Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della Produzione Giorgio Curzio Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della Produzione Università di Pisa

Monitoraggio ambientale del radon in acque sotterranee come supporto alla predizione dei terremoti in Garfagnana e Lunigiana Studio di fattibilità (contributo della Fondazione Cassa di Risparmio di Lucca, Bando anno 2007) Realizzazione di uno strumento dimostrativo (contributo della Fondazione Cassa di Risparmio di Lucca, Bando anno 2009) (partecipazione della Comunità Montana della Garfagnana)

Delibera della giunta regionale della Regione Toscana n Delibera della giunta regionale della Regione Toscana n. 343 del 22 marzo 2010 Su proposta dell’Assessore Betti è stato approvato lo schema di protocollo di intesa tra la Regione e le Università di Firenze, Pisa e Siena in tema di prevenzione sismica in Toscana. Tra le esigenze di ricerca è elencata la realizzazione di una rete di monitoraggio del gas radon

2010 Realizzazione di una postazione di monitoraggio del gas radon ad integrazione di una delle stazioni della rete geochimica della Toscana settentrionale. 2011 Sviluppo del monitoraggio del gas radon ai fini della prevenzione sismica

Radioattività nell’ambiente naturale La radioattività è una normale componente dell’ambiente naturale: l’uomo è stato costantemente esposto alle radiazioni di origine naturale fin dal suo apparire sulla Terra e queste sono rimaste l'unica fonte di irradiazione fino a poco più di un secolo fa.

Fondo naturale di radioattività La radioattività naturale fornisce il maggior contributo (82%) alla dose ricevuta dalla popolazione (radiazione di fondo naturale). Il rimanente contributo è dovuto, nell’ordine, all’esposizione da diagnostica medica, all’uso di sostanze radioattive artificiali e alle attività industriali.

Radioattività terrestre Radioattività interna RADIAZIONE DI FONDO Radioattività terrestre Raggi cosmici Radioattività interna Radon

Cosa è il radon Il radon è un gas radioattivo naturale, incolore, inodore, insapore, chimicamente inerte ed estremamente volatile. Deriva dal decadimento radioattivo del radio che a sua volta deriva dall’uranio, un elemento radioattivo primordiale presente nella crosta terrestre fin dalla sua formazione. Il periodo di dimezzamento del radon (ossia il tempo in cui si dimezza la sua concentrazione per decadimento naturale) è di 3,8 giorni.

Catena radioattiva dell’U-238

Dove si trova Il radon viene generato continuamente da alcune rocce della crosta terrestre, in quantità variabili a seconda delle caratteristiche locali. Le concentrazioni di radon sono maggiori nei materiali di origine vulcanica (lave, tufi, pozzolane, porfidi, graniti) ma spesso si riscontrano elevati tenori anche nelle rocce sedimentarie (marmi o marne). Essendo un gas, il radon fuoriesce dal terreno attraverso crepe o fessure disperdendosi nell’ambiente circostante raggiungendo anche l’atmosfera.

Il radon può trovarsi disciolto in alcune falde acquifere. Il radon è contenuto in alcuni materiali da costruzione (cementi, laterizi, graniti, tufi). Il radon può trovarsi disciolto in alcune falde acquifere. Le concentrazioni di radon all'aria libera variano molto da una regione all'altra: a causa della diluizione dovuta alle correnti d’aria, in generale negli spazi aperti si raggiungono solo bassi valori di concentrazione.

L’ipotesi che sta alla base dell’utilizzo del radon per la previsione di eventi sismici è basata sull’osservazione che in presenza di accumuli di energia elastica nelle rocce, situazione che può condurre ad un terremoto, le variazioni nello stato tensionale delle rocce stesse, prima di portare ad una vera e propria frattura, possono causare complessivamente una dilatazione della loro superficie a causa del formarsi in esse di piccole crepe o microfratture. Tali crepe favoriscono la fuoriuscita all’esterno del radon intrappolato nella matrice rocciosa per mezzo dei seguenti meccanismi: a) la presenza di un maggior numero di vie di fuga disponibili permette un maggior efflusso di radon all’esterno, con conseguente aumento della sua concentrazione nell’aria ambiente; b) l’acqua che si infiltra nelle crepe, in intimo contatto con la roccia, si carica di radon e lo veicola nelle falde sotterranee. Il primo meccanismo non è molto significativo a fini predittivi dei terremoti, poiché appena giunto in spazi aperti il radon viene diluito in grandi volumi di aria, in misura che dipende dalle condizioni meteorologiche locali e del momento. Il secondo meccanismo, utilizzato dallo strumento proposto nel presente lavoro, è invece più utile, in quanto un controllo costante della concentrazione del radon disciolto nell’acqua di pozzi opportuni può effettivamente fornire indicazioni attendibili (meno dipendenti dalle condizioni climatiche esterne) per la predizione di eventi sismici.

Il nostro paese è compreso in una zona ad elevato rischio sismico, come tutti i paesi del bacino del Mediterraneo. Dall’analisi dei dati storici si evidenzia la seguente distribuzione dei terremoti nel mondo: 80% lungo il cosiddetto “anello di fuoco” del Pacifico; 15% in Mediterraneo, Medio Oriente e Tibet; 5% lungo le dorsali oceaniche. In Italia le aree più ampie soggette a rischio sismico si trovano in alcune regioni meridionali (Calabria, Basilicata, Campania e Sicilia), ma non mancano zone a rischio elevato anche in Toscana. In particolare, la Lunigiana e la Garfagnana possono essere considerate zone fortemente sismiche: in epoca storica sono state colpite da molti terremoti anche distruttivi, 23 dei quali, negli ultimi 3 secoli, hanno superato il VI grado della scala Mercalli, ossia hanno dato luogo a danni strutturali significativi. Tutti i paesi del mondo compresi nelle aree ad alto rischio sismico sono stati da sempre molto interessati alla predizione dei terremoti: Russia, Cina e Giappone hanno avviato fin dagli anni ’60 un massiccio programma in tal senso. I metodi tradizionali utilizzati per la previsione dei terremoti si basano su “metodi sismici”, quali misura delle deformazioni della crosta terrestre, monitoraggio dell’attività sismica, misura delle variazioni dell’accelerazione di gravità, del campo magnetico e del flusso di calore. Negli ultimi trenta anni sempre maggior attenzione è stata prestata ai cambiamenti geochimici quali possibili eventi che intervengono prima di un terremoto: in particolare molti sforzi sono stati concentrati sulle variazioni di concentrazione nelle acque sotterranee e di emissione in atmosfera di gas endogeni e principalmente del gas radon. Negli Stati Uniti è stato attivato a cura del Caltech, già prima degli anni ‘80, un programma di monitoraggio in continua di radon e toron lungo la faglia di S. Andrea in California. Le faglie rappresentano infatti dei percorsi di minima resistenza per i processi di degassamento terrestre.

Principali terremoti di grado VI o superiore della scala Mercalli in Garfagnana e Lunigiana dal 1500 ad oggi

terremoto di Tashkent (Uzbekistan, 1966 e 1967) Molte osservazioni hanno evidenziato significativi aumenti della concentrazione di radon nelle acque sotterranee prima di un terremoto o di un’eruzione vulcanica: terremoto di Tashkent (Uzbekistan, 1966 e 1967) terremoto di Haichang (Cina, 1975) eruzione di Karymsky (Russia, 1975) terremoto di Kobe (Giappone, 1995) terremoto di Chamoli (India, 1999) terremoto di Bhuj (India, 2001). In tali casi sono registrati valori anomali di concentrazioni di radon in acqua (superiori di un fattore variabile da 4 a 12 rispetto ai valori medi) prima dell’evento. Aumenti della quantità di radon disciolto nell’acqua dei pozzi profondi prima dei due terremoti di Tashkent nel 1966 e nel 1967 Anomalia di radon registrata in occasione del terremoto di Kobe nel 1995

Spettro di emissione gamma del campione di acqua prelevato dalla sorgente presso la faglia di Loppia

Figura 1: Rappresentazione schematica del sistema di monitoraggio del gas radon in acqua.

Per ogni ciclo di misura, della durata di 6 ore, è previsto il seguente schema temporale: - campionamento dell’acqua mediante attivazione della pompa e riempimento del Marinelli: il tempo di aspirazione (parametro configurabile in relazione alla situazione ambientale) è pari a 10 min; - attesa di 3 ore e 50 minuti affinché sia stabilito l’equilibrio radioattivo tra il radon e i suoi prodotti di decadimento contenuti all’interno dell’acqua campionata; - acquisizione della misura spettrometrica: durata della misura pari a 2 ore; - registrazione della misura spettrometrica e degli altri dati caratteristici del ciclo di misura e trasmissione degli stessi via GSM alla stazione centrale di raccolta situata presso il DIMNP. In contemporanea si ha lo scarico dell’acqua e l’inizio del riempimento del Marinelli per il successivo ciclo di misura. Pompa di alimentazione Acquisizione spettro gamma tempo 10 min 4 h 6 h

Foto della centralina installata presso il sito di Gallicano (Lucca).

Spettro gamma dell’acqua campionata acquisito dalla centralina in un tempo di misura di 2 ore (1 novembre 2011).

Andamento dei rilevamenti effettuati dalla messa in funzione

Grazie per l’attenzione