Assetto strutturale del sistema geotermico di Acquasanta Terme (Ascoli Piceno)

MENICHETTI Rend. online SGI, 1 (2008), Note Brevi, www.socgeol.it, 118-122, 4 figg. Assetto strutturale del sistema geotermico di Acquasanta Terme (Ascoli Piceno) MARCO MENICHETTI (*) ABSTRACT Structural setting of the Acquasanta Terme geothermal system (Ascoli Piceno). The low temperature (<50 ) geothermal field of Acquasanta is located in a carbonate reservoir in the core of an anticline surronded by marls and sandstones acquiclude. The thermal water rises along an extended fracture system related to strike-slip faults. Thermal and geochemical dilutions occur in the upper part of the water-table. The water temperatures recorded in a deep karst system, show a predominant convective heat transfer along the fractures and a conductive thermal flow in the rock matrix. The hydrogeological system can be related to a thermally driven convective circulation, with a regional recharged area located in the Sibillini Mountains, a flow few kilometres depth, and a discharge along the F. Tronto valley. INTRODUZIONE Nell area di Acquasanta, lungo la parte mediana della valle del Fiume Tronto (Ascoli Piceno), emergono, in destra orografica, alcune sorgenti che presentano un certo grado di termalismo con temperature delle acque di oltre 30 C (BONI et alii, 1986). Queste sorgenti, che in alcuni casi emergono in corrispondenza di affioramenti di travertini, sono note storicamente e vengono parzialmente captate ed utilizzate nelle locali stazioni termali. L analisi strutturale, unitamente a dati geochimici e termici delle acque, permette di delineare il circuito idrogeologico connesso al sistema geotermico. Questo tipo di approccio multidisciplinare consente di valutare meglio l entità energetica disponibile in zone come queste dove si hanno sistemi geotermici a bassa entalpia (BARBIER, 2002). GEOLOGIA DELL AREA La struttura di Acquasanta è localizzata ad oriente della dorsale Appenninica calcarea umbro-marchigiana tra il fronte di sovrascorrimento dei M. Sibillini ad ovest e la struttura della Montagna dei Fiori ad est (BONI & CO- LACICCHI, 1966). L anticlinale di Acquasanta con asse orientato circa N-S, ha una geometria asimmetrica con vergenza ad est e si accavalla sulla struttura esterna con un rigetto di qualche km (KOOPMAN, 1988). La stratificazione nella parte occidentale, ha una inclinazione di poche decine di gradi verso ovest, nella zona di cerniera, (*) Istituto di Scienze della Terra Università di Urbino, Campus Scientifico - 61029 Urbino. Menichetti Marco: menichetti@uniurb.it coincidente con l area di Acquasanta è suborizzontale mentre diventa molto inclinata e subverticale fino a rovescia nel fianco orientale (fig. 1). Lungo il corso del F. Tronto a partire dal centro abitato di Acquasanta, ma solo in destra orografica, affiorano su diversi ordini di terrazzi vaste placche di travertini del Pleistocene, che presentano una clinostratificazione progressivamente più recente scendendo verso il fondovalle (BONI & COLACICCHI, 1966) (fig. 1). Nell area circostante affiorano diffusamente i terreni del Messiniano pre-evaporitico, della Formazione della Laga, un flysch con una potenza di oltre 2000 m (CANTALAMESSA et alii, 1980) che giacce al di sopra delle Marne a Pteropodi (Tortoniano sup.-messiniano pp.), con Cerrogna (Burdigaliano pp.-tortoniano Medio) e del Bisciaro (Acquitaniano-Burdigaliano pp.) con uno spessore di oltre 300 m. A questi termini fanno seguito i terreni più antichi della Scaglia Cinerea, Variegata e Rosata (Oligocene-Eocene) localizzati in posizione eccentrica rispetto all asse della struttura plicativa. La Scaglia Cinerea e la parte basale delle Marne sono coinvolte in un importante piano di scollamento che realizzano localmente delle zone di taglio molto complesse con elisioni e raddoppi locali della stratificazione (KOOPMAN, 1988; MARSILI & TOZZI, 1995). Questi piani di sovrascorrimento hanno geometria a scalinata e si propagano, dai livelli più profondi, verso le unità superiori della successione stratigrafica. I principali piani di accavallamento profondi sono localizzati nelle Anidriti di Burano, alla base della successione stratigrafica Ceno-Mesozoica umbro-marchigiana e sono responsabili della formazione delle grandi strutture plicative come quella di M. Vettore e del M. Cerasa-Acquasanta e più ad est della Montagna dei Fiori. I piani di accavallamento profondi quando salgono più in superficie si propagano nei livelli di scollamento localizzati nella Scaglia Cinerea e delle Marne con Cerrogna e a Pteropodi. Questo da luogo a strutture superficiali completamente disarticolate rispetto a quelle più profonde come la sinclinale di C. Galluccio-M. Cerasa (W di Acquasanta). Piani di sovrascorrimenti a basso angolo di incidenza sulla stratificazione, sono le mesostrutture che caratterizzano maggiormente la zona. Questi piani presentano una direzione circa N-S con un vettore di massima compressione orientato N70. Quelli localizzati nelle zone di taglio superficiali della Scaglia Cinerea, risultano piegati ed immergenti sia ad W che ad E sui fianchi della anticlinale. Questo farebbe ipotizzare due momenti deformativi della stessa fase tettonica compressiva che ha interessato l area tra il Tortoniano sup. e il Pliocene inf. Associate a queste strutture compressive esiste un sistema di faglie trascorrenti destre orientate in direzione

ASSETTO STRUTTURALE DEL SISTEMA GEOTERMICO DI ACQUASANTA TERME 119 Fig. 1 - Carta geologica schematica dell area di Acquasanta. LEGENDA: 1) Travertini (Pleistocene); 2) Formazione della Laga (Messiniano p.p.); 3) Scaglia Variegata, Scaglia Cinerea, Bisciaro, Marne con Cerrogna e Marne a Pteropodi (Paleocene-Messiniano p.p.); 4) Scaglia Rosata (Cretaceo sup.-paleocene); 5) faglia diretta, i trattini indicano il tetto; 6) sovrascorrimenti e piani di scollamento, i triangoli indicano il tetto; 7) sovrascorrimento regionale, i triangoli indicano il tetto; 8) faglia trascorrente; 9) faglia incerta e sistemi di frattura; 10) giacitura della stratificazione; 11) traccia della sezione di fig. 2. Schematic geological map of the Acquasanta area. LEGEND: 1) Travertini (Pleistocene); 2) Laga Formation (Messinian p.p.); 3) Scaglia Variegata, Scaglia Cinerea, Bisciaro, Marne con Cerrogna e Marne a Pteropodi (Paleocene-Messinian p.p.); 4) Scaglia Rosata (Upper Cretaceous- Paleocene); 5) normal fault, the barbs are in the hanging-wall; 6) thrust and detachment fault, the triangles are in the hanging-wall; 7) regional thrust, the triangles are in the hanging-wall; 8) strike-slip fault; 9) inferred fault and fracture system; 10) bedding attitude; 11) section of fig. 2. N-S e che tagliano l anticlinale nella sua parte occidentale. Queste faglie hanno una certa estensione con un rigetto orizzontale di qualche km. Localmente realizzano lungo il loro sviluppo meridiano la rotazione oraria delle strutture plicative e di taglio preesistenti. Sono associati ad importanti sistemi di fratture e faglie distensive orientate E-W che costituiscono vie preferenziali per il drenaggio delle acque superficiali e profonde. La principale di queste faglie, corre lungo il Rio Garrafo ed è presente solo all interno dei termini calcarei della successione stratigrafica (fig. 1). Altri sistemi di fratture, sono costituiti da joints allineati lungo la direzione NW-SE e da piani di clivaggio subverticali con direzione circa N-S. La loro distribuzione spaziale è abbastanza regolare, mentre la loro

120 M. MENICHETTI IL CARSISMO E IDROGEOLOGIA Fig. 2 - Sezione geologica schematica dell area carsica del Rio Garrafo. Il punto A all interno dell asterisco indica la posizione del registratore di temperatura dell acqua. A destra grafico della variazione della temperatura con la profondità all interno del sistema carsico. Schematic geological section of the Rio Garrafo karstic area. The asterisk A indicate the position of the temperature data logger. In the right side, evolution of the temperature with the depth in the karstic system. frequenza è direttamente legata sia allo spessore della stratificazione che alla prossimità di faglie importanti. Piani di tagli distensivi immergenti a NE attraversano fratture legate al sistema compressivo immergenti a SW. L apertura delle singole fratture, che condiziona poi la conducibilità idraulica della massa rocciosa, è legata soprattutto negli strati calcarei alla corrosione carsica, mentre nei livelli più marnosi le fratture tendono ad essere riempite da argille o da calcite. La distribuzione e l estensione verticale delle fratture e soprattutto l apertura nel sottosuolo è nota attraverso l osservazione all interno dei sistemi carsici o all interno di perforazioni profonde. I valori di aperture rilevati possono variare tra 0.1 a oltre 2.5 mm con spaziature decimetriche. Nella parte meridionale della struttura di Acquasanta ed in particolare lungo il Rio Garrafo, affluente di destra del F. Tronto, si aprono diverse grotte appartenenti ad un sistema carsico complesso messo a giorno dall erosione fluviale (GALDENZI & MENICHETTI, 1991). Questi si sviluppa per alcuni km e fino ad una profondità di circa 100 m al di sotto dell alveo del Rio Garrafo stesso. Le grotte si aprono nella parte alta e più calcarea della Scaglia Rosata e della Scaglia Variegata e la loro origine è legata al forte potere aggressivo verso il calcare delle acque solfuree salienti dal basso. Il sistema sotterraneo si sviluppa con condotte subcircollari di dimensioni metriche, saloni con pozzi, cupole e camini ciechi, con morfologie tipicamente ipogeniche e con presenza di diffusi depositi di gesso (GALDENZI & MENICHETTI, 1995). Tutto il sistema carsico si sviluppa lungo fratture e faglie orientate N-S che ne condizionano anche la morfologia ipogea. Nella parte più profonda, queste grotte intercettano la falda idrica ricca in solfuri con un corso d acqua della portata di alcuni l/sec e una temperatura di circa 38 C (MENICHETTI, 1997). L acquifero localizzato nella Formazione della Scaglia Rosata è confinato al tetto da orizzonti poco permeabili delle marne della Scaglia Cinerea, mentre alla base è sostenuto dalle Marne a Fucoidi che regionalmente costituiscono un acquiclude. Nel fondovalle del F. Tronto nella zona a valle di Acquasanta, la circolazione idrica sotterranea è localizzata nei corpi di travertino presenti a quote diverse e compartimentati da acquiclude di depositi alluvionali. Si tratta di piccole falde la cui alimentazione è laterale e avviene ad opera di fratture che consento alle acque profonde di raggiungere la superficie anche mantenendo un significativo carico piezometrico. La portata complessiva restituita dalla struttura di Acquasanta misurata nell alveo del F. Tronto nella zona di Arli è di circa 300 l/sec (MENICHETTI, 1997). L area di affioramento dei terreni permeabili nella zona non è sufficiente per giustificare questo ordine di portate, ma è necessario ipotizzare contributi da altre strutture idrogeologiche BONI et alii (1986). L acquifero principale presenta un chimismo clorurato-sodico con presenza di solfuri e solfati che sembra- Fig. 3 - Variazione oraria della temperatura nel corso d acqua sotterraneo della Grotta del Rio Garrafo (localizzazione in fig. 2) e le piogge in un periodo estivo. Hourly record of the water temperature in the stream in the Rio Garrafo Cave (location in fig. 2) and the rain input in the dry season.

ASSETTO STRUTTURALE DEL SISTEMA GEOTERMICO DI ACQUASANTA TERME 121 Fig. 4 - Sezione geologica regionale W-E tra i Monti Sibillini e la zona di Acquasanta. LEGENDA: 1) Formazione della Laga (Messiniano p.p.); 2) Formazioni con litologia marnosa e calcareo marnosa dalla Scaglia Variegata alle Marne a Pteropodi (Paleocene-Messiniano p.p.); 3) Formazioni con litologia calcarea e calcareo marnosa della successione umbro-marchigiana dalla Scaglia Rosata (Cretaceo sup.) al Calcare Massiccio (Giurassico inferiore); 4) Anidriti di Burano (Triass sup.); 5) Basamento; 6) faglia; 7) linee di drenaggio sotterraneo regionale. RRA) area di ricarica idrogeologica regionale; LRA) area di ricarica locale; RD) area di drenaggio regionale; LD) area di drenaggio locale. I grafici in basso indicano nelle corrispondenti aree della sezione, l andamento in profondità (Z) della temperatura (T) e del flusso di calore (HF). Regional W-E geological section between the Sibillini Mountains and the Acquasanta area. LEGEND: 1) Laga Formation (Messiniano p.p.); 2) Marls and calcareous Formations from Scaglia Variegata to Marne a Pteropodi (Paleocene-Messinian p.p.); 3) Calcareous-marly and calcareous Formations in the Umbro-Marchean Formations from Scaglia Rosata (Upper Cretaceous) to Calcare Massiccio (Lower Jurassic); 4) Anidriti di Burano (Upper Triassic); 5) Basement; 6) fault; 7) regional underground drainage. RRA) regional idrogeological recharge area; LRA) local recharge area; RD) regional drainage; LD) local drainage. The lower graphs indicate the variation with the depth (Z) of the temperature (T) and of the heat flux (HF). no derivare dalla solubilizzazione delle Anidriti di Burano. L acido solfidrico che caratterizza il chimismo delle acque deriva dall ossidazione di solfati con il contributo significativo di solfobatteri. L azione aggressiva dell acido solfidrico sul calcare produce gesso che si ritrova depositato all interno delle grotte, come è stato messo in evidenza, anche attraverso dati isotopici di δ 34 S, in molte altre situazioni idrogeologiche analoghe dell area appenninica (GALDENZI & MENICHETTI, 1991; MENICHET- TI et alii, 2007). Nelle parti più profonde dei sistemi carsici δ 34 S del Rio Garrafo è stata rilevata inoltre, la presenza di anidride solforosa, di CO e concentrazioni di CO 2 fino a 1%. Il contenuto isotopico di δ 13 C nei carbonati delle acque varia tra +2.2 e +1.3. Questi valori suggerirebbe una derivazione principalmente dalla solubilizzazione di rocce della successione umbromarchigiana, piuttosto che da apporti profondi di CO 2, come invece avviene per molte sorgenti dell area umbra caratterizzate per altro da valori negativi di δ 13 C (CHIO- DINI et alii, 1995). Dati di δ 18 O indicano che le acque di Acquasanta non risento direttamente delle variazioni stagionali, ma si inseriscono bene in un circuito idrotermale a tre componenti stagionali: valori tra 9 e 10 che tendono a diminuire nelle acque profonde nel periodo estivo; queste vengono successivamente diluite a valori di 11 dall infiltrazione nel periodo autunnale e successivamente riconcentrate nel periodo primaverile (ZUPPI et alii, 1974).

122 M. MENICHETTI TEMPERATURE DELLE ACQUE SOTTERRANEE Le temperature sotterranee, nell area di Acquasanta sono state registrate lungo il corso d acqua presente all interno del sistema carsico che intercetta la falda sulfurea profonda (fig. 2). Qui sono state fatte sia misure puntuali che registrazioni orarie nel corso di diversi cicli stagionali. I valori di temperatura dell acqua variano tra i 36 e i 40 C. Le emergenze naturali di acque calde in prossimità del centro abitato di Acquasanta, sono dell ordine di 29-30 C, mentre temperature di circa 25 C sono state rilevate a 100 m di profondità in alcune perforazioni a valle. Esiste quindi una miscelazione, probabilmente nella parte prossima alla superficie, con una diluizione sia chimica che termica delle acque più profonde durante la fase di risalita. La temperatura registrata nella Grotta del Rio Garrafo, varia tra i 32 e 40 C. Nel periodo estivo, quando l acquifero profondo è poco influenzato dal deflusso stagionale, sono maggiormente evidenti i fenomeni di diluizione e raffredamento da parte delle acque superficiali di infiltrazione (fig. 3). L evoluzione della temperatura nel tempo in relazione degli apporti meteorici indica un flusso sotterraneo delle acque molto rapido. Esso avviene all interno di sistemi di fratture anche parzialmente carsificate, dove lo scambio termico roccia/acqua è controllato dalla convezione. I dati termici indicano anche la presenza di un flusso molto più lento per l acqua a temperatura più alta. Ciò avviene quando si ha un aumento rapido del carico idrostatico sull acquifero a seguito dei temporali estivi. L incremento di pressione idrica all interno della massa rocciosa tende ad espellere l acqua anche dalle fratture più piccole e dalla porosità primaria della roccia dove lo scambio termico avviene per conduzione. La distribuzione e l intensità della fratture e lo sviluppo delle faglie, sono gli elementi che controllano il regime termico dell acquifero profondo in risalita (LOPEZ & SMITH, 1995). Sono comunque le condizioni idrogeologiche del bacino idrografico sovrastante l area di alimentazione che determinano i tempi di ricarica e i fenomeni di diluizione dell acquifero profondo (MONGELLI, 1994). Il sistema geotermico presente nell area di Acquasanta sembra essere compatibile con un circuito idrogeologico profondo localizzato all interno di rocce serbatoio carbonatiche (fig. 4). L acquifero ha presumibilmente la sua area di alimentazione nella catena calcarea dei Monti Sibillini. La presenza di unità tettoniche carbonatiche al di sotto della Formazione della Laga, confina il circuito idrogeologico in profondità, favorendo un deflusso regionale verso est. Se consideriamo per la zona un flusso termico di circa 30 mw/m 2 (DELLA VEDOVA et alii, 2001), sono sufficienti pochi km per far si che le acque raggiungano temperature di molte decine di gradi e risalgano per convezione per poi miscelarsi con quelle superficiali. BIBLIOGRAFIA BARBIER E. (2002) - Geothermal energy technology and current status: an overview. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 6, 3-65. BONI C., BONO P. & CAPELLI G. (1986) - Schema idrogeologico dell Italia Centrale. Mem. Soc. Geol. It., 25, 991-1012. BONI C. & COLACICCHI R. (1966) - I travertini della valle del Tronto. Mem. Soc. Geol. It., 5, 315-339. CANTALAMESSA G., CENTAMORE E., CHIOCCHINO U., DI LORITO L., LEONELLI M., MICARELLI A., POTETTI M., PESARESI A., TADDEI L. & VENANZINI D. (1980) - Analisi dell evoluzioen tettonico-sedimentaria dei «bacini minori» torbiditici del Miocene medio-superiore nell Appennino umbro-marchigiano e laziale abruzzese: 8) il bacino della Laga tra il F. Fiastrone-T. Fiastrella e il T. Fluvione. Studi Geol. Camerti, 6, 81-133. CHIODINI G., FRONDINI F. & PONZIANI F. (1995) - Deep structures and carbon dioxide degassing in Central Italy. Geothermics, 24 (1), 81-94. DELLA VEDOVA B., BELLANI S., PELLIS G. & SQUARCI P. (2001) - Deep temperature surface heat flow distribution. In VAI ED., «Anatomy of an orogen: the Apennines and adjacent Mediterranean basins», Kluver, 65-76. GALDENZI S. & MENICHETTI M. (1995) - Occurrence of hypogenic caves in a karst region: Examples from central Italy. Environmental Geology, 26, 39-47. KOOPMAN A. (1988) - Detachment tectonics in the Central Apennines, Italy. Geol. Ultreiectina, 30, 1-155, Ultrecht. LOPEZ D.L. & SMITH L. (1995) - Fluid flow in fault zones: analysis of the interplay of convective circulation and topography-driven groundwater flow. Water Resour. Res., 31 (6), 1489-1503. MARSILI P. & TOZZI M. (1995) - Un livello di scollamento nella dorsale di Acquasanta (Ascoli Piceno). Boll. Soc. Geol. It., 114, 177-194. MENICHETTI M. (1997) - Geologia ed idrogeologia delle acque minerali e termali dell Umbria e delle Marche. Relazione industriale inedita, 1-192, Società Italiana Acque Minerali, Perugia. MENICHETTI M., CHIRENCO M.I., ONAC B. & BOTTRELL S. (2007) - Depositi di gesso nelle grotte del Monte Cucco e della Gola di Frasassi. Considerazioni sulla speleologenesi. Atti Congr. Naz. Speleol., Iglesias, 1-20. MONGELLI F. (1994) - Theoretical analysis of heat transfer in semi-infinite acquifer. Geothermics, 23 (2), 143-150. ZUPPI G.M., FONTES J.C. & LETOLLE R. (1974) - Isotopes du milieu et circulations d eaux sulfurees dans le Latium. Proc. Series Isotope Techniques in groundwater hydrology, 341-361, IAEA, Wien.