bertini et al., 1994 [17]; dati interni Enel, comunicazioni personali) si è deciso di fermare l’analisi alla profondità di 3600 m (anzichè i 3000 m di [6]).

Suddivisione dell’area di studio in tre zone Si è suddivisa la zona in tre re- gioni di differenti caratteristiche stratigrafiche e quindi con diversi valori degli spessori medi e delle temperature dei volumi descritti sopra. La decisione di suddividere la zona come in Figura 4.15, pag. 83, è stata maturata tenendo conto dei dati strati- grafici del pozzo ENEL “Massa 2” e della sezione geologica rappresentativa della zona di Massa M.ma, elaborata presso il Dipartimento di Scienze della Terra dell’Univer- sità di Pisa. Si rende necessario introdurre fin da ora questa sezione geologica, sulla quale si basano molti dei ragionamenti del presente lavoro, benchè questa sia oggetto soprattutto (e base della griglia di calcolo) della simulazione numerica agli elementi finiti di cui nella sez. 4.7, pag. 92. Come emerge dalla Figura 4.16, è possibile indi- viduare tre ‘regioni’ (A, B e C), caratterizzate da differenti spessori delle strutture della copertura, del serbatoio e del basamento. In base a opportune considerazioni, su basi strettamente geologiche, da queste tre strutture della sezione, si sono estrap- olate le tre “zone”, sulla carta geologica di Massa M.ma che verosimilmente potessero presentare una stratigrafia e quindi un comportamento geotermico differente e quin- di individuabile. Quanto detto è rappresentato in Figura 4.15, ai fini dell’analisi volumetrica si consideri la parte gialla come rappresentativa della zona “A”, quella azzurra centrale rappresentativa della zona “B” e quella rossa della zona “C”.

Gli spessori medi e le altre caratteristiche fisiche e geologiche sono state ricavate dai dati sul pozzo ENEL “Massa 2”

e delle mappe del “tetto del serbatoio” della Toscana (temperature, profondità, flusso di calore), provenienti dall’Inventario delle risorse geotermiche nazionali - Regione Toscana - Rapporto (ENEL, CNR, ENI-AGIP, ENEA, 1987, cfr. [16]).

Dati geometrici, termofisici e geologici Nell’ottica dell’analisi volumetrica

questa suddivisione ha dato luogo a tre differenti terne di volumi nella successione

copertura - serbatoio - basamento. Si riportano, in Tabella 4.5, i valori delle es-

tensioni superficiali delle tre zone e gli spessori medi degli strati, derivanti dall’aver

effettuato la suddivisione di Figura 4.15. Le proprietà fisiche e idrologiche utilizzate

nel calcolo sono anch’esse riassunte nella Tabella 4.5.

4.5. Applicazione del metodo volumetrico

ZONA A

ZONA B

ZONA C

Figura 4.15: Suddivisione dell’area di studio nelle tre zone A, B e C. L’estensione totale dell’area è di 126,82 km

, per le tre zone si hanno invece i seguenti valori (in km

): A 51,42; B 48,82; C 26,58 (cfr. Tabella ??). La linea nera rappresenta la sezione geologica studiata nella simulazione numerica.

zona A zona B zona C

3600 m

zona A zona B zona C

COPERTURA

SERBATOIO

BASAMENTO

COPERTURA

SERBATOIO

BASAMENTO

COPERTURA

SERBATOIO

BASAMENTO

Argille a palombini, flysch calcareo-marnoso (copertura) Burano, calcare cavernoso (serbatoio)

Figura 4.16: Sezione relativa alla zona di Massa Marittima; si riportano le suddivisioni in

volumi caratteristici, per chiarire come è strutturato il dominio di calcolo per

il metodo volumetrico.

4.5. Applicazione del metodo volumetrico

T ab ella 4.5: Caratteristic he ge om etric he e proprietà termofisic he di ro ccia e fluido utilizzate nel calcolo della risorsa geotermica in Cataldi, [6], zona “Mass a Maritima”.

zona A zona B zona C totale

superfi ci e km

51,42 48,82 26,58 126,82

COPER TURA SERBA TOIO BASAMENTO

zona A zona B zona C zona A zona B zona C zona A zona B zona C

sp ess ore medio m 60 0 13 0 35 0 60 0 60 0 60 0 24 00 28 70 26 50 vo lume km

30 ,8 5 6,3 47 9,3 05 87 ,3 6 29 ,2 9 15 ,9 5 34 9,4 14 0,1 70 ,4 5 T me dia

C 50 50 50 10 0 60 60 17 0 17 0 17 0 ∆ T (risp etto a 15

C)

C 35 35 35 85 45 45 15 5 15 5 15 5

densità ro ccia kg /m

24 00 24 00 24 00 26 00 26 00 26 00 27 00 27 00 27 00 ca l. sp ec. ro ccia J/ kg K 92 0, 92 92 0,9 2 92 0,9 2 83 7,2 83 7,2 83 7,2 87 9,0 6 87 9,0 6 87 9,0 6 densità fluido kg /m

10 00 10 00 10 00 10 00 10 00 10 00 95 0 95 0 95 0 ca l. sp ec. fluido J/ kg K 41 86 41 86 41 86 41 86 41 86 41 86 41 86 41 86 41 86

p or osità to ta le φ

0,2 8 0,2 8 0,2 8 0,1 4 0,1 4 0,1 4 0,0 24 0,0 24 0,0 24 p or osità effica ce φ

0,0 01 0,0 01 0,0 01 0,0 05 0,0 05 0,0 05 0,0 07 5 0,0 07 5 0,0 07 5 vo lume ro ccia V (1 − φ

) km

22 ,2 1 4,5 69 66 ,9 9 75 ,1 3 25 ,1 9 13 ,7 2 34 1 13 6,7 68 ,7 6 vo lume fluido V φ

km

8,6 39 1,7 77 2,6 05 12 ,2 3 4,1 01 2,2 33 8,3 86 3,3 63 1,6 91

4.5. Applicazione del metodo volumetrico

Tabella 4.6: Risultati del metodo volumetrico, per zona e per volume caratteristico, le energie termiche sono espresse in 10

GJ.

zona A zona B zona C Copertura

energia termica roccia 1,718 0,353 0,518 energia termica fluido 1,266 0,260 0,382

totale copertura 2,984 0,614 0,900

Serbatoio

energia termica roccia 13,900 2,467 1,344 energia termica fluido 4,352 0,772 0,421

totale serbatoio 18,252 3,240 1,764

Basamento

energia termica roccia 125,467 50,308 25,295 energia termica fluido 5,169 2,073 1,042 totale basamento 130,636 52,381 26,337

totale 151,872 56,235 29,002

Tabella 4.7: Risultati complessivi dei calcoli del potenziale geotermico secondo il metodo volumetrico.

H H · R

[GJ] [GJ]

Copertura 4,498·10

2,249·10

[R

= 0, 005]

Serbatoio 2,326·10

2,907·10

[R

= 0, 125]

Basamento 2,094·10

4,187·10

[R

= 0, 02]

totale

[GJ] [GJ]

2,371·10

7,117·10

per unità di superficie

[GJ/km

] [GJ/km

]

1,870·10

5,611·10

4.6. Valutazione statistica

4.6 Valutazione statistica

I dati in input sono quelli, già descritti, per il metodo volumetrico (v. 2.4.2, pag.

29; già applicato al caso studio, v. sez. 4.5, pag. 79), ma in aggiunta si sono stabiliti i valori necessari alla elaborazione della distribuzione probabilistica di alcune grandezze.

Si è cercato di descrivere le incertezze nella stima e nella valutazione di alcuni valori in ingresso, esprimendole in forma di funzioni di distribuzione di probabilità (triangolare, nello specifico, cfr. Figura 2.7, in 2.6.2), al fine di ottenere l’energia geotermica disponibile nella zona descritta espressa come valore medio più la sua deviazione standard.

I valori in ingresso di cui si è costruita una distribuzione probabilistica di forma triangolare sono:

• la temperatura media del volume considerato,

• la profondità media,

• il fattore di recupero.

COPERTURA

SERBATOIO

BASAMENTO

COPERTURA

BASAMENTO

COPERTURA

BASAMENTO

3600 m

ZONA A ZONA B ZONA C

600 m2400 m 600 m130 m2780 m

600 m 600 mSERBATOIO

350 m

SERBATOIO

2650 m

Figura 4.17: Schema illustrativo della suddivisione volumetrica effettuata sull’area per la valutazione del potenziale geotermico. Lo stesso schema viene utilizzato nella valutazione statistica. Per la denominazione dei volumi cfr. 4.5, pag. 79.

Come già descritto nella sez. 2.6, pag. 40, per la valutazione della risorsa geoter-

mica, secondo questo approccio, viene utilizzato il metodo Monte Carlo, utilizzando

4.6. Valutazione statistica

La valutazione statistica della risorsa è stata effettutata tramite un program- ma numerico implementato in MATLAB

. Nel seguito si descrive come sono stati introdotti i dati, con le relative incertezze, e si illustrano i risultati del calcolo.

Si riporta in Figura 4.17 lo schema delle caratteristiche geometriche relative ai volumi già in precedenza presi in considerazione; nella sez. 4.5 viene illustrato il calcolo effettuato secondo il metodo volumetrico

e i relativi risultati.

I volumi sui quali è di maggiore interesse applicare la valutazione statistica sono quelli dei serbatoi delle tre zone (A, B e C). Si è tuttavia pensato di applicarlo anche ai “basamenti”

, sui quali si concentra, nel seguito, uno studio della risorsa geotermica secca.

4.6.1 Dati in ingresso e distribuzioni di probabilità dell’energia Nelle Figure 4.18, 4.19 e 4.20 (nelle pagine successive) sono illustrate le distribuzioni probabilistiche utilizzate in input nella valutazione statistica. Le Tabelle 4.8 e 4.9 mostrano i risultati in termini di media e deviazione standard dell’energia disponibile in ciascun volume e l’energia estraibile a boccapozzo

.

Tabella 4.8: Energia termica disponibile nel serbatoio, Massa Marittima, valori medi e deviazioni standard (σ).

serbatoio

spessore energia termica nel serbatoio “a boccapozzo”

[km] [J] σ [J] σ

zona A 0,6 7,059·10

5,759·10

6,176·10

1,614·10

zona B 0,6 4,370·10

1,051·10

3,823·10

1,339·10

zona C 0,6 2,181·10

6,873·10

1,909·10

7,786·10

Tabella 4.9: Energia termica disponibile nel basamento, Massa Marittima, valori medi e deviazioni standard (σ).

basamento

spessore energia termica nel serbatoio “a boccapozzo”

[km] [J] σ [J] σ

zona A 2,4 4,332·10

7,821·10

1.473·10

7,125·10

zona B 2,87 4,647·10

7,315·10

1,581·10

7,484·10

zona C 2,65 2,396·10

4,023·10

8,148·10

3,896·10

11

v. sez. 2.4.2, pag. 29.

12

Per la terminologia v. 4.5, pag. 79.

13

L’energia “a boccapozzo” si ottiene moltiplicando quella media del volume considerato per il

fattore di recupero.

4.6. Valutazione statistica

Figura 4.18: zona A - Distribuzioni di probabilità dei parametri che vengono utiliz-

zati per l’analisi: la temperatura, la profondità e il fattore di recupero,

rispettivamente per il serbatoio a sinistra e per il basamento a destra.

4.6. Valutazione statistica

Figura 4.19: zona B - Distribuzioni di probabilità dei parametri che vengono utiliz-

zati per l’analisi: la temperatura, la profondità e il fattore di recupero,

rispettivamente per il serbatoio a sinistra e per il basamento a destra.

4.6. Valutazione statistica

Figura 4.20: zona C - Distribuzioni di probabilità dei parametri che vengono utiliz-

zati per l’analisi: la temperatura, la profondità e il fattore di recupero,

rispettivamente per il serbatoio a sinistra e per il basamento a destra.

4.6. Valutazione statistica

Zona A

(a) Serbatoio. (b) Basamento.

Zona B

(c) Serbatoio. (d) Basamento.

Zona C

(e) Serbatoio. (f) Basamento.

Figura 4.21: Distribuzioni di probabilità risultanti per le energie disponibili nei volumi considerati (cfr. Tabelle 4.8 e 4.9).

I valori dell’energia in ascissa nei grafici sono espressi in 10

J per i serbatoi,

mentre in 10

J per i basamenti.

4.7. Simulazione numerica del serbatoio

4.7 Simulazione numerica del serbatoio

Sezione geologica

La simulazione numerica è stata condotta su una sezione geologica verticale dell’area del caso studio, descritta in precedenza. La sezione è situata a N del centro abi- tato di Massa Marittima ed ha direzione NE-SO. Si estende per circa 23 km ed è caratterizzata da diverse stratigrafie, si veda la Figura 4.22.

Nella parte centrale rispecchia la stratigrafia rinvenuta nel pozzo “Massa 2” per- forato dall’ENEL nei primi anni Novanta (Bertini et al., 1994, [17]; v. sez. 4.4.1 a pag. 76). I vari livelli della stratigrafia del pozzo, situato a N rispetto alla giacitura della sezione, sono “proiettati” e riportati sulla sezione.

Per spiegare meglio dove sia localizzata l’area interessata dalla simulazione nu- merica e che direzione ha la sezione geologica si riportano delle mappe della Toscana meridionale, nelle Figure 4.23 e 4.24.

zona A zona B zona C

Figura 4.22: Sezione geologica oggetto della simulazione numerica, Massa Marittima.

La successione geologica incontrata è quella tipica del campo di Larderello, ovvero:

strato superficiale di liguridi, calcare cavernoso e anidriti di burano e più in fondo scaglie, filladi e strati impermeabili più caldi.

La principale ipotesi fatta è che il calcare cavernoso e il burano (la parte in arancione in Figura 4.22) costituiscano il serbatoio del campo, ovvero consentano il flusso idrico per porosità e permeabilità.

Alcune considerazioni inziali In realtà, pur non essendo state fatte prove di per- meabilità sul sito (come riportano alcuni dati interni dell’ENEL relativi al sondaggio stratigrafico “Massa 2”), risulta evidente una bassissima permeabilità. Questo fatto non consente di considerare complessivamente corrette le ipotesi fatte in precedenza sulla presenza di un serbatoio. Il pozzo “Massa 2” è da considerarsi non utile ai fini geotermici “classici” caratteristici del campo di Larderello, ovvero per produzione elettrica da impianti a flash o a espansione diretta. Il pozzo citato non sarebbe attualmente in produzione, nè sfruttato in altro modo.

14

La sezione è stata elaborata presso il Dipartimento di Scienze della Terra dell’Università di

4.7. Simulazione numerica del serbatoio

PISA

LARDERELLO

MASSA MARITTIMA sezione

geologica

Figura 4.23: Posizione della sezione geologica sulla mappa della Toscana centro- meridionale.

Figura 4.24: Posizione della sezione geologica, nel cerchio il centro abitato di Massa

Marittima (dettaglio).

4.7. Simulazione numerica del serbatoio

Stando alle attuali conoscenze del sottosuolo della zona di Massa M.ma si può so- lo supporre che una diversa localizzazione del pozzo avrebbe potuto incontrare uno serbatoio produttivo. La zona, infatti, potrebbe essere interessata da circolazione regionale di acqua e da flussi idrici trasversali alla sezione considerata. I dati idro- geologici (soprattutto riguardo alla permeabilità e alla porosità delle rocce) sono forse ancora in parte insufficienti per poter proporre soluzioni operative di carattere produttivo.

Si consideri la questione della conduttività idraulica (si può ben capire quanto sia importante questa grandezza per studiare il movimento dei fluidi nei mezzi porosi e fratturati): se si consultano tabelle o raccolte di valori della K, misurati in varie parti del mondo per i più vari tipi di rocce, ci si accorge che questi spaziano entro range anche di molti ordini di grandezza. La K delle arenarie ad esempio è compresa tra 10

e 10

[m/s], quella di molti carbonati tra 10

e 10

[m/s], ma si sta parlando di valori medi, riscontrati per questo tipo di formazioni in diversissime condizioni ambientali. Sarebbe necessario, quando si affronta uno studio di questo tipo, essere in grado di caratterizzare dettagliatamente le formazioni che ci si trova a dover simulare, se non altro le più importanti, ed essere in grado di esprimerein piccoli intervalli di incertezza le proprietà geofisiche e termiche delle rocce che formano il sistema da analizzare.

È possibile e ragionevole, tuttavia, fare delle supposizioni in base ai dati a dis- posizione per il presente lavoro. Rimane certamente di grande importanza poter conoscere e modellare, attraverso le tecniche della simulazione numerica, il compor- tamento idrodinamico e idrologico delle formazioni rocciose e dei corpi idrici sotter- ranei. Le considerazioni che se ne possono trarre possono essere usate come base per una eventuale successiva fase di esplorazione mineraria a fini geotermici.

4.7.1 Schematizzazione del problema

L’obiettivo di questa parte del lavoro è la simulazione del comportamento idrodinam- ico e delle caratteristiche termiche (delle fasi solida e liquida) della sezione geologica di Figura 4.22. Il problema affrontato è quindi di tipo bidimensionale.

Stante la carenza di dati e precise caratterizzazioni circa le proprietà delle rocce che entrano a far parte del dominio di calcolo, si cerca in realtà (in questa parte del lavoro) di ricondurre gli input e i relativi risultati a dei criteri di coerenza interna del calcolo. Oltre ad una situazione che viene ritenutaquella realistica si affrontano anche delle varianti che prevederebbero la presenza del supposto serbatoio geotermico nel calcare e nelle anidriti di burano.

La geometria del dominio di calcolo è quella imposta dalla sezione geologica,

mostrata in Figura 4.22. Le diverse formazioni rocciose vengono rappresentate da

4.7. Simulazione numerica del serbatoio

Argille a palombini (APA, APA₂) altre formazioni:

-Flysch calcareo-marnoso, -Depositi aluvionali (b) ed eluvio colluviali (b₂), depositi di versante (a)

Principalmente anidriti di burano, calcare cavernoso

copertura possibile acquifero

Conglomerato di Montebamboli (BAM)

Travertini di Massa Marittima (TMM)

altre formazioni superficiali

Figura 4.25: Sezione geologica. La didascalia annessa illustra la principali formazioni geo- logiche presenti. Le dimensioni verticali sono, in questa figura, volutamente esagerate.

plessa) vengono rappresentati come superelement e poi meshati. Se la generazione della griglia di calcolo viene affidata automaticamente al software, è poi possibile verificare la forma e le caratteristiche di ogni elemento

. Come in molti program- mi di calcolo agli elementi finiti è possibile stabilire le dimensioni degli elementi o comunque introdurre alcuni parametri per la generazione della mesh. In assenza di problemi legati a geometrie particolari dei superelement (come nel caso del presente lavoro) la generazione automatica della mesh dà buoni risultati. Per le simulazioni si sono utilizzati elementi di forma triangolare, all’interno di una mesh costituita da 49098 elementi per un totale di 25298 nodi, l’area totale della sezione analizzata è 2,1261·10

m

.

Si è detto che la sezione è 2D verticale, in realtà FEFLOW associa a questa superficie un certo spessore uniforme di 1 m, il volume considerato è quello che si ottiene allora moltiplicando l’area per questo spessore.

In base alle porosità assegnate ai diversi superelement, e ad un certo storage coefficient (s, nelle notazioni di Diersch, [11])

, si può calcolare l’energia termica contenuta in tutto il volume relativo alla sezione.

Faglie e fratture Il software è dotato, nella fase di settaggio delle caratteristiche del problema, di una funzione per la gestione di oggetti che possono rappresentare

15

Tramite la funzione Mesh inspector. Ad esempio, nel caso di elementi triangolari, si può verifi- care la presenza, e il numero, di eventuali triangoli con angoli ottusi, che influirebbero negativamente sul calcolo.

16

Ovvero una parametro di immagazzinamento del liquido, che esprime la percentuale di pori

occupata dal fluido

4.7. Simulazione numerica del serbatoio

faglie o fratture, se presenti nella sezione o nella mappa considerata. Si tratta dei cosiddetti Discrete feature elements, che possono essere introdotti sia in problemi 2D (verticali o orizzontali), che in problemi 3D. Alle faglie viene assegnato un opportuno valore di permeabilità (e altre proprietà geofisiche), per simulare il comportamento idraulico di questi oggetti.

Nella simulazione considerata le faglie e le frattura fra diverse formazioni geolo- giche sono state rappresentate, appunto, come Discrete feature elements aventi una permeabilità molto più alta delle rocce circostanti.

4.7.2 Dati necessari per la simulazione

proprietà fisiche del fluido e della roccia Si tratta, ad esempio, dei calori specifici, delle densità, delle conducibilità termiche; possono essere as- segnate nodo per nodo, su delle sottoregioni del dominio, su un intero superele- ment o globalmente a tutti i nodi della mesh (in questo lavoro si è preferito assegnarle ad ogni superelement, giacchè si è fatto in modo che ognuno di questi oggetti rappresenti effettivamente una tipo di roccia diverso);

proprietà idrogeologiche del dominio roccioso Principalmente la con- duttività idraulica K e la porosità φ (possono essere assegnate con le stesse modalità del gruppo precedente).

condizioni al contorno Sono di estrema importanza per ottenere risultati che siano coerenti con la realtà e che diano effettivamente delle indicazioni utili sul comportamento di un dato acquifero (cfr. sez. 3.2); è necessario disporre delle informazioni riguardanti

• i livelli piezometrici delle falde (espressi come quote assolute, in m); sarebbe opportuno (a seconda delle dimensioni della zona considerata) disporre di molte quote dei bacini idrici,

• gli apporti di fluido dall’esterno del dominio di calcolo (sotto forma, ad esempio, di flussi),

• la presenza di prelievidi fluido (o di eventuali reiniezioni), cioè di pozzi, presenza di fratture e faglie e loro caratteristiche Soprattutto nei

dominii 2D (come quello qui considerato), le fratture fungono da anomalie del

campo dei valori di permeabilità.

4.7. Simulazione numerica del serbatoio

Fratture

Figura 4.26: Rappresentazione grafica delle fratture sulla sezione come Discrete feature elements . È visibile, in grigio, la griglia di calcolo.

4.7.3 Dati disponibili

Il problema principale riscontrato nel portare avanti questa simulazione è la scarsità di dati geofisici e idrogeologici sugli acquiferi sotterranei e sui corpi rocciosi della zona.

Gli stessi dai sul sondaggio stratigrafico “Massa 2”, realizzato da ENEL nei primi anni Novanta, non sono esaustivi nè completi riguardo alle proprietà fisiche delle for- mazioni rocciose perforate. È stato difficoltoso anche realizzare una caratterizzazione delle permeabilità delle principali unità stratigrafiche in gioco nella simulazione.

Nel caso della sezione analizzata, si ha a che fare sostanzialmente con due gruppi di tipologia di roccia

, che vengono elencate di seguito (v. anche le Figure 4.25 e 4.27).

Copertura del serbatoio

[Indicate con il numero (1) in Figura 4.27]

• Argille a Palombini (APA, APA

),

• Flysch calcareo marnoso,

• Depositi alluvionali (b) ed eluvio-colluviali (b

), depositi di versante (a),

• Conglomerato di Montebamboli (BAM),

• Travertini di Massa Marittima (TMM);

17

cfr. [17], [16] e [13].

4.7. Simulazione numerica del serbatoio

Possibile acquifero con funzione di serbatoio [Indicate con il numero (2) in Figura 4.27]

• Anidriti di Burano (BUR),

• Calcare cavernoso.

2

1 1 1 1

2

2

Figura 4.27: Sezione geologica, sono individuati i due gruppi di corpi rocciosi con omogenee caratteristiche fisiche e idrogeologiche.

Si riportano, nella Tabella 4.10, i dati a disposizione, per le formazioni elencate, utilizzati nella simulazione numerica della sezione.

Tabella 4.10: Proprietà fisiche principali delle rocce della sezione considerata.

(1) (2)

conduttività idraulica [m/s] 1,0·10

1,0·10

÷ 1,0·10

porosità (da Cataldi et al. [6]) 0,28 0,14

conducibilità termica [W/mK] 3 ÷ 3,5 3,5 ÷ 4

Condizioni al contorno Il problema maggiore incontrato nella realizzazione di una simulazione così fatta è, forse, la determinazione delle condizioni al contorno

. Se per la regione da analizzare non vi sono sufficienti dati a disposizione, la simu- lazione rischia di essere molto sensibile rispetto alle scelte soggettive di chi progetta il dominio e gestisce i calcoli.

Per il presente caso studio, si è cercato di seguire le seguenti indicazioni, derivanti dai pochi riscontri a disposizione.

Condizioni sul flusso idraulico

– quota piezometrica della sorgente “Le Venelle” (situata nel comune di

Massa Marittima), in affioramento , è stata riportata in corrispondenza

della sua proiezione sulla sezione geologica;

4.7. Simulazione numerica del serbatoio

– quota piezometrica di un acquifero della zona di Monterotondo Marit- timo, situato a circa 140 ÷ 150 m di profondità dal piano campagna, caratterizzato da una grande portata di fluido a più di circa 90

C;

– simulazione della perdita di circolazione durante la perforazione del poz- zo “Massa 2”, di cui si ha notizia in [17], con assorbimento di 10 m

/h a 655 m dal piano campagna (nel presente lavoro questo valore è stato opportunamente ridotto);

– la parte destra del dominio si trova geograficamente nelle vicinanze di una zona riconosciuta come ricarica del campo di Larderello, il Monte Le Cornate, presso cui affiorano il burano ed il calcare cavernoso; è molto probabile che la zona funga da bacino di raccolta delle infiltrazioni e scorri- mento del fluido geotermico verso le zone più calde del serbatoio

, ovvero verso Sud-Ovest, cioè verso sinistra nella sezione considerata. Si è cercato di simulare il contributo delle infiltrazioni delle precipitazioni meteoriche sotto forma di flusso idrico in ingresso dalla superficie.

Condizioni di temperatura

– sul bordo inferiore della sezione è stata imposta la temperatura ricava- ta dalla linearizzazione del gradiente termico del sondaggio stratigrafico

“Massa 2” (i cui valori misurati sono riportati in Figura 4.12);

– si sono proiettati su questa parte della sezione (quella più a monte, ovvero quella di ricarica) i dati riguardanti una manifestazione geotermica del- l’acquifero di Monterotondo Marittimo (come già detto sopra, 90

C a 140

÷ 150 m circa di profondità dal p. c.

), dovuta alla localizzazione di una forte anomalia termica del campo;

– si è cercato di realizzare alcune simulazioni a temperatura costante lungo il bordo inferiore (di circa 100

C), nel tentativo di forzare una omo- geneizzazione della temperatura nel serbatoio calcareo e poter osservare la formazione di eventuali celle convettive.

4.7.4 Dati mancanti

Per la corretta simulazione di una zona di interesse geotermico si necessita in realtà di un maggior numero di dati, e con una migliore distribuzione. È innegabile che in questo lavoro ci sia una carenza di dati e di precise condizioni al contorno. Durante la preparazione del problema e l’esecuzione dei calcoli è stato possibile raccogliere solo i dati appena descritti.

19

La zona del Monte Le Cornate è ritenuta storicamente di “ricarica” del campo di Larderello.

20

piano campagna.

4.7. Simulazione numerica del serbatoio

È pur vero che ancora nel 1978, anno di uscita del lavoro di Cataldi et al., As- sessment of geothermal potential of central and southern Tuscany [6], veniva sentita questa carenza di dati, seppure la Toscana meridionale, e in particolare le zone del campo di Larderello e limitrofe, siano uno dei luoghi più studiati e perforati per fini industriali e di ricerca sulla geotermia.

Va tenuto presente che Massa Marittima è situata sul bordo del campo geoter- mico, una fascia geografica che è solo recentemente tornata di grande interesse per le società energetiche e gli enti pubblici. Viene ritenuto che questa fascia esterna del serbatoio pincipale possa essere ideale per lo sfruttamento della risorsa geotermica a media e medio-bassa entalpia, in particolare per mezzo di impianti a ciclo binario innovativi o per opere di teleriscaldamento.

Ad ogni modo viene qui chiarito che i pochi dati a disposizione per lo sviluppo di questo lavoro possono non essere considerati sufficienti a ritenere determinato il problema numerico.

Ai fini della modellistica del serbatoio, è stato ritenuto opportuno condurre anche delle prove di simulazione e stima sulla presenza di un’eventuale acquifero nel calcare cavernoso (come ci si sarebbe aspettato che fosse da riscontri sperimentali e campagne esplorative). Se ne è parzialmente indagato il comportamento in presenza di pozzi di prelievo e reiniezione.

Viene, tuttavia, riconosciuto che in alcuni risultati siano rappresentati degli as- petti reali del comportamento dell’acquifero (campo a carattere prevalentemente conduttivo).

In corrispondenza di alcune faglie, il software riporta la formazione di sorgenti effettivamente esistenti sulle carte (sotto forma di flussi di acqua in uscita), con valori anche verosimili della portata.

4.7.5 Situazioni simulate

Simulazione del comportamento conduttivo del campo geotermico

È stato possibile caratterizare la situazione che sarebbe testimoniata dai dati del pozzo “Massa 2”, ovvero assenza di fluido geotermico nel calcare e nelle anidriti di burano. Si sono date come condizioni al contorno al sistema

• la temperatura sotterranea estrapolata dal gradiente termico naturale di Massa M.ma;

• alla superficie terrestre è stata imposta la temperatura di 15

C;

• la presenza (sotto forma di quota piezometrica) di una sorgente (“Le Venelle”,

4.7. Simulazione numerica del serbatoio

• un prelievo di fluido, collocato in modo tale da simulare le perdite di circo- lazione riscontrate durante la perforazione del “Massa 2”;

• il flusso di ricarica indotto dalle precipitazioni (nella zona a NE, vicina al Monte Le Cornate);

• la quota piezometrica di una sorgente situata presso Monterotondo Marittimo (falda con acqua a 90

C a 140 - 150 m di profondità dal piano campagna), proiettata sulla sezione all’interno del bacino di ricarica.

Il comportamento che si ottiene come risultato è quello di un campo geotermico a carattere conduttivo, data la distribuzione uniforme delle isoterme lungo la direzione verticale, si ricordi che la zona, per il fatto di essere limitrofa al campo di Larderello è pur sempre caratterizzata da una forte anomalia geotermica.

Si riportano alcuni risultati e grafici ottenuti in questa situazione (Figure 4.28, 4.29 e 4.30).

Flusso geotermico in uscita attraverso la linea del piano campagna 6,236 kW Energia contenuta all’interno del volume totale della sezione 3,151·10

GJ

La potenza termica che viene persa dal dominio della sezione attraverso il prelievo di 1 m

/d (circa 0,7 l/min), che simula le perdite per circolazione regionale e in direzioni trasversali rispetto alla sezione, è di 4562 W.

Figura 4.28: Distribuzione della temperatura su tutta la sezione geologica.

y x

Figura 4.29: Andamento delle isoterme nella parte sinistra della sezione (cfr. Figura 4.16).

Il pozzo “Massa 2” è proiettato su questa parte della sezione, la quale ne

riproduce la stratigrafia.

4.7. Simulazione numerica del serbatoio

y x

Figura 4.30: Particle tracking eseguito nella zona di ricarica. La condizione al contorno su questa porzione di superficie, in questo caso, è un’infiltrazione di acqua (per simulare la ricarica).

Tentativo di simulazione di acquifero all’interno del serbatoio (calcare cavernoso e anidriti di burano)

Si è ritenuto plausibile provare comunque a simulare la presenza di un acquifero al- l’interno dello strato di carbonati e anidriti, in quello che è anche cartografato come serbatoio del campo di Larderello. Si è imposta come ulteriore condizione al con- torno, oltre a quelle illustrate nel paragrafo precedente anche una quota piezometrica (pari alla quota effettiva) al confine fra copertura e serbatoio (sede di discontinuità delle proprietà fisiche). In una zona in cui non si è imposta la condizione di quota piezometrica riferita alla presenza della falda si è imposto un flusso termico nullo (in particolare nella parte sinistra della sezione, quella più vicina al pozzo “Massa 2” e con il serbatoio di maggior spessore.

Flusso geotermico in uscita attraverso la linea del piano campagna 6,645 kW Energia contenuta all’interno del volume totale della sezione 2,964·10

GJ

Gli andamenti delle isoterme sono abbastanza vicini a quelli del caso quasi solo conduttivo di cui sopra, ma il particle tracking segnala, in maniera abbastanza co- erente, le linee del flusso dell’acqua sotterranea (Figura 4.31). Il flusso geotermico attraverso la linea del piano campagna è di 6645 W; l’energia totalmente contenuta all’interno del

y x FAGLIA

LIVELLO PIEZOMETRICO DELL’ACQUIFERO

Figura 4.31: Particle tracking eseguito in una zona con quota piezometrica imposta in

una parte e flusso termico nullo nella parte complementare del contatto fra

copertura e serbatoio.

4.7. Simulazione numerica del serbatoio

y x

Figura 4.32: Contours di temperatura nella parte sinistra della sezione, la stessa della Figura 4.31.

Figura 4.33: Isoterme nella stessa parte della sezione delle Figure 4.31 e 4.32.

Tentativo di simulazione di acquifero all’interno del serbatoio con doppi- etto di pozzi emungimento-reiniezione

Con le stesse condizioni al contorno del tentativo precedente (sempre in un’analisi allo stazionario) si cerca di simulare la presenza di una coppia di pozzi. Vengono posti nella parte destra della sezione (quella che ricalca la stratigrafia e le strutture geologiche incontrate nel “Massa 2”) uno di prelievo di fluido (100 m

/giorno) e l’altro di reiniezione (100 m

/giorno), posti a una distanza di circa 2,7 km.

Flusso geotermico in uscita attraverso la linea del piano campagna 17,198 kW Energia contenuta all’interno del volume totale della sezione 2,964·10

GJ

Potenza prelevata al pozzo di emungimento 208,032 kW

La regione immediatamente prossima al pozzo di prelievo risulterebbe parecchio

“svuotata” da una portata di emungimento pur molto bassa (corrispondente a circa

1,16 l/s), si ricorda che anche in questo caso al contatto fra la copertura e il serbatoio

è imposto flusso termico nullo. Vengono mostrati i risultati nelle Figure 4.34 e 4.35.

4.7. Simulazione numerica del serbatoio

Figura 4.34: Andamento delle isoterme nel caso risguardante una coppia di pozzi di reiniezione e emungimento (100 m

/d).

pozzo di emungimento (100 m

/d)

pozzo di reiniezione (100 m

/d a 50 °C)

Figura 4.35: Particle tracking che mostra le direzioni seguite dal fluido nel percorso fra i

due pozzi di reiniezione e emungimento (100 m

/d).