[1] Mefite d'Ansanto, Appennino meridionale, l'Italia è la più grande delle emissioni di gas naturale ricchi di CO2 a bassa temperatura , da ambiente non-vulcanico, mai misurata sulla Terra. L'emissione è alimentata da un serbatoio interrato, costituito da calcari permeabili e ricoperta da sedimenti argillosi. Abbiamo stimato un flusso di gas totale di ~2000 tonnellate al giorno. In condizioni di vento leggero, il gas scorre lungo uno stretto canale naturale producendo un flusso di gas persistente che ha ucciso per un periodo di tempo  persone e animali. L'applicazione di un modello numerico fisico ci ha permesso di definire le zone che potenzialmente può alterarsi a causa della concentrazione di CO2 pericoloso all'altezza di respirazione per gli esseri umani. La geometria del serbatoio del gas Mefite è simile a quelli progettati per sequestrare CO2 nei progetti di stoccaggio geologico dove enormi quantità di CO2 deve essere iniettato in modo da ridurre la concentrazione di CO2 atmosferica. L'approccio che abbiamo utilizzato a Mefite per definire le zone pericolose per la salute umana può essere applicata anche in caso di grandi fuoriuscite di CO2 dai siti di stoccaggio, un fenomeno che, anche se improbabile, non può essere esclusa.

[2] Mefite d'Ansanto (qui di seguito definito Mefite) è la più grande delle emissioni di gas CO2 non-vulcanico d'Italia e, probabilmente, della Terra. Mefite è noto da molto tempo per il pericolo associato alle emissioni di gas e, in età romana, quella zona è stata identificata come la tana della dea Mefite nocivi [Sinno 1969].

[3] Mefite offre l'opportunità quasi unica al mondo per misurare e modellare gli effetti di una grande perdita di gas da un serbatoio di gas sepolta simili a quelli coinvolti in progetti di CO2 sequestri geologiche. Stoccaggio geologico della CO2 si prevede di produrre pennacchi di larga misura areale e, anche se sembra improbabile, non è possibile escludere la possibilità di grandi fuoriuscite di CO2 dai siti di stoccaggio [Pruess 2008].

[4] In Mefite, durante periodi con atmosfera stabile il gas, più densa dell'aria circostante, viene canalizzata in fondo valle formando un fiume letale e invisibile gas. Gli effetti del fiume gas è visibile perché vegetazione è assente o fortemente danneggiati (Figura 1a). In queste aree abbiamo spesso trovato carcasse di animali selvatici e domestici (cani, gatti, volpi, etc.) uccisi dal gas. Diversi incidenti mortali coinvolti anche gli esseri umani. In particolare cronache storiche del XVII-XVIII secolo, descrivere i morti da gas di 9 persone [Gambino, 1991, pp. 295-296]. Più di recente, tre persone sono morte nel 1990 di (registro dei morti, comune Frigento, Avellino). Vale la pena notare che Mefite non è l'unica delle emissioni di gas letale in Italia, ma una lunga lista di incidenti mortali per gli esseri umani e gli animali esiste per diverse emissioni di gas [Chiodini et al., 2008].

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Figura 1. (a) posizione e fotografia aerea del emissione dei gas a Mefite e il fiume gas associato. (b) Schema della parte superiore del sistema di alimentazione di emissione di gas e la posizione del Monte Forcuso 001 bene. Lo schizzo geologico è stato ridisegnato da Mostardini e Merlini [1986].

[5] Al fine di misurare la portata di gas a Mefite, nel settembre 2005 abbiamo eseguito misure dettagliate di velocità flusso di CO2 e di CO2 le concentrazioni nell'aria lungo la valle dove scorre il fiume del gas. I nostri dati mostrano che Mefite è il più grande di emissione naturale di CO2 a bassa temperatura mai misurata nel mondo [Mörner e Etiope, 2002].

[6] Le misure di campo sono state usate come vincoli fisici per la modellazione del pennacchio di gas utilizzando il modello di trasporto del gas TWODEE-2 [Folch et al., 2009] sulla base di un approccio superficiale strato di [Hankin e Britter, 1999a, 1999b]. Recentemente, il codice è stato applicato in modo soddisfacente per simulare il pennacchio di gas formata dall'emissione Caldara di Manziana gas [Costa et al., 2008], un sito caratterizzato da una topografia relativamente piatto. Mefite, caratterizzato da flussi di gas molto più grandi e una topografia estremamente irregolare, rappresenta un caso molto diverso dove applicare il modello.

[7] Si dimostra che il modello è in grado di descrivere adeguatamente la gravità guidata flusso di CO2 che scorre sopra la valle di Mefite e ci ha permesso di individuare le aree in cui la concentrazione di CO2 dell'aria può essere superiore a soglie pericolose.

2. Origine delle emissioni di gas e geologica

[8] Dal bilancio del carbonio disciolto nelle falde acquifere regionali, Chiodini et al. [2004] stima che circa 290 kg / s di CO2 profondamente derivato rilasciato dal versante tirrenico italiano. Questa quantità di CO2 non vulcanica è ~ 10% della portata di CO2 totale stimato attuale di vulcani sub-aeree della Terra [Kerrick, 2001], ma è più probabile una sottostima in quanto il contributo delle numerose bocche di CO2 diffuse trova nella regione italiana non è incluso [Chiodini et al., 2008]. La più probabile fonte di questo processo regionale di degasaggio Terra è il cuneo di mantello, che si trova nel settore tirrenico d'Italia, che è anomalo ricca di fluidi origine in lastra Adria subduzione [Chiodini et al., 2004; Frezzotti et al., 2009].

[9] Una profonda origine dei fluidi è evidente a Mefite dove i gas hanno un δ13C di CO2 di 0,43 ‰ e un rapporto 3He / 4He (espresso come R / Ra) di 2,72 (campioni di settembre 2005). Questa firma isotopica è molto simile a quella dei gas emessi dai vulcani attivi Vesuvio e Campi Flegrei (δ13C da -2 ‰ e 0,5 ‰, R / Ra 2,6-3,4 [Caliro et al., 2007]), che si trovano 60 -80 km a ovest di Mefite. Italiano et al. [2000], anche sulla base di questa somiglianza, suggerisce la presenza di magma intruso nella parte assiale della catena sedimentaria dell'Appennino meridionale. Tuttavia la presenza di una profonda fonte di fluidi, comune all'interno della Terra per il verificarsi di processi magmatici o methamorphic, non è sufficiente a spiegare il verificarsi di un così grande emissione di CO2 in superficie, una sorta di manifestazione rara nella Terra .

[10] Al fine di comprendere la generazione di Mefite, abbiamo bisogno di prendere in considerazione il contesto geodinamico della catena appenninica meridionale che è una cintura di spinta-est tendente relativo alla subduzione-ovest immersione della litosfera pugliese [Doglioni et al., 1999 ]. Da medio-Pleistocene superiore ad oggi, la zona assiale della catena ha subito un sollevamento e NE-SW tettonica estensionale, che è responsabile per la formazione di fino a 15 km di profondità sismogenetiche errori sorprendenti NW-SE [Cinque et al., 1993 ; Hippolyte et al., 1994]. Fluidi profondi possono infiltrarsi verso l'alto attraverso la rete interconnessa di fratture estensionali e faglie normali e, durante la salita, possono essere intrappolati in trappole crosta che alimentano le emissioni di gas in superficie [Chiodini et al., 1995]. In particolare, Mefite è alimentato da una sacca di gas CO2, che è stato rivelato da un 1850m-pozzo profondo perforato a circa 2 km a est di Mefite (Figura 1b, Monte Forcuso 001 bene: unmig.sviluppoeconomico.gov.it /unmig/pozzi/dettaglio.asp?cod=3920). La zona gas è stato trovato da una profondità di 1128-1600 m, alla sommità di una formazione di carbonato permeabile ("Piattaforma Apula Interna", Mesozoico) coperta da una formazione argillosa ("Unità Lagonegresi", Miocene).

[11] La perdita di gas da questa zona si verifica almeno da epoca romana (2000 anni fa), ma è probabile che il processo di degasaggio è attiva fin dal Medio-tardo Pleistocene, quando la tettonica estensionale ha cominciato. La fuga di gas è favorita da processi evidenziati dalla presenza di grandi terremoti ha provocato l'errore, l'ultimo dei quali si è verificato nel 1980 (Irpinia Terremoto, Ms = 6.9 [Del Pezzo et al., 1983]).

3. Composizione e Gas Gas Flux

[12] A gas Mefite viene rilasciato da un'area di circa 4.000 m2 che copre il fianco di una ripida pendenza collina (Figura 1a). L'emissione di gas, campionato nel settembre 2005, si compone di CO2 (98% vol) con piccole quantità di N2 non-atmosferico (1,3% vol, N2 / Ar ~ 1000), H2S (0,33% in volume) e CH4 (0,23 vol%) . I flussi di gas in un canale strada verso ovest, seguendo la pendenza della valle. Utilizzo di un anemometro a filo caldo (Tekkal AVM 714) e uno spettrometro IR CO2 (DRAGER Polytron), abbiamo misurato profili verticali delle concentrazioni di CO2 e velocità del flusso di CO2 in una sezione trasversale del canale, normale alla direzione principale del fluire.

[13] L'esperimento è stato effettuato il 7 settembre del 2005, durante una giornata di condizioni di vento basse. Cinquantacinque misurazioni sono state effettuate dalla superficie del terreno di altezza 3 m, a 0,5 m Intervallo verticale, lungo otto profili di 1,5 m-spaziati. Flusso di CO2, in ciascun punto di misurazione, è calcolato moltiplicando la velocità di flusso (m / s) e la concentrazione di CO2 (frazione di volume). Un flusso di CO2 totale di 10,7 kg / s (928 tonnellate al giorno) è stato quindi stimato integrando le misurazioni sopra la sezione trasversale del canale (Figura 2). Considerando che la concentrazione di CO2 era ancora relativamente elevata (da 4 a 8% vol) all'altezza massima delle nostre misurazioni (3 m), il valore misurato di 10,7 kg / s è una stima minima dell'ammontare CO2 totale che scorre a Mefite.

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Figura 2. flusso di CO2 misurata nella sezione AA 'del fiume gas Mefite (vedi Figura 1a).

4. Simulazione di Mefite Gas fiume e il Gas Hazard

[14] La simulazione della dispersione di gas è stato eseguito con il codice TWODEE-2 che richiede la griglia topografia, i dati vento ei flussi del gas di origine [Folch et al., 2009]. La griglia topografia, un modello digitale del terreno 3m risoluzione, è stato creato da kriging a 5 m curve di livello topografia mappa. Il dominio di calcolo consisteva di 400 × 170 cellule (ciascuno di 3m x 3m) che coprono un rettangolo di 1,2 × 0,51 km2 (Figura 1a). La simulazione è stata eseguita usando l'est a ovest vento osservata con una velocità di 0,1 m / s (la maggior parte delle misurazioni del vento erano al di sotto del limite di rilevazione dell'anemometro, cioè 0,2 m / s con una risoluzione di 0,1 m / s). La pressione atmosferica di 1013 mbar, e la temperatura dell'aria di 15 ° C. Queste condizioni sono state assunte costante durante la simulazione. I calcoli sono stati eseguiti utilizzando il TWODEE-2 accoppiato con un modello diagnostico vento [Douglas e Kessler, 1990] per tener conto degli effetti della topografia sulla velocità del vento [Folch et al., 2009].

[15] Il flusso di gas, da una zona di origine uniforme identificato da prove di campo (figure 3b e 3c), è stata variata in modo sistematico, al fine di soddisfare al meglio la CO2 misurata nel canale. In figura 3a, il profilo di concentrazione di CO2 misurata viene confrontata con i risultati della simulazione. Come ottenuti attesi, i risultati delle simulazioni con il flusso di gas misurato (10,7 kg / s) sono inferiori ai valori osservati, perché nella nostra misura abbiamo escluso la parte più alta del pennacchio di gas. La misura migliore del profilo di CO2 misurato è stato ottenuto per flussi di CO2 in tutto 23,1 kg / s (2000 tonnellate al giorno) che saranno considerati il flusso di gas di riferimento da utilizzare per la modellazione della dispersione pennacchio e la valutazione di pericolosità del gas.

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Figura 3. (a) misurati (punti) vs (linee tratteggiate) simulati profili CO2 nella parte centrale della AA 'misurazione sezione (Figura 3b). La linea nera rappresenta il profilo ottenuto con un flusso ipotesi iniziale di 928 t / d. (b) la profondità nuvola simulato e (c) profondità media densità delle nuvole per un flusso di gas totale di 2000 t / d, e a / s vento 0,1 m che soffia da est a ovest.

[16] Figure 3b e 3c mostrano la posizione e la forma del flusso formata considerando il flusso di CO2 di riferimento e una all'Ovest vento di 0,1 m / s. La Figura 3b mostra la nube di gas di profondità h, cioè l'altezza sotto della quale una frazione 0,9 della galleggiabilità g (ρm - ρa) si trova (g è l'accelerazione di gravità, ρa la densità dell'aria, ρm la densità nuvola profondità media [Folch et al., 2009]). La distribuzione della densità nuvola profondità media (ρm) è mostrato in figura 3c. Nelle condizioni assunte nella simulazione, accumulo di gas è aumentata nel fondo valle. Dalla zona di origine a Ovest la densità del pennacchio diminuisce progressivamente (figura 3c) mentre l'altezza del pennacchio aumenta gradualmente, raggiungendo una elevazione massima di ~70 m al confine occidentale del dominio di calcolo (Figura 3b).

[17] Al fine di definire le zone pericolose per la salute umana a Mefite abbiamo effettuato numerose simulazioni diverse velocità e direzione del vento in modo da riprodurre eventuali diverse condizioni meteorologiche che si possono verificare nella zona. Considerando che le condizioni più pericolose si verificano solo fino alla velocità del vento di ~2 m / s, abbiamo simulato gli effetti della velocità del vento bassi da 8 direzioni della rosa dei venti (cioè, 32 simulazioni come dato dalla combinazione di 8 direzioni del vento da N, NE, e, SE, S, SW, W, NW e 4 velocità del vento di 0,1 m / s, 0,5 m / s, 1 m / s, 2 m / s). Tali condizioni di vento leggero si verificano molto frequentemente durante la stagione estiva, mentre sono meno frequenti durante la stagione invernale. Inoltre, in accordo con le cronache storiche [Gambino, 1991, pag. 292], le simulazioni mostrano che i venti che soffiano da nord tendono a migliorare la concentrazione del gas nella depressione topografica produrre le condizioni più pericolose.

[18] Abbiamo anche calcolato l'altezza massima a cui si raggiungono concentrazioni di CO2 del 5%, 10% e 15% durante le simulazioni (figure 4a, 4b e 4c), utilizzando una specifica utilità TWODEE-2 codice [Folch et al ., 2009]. I tre valori di concentrazione sono stati scelti perché rappresentano tre soglie importanti per la salute umana. Al 5% di concentrazione di CO2 dell'aria, la respirazione aumenta a due volte la velocità normale, gli esseri umani sono influenzati da un effetto narcotico debole e mal di testa. Questo valore è il limite di tolleranza per la maggior parte delle persone. Ad esempio, il limite di esposizione breve tempo per una concentrazione di CO2 del 3%, è stato fissato a 15 minuti l'Istituto Nazionale per la sicurezza e la salute degli Stati Uniti [Istituto nazionale di sicurezza e la salute, 1997]. La mappa di figura 4a mostra l'altezza massima raggiunta dalla soglia del 5% nel dominio di simulazione. Praticamente tutte le depressioni topografiche possono essere influenzati da 5% concentrazione nell'aria di CO2 a quota> 1,5 m per una o più specifiche condizioni meteorologiche. Al 10% gli esseri umani di concentrazione nell'aria di CO2 sono interessati da distress respiratorio con perdita di coscienza in 10-15 minuti. Tali concentrazioni molto pericolose sono simulate ad altezze di 1,5 m, o superiore, lungo la prima 500 m del fiume del gas (Figura 4b). Infine concentrazioni atmosferiche di CO2> 15% sono intollerabili per gli esseri umani e causano perdita di coscienza dopo pochi secondi di esposizione e la successiva morte, se non è immediatamente dato l'ossigeno. Queste condizioni letali caratterizzano primi 200 m della valle, in discesa dalla zona sorgente di gas, al culmine della respirazione umana (Figura 4c). Questa è la zona dove abbiamo sistematicamente trovato carcasse di animali.

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Figura 4. Quota massima di soglie di CO2 selezionati simulati per codice TWODEE-2 diverse velocità del vento e direzione del vento (vedi testo). L'area delimitata dalla linea tratteggiata è caratterizzata da vegetazione assente o danneggiata.

[19] Nel valutare il pericolo di gas a Mefite si deve considerare che gli effetti di CO2 sono esaltati dagli effetti concomitanti di H2S. Supponendo che il pennacchio di gas ha lo stesso rapporto H2S / CO2 delle emissioni di gas (H2S / CO2 ≅ 0,0035), le soglie di CO2 del 5%, 10% e il 15% corrispondono a concentrazioni in aria di H2S di 165 ppm, 350 ppm e 525 ppm, rispettivamente. Si tratta di concentrazioni molto pericolose di H2S. Infatti, al di sopra di una concentrazione di H2S di 300 ppm irritazione respiratoria è un sintomo predominante, ed è possibile per concentrazioni superiori a 500 ppm [Organizzazione Mondiale della Sanità 1981] iperpnea seguita da arresto respiratorio.

5. Conclusioni

[20] Mefite rappresenta la più grande emissione naturale di gas ricchi a bassa temperatura di CO2, da ambiente non-vulcanico, mai misurata sulla Terra. Integrando la misurazione della velocità del flusso di gas, l'analisi delle concentrazioni di CO2 e simulazioni numeriche fisici che ha stimato un flusso di gas totale di 23,1 kg / s (2000 ton / giorno). Per le condizioni di vento leggero, questa enorme quantità di gas fluisce lungo una stretta valle che produce un fiume di gas persistente che può uccidere le persone e gli animali.

[21] L'emissione è alimentato da un serbatoio di gas interrato, costituito da calcari permeabili e ricoperta da sedimenti argillosi. Perdite di gas a Mefite è attiva da lungo tempo (almeno migliaia di anni), probabilmente a causa sia di una ricarica di CO2 continua del serbatoio interrato e processi di faglie attive responsabili delle crisi sismiche ricorrenti. La geometria del serbatoio del gas Mefite è simile a quelli progettati per sequestrare CO2 nei progetti di stoccaggio geologico dove enormi quantità di CO2 deve essere iniettato in modo da ridurre la concentrazione dell'aria CO2. Anche se i siti di stoccaggio di CO2 sono previsti in no-sismiche aree, ragionevoli preoccupazioni riguardano la possibilità di grandi perdite di CO2. In effetti, massicce scariche Run-away di CO2 dai siti di stoccaggio, anche se improbabile, non può essere esclusa [Pruess, 2008]. Per queste ragioni, Mefite rappresenta un buon analogo naturale da studiare.

[22] L'utilizzo di un modello numerico fisica consentito di definire le zone più pericolose della zona Mefite. Il metodo utilizzato può essere adatto per la selezione delle zone non accessibili alle persone perché ripetutamente influenzata dalle condizioni letali. Un approccio simile può essere utilizzato per la mitigazione del rischio gas da altre emissioni naturali e, in caso di grandi fuoriuscite di CO2 dai siti di stoccaggio.

riconoscimenti

[23] Gli autori desiderano ringraziare due revisori anonimi per i loro correzioni e suggerimenti, che ha notevolmente migliorato il manoscritto. Questo lavoro è stato in parte sostenuto dal progetto di ricerca MIUR prot / PRIN2008. 2008S89Y8R.

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