CARATTERIZZAZIONE GEOCHIMICA DEI FLUIDI E GEOTERMOMETRIA NEL DISTRETTO VULCANICO VICANO-CIMINO. IMPLICAZIONI PER L’UTILIZZO DELLA RISORSA GEOTERMICA

RIASSUNTO Il Distretto Vulcanico Vicano-Cimino (DVVC) è connesso all'attività magmatica post-orogenica che ha interessato il settore peri-tirrenico dell’Italia centrale. La composizione chimica ed isotopica di 333 acque e 25 emissioni gassose indica la presenza di due tipologie di fluidi: 1) acque fredde a chimismo bicarbonatico circolanti a deboli profondità entro formazioni vulcaniche e depositi sedimentari e 2) acque termali a composizione solfato‐bicarbonato‐calcica e ricche in gas (CO2) circolanti entro rocce carbonatiche‐evaporitiche, e separate dagli acquiferi superficiali da formazioni a bassa permeabilità. La fase gassosa, dominata dalla CO2, è comunemente associata alle acque termali emergenti nel DVVC. Essa può, tuttavia, entrare in contatto con gli acquiferi superficiali e, dissolvendo in essi, originare sorgenti a basso pH (acque acetose e bubbling pools) oppure manifestarsi in superficie direttamente dal suolo. L’emergenza di acque termali e gas in superficie si ha preferenzialmente in corrispondenza di elementi fragili (fratture e faglie), i quali forniscono le vie preferenziali per la risalita veloce dei fluidi di origine profonda verso la superficie. Viceversa le acque fredde risultano prive di apporti profondi e non mostrano alcuna relazione con l’assetto strutturale dell’area. Le acque ospitate negli acquiferi superficiali ed in quello profondo sono di origine meteorica e vanno a costituire due tipologie di circolazione: una più superficiale costituita da acque freatiche e di scorrimento, una più profonda dove le acque meteoriche si infiltrano nelle formazioni permeabili in affioramento per fratturazione e vanno ad alimentare il serbatoio idrotermale. Gli isotopi stabili dell’acqua sembrano suggerire una ricarica degli acquiferi di tipo locale, posta approssimativamente a 700‐800 m s.l.m. L'anidride carbonica è prodotta principalmente da reazioni termo-metamorfiche di decarbonatazione entro le porzioni più profonde e più calde dell’acquifero profondo (δ13C-CO2 tra -3.1 e -2.2‰ vs. VPDB) con un contributo minore da degassamento mantellico. I valori relativamente bassi del rapporto R/Ra (0.27-1.19) indicano che l’elio è principalmente derivante da una sorgente crostale con un contributo secondario di risalita dal mantello. Coerentemente, valori relativamente elevati dei rapporti N2/Ar e N2/3He e valori positivi di δ15N-N2 (da 0.91 a 5,7‰ vs AIR) caratterizzano i gas del DVVC, suggerendo la presenza di un significativo “eccesso” di azoto rispetto alla componente atmosferica. Reazioni di riduzione della CO2, in presenza di H2, che avvengono all’interno del serbatoio idrotermale a temperature >200°C, sembrano essere alla base della produzione di metano. I valori di δ34S-H2S (da 9.3 a 11.4‰ vs. VCDT) sono consistenti con l'ipotesi di una origine di H2S da riduzione termochimica delle anidriti Triassiche. Gli equilibri chimici relativi ai sistemi H2O‐H2‐H2S‐Ar e C3H6‐ C3H8 suggeriscono che le specie gassose raggiungono l’equilibrio chimico in un sistema acqua‐dominante a temperature inferiori rispetto a quella massima misurata in pozzo (218°C) ed a condizioni redox controllate dalle interazioni teoriche tra il fluido idrotermale ed un assemblaggio minerale locale. Le temperature relativamente elevate all’interno del serbatoio producono il rilascio di una fase gassosa che si separa dalla fase liquida e che, durante la risalita verso la superficie, è interessata da processi secondari (ri‐equilibrio a bassa temperatura, condensazione di vapore acqueo, dissoluzione entro acquiferi superficiali, attività microbica) che causano perdita di vapore acqueo (per condensazione) e notevoli cambiamenti nelle concentrazioni delle specie sensibili a variazioni della temperatura e delle condizioni redox (H2, CH4, CO2, CO e H2S). Il DVVC può essere considerato favorevolmente in termini di sfruttamento delle risorse geotermiche, sia per usi diretti che per la produzione di energia elettrica tramite sistemi a ciclo binario. In particolare, attraverso l’indagine geochimica si è tentato di fornire gli strumenti necessari per una stima delle potenzialità nei diversi settori dell’area di studio, degli utilizzi più idonei della risorsa e per una attenta valutazione del possibile impatto che i fluidi geotermali possono avere sulle infrastrutture (pozzi, impianti) e sull’ambiente. ABSTRACT The Vicano–Cimino Volcanic District (VCVD) is related to the post-orogenic magmatic activity of the peri- Tyrrhenian sector of Central Italy. The chemical and isotopic compositions of 333 water discharges and 25 gas emissions indicate the occurrence of two main sources: 1) cold Ca-HCO3 to Ca(Na, K)-HCO3 type waters from relatively shallow aquifers hosted in volcanic and sedimentary formations; and 2) thermal Ca-SO4(HCO3) type waters located in a deep CO2-pressurized reservoir, hosted in carbonate–evaporite rocks and separated from the shallow aquifers by thick sequences of low-permeability formations. Carbon dioxide is mainly produced by thermal metamorphic decarbonation within the deepest and hottest parts of the carbonate–evaporite reservoir (δ13C–CO2 from−3.1 to+2.2‰vs. VPDB), likely affected by a mantle-rooted CO2. ReleaseofCO2-rich gases from the deep aquifer into the overlying shallow aquifers produces high-CO2 springs and bubbling pools. The spatial distribution of thermal waters and CO2-rich cold discharges is strongly controlled by fractures and faults located in correspondencewith buried structural highs. Stable isotopes (δD and δ18O) suggest thatmeteoric water feeds both the shallowand deep reservoirs. The relatively lowR/Ra values (0.27–1.19) indicate that He ismainly deriving from a crustal source, with minor component from the mantle affected by crustal contamination related to the subduction of the Adriatic plate. Consistently, relatively high N2/Ar and N2/3He ratios and positive δ15N–N2 values (from0.91 to 5.7‰vs. air) characterize the VCVD gas discharges, suggesting the occurrence of a significant “excess” nitrogen. Isotopic compositions of CH4 (δ13C–CH4 and δD–CH4 values from−28.9 to−22.1‰vs. VPDB and from −176 to −138‰ vs. VSMOW, respectively), and composition of light alkanes are indicative of prevalent thermogenic CH4, although the occurrence of abiogenic CH4 production cannot be excluded. The δ34S–H2S values (from+9.3 to+11.4‰vs. VCDT) are consistentwith the hypothesis of H2S production fromthermogenic reduction of Triassic anhydrites. Gas geothermometry in the H2O–H2–Ar–H2S system suggests that the VCVD gases equilibrated in a liquid phase at redox conditions controlled by interactions of fluids with the local mineral assemblage at temperatures lower (b200 °C) than that andmeasured in deep (N2000 m) geothermalwells. This confirms that secondary processes, i.e. steam condensation, gas dissolution in shallow aquifers, re-equilibration at lower temperature, and microbial activity, significantly affect the chemistry of the uprising fluids. Thermal water chemistry supports the occurrence in this area of an anomalous heat flowthat, coupledwith the recent demographic growth, makes this site suitable for direct and indirect exploitation of the geothermal resource, in agreement with the preliminary surveys carried out in the 1970's–1990's for geothermal exploration purposes.