IL GIACIMENTO A GAS DI TOMBOLO (PISA): EVIDENZE SISMO-STRATIGRAFICHE E GRAVIMETRICHE

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1 P. Cantini (1), I. Marson (2), E. Pinna (1) e G. Pinna (2) (1) Dipartimento di Scienze della Terra dell Università di Pisa (2) Istituto Nazionale di Oceanografia e Geofisica Sperimentale, Trieste IL GIACIMENTO A GAS DI TOMBOLO (PISA): EVIDENZE SISMO-STRATIGRAFICHE E GRAVIMETRICHE Riassunto. L area peri-tirrenica comprende diversi bacini sedimentari neogenici sviluppatisi al margine della catena appenninica durante le fasi tettoniche estensionali del Paleogene e Pleistocene. Nella parte meridionale del bacino di Viareggio fu scoperto, nel 1984, il piccolo campo a gas di Tombolo (PI). Esso produce gas biogenico da diversi livelli di sabbie marine del Pliocene inf. e medio a profondità compresa tra 700 e 1400 m. Il giacimento di Tombolo ha origine da una trappola strutturale di tipo horst interessata tra l altro da una discordanza tra Pliocene inferiore e Pliocene medio. Il campo a gas produce un minimo di gravità di circa 1,2 mgal, evidenziato nella mappa residua. L anomalia regionale calcolata è data da una superficie polinomiale di basso grado (5 ordine) in accordo con l interpretazione grafica che tiene in debito conto la struttura del basamento del bacino dell Arno che genera appunto l anomalia regionale. Un approccio diretto di interpretazione quantitativa è effettuato con l utilizzo delle informazioni sismiche e stratigrafiche, calcolando i contributi dei corpi a gas; l anomalia calcolata è in accordo con quella osservata. L approccio inverso a sua volta implica la determinazione della geometria e delle proprietà fisiche del campo a gas dai dati dell anomalia, con i vincoli più opportuni. L interpretazione 3D considera un corpo geologico come un insieme di blocchi cubici di uguale dimensione, aventi ciascuno uno specifico contrasto di densità. L anomalia di gravità risultante per l intero corpo, ottenuta sommando i singoli effetti, produce il miglior accordo con i dati osservati computando molte sorgenti con contrasto di densità 0,5 g/cm 3 presenti nell intervallo di profondità m, in buon accordo con i risultati forniti dai pozzi perforati. GAS FIELD OF TOMBOLO (PISA): SISMO-STRATIGRAPHIC AND GRAVIMETRIC SIGNATURES Abstract. The peri-tyhrrenian area includes several Neogene sedimentary basins, developed during the extensional tectonic phases of the Paleogene and Pleistocene along the western margin of the Apenninic chain. In the southern part of the Viareggio Basin the small Tombolo gas field was discovered in It supplies biogenic gas from several levels of lower and middle Pliocene marine sands, at depth between 700 and 1400 m. The Tombolo field is present as structural trap of horst type, interested also by an unconformity between lower Pliocene and middle Pliocene rocks. The gas field produces a gravity minimum of about 1,2 mgal evidenced in the residual map. The calculated regional anomaly is given by a low-order polynomial surface (5 th order), in agreement with a graphical interpretation which takes into account the Arno basin basement structure. A direct approach to interpretation is made with the aid of seismic and stratigraphic information, calculating the effects of several gas bodies. The calculated anomaly is in agreement with the observed gravity. The inverse approach involves determining the geometry and physical properties of the gas field from the anomaly data, with additional constrains. The three-dimensional interpretation considers a geological body as a stack of cubic blocks of uniform sizes, each having a specified density contrast. The resultant gravity anomaly for the entire body is obtained by summing the constituent gravity components for each cube. It produces the best fit with the observed data computing many sources at depth between 650 and 1300 m with density contrast of 0,5 g/cm 3, in accordance with the drilling data information. INTRODUZIONE La Toscana, dopo la fase compressiva miocenica che determinò la struttura a falde di ricoprimento dell Appennino settentrionale, fu interessata, a partire dal Tortoniano, da un nuovo stile tettonico rigido e distensivo (Bally et al., 1986; Patacca et al., 1990; Carmignani et al., 1994). Questo regime tettonico generò una

2 frammentazione della crosta in blocchi, soggetti a dislocazioni differenziali lungo faglie dirette a direzione appenninica, ed una successione di fasce di ampiezza regionale con movimenti alterni di sprofondamento e di sollevamento. Inoltre, un sistema di faglie trasversali, con carattere di trascorrenza, originò vari blocchi, disposti secondo diversi allineamenti strutturali. Nella bassa valle dell Arno, propaggine meridionale del bacino neogenico di Viareggio, ricerche condotte dall'agip hanno portato alla scoperta di un giacimento a gas (Mariani e Prato, 1988). Più recentemente, la perforazione del pozzo Tombolo 4 DIR eseguita dalla Società Petrolifera Italiana (SPI) ha reso possibile una migliore interpretazione dei dati delle linee sismiche e dei sondaggi in precedenza effettuati nell area, definendo la complessa geometria della trappola di tipo strutturale per faglia. Infine, misure di gravità di dettaglio da noi eseguite nella Piana a Sud dell Arno hanno rilevato una anomalia residua negativa di alta frequenza, originata dal campo a gas. Analogamente minimi di gravità di alta frequenza sono stati osservati su giacimenti di idrocarburi della Pianura Padana (Pinna et al., 2001) e sono stati giustificati dal forte contrasto di densità (-0.5 g/cm 3 ) delle lenti sabbiose sature di gas, rispetto ai livelli argillosi che sigillano le trappole strutturali o stratigrafiche. IL BACINO DELL ARNO Il bacino del fiume Arno, nella sua parte più orientale, è parte integrante del bacino di Viareggio, che è delimitato a nord dai rilievi di La Spezia e Alpi Apuane, a est dal Monte Pisano, a sud dalle colline Livornesi e ad ovest dalle secche della Meloria e alto strutturale della Maestra. Si è formato nel Miocene Inferiore unitamente ai bacini del Fine, dell Era e dell Elsa, per poi distinguersi a partire dal Miocene medio o superiore. La geologia di superficie (Fig. 1) evidenzia le faglie che delimitano il Monte Pisano e un sistema di faglie trasversali, orientato secondo la linea Livorno Sillaro (Bortolotti, 1966; Cantini et al., 2001a), che separa i diversi bacini. Tali fosse, in profondità, appaiono ben delimitate dall andamento delle isocrone della base della serie Neogenica (Mariani e Prato, 1988) come pure sono indicate da minimi gravimetrici presenti nella Carta di Gravità d Italia (CNR, 1992). La bassa Valle dell Arno, unitamente agli altri bacini neogenici costieri del margine tirrenico, è stata indagata dall Agip mediante l interpretazione di profili di sismica a riflessione, controllati da sondaggi (Mariani e Prato, 1988). L elaborazione sismica ha fornito sia le caratteristiche della traccia complessa (fase istantanea e frequenza) sia i valori dell impedenza acustica relativa e assoluta, consentendo di ottimizzare la risoluzione sismica della serie neogenico quaternaria (Zitellini et al., 1981; Bellani et al., 1994). Sono state pertanto riconosciute diverse unità sismiche, separate da discontinuità stratigrafiche (tetto del Pleistocene inferiore, tetto del Pliocene medio, base del Messiniano) e da discontinuità angolari (tetto del Messiniano). La potenza massima dei sedimenti nel bacino dell Arno raggiunge circa 3000 ms TWT valutabile in circa 3800 m di spessore; la base del Pliocene è raggiunta a circa 2500 ms TWT corrispondente ad una profondità di circa 3000 m.

3 Fig. 1 - Carta geologica della bassa valle dell Arno. Al di sopra di un substrato databile al Miocene inf.- Oligocene, rappresentato da arenarie del Macigno o da una serie carbonatica bacinale, sono state riconosciute le seguenti unità sismo-stratigrafiche, con spessori massimi indicati in parentesi: una serie del Pleistocene sabbioso - ghiaiosa (circa 800 m) una serie del Pliocene medio - superiore argilloso - sabbiosa (circa 1000 m) una serie del Pliocene inferiore sabbioso - argillosa (circa 1200 m) una serie del Messiniano e Pre-messiniano argilloso-arenacea (circa 800 m) Il bacino, in conclusione, è regolato da una serie di faglie dirette che dislocano il substrato. La serie neogenica, a sua volta, è interessata da una serie di faglie listriche orientate parallelamente ai bordi del substrato e inclinate verso il centro del bacino. Sebbene preferibilmente l abbassamento dei blocchi avvenga a gradinate verso il centro della fossa, talvolta si osservano delle strutture ad horst, che possono originare giacimenti di idrocarburi connessi con trappole strutturali per faglie (Cantini et al., 2001b). RICONOSCIMENTO DEL GIACIMENTO DI TOMBOLO Nella Piana dell Arno l Agip ha effettuato intensi studi per definire la potenza, l assetto strutturale e le sequenze sismiche dei sedimenti neogenici di buone

4 prospettive nella ricerca di idrocarburi. Le indagini si focalizzarono nell area della Concessione Tombolo, dove sono state eseguite numerose linee sismiche a riflessione a partire dal 1980 (Fig. 2). Il pozzo Tombolo 1, realizzato nel 1984, risultò positivo per il rinvenimento di gas e consentì correlazioni sismo-stratigrafiche, indicando che riflessioni pianoparallele a forte ampiezza e continuità esprimono litologicamente alternanze di bancate sabbiose e livelli argillosi depositatisi in ambiente neritico nel Pliocene inferiore (Mariani e Prato, 1988). Negli anni sono stati realizzati i pozzi Tombolo 2 DIR, Tombolo 3 e Monte Nevoso, tutti positivi per quanto concerne il rinvenimento di gas. In particolare, nel pozzo Tombolo 2 DIR sono stati rinvenuti quattro principali livelli sabbiosi a gas a profondità comprese tra 1200 e 1500 m. Il rinvenimento di gas ha spinto l Agip a una fase di esplorazione sistematica anche degli altri bacini toscani e tirrenici, con l esecuzione di una dettagliata copertura di sismica a riflessione. Fig. 2 - Linee sismiche condotte nell area di Tombolo. IL POZZO TOMBOLO 4 DIR Successivamente, nel , è stato perforato dalla SPI il pozzo Tombolo 4 DIR avente come obiettivo l attraversamento dei livelli porosi del Pliocene inferiore, già conosciuti come mineralizzati a gas, per migliorare lo sfruttamento del giacimento. La successione litologica, ricostruita sulla base dei dati di master log, è rappresentata schematicamente da:

5 ghiaie poligeniche e sabbie quarzose grossolane fino alla profondità di 350 m; argille alternate a sabbie quarzose fini fino a 850 m; sabbie fino a 1030 m; sabbie fini con intercalazioni di argille fino a 1400 m; argille con sabbie ed arenarie debolmente cementate fino alla profondità massima di 1800 m (corrispondente a 2228 m f.p.). Il gas (metano) è stato incontrato a diverse profondità durante la perforazione del pozzo e in concentrazioni variabili (a 949 m, 19%, a 994 m, 7%, a 1305 m, 11%, a 1485 m, 27%, a 1585 m, 8% e a 1850 m, 4%). La presenza di livelli a gas più superficiali nei sedimenti del Pliocene superiore e medio indica chiaramente una migrazione verso l alto del gas a partire dalle rocce madri del Pliocene inferiore. La stratigrafia, basata sull analisi dei foraminiferi contenuti nei cuttings di perforazione, ha permesso di datare la serie di sedimenti perforati e di ricostruire i relativi ambienti di sedimentazione. Nel generale movimento di sprofondamento dell area toscana litorale viene ad individuarsi il bacino della bassa Valle dell Arno e, in particolare, la fossa di Tombolo, a forte subsidenza. Il momento di massima estensione marina (neritico inferiore) avvenne nel Pliocene inferiore e corrisponde alla Zona a Globorotalia puncticulata. Nell area di Tombolo è presente in un intervallo di profondità verticale da 1400 m fino ad oltre 1800 m dal piano campagna (p.c.). Nel Pliocene medio (profondità m) perdurano condizioni di ambiente marino profondo (neritico inferiore) documentato dalla presenza della Zona a Globorotalia crassaformis. Con la fine del Pliocene medio si ha in tutta l area toscana una regressione marina, pur tuttavia nella fossa di Tombolo continua la sedimentazione marina (neritico medio) durante il Pliocene superiore (generalmente presente in Toscana come continentale o al più fluvio-lacustre) testimoniato dalla presenza della Zona a Globorotalia inflata. Infine, depositi ancora marini (neritico superiore), attribuibili al ciclo Calabriano (Pleistocene inferiore) sono documentati nella bassa Valle dell Arno, nell intervallo di profondità m, dalla presenza di Arctica islandica e altre associazioni caratteristiche. Successivamente si instaura una sedimentazione di ambiente litorale (profondità m). Il pozzo Tombolo 4 Dir ha consentito di prendere in esame 2 particolari linee sismiche che si incrociano presso tale pozzo: la linea PI V con orientazione SW-NE e la linea PI con orientazione NW-SE. Quest ultima linea sismica risulta molto utile in quanto è stata interessata dai pozzi Tombolo 1, Tombolo 2 Dir, Tombolo 4 Dir e Tombolo 3, consentendo di effettuare correlazioni tra dati del sottosuolo e riflettori sismici. Per quanto riguarda la linea PI V è presentata la sezione migrata in Fig. 3 che, potendo utilizzare i dati di sottosuolo del pozzo Tombolo 4 Dir, presenta la ricostruzione delle sequenze sismiche. Da osservare che il passaggio di età è indicato dalle biozone a foraminiferi e non sempre corrisponde a cambi litologici. Appaiono anche 2 livelli, A e C nel Pliocene inferiore, che non hanno una diffusione regionale, ma sembrano legati alle variazioni di impedenza al tetto delle lenti di gas. Le correlazioni stratigrafiche tra i pozzi di Tombolo, effettuate con l utilizzo dei dati sismici, sono riportate in Fig. 4. Sulla base di detta sezione si può ragionevolmente supporre che il campo a gas di Tombolo sia dovuto ad una trappola strutturale tipo horst.

6 GNGTS Atti del 23 Convegno Nazionale / Fig. 3 - Ricostruzione delle sequenze sismiche per la linea PI V. Fig. 4 - Sezione geologica ricostruita sulla base delle sezioni sismiche interpretate.

7 SEGNALE GRAVIMETRICO E MODELLAZIONE 3-D DEL CAMPO DI TOMBOLO Ulteriori informazioni sul quadro geofisico dell area di Tombolo, sono fornite da dati di anomalia di Bouguer. È stato eseguito un rilievo di gravità di dettaglio (densità dei punti stazione di 5 staz./kmq) nella piana meridionale del fiume Arno per le cui caratteristiche si rimanda al lavoro di Cantini et al. (2001b). Per l area di Tombolo, in particolare, sono state ottenute due mappe residue mediante metodo grafico e metodo analitico, che hanno indicato una notevole similitudine. Entrambe hanno messo in evidenza una anomalia residua negativa di 1,2 mgal centrata sull area del campo a gas (Fig. 5). Il primo riconoscimento di detto minimo è avvenuto con metodo grafico, che considera la diversa curvatura delle isolinee tenendo in debito conto le variazioni note e indotte dalla geologia locale; così operando, la carta regionale, dovuta al contributo del basamento profondo, presenta un andamento con curvatura a grande raggio, mentre la residua è affetta da cause più localizzate che presentano raggi di curvatura più ridotti (Nettleton, 1976; Telford et al., 1990). Fig. 5 - Anomalia gravimetrica residua nell area di Tombolo. Il riconoscimento analitico è stato ottenuto con espressione polinomiale del 5 ordine che separa l andamento generale del basamento dall andamento a bassa lunghezza d onda del campo residuo. Passando all interpretazione quantitativa degli effetti residui, vanno considerati innanzi tutto i valori di densità delle formazioni di riempimento del bacino. I risultati ottenuti dalle indagini sismiche e da i dati di pozzo bene si accordano con

8 l andamento valido nel caso di bacini sedimentari recenti (Pinna et al., 2001). Risulta crescente la diminuzione dei valori di densità procedendo dalle argilliti alle sabbie a salamoia, alle sabbie con olio e alle sabbie a gas. In particolare, le densità previste nell intervallo di profondità m sono 2.25 g/cm 3 per le argille a salamoia, 2.10 g/cm 3 per le sabbie a salamoia e 1.75 g/cm 3 per le sabbie a gas (in condizioni di saturazione del serbatoio). La conoscenza dettagliata della geologia delle trappole a gas, come nel caso dei giacimenti di Sergnano e Caviaga (Cantini et al., 2001b), consente, anche nel caso della trappola strutturale di Tombolo, una modellazione con metodo diretto. Le informazioni fornite dal pozzo Tombolo 4-DIR consentono la realizzazione di un modello 2.5 D che considera la presenza di sottili livelli a gas alle profondità reali di 700 m, 750 m, 950 m, 1150 m, 1280 m, e 1400 m. Tale modello (Fig. 6) giustifica un difetto di gravità di 0.7 mgal. Fig. 6 - Modello interpretativo 2.5 D del campo a gas di Tombolo. La traccia della sez. è riportata in Fig. 5.

9 Il minimo locale di Tombolo è stato successivamente interpretato secondo metodo inverso, rappresentando l anomalia residua mediante un insieme di dati disposti su una griglia bidimensionale. L obiettivo dell inversione consiste nell estrarre dall anomalia locale informazioni quantitative sulla distribuzione dell anomalia di densità. La regione dello spazio d interesse per l inversione viene suddivisa in un insieme di celle tridimensionali di densità omogenea e costante. Il procedimento inverso ottimizza la funzione obiettivo del modello di densità con il vincolo di riprodurre i dati osservati con una tolleranza definita e calcolando un modello di densità compatibile con il modello di riferimento imposto dalle indagini precedenti. I risultati dell inversione, realizzata con il software GRAV3D, sviluppato dall University of British Columbia, Geophysical Inversion facility, sono mostrati mediante una successione di sezioni che attraversano trasversalmente il corpo sorgente dell anomalia di gravità secondo piani orizzontali. Nelle Figg. 7, 8, 9 e 10 sono riportate successivamente le sezioni ottenute per le profondità 600, 800, 1000 e 1350 m. Il best-fit indica un contrasto di densità di 0.5 g/cm 3 giustificabile con livelli sabbiosi saturi di gas che risultano presenti a partire dalla profondità di 600 m e che terminano alla profondità di 1350 m, confermando, in via indipendente, le evidenze geologiche fornite dalla ricostruzione sismostratigrafica. Concludendo, i risultati ottenuti sottolineano l importanza dell analisi del segnale gravimetrico quale possibile indicatore della presenza di giacimenti di idrocarburi in aree di bacini sedimentari recenti come quello del corso inferiore del Fiume Arno. Fig. 7 - Modello gravimetrico 3D alla profondità di 600 m.

10 Fig. 8 - Modello gravimetrico 3D alla profondità di 800 m. Fig. 9 - Modello gravimetrico 3D alla profondità di 1000 m.

11 Fig Modello gravimetrico 3D alla profondità di 1350 m. CONCLUSIONI Nel bacino del Fiume Arno l esplorazione dettagliata mediante numerose linee di sismica a riflessione e l esecuzione di alcune perforazioni hanno individuato nel 1984 un piccolo giacimento di gas meglio definito negli anni successivi. Tale rinvenimento suggerisce che possono essere fertili, in analogo contesto geologico, gli altri bacini neogenici costieri tirrenici presenti lungo il margine occidentale della catena appenninica. La recente perforazione di Tombolo 4-DIR ha consentito di affinare ulteriormente le conoscenze stratigrafiche e sedimentologiche precisando la natura della trappola strutturale per fagliazione di tipo horst e indicando che il campo produce gas biogenico da parecchi livelli di sabbie marine del Pliocene inferiore e medio. Misure gravimetriche di dettaglio, condotte nella piana del fiume Arno hanno indicato, nel campo residuo, la presenza di un minimo in corrispondenza dell area interessata dai quattro pozzi Tombolo. Tale minimo, che sembra indicare le dimensioni del giacimento a gas, ha una forma ellissoidica e copre un area di circa 15 km 2. La modellazione diretta 2.5 D dei livelli a gas presenti nell intervallo di profondità m, giustifica l anomalia osservata, attribuendo un contrasto di densità di 0.5 g/cm 3 tra le sabbie sature di gas e le argilliti a salamoia incassanti. Infine l inversione 3D del minimo residuo di Tombolo permette di definire meglio l ubicazione del corpo sorgente presente nell intervallo di profondità m. Anche in questo caso, il contrasto di densità più probabile per il best-fit della modellazione è prossimo a 0.5 g/cm 3, ben giustificato dalla presenza dei livelli a gas. Tale risultato apre interessanti prospettive di esplorazione consentendo di affermare che minimi gravimetrici di alta frequenza presenti in bacini sedimentari

12 recenti, come quello della parte terminale del Fiume Arno, possono essere evidenza diretta di campi a gas nella sequenza Neogene-Quaternario. BIBLIOGRAFIA Bally, A.W., Burbi, L., Cooper, C., Ghelardoni, R., Balanced sections and seismic reflection profiles across the central Apennines. Mem. Soc. Geol. It. 35, Bellani S., Grassi S., Squarci P.; 1994: Valutazione di dettaglio delle strutture profonde nella pianura del fiume Arno nella provincia di Pisa. Rapporto interno per il Min. Industria, CNR-I.I.R.G., Pisa, 16 pp. Cantini P., Testa G., Zanchetta G., Cavallini R.; 2001a: The Plio-Pleistocene evolution of extensional tectonics in northern Tuscany, as constrained by new gravimetric data from the Montecarlo basin (lower Arno valley, Italy). Tectonophysics, 330, Cantini P., Pinna G., Pinna G.P., Pinna E.; 2001b: Variazioni di densità per porosità (bacino sedimentario del fiume Arno) e fratturazione (area metamorfica KTB) evidenziate da rilievi di gravità. Atti del 20 Conv. GNGTS, CNR, Roma. Carmignani, L., Decandia, F.A., Fantozzi, P.L., Lazzarotto, A., Liotta, D., Meccheri, M., Tertiary extensional tectonics in Tuscany (northern Apennines, Italy). Tectonophysics 238, CNR-Consiglio Nazionale delle Ricerche, Progetto Finalizzato Geodinamica, Structural Model of Italy and Gravity Map. Quad. Ric. Sci., 114. Mariani M., Prato R.; 1988: I bacini neogenici costieri del margine tirrenico: approccio sismicostratigrafico. Mem. Soc. Geol. It., 41, Nettleton L. L.; 1976: Gravity and magnetics in oil exploration. Mc Graw-Hill, New York. Patacca, E., Sartori, R., Scandone, P., Tyrrhenian basin and Apenninic arcs: kinematic relations since late-tortonian times. Mem. Soc. Geol. It. 45, Pinna G., Cantini P., Pinna E.; 2001: Trappole di giacimenti a gas: variazioni di densità connesse a porosità in bacini sedimentari e indicate da anomalie di gravità. Atti del 20 Conv. GNGTS, CNR, Roma. Reynolds J. M.; 1997: An introduction to applied and environmental geophysics. Wiley & Sons ed. Telford, W.M., Geldart, L.P., Sheriff, R.E., Applied geophysics (Second edition). Cambridge University Press, NY., pp Zitellini N., Trincardi F., Marani M., Fabbri A.; 1981: Neogene Tectonics of the Northern Tyrrhenian sea. Gior. Geol., ser. 3, 48 (1-2),