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Emissioni gassose diffuse in aree vulcaniche. Aspetti geochimici, strutturali e modelli fisici del processo. Sviluppo di tecniche di monitoraggio

Coordinatore scientifico del progetto

Chiodini Giovanni – Prof. Associato

INGV – sezione Osservatorio Vesuviano – Napoli

Partecipanti al progetto

OBIETTIVI GENERALI

L´obiettivo principale del progetto è il riconoscimento, la mappatura e la misura delle strutture a degassamento diffuso (DDS) collegate ai vulcani attivi Italiani e la messa a punto di tecniche adatte al monitoraggio dei flussi gassosi e d´energia termica. In dettaglio gli obiettivi del 1 anno di ricerca erano stati suddivisi nei seguenti Tasks:

1)    Mappe tematiche delle DDS della Solfatara, Mofete, Vesuvio ed Ischia (OV-NA; ING-Roma; CFTA-UNIPA, IGGI-CNRPI);

2)    Definizione e adattamento allo studio delle DDS di metodologie geostatistiche appropriate (IGGI-CNRPI, OV-NA);

3)    Messa a punto di un metodo per la misura diretta dell´energia termica rilasciata da suoli caldi (OV-NA);

4)    Dati analitici del 14C e prime valutazioni sul degassamento di CO2 alla Solfatara negli ultimi 20-30 anni (LINM-UNIBO);

5)    Modellizzazione fisica per lo studio delle DDS (DST-UNIBO, OV-NA).

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TASK 1 – Mappe tematiche delle DDS

UR PARTECIPANTI: UR1,UR2, UR3, UR6

OBIETTIVI I ANNO

a)    esecuzione di indagini di dettaglio (mappe di flusso di CO2 per la delimitazione e caratterizzazione delle DDS) nelle aree anomale collegate al vulcanismo campano: Campi Flegrei (Solfatara e Mofete), Ischia, Vesuvio;

b)    stime di flusso totale di CO2 e, ove possibile, stime di flusso di calore;

c)    in alcuni casi, rilevamento geologico strutturale di dettaglio da accompagnare alle misure termiche e di flusso di CO2;

d)      campionamento ed analisi chimica dei fluidi fumarolici, analisi dei gas disciolti nelle acque circolanti nelle DDS;

e)    campagne per il rilevamento del noise sismico generato dal movimento dei fluidi in profondità nel caso della Solfatara;

f)     studio isotopico del ¹³C della CO₂ dei suoli per la definizione delle sorgenti del carbonio

RISULTATI I ANNO

-       Sviluppi metodologici

a)    Misure dirette del flusso termico da suoli caldi mediante sensore industriale (vedi task 3).

b)    Misure dirette di flusso di CH₄ dai suoli interessati da degassamento anomalo di CO₂. Sono state eseguite prove di laboratorio e misure di terreno (Solfatara, Vulcano, emissioni fredde Centro Italia) con una camera d´accumulo equipaggiata con sensore FID. L´obiettivo era quello di caratterizzare il rapporto CH₄/CO₂ dei fluidi che alimentano il processo di degassamento. I risultati ottenuti sono stati inviati ad una rivista internazionale per la pubblicazione (11);

c)    In collaborazione con ricercatori della Pen State University (Cindy Werner) è stato eseguito un test di lunga durata (circa 20 giorni) per l´applicazione del metodo ‘Eddy Correlation´ alla misura dei flussi di CO2 nell´area della Solfatara di Pozzuoli. Eddy correlation è una tecnica  ‘micrometeorologica´ che costituisce una possibile alternativa al metodo della camera d´accumulo. Le misure ‘Eddy correlation´ sono, (1) fatte al di sopra del suolo, non disturbano quindi l´emissione naturale, (2) continue, che permette di utilizzarle per un monitoraggio in continuo, a (3) rappresentative della variabilità spaziale dell´area sorgente (area sopra-vento).

-       Acquisizione dati

Nel corso del I anno del progetto sono stati eseguite numerose campagne di misura di: a) flussi CO2, b) temperatura suolo, c) gradienti termici nel suolo, d) flussi di calore, e) composizione chimica ed isotopica CO2 del suolo, f) composizione chimica di fluidi fumarolici. In Tabella 1 sono riportati per ognuna delle categorie sopra descritte il numero totale di misure eseguite nelle diverse aree indagate.

Tabella 1

(*) Le campagne eseguite a Nisyros rientrano in un progetto CEE avente obiettivi in comune con il progetto GNV

-       Interpretazione e modellistica

Parte dei dati delle campagne Solfatara e Nisyros sono stati interpretati,  pubblicati e presentati a convegni nazionali ed internazionali (5,6,10,18,21,23,24,25). I risultati scientifici ottenuti sono sintetizzati negli abstract dei due lavori, qui di seguito riportati:

Solfatara /rif. 5/:

‘Nel presente periodo di quiescenza, il vulcano Solfatara, lontano 1 km da Pozzuoli, rilascia 1500 t d^-1 di CO₂ idrotermale attraverso degassamento diffuso dal suolo da un´area relativamente piccola (0.5 km²). Questa quantità di gas è confrontabile con quella rilasciata da emissioni crateriche di molti vulcani attivi. Sulla base del rapporto CO₂/H₂O misurato nelle fumarole ad alta temperatura ubicate nell´area, abbiamo calcolato un rilascio d´energia pari a 1.19  10¹³  J d^-1 (138 MW). La gran parte di questa energia è rilasciata da un processo di condensazione del vapore che avviene nel suolo. L´energia è quindi trasferita all´atmosfera attraverso i suoli caldi dell´area a degassamento diffuso. L´energia termica rilasciata dal processo di degassamento diffuso alla Solfatara è di gran lunga il principale processo di rilascio d´energia  dell´intera caldera dei Campi Flegrei. E´ un ordine di grandezza superiore al flusso conduttivo di calore che interessa l´intera caldera, e, durante gli ultimi 20 anni, è stata molte volte più grande che l´energia associata alle crisi sismiche ed agli eventi di deformativi. E´ possibile che variazioni nel flusso d´energia generato dal corpo magmatico presente nel sottosuolo e/o processi d´argillificazione  a piccola profondità determinino pressurizzazione del sistema idrotermale e conseguentemente le deformazioni e gli sciami sismici superficiali che hanno caratterizzato i recenti episodi di ‘ volcanic unrest´  di Pozzuoli.´

Nisyros / rif. 8/:

‘Due campagne di misura del flusso di CO2 nella parte meridionale della piana di Lakki mostrano che la CO2 è rilasciata principalmente dai crateri d´esplosione freatica. La corrispondenza fra alti flussi di CO2 e alte  temperature del suolo suggerisce che un flusso di fluidi idrotermali caldi interessa l´area. Il vapore condensa vicino alla superficie ed il calore prodotto da luogo ad un flusso termico conduttivo nel suolo, accompagnato da un intenso flusso di CO2. Si è calcolato che 68 t d-1 di CO2 idrotermale sono rilasciate dall´area studiata di circa 1.3 km2. Ammettendo che un flusso di vapore di 2200 t d-1 accompagna questo flusso di CO2, l´energia termica rilasciata attraverso la condensazione di vapore risulta di 58 MW.´

I dati ottenuti nelle altre campagne, (flussi di CO2, flussi termici, temperature, composizioni isotopiche gas del suolo, ecc. ) sono in corso d´elaborazione. I principali risultati ottenuti dagli studi strutturali riguardano il riconoscimento di un pattern di fratturazione anomalo collegato alle aree di degassamento ed imputabile a variazioni di pressione dei fluidi all´interno dei sistemi idrotermali (8, 24)

-       Altro

Ove possibile sono state campionate le fumarole ubicate nelle zone a degassamento diffuso. Nel caso del Vesuvio l´interpretazione dei dati composizionali chimici ed isotopici ha portato  all´elaborazione di un modello geochimico del sistema idrotermale che attualmente alimenta le zone ad alto flusso (6). Un´ulteriore pubblicazione riguarda aspetti metodologici sull´utilizzo di dati isotopici nella definizione delle sorgenti profonde dei fluidi (3). Un lavoro collegato alla ricerca (5) ha riguardato il trattamento dei dati di una stazione automatica per i flussi di CO2 attiva nell´area di Mammoth Mt. (California, USA). Molti lavori pubblicati nel periodo del progetto hanno riguardato altri aspetti  collegati alla stessa tematica del degassamento di CO2 (1, 2, 4, 12, 13, 14, 16, 17, 20, 21, 22). Infine parte dei risultati del progetto sono stati utilizzati nei rapporti di sorveglianza geochimica dei vulcani campani.

PRODOTTI DELLA RICERCA

Poichè molti lavori sono in comune con differenti task, la lista qui sotto riguarda anche i task 2 e 3

-   n. 11 pubblicazioni su riviste internazionali

-   n. 14 presentazioni a convegni

-   n. 5 Rapporti interni

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TASK 2 – Definizione e adattamento allo studio delle DDS di metodologie geostatistiche appropriate

UR PARTECIPANTI: UR1,UR2

OBIETTIVI I ANNO

Le quantità totali di CO2 rilasciato dalle aree studiate possono essere stimate per mezzo di tecniche statistiche o geostatistiche. Due tecniche statistiche utilizzate fino ad ora sono : a)la media aritmetica dei valori e b) l´ approccio grafico-statistico GSA (Graphic Statistical Approach) descritto in Chiodini et al., 1998. GSA accoppia una tecnica per il riconoscimento e la suddivisione  di famiglie statistiche all´interno di popolazioni polimodali  ed una tecnica per la stima dei parametri statistici, ed i relativi errori, di popolazioni ‘log-normal´ (Sichel t-estimator). Tali approcci statistici (media aritmetica e GSA) sono stati usati in lavori precedenti per la stima dell´output totale di CO₂.  Un grande svantaggio di questi metodi è che non tengono conto della correlazione spaziale dei dati e quindi questo implica  una sovrastima dell´errore  e quindi della variabilità naturale dei flussi di CO₂. Per scopi di sorveglianza, la misura della ‘variabilità naturale´ è essenziale per il riconoscimento delle anomalie. L´obiettivo del TASK 2 era quindi la messa a punto di strumenti geostatitstici adatti allo studio del flusso.

RISULTATI I ANNO

-       Sviluppi metodologici

Nel corso del 2000 questa tematica è stata approfondita dalle UR di Napoli (UR1) e da quella di Pisa (UR2). L´UR1 ha applicato allo studio dei flussi l´algoritmo SGS  (Sequential Gaussian Simulation algorithm) usando il codice specifico riportato nel GSLIB software. La simulazione stocastica permette la costruzione di modelli ad alta risoluzione, alternativi ed equiprobabili, della distribuzione spaziale di un attributo. La simulazione si differenzia  dal kriging o da qualsiasi altro metodo d´interpolazione perchè lo scopo di una simulazione è principalmente la riproduzione del comportamento globale  (‘texture´) e statistico (istogramma, variogramma) dell´attributo, e perchè permette di definire l´accuratezza delle stime locali e globali. La misura dell´accuratezza è data dalla differenza fra N alternativi valori simulati in un punto (‘local accuracy´) o dalla differenza tra N simulazioni alternative di un campo (‘global accuracy´).

L´UR2 ha acquistato il  programma ISATIS che consente la elaborazione di carte e valutazioni di stime globali. Il software permette tra l´altro a) l´analisi statistica dei dati raccolti ed in particolare la costruzione dei variogrammi sperimentali e funzioni correlate, b) il fitting automatico dei variogrammi, potendo scegliere tra diversi modelli quali il nugget, l´esponenziale, lo sferico, il gaussiano, ecc, c) l´identificazione automatica del drift, d) la ricerca del miglior intorno per le valutazioni puntuali, e) la stima dei valori utilizzando vari metodi, dai poligoni di influenza, all´inverso delle distanze fino all´IRF-k kriging e al kriging Lognormale, f) le simulazioni non condizionate e quelle condizionate. Il programma è in  fase di messa a punto.

-        Acquisizione dati

Sono stati utilizzati i dati acquisiti nell´ambito del Task 1

-        Interpretazione e modellistica

L´UR1 ha applicato il metodo delle simulazioni (SGS) alle aree della Solfatara (campagne 1998 e 2000, Fig. 1), Vesuvio (campagna 2000), Ischia (campagna 2001) e Nisyros (campagne 2000). I risultati sono riportati in Tabella 2. Per quanto riguarda l´UR2, la prima applicazione si riferisce ad un set di 608 campioni (maglia di 10x10 m ) misurati alla Solfatara alla fine del mese di Maggio ed  ha lo scopo di  studiare l´effetto della dimensione della maglia di campionamento sulle mappe di isoflusso e  valore di flusso calcolato sull´intera area, anche in relazione al metodo utilizzato. I dati sono stati in un primo momento utilizzati per determinare il valore del flusso totale con il metodo descritto in Chiodini et al (1998). Tale metodo prescinde da ogni valutazione sulla distribuzione spaziale dell´osservabile. Le varie popolazioni presenti sono riconosciute utilizzando i diagrammi di probabilità. Il flusso segue una distribuzione log-normale. Questo fatto consente di calcolare, utilizzando lo stimatore di Sichel (David,1977), il flusso medio e l´intervallo di confidenza. Inoltre il rapporto tra campioni appartenenti alla popolazione individuata e il numero totale di misure fornisce anche la frazione di superficie assegnabile a quella data popolazione. E´ così possibile determinare il flusso totale e l´intervallo di variazione al  95% di confidenza. A partire dalla maglia 10x10 sono state costruite 4 maglie 20x20 e 9 maglie 30x30 in modo da avere il massimo numero di punti per ogni maglia. Per ciascun caso sono stati calcolati i valori medi e l´intervallo di confidenza al 95% con il metodo precedentemente indicato. I risultati ottenuti sono mostrati in Tabella 3.Passando dalle maglie 20x20 a quelle 30x30, la variabilità dei risultati aumenta di molto. Nel primo caso i valori sono contenuti nell´intervallo 83000-73000, mentre nel secondo caso la variazione è tra 87000 e 60000. Chiaramente l´intervallo di confidenza aumenta al diminuire del numero di campioni. Occorre tuttavia osservare che il valore ottenuto con 608 campioni è sempre compreso all´interno dell´intervallo di confidenza delle valutazioni effettuate con maglie molto larghe. Attualmente stiamo valutando la variabilità delle valutazioni utilizzando campionamenti random con 150, 70 e 35 campioni.

Tabella 2

Tabella 3

PRODOTTI DELLA RICERCA

Vedi task 1

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TASK 3 – Messa a punto di un metodo per la misura diretta dell´energia termica rilasciata da suoli caldi

UR PARTECIPANTI: UR1

OBIETTIVI I ANNO

L´obbiettivo di era la ricerca di un metodo per la misura diretta del flusso di calore che interessa i suoli ‘caldi´ delle DDS.

RISULTATI I ANNO

-       Sviluppi metodologici

E´ stata eseguita la sperimentazione di un sensore industriale specifico per misure di flusso di calore (da 1 a 1500 W m^-2 ) dal suolo prodotto dalla ditta LASMEN (sensore LS).  Il sensore ha la forma di un disco (spessore 0.7 cm, diametro 5 cm) composto da due placche d´acciaio (spesse ognuna 0.2 cm) con interposto uno strato a bassa conducibilità termica (resina epossidica). La parte sensibile è una termopila posta nella zona centrale del disco. La misura è fatta inserendo il sensore nel suolo a bassa profondità (1-6 cm) e leggendo a stabilizzazione il potenziale elettrico di LS.

-        Acquisizione dati interpretazione e modellistica

Il sensore LS  è stato sperimentato attraverso: a) modellizzazione numerica, b) prove di laboratorio e c) misure di terreno.

a)    modellizzazione numerica. Per valutare il disturbo nel flusso di calore prodotto nel suolo dalla presenza del sensore e per valutare l´errore conseguente è stata fatta una analisi del transiente termico con il software MARC (2000). E´ stato usato un modello bidimensionale ad elementi finiti, la cui maglia è composta da celle a 4 nodi isoparametriche. Un primo risultato è stato il calcolo del tempo teorico di stabilizzazione del sistema che sotto differenti condizioni iniziali e per valori plausibili di Ksoil è risultato compreso fra circa 30 minuti ed una ora. Allo stato stazionario, I risultati del calcolo hanno permesso di valutare la deviazione nel flusso di calore dovuta alla presenza del sensore nel suolo, ed inoltre hanno permesso di ottenere una relazione per la correzione dei valori misurati basata sulla contemporanea misura dei gradienti termici. 

b)    prove di laboratorio Per la calibrazione del sensore LS, sono state eseguite 6 prove in laboratorio con uno strumento sviluppato dall´Osservatorio Vesuviano. Nel fondo di un thermos è stata installata una piastra d´alluminio scaldata da una resistenza elettrica alimentata da una corrente variabile conosciuta. Il thermos è stato riempito con ghiaia carbonatica (tests 1, 2, 3 and 4) e sabbia (tests 5 and 6). Il sensore LS è stato posto alla profondità di 5 cm. Durante i test la corrente elettrica è stata cambiata in modo da ottenere una dispersione di calore dalla resistenza elettrica (e dalla piastra d´alluminio, H_p) nel range 50-300 W m^-2.  Durante ogni test sono stati misurati il flusso di calore misurato da LS (Hs* )  e il gradiente termico dT/dZ a tempi differenti fino a stabilizzazione. I valori misurati sono stati utilizzati per ricavare Hs (flusso di calore corretto con la relazione trovata mediante la modellizzazione numerica), Kp (= H_p / dT/dZ, conducibilità termica del suolo derivata dal flusso di calore rilasciato dalla piastra),e  Ks (= H_s/ dT/dZ conducibilità termica del suolo derivata dal flusso di calore ottenuto con LS ) (Tabella 4).

Tabella 4. Risultati delle prove di laboratorio del sensore LS

c)    Campagne di misura alla Solfatara di Pozzuoli  e a Nisyros (Grecia) Sono state fatte 4 campagne, una alla Solfatara e tre in differenti DDS di Nisyros (Stefanos, Polibotes micros e Kaminakia north). Ogni campagna è consistita nella misura di  (i) flussi di CO₂  fluxes, (ii) flussi di calore con il sensore LS e (iii) gradienti termici nei primi 20-40 cm di suolo (dT/dZ). Inoltre  le fumarole di ognuna delle DDS indagate sono state campionate ed analizzate per ottenere un a possibile valore del rapporto H₂O/CO₂  dei fluidi che alimentano il processo di degassamento prima della condensazione del vapore. Assumendo che i flussi di calore del suolo (Hs) siano interamente generati dal calore rilasciato durante la condensazione, è stato calcolato il flusso di vapore coinvolto (H₂O flux nella Tab. 5) dividendo il flusso di calore per il calore latente d´evaporazione (2257 J g^-1) a 100°C.  I risultati ottenuti sono riportati in Tab. 5. I rapporti fra i flussi di H₂O e CO₂ sono risultati molto simili ai rapporti H₂O/CO₂ wt misurati nei fluidi fumarolici di ogni area. Questa corrispondenza non è certo fortuita e suggerisce: (i) le stime basate sulle misure di flusso di calore e di CO2 sono ‘affidabili´; (ii) le fumarole di ognuna delle aree indagate sono interessate in modo trascurabile da processi secondari (per es. condensazione); (iii) il processo di degassamento diffuso di CO₂ deriva dalla risalita di fluidi fumarolici che sono pressochè  totalmente affetti da condensazione del vapore.

Tabella 5. Risultati delle campagne di misura di flussi di calore e CO₂  alla Solfatara e a Nisyros

PRODOTTI DELLA RICERCA

Vedi task 1

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TASK 4 – Dati analitici del 14C e prime valutazioni sul degassamento di CO2 alla Solfatara negli ultimi 20-30 anni

UR PARTECIPANTI: UR1, UR5

OBIETTIVI I ANNO

Selezione degli alberi da analizzare nell´area della Solfatara.  Campionatura.  Analisi di C-14.  Prime elaborazioni dei dati e valutazioni.

RISULTATI I ANNO

A seguito di un´appropriata ricognizione del territorio è stato scelto un albero adatto per esposizione all´esperienza proposta (si tratta di un pino piantato intorno al 1940).  Parallelamente si è provveduto a scegliere un blank da idoneo sito (un altro pino, peraltro circa coevo del precedente).

Il gruppo di Bologna ha provveduto alla dendrodatazione delle sezioni di albero di interesse:  in particolare sono state esaminate due sezioni dell´albero prescelto, una prelevata alla base ed una seconda a 2m circa di altezza, ed una sezione del blank.  Si è potuta individuare una corrispondenza perfetta tra le sequenze (seppure com´è naturale a partire da un anello iniziale variabile da una  sezione all´altra):  le sequenze permettono di stabilire una corrispondenza biunivoca tra i singoli anelli delle tre sezioni.  Si sono poi prelevati i microcampioni necessari per la spettrometria di massa (AMS, Atomic Mass Spectrometry), che sono in fase di preparazione per il conteggio sullo spettrometro.  Si prevede di avere i primi risultati disponibili nel prossimo mese di settembre.

PRODOTTI DELLA RICERCA

-     I dati dendrocronologici sono stati integrati in una banca dati di sequenze, essendovi carenza di dati relativi all´area campana

-     E´ stata progettata e realizzata un´apparecchiatura di nuovo tipo per la preparazione di campioni per le misure AMS di C-14

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TASK 5 – Modellizzazione fisica per lo studio delle DDS

UR PARTECIPANTI: UR1, UR4

OBIETTIVI I ANNO

Gli obbiettivi del task 5 prevedevano, per il primo anno, una fase iniziale di ricerca bibliografica, seguita da una seconda fase dedicata alla progettazione ed esecuzione di simulazioni numeriche mirate a:

-   verificare il corretto funzionamento del codice, installato su varie piattaforme;

-   selezionare un´opportuna griglia di calcolo;

-   valutare la rilevanza di parametri fisici importanti del sistema naturale (conducibilità termica, calore specifico, densità, porosità e permeabilità del mezzo poroso);

-   riprodurre le condizioni fisiche del sistema naturale, così come si desumono in base ai dati geochimici raccolti in superficie.

RISULTATI I ANNO

-   Interpretazione e modellistica

La raccolta e l´analisi dei dati esistenti in bibliografia sulla Solfatara ha consentito la definizione di un modello concettuale (lavoro svolto dalla UR1), ovvero di quell´insieme di ipotesi sul funzionamento del sistema reale e sulle cause delle sue variazioni che costituisce la base su cui si poggia la successiva fase di modellizzazione. In base al modello concettuale, sono state definite le dimensioni appropriate del dominio di calcolo e le condizioni iniziali ed al contorno compatibili con l´attuale comprensione del sistema reale. Sono inoltre stati identificati valori appropriati per i parametri che caratterizzano il mezzo poroso e che vanno definiti come dati in ingresso al momento dell´applicazione del modello fisico. Laddove la mancanza di misure ha impedito una definizione univoca di questi parametri, è stato definito un ragionevole intervallo di variazione. Parallelamente, si è provveduto all´installazione e alla verifica del corretto funzionamento del codice di calcolo. Le simulazioni sono state eseguite con il codice TOUGH2, sviluppato presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (CA, USA), che consente di descrivere il flusso non isotermo di un fluido multi-fase e multi-componente attraverso un mezzo poroso eterogeneo ed anisotropo.

Le simulazioni sono state progettate in base al modello concettuale, considerando una simmetria cilindrica (dimensioni radiali da 1 a 3 km, profondità di 2.5 km) e diverse griglie di calcolo, con un numero di elementi variabile da 200 a 800. Analisi parametriche sono state effettuate sui valori di conducibilità termica, calore specifico e densità della matrice porosa, oltre che della porosità e permeabilità. Sono stati considerati sia sistemi uniformi che sistemi caratterizzati dall´alternarsi di strati con caratteristiche fisiche differenti. Le simulazioni sono state generalmente eseguite considerando un fluido composto da aria e acqua, anche se alcune simulazioni sono già state effettuate considerando invece miscele di acqua e anidride carbonica. Nella maggior parte delle simulazioni il sistema è stato considerato inizialmente statico e caratterizzato da un gradiente di temperatura di 30°C/km. Il profilo di pressione è stato di volta in volta calcolato in base alla dimensione imposta alla zona inizialmente satura d´acqua. Per quanto riguarda le condizioni al contorno, tutte le simulazioni sono state eseguite finora considerando il tetto del sistema aperto al flusso di fluido e di calore, e caratterizzato da valori atmosferici di pressione e temperatura, mentre il margine laterale è stato sempre considerato impermeabile e adiabatico. Parte delle simulazioni è stata poi eseguita considerando la base del dominio impermeabile e imponendo una serie di sorgenti di calore (di intensità variabile da 0.127 a 6,25 W/m²), mentre altre simulazioni sono state effettuate con la base del dominio permeabile e comunicante con un acquifero in ebollizione a 290°C.

I risultati delle simulazioni effettuate sono tuttora in fase di elaborazione, ma hanno sottolineato ancora una volta l´importanza della struttura eterogenea della matrice porosa nel determinare l´evoluzione dell´intero sistema. In particolare si è visto che a prescindere dalle condizioni imposte alla base, la presenza di uno strato a bassa permeabilità rappresenta una condizione necessaria allo sviluppo di una fase di vapore secco (la cui presenza alla Solfatara è suggerita dalla composizione chimica dei gas emessi). La zona impervia separa infatti il vapore in risalita dalla fase liquida che resta confinata nella zona più permeabile. Le simulazioni hanno inoltre dimostrato come la distribuzione di permeabilità influenzi indirettamente anche la rilevanza degli altri parametri fisici che caratterizzano la matrice porosa: un elevata permeabilità consente una vigorosa circolazione di fluidi, che a sua volta rende meno importanti gli effetti di variazioni della conducibilità termica o del calore specifico del mezzo poroso.

PRODOTTI DELLA RICERCA

-       Relazione di fine anno per l´assegno di ricerca

ELENCO PUBBLICAZIONI

a) Riviste internazionali

Chiodini G. , Frondini F., Cardellini C., Parello F. and  Peruzzi L. (2000). Rate of diffuse carbon dioxide earth degassing estimated from carbon balance of regional aquifers: the case of Central Apennine (Italy), J Geophys. Res., 105, 8423-8434

Rogie, J.D., Kerrick, D.M., Chiodini, G., and Frondini, F. (2000). Flux measurements of nonvolcanic CO2 emission from some vents in central Italy, J Geophys. Res., 105,8435-8445

Chiodini G., Allard P., Caliro S. and Parello F. (2000). ¹⁸O exchange between steam and carbon dioxide in volcanic and hydrothermal gases: implications for the source of  water, Geochimica Cosmochimca Acta 64, 2479-2488

Chiodini G. and Frondini F. (2001). Carbon dioxide degassing from the Albani Hills volcanic region, Central Italy. Chemical Geology 177, 1-2 pp. 67-83

Brombach T, Hunziker J.C., Chiodini G., Cardellini C. and Marini L. (2001) Soil diffuse degassing and thermal energy fluxes from the southern Lakki plain, Nisyros (Greece). Geophys. Res. Letter, 28, 1, 69-72

Chiodini G., Marini L. e Russo M.  Geochemical evidences of high temperature hydrothermal brines at Vesuvio volcano (Italy),  Geochimica et Cosmochimica Acta 65, 13, 2129-2147

Rogie, J.D., Kerrick, D.M., Sorey, M.L., Chiodini, G., and Galloway, D.L (2001) Dynamics of Carbon Dioxide Emission at Mammoth Mountain, California Earth and Planetary Science Letters (188)3-4, 535-541

G. Chiodini, F. Frondini, C. Cardellini, D. Granieri, L. Marini, and G. Ventura. CO₂ Degassing and Energy Release at Solfatara Volcano, Campi Flegrei, Italy. (2001) J Geophys. Res (accepted)

F. Parello, G.Capasso, W.D´Alessandro, R. Favara, S. Inguaggiato, - 2001- Kinetic isotope fractionation of CO2 Carbon due to diffusion processes through the soil. Water-Rock-10 pp. 1497-1499.

Brombach, T., G. Chiodini, C.J. Hunziker, L. Marini, and B. Raco, Origin of the fumarolic fluids of Nisyros, Greece, and isotopic evidence for a magmatic contribution, Bull. Volc. (submitted)

Cardellini C., Chiodini G., Frondini F., Granieri D., Lewicki J. and  Peruzzi L. A method for quick measurements of soil CH₄ fluxes: application to natural environments and landfills. Applied Geochemistry (submitted)

b) Presentazioni a congressi -  abstracts

Cardellini C., Chiodini G., Frondini F., Giaquinto S., Parello F. & Peruzzi L. (2000) Quantification of diffuse carbon dioxide degassing from Central Apennine (Italy): the carbon balance in regional aquifers approach. Goldschmidt 2000, September 3rd-8th, 2000, Oxford, U.K. Journal of Conference Abstracts, Volume 5(2), 285. Cambridge Publications 2000

Chiodini G., Frondini F., Minelli G., Pialli G. & Cardellini C. (2000) Mantle degassing, CO2 traps and seismogenesis in Northern Apennines. Riassunti del Convegno “Evoluzione geologica e geodinamica dell´Appennino” pp.86-87. Soc. Geol. It., Foligno16-18 Febbraio 2000 (abstract).

Cardellini C., Chiodini G. & Frondini F. (2000) Deep CO2 emission in Italy: a review. Scuola di Geochimica dei Fluidi - Volume Speciale: speciazione in fase acquosa, speciazione in fase gassosa. Società Italiana di Geochimica (So.Ge.I.). Arezzo, 29 Agosto – 1 Settembre, 2000.

Avino R., Caliro S., Chiodini G., Di Matteo V., Frondini F., Granieri D., Quareni F., Russo M. (2000) Heat flow from diffuse degassing structures of active volcanoes Eos Trans. AGU, 81 (48), Fall Meet. Suppl., Abstract V62C-01

Chiodini G. and  Macedonio G. (2000) Natural CO2 emissions in Italy: observation and modelling.  Eos Trans. AGU, 81 (48), Fall Meet. Suppl., Abstract V62C-02

Rogie J., Kerrick D., Sorey M.  and  Chiodini G. (2000) Measurement  anf analysis of magmatic CO2 at Mammoth Mountain, California, 1997-2000. Eos Trans. AGU, 81 (48), Fall Meet. Suppl., Abstract V72D-12

Chiodini G., Avino R., Caliro S., Cardellini C., Frondini F., Granieri D., Moretti R., Russo M. (2001) – Volcanic-hydrothermal energy release at Solfatara – OMES 2001, International Workshop on Optical Methods in Earth Sciences, 21-24 Marzo, 2001  Bacoli, Napoli (Italy)

Chiodini G., Avino R., Caliro S., Cardellini C., Frondini F., Granieri D., Moretti R., Russo M. (2001) – The hydrothermal system of Vesuvio Volcano – OMES 2001, International Workshop on Optical Methods in Earth Sciences, 21-24 Marzo, 2001  Bacoli, Napoli (Italy)

Macedonio and Chiodini (2001) Observation and modelling natural CO2 emissions in Italy. Geophysical Research Abstracts, 3, Eur. Geoph. Soc. 26th General Assembly, Nice, March 2001, p. 1080

Avino, R.; Caliro, S.; Cardellini, C.; Chiodini, G.; Di Matteo, V.; Frondini, F.; Granieri, D.; Moretti, R.; Russo, M (2001) Continuous and discontinuous monitoring of CO2 soil diffuse degassing in volcanic sites: the case of Solfatara (Campi Flegrei) and vesuvio volcanoes Abstracts, 3, Eur. Geoph. Soc. 26th General Assembly, Nice, March 2001, GRA3  p. 272

Avino R., Caliro S., Cardellini C., Chiodini G., Di Matteo V., Frondini F., Granieri D., Marini L., Moretti R., Russo M. - Hydrothermal activity at Vesuvio - EGS XXVI General Assembly, 25-30 March, 2001 Nice (France)

Brombach, T.; Chiodini,G.; Cardellini, C.; Marini, L.; Hunziker, J.C. Soil diffuse degassing and thermal energy fluxes from the southern Lakki plain, Nisyros (Greece) Abstracts, 3, Eur. Geoph. Soc. 26th General Assembly, Nice, March 2001, GRA3  p. 273

Ventura G., Chiodini G., Granieri D., Frondini F., Cardellini C., Russo M. - Relationships between diffuse degassing and tectonic structures at Nisyros and Campi Flegrei – EGS XXVI General Assembly, 25-30 March, 2001 Nice (France)

Chiodini G., Caliro S., Cardellini C., Frondini F., Granieri D. - Diffuse soil degassing at Solfatara volcano, Campi Flegrei (Italy) - EGS XXVI General Assembly, 25-30 March, 2001 Nice (France)

c) Rapporti di Sorveglianza

Chiodini G., Avino R., Caliro S., Cardellini C., Granieri D., Russo M. (2000)- Rapporto di sorveglianza Geochimica: Vesuvio II semestre 1999 - Rendiconto sull´attività di sorveglianza II semestre 1999 (Luglio-Dicembre 1999) - Osservatorio Vesuviano, Febbraio 2000, 31-37.

Avino R., Caliro S., Cardellini C., Chiodini G., Di Matteo V., Frondini F., Granieri D., Moretti R., Peruzzi L., Russo M. (2000)  Rapporto di sorveglianza Geochimica: Vesuvio I semestre 2000 - Rendiconto sull´attività di sorveglianza I semestre 2000 (Gennaio-Giugno 2000) - Osservatorio Vesuviano, Luglio 2000, 25-29.

Avino R., Caliro S., Cardellini C., Chiodini G., Di Matteo V., Frondini F., Granieri D., Moretti R., Peruzzi L., Russo M. (2000)  Rapporto di sorveglianza sulla Geochimica: Campi Flegrei I semestre 2000 - Rendiconto sull´attività di sorveglianza I semestre 2000 (Gennaio-Giugno 2000) - Osservatorio Vesuviano, Luglio 2000, 59-64.

Avino R., Caliro S., Cardellini C., Chiodini G., Di Matteo V., Frondini F., Granieri D., Moretti R., Peruzzi L., Russo M. (2001) - Rapporto di sorveglianza Geochimica: Campi Flegrei II semestre 2000 - Rendiconto sull´attività di sorveglianza II semestre 2000 (Luglio-Dicembre 2000) - INGV- Osservatorio Vesuviano, Febbraio 2001, 62-68.

Avino R., Caliro S., Cardellini C., Chiodini G., Di Matteo V., Frondini F., Granieri D., Moretti R., Russo M. (2001)- Rapporto di sorveglianza Geochimica: Vesuvio II semestre 2000 - Rendiconto sull´attività di sorveglianza II semestre 2000 (Luglio-Dicembre 2000) - INGV- Osservatorio Vesuviano, Febbraio 2001, 23-27.

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Sviluppo di un sistema spettroscopico integrato per la rivelazione remota e in continua di gas vulcanici

Coordinatore scientifico del progetto

Paolo De Natale – Primo Ricercatore

Istituto Nazionale di Ottica Applicata (INOA)

Partecipanti al progetto

OBIETTIVI GENERALI

-       Task 1: Realizzazione degli spettrometri

-       Task 2: Misure spettroscopiche e test di laboratorio

-       Task 3: Misure in campo e analisi dati

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TASK 1 – Realizzazione degli spettrometri

UR PARTECIPANTI: Tutte

– responsabile Dr. Paolo De Natale

Obiettivi

-         Progettazione e realizzazione degli spettrometri DLS;

-         Modifiche agli spettrometri DFG e FTIR.

Gli obiettivi per il primo anno di progetto, previsti nell´ambito del task 1  sono stati raggiunti. In particolare, è stato realizzato lo spettrometro laser per la misura del rapporto di concentrazione CO₂/H₂O. Quindi, si è realizzato il software per il controllo dello spettrometro, per l´acquisizione dati e per l´analisi degli spettri. Poi, è stato progettato e realizzato un primo spettrometro per la misura di variazioni nel rapporto isotopico ¹³CO₂/¹²CO₂.

Sono stati inoltre realizzati numerosi test degli apparati, con lo scopo di ottimizzare le caratteristiche di precisione, accuratezza e risoluzione temporale.

Come descritto in dettaglio nella sez. Risultati I anno, è stato messo a punto il software per l´acquisizione in modo automatico, da PC portatile, degli spettri.

E´ stato anche messa a punto una routine di fit per l´analisi dei dati, sempre riguardante gli spettrometri DLS.

Per quanto riguarda lo spettrometro DFG, il principale obiettivo del primo anno del programma di ricerca triennale è stato progettare un sistema trasportabile per la rivelazione di gas, capace di misurare il rapporto isotopico ¹³C/¹²C nell´anidride carbonica, ed eseguire test di laboratorio. Questo sensore si basa su spettroscopia a doppio fascio ad assorbimento diretto e utilizza la generazione di differenza di frequenza (DFG) come sorgente spettroscopica di luce coerente.

Come è stato riportato alla Conferenza Optical Methods in Earth Sciences, tenutasi a Bacoli dal 21 al 24 Marzo 2001, il sistema DFG è stato testato con successo in ambiente vulcanico ed è quindi pronto ad essere impiegato sui vulcani italiani previsti nel progetto. Nel corso dei mesi di agosto-settembre, l´unità RU provvederà ad effettuare, negli Stati Uniti, dei test sull´apparato, al fine di ottimizzare l´accuratezza dell´apparato per la misura di rapporti isotopici.

Per lo strumento FTIR, sono state modificate le ottiche di accoppiamento per l´uso sul campo, come discusso nella proposta originaria, usando un telescopio ad inseguimento solare anzichè un telescopio Newtoniano. Ciò ha reso possibile le prime misure di flussi di gas vulcanici usando lo FTIR (riportato da Duffell et al., 2001).

Nonostante non fosse previsto nel progetto originario, il gruppo CU ha anche effettuato i primi test di uno spettrometro UV compatto costruito dalla Ocean Optics, direttamente sul campo, al vulcano Masaya, Nicaragua.

Al fine di un utilizzo da parte degli spettrometri DLS ed, eventualmente del DFG, sono state realizzate anche due speciali celle multi-passo (vedi figura 1), in materiali resistenti ad un uso in campo, per aumentare la sensibilità di rivelazione.

Figura 1. Celle multi-passo da usare con gli spettrometri DLS e DFG.

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TASK 2 – Misure spettroscopiche e test di laboratorio

UR PARTECIPANTI: Tutte

– responsabile Dr. Livio Gianfrani

Obiettivi

-         Acquisizione di dati spettroscopici preliminari;

-         Prove in laboratorio degli spettrometri;

-         Verifica della possibilità di effettuare misure di rapporti isotopici;

-         Prove incrociate degli spettrometri.

Come previsto nel task 2, sono state effettuate prove in laboratorio degli spettrometri DLS, sia per la rivelazione di rapporti di concentrazione acqua/anidride carbonica, sia per la misura di rapporti isotopici. I risultati di questo lavoro, effettuato dai gruppi INOA e DSA, è riportato nella bibliografia allegata [2] ed ha consentito di testare l´apparato DLS per ciò che riguarda i livelli di sensibilità, precisione e riproducibilità nella misura di concentrazioni.

E´ stata verificata la possibilità di misurare rapporti isotopici, sia con il DLS che con il DFG ed, attualmente, è in corso una ottimizzazione delle procedure al fine di aumentare l´accuratezza della misura, sia in laboratorio che sul campo.

Sono state effettuate, in laboratorio, le misure preliminari di calibrazione per la determinazione della concentrazione delle varie specie da rivelare.

Come descritto nel task 3, e come è riscontrabile dai riferimenti bibliografici allegati, tutti gli spettrometri sono stati testati, sia in laboratorio che sul campo.

Prove incrociate degli spettrometri sono state effettuate sul campo, come descritto nel Task3.

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TASK 3 – Misure in campo e analisi dati

UR PARTECIPANTI: Tutte

– responsabile Dr. Paolo De Natale

Obiettivi

-         Test in campo dei quattro spettrometri;

-         Campagne coordinate presso l´isola di Vulcano, il Monte Etna e la Solfatara per:

i.      Misure di concentrazioni di HCl, CO₂, SO₂, and H₂S nelle emissioni vulcaniche;

ii.     Misure del rapporto di concentrazione CO₂/H₂O;

iii.    Misure del rapporto isotopico ¹³CO₂/¹²CO₂, relativo allo standard;

-         Analisi dei risultati ottenuti ed interpretazione in chiave geochimico-vulcanologica.

Nel Programma per il I anno non sono state previste misure in campo, per nessuno degli spettrometri, in quanto l´attività in campo era programmata per il II e III anno.

Nonostante ciò, tre degli spettrometri sono stati testati sul campo nel corso del I anno di attività.

In particolare, lo spettrometro DLS per la misura di rapporti di concentrazione CO₂/H₂O è stato provato alla Solfatara, mentre i sistemi DFG e FTIR sono stati utilizzati simultaneamente sul vulcano Masaya, Nicaragua. E´ stata lì effettuata l´acquisizione selettiva, in modo automatico, di spettri di CO₂, SO₂, H^35,37Cl, H₂O, e CH₄. L´esito del test incrociato, sul campo, dei due spettrometri, è descritto in dettaglio in [10]. Da questo riferimento si riporta la tabella riassuntiva qui di seguito:

OBIETTIVI I ANNO

Nel programma del I anno di attività, erano stati inseriti i seguenti obiettivi:

-         Progettazione e realizzazione dello spettrometro DLS per misure del rapporto di concentrazione CO2/H2O.

-         Misure spettroscopiche preliminari su H2O, CO2 e 13CO2.

-         Realizzazione del sistema di controllo dello spettrometro DLS, per l´acquisizione dati e l´analisi in tempo reale dei profili di riga.

-         Preparazione e test dello spettrometro DFG per misure in-situ e in tempo reale di concentrazione di HCl.

-         Modifiche allo spettrometro FTIR e implementazione del nuovo sistema di rivelazione.

-         Programmazione di campagne di misura coordinate presso la Solfatara e l´isola di Vulcano, previste nel secondo anno.

RISULTATI I ANNO

Sistema DLS:

-   Sviluppi metodologici

E´ stato progettato e realizzato lo spettrometro DLS per misure del rapporto di concentrazione CO₂/H₂O. Lo spettrometro, operante con un laser a diodo (InGaAsP/InP) DFB con emissione a 2 micron, permette di effettuare misure assolute di concentrazioni, simultaneamente per le molecole di CO₂ e H₂O. Uno studio spettroscopico preliminare, in questa regione spettrale, ha permesso di individuare la coppia di transizioni vibro-rotazionali più adatte a tale scopo: la R(34) della banda n₁+2n₂°+n₃ per la CO₂ e la 15_0,15->14_0,14 della banda n₂+n₃ per l´H₂O. L´utilizzo di fibre ottiche del tipo comunemente utilizzato per applicazioni in telecomunicazioni, nonostante la radiazione a 2 micron si collochi al limite della finestra ottimale di trasmissione, si è rivelato efficace ed ha consentito di implementare schemi per il monitoraggio a distanza. In particolare, sono state realizzate due diverse configurazioni, una basata su una cella a riflessioni multiple con cammino ottico pari a 50 m e l´altra su una cella di lunghezza pari a circa 30 cm. Nel primo caso, la radiazione trasportata dalla fibra ottica viene collimata in aria, e, dopo la propagazione nella cella multipasso, viene immediatamente rivelata da un fotodiodo. Nel secondo caso, invece, dopo la collimazione in aria e la propagazione nella cella, la radiazione viene nuovamente iniettata in una fibra ottica. Le performance dello spettrometro sono state verificate in laboratorio, attraverso una serie di test sperimentali su miscele certificate di aria sintetica. La riproducibilità nel breve termine (ossia misure ripetute di concentrazione, su un dato campione d´aria, per un tempo dell´ordine di qualche minuto) è risultata pari a circa 0.3 % e 0.5 %, per concentrazioni ambiente di CO₂ e H₂O rispettivamente. L´accuratezza, invece, è risultata migliore dell´1%.

Parallelamente, si è realizzato uno studio spettroscopico, nella medesima regione spettrale, per verificare la possibilità di effettuare misure del rapporto isotopico ¹³CO₂/¹²CO₂. Tra le numerose coppie di transizioni accessibili alla sorgente in uso, la più adatta è risultata la R(18) del ¹³C e la R(44) del ¹²C, considerando il favorevole rapporto d´intensità e la loro separazione in frequenza. Tuttavia, il medesimo rapporto d´intensità presenta una forte dipendenza dalla temperatura (con una variazione relativa di circa 1% per K), il che rappresenterebbe un limite stringente per misure in campo. In tal senso, situazioni migliori possono essere trovate nell´intorno di 2.007 micron. Per tale motivo, si sta attualmente provvedendo ad acquisire un´altra sorgente laser a diodo con emissione in questa regione spettrale. Ciò nonostante, si è implementato un primo spettrometro per la rivelazione simultanea dei due isotopi, facendo ricorso alla tecnica di Wavelength Modulation Spectroscopy con rivelazione in terza armonica. Una prima verifica della precisione nella misura del rapporto isotopico ha fornito un promettente risultato, dell´ordine di 0.1 %.

-   Acquisizione dati

L´acquisizione degli spettri avviene attraverso un oscilloscopio digitale, controllato da computer, mediante una scheda GPIB. A tale scopo, è stato realizzato un codice in BASIC che consente di effettuare la completa gestione dell´oscilloscopio nonchè l´acquisizione degli spettri. Quest´ultima è realizzata in doppia precisione, usando il formato binario, con due byte per ciascun punto acquisito. Ciò ha permesso di ottenere una risoluzione verticale di 16 bit.

Il programma permette di acquisire fino a 999 spettri in automatica, con una risoluzione temporale variabile a piacimento, con un limite inferiore di 500 ms. In corrispondenza di ciascuno spettro, viene acquisita anche la temperatura del campione gassoso.

-   Interpretazione e modellistica

Per le misure di concentrazione, gli spettri acquisiti vengono analizzati mediante un programma in MATLAB, funzionante interamente in automatica. L´analisi consiste in un best fit del profilo di riga, attraverso la routine di Levenberg-Marquardt, e fornisce l´assorbanza integrale in cm^-1. Da quest´ultima, si ricava la concentrazione della specie sfruttando la legge di Lambert-Beer. Nell´ambito dello stesso programma, si effettua la calibrazione in frequenza degli spettri e si calcola il fattore di calibrazione per la determinazione della concentrazione, ossia l´intensità di riga S alla temperatura di lavoro, partendo dalla S misurata ad una data temperatura di riferimento. Ciò viene effettuato per entrambe le specie molecolari (H₂O e CO₂).

Sistema DFG:

-   Scelta delle righe per le misure di rapporto isotopico

Le forti bande di assorbimento vibrazionale-rotazionale di ¹²CO₂ e ¹³CO_2,  centrati rispettivamente a 4.28 e 4.37 micron, forniscono molte coppie di righe che sono adatte per la spettroscopia ad assorbimento diretto. Per scegliere la coppia di righe più adatta, sono state considerate le seguenti condizioni:

i.     L´intensità delle due righe ¹³CO₂ e ¹²CO₂ deve essere quasi identica e la loro separazione spettrale deve essere più piccola dell´intervallo in frequenza della scansione laser (tipicamente 0.3 cm^-1) in modo che entrambe le righe dovrebbero essere nella finestra di scansione.

ii.     La concentrazione prevista di CO₂ nel gas delle fumarole è intorno a 10,000 ppm. Per evitare la saturazione del segnale, il picco di assorbimento dovrebbe essere inferiore al 50%.

iii.    Il metodo di regressione lineare (descritto nella sezione successiva) parte dal presupposto che la/le riga/righe ¹²CO₂ sono spettralmente separate dalla/e riga/righe ¹³CO₂. Qualsiasi interferenza tra le due righe isotopiche deteriora la misura.

La coppia di righe più adatta, che soddisfi cioè le esigenze sopra elencate, è centrata a 2299.642 cm^-1 (¹²CO₂, P41) e 2299.795 cm^-1 (¹³CO₂, R22). La separazione spettrale di queste righe è 0.153 cm^-1 ed i loro FWHM (larghezza totale a metà altezza) sono 0.0177 cm^-1 (¹²CO₂) e 0.01859 cm^-1 (¹³CO₂) a 100 Torr di pressione totale. Dal momento che queste righe interferiscono solo con altre righe dello stesso isotopo, la finestra di scansione può essere facilmente divisa in due parti, una contenente le righe che appartengono all´isotopo ¹³CO₂, l´altra contenente le righe che appartengono all´isotopo ¹²CO₂.

-   Sensibilità alla temperatura

Dal momento che la naturale abbondanza di ¹³C è circa l´1%, la riga ¹²CO₂ della coppia di righe precedentemente menzionata deve essere una “riga debole” (paragonata alle altre righe nella stessa branca), mentre la riga ¹³CO₂ deve essere una “riga forte”. In altre parole, per rendere la riga ¹²CO₂ di intensità paragonabile, è necessario un fattore di Boltzmann basso. Ciò significa che il livello di energia più basso appartenente alla riga ¹²CO₂ è molto più alto (1340 cm^-1) del livello di energia più basso della riga ¹³CO₂ (197 cm^-1). Calcoli dettagliati mostrano che per misurare il valore di d con una precisione dell´1 ⁰/₀₀, la temperatura deve essere stabilizzata a 50mK. Per ottenere questa bassa differenza di temperatura tra il gas di riferimento ed il campione, il gas campione è stato passato attraverso un tubo lungo 1 m avvolto attorno alla cella.

-   Esperimento e analisi dei dati

La radiazione DFG generata è stata divisa in due fasci. Il primo fascio passava attraverso la cella di riferimento riempita con gas CO₂ calibrato (d=-7.42, Cambridge Isotope Laboratories, Inc.) e il secondo passava attraverso la cella campione. I segnali di riferimento e quello campione sono stati misurati simultaneamente utilizzando due rivelatori MCT e due schede di acquisizione dati. I percorsi ottici del fascio di riferimento e del fascio campione sono stati attentamente bilanciati. Inoltre, per minimizzare ogni errore, introdotto dalle differenti lunghezze dei percorsi, la parte in aria del percorso del fascio (zona di generazione DFG, cella, rivelatori) è stata posta all´interno di una scatola (15cm X 30cm X 45cm) detersa con N₂. Un ulteriore vantaggio della pulitura è che l´elevato fondo di assorbimento determinato dalla CO₂ atmosferica può essere eliminato. I dati e i canali di riferimento sono stati successivamente riempiti di N2 per misurare le linee di base (cioè il fondo in assenza di CO₂).

La regressione lineare fornisce un semplice metodo per valutare i dati misurati. Le finestre di scansione (sia quella per il riferimento che per il campione) sono divise in due parti in modo che le righe appartenenti ad isotopi differenti siano separati. L´assorbanza nel canale di riferimento può essere rappresentata come una funzione dell´assorbanza nel canale campione. L´inclinazione della curva lineare “fittata” produce il rapporto di concentrazione per entrambi gli isotopi (¹²C_sample/¹²C_reference e ¹³C_sample/¹³C_reference). Dal momento che il rapporto isotopico nel canale di riferimento è conosciuto (Cº¹³C_reference/¹²C_reference), il rapporto isotopico nel canale campione può essere calcolato come:

I nostri primi risultati mostrano che siamo in grado di misurare i valori di d in laboratorio con un´accuratezza di ± 2. Stiamo programmando di ottimizzare e testare ulteriormente il sistema usando un tasso di flusso più basso e parametri di acquisizione ottimali.

Sistema FTIR:

L´adeguatezza del sistema FTIR per misure in campo è testimoniata dai risultati più recenti, riportati in [10, 12, 14]. Le ottiche di accoppiamento sono state modificate, come previsto nel progetto.

Nel mese di Marzo 2001 si è svolto un Workshop internazionale dal titolo Optical Methods in Earth Sciences, organizzato dai gruppi partecipanti al nostro Progetto e sponsorizzato da vari Enti, tra cui GNV ed INGV. Nel corso di questa conferenza, a cui hanno partecipato molti rappresentanti dei principali gruppi di ricerca europei ed americani, è stato possibile fare il punto sulle più avanzate metodologie ottiche applicate alle Scienze della Terra.

Un volume speciale della rivista Optics and Lasers Engineering, edita dalla Elsevier, attualmente in preparazione e la cui pubblicazione è prevista entro l´anno, raccoglierà in modo organico i risultati principali presentati nel corso della Conferenza, costituendo pertanto un importante riferimento bibliografico per tutti i gruppi che operano nel settore.

Durante la Conferenza, è stato possibile discutere, con i partecipanti al Progetto i risultati preliminari ottenuti ed è stato possibile pianificare le campagne di misura per i due anni successivi. E´ risultato peraltro di estrema importanza confrontare i risultati e le metodologie riguardanti il nostro Progetto con i partecipanti ad altri Progetti GNV, oltre che con gli altri partecipanti al Workshop.

PRODOTTI DELLA RICERCA

-   n° 19 pubblicazioni su riviste internazionali

-   n° 4 pubblicazioni su atti di convegni

-   n° 4 presentazioni a convegni

-   n° 2 articoli giornalistici su riviste specializzate

ELENCO PUBBLICAZIONI (includendo lavori in stampa e sottomessi)

De Natale P, Gianfrani L, and De Natale G. Optical methods for monitoring of volcanoes: techniques and new perspectives. J. Volc. Geotherm. Res., in press (2001).

Gianfrani L, De Natale P. Remote measurements of volcanic gases with a diode-laser-based spectrometer. Optics and Photonics News 11: 44 (2000).

Gagliardi G, Restieri R, De Biasio G, De Natale P, Cotrufo F, and Gianfrani L. Quantitative diode-laser absorption spectroscopy near 2 m and high precision measurements of CO2 concentration. Rev. Sci. Instr., in press (2001).

Gagliardi G, Restieri R, Casa G, and Gianfrani L. Chemical and isotopic analysis using diode laser spectroscopy: applications to volcanic gas monitoring. Opt. Las. Eng., in press (2001).

Gagliardi G, Restieri R, Casa G, and Gianfrani L. Gas concentration measurements in volcanic flows using diode laser spectroscopy. International workshop on Optical Methods in Earth Sciences, Bacoli, 21-24 Marzo 2001.

D. Mazzotti, G. Giusfredi, P. Cancio, P. De Natale High sensitivity spectroscopy of CO2 around 4.25 micron with difference-frequency radiation. Opt. Las. Eng., in press (2001).

P. De Natale Novel optical techniques for gas monitoring. Proceedings of the International workshop on Optical Methods in Earth Sciences, Bacoli, 21-24 Marzo 2001.

G. De Natale e  P. Ferraro Optical fiber Bragg gratings as strain sensors for monitoring of seismic areas, Opt. Las. Eng (in press. Nov. 2001).

G. De Natale, Tectonic and volcanic monitoring for geodynamical studies and hazard estimation. Proceedings of the International workshop on Optical Methods in Earth Sciences, Bacoli, 21-24 Marzo 2001

Richter, D., Erdelyi, M., Curl, R.F., Tittel, F.K., Oppenheimer, C., Duffell, H.J., and Burton, M.,  Field measurement of volcanic gases using tunable diode laser based mid-infrared and Fourier transform infrared spectrometers, Opt. Las. Eng (in press. Nov. 2001).

F. K. Tittel, D. Richter, M. Erdelyi, C. Oppeinheimer, H. J. Duffell, R. L. Jones and M. Burton: Volcanic gas emission measurements using tunable mid-infrared diode laser based spectroscopy, Proceedings International Workshop on Optical Methods in Earth Sciences, Bacoli, Napoli, Italy, March 21-24, 2001

Oppenheimer, C., Burton, M.R., Durieux, J., and Pyle, D.M., Open-path Fourier transform spectroscopy of gas emissions from a carbonatite volcano: Oldoinyo Lengai, Tanzania, Opt. Las. Eng (in press. Nov. 2001).

Edmonds, M., Pyle, D., and Oppenheimer, C., HCl emissions at Soufriere Hills Volcano, Montserrat, West Indies, during ths second phase of dome-building: November 1999 to October 2000, Bulletin of Volcanology, in press 2001.

Duffell, H., Oppenheimer, C., and Burton, M.R., Volcanic SO2 and HCl emission rates measured by solar occultation spectroscopy, Geophysical Research Letters, in press 2001.

Horrocks, L.A., Oppenheimer, C., Burton, M.R., Open-path Fourier transform infrared spectroscopy of SO2: an empirical sensitivity analysis, with implications for volcano monitoring, Journal of Geophysical Research-Atmospheres, in press 2001.

Oppenheimer, C., Edmonds, M., Francis, P., and Burton, M.R., Variation in HCl/SO2 gas ratios observed by Fourier transform spectroscopy at Soufrière Hills Volcano, Montserrat, in The eruption of Soufrière Hills Volcano, Montserrat, from 1995 to 1999. Geological Society, London, Memoir  (eds., Druitt, T., and Kokelaar, P.), in press 2001.

Watson, I.M., and Oppenheimer, C., Particle-size distributions of ash-rich volcanic plumes determined by sun photometry, Atmospheric Environment, 35, 3561-3572 (2001).

Edmonds, M., Pyle, D., and Oppenheimer, C., A model for degassing at the Soufrière Hills Volcano, Montserrat, West Indies, based on geochemical data, Earth and Planetary Science Letters, 186, 159-173 (2001).

Burton, M.R., Oppenheimer, C., Horrocks, L.A., Francis, P.W., Diurnal changes in volcanic plume chemistry observed by lunar and solar occultation spectroscopy, Geophysical Research Letters, 28, 843-846 (2001).

Burton, M.R., Oppenheimer, C., Horrocks, L.A., and Francis, P.W., Remote sensing of CO2 and H2O emission rates from Masaya volcano, Nicaragua, Geology, 28, 915-918 (2000).

Francis, P., Horrocks, L., and Oppenheimer, C., Monitoring gases from andesite volcanoes, Philosophical Transactions of the Royal Society, 358, 1567-1584 (2000).

Watson, I.M., Oppenheimer, C., Voight, B, Francis, P.W.,. Clarke, A., Stix, J., Miller, A., Pyle, D.M., Burton, M.R., Young, S.R., Norton, G., Loughlin, S., Darroux, B., and MVO Staff, The relationship between degassing and deformation at Soufriere Hills volcano, Montserrat, Journal of Volcanology and Geothermal Research, 98, 117-126 (2000).

Watson, I.M., and Oppenheimer, C., 2000, Particle size distributions of Mt. Etna´s aerosol plume constrained by sun-photometry, Journal of Geophysical Research-Atmospheres, 105, 9823-9830 (2000).

Articoli giornalistici riguardanti il Progetto pubblicati su riviste specializzate:

Opto&Laser Europe, Telecoms devices probe volcanic gases, 82, p.11 (2001).

Opto&Laser Europe, Sensors working overtimes, 85, pp.37-38 (2001).

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Innovazione tecnologica ed automazione nelle applicazioni integrate dei metodi elettromagnetici e dei campi di potenziale in aree vulcaniche attive

Coordinatore scientifico del progetto

Ciro Del Negro – Ricercatore

Sezione di Catania, INGV – Piazza Roma 2 – 95123 Catania

Partecipanti al Progetto

OBIETTIVI GENERALI

Lo scopo del progetto è l´applicazione di un approccio geofisico multi-metodologico che integri i metodi elettromagnetici e dei campi di potenziale per contribuire alla comprensione della struttura fisica e della dinamica dei vulcani attivi. Per raggiungere questi obiettivi s´intende migliorare il potere investigativo dei metodi elettromagnetici e dei campi di potenziale attraverso (i) lo sviluppo di adeguate metodologie di inversione integrata, (ii) l´applicazione di tecnologie avanzate per l´elaborazione dei segnali registrati in continuo e (iii) l´automatizzazione dei processi di controllo e di gestione e dei rilevamenti in tempo reale. I risultati attesi dovrebbero consentire di migliorare la comprensione dei processi vulcanici, aumentare l´efficienza del controllo dei vulcani e accrescere, in modo sostanziale, la capacità di predire la ripresa dell´attività vulcanica attraverso l´osservazione e l´interpretazione di insiemi completi di parametri fisici, basata su dati multidisciplinari.

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TASK 1 - Tomografie integrate dei campi di potenziale ed elettromagnetici in ambiente vulcanico

UR PARTECIPANTI: URA.1, URA.2, URA.3

OBIETTIVI I ANNO

è stata effettuata l´elaborazione e l´applicazione di un nuovo metodo d´inversione tomografica integrata di dati elettro-magnetici e gravitazionali. La tomografia 3D è stata impostata per ogni situazione di geometria complessa con superficie topografica irregolare. Lo scopo è di riconoscere la presenza di sorgenti d´anomalie primarie o indotte e di fornirne l´ubicazione in senso probabilistico.

Per il monitoraggio delle aree vulcaniche attive, sono stati valutati i poteri diagnostici dei metodi del Potenziale Spontaneo (PS) e della Geoelettrica dipolare (GE). La metodologia PS è maggiormente utile per l´analisi delle parti più superficiali di un vulcano, mentre quella GE, integrata con sondaggi magnetotellurici (MT) fornisce informazioni anche sulla dinamica delle parti profonde.

è stata avviata la caratterizzazione elettrica del versante SE dell´Etna, utilizzando le metodologie PS, GE e MT. In particolare, i risultati delle misure di PS e le relative inversioni tomografiche, oltre a fornire indicazioni di dettaglio sulle strutture più superficiali e sulla loro dinamica tramite misure ripetute nel tempo, serviranno da vincolo per l´analisi dei rilievi GE e MT.

RISULTATI I ANNO

-         Sviluppi metodologici

è stata sviluppata la teoria e verificato l´algoritmo di calcolo della tomografia di probabilità 3D integrata per ogni situazione di geometria complessa con superficie topografica irregolare. è stata applicata con successo all´analisi di dati geofisici integrati disponibili nelle aree vulcaniche del Vesuvio, Etna e Vulcano [UR A.1].

-         Acquisizione dati

è stata acquisita una nuova apparecchiatura per rilievi magnetotellurici e sono in corso i test di funzionalità. è in corso la campagna di rilievi geoelettrici dipolari (GE), ed è stato predisposto il progetto di nuove misure SP e MT sul versante SE dell´Etna [UR A.1].

-         Modelli MT preliminari

è stato condotto uno studio preliminare del versante SE dell´Etna costruendo alcuni modelli diretti 3D, basandosi su precedenti interpretazioni geologiche e geofisiche. Questo lavoro di modellistica è stato intrapreso per pianificare una corretta disposizione dei sondaggi elettromagnetici MT e TEM, che saranno eseguiti nella seconda metà del mese di luglio 2001 [UR A.2].

-         Rielaborazione dei dati gravimetrici

è stato implementato un nuovo programma di calcolo per eseguire la correzione di Bouguer in aree con variazioni significative della superficie topografica. Con questa routine è stata effettuata la riduzione delle 948 stazioni gravimetriche precedentemente acquisite sull´Etna [UR A.3].

PRODOTTI DELLA RICERCA

-          n° 6 pubblicazioni su riviste internazionali

-          n° 4 presentazioni a convegni

-          n° 1 software per la tomografia di probabilità 3D

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TASK 2 - Innovazione tecnologica e metodologica nel monitoraggio dell´attività vulcanica

UR PARTECIPANTI: UR B.1, UR B.2, UR B.3, UR B4

OBIETTIVI I ANNO

Nell´ottica di portare rapidamente le osservazioni gravimetriche, magnetiche ed elettriche in continuo a livelli di applicazione di punta per il controllo dei vulcani attivi, è necessario accelerare tutti i processi capaci di affinare le tecniche di acquisizione dei dati e migliorare la capacità di riconoscere nei segnali gli “eventi”. Le principali problematiche affrontate possono essere così riassunte:

a)      sviluppo e la sperimentazione di strumenti dedicati ad operare in aree vulcaniche;

b)      applicazione di metodologie statistiche avanzate per ottenere un criterio di valutazione dell´affidabilità dei segnali gravimetrici, magnetici ed elettrici quali precursori di eventi vulcanici;

c)       modellizzazione diretta ed inversa eseguita simultaneamente su dati geofisici acquisiti mediante osservazioni multi-metodologiche.

RISULTATI I ANNO

-   Nuova strumentazione

è stato progettato e sperimentato presso l´osservatorio geomagnetico di L´Aquila un prototipo di magnetometro flux-gate tri-assiale autolivellante da utilizzare in aree vulcaniche [UR B.1].

-         Sviluppi metodologici

Sono stati state messe a punto un ampio spettro di metodologie e tecniche per il pre-processing, e la successiva caratterizzazione dinamica dei segnali geoelettrici ed elettromagnetici. Prima, sono state sviluppate tecniche per il “denoising” delle serie temporali, ovvero per la rimozione di ogni possibile disturbo, sia climatico che antropico. Particolare attenzione è stata rivolta al problema dei “data missing” che è una situazione riscontrabile di frequente nelle attività di monitoraggio geofisico. La presenza di “data missing” ha richiesto l´uso di tecniche di analisi spettrale, diverse dalla classica FFT, infatti le stime degli spettri di densità di potenza sono state eseguite con il Lomb Periodogram Method. Successivamente, l´attività di ricerca è stata rivolta allo sviluppo di tecniche avanzate (modelli autoregressivi, tecniche frattali e multifrattali, variogrammi) per la caratterizzazione dinamica dei segnali geoelettrici. Le tecniche sviluppate sono state applicate e testate nell´analisi delle serie temporali archiviate nella banca dati, organizzata e gestita dall´IMAAA, che contiene oltre 100.000 dati geoelettrici misurati in aree sismicamente attive [UR B.2].

è stato anche avviato uno studio per applicare i metodi basati sulla teoria dei filtri predittivi all´identificazione e alla caratterizzazione di eventi di carattere vulcanomagnetico a partire da dati di reti di monitoraggio magnetico. Questi metodi affrontano il problema generale di stima in cui un campione di ognuna delle varie sequenze misurate viene predetto, in modo adattivo, da combinazioni lineari pesate dei campioni passati di altre sequenze, consentendo così di valutare la mutua correlazione tra i segnali stessi. Come caso particolare c´è ovviamente anche la ricostruzione del segnale ad un dato istante sulla base di una combinazione lineare pesata dei dati passati dello stesso segnale. L´analisi predittiva permette di evidenziare degli intervalli temporali dove sono presenti importanti variazioni statistiche del segnale, dette anche aree di non stazionarietà. Per analizzare le variazioni statistiche dei segnali al variare del tempo è stato implementato un algoritmo RLS (Recursive Least Squares), che fornisce una stima pesata dei campioni in input al predittore [UR B.4].

-         Interpretazione e modellistica

Sono stati definiti, in base agli studi esistenti in letteratura, i modelli interpretativi delle variazioni di campo gravimetrico e magnetico in aree vulcaniche ed è stato implementato un software package per la generazione diretta di dati sintetici conseguenti all´intrusione di magma in un ipotetico dicco [UR B.3].

PRODOTTI DELLA RICERCA

-          n. 7+1 +1 publications on international journals

-          n. 10 publications on national journals, proceedings of national and international conferences technical reports

-          data bank

-          n. 3 + 0 +1 software packages

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TASK 3 - Approcci non tradizionali per l´elaborazione automatica di dati acquisiti da reti di monitoraggio vulcanico

UR PARTECIPANTI: UR C.1, UR C.2, UR C.3

OBIETTIVI I ANNO

Al fine di rendere disponibile una base per una risposta in tempo reale in presenza di eventi eruttivi si vuole realizzare un sistema automatico che partendo dalla ricostruzione del comportamento fisico del vulcano fornisca un modello e che, quando sono disponibili dati on-line, permetta di osservare e prevedere la propagazione/evoluzione dei fenomeni. Le strutture di calcolo classiche risultano inadeguate a risolvere problemi di questo tipo, che richiedono di generalizzare il contenuto informativo di un certo numero di casi. è sorta, pertanto, la necessità di ricorrere a paradigmi computazionali innovativi che operando in maniera integrata possano affrontare efficacemente tali problemi. In particolare ci si riferisce a quelle tecniche denominate soft computing che si prestano anche alla risoluzione di problemi che richiedono l´intervento di esperti umani in fase di elaborazione delle informazioni e che danno una stima dell´incertezza con la quale viene ottenuto il modello di un sistema dinamico (il vulcano), avendo a disposizione coppie di valori ingresso-uscita.

RISULTATI I ANNO

-         Sviluppi metodologici

Sono state implementate diverse strategie di elaborazione numerica, sia di natura lineare sia non lineare, per aumentare la significatività dei dati ed estrarre dai dati la maggior quantità di informazione possibile. L´attenzione fu dedicata ai seguenti compiti:

1.        ammodernamento di una stazione gravimetrica pre-esistente per esperimenti sui fenomeni perturbatori della gravità. è stato progettato e sperimentato un nuovo sistema di termostatazione del gravimetro. Per ridurre le variazioni di temperatura entro il decimo di °C e per ottimizzare il bisogno di energia, è stato utilizzato un sistema di controllo basato sulla Fuzzy-logic [UR C.1].

2.        sviluppo di software in ambiente LabView per la gestione veloce dell´analisi dei dati gravimetrici.  Il software consente una rapida analisi visiva preliminare, molto importante per orientare i successivi passi nel trattamento dei dati e in particolare per definire le strategie per rimuovere l´effetto dei perturbatori esterni (essenzialmente meteorici) [UR C.1].

3.        sviluppo di modelli di influenza dei perturbatori di natura meteorologica sulla gravità. Per modellizzare la relazione tra il segnale gravimetrico e i possibili perturbatori sono in fase di test algoritmi di tipo sia lineare che non lineare (Neuro-Fuzzy) che tengono anche conto del ritardo di fase tra segnale perturbante e segnale perturbato [UR C.1].

4.        Sviluppo di un software grafico per la modellizzazione vulcanomagnetica (VMM). Sono state implementate in un´unica procedura sotto MatLab le espressioni analitiche di Okada, per il calcolo dei campi di dislocazione e di stress, di Muratami, per il campo elettrocinetico, e di Sasai ed Utsugi, per il campo piezomagnetico. Questa procedura è stata installata anche sul nostro website, all´indirizzo alpha.iiv.ct.cnr.it, per applicazioni remote via internet [UR C.2].

5.        Applicazione delle Reti Neurali Artificiali come classificatore di segnali magnetici. Per la generazione dei campioni è stato utilizzato il simulatore VMM [UR C.2].

6.        Progettazione e sviluppo di una consolle tecnologicamente avanzata per il controllo a distanza di sensori magnetici vettoriali e di sistemi software con un alto livello d´automazione e flessibilità per il trattamento remoto dei dati magnetici [UR C.2].

7.        Applicazione di tecniche di calcolo non convenzionali, tipiche dell´ingegneria della conoscenza, per l´identificazione e la valutazione di transienti magnetici. è stato condotto uno studio per la predizione delle tempeste magnetiche in aree vulcaniche [UR C.3].

Infine, è stata finanziata l´attivazione di un Dottorato di Ricerca di Ingegneria Elettronica ed Automazione avente come specifico argomento lo Sviluppo di Architetture Intelligenti per il Monitoraggio e il Controllo di Sistemi Complessi. Il dottorato è stato articolato in modo da svolgere l´attività di studio all´Università di Catania (coordinatore Prof. L. Fortuna) e l´attività di ricerca presso la Sezione di Catania dell´INGV (tutore Dr. C. Del Negro).

PRODOTTI DELLA RICERCA

-          n° 9 pubblicazioni su riviste internazionali

-          n° 4 pubblicazioni su riviste nazionali, atti, presentazioni a convegni, rapporti tecnici, etc

-          n° 2 banche dati

-          n° 2 codici di calcolo

ELENCO PUBBLICAZIONI

Mauriello, P., Patella, D., Petrillo, Z. and Siniscalchi, A., 2000: An integrated magnetotelluric study of the Mt.Etna volcanic structure. Annali di Geofisica, vol.43, n.2, 325-342.

Mauriello, P. and Patella, D., 2000: A physical pattern recognition approach for 2D electromagnetic induction studies. Annali di Geofisica, Vol.43, n.2, 343-360.

Mauriello, P. and Patella, D., 2001: Gravity probability tomography: a new tool for buried mass distribution imaging. Geophysical Prospecting, vol.49, n.1, 1-12.

Mauriello, P. and Patella, D., 2001: Localization of maximum-depth gravity anomaly sources by a distribution of equivalent point masses. Geophysics, vol.66, n.5,    .

Vanorio, T., Prasad, M., Patella, D. and Nur, A., 2001: An experimental study of petrophysical properties of volcanic rocks from Etna and Phlegrean Fields. In press on Geophysical Journal International.

Iuliano, T., Mauriello P. and Patella, D., 2001: Looking inside Mount Vesuvius by potential fields integrated geophysical tomographies. In press on Journal of Volcanology and Geothermal Research.

Mauriello, P. and Patella, D., 2001: Magnetic buried sources discrimination by probability tomography. Submitted to Geophysical Prospecting.

Iuliano, T., Mauriello, P. and Patella, D., 2001: Advanced magnetic visualization of the Mt.Vesuvius shallow plumbing system by probability tomography. Submitted to Annali di Geofisica.

Colangelo, G., Lapenna, V., Vallianatos, F. and Nomikos, C. (2000). Investigating the time dynamics of geoelectrical signals measured in two seismotectonic environments of Mediterranean region: the Southern Apennine chain (Southern Italy) and the Hellenic arc (Crete Island, Greece). Annali di Geofisica, Vol.43, N.23, 391-408.

Cuomo, V., Lanfredi, M., Lapenna, V., Macchiato, M., Ragosta, M. and Telesca, L. (2000). Antipersistent dynamics in short time scale variability of self-potential signals, Annali di Geofisica, Vol.43, N.23, 271-278.

Cuomo, V., Lapenna, V., Macchiato, M., Marson, I., Paparo, G., Patella, D., Piscitelli, S. (2000). Geoelectrical and seismoacoustic anomalous signals jointly recorded close to an active fault system in Southern Apennine (Italy). Physics and Chemistry of the Earth, Vol. 25, No.3, 255-261.

Lapenna, V., Macchiato, M., Piscitelli, S. and Telesca, L. (2000). Scale invariance properties in seismicity of Southern Apennine chain (Italy). Pure and Applied Geophysics, 157, 589-601.

Cuomo,V., Di Bello, G., Lapenna, V., Piscitelli, S., Telesca, L., Macchiato, M. and Serio, C., (2000). Robust statistical methods to discriminate extreme events in geoelectrical precursory signals: earthquake prediction. Natural Hazard, 21, 247-261.

Cuomo, V., Di Bello, G., Heinicke, J., Lapenna,V., Martinelli, G., Piscitelli, S. and Telesca, L. (2001). Investigating the temporal fluctuations in geoelectrical and geochemical signals jointly measured in a seismic area of southern Apennine chain (Italy), Annali di Geofisica (accepted).

Telesca, L., Cuomo, V., Lapenna, V. and Macchiato, M. (2001).  Intermittent-type temporal fluctuations in seismicity of the Irpinia (southern Italy) region, Geophys. Res. Lett., (accepted).

Fedi M., La Manna M., Palmieri F., (2001). Non stationary analysis of geomagnetic time sequences from Mt.Etna and North Palm Springs earthquake, PAGEOPH, (submitted).

Nunnari, G., Bertucco, L., (2001). A new software tool for synthetic gravity, magnetic and ground deformation data generation. (in preparation).

Andò, B. & Carbone, D., 2001. A Methodology for Reducing the Signal from a Continuously Recording Gravity Meter for the Effect of Meteorological Parameters. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, in press.

Carbone, D., Budetta, G., Greco, F. and Rymer, H., 2001. Combined discrete and continuous gravity observation at Mt Etna. Paper presented at the EUG XI, Strasbourg - 8th-12th April 2001.

Del Negro, C. & F., Ferrucci (2000). Volcanomagnetic effects at Vulcano Island (Aeolian archipelago, Italy). Geophysical Journal International, 140, 83-94.

Del Negro, C., Ferrucci, F. & Napoli, R., 2000. A review of the volcano-magnetic effects observed between 1981 and 1995 on Mount Etna (Italy), Phys. Chem. Earth, 25, 725-730.

Del Negro, C. & Napoli, R. (2001). Ground and marine magnetic surveys of the lower eastern flank of Etna volcano (Italy). J. Volcanol. Geotherm. Res., (accettato per la stampa).

Del Negro, C. & Hashimoto, T., 2001. A gui-based computation of the volcanomagnetic fields and its application to some Italian volcanoes. Geophys. J. Int., sottoposto.

Del Negro, C., Napoli, R. & Sicali A., 2001. Automated system for magnetic monitoring of active volcanoes, Bull. Volcanol., sottoposto.

Del Negro, C., Ferrucci, F., Napoli, R., 2001. Marine magnetic investigation of the submarine base of Mt. Etna and Iblei mountains, Annali di Geofisica, sottoposto.

Andò, B., S. Graziani, Stochastic Resonance: Theory and Applications, Kluwer Academic Publishers, 2000.

Arena, P., S. Baglio, L. Fortuna, S. Graziani, Analog Cellular Networks for Multisensor Fusion and Control, IEEE Trans. On Circuits and Systems-I: Fundamental Theory and Applications, Vol. 47, N. 9, Settembre 2000, pp. 1378‑1382.

Andò, B., S. Graziani, Noise tuning in stochastic systems, Int J. of  Elect., Vol. 87, No. 6, Giugno 2000, pp. 659-666.

Andò, B., S. Graziani, Adding noise to Improve Measurement, IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, Vol.4, No.1, Marzo 2001, pp. 24-31.

Del Negro, C., G. Currenti, L. Fortuna, Application of non-conventional techniques for magnetic monitoring of active valcanoes, EUG XI  8 – 12 April 2001,  Strasburgo, Francia.

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Caratteristiche chimiche ed isotopiche dei gas e delle acque del Vesuvio, Campi Flegrei, Ischia e Vulcano: valutazione del rischio vulcanico

Coordinatore scientifico del progetto

Prof. Stanzione Damiano - Professore Ordinario

Dipartimento di Scienze della Terra - Università degli Studi di Napoli Federico II

Partecipanti al progetto

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OBIETTIVI GENERALI

L´obiettivo di questo progetto è quello di valutare grazie ad uno studio multidisciplinare le caratteristiche chimiche ed isotopiche delle sorgenti profonde e superficiali dei fluidi emergenti nei sistemi vulcanici del Somma-Vesuvio, dei Campi Flegrei, dell´isola d´Ischia e dell´isola di Vulcano. Lo scopo sarà perseguito attraverso lo studio:

- chimico-isotopico delle acque sotterranee (specie maggiori, minori ed in traccia, ∂18O, ∂D e ∂13C);

- dei gas radioattivi presenti nelle acque, nei suoli e nelle fumarole;

- degli isotopi dei gas rari (attraverso lo studio dei gas intrappolati nei fenocristalli e dai gas fumarolici).

Nell´interpretazione dei dati ottenuti, si terrà conto di diversi parametri quali:

- il ruolo della tettonica locale in ciascuna area presa in esame;

- l´evoluzione cronologica della possibile regione sorgente dei fluidi

- l´importanza delle possibili modificazioni indotte dall´interazione tra i fluidi profondi con i gas e gli acquiferi superficiali, con le rocce incassanti e con l´atmosfera.

Si cercherà in tal modo di comprendere le variazioni chimiche ed isotopiche osservate sia nei prodotti vulcanici emessi in passato sia nei fluidi attualmente circolanti nelle aree studiate.

Le misure effettuate durante tale progetto e quelli già esistenti in letteratura costituiranno un prezioso data-base i cui dati potranno essere utilizzati per meglio caratterizzare i meccanismi e le dinamiche che avvengono nei sistemi vulcani studiati.

OBIETTIVI I ANNO

Mantenimento e ulteriore sviluppo delle reti di monitoraggio geochimico delle acque sotterranee.

Tale obiettivo è perseguito attraverso le seguenti linee programmatiche:

1)      Individuazione delle zone di particolare interesse per lo studio del sistema profondo sulla base dei dati pregressi;

2)      Inizio attività di monitoraggio geochimico su selezionati punti d´acqua nelle aree di interesse;

3)      Prime analisi su elementi in traccia presenti nelle acque dell´area vulcanica dei Campi Flegrei

Campagne di misura della composizione chimica, isotopica e radioattività delle acque nei sistemi vulcanici. Il programma prevede il campionamento periodico di acque sotterranee e fluidi fumarolici. La frequenza di questi campionamenti sarà bimestrale per i sistemi vulcanici del Somma-Vesuvio e dei Campi Flegrei; e semestrale per l´isola di Ischia e per l´isola di Vulcano.

Acquisto e prove della strumentazione per le misure di spettrometria alfa, comprendendo la messa a punto della linea chimica fine di separazione di Uranio e Torio.

Acquisto e prove della strumentazione per le misure di spettrometria quadrupolare e di gas cromatografia.

Le misure previste sono: 

- traccianti chimici: composizione chimica dei fluidi fumarolici (He, Ne, Ar, H₂, N₂, CH₄, CO, H₂S, CO₂, H₂O);

- rapporti isotopici dell´³He/⁴He, dell´⁴⁰Ar/³⁶Ar, ¹³C/¹²C. Si tratta di un monitoraggio ad ampio spettro per l´acquisizione di informazioni relative alla/e regioni sorgente. Questo campionamento verrà effettuato in tutte le aree vulcaniche in esame.

RISULTATI I ANNO

-         Sviluppi metodologici

E´ stata messa a punto una linea per ultra vuoto di purificazione dei gas campionati che dovrebbe permettere la preparazione dei campioni da analizzare per l´analisi isotopica o anche per particolari arricchimenti di specie in traccia per l´analisi chimica.

E´ stato comprato un nuovo sistema di raffreddamento non basato sull´uso di Azoto liquido per il rivelatore a Germanio Iperpuro che deve funzionare a -196 °C. In tal modo il sistema di spettrometria gamma potrà essere utilizzato in campagna per misure immediate in suoli e fluidi.

-         Acquisizione dati

Vesuvio

- 1 campagna di prelievi al Vesuvio con analisi degli elementi maggiori e in traccia (10 punti d´acqua);

- Mapping di Rn con strumentazione portatile EDA RD-200, CO2 e Hg°  (ph) nei suoli nella parte settentrionale del Somma-Vesuvio

- Elaborazione di un rilievo da elicottero della radioattività gamma naturale (Totale, K-40, Ra-226 e Th-232) dei suoli del Somma-Vesuvio effettuato con rivelatore NaI(Tl)

- Misure periodiche di fluidi al cratere ed alla base del cono per analisi chimiche ed isotopiche.

Campi Flegrei

- 5 campagne di prelievi ai Campi Flegrei con la determinazione degli elementi maggiori e in traccia (Sr, F) (10 punti d´acqua);

- analisi degli elementi in traccia sulle acque dei Campi Flegrei (7 campioni) (B, Sr, Li, Rb, Ba, Fe, Mn, Zn, Cr, Be, Mg, V, Ga, Tl, Al, Cd, Cu, Co, Ni, Pb, Bi, U, Te, Se, Ag).

- Misure settimanali di Radon col metodo Track-Etch, pH, T e Conducibilità elettrica in 2 pozzi d´acqua

- Misure mensili di Radon col metodo Track-Etch in 5 pozzetti  distribuiti nella caldera flegrea

- Mapping di Rn con strumentazione portatile EDA RD-200, CO2 e Hg° nei suoli nella parte settentrionale dell´area flegrea ad integrazione di analoghi mapping effettuati nell´intera caldera

- Mapping di Hg° nella Solfatara di Pozzuoli, con prelievo di campioni a 10 cm e 20 cm di profondità per studiare la diffusione (flusso) di Hg°

- Misure mensili chimiche ed isotopiche alla Solfatara di Pozzuoli con ampolle a vuoto ed a soda.

Vulcano (Isole Eolie)

- Campionamento delle acque di 15 pozzi per determinazioni degli elementi maggiori ed in traccia; campionamento di minerali fumarolici.

- Mapping di Rn con strumentazione portatile EDA RD-200, CO2 e Hg°  nei suoli dell´isola

- Misure di Rn con strumentazione portatile EDA RD-200, pH, T ed Hg° in 15 pozzi d´acqua presenti nell´isola

- Misure di radioattività gamma con rivelatore NaI(Tl) in 15 pozzi d´acqua presenti nell´isola per misurare K, Ra226, Tl208

- Misure di Rn in fumarole (Spiaggia di Levante e Gran Cratere)

- Campionamento di un condensato della Fumarola F5 sul Gran Cratere.

-Misure periodiche di fluidi ed acque sulle diverse emanazioni gassose presenti sull´isola al cratere ed alla spiaggia, per analisi chimiche ed isotopiche

Isola d´Ischia:

- Misure periodiche di fluidi ed acque sulle diverse emanazioni gassose presenti sull´isola, per analisi chimiche ed isotopiche.

-         Interpretazione e modellistica

·        Interpretazione di rilievi radiometrici da elicottero della radioattività naturale in tutta l´area del Somma-Vesuvio

·        In atto: studio e modello di genesi e diffusione del Mercurio vapore alla Solfatara di Pozzuoli

PRODOTTI DELLA RICERCA

n° 4 pubblicazioni su riviste internazionali

n° 6 pubblicazioni su riviste nazionali, etc.

ELENCO PUBBLICAZIONI

AVINO R., CAPALDI G., DI MATTEO V., PECE R. (2001) - Radon And Mercury In The Groundwaters of Phlegraean Fields (Southern Italy): Temporal and Spatial Variations. 26th European Geophysical Society , Nice, France, 25-30 March 2001

CHIODINI G., ALLARD P., CALIRO S., PARELLO F. (2000) – 18° exchange betweensteam and carbon dioxide in volcanic and hydrothermal gases: Implication for the source of water. Geochim. Cosmochim. Acta, 64, 2479-2488.

ESPOSITO E., PECE R. , PORFIDO S. , TRANFAGLIA G. (2001)  -  Hydrological Anomalies Precursory  of Earthquakes In Southern Apennines (Italy) . Sottomesso per la pubblicazione su  "Natural Hazard and Earth System Sciences"

ESPOSITO E., PECE R. , PORFIDO S. , TRANFAGLIA G. (2001)  -  Hydrological Anomalies Precursory  of Earthquakes In Southern Apennines (Italy) . 26th European Geophysical Society , Nice, France, 25-30 March 2001

GIGGENBACH W., TEDESCO D. et al- . Evaluation of results from the fourth and fifth IAVCEI field workshop on volcanic gases, Vulcano island (Italy) and Java (Indonesia). J. Volcanol. Geoth. Res. In press (2001)

PORFIDO S., ESPOSITO E.,  IACCARINO G., PECE R., TRANFAGLIA G.,  ESPOSITO G.,  ALAIA F.  (2001) -   Ground Effects During The 1930, July 23, Irpinia Earthquake (Southern Italy). 26th European Geophysical Society , Nice, France, 25-30 March 2001

VALENTINO G. M., STANZIONE D. (2001) – Geochemical investigations at Phlegraean Fields (Italy): Variations in thermal waters during 1992-1999. 26th General Assembly of the European Geophysical Union, Nice, 26-30 March 2001, Abstract Volume 3.

VALENTINO G. M., STANZIONE D. (2001) – Lead distribution in the thermal waters of the Campi Flegrei (Naples, Italy). Water-Rock Interaction 10, Cagliari, Italia.. Arehart & Hulston (eds), Balkema, Rotterdam, ISBN 9054109424.

VALENTINO G. M., STANZIONE D. (2001) – Source processes of the thermal waters of the Phlegraean Fields (Naples, Italy), by means of selected minor and trace elements distribution study. Accepted on Ghem Geol.

VALENTINO G.M. (2000) -  Behavior of toxic elements in hydrothermal systems: As and Hg in the thermal waters of Phlegraen Fields (Italy). J. Conf. Abstracts, Goldschmidt 2000, 3-8 Sept. 2000, Oxford, UK, 1029.

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Studio multidisciplinare per la definizione del budget di massa e di energia nei vulcani attivi italiani

Coordinatore Scientifico del progetto

Prof. Mariano Valenza – Professore ordinario

Dipartimento di Chimica e Fisica della Terra - Via Archirafi, 36 - Palermo

Partecipanti al progetto

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Obiettivi Generali

L´obiettivo principale di questo progetto e´ quello di definire i budgets di massa e di energia dell´Etna mediante un approccio multidisciplinare. In considerazione delle modalità di trasferimento di massa ed energia verso la superficie, il progetto è stato organizzato secondo le seguenti tre linee:

a)      misure dirette e remote nel plume;

b)      misure delle emissioni diffuse di gas dai suoli;

c)      misure nella falda degli elementi maggiori minori ed in tracce, discriminazione della componente di origine vulcanica, stime del deflusso delle falde.

Attivita´ svolta durante il primo anno

Le attività di tutte le UR sono iniziate più o meno secondo quanto previsto dal progetto e le attività previste durante il primo anno sono state portate tutte a compimento con risultati positivi. Inoltre, in considerazione del particolare stato di attività vulcanica che ha caratterizzato l´Etna in questo ultimo anno, molte misure sul campo di alcune UR sono state potenziate. In particolare, durante il mese di Giugno, in concomitanza dell´eruzione in corso sono state intensificate le misure sul plume sia ai crateri sommitali che a quelli a quota 2600 e 2000.Sono state altresì aumentate le misure sul degassamento diffuso nell´area sommitale, a Zafferana ed a Paternò.

1.      Contributo al budget da parte del plume.

Per il conseguimento di questo obiettivo hanno operato le UR 1, 3, 4, 5 ed hanno svolto le seguenti attività:

·        Assemblaggio di una stazione per misure continue di SO_2, H₂S, H₂, CO₂ e parametri meteo in atmosfera. La stazione di monitoraggio e´ stata calibrata e testata alla Solfatara di Pozzuoli. E´ stato sviluppato anche un nuovo metodo per il campionamento e l´analisi di composti organici nel plume. Il metodo consiste nel fare assorbire i VOC pompando aria attraverso un tubo di campionamento il quale era stato preventivamente riempito con un assorbente di carbonio attivo a piu´ strati. Le analisi successive sono state fatte per mezzo di GC-MS con la tecnica del purge and trap. Un complesso di 20 stazioni per il campionamento passivo di gas acidi sui fianchi dell´Etna e´ stato altresi´ sviluppato. Sono state effettuate 5 campagne di misura ai crateri sommitali sulla Bocca Nuova nel periodo Maggio-Luglio 2001. Durante ciascuna campagna, sono stati prelevati campioni per la determinazione di gas acidi, mercurio e polveri. Le concentrazioni degli acidi inorganici nel plume risultavano tra 10000 e 20000 mg/m3 (SO2) 900-4000 mg/m3 (HCl) e circa 200-500 mg/m3 (HF) in relazione alla diluizione del plume. I rapporti di S/HCl (1.9-2.4) e HCl/HF (2.5-3.9) risultavano abbastanza costanti durante l´intero periodo di indagine. Il rapporto tra le concentrazioni dei vari elementi rispetto a quello dell´anidride solforosa consentira´ il calcolo dei flussi dei vari elementi dalle misure COSPEC  (UR1).

·        Sono state effettuate diverse misure remote sul plume vulcanico usando uno spettrometro (FTIR) sia dal suolo che da elicottero. Queste misure hanno permesso di determinare simultaneamente i rapporti di concentrazione di tre gas vulcanici nel plume (SO2, HCl, HF) e le loro variazioni in relazione allo stato di attivita´ vulcanica. Queste misure, inoltre, combinate con le misure di flusso COSPEC consentiranno la determinazione dei flussi di HCl ed HF. Le misure effettuate dall´elicottero sui crateri sommitali dell´Etna, usando la radiazione IR della lava fusa, hanno permesso di ottenere spettri riproducibili all´infrarosso durante una fase eruttiva (Ottobre 2000).

·        Sono state usate quattro differenti tecniche spettroscopiche per misure remote della concentrazione di gas nello spettro UV attorno a 300nm (DIAL) e tecniche passive (DOAS e COSPEC). Le differenti tecniche danno risultati abbastanza comparabili. Durante il primo anno di questo progetto sono state effettuate 128 campagne di misure di flusso di SO2 dai crateri sommitali dell´Etna mediante COSPEC montato su un fuoristrada o su una nave. I valori di Flusso di SO2 erano di circa 4700 ton/giorno, piu´ bassi del valor medio di 5500 ton/giorno (UR4).

·        Le ricerche di questa unita´ hanno essenzialmente riguardato l´Etna ma, in subordine l´isola di Vulcano. Dal 7 al 17 agosto 2000 e´ stata effettuata una prima campagna di campionamento, mentre una seconda e´ stata effettuata nei primi mesi del 2001. Sono stati campionati direttamente dal suolo incrostazioni fumaroliche e sono state identificate le fasi mineralogiche mediante diffrazione a raggi X ed analisi qualitative mediante SEM-EDS. Le fasi individuate sono principalmente costituite da zolfo, solfati anidri ed idrati, cloruri. Infine e´ stata osservata una sostanziale variazione nella ubicazione delle fumarole principalmente dovuta alla recente attivita´ vulcanica  (UR5).

2. Output dai suoli.

Sono state completate tutte le attivita´ previste per il primo anno e precisamente:

·        Individuazione di un´area per la realizzazione di un pozzo dedicato alla sperimentazione di sensori a varia profondità. Le aree da utilizzare per tale scopo sono state selezionate sia mediante prospezioni appositamente realizzate sia attraverso i numerosi dati sulle emissioni diffuse disponibili per l´area etnea. Le indagini hanno evidenziato due aree nel versante orientale dell´edificio vulcanico che sia sotto l´aspetto delle emissioni di gas sia per la disponibilita´ dei proprietari  presentano le caratteristiche  richieste (UR 6).

·        La strumentazione da utilizzare per lo studio della fase fluida captata dal pozzo e´ stata acquisita quasi totalmente (Spettrofotometri, pompe, sensori di temperatura e pressione etc). Inoltre sono state effettuate esperimenti di laboratorio per mettere a punto un metodo di campionamento dei gas disciolti mediante l´uso di opportune membrane (UR 6).

·        Riguardo la stima del budget di CO₂ emesso dai fianchi dell´Etna sono state effettuate indagini di laboratorio e di campagna per la messa a punto di un metodo per la misura della permeabilita´ dei suoli e la ricalibrazione del metodo Gurrieri & Valenza. Queste indagini consentiranno il riprocessamento dei numerosi dati di degassamento dal suolo al fine di ottenere una stima di flusso totale piu´ attendibile (UR 6).

3. Contributo al budget da parte della falda.

Nell´ambito di questa parte del progetto sono state effettuate le seguenti attività:

·        Sono stati prelevati campioni di roccia fresca e indisturbata, provenienti da cave dell´area etnea (attribuibili alla ben studiata colata storica del 1669). I dati preliminari ottenuti mostrano che il processo di dissoluzione della roccia è sempre incongruente. Dopo un breve periodo iniziale di rapida dissoluzione, le cinetiche di dissoluzione (moli cm^-2 sec^-1) degli elemeti maggiori rilasciati dal solido (Na⁺, K⁺, Mg⁺⁺ ,Ca⁺⁺, Fe e silice) seguono un andamento differenziato: la cinetica del Na è quasi due ordini di grandezza superiore a quella del Mg. Sono tuttora in corso ulteriori analisi chimiche delle soluzioni sperimentali e indagini mineralogiche e petrografiche (SEM-EDS, microsonda) sui campioni di roccia lisciviati sperimentalmente, ma anche su altre rocce basaltiche alterate naturalmente dal contatto per lungo tempo con acque di falda profonde (UR 7).

·        Per la formulazione del modello isotopico delle precipitazioni meteoriche (liquide e solide) nell´area dell´Etna è stata installata una rete di 16 pluviometri localizzati a differenti quote distribuiti il piu´ omogeneamente possibile sull´intero edificio vulcanico. E´ stato inoltre sviluppato e costruito un nuovo tipo di nivometro capace di raccogliere l´equivalente liquido delle precipitazioni solide che, al di sopra dei 2000 metri di quota, costituisco la maggior parte dell´apporto meteorico. Il primo di questi nivometri e´ stato installato in localita´ Serra la Nave a quota 1750 m (UR8 ).

·        Per lo studio degli acquiferi vulcanici superficiali si è proceduto all´individuazione dei siti da sottoporre a monitoraggio trimestrale (30 siti). Nel corso del primo anno sono stati effettuati tre campionamenti (nov. 00, feb. 01, mag. 01). Per una migliore modellizzazione del ciclo degli elementi nell´acquifero si ritenuto utile analizzare anche la composizione chimica delle anche di pioggia dell´area etnea. A questo scopo sono stati utilizzati i campioni raccolti da 16 pluviometri istallati nell´ambito delle attività dell´unità di ricerca numero 8 di questo stesso progetto (UR 9).

·        Sono stati effettuati test su schede wrappate di circuiti di prova per la misura di T, P e per l´ingresso da elettrodi ad alta impedenza. Inoltre Il multiplexer ed il sequenziatore dei canali, seppure in una versione non definitiva, sono stati già realizzati in una forma wrappata e provati sul banco.E´ stata inoltre definita una metodologia per la misura di conducibilità che dovrebbe permettere di effettuare misure di qualità su un range esteso di conducibilità ed in condizioni di alta temperatura, verificata in maniera ancora molto parziale con strumentazione da banco (UR2).

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