A. Riggio, S. Sancin, G. F. Gentile, P. Zennaro e R. Belletti

Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale, Trieste

MISURE DI RADON IN FRIULI E CONFRONTO CON LA SISMICITÀ

Riassunto. Scopo del lavoro è quello di contribuire alla conoscenza dello stato di stress presente nelle strutture, verificando eventuali correlazioni tra emissione di radon e attività sismica. A tal fine, nel 1995, è stata installata una stazione per il rilevamento del gas radon in Friuli, in funzione continuativamente dal 1996 a meno di alcune piccole interruzioni dovute a cause tecniche. Nel presente lavoro è considerato il periodo 1996-1997 per uniformità di dati. Contemporaneamente sono stati controllati i parametri meteorologici e l'andamento della falda freatica. È stata riscontrata una scarsa dipendenza della concentrazione di radon dai parametri meteorologici, ma temperatura e radon hanno in comune le variazioni giornaliere e le variazioni stagionali. Tramite la "crosscorrelazione del segnale giorno per giorno", è stato messo in evidenza che le possibili "anomalie" sono costituite da variazioni nell'andamento giornaliero del gas radon. L'accostamento degli eventi sismici, verificatisi durante il periodo preso in esame, mostra i possibili legami tra variazione di radon e terremoti più forti. Le variazioni più significative sono state accompagnate da variazioni del livello di falda non giustificate dalla pluviometria.L'anomalia più evidente, anche nella semplice rappresentazione della concentrazione del gas radon, è quella presente durante il periodo gennaio-marzo 1996. In questo periodo si è verificata la serie sismica di Claut costituita da tre terremoti principali che, con 3,7, 4,0 e 4,3 di magnitudo, sono stati i più forti con epicentro entro il territorio regionale, da gennaio 1996 a dicembre 1997.

RADON MEASUREMENTS IN FRIULI  AND COMPARISON WITH THE SEISMICITY

Abstract. The purpose of this work is to contribute to knowledge of the stress status of the structures by the control of the possible correlation between radon emission and the seismic activity.For this end, on 1995, a radon survey station has been set up in Friuli and since 1996 it is recording continuously. In this work has been considered the period 1996-1997 for homogeneity of the radon data. At the same time have been controlled meteorological parameters and the groundwater level. The radon concentration results connected with the meteorological parameters in a quite weak way, but temperature and radon show the same behaviour and the same seasonal variation.Through the "day by day croscorrelation of the signal" has been pointed out that the "anomaly" consists mainly of a daily behaviour variation of the radon concentration. The coupling of the seismic events have showed the correlation between the radon variation and the strongest earthquakes. During more important radon variations, also the groundwater level changes without any rain justification.The clearest anomaly, in the same radon concentration representation too, has been noticed during the period January-March 1996. In this period happened the Claut seismic series constituted by three main earthquakes that with magnitude 3.7, 4.0 and 4.3, have been the strongest verified over whole region since 1996 January to 1997 December.

INTRODUZIONE

La Previsione dei terremoti, intendendo con questa, quando, dove e con quale energia si verificherà un evento sismico, come sanno bene tutti gli "addetti ai lavori", rimane ancora un'aspirazione per tutti (Wyss, 1991).

I tentativi portati avanti in passato sia dalle varie scuole (russa, cinese, greca, ecc.) che da dilettanti, hanno trovato spesso l'opposizione della comunità scientifica, perché ritenuti non significativi. Il nocciolo del problema è capire come gli stress che possono precedere un terremoto o provocare lenti movimenti, si propaghino nel sottosuolo e come le strutture reagiscano ad essi. Questo comporta l'analisi delle strutture dal punto di vista dinamico attraverso lo studio delle variazioni nel tempo dei parametri fisici sensibili agli stress (Ren et al., 1984; Kissin et al., 1996; Cosentino et al., 1976; Riggio e Sancin, 1986; Riggio  et al., 1987). Tra questi parametri, la concentrazione di radon ha la caratteristica di poter essere rilevata con un costo relativamente basso e di essere molto sensibile alle variazioni di stress anche profondo e proveniente da strutture più lontane. Il radon si diffonde attraverso le rocce e si disperde nel suolo e nell'acqua in cui ha buona solubilità (Dongarrà e Martinelli, 1995; Martinelli, 1992; Martinelli, 1993).

La misura del radon è utilizzata per scopi tettonici (per individuare faglie sepolte, controllare quelle attive dopo disastrosi eventi sismici, etc.) (Facchini et al., 1995), per individuare dei percorsi idrici e per scopi ambientali (radon indoor, individuazione delle perdite di biogas nelle discariche, inquinamenti da idrocarburi, ecc.).

Le fratture che si formano prima di un terremoto, secondo il modello della dilatanza (Birchard e Libby, 1980) incrementano la diffusione del fluido nei pori, quindi modificano la resistenza e la pressione della roccia cosicché il flusso del radon viene in qualche modo modulato dagli stress. Queste variazioni sono considerate significativi precursori del terremoto (Riggio e Sancin, 1995).

Le prime applicazioni di questo tipo di misure furono fatte in Unione Sovietica, e i primi risultati positivi si ebbero in coincidenza del terremoto del 1966 a Tashkent (Mogi, 1985).  Il graduale incremento nei valori di concentrazione di radon iniziò già sei anni prima del terremoto e si stabilizzò alcuni mesi prima. Le anomalie di radon si presentano in forme differenti: con incrementi o decrementi, con variazioni lente o rapide tipo "spike" (Friedman et al., 1988; Heinicke et al., 1995). Attualmente misure continue di radon vengono eseguite in Cina, Giappone, Stati Uniti e altri paesi. Negli Stati Uniti ebbero occasione di notare anomalie di radon in corrispondenza di quattro sismi con magnitudo tra 4,2 e 4,7.

Anche in Italia dall'inizio degli anni '90 si sono sviluppati gli studi di monitoraggio della geochimica dei fluidi miranti ad ottenere le variazioni dei vari parametri, sia nello spazio che nel tempo (Calcara e Quattrocchi, 1993a, 1993b; Carapezza et al., 1980; Dall'Aglio, 1992).

IL PROCESSO FISICO

La misura della concentrazione di radon è eseguita più frequentemente in acqua, (Friedmann e Hernegger, 1978; Heinecke et al., 1995), ma non mancano rilevamenti in suolo (Friedman et al., 1988; Sabbarese et al., 1993). Nonostante il radon abbia un tempo di dimezzamento di soli 3,5 giorni (Montagner, 1994), sfruttando le correnti ascensionali di altri gas riesce per convezione a raggiungere la superficie anche da profondità di vari chilometri. Le variazioni di radon possono, quindi, essere causate da terremoti con epicentro distante anche diversi chilometri ma con energia sufficiente. La formula empirica (Hauksson and Goddard, 1981):

M = 2,4 log₁₀ (D) - 0,43                                                   (1)

definisce la magnitudo minima M richiesta per ottenere un'anomalia di radon ad una distanza D espressa in chilometri. Indicativamente un terremoto di magnitudo 4,0 può essere preceduto da un'anomalia di radon fino ad una distanza di 70 km. Questo valore è interessante in quanto dell'ordine delle massime distanze dei confini regionali da Cazzaso, sito di rilevamento del radon.

LINEAMENTI  SISMOTETTONICI

Nel 1995 è stata realizzata una stazione per il rilevamento del gas radon in Friuli, in località Cazzaso nel comune di Tolmezzo. Nei primi mesi il suo funzionamento è stato saltuario, e dal 1996 è in funzione quasi continuativamente. 

La zona fa parte dell'area Carnico-Friulana caratterizzata da accavallamenti tagliati da faglie subverticali a direzione N-S e da altre a direzione dinarica, tutte con attività spesso trascorrente. L'insieme costituisce, unitamente all'antistante pianura veneto-friulana, la Catena sudalpina orientale (Bernardis et al., 1996; Slejko et al., 1987).

L'ubicazione della stazione per il rilevamento del gas radon è riportata in Fig. 1 dove è riprodotto anche lo schema tettonico. La zona si trova immediatamente a nord di quella con la più alta attività sismica che comprende anche l'evento del 1976 di magnitudo 6,5 (Riggio, Gentile, 1984). In accordo allo schema riportato, l'abitato di Cazzaso si trova in prossimità della linea Alto Tagliamento e di una faglia subverticale con direzione Dinarica con attività spesso trascorrente.

Il paese è, oltretutto, interessato da un evidente dissesto franoso che interessa la zona delle pendici del monte Diverdalce, la cui nicchia è ben visibile anche da lontano. La frana sembra avere avuto origine nel novembre 1851 a seguito di un periodo d'intense piogge. Nel 1898 il movimento franoso causò la distruzione di alcuni edifici e l'intero paese sarebbe scivolato di circa trenta metri verso valle.

Storicamente in questa zona avvennero terremoti disastrosi come quelli di Tolmezzo del 20 ottobre 1788 (Gentile et al., 1984) e del 27 marzo 1928 dell'VIII-IX grado della scala MCS (Mercalli-Cancani-Sieberg). Poco più ad ovest, il terremoto di Raveo nel 1700 ebbe un'intensità del X grado MCS ma i suoi effetti furono rilevanti in un'area molto limitata. Più recentemente, i terremoti che sono avvenuti il 3 febbraio 1949 a Paularo e il 26 aprile 1959 ad Arta, rispettivamente a circa 17 km e a 7 km di distanza da Cazzaso, hanno avuto un'intensità epicentrale dell'VIII grado MCS.

La sismicità attuale della zona è costituita da terremoti con magnitudo intorno al 3,0 ed epicentri tra Tolmezzo, Cazzaso e Villa Santina.

DESCRIZIONE DELLA STRUMENTAZIONE

La stazione di rilevamento del gas radon è costituita da un rilevatore denominato Prassi mod.55 con cella a scintillazione, predisposto sia per la misura continua che campionata. Il rilevatore è costituito da una camera rivestita internamente di solfuro di zinco attivato argento. Il volume di questa cella è di 2 litri ed è accoppiato ad un fotomoltiplicatore a bassa deriva. Lo strumento misura i conteggi in un tempo prefissato in modo ripetitivo. La concentrazione di gas radon in Bq/m³ o pCi/l è calcolata dai conteggi misurati. La larga capacità di memoria permette di memorizzare fino a 6500 misure. Lo strumento è stato installato all'imboccatura di un pozzo profondo 40,50 metri con un livello dell'acqua, dal piano di campagna, di circa 17,5 metri (Fig. 2). La stratigrafia relativa ai primi metri dal piano di campagna è un'alternarsi di limi sabbiosi-argillosi e ghiaie sino alla profondità di circa 17 metri, dove iniziano argille più dure, seguono sabbie, poi siltiti marnose con venature di calcite.

Fig. 1 - Ubicazione della stazione di rilevamento del gas radon e schema tettonico del Friuli Occidentale da Bernardis et al., (1996).

L'aria viene aspirata, tramite una sonda flessibile, dal pozzo alla profondità di circa 7 metri dal piano di campagna e a circa 6 metri dalla superficie dell'acqua. L'intervallo di campionamento è stato fissato in tre ore e 30 minuti, dall'inizio delle registrazioni sino al 27 maggio 1996, in quattro ore, dal 27 maggio al 17 giugno 1997 e in tre ore, dal 17 giugno in poi. Questi cambiamenti si sono resi necessari per poter correlare la concentrazione del radon con le misure meteorologiche che hanno campionamento orario. Lo strumento è stato protetto, dagli effetti meteorologici, inserendolo in un contenitore in plexiglas con coperchio a chiusura stagna e alloggiando il tutto in un armadietto in alluminio con barre di rinforzo e chiusura con lucchetto. L'alimentazione è realizzata tramite batterie ricaricate con due pannelli solari e regolatore di carica.

Attualmente, circa ogni mese viene fatto il recupero dei dati in loco tramite un PC portatile, ma sarebbe possibile anche trasmetterli direttamente nella sede dell'elaborazione.

La Regione Friuli-Venezia Giulia, negli anni 1995-1997 ha stipulato una convenzione con l'OGS al fine di valutare l'evoluzione del fenomeno franoso. La zona era, quindi, contemporaneamente attrezzata con pozzi dotati di piezometri e inclinometri tarati per i movimenti superficiali delle frane, nonché di termometro per la temperatura dell'acqua e dell'aria, di pluviometro e di barometro.

Fig. 2 - Stazione di rilevamento del gas radon.

ANALISI DEI DATI

Scopo del lavoro è quello di contribuire alla conoscenza dello stato di stress presente nella struttura. A tal fine si è proceduto a verificare la presenza di una quantità sufficiente di radon, la sensibilità della concentrazione di radon alle variazioni di stress e infine se, in qualche modo, la presenza dello stress viene confermata da terremoti.

Dal momento che durante il 1998 è stata apportata una modifica al sistema di rilevamento, per uniformità di dati è stato considerato il periodo 1996-1997.

La conoscenza dei parametri meteorologici ha permesso una migliore valutazione dei dati radon, e di constatare, che con il sistema d'acquisizione usato, le influenze ambientali sono modeste. Solamente in caso di piogge intense, che possono penetrare all'interno del pozzo, si possono avere variazioni indotte anche notevoli (in due anni si è verificato un solo caso, con 40 mm di pioggia in un giorno).

I dati sismometrici sono quelli registrati dalla Rete Sismometrica del Friuli Venezia-Giulia, gestita dal CRS (Centro Ricerche Sismologiche) dell'OGS di Trieste, dalla stazione Broad Band di Trieste, gestita dall'OGS e dall'Università di Trieste e dal catalogo USGS. I terremoti presi in esame sono tutti quelli con magnitudo maggiore o uguale a 2,0 (valore minimo per poter considerare completo il catalogo), e che soddisfano l'equazione (1). Si tratta in tutto di 95 terremoti, di cui 88 localizzati entro il territorio regionale (Fig. 3).

Fig. 3 - Mappa degli epicentri dei terremoti locali utilizzati.

In Fig. 4 è riportato il diagramma relativo al radon, alla temperatura dell'aria, alla pluviometria, al livello della falda nel pozzo e ai terremoti considerati per il 1996 e in Fig. 5 le stesse grandezze relative al 1997.

È evidente la variazione stagionale della concentrazione del radon. In inverno il suo valore si aggira intorno ai 500 Bq/m³, mentre nel periodo estivo il suo valore medio è di circa 5000 Bq/m³ con picchi che raggiungono anche i 24000 Bq/m³. Questo andamento costituisce la componente a bassa frequenza del segnale per noi di poco interesse. Per tale componente a lungo periodo l'analisi spettrale del segnale relativo al radon non è significativa, dal momento che il campione di tempo è troppo piccolo in relazione alla periodicità da evidenziare. Il segnale però è costituito anche dalla componente ad alta frequenza. Per meglio evidenziare quest'ultima, in Fig. 6 è rappresentato l'andamento della concentrazione di radon per un periodo di dieci giorni, a partire dal 17/6/97, con il corrispondente andamento della temperatura. Ambedue i segnali hanno delle periodicità giornaliere. Questo è ben visibile nell'analisi spettrale dello stesso periodo. Sono contemporaneamente presenti, in ambedue i segnali, una forte componente alle 24 ore e una molto debole alle 12 ore, mentre per le altre componenti i due segnali sono indipendenti e senza una relazione causale. Questo sarà confermato dalle successive elaborazioni. 

Fig. 4 - Concentrazione del radon a), temperatura dell'aria b), pluviometria c), quota idrometrica della falda d) e terremoti locali considerati durante il 1996 e).

Fig. 5 - Concentrazione del gas radon a), temperatura dell'aria b), pluviometria c), quota idrometrica della falda d) e terremoti locali considerati durante il 1997 e).

CONCENTRAZIONE DI RADON E TERREMOTI

Dall'analisi della concentrazione di radon emerge un evidente e inatteso andamento dei valori, durante il periodo gennaio-marzo 1996. In tale periodo si è verificata la serie sismica di Claut che si trova a circa 35 km dalla stazione di rilevamento del radon. Le tre scosse principali di magnitudo 3,7, 4,0, e 4,3 verificatesi rispettivamente il 27 gennaio, il 27 febbraio e il 13 aprile hanno avuto un meccanismo del tipo faglia inversa come tutti i loro foreshocks, con un'unica eccezione per quello dell'ultimo terremoto più forte (Bernardis et al., 1996). In corrispondenza di quest'ultimo, la concentrazione di radon è ormai sui valori medi, indicando che la fase di massima compressione nelle strutture sottostanti la stazione di rilevamento, si è esaurita. L'anomalia, in bassa frequenza (Fig. 7), della durata di una decina di giorni, dal 20 febbraio al 2 marzo, raggiunge un valore massimo di 7 kBq/m³ superando di ben tre volte il valore medio dei valori nei periodi circostanti. L'andamento anomalo inizia in realtà il 24 gennaio con un rapido incremento dei valori e il loro mantenimento anche durante le ore notturne. Questo fenomeno costituisce la principale caratteristica delle variazioni in alta frequenza che analizzeremo in seguito.  In modo meno evidente la perturbazione continua fino a maggio. Tra il 22 e il 23 febbraio si verifica anche un repentino decremento del livello della falda freatica di circa 30 cm e successivamente, tra il 6 e il 7 marzo, il livello risale fino a raggiungere i valori di partenza, delineando una forma anomala in controfase e in leggero ritardo rispetto a quella del radon. Il tutto senza la presenza di piogge.

Dal momento che le variazioni osservate sembrano consistere in variazioni dell'andamento giornaliero, si è proceduto all'introduzione della correlazione, senza ritardo, dei valori di ogni giorno con quelli del giorno precedente. Nelle Figg. 8 e 9 sono riportate, rispettivamente per gli anni 1996 e 1997, tali correlazioni relative alla concentrazione di radon e della temperatura dell'aria insieme al grafico delle magnitudo dei terremoti presi in considerazione. Risulta evidente che, in coincidenza o prima dei terremoti, ci sono coefficienti di crosscorrelazione con valori tra 0,95 circa e 0,55, ma è difficile trovare una diretta relazione tra il valore basso di crosscorrelazione e il terremoto poiché ci sono molti terremoti di piccola magnitudo ravvicinati nel tempo. Solamente per i valori di coefficienti più bassi è possibile vedere una correlazione con i terremoti con magnitudo maggiore o uguale a 3,2. Da questa analisi si ricava il valore del coefficiente di crosscorrelazione per il quale è possibile parlare di “anomalia”.

Dai dati sperimentali sono state considerate come "anomalie" quelle legate a valori del coefficiente di crosscorrelazione minori o uguali a 0,70. Sulla base di questa definizione, i terremoti legati ai valori anomali della concentrazione di radon durante il 1996 sono: la serie sismica di Claut (Friuli Occidentale), e il terremoto del 15 ottobre con magnitudo 5,8 e distante 250 km dalla stazione radon. Durante il 1997 i terremoti sono: quello del 17 marzo, distante 25 km e con magnitudo 3,2, la serie sismica dell'Umbria, iniziata il 26 settembre con il terremoto di magnitudo 6,4 e, distante 380 km e i terremoti della Slovenia del 13 marzo e del 12 aprile 1998 con magnitudo rispettivamente 5,2 e 6,0 e distanti da Cazzaso 132 km e 25 km. Tutti quanti sono riportati nelle Figg. 8b e 9b.    

Da queste ultime rappresentazioni è evidente che le anomalie di radon non sono causate da corrispondenti variazioni della temperatura. Anche le piogge non sembrano essere una causa diretta, poiché, non sono presenti in tutti i periodi in cui si sono riscontrate le anomalie di radon. Nelle Figg. 10, 11 e 12 sono stati riportati i particolari dei periodi sopra menzionati. Da notare che a meno dell'evento locale (M=3,2), gli eventi citati sono preceduti anche da rapide cadute del livello piezometrico.

Fig. 6 - Concentrazione del gas radon a), temperatura dell'aria b), spettro di potenza del gas radon c) e spettro di potenza della temperatura d).

Fig. 7 - Concentrazione del gas radon a) e quota idrometrica della falda b) durante il periodo 11 gennaio - 20 marzo 1996. Le tacche indicano i tempi dei terremoti principali e ne riportano la magnitudo.

Fig. 8 - Coefficienti, senza ritardo, della crosscorrelazione dei valori di un giorno con quelli del giorno precedente relativi alla concentrazione del radon a) e della temperatura dell'ambiente esterno c). Magnitudo dei terremoti presi in considerazione b). Anno 1996.

Fig. 9 - Coefficienti, senza ritardo, della crosscorrelazione dei valori di un giorno con quelli del giorno precedente relativi alla concentrazione del radon a) e della temperatura dell'ambiente esterno c). Magnitudo dei terremoti presi in considerazione b). Anno 1997.

Pur non essendoci una dipendenza lineare, a valori di magnitudo più alta corrispondono i valori di coefficienti di correlazione più bassi, inoltre a parità di magnitudo i tempi precursori diminuiscono con l'aumentare della distanza, mentre a parità di distanza aumentano con la magnitudo.

 Nonostante ci sia una sola stazione, si è costruito il diagramma magnitudo-distanza (Fig. 13) che evidenzia la buona sensibilità del radon allo stress.

La linea continua tangente il dominio degli eventi capaci di produrre effetti sulla emissione di radon, sta ad indicare che le magnitudo richieste per eventi vicini sono più alte rispetto alla relazione di Haksson e Goddard (1981), ma restano ancora accettabili.

L'equazione (1) per i nostri dati locali sperimentali diventa:

M_min   =  2,013 log₁₀ (D) + 0,565                                          (2).

Fig. 10 - Concentrazione del gas radon a), quota idrometrica della falda b). Le tacche indicano i tempi dei terremoti principali e ne riportano le magnitudo. Anno 1996.

Fig. 11 - Concentrazione del gas radon a), quota idrometrica della falda b). Le tacche indicano i tempi dei terremoti principali e ne riportano le magnitudo. Anno 1997.

Fig. 12 - Concentrazione del gas radon a), quota idrometrica della falda b). Le tacche indicano i tempi dei terremoti principali e ne riportano le magnitudo. Anno 1997.

Fig. 13 - Diagramma magnitudo-distanza degli eventi principali (non dipendenti). * eventi associabili ad anomalie della concentrazione di radon, + eventi non accompagnati da anomalie, x eventi troppo vicini nel tempo ad altri di magnitudo maggiore, relazione empirica locale, relazione empirica Haksson e Goddard (1981).

CONCLUSIONI

Pur nei limiti degli eventi sismici verificatisi in regione, l'ubicazione molto favorevole della stazione di rilevamento ha permesso di evidenziare la validità della misura di radon per la segnalazione delle situazioni di stress presismico delle strutture tettoniche. Nell'unica situazione locale di maggior sviluppo di energia sismica, costituita dalla serie di Claut, si è avuta un'indicazione molto chiara di alterazioni dell'emissione di radon.

Ultimamente è stata modificata la tecnica di aspirazione dell'aria dal pozzo per cui la misura della concentrazione di radon sembra essere molto più indipendente dalle condizioni ambientali e climatiche. Con tale metodo di misura dovrebbe essere possibile individuare la relazione tra piccole anomalie e terremoti di bassa magnitudo.

La presenza di più punti di rilevamento permetterebbe di valutare l'influenza della distanza e della direzione della sorgente di stress sull'emissione di radon e correlare i risultati fra loro e con quelli delle altre misure passive per delineare i contorni delle strutture sismogenetiche.

Ringraziamenti. I dati sismologici, registrati dalla Rete Sismometrica del Fiuli, sono di proprietà del Dipartimento della Protezione Civile della Regione Friuli-Venezia Giulia. I dati meteorologici e piezometrici sono di proprietà del Dipartimento Ambiente della Regione Friuli-Venezia Giulia. Si ringraziano il Sig. Medeot per lo sviluppo della strumentazione, il Sig. Jungwirth per la preparazione dei dati meteorologici, il Sig. Perini per i lavori in campagna e lo staff del Dipartimento CRS di Udine dell'OGS di Trieste per la preparazione dei dati sismologici.

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