Anno Protocollo: RBFR10VLM7

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1 MINISTERO DELL'ISTRUZIONE, DELL'UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA Direzione Generale per il Coordinamento e lo Sviluppo della ricerca PROGETTO DI RICERCA - MODELLO A BANDO FIRB - PROGRAMMA "FUTURO IN RICERCA" Anno Protocollo: RBFR10VLM7 LINEA D'INTERVENTO Titolo del Progetto di Ricerca Stoccaggio geologico di fluidi e faglie sismogenetiche: comprensione delle interazioni e dei legami attraverso lo studio di sismicità e flusso di gas in ambienti analoghi. Geological fluid storage and seismogenic faults: understanding interactions and linkages studying seismicity and gas flux in similar contexts 2 - Durata del Progetto di Ricerca 36 mesi 3 - Coordinatore scientifico della ricerca (Principal Investigator) ANSELMI Mario NSLMRA78A07M082B (cognome) (nome) (codice fiscale) Dottore di ricerca 07/01/1978 (qualifica) (data di nascita) Istituto Nazionale Geofisica e Vulcanologia Istituzione che si impegna a garantire il contratto (art. 5 comma 8 del bando) mario.anselmi@ingv.it (telefono) (fax) ( ) 4 - Abstract del Progetto di Ricerca Uno dei due principali obiettivi del progetto è quello di approfondire le conoscenze sui fenomeni correlati o indotti dall'interazione dei fluidi o dalla loro variazione di concentrazione e pressione all'interno di corpi rocciosi nel sottosuolo. Siti ideali dove studiare questi fenomeni sono le aree geotermiche dove è presente un'attività industriale di sfruttamento (ad esempio l'area geotermica toscana di Larderello-Travale in Italia o The Geysers in USA), in cui le operazioni di estrazione di gas-vapore e/o acque ad elevata temperatura provocano variazioni spazio-temporali di concentrazione dei fluidi all'interno di ciascun giacimento-serbatoio. Questa caratteristica rende tali aree analoghe ad un sito di stoccaggio industriale di fluidi (metano, anidride carbonica, ecc.). Nell'ambito del nostro progetto ci concentreremo principalmente sui fenomeni sismici delle aree di studio, sia essi naturali che indotti da attività industriale. Il secondo obiettivo del progetto è quello di studiare le caratteristiche di deformazione, di emissione naturale di gas e di sismicità di una faglia sismogenetica posta in prossimità di un campo di stoccaggio di fluidi, attuale o futuro. Ad esempio la faglia di Pesaro, come altri vari casi nel mondo, è una faglia che per caratteristiche si può definire sismogenetica (Vannoli et al., 2004). Essa si trova a qualche chilometro di distanza da un sito in cui verrà effettuato lo stoccaggio geologico di anidride carbonica proveniente da centrali elettriche (previa approvazione e finanziamento da parte degli organi europei competenti). Conoscere approfonditamente tutte le caratteristiche di questa faglia come il tasso di deformazione, la sismicità di background e le eventuali emissioni gassose (o di faglie dello stesso tipo e nelle stesse condizioni) prima dell'inizio dello stoccaggio di fluidi, significa avere una base completa di informazioni che consenta di affrontare il successivo monitoraggio durante l'iniezione (sia geochimico che sismologico), con una maggiore probabilità di successo nella valutazione degli effetti dello stoccaggio stesso sui corpi rocciosi coinvolti. Il fine ultimo che il progetto si propone di raggiungere è di comprendere, conosciuto l'assetto geologico-strutturale delle due aree di studio, come i processi riconosciuti mediante l'analoga area geotermica possano intervenire anche in un sito di stoccaggio di anidride carbonica ed in presenza di un'eventuale faglia sismogenetica nelle vicinanze: lo stato di stress sulla superficie di faglia verrebbe modificato come anche le condizioni di attrito statico, innescando sismicità indotta non controllata e/o apertura delle fratture con conseguente tracimazione del fluido stoccato (fenomeno di leakage). La piena risposta a tale quesito avrà delle ricadute molto importanti nell'ambito delle politiche energetiche: aumentare la conoscenza dei rischi e dei danni (microsismicità, subsidenza, frane, ecc.) che si possono potenzialmente provocare durante uno stoccaggio di fluidi nel sottosuolo, può consentire alle industrie energetiche di condurre le loro attività con regimi tali da ridurre significativamente l'impatto sulla popolazione. Inoltre una maggiore conoscenza dei fenomeni legati allo stoccaggio potrebbe nei prossimi decenni spostare le politiche energetiche verso scelte che risultino economicamente e socialmente più convenienti. Dal punto di vista sociale ci sarebbero sicuramente delle ricadute positive per quanto riguarda la salvaguardia delle vite umane e del tessuto sociale che appartiene ai territori di studio. Entrambi i fattori, sia quello energetico che sociale, permetterebbero di raggiungere quella che viene definita la public acceptance, ossia la convinzione e la fiducia dell'opinione pubblica riguardo alle tecniche ed alle politiche di stoccaggio. 1

2 Uno dei problemi maggiori che attualmente devono essere risolti, sia in Italia che nel resto del mondo, riguarda infatti il raggiungimento di un giusto equilibrio tra esigenze energetiche dei vari Paesi e le possibili ricadute sull'ambito sociale ed ambientale: queste esigenze non possono essere trascurate l'una a vantaggio dell'altra essendo oltretutto per alcuni aspetti anche legate tra loro. Questo progetto vuole incrementare la conoscenza delle conseguenze che un processo industriale con elevata valenza dal punto di vista ambientale (soprattutto se si parla di anidride carbonica) o strategico (principalmente se si parla di gas metano) come lo stoccaggio geologico di fluidi può avere in termini di sicurezza industriale. Esso si concentrerà quindi sugli effetti sismici (i.e. la sismicità indotta) e sulla eventuale fuoriuscita di gas dal sottosuolo, entrambi elementi molto dibattuti dall'opinione pubblica. The goal of this project is to increase the knowledge about the effects of fluids interaction or their concentration and pressure variations in rocks. Geothermal areas where an industrial exploitation is running (such as geothermal area of Larderello-Travale in Italy and The Geysers in USA) are the ideal areas where carry out such studies. In fact, the steam and/or high temperature water extraction processes cause changes in spatial-temporal fluids concentration in each reservoir. This feature makes these areas "similar" to an industrial fluids storage site (methane, carbon dioxide, etc.). In this step of the project, we will mainly focus our attention on the seismicity of the area, both from tectonic activity and induced by industrial processes. The other goal of this proposal is to study the deformation rates, the natural gas emissions and the seismic behaviour of a seismogenic fault that is close to a current or future fluid storage site. As an example, the Pesaro fault, as many other cases worldwide, has many seismogenic features (Vannoli et al., 2004). It is located a few miles away from an area where will be held geological storage of carbon dioxide captured from power plants (after the approval and funding by the European authorities). A thoroughly knowledge of the properties of this fault as deformation rate, background seismicity and gas flux of the fault (or other similar faults under the same conditions) before the fluid storage, represents a baseline for the monitoring during the injection (both geochemical and seismological), with a higher probability to evaluate the gas storage effects on the rock volumes involved. The most important scope that the project aims to achieve is to understand, once the geological and structural setting of the two study areas is known, how the processes recognized in the analogue geothermal study-case can occur also within a CO2 storage site where a seismogenic fault eventually takes place: the stress on the fault surface would be modified as the static friction condition, triggering not controlled induced seismicity and pre-existing fractures opening thus causing leakage effects (to be absolutely avoided). A complete answer to that question will have very important consequences in the energy policy context: increasing knowledge of the potential risks and damages (microseismic events, subsidence, landslides, etc..) that could be potentially produced by fluid injection and storage can permit to energy industries to carry out their activities significantly reducing the impact on population health and security. In addition, the comprehension of the storage-associated effects could address the energy policies toward more convenient decisions both economically and socially (as the choice of fossil fuels rather than the atomic fuel). In terms of social care, there would be more benefits concerning human safety and the safeguard of social fabric in the study areas. Both the energy and social points would achieve what is called the "public acceptance" of fluid storage processes and policies. One of the most important challenge worldwide is to achieve a right trade-off between energy requirements from many countries and the environmental and social impact of the power production: these reasons cannot be neglected being in some cases also connected. This project aims to increase the knowledge about the consequences of an industrial process with high value in the environmental (especially referred to carbon dioxide) and strategic point of view (mainly referred to natural gas) as fluid storage can relaps in terms of industrial safety. Then, this project will focus on the seismic effects (i.e. induced seismicity) and on the gas leakage from soil and water. Both arguments are still highly debated bu public opinion and feared by the population. 5 - Parole chiave 1. stoccaggio geologico 2. energia e società 3. sismologia 4. sismicità indotta 5. geochimica dei gas 1. geological storage 2. energy and society 3. seismology 4. induced seismicity 5. gas geochemistry 6 - Settori di ricerca ERC (European Research Council) interessati dal Progetto di Ricerca PE Physical Sciences and Engineering PE10 Earth system science: physical geography, geology, geophysics, atmospheric sciences, oceanography, climatology, ecology, global environmental change, biogeochemical cycles, natural resources management PE10_7 Physics of earth's interior, seismology, volcanology PE10_11 Geochemistry, crystal chemistry, isotope geochemistry, thermodynamics PE10_5 Geology, tectonics, volcanology 7 - Curriculum scientifico del Coordinatore della Ricerca Dati Anagrafici Nome e cognome: Mario Anselmi Data e luogo di nascita: 07/01/1978, Viterbo Studi e formazione: Aprile 2008: Dottorato in Scienze Geologiche XX ciclo presso l'università degli studi di Roma "La Sapienza". Tesi dal titolo: Sismicità e strutture crostali in zone di faglia: l'esperimento Alpago-Cansiglio (Veneto) Luglio 2004: Laurea in Scienze Geologiche presso l'università degli studi di Roma "La Sapienza" con votazione 110/110 e lode. Tesi di Laurea dal titolo:" Struttura crostale profonda della Faglia Alto-Tiberina attraverso l'analisi di tomografia telesismica" Lavoro: dal 6 Aprile 2009 al 31 gennaio 2010: partecipazione all'attività di installazione, manutenzione e controllo di stazioni sismiche stand-alone della Rete Sismica Mobile INGV, elaborazione dati sismologici. da agosto 2007 a dicembre 2010: assegnista presso l'istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia di Roma, Sezione Sismologia e Tettonofisica - Roma 1, resp. 2

3 scient. Dr. Fedora Quattrocchi. Progetti di ricerca sismologici finanziati da Enel S.p.A. per lo studio sismico delle aree dell'alto Lazio, Pianura Veneta e dell'alto-adriatico. da aprile 2005 a giugno 2007: borsista presso l'istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia di Roma, Sezione Centro Nazionale Terremoti, resp. scient. Dr. Claudio Chiarabba. Progetti di ricerca sismologici finanziati dal FIRB-MUR per lo studio sismico di aree di gap sismico in Italia. dal luglio 2004: esperienze professionali di prospezioni geofisiche: tomografia elettrica, prospezioni magnetiche ed elettromagnetiche nel campo dell'archeologia e della ricerca idrica, esperienze nell'ambito della dispersione delle onde superficiali e delle tecniche sia di sismica attiva (MASW e tomografia) che di sismica passiva (REMI e H/V). Pubblicazioni: M.Anselmi, A.Govoni, P. De Gori and C. Chiarabba - Seismicity and velocity structure along the south-alpine thrust front of the Venetian Alps (NE-Italy) - submitted to Tectonophysics C. Chiarabba, A. Amato, M. Anselmi, P. Baccheschi, I. Bianchi, M. Cattaneo, G. Cecere, L. Chiaraluce, M. G. Ciaccio, P. De Gori, G. De Luca, M. Di Bona, R. Di Stefano, L. Faenza, A. Govoni, L. Improta, F. P. Lucente, A. Marchetti, L. Margheriti, F. Mele, A. Michelini, G. Monachesi, M. Moretti, M. Pastori, N. Piana Agostinetti, D. Piccinini, P. Roselli, D. Seccia, and L. Valoroso - The 2009 L'Aquila (central Italy) MW6.3 earthquake: Main shock and aftershocks - Geophysical Research Letters L. Chiaraluce, L. Valoroso, M. Anselmi, S. Bagh, and C. Chiarabba - A decade of passive seismic monitoring experiments in four Italian regions with local networks - Tectonophysics Rapporto Tecnico-Scientifico sulla Sequenza Sismica del Mugello del 1 Marzo Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Roma Name e Surname: Mario Anselmi Date and place of birth: 07/01/1978, Viterbo (Italy) Education: April 2008: Ph. D in Earth Sciences at University of Rome "La Sapienza". Ph.D. Thesis: Sismicità e strutture crostali in zone di faglia: l'esperimento Alpago-Cansiglio (Veneto) July 2004: Degree in Geology at University of Rome "La Sapienza". Degree Thesis:" Struttura crostale profonda della Faglia Alto-Tiberina attraverso l'analisi di tomografia telesismica" Job: April january 2010: field activity and installation, holding and manteinance of stand-alone seismic stations of the mobile seismic network at INGV, seismological data processing. August december 2010: post-doc position at Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) of Rome, department Seismology and Tectonophysics chief Dr. Fedora Quattrocchi. Research seismological projects funded by Enel S.p.A. (electric company) about the seismic studies of the North Latium, Venetian Po Plain and North Adriatic coast. April june 2007: grant at Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia of Rome, department of National Earthquake Center. Chief. Dr. Claudio Chiarabba. Research projects funded by FIRB-MIUR about the seismic studies of the seismic gaps in Italy. since July 2004: professional activity in geophysics exploration: electric tomography, magnetic and electromagnetic explorations in archaeological application and water search, techniques of active seismic exploration (MASW e tomography) and passive seismic exploration (REMI and H/V). Pubblications: M.Anselmi, A.Govoni, P. De Gori and C. Chiarabba - Seismicity and velocity structure along the south-alpine thrust front of the Venetian Alps (NE-Italy) - submitted to Tectonophysics C. Chiarabba, A. Amato, M. Anselmi, P. Baccheschi, I. Bianchi, M. Cattaneo, G. Cecere, L. Chiaraluce, M. G. Ciaccio, P. De Gori, G. De Luca, M. Di Bona, R. Di Stefano, L. Faenza, A. Govoni, L. Improta, F. P. Lucente, A. Marchetti, L. Margheriti, F. Mele, A. Michelini, G. Monachesi, M. Moretti, M. Pastori, N. Piana Agostinetti, D. Piccinini, P. Roselli, D. Seccia, and L. Valoroso - The 2009 L'Aquila (central Italy) MW6.3 earthquake: Main shock and aftershocks - Geophysical Research Letters L. Chiaraluce, L. Valoroso, M. Anselmi, S. Bagh, and C. Chiarabba - A decade of passive seismic monitoring experiments in four Italian regions with local networks - Tectonophysics Rapporto Tecnico-Scientifico sulla Sequenza Sismica del Mugello del 1 Marzo Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Roma 8 - Pubblicazioni scientifiche più significative del Coordinatore della Ricerca nº Pubblicazione Titolo rivista 1. MARIO ANSELMI, A. GOVONI, P. DE GORI AND C. CHIARABBA (2010). Seismicity and velocity structures TECTONOPHYSICS along the south-alpine trust front of the Venetian Alps (NE-Italy). TECTONOPHYSICS, ISSN: L. CHIARALUCE, L. VALOROSO, MARIO ANSELMI, S. BAGH, AND C. CHIARABBA (2009). A decade of passive seismic monitoring experiments in four Italian regions with local networks. TECTONOPHYSICS, vol. 476; p , ISSN: , doi: /j.tecto TECTONOPHYSICS 3. C. CHIARABBA, A. AMATO, MARIO ANSELMI, P. BACCHESCHI, I. BIANCHI, M. CATTANEO, G. CECERE, GEOPHYSICAL RESEARCH L. CHIARALUCE, M. G. CIACCIO, P. DE GORI, G. DE LUCA, M. DI BONA, R. DI STEFANO, L. FAENZA, A. LETTERS GOVONI, L. IMPROTA, F. P. LUCENTE, A. MARCHETTI, L. MARGHERITI, F. MELE, A. MICHELINI, G. MONACHESI, M. MORETTI, M. PASTORI, N. PIANA AGOSTINETTI, D. PICCININI, P. ROSELLI, D. SECCIA, AND L. VALOROSO (2009). The 2009 L'Aquila (central Italy) MW6.3 earthquake: Main shock and aftershocks. GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, vol. 36, ISSN: , doi: /2009GL A. AMATO, A. ANTONIOLI, L. CHIARALUCE, P. DE GORI, R. DI STEFANO, F. DOUMAZ, L.FAENZA, V. LAUCIANI, A. MARCHETTI, F. MELE, A.MICHELINI, M. PIRRO, L. SCOGNAMIGLIO, G.SELVAGGI, L. VALOROSO, S. VINCI, MARIO ANSELMI, V. DE RUBEIS, D. PICCININI, P. SBARRA, E. TINTI, P. TOSI, A. FIASCHI (2008). La sequenza sismica nell'appennino tosco-emiliano dell'1 e 2 marzo

4 9 - Elenco delle Unità di Ricerca (UR) nº Responsabile scientifico Qualifica Istituzione Dip/Ist/Div/Sez Mesi/Persona 1. ANSELMI Mario Dottore di ricerca Istituto Nazionale Geofisica e Vulcanologia 93, Breve descrizione della Ricerca Uno dei due principali obiettivi della ricerca è quello di approfondire le conoscenze riguardo ai fenomeni correlati e/o indotti dall'interazione dei fluidi o dalla loro variazione di concentrazione e pressione all'interno di corpi rocciosi nel sottosuolo. Sulla base di tale obiettivo si è deciso di puntare l'attenzione su delle aree che, per una serie di caratteristiche peculiari, potessero essere assimilate ad aree industriali di stoccaggio di fluidi. Aree con queste particolari caratteristiche sono quelle geotermiche; in esse è presente un'attività di sfruttamento in cui le operazioni di estrazione di gas-vapore e/o acque ad elevata temperatura provocano variazioni spazio-temporali di concentrazione dei fluidi all'interno dei giacimenti. Per questo motivo l'idea del nostro progetto di osservare ed approfondire gli studi sui fenomeni sismici, geologici e geochimici naturali ed indotti da attività industriale, ci porta ad avere una notevole motivazione, dovuta anche al fatto che avere laboratori pressoché naturali e già fruibili dal punto di vista infrastrutturale è una golosa occasione per ottenere buoni risultati e rendere l'impatto della ricerca, soprattutto relativamente ai costi, molto più contenuto. A questo obiettivo si aggiunge quello relativo allo studio le caratteristiche di deformazione, di emissione naturale di gas e di sismicità di una faglia sismogenetica nota (come ad esempio la faglia di Pesaro). Essa viene presa come un caso similare e di studio ottimale perché 1) è una faglia che per caratteristiche si può definire sismogenetica; 2) si trova a brevissima distanza da un possibile sito di stoccaggio geologico di anidride carbonica (tra l'altro già approvato e finanziato da parte degli organi europei). Pertanto la conoscenza approfondita delle caratteristiche di questa faglia (tasso di deformazione, sismicità di fondo e livelli di emissioni gassose prima dell'inizio dello stoccaggio di fluidi, significherebbe avere un insieme completo di informazioni che consentirebbe di affrontare il successivo monitoraggio durante l'iniezione (sia geochimico che sismologico), con una maggiore probabilità di valutare al meglio gli effetti dello stoccaggio stesso sui corpi rocciosi coinvolti. Il fine che il progetto si propone di raggiungere è di comprendere come i processi riconosciuti nell'area geotermica analoga possano intervenire anche in un sito di stoccaggio di anidride carbonica ed in presenza di un'eventuale faglia sismogenetica nelle vicinanze. La risposta a tale quesito avrà importanti ricadute nell'ambito delle politiche di carattere energetico: aumentare la conoscenza degli eventuali rischi e danni (microsismicità, subsidenza, frane, ecc.) che si possono potenzialmente provocare durante uno stoccaggio di fluidi nel sottosuolo, può consentire alle industrie energetiche di condurre le loro attività in modo tale da ridurre significativamente tutti i rischi. Inoltre una maggiore conoscenza dei fenomeni legati allo stoccaggio potrebbe nei prossimi decenni spostare le politiche energetiche verso scelte che risultino economicamente e socialmente più convenienti. Infine, considerando anche il possibile impatto del progetto dal punto di vista sociale, ci sarebbero sicuramente delle ricadute positive per quanto riguarda la salvaguardia delle vite umane e del tessuto sociale che appartiene ai territori di studio. Entrambi i fattori, sia quello energetico che sociale, permetterebbero di raggiungere la fiducia dell'opinione pubblica riguardo alle tecniche ed alle politiche di stoccaggio. Questo progetto tenterà di incrementare la conoscenza delle conseguenze che un processo industriale con elevata valenza dal punto di vista ambientale e strategico come lo stoccaggio geologico di fluidi potrà avere in termini di sicurezza sia sociale, che economica e industriale. The goal of this project is the increasing of the knowledge about the effects of fluids interaction or their concentration and pressure variations in rock bodies. For this purpose the idea is to focus the attention on areas having similar characters with the geological storage sites. Geothermal areas have most of the characters to be analogous to storage sites. In these areas the steam and/or high temperature water extraction processes cause changes in spatial-temporal fluids concentration in each reservoir. This reason provides the strong motivation studying and increasing knowledge on the seismic, geological and geochemical behavior of these sites. In fact, these natural study laboratories, already easy accessible from the technical and logistic point of view yet, represent an awesome chance to obtain encouraging results and to reduce the costs of the research project. The other goal is the study of the deformation rates, natural gas emissions and the seismic behavior of a seismogenic fault close to a current or future fluid storage site. Pesaro Fault is the ideal analogous case site because 1) has a lot of seismogenic characters; 2) is located a few miles away from an area where will be held geological storage of carbon dioxide captured from power plants (after the approval and funding by the EC committee). A detailed knowledge of this fault properties (deformation rate, background seismicity and gas flux) before the fluid storage represents a baseline for the monitoring during the injection (both geochemical and seismological), with a higher probability to evaluate the gas storage effects on the rock volumes involved. The most important scope the project aims to achieve is to understand how the processes recognized in an analogous geothermal study-case can occur within a CO2 storage site close to a seismogenic fault. An appropriate answer to that question will have very important consequences in the energy policy context: increasing knowledge of the potential risks and damages (microseismic events, subsidence, landslides, etc..) that could be potentially produced by fluid injection and storage, could permit to energy industries to carry out their activities significantly reducing the impact on population health and security. In addition, the comprehension of the storage-associated effects could address the energy policies toward more convenient both economical and social decisions. In terms of social care, there would be more benefits concerning human safety and the safeguard of social fabric in the study areas. Both the energy and social points would achieve what is called the "public acceptance" of fluid storage processes and policies. This project attempt to increase the knowledge about the consequences of an industrial process (geological storage) with high value from both the environmental and strategic points of view and its relapse in terms of social, economic and industrial safety Stato dell'arte e riferimenti bibliografici In letteratura sono presenti lavori che mettono in relazione le attività antropiche, come le operazioni di estrazioni di liquidi dal sottosuolo, con la sismicità presente nella stessa area. Le variazioni di pressione interstiziale dei fluidi all'interno delle rocce, dovuta all'estrazione degli stessi, possono riattivare improvvisamente delle faglie preesistenti nelle vicinanze dei pozzi dove avvengono le operazioni di estrazione. Si riportano di seguito alcuni dei più significativi esempi risultanti dall'attività scientifica internazionale. Il caso di Denver Uno dei primi e più interessanti esempi di sismicità collegata a iniezione di fluidi fu osservato presso Denver, nel Colorado (Healy et al., 1968). Allo scopo di eliminare residui inquinanti provenienti da una centrale nucleare, tali fluidi sono stati iniettati sotto alta pressione a una profondità di 3.7 km. Breve tempo dopo l'inizio della iniezione, nella zona di Denver, un'area dove precedentemente era stata osservata scarsa attività sismica, sono stati avvertiti terremoti. La sismicità si è concentrata inizialmente presso il fondo del pozzo di iniezione, ma successivamente si è estesa per circa 8 km in direzione lineare. La sua distribuzione temporale si è mostrata fortemente correlata con la quantità di fluido iniettata mensilmente. Le soluzioni dei meccanismi focali degli eventi più energetici si presentavano come faglie normali. Di particolare rilievo, si può notare il fatto che il terremoto di magnitudo maggiore (M=4.8) si è verificato ad oltre un anno di distanza dal momento in cui erano cessate le operazioni di iniezione (Hermann et al., 1981). Il caso di Nojima Un altro caso interessante è quello della faglia di Nojima, in Giappone, cui è legato il terremoto di Kobe (1995) di M 7.2 del 17 gennaio 1995 (Tadokoro et al., 2000). Circa un mese dopo il terremoto, grazie ad un programma di perforazione chiamato Nojima Fault Zone Probe, fu iniettata acqua per mezzo di un pozzo alle profondità di 1480 e 1670 m. Dopo qualche giorno dall'inizio dell'iniezione l'attività sismica locale iniziò ad aumentare producendo dei cluster di sismicità di magnitudo compresa tra -2 e 1. Tale sismicità si distribuiva ad una distanza di circa 3-4 km dal punto di iniezione, ad una profondità di 2-4 km ed inoltre migrava con una velocità compresa tra i 2 e i 40 m/h, valori compatibili con le velocità di diffusione dei fluidi iniettati. Durante l'esperimento si crearono 20 differenti cluster di sismicità; l'utilizzo di tecniche di cross-correlazione spettrale ha permesso di discernere i terremoti indotti dall'iniezione dei fluidi da quelli non indotti. Il caso del German Deep Drilling Site Nell'area del German Deep Drilling Site (KTB) è stata praticata una attività di estrazione per la durata di circa 1 anno ( ) ed a tale attività è seguita una altrettanto lunga fase di iniezione di fluidi ( ) (Shapiro et al, 2006). In questo esperimento è stato riscontrato come solo gli aumenti positivi della pressione 4

5 di poro delle rocce (e quindi la sola iniezione) causino sismicità. Oltretutto è stato notato come l'inizio della comparsa della sismicità coincida con la compensazione, da parte dei fluidi iniettati, del volume dei fluidi estratti precedentemente; tale fenomeno dimostra come la diffusione della pressione sia un meccanismo dominante nella sismicità dovuta ad iniezione di fluidi. Il caso di Renqiu Nel 1975 è iniziato lo sfruttamento industriale del campo petrolifero di Renqiu (Cina) mentre l'iniezione d'acqua in pozzi a m di profondità ha avuto inizio nel luglio 1976, allo scopo di stimolare la produzione di petrolio. Nel mese di dicembre dello stesso anno ha avuto inizio un'attività sismica che si è protratta nel tempo per oltre 17 anni; alcuni eventi hanno raggiunto magnitudo 4.5. La relazione di causa ed effetto fra iniezione e terremoti è stata esaurientemente dimostrata dalla stretta correlazione temporale e da un esperimento in cui fu sospesa l'iniezione di acqua per circa tre mesi (Zhao et al., 1995). E' stato notato che la sismicità non si distribuiva uniformemente nel campo petrolifero, ma tendeva a concentrarsi soprattutto nella zona settentrionale, dove le formazioni rocciose del bacino sono caratterizzare da bassa porosità e permeabilità. Al contrario nella zona meridionale del bacino, dove si trovano formazioni ad alta porosità e permeabilità, è stata osservata soltanto una debole sismicità. Esperimento di Matsushiro In Giappone, la zona di Matsushiro è una delle zone sismicamente più attive. A scopo di studio, tra gennaio e febbraio del 1970 furono eseguite delle iniezioni di acqua in un pozzo profondo 1800m, vicino a quella che era la faglia associata alla sequenza sismica che a partire dall'agosto del 1965 aveva interessato la zona. Il processo di iniezione è stato suddiviso in tre stadi ed ogni volta l'iniezione durava alcuni giorni. Successivamente all'iniezione è stato osservato un improvviso aumento della sismicità giornaliera (Ohtake,1974) e gli ipocentri rilocalizzati risultarono distribuirsi lungo un piano inclinato, probabilmente coincidente con la faglia responsabile del precedente terremoto di Matsushiro. Sempre durante l'esperimento di iniezione i terremoti migravano nel tempo da zone superficiali a zone più profonde. Tale correlazione spaziale e temporale viene giustificata con l'ipotesi che l'acqua iniettata si infiltri attraverso la faglia in questione e ne inneschi di nuovo l'attività. Si ritiene che l'aumento della pressione interstiziale riduca la resistenza della roccia con conseguente rilascio prematuro della deformazione elastica di origine tettonica. Bibliografia Healy J.H., Rubey W.W., Griggs D.T. and Raleigh C.B. "The Denver earthquakes", 1968, Science, 161, Hermann R. B., Park S.K. and Wang C.Y. "The Denver earthquakes of ",1981, Bull. Seism. Soc. Am, 71, Ohtake, M.,"Seismic activity induced by water injection at Matsushiro,Japen", 1974, J. Phys.Earth, 22, Shapiro S. A., Kummerow J., Dinske C., Asch G., Rothert E., Erzinger J., Kümpel H.-J. and Kind R., "Fluid induced seismicity guided by a continental fault: Injection experiment of 2004/2005 at the German Deep Drilling Site (KTB)", 2006, Geophysical Research Letters, Vol. 33, L01309, doi: /2005gl Tadokoro K. and Ando M. "Induced earthquakes accompanying the water injections experiment at the Nojima Fault zone, Japan: Seismicity and its migration", Journal of Geophysical Research, Vol. 105, NO. B3, Pages , March 10, Zhao G., Chen H., Ma S. and Zhang D., "Research on earthquakes induced by water injection in China", 1995 P. and Appl. Geoph., 145, In scientific literature a lot of papers highlight the relations between industrial activities, as the fluids extraction from the underground, and seismicity of the surrounding areas. Fluids pressure changes in rock bodies might suddenly reactivate the preexisting faults located close to the mining areas. The following cases are some of the most significant examples resulting from the international scientific. The case of Denver One of the first interesting case of earthquake triggering due to high-pressure injection of fluids into host rock has been observed near Denver, Colorado (Healy et al., 1968). In order to eliminate polluting waste fluids from a nuclear power plant, these residuals were injected under high pressure at depth of 3.7 km. Soon after injection began, in Denver area, where before not much seismic activity had been recorded, some earthquakes were detected. At the beginning seismicity activity occurred near the bottom of the injection well, but then it spread out for about 8 km in a linear direction. The temporal distribution of seismicity has shown a strong correlation with the quantity of fluid injected in each month. Focal mechanism solutions of the largest events were solved as normal faults. It's worth noting the event with the highest magnitude (M=4.8) occurred one year after the end of injection operations (Hermann et al., 1981). The case of Nojima Another interesting case is the Nojima fault, Japan, which is linked to the earthquake in Kobe (1995) M 7.2, 17 January 1995 (Tadokoro et al., 2000). Almost a month after the earthquake, thanks to a program called drilling Nojima Fault Zone Probe, water was injected through a well at depths of 1480 and 1670 m. A few days after injection, the local seismic activity increases with the triggering of earthquakes clusters with magnitude between -2 and 1. This seismicity was spread at a distance of about 3-4 km from the injection point, at a depth of 2-4 km and also migrated at a rate from 2 up to 40 m/h. Those values were considered compatible with the injected fluids diffusion rate. During the experiment, 20 different clusters of seismic activity were triggered. Using cross-spectral correlation analysis it was possible to distinguish the fluid injection induced earthquakes from the non-induced ones. The case of German Deep Drilling Site A mining project was conducted for about one year ( ) in the German Deep Drilling Site (KTB). This was followed by another year of fluids injection ( ) ). (Shapiro et al, 2006.) This experiment has pointed out that only positive increases of pore pressure (and then the only injection) causes seismic triggering. Furthermore, it is clear the beginning of seismic triggering corresponds to the compensation of the fluid volumes previously extracted by injected fluids. This phenomenon shows how pressure spreading should be considered as a dominant mechanism in triggered seismicity produced by fluids injection. The case of Renqiu Oil exploitation from the Renqiu oil field began in 1975 and the water injection at a depth of about m began in July 1976 in order to increase the wells productivity. From December 1976 to 1994 many earthquakes were recorded and some of them reached up to magnitude 4.5. Cause and effect relationships between water injection and earthquake activity was demonstrated by the strong temporal correlation and by an experiment where the water injection was interrupted almost for three months (Zhao et al, 1995). The earthquakes induced by water injection are very unevenly distributed in the oil field. The northern part of the field, where the reservoir rocks are characterized by low porosity and permeability, exhibits high seismic activity. On the other hand, the southern part with high porosity and permeability is characterized by low microseismic activity. Experiment of Matsushiro (Japan) Matsushiro region is one of the most active seismic zones in Japan. For the purpose of examining whether earthquakes could be induced by increase of pore water pressure, a water pumping into a well 1800 m deep, near the fault related to the seismic sequence of 1965, was carried out from January to February The water, amounting 2883 m3, was pumped in three different periods and each time the injection lasted for some days. An abrupt increases in a daily number of microseismic events after injections was observed with time lags of few days; the lag shows a tendency to become shorter with respect to time (Ohtake, 1974). An earthquake with magnitude 2.8 was the largest shock that occurred in the area of water injection during the observed period. The hypocenters, located at a distance from the well between 2 and 4 km, were distributed along a dipping plane that most probably coincides with the Matsushiro earthquake fault. During the injection, the earthquakes were migrated from shallow part to the deeper with respect the time. Those time and space correlation between the water injection and the seismic activity are consistently explained by that a part of the supplied water was permeated through the Matsushiro earthquake fault and triggered the activity. The increasing in pore water pressure has reduced the rocks strength and has favoured the premature release of tectonic elastic strain (as in the case of Denver earthquakes). The focal mechanism analysis has showed that the earthquakes under the effect of the water injection were generated by the stress already present in the area. These mechanisms are in good agreement with those of shallow earthquakes that had occurred in the northern part of central Japan in the past. 5

6 References Healy J.H., Rubey W.W., Griggs D.T. and Raleigh C.B. "The Denver earthquakes", 1968, Science, 161, Hermann R. B., Park S.K. and Wang C.Y. "The Denver earthquakes of ",1981, Bull. Seism. Soc. Am, 71, Ohtake, M.,"Seismic activity induced by water injection at Matsushiro,Japen", 1974, J. Phys.Earth, 22, Shapiro S. A., Kummerow J., Dinske C., Asch G., Rothert E., Erzinger J., Kümpel H.-J. and Kind R., "Fluid induced seismicity guided by a continental fault: Injection experiment of 2004/2005 at the German Deep Drilling Site (KTB)", 2006,Geophysical Research Letters, Vol. 33, L01309, doi: /2005gl Tadokoro K. and Ando M. "Induced earthquakes accompanying the water injections experiment at the Nojima Fault zone, Japan: Seismicity and its migration", Journal of Geophysical Research, Vol. 105, NO. B3, Pages , March 10, Zhao G., Chen H., Ma S. and Zhang D., "Research on earthquakes induced by water injection in China", 1995 P. and Appl. Geoph., 145, Ruolo di ciascuna unità operativa in funzione degli obiettivi previsti e relative modalità di integrazione e collaborazione Nel progetto sono state considerate quattro diverse unità operative (o gruppi);il personale dell'intera unità di ricerca è stato inserito all'interno di uno o più gruppi a seconda delle proprie capacità ed esperienze. L'unità operativa 1 è essenzialmente dedicata alle operazioni di campagna per quanto riguarda l'acquisizione dati sismologici. In base a tali necessità tale unità avrà il compito dell' installazione degli strumenti sismici nei siti di studio, della loro manutenzione e dell'eventuale miglioramento, nonché della gestione e della raccolta dei dati acquisiti. La seconda e terza unità si occuperanno dell'analisi dei dati sismologici raccolti durante la campagna di acquisizione dall'unità 1. L'unità 2 si occuperà della localizzazione, con elevato livello di accuratezza, dei terremoti rilevati dalle reti di acquisizione. La stessa unità si occuperà della ricostruzione di modelli geologici in base alle loro caratteristiche di velocità e di attenuazione delle onde P ed S attraverso l'analisi di tomografia sismica. Le suddette tecniche tomografiche verranno applicate avvalendosi di dati registrati, nell'ambito del progetto proposto, in periodi diversi. Ciò permette di evidenziare l'evoluzione temporale di quei fattori che determinano i cambiamenti temporanei delle proprietà fisiche delle rocce (Chiarabba et al., 2009). Parallelamente all'attività dell'unità 2, l'unità 3 si occuperà dello studio della sismicità indotta dall'iniezione di fluidi, sia osservandone le variazioni spazio-temporali che analizzando i parametri di sorgente e determinando l'entità della componente doppia-coppia e di quella volumetrica nei meccanismi focali (Foulger et al., 2004, Vavryčuk et al., 2008). Al fine di determinare l'orientazione dei campi di fratturazione prevalenti e di riconoscerne eventuali variazioni temporali, verrà condotto uno studio della polarizzazione del moto del suolo sia sugli eventi sismici registrati che sul rumore ambientale (Rigano et al., 2008, Di Giulio et al. 2009, Pischiutta 2010). I risultati raggiunti dalle Unità 2 e 3 saranno analizzati nuovamente nel loro insieme con l'obiettivo di definire dettagliatamente le strutture geologiche presenti nella zona ed il loro rapporto con la sismicità presente e con l'attività industriale. Le attività dell'unità 4, totalmente indipendenti da quelle delle altre unità sia per quanto riguarda i tempi che le condizioni logistiche, saranno dedicate alle misure di flusso di gas nei suoli e delle concentrazioni di quelli disciolti nelle acque di falda. Tale studio, insieme alle analisi di laboratorio successive, permetterà di ottenere delle mappe dettagliate dei flussi di gas che provengono dal suolo e dal sottosuolo in quell'area. Le informazioni derivanti da tale studio potranno diventare molto importanti nel caso di monitoraggio di gas durante lo stoccaggio di fluidi. Esse potranno essere prese per fare un confronto tra la situazione contemporanea allo stoccaggio e quella precedente. Di seguito vengono riportati tutti i membri dell'unità di Ricerca, con la descrizione delle proprie esperienze e della loro formazione. Alessandro Amato è un geologo con un dottorato in Geofisica. Dopo una borsa di studio presso l'us Geological Survey di Menlo Park (California), ha iniziato la sua carriera presso l' ING (INGV recentemente) nel 1988, dove è attualmente direttore di ricerca. Dal 2001 al 2007 è stato responsabile del Centro Nazionale Terremoti, gestione delle reti sismiche e GPS dell'ingv, il Telerilevamento e il progetto Sismos. I suoi interessi scientifici includono la sismotettonica d'italia e del Mediterraneo, la tomografia sismica, la sismicità legata ai fenomeni vulcanici. E 'stato capo progetto di progetti nazionali ed internazionali ed è autore di numerose pubblicazioni su riviste internazionali. Davide Piccinini si è laureato nel 1996 in Scienze Geologiche presso l'università di Camerino ed è attualmente ricercatore presso l'istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia. Si occupa di sismologia, tecniche di localizzazione ipocentrale e calcolo dei parametri focali; stima dell'anisotropia sismica crostale, dei parametri di attenuazione crostale e di studio della distribuzione della deformazione e delle sue relazioni con il campo di sforzi. E'autore di 18 pubblicazioni su riviste internazionali. Marta Pischiutta si è laureata in Scienze Geologiche presso l'università Roma Tre nel 2005 ed ha conseguito il Ph.D. presso l'università di Bologna Alma Mater Studiorum. Attualmente è Assegnista di Ricerca presso l'istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) nell'unità Funzionale Geochimica dei fluidi, Stoccaggio geologico e Geotermia. Antonio Rovelli si è laureato in Fisica presso l'università di Roma La Sapienza l'11 Ottobre Attualmente è Dirigente di Ricerca presso l'istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) ed è responsabile dell'unità Funzionale Modelli di Scuotimento e Pericolosità Sismica, Sezione INGV di Roma Sismologia e Tettonofisica. Autore di più di 70 pubblicazioni su riviste internazionali. Gianfranco Galli si è laureato in Ingegneria Nucleare discutendo la tesi Misura della concentrazione di radon indoor con collettori a barriera di diffusione. Dottore di Ricerca in Ingegneria Chimica dell'ambiente e della Sicurezza. Ha svolto attività presso il Dip. di Ing. Nucleare e Conversioni di Energia dell'univ. di Roma La Sapienza, il Centro Ricerche della Casaccia, il Dip. di Matematica e Fisica dell'univ. di Sassari e il Laboratorio Central de Pesquisa e Desenvolvimento del Centro Politecnico dell'univ. Federale del Paranà nel campo di misure e sensoristica in ambito nucleare. Dal 1999 all'ingv, impegnato nella progettazione, assemblaggio e gestione di sensori e stazioni di monitoraggio geochimico discreto e in continuo. Referente per la Sez. di Roma del TTC Sorveglianza Geochimica dei Vulcani Attivi. Responsabile del Lab. Radionuclidi presso la Sez. di Roma dell'ingv Luca Pizzino è un ricercatore dell'istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia e svolge la sua prevalente attività di ricerca nel campo della geochimica dei fluidi (acque e gas). In particolare, si occupa di: i) studi areali sulle acque di sottosuolo (pozzi e sorgenti) e di superficie (fiumi, laghi) in aree sismiche e vulcaniche per determinare i principali processi di interazione gas-acqua-roccia e ricostruire la circolazione profonda dei fluidi tramite analisi chimiche, isotopiche e dei gas disciolti; ii) identificare aree anomale di risalite di fluidi profondi mettendole in relazione con le strutture tettoniche esistenti (faglie, sistemi di fratture); iii) studio, valutazione e quantificazione del Natural Gas Hazard (emissioni gassose naturali) in aree sismiche e vulcaniche densamente popolate, effettuando campionamenti di radon, H2S e CO2 indoor per definire i livelli medi di concentrazione e la conseguente ricaduta sanitaria sulla popolazione, riferendosi all'attuale legislazione vigente. Fedora Quattrocchi si è laureata in Scienze Geologiche nel 1988 presso l'università di Roma La Sapienza. E' attualmente dirigente tecnologo e responsabile di Unità Funzionale di Geochimica dei Fluidi presso l'istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia di Roma. E' autrice di oltre 150 pubblicazioni su riviste nazionali ed internazionali. Alessandra Sciarra si è laureata in Scienze Geologiche nell' Anno Accademico 1997/98 presso l'università degli Studi di Roma La Sapienza. Attualmente ricopre la posizione di ricercatore a tempo determinato presso l'istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia. Si occupa di ricerca in campo geochimico (prospezione dei gas del suolo e campionamento delle acque sorgive), analisi di laboratorio, elaborazione dei dati e costruzione di mappe tematiche. Bibliografia 6

7 Chiarabba C., Pasquale De Gori, and Enzo Boschi (2009) - Pore-pressure migration along a normal-fault system resolved by time-repeated seismic tomography - Geology, Jan 2009; 37: Di Giulio, G., Cara, F., Rovelli, A., Lombardo, G., Rigano, R. (2009). Evidences for strong directional resonances in intensely deformed zones of the Pernicana fault, Mount Etna, Italy. J.Geophys. Res., 114, doi: /2009jb Falsaperla, S., Cara, F., Rovelli,A., Neri, M., Behncke, B., Acocella, V. (2010). Effects of the 1989 fracture system in the dynamics of the upper SE flank of Etna revealed by volcanic tremor data: The missing link?, J. Geophys. Res., 115, B11306, doi: /2010jb Foulger, G.R., Julian, B.R., Hill, D.P., Pitt,A.M., Malin, P., Shalev, E. (2004). Non-double-couple microearthquakes at Long Valley Caldera provide evidence for hydraulic fracturing, J. Volc. Geotherm. Res., 132, Pischiutta, M. (2009). The polarization of horizontal ground motion: an analysis of possible causes. PhD Thesis, Università Alma Mater Studiorum Bologna. Pischiutta, M., Rovelli, A., Fletcher, J.B., Salvini, F., Ben Zion, Y. (2010). Study of gound motion polarization in fault zones: a relation with brittle deformation fields? AGU fall meeting Rigano, R., Cara, F., Lombardo, G., Rovelli, A. (2008). Evidence for ground motion polarization on fault zones of Mount Etna volcano. J. Geophys. Res., 113, B10306, doi: /2007jb Vavryčuk, V., Bohnhoff, M., Jechumtálováa, Z., Kolářa, P., Šílenýa, J. (2008).Non-double-couple mechanisms of microearthquakes induced during the 2000 injection experiment at the KTB site, Germany: A result of tensile faulting or anisotropy of a rock?. Tectonophysics, 456, In this project we plan four working units (or groups); each member of the staff involved in the research unit was distributed in one or more working groups, according to their research skills and experiences. The working unit 1 is devoted to the field activity regarding seismological data acquisition. For this purpose, it will manage the instrumental installation and its maintenance and upgrade, nevertheless the management of the acquired data. The units 2 and 3 are involved in seismic data analysis acquired by Unit 1. Unit 2 is responsibly for the high quality location of the earthquakes recorded by the seismic experiment. It also involved in 3-D seismic tomography imaging, using P and S-wave velocity and attenuation properties of rock bodies. In case of a high daily-rate of the earthquakes, the P and S-wave tomography will be applied using time-dependent data acquired in different time during the experiment. It will highlights the time-dependent evolution of the rock properties (Chiarabba et al., 2009). During the same time, Units 2 and 3 will focus their attention on the study of seismicity induced by fluid and observe the changes in space and time. For this purpose, they will study the source parameters determining the double-couple and the volumetric components in the focal mechanisms solutions(foulger et al., 2004, Vavryčuk et al., 2008). It will perform a ground motion polarization study from the seismic signals (Rigano et al., 2008, Di Giulio et al. 2009, Pischiutta 2010) in order to determine the orientation of the fracture patterns and recognize any changes in time. The results achieved by the Unit 2 and 3 will be compared in detail to better constrain the geological structures in the area and their relationship with the seismicity and the industrial activity. The activities of unit 4 are not related with the activities of the other units (both in time and in logistic conditions). It will be devoted to the measurements of the gas flow into the soils and the measurements of the gas concentrations dissolved in groundwater. This study, together with subsequent laboratory analysis, will be collected in detailed maps of flows rising up from soils and groundwater. Information carried out by this study will be very important in case of gas monitoring during the fluids storage. They could allow to compare the behavior during and before the storage activity. In the following are described experiences and skills of each member of the Research Unit. Alessandro Amato is a geologist with a PhD in Geophysics. After a grant at the US Geological Survey in Menlo Park (California), he started his carrier at the ING (INGV lately) in 1988, where he is now Research Director. From 2001 to 2007 he was in charge of the National Earthquake Center, managing the seismic and GPS networks of INGV, the Remote Sensing Lab, and the Sismos project. His scientific interests include seismotectonics of Italy and the Mediterranean, seismic tomography, volcano-seismicity. He was project leader of national and international projects and is author of many papers on international journals. Gianfranco Galli graduated in Nuclear Engineering thesis entitled "Measurement of the concentration of indoor radon collectors with a diffusion barrier." Ph.D. in Chemical Engineering for Environment and Security. He has worked at the Dept. of Nuclear Engineering and Energy Conversion, Univ. of Rome "La Sapienza", Enea, Dept. of Mathematics and Physics, Univ. of Sassari and the Central Laboratory of the Centro de Pesquisa e Desenvolvimento Polytechnic Univ. Federal of Parana in the field of sensors and measures in the nuclear field. Since 1999, INGV, engaged in the design, assembly and operation of sensors and monitoring geochemical discrete and continuous stations. Referring to Sec. Geochemistry of Rome TTC surveillance of active volcanoes. Head of Radionuclide Lab at INGV Rome. Davide Piccinini graduated in 1996 in Geology at the University of Camerino, and is currently a researcher at the National Institute of Geophysics and Volcanology. He deals with seismology, hypocentral location techniques and computation of focal parameters, crustal seismic anisotropy estimation, crustal attenuation parameters and study the distribution of deformation and its relationship with the field efforts. He is the author of 18 publications in international journals. Marta Pischiutta has a degree in Geology at University of Rome Roma Tre in 2005 and a Ph.D. in Geophysics at University of Bologna Alma Mater Studiorum in She has currently a post-doc position at the Fluids Geochemistry department at the National Institute of Geophysics and Volcanology (INGV) in Rome. Luca Pizzino is a researcher at the National Institute of Geophysics and Volcanology and performs his research in the fluids geochemistry (water and gas). In particular, he deals with: i) studies on the distribution areas of underground water (wells and springs) and surface water (rivers, lakes) in seismic and volcanic areas to determine the main processes of gas-water-rock interaction and to reconstruct the deep circulation fluids through chemical analysis of dissolved gases ii) to identify abnormal areas of rising deep fluid and relating them with the existing tectonic structures (faults, fracture systems), iii) study, evaluation and quantification of the Natural Gas Hazard ( emissions from natural gas) in densely populated seismic and volcanic areas, making sampling of radon, H2S and CO2 in order to define the average indoor concentration and the resulting fallout on the population health, referring to the current legislation. Fedora Quattrocchi has a degree in Geology in 1988 at the University of Rome "La Sapienza". She is currently a Technologist Director and a board director in charge for the Fluids Geochemistry department at the National Institute of Geophysics and Volcanology (INGV) in Rome. She is author of over 150 publications in italian and international journals. Antonio Rovelli has a degree in Physics at the University of Rome "La Sapienza" on October 11, He is currently Research Director at the National Institute of Geophysics and Volcanology (INGV) and he is in charge for the task unit "Shaking and Seismic Hazard Models," INGV department of Rome "Seismology and Tectonophysics. Author of more than 70 publications in international journals. Alessandra Sciarra has a degree in geology in the year 1997/1998 at the University of Rome "La Sapienza". Currently he is a researcher with no permanent position at the National Institute of Geophysics and Volcanology (INGV). Her research interests are in the geochemistry field (soil gas exploration and spring water sampling), laboratory analysis, data processing and thematic maps drawing. 7

8 13 - Obiettivi finali che il progetto si propone di raggiungere L'obiettivo finale che il progetto si propone di raggiungere è quello di comprendere quali siano i possibili processi di interazione tra siti di stoccaggio di fluidi e faglie sismogenetiche presenti nelle loro vicinanze. Nonostante in letteratura vi siano numerosi casi di studio in cui vengono monitorati i processi industriali di stoccaggio e le loro conseguenze dal punto di vista sismico (Healy et al. 1968; Tadokoro et al.,2000; Shapiro et al.,2006 e altri numerosi casi), tuttavia essi mettono in luce come, in ciascun contesto geologico e tettonico peculiare, si osservino dei comportamenti abbastanza diversi. Per questo motivo appare necessario affrontare uno studio di ricerca integrato che porti a contestualizzare, per ogni determinato assetto geologico e tettonico, tutte le eventuali problematiche potenzialmente incontrabili. Il territorio italiano rappresenta un laboratorio geologico tra i più vari nel mondo, soprattutto se si tiene conto della sua limitata estensione; molto spesso, infatti, si trovano a brevi distanze tra loro contesti geologici completamente differenti. Per questa ragione diventa necessario contestualizzare il problema del sito di stoccaggio all'interno del panorama geologico specifico nel quale si andrà ad inserire. In Italia le attività di stoccaggio di fluidi, sia per quanto riguarda interessi ambientali che industriali-strategici, sono ancora agli albori. Nella Pianura Padana (Cortemaggiore) esiste un primo impianto pilota di stoccaggio geologico di anidride carbonica, gestito dalla società Stogit-ENI e tenuto sotto stretto monitoraggio sismico e geochimico, rispettivamente, dai competenti dipartimenti INGV di Milano e di Roma. Per il resto esiste solo una serie di studi di fattibilità riguardanti la caratterizzazione sia sismica, geologica che geochimica delle aree di Porto Tolle in Veneto (progetto finanziato dalla Comunità Europea). Nonostante ciò non esistono ancora degli studi in grado di capire attentamente tutti i meccanismi che si possono instaurare all'interno di un analogo di un sito di stoccaggio e le influenze che esso possa esercitare su faglie sismogenetiche presenti nelle vicinanze. Pertanto il principale obiettivo è quello di riempire questo vuoto, studiando delle aree analoghe a siti di stoccaggio (principalmente aree geotermiche, presenti sul territorio italiano o all'estero) e contestualizzandole costruendo un modello geologico, sismico e geochimico in grado di relazionare in maniera realistica il sito di iniezione con uno caratterizzato da faglie attive. Bibliografia Healy J.H., Rubey W.W., Griggs D.T. and Raleigh C.B. "The Denver earthquakes", 1968, Science, 161, Shapiro S. A., Kummerow J., Dinske C., Asch G., Rothert E., Erzinger J., Kümpel H.-J. and Kind R., "Fluid induced seismicity guided by a continental fault: Injection experiment of 2004/2005 at the German Deep Drilling Site (KTB)", 2006, Geophysical Research Letters, Vol. 33, L01309, doi: /2005gl Tadokoro K. and Ando M. "Induced earthquakes accompanying the water injections experiment at the Nojima Fault zone, Japan: Seismicity and its migration", Journal of Geophysical Research, Vol. 105, NO. B3, Pages , March 10, The most important goal that project aims to achieve is the understanding of the possible interaction processes between storage sites and the seismogenic faults close to them. In literature there are a lot of case studies dealing the monitoring of industrial fluid storage activities and their consequences in terms of seismic behavior (Healy et al. 1968; Tadokoro et al., 2000, Shapiro et al., 2006 and many other cases). Nevertheless they highlight different behaviors observed in each tectonic and geological context. Thus is required an integrated research study aims to forecast, for any given geological and tectonic context, all the issues potentially found. The italian territory is one of the most various geological laboratory in the world, especially if taking into account its limited dimensions. Often it shows completely different geological contexts at short distances. For this purpose, it is necessary to contextualize the problem of the storage site within its peculiar geological landscape. In Italy fluids storage activities, both for environmental and industrial-strategic purposes, are still at the starting point. In Po Plain (Cortemaggiore) there is the first italian test site for geological storage of carbon dioxide. It is managed by ENI-Stogit and kept under seismic and geochemistry monitoring, respectively, by the qualified departments at INGV in Milan and Rome. In addition to this, there is only a series of feasibility studies on seismic, geological and geochemical characterization of the Porto-Tolle area in Veneto (funded by the EC committee). Nevertheless there are not yet studies able to strictly understand the mechanisms that can be established in a similar storage site and their influence on the close seismogenic faults. Therefore the main goal of this project is to fill this gap by studying areas similar to the storage sites (geothermal areas on Italian territory or abroad); for this purpose, it will be built up a geological, seismic and geochemical model in order to understand the interactions between an injection site and a close seismogenic fault. References Healy J.H., Rubey W.W., Griggs D.T. and Raleigh C.B. "The Denver earthquakes", 1968, Science, 161, Shapiro S. A., Kummerow J., Dinske C., Asch G., Rothert E., Erzinger J., Kümpel H.-J. and Kind R., "Fluid induced seismicity guided by a continental fault: Injection experiment of 2004/2005 at the German Deep Drilling Site (KTB)", 2006, Geophysical Research Letters, Vol. 33, L01309, doi: /2005gl Tadokoro K. and Ando M. "Induced earthquakes accompanying the water injections experiment at the Nojima Fault zone, Japan: Seismicity and its migration", Journal of Geophysical Research, Vol. 105, NO. B3, Pages , March 10, Risultati attesi dalla ricerca, e loro interesse per l'avanzamento della conoscenza e per le eventuali potenzialità applicative I risultati attesi da questo progetto di ricerca riguardano essenzialmente un incremento delle conoscenze per quanto riguarda il comportamento sismico delle aree geotermiche esaminate. Al termine di questo progetto, oltre alla localizzazione dei terremoti e la loro relazione con le strutture tettoniche che li hanno generati, le conoscenze acquisite permetteranno di analizzare i campi di fratturazione preesistenti e quelli generati da variazioni delle pressioni di serbatoio (idrofratturazione), nonché di caratterizzare sia le componenti di doppia-coppia che volumetriche dei meccanismi focali di sorgente. Questa serie di informazioni potrà essere integrata ed interpretata insieme con la caratterizzazione del flusso di gas nei suoli e dei gas disciolti in acqua. Tale approccio, oltre ad essere di carattere multidisciplinare, consentirà di avere un quadro più completo del comportamento e dell'evoluzione delle strutture studiate, permettendo di comprendere a pieno quali siano le condizioni iniziali ( pre-iniezione) di aree analoghe interessate allo stoccaggio industriale di fluidi. L'interesse che scaturisce da queste tematiche e le ricadute applicative riguarderanno sicuramente sia aspetti di natura tecnico-scientifica che di carattere sociale. Gli aspetti tecnici e scientifici riguardano la possibilità di sfruttare le potenziali prospettive di successo dello stoccaggio geologico dei fluidi per finalità economiche. Lo stoccaggio di anidride carbonica, infatti, costituisce per le compagnie elettriche e petrolifere un importante motivo di interesse. Per le prime esso consentirebbe di continuare ad utilizzare nel prossimo futuro combustibili fossili (gas naturale, carbone, petrolio, ecc.), ancora facilmente reperibili. Per le seconde esso consentirebbe di aumentare la produttività dei serbatoi stessi (tramite la tecnica di recupero avanzato dell'olio o E.O.R.) utilizzando l'anidride carbonica prodotto negli stabilimenti di raffinazione. Entrambe, pur continuando nella loro attività di profitto industriale, riuscirebbero comunque a rispettare i criteri di salvaguardia dell'ambiente imposti dall'accordo di Kyoto. Infine negli ultimi anni, visti i difficili rapporti politico-economici con alcuni paesi produttori, le compagnie energetiche, in accordo con i governi centrali di diversi paesi tra i quali l'italia, stanno cercando di costituire dei serbatoi geologici di gas naturale che abbiano elevato valore strategico sfruttando gli stessi processi e conoscenze utilizzate per gli stoccaggi industriali di CO2. Tutte queste necessità di carattere economico-politico e strategico potrebbero avere una notevole spinta qualora elevati livelli di conoscenza tecnica delle interazioni tra fluidi, serbatoi geologici e caratteri sismici e geochimici venissero raggiunti. Le ricadute sociali saranno legate principalmente alla sicurezza della popolazione in termini di salvaguardia della vita e del tessuto abitativo e sociale nei centri abitati posti vicino ai luoghi individuati per lo stoccaggio. Dall'esperienza maturata con il terremoto dell'aquila e da altri terremoti avvenuti in Italia negli ultimi 50 anni (Belice nel 1968, Friuli nel 1976 e Irpinia nel 1980), è abbastanza assodato che la distruzione del tessuto sociale di una città è la ferita più difficile da rimarginare per una comunità. Le vite umane perdute durante un terremoto, per quanto importanti e sacrosante, vengono perse giornalmente anche per incidenti sul lavoro, incidenti stradali e malattie, mentre i centri abitati distrutti fanno perdere la speranza ed i punti di riferimento ad intere generazioni della popolazione, con il rischio che il tessuto sociale ferito vada a sfaldarsi per sempre attraverso emigrazioni, trasferimenti di attività economiche, ecc. Poiché i lavori descritti nello stato dell'arte dimostrano come spesso, negli anni passati, le conseguenze di un processo di stoccaggio di fluidi non erano affatto conosciute oppure erano state sottovalutate, questo progetto di studi, aumentando le conoscenze in merito a tali fenomeni, potrà dare un notevole contributo ai fini dell'accettazione da parte dell'opinione pubblica di tali processi industriali. A valle di questo vi potranno essere il miglioramento delle condizioni di benessere generale della popolazione, legate per esempio ad una prosperità delle disponibilità energetiche incoraggiata da tali tecnologie oppure un benessere legato al miglioramento delle condizioni di salute umana per via di una maggiore preservazione della qualità ambientale. 8

9 The main result expected by this project is an increase in knowledge regarding the seismic behavior of the study areas. At the end of this project, as well as the earthquakes location and their relationship with the tectonic structures, the knowledge acquired will be able to analyze the pre-existent fracture arrangement and those generated by fluid pressure changes (hydro-fracturing), as well as the characterization of both the double-couple and volumetric focal mechanism components. This information could be interpreted together with the characterization of soil gas flow and gas concentration in ground water. This approach, besides being multidisciplinary, will provide a more complete understanding about the behavior and evolution of the target structures and allows understanding of the pre-injection conditions that affect areas similar to the fluid storage sites. The interest that stems from these issues and their application outcomes concern both technical-scientific and social targets. The technical and scientific targets are related to the economic exploitation of the geological storage technology. The geological storage of carbon dioxide, in fact, is an interesting field for power and oil companies; it would allow the former to continue to use the already available fossil fuels in the near future (natural gas, coal, oil, etc.)and the latter to increase the productivity of the reservoirs themselves (by the Enhanced Oil Recovery technique) using carbon dioxide produced in the refinery plants. Both motivations are still encouraged because, while companies continue in their efforts to pursue a profit, they will be able to comply with the environmental requirements imposed by the Kyoto treaty. Finally, in recent years, given the crisis in political-economic relations with producer countries, energy companies, in agreement with the governments of several countries including Italy, are trying to establish geological natural gas reservoirs with high strategic value. It will be possible to use the same processes and knowledge of the industrial storage of CO2. These economic-political and strategical requirements could receive a significant boost if high levels of technical knowledge in the interaction among fluids, geological reservoirs and seismic and geochemical characters are achieved. The social effects are strictly related to the population safety in terms of human and social fabric safeguard in towns near the sites interested by the fluid storage. Experiences gained by the 2009 L'Aquila earthquake and other earthquakes in the past 50 years (1968 Belice, 1976 Friuli and 1980 Irpinia earthquakes) have established that the destruction of a social fabric is the worst wound for communities and most difficult to heal. The destruction of villages, in addition to the tragedy of the loss of human lives, produces the loss of hope and points of reference for many generations to come. The risk is that the social fabric may fall apart, forever wounded by people migration, transfer of economic activities transfers, etc. Since the papers described in the state of the art often show that, in past years, the consequences of fluid storage processes were not well known or had been underestimated. This project, by increasing knowledge about these phenomena, may make a significant contribution in the public acceptance of such industrial processes. In addition it will provide an improvement of the general well-fare, due to the energy prosperity and availability encouraged by this new industrial technology, and of the human health increasing the environmental care Articolazione del progetto e tempi di realizzazione Il progetto verrà complessivamente realizzato in 3 anni. L'acquisizione dei dati sismologici nelle aree di studio avrà una durata di almeno 12 mesi dall'installazione degli strumenti. Precedentemente andranno realizzate delle campagne di ricerca siti, effettuando test di rumore di fondo per determinare l'idoneità di ciascun sito in funzione della qualità del dato registrato (Anselmi et al, 2010). Tale operazione comporterà circa due mesi di lavoro. La durata della fase di raccolta dati è fissata ad un minimo di 12 mesi; considerando anche le esperienze maturate durante altri simili esperimenti realizzati sul territorio italiano (Chiaraluce et al, 2009), essa risulta essere adeguata al raggiungimento dei nostri obiettivi. La fase di elaborazione, in carico alle unità 2 e 3, potrà iniziare circa due mese dopo l'inizio della raccolta dati dell'esperimento; gli strumenti di misura normalmente utilizzati sono stand alone ovvero registrano dati in locale su supporti di memoria removibili. Pertanto, non essendoci una trasmissione dati in tempo reale ad un centro di raccolta, la loro disponibilità è legata a periodiche campagne di manutenzione strumenti e scarico dati (ogni giorni circa). Le attività possibili durante la fase di acquisizione dei dati saranno principalmente l'individuazione della sismicità registrata, la localizzazione dei terremoti, la determinazione delle caratteristiche di sorgente (meccanismi focali) e l'analisi della polarizzazione del moto del suolo. Per quanto riguarda la tomografia avremo invece bisogno di un dataset di terremoti completo, in maniera tale che il volume di studio venga campionato adeguatamente dai raggi sismici dei terremoti. Tuttavia, in presenza di un elevato tasso giornaliero di terremoti, sarà possibile realizzare delle tomografie di velocità e di attenuazione delle onde P ed S nel corso del tempo (Patanè et al, 2006; Chiarabba et al, 2009). Per quanto riguarda le attività di campagna dell'unità geochimica, del tutto svincolate rispetto a quelle sismiche, esse procederanno realizzando delle maglie di campionamento puntuale con una distanza tra i punti di circa 100 metri fino per ottenere un adeguato dettaglio di campionamento delle strutture. Le misure di campionamento dovranno essere realizzate durante la stagione secca per evitare che le piogge limitino i flussi di gas dai suoli e rendano le misure stesse non realistiche. Il tempo impiegato per le operazioni di misura di gas nei suoli occuperà un periodo di tempo non inferiore ai trenta giorni di lavoro, che saranno intervallati in caso di pioggia. Anche per quanto riguarda il campionamento di acque di falda il tempo sarà più o meno di giorni lavorativi. Considerato che i tempi di analisi dei campioni sia dei gas che delle acque occuperanno mediamente un mese abbondante di lavoro, sarà possibile ottenere una baseline della caratterizzazione geochimica in un tempo di circa 4 mesi per ciascuna area analizzata. Bibliografia Anselmi M., Buttinelli M., Colasanti G., Chiarabba C. - Rapporto tecnico della campagna sismica del progetto Alto Lazio - Rapporti tecnici ingv Chiaraluce, L., L. Valoroso, M. Anselmi, S. Bagh and C. Chiarabba (2009) A decade of passive seismic monitoring experiments with local networks in four Italian regions, Tectonophysics, doi: /j.tecto Chiarabba, C; De Gori, P; Boschi, E. (2009). Pore-pressure migration along a normal-fault system resolved by time-repeated seismic tomography GEOLOGY (2009) Volume: 37 Issue: 1 Pages: Patanè D., Barberi G., Cocina O., De Gori P. and Chiarabba C., Time resolved seismic tomography detects magma intrusion at Mt. Etna, Science, 313, , This project will be developed during three years. The seismic data acquisition will be of 12 months at least. In the previous time will be searched sites and carried out background noise tests to determine the suitability of each site (Anselmi et al, 2010). This task will be done working for two months at least. The data recording time is at least of 12 months. The experience gained during similar experiments carried out on the Italian territory (Chiaraluce et al, 2009), this time length appears to be adequate to achieve our goals. The data processing task, managed by the units 2 and 3, will begin approximately two months after the starting of the experiment. The recording instruments are used in a "stand alone" mode and the storing data is done on removable storage devices. Since there is no real-time data, their availability will be subjected to the periodic field trips, responsibly of the data dumping and instrumental maintenance ( every 40 to 50 days). During the experiment it will be possible to compute the location of the recorded seismicity, focal mechanisms solutions and the analysis of ground motion polarization. As the tomography needs the whole earthquakes dataset available, so that the study volume is adequately sampled by seismic rays. However, in case of a high daily-rate of earthquakes, it will perform time-dependent P and S waves velocity and attenuation tomography (Patanè et al, 2006; Chiarabba et al, 2009). As the field activities of the geochemical unit they will proceed making accurate sampling of the mesh with a point distance of 100 meters to obtain an adequate structures sampling. The measures must be carried out getting samples during the dry season to avoid the rainfalls limit the gas flow from soils and make those measures unrealistic. Time required for measurements in soil gas will occupy at least forty days, which will be interrupted in case of rainfalls. Also as regards of the groundwater sampling the time will be more or less of days. Given the timing of the gas samples analysis is on average one month of plenty work, it will get a geochemical characterization in about 4 months for each area. Bibliografia Anselmi M., Buttinelli M., Colasanti G., Chiarabba C. - Rapporto tecnico della campagna sismica del progetto Alto Lazio - Rapporti tecnici ingv Chiaraluce, L., L. Valoroso, M. Anselmi, S. Bagh and C. Chiarabba (2009) A decade of passive seismic monitoring experiments with local networks in four Italian regions, Tectonophysics, doi: /j.tecto

10 Chiarabba, C; De Gori, P; Boschi, E. (2009). Pore-pressure migration along a normal-fault system resolved by time-repeated seismic tomography GEOLOGY (2009) Volume: 37 Issue: 1 Pages: Patanè D., Barberi G., Cocina O., De Gori P. and Chiarabba C., Time resolved seismic tomography detects magma intrusion at Mt. Etna, Science, 313, , Elementi e criteri proposti per la verifica dei risultati raggiunti Gli elementi ed i criteri chiave che bisognerà adottare per la verifica dei risultati raggiunti sono: - lo studio dell'area geotermica: in questo caso andranno controllati i livelli di conoscenza raggiunti durante il progetto di studio. Per conoscenza si deve intendere quella relativa all'aspetto geologico, prima, e sismico e geochimico successivamente. L'incremento delle conoscenze dovrà essere pianificato e concepito a partire da una ricca e profonda ricerca di tutto lo stato dell'arte relativo sia al sito in sé ( nel senso di areale geologico) sia a quello relativo a siti di natura analoga per caratteristiche; - lo studio delle caratteristiche della faglia: in questa situazione andrà analizzata approfonditamente tutta la conoscenza dello stato dell'arte pregresso al lavoro del progetto per poi poter stabilire quali sono gli effettivi apporti ed avanzamenti dovuti effettivamente al nostro progetto di ricerca; - lo studio delle possibili interazioni tra sito di stoccaggio e faglia sismogenetica: per questo elemento, oltre ad un elevato studio di tutta la casistica presente in letteratura, bisognerà costruire dei modelli che siano in grado di simulare, sulla base dei dati raccolti e delle elaborazioni eseguite durante le fasi precedenti del progetto, la reale interazione tra sito di stoccaggio e faglia sismogenetica. The elements and criteria that should be adopted in order to control the achieved results are: - study of the geothermal site: in this context will be checked the knowledge achieved during the project development. In this case will be important consider the whole state of the art of both the site itself ( intended as the knowledge of its geological context) and the knowledge of the analogous sites that have common features; - study of the seismogenic fault features: in this context will be analyzed the whole knowledge of the state of the art before the project development, in order to describe which are the most important enhancement obtained by the project work; - study of the potential interaction between the storage site and seismogenic faults: in this case, beside a hard study of the whole case histories available in literature, it will build a multidisciplinary model able to simulate the actual interaction between the storage site and seismogenic faults, using the data and the processing results obtained by the previous project steps Riassunto Spese delle Unità di Ricerca nº Responsabile scientifico 1. ANSELMI Mario Spesa A.1.1 Spesa A.1.2 Spesa A.2 Spesa B Spesa C.1 Spesa C.2 Spesa D Spesa E Spesa F Spesa G TOTALE TOTALE Legenda voce di spesa: -Spesa A: Spese di personale (A.1.1 dipendente a tempo indeterminato; A.1.2 dipendente a tempo determinato; A.2 personale non dipendente, esclusi i contratti per giovani ricercatori e/o ricercatori di chiara fama internazionale di cui alla voce C) -Spesa B: Spese generali direttamente imputabili all'attività di ricerca (obbligatoriamente nella misura forfettizzata del 60% del costo del personale di cui alle voci A e C) -Spesa C: Spese per contratti almeno triennali per giovani ricercatori (C.1) ed almeno semestrali per ricercatori di chiara fama internazionale (C.2) -Spesa D: Spese per l'acquisizione di strumentazioni, attrezzature e prodotti software -Spesa E: Spese per stage e missioni all'estero di docenti/ricercatori coinvolti nel progetto -Spesa F: Costo dei servizi di consulenza e simili utilizzati per l'attività di ricerca -Spesa G: Altri costi di esercizio direttamente imputabili all'attività di ricerca 18 - Informazioni generali e durata del progetto Durata del Progetto di Ricerca 36 Mesi Mesi/persona complessivi dedicati al Progetto di Ricerca 93,03 Costo totale del Progetto Finanziamento richiesto Numero di contratti per giovani ricercatori 1 Costo totale Numero di contratti per ricercatori di chiara fama 0 Costo totale Costo complessivo del Progetto di Ricerca risorse disponibili nº Responsabile scientifico Risorse finanziarie richieste al MIUR Giovani ricercatori Ricercatori di chiara fama internazionale Costo totale della proposta progettuale 1. ANSELMI Mario TOTALE

11 A carico del MIUR A carico del Proponente TOTALE Costo delle attività di ricerca Costo dei contratti dei giovani ricercatori Costo dei contratti dei ricercatori di chiara fama 0 0 Costo complessivo dell'unità di Ricerca Si ricorda che il cofinanziamento a carico del proponente deve essere pari al 30% del costo complessivo del progetto di Ricerca, detratti i costi dei contratti triennali per giovani ricercatori e per ricercatori di chiara fama, che sono finanziati al 100%. I dati contenuti nella domanda di finanziamento sono trattati esclusivamente per lo svolgimento delle funzioni istituzionali del MIUR. Incaricato del trattamento è il CINECA- Dipartimento Servizi per il MIUR. La consultazione è altresì riservata al MIUR - D.G. della Ricerca -- Ufficio V, alla Commissione FIRB e ai referee scientifici. Il MIUR potrà anche procedere alla diffusione dei principali dati economici e scientifici relativi ai progetti finanziati. Firma del Coordinatore... DATA 23/12/ :50 11