A VLF Survey in Vinadio Geothermal Area

Giuliano Cappato – A VLF survey in Vinadio geothermal area 
  
 
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III.a  
INTRODUCTION 
 
 
With the increase in world population, industrialization and improvement in the 
standard of living, there has been a continuously increasing energy consumption. 
Obviously, a very sincere effort needs to be made both  to limit this energy consumption 
and to find new sources of energy to maintain present standards of living in the 
developed countries and improve those of the developing countries. The existing energy 
supply and demand situation is such that very soon all the energy that could be obtained 
from all possible available sources would need to be harnessed.  
To improve the energy situation, efforts need to be made in the following three 
directions: 
- utilization of new methods for recovery, power generation and distribution; 
- reduction of using non-renewable sources of energy;  
- development and utilization of other energy sources and techniques. 
In this global framework, geothermal energy promises to play a fundamental role in 
supplying electric power, industrial process heating and heat for buildings.  
In general, geothermal power is cost effective, reliable, sustainable, and 
environmentally friendly: Earth’s heat is one of the most powerful sources of energy. 
To appreciate the potential of geothermal energy, it has been calculated that, through the 
cooling of our planet by 1°C, enough heat would be released to keep the whole world 
supplied with all its present-day electrical power needs for some forty million years. 
This vast source of energy is now beginning to be considered as a potential future 
supplier of global energy requirements.  
During last years, in order to detect new geothermal fields, many geophysical surveying 
methods have been much utilized, because they have no effective costs and large areas
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supposed to be geothermal fields can be analyze indirectly during only one day of 
surveying. The most of these methods gives useful information about the shape and the 
depth of the geologic structures which represent the geothermic reservoir and 
sometimes the heat source that can only be confirmed through exploratory drilling. 
The purpose of this thesis is to verify the effectiveness of the VLF (Very Low 
Frequencies) geophysical survey method across the geothermal field of Bagni di 
Vinadio (Cn), confirming that conductivity contrasts associated with brecciated or 
mineralized faults that normally produce VLF anomalies.  
VLF surveying is a continuous-wave (frequency domain) electromagnetic technique 
that uses low-frequency radio transmissions as the source. When these intersect a buried 
conductor, they induce eddy currents that generate a secondary magnetic field 
concentric around the source of the currents: VLF surveys involve measuring the 
orientation of this field and, as the instrument passes perpendicularly over a vertical 
target, the vector orientation changes from a maximum on one side to a minimum on the 
other side.  
The method is primarily used in mineral exploration work but has also been 
successfully applied in engineering and groundwater surveys to detect conductive fault 
zones, zones of mineralization (which tend to be more conductive than the surrounding 
bedrock or host rock) and other sub-vertical conductors.  
 
 In particular, in the first chapter of this study it is explained the origin of geothermal 
energy, its environmental risks and sustainability. Then, in the second chapter, it is 
analyzed the geological usual environment with the most important classifications of 
geothermal systems present in literature.  
In the third chapter, all the methods that have got a key role in the geothermic 
exploration are analyzed, while in the fourth chapter it is studied the site in which the 
VLF survey has been carried out. There have been presented the main geographic, 
geological and geo-structural aspects which are fundamental in order to explain the 
presence of sources of hot water flows in depth.  
Then it has been analyzed the active thermal circulation in that zone, focusing on the 
geothermal and salinity data and estimating a range of possible formation resistivities 
with the Archie method, in order to correlate it with the following VLF survey response.
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In the fifth chapter, VLF method  is analyzed offering its basic mathematical concepts, 
advantages and drawbacks and an explanation of the instrument used during the survey.  
In the sixth chapter, it has been analyzed the survey: the acquisition parameters, the raw 
VLF data and the sequent VLF data processing using Fraser filtering (which gives the 
dip attitude of the conductors transforming of noisy, non-contourable, in-phase data into 
relatively noise-free and contourable data) and Karous-Hjelt filtering (which plays a 
fundamental role in order to understand the nature of conductors and distinguishing real 
conductive geologic materials from conductive urban elements). 
Two couples of apparent current density pseudo-sections obtained with a Surfer data 
processing are discussed in the seventh chapter, providing first-hand information 
regarding the number, size, depth and relative disposition of the discrete conductors. All 
field data are listed in the appendixes. 
In the last chapters general conclusions are listed, offering some suggestions for next 
future geophysical survey on Bagni di Vinadio geothermal field, in order to analyze 
with much more accurancy all the geo-structural and geothermal aspects of the site. 
Last but not least, it need to be add that this survey has been presented at the conference 
“The geothermal energy: from energy saver to the investigation for power production” 
on 21
st
 February 2012 at the Department of Geological Sciences of University of Turin.
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III.b 
INTRODUZIONE 
 
 
Grazie alla crescita della popolazione mondiale, dell’industrializzazione e del 
miglioramento degli standard di vita, si è sviluppato un continuo incremento di 
consumo di energia. 
Senza ombra di dubbio, deve esser compiuto un importante sforzo nel limitarlo e nel 
scoprire nuove forme di energia al fine di mantenere i presenti standard di vita nei Paesi 
sviluppati e di migliorarli in quelli in fase di sviluppo. L’attuale rapporto 
domanda/offerta di energia è così alta che molto presto tutta quella che potrà esser 
ottenuta dalle possibili risorse a disposizione dovrà essere sfruttata. 
Al fine di migliorare la questione energetica, le azioni da compiere devono 
principalmente seguire tre direzioni: 
-        Utilizzo di nuovi metodi stoccaggio, generazione e distribuzione di energia; 
- Riduzione dello sfruttamento di risorse di energia non rinnovabili; 
- Sviluppo e utilizzo di risorse di energia e tecniche di sua produzione differenti. 
In questo contesto globale, l’energia geotermica promette di giocare un ruolo 
fondamentale nella generazione di energia elettrica e nel riscaldamento di stabilimenti 
industriali e di edifici. In generale, la produzione di energia geotermica è a basso costo, 
affidabile, sostenibile e “amica dell’ambiente”: il calore della Terra è una fra le più 
valide risorse di energia. 
Per comprendere appieno il suo potenziale, è stato calcolato che, attraverso il 
raffreddamento di 1°C del nostro pianeta, si rilascerebbe un quantitativo di energia tale 
da poter sopperire all’attuale fabbisogno mondiale di energia elettrica per circa  
quaranta milioni di anni.
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Quest’immensa risorsa di energia sta cominciando solo ora ad esser realmente 
considerata come un potenziale futuro fornitore di energia globale. Al fine di 
determinare nuovi campi geotermici, nel corso degli ultimi anni sono stati quindi 
utilizzati numerosi metodi d’ indagine geofisica, favoriti da diversi fattori quali i bassi 
costi effettivi e la possibilità di analizzare in breve tempo vaste aree all’interno di 
potenziali campi geotermici. Molti di questi metodi offrono utili informazioni 
riguardanti la forma, la profondità di strutture geologiche rappresentanti serbatoi 
geotermici e la loro potenziale risorsa di calore. 
Lo scopo di questa tesi è di verificare l’efficienza del metodo di rilievo geofisico 
denominato VLF (Very Low Frequencies) all’interno del campo geotermico di Bagni di 
Vinadio (Cn), confermando i contrasti di conduttività associati a sistemi di faglie, 
brecciate o mineralizzate, che normalmente producono anomalie di tipo VLF.  
Il rilievo VLF è una tecnica elettromagnetica a onda continua (in dominio di frequenza) 
che utilizza trasmissioni radio a bassa frequenza come sorgente. Quando queste 
intersecano un conduttore sepolto producono delle correnti indotte, le quali a loro volta 
generano un concentrico campo magnetico secondario attorno alla sorgente delle 
correnti stesse: mediante rilievi VLF si eseguono misurazioni di orientazione di questo 
campo e, come lo strumento giunge perpendicolarmente al di sopra di una discontinuità 
sub-verticale, il vettore orientamento varia il suo valore da un massimo a un minimo. 
Il metodo citato viene in primo luogo usato nell’esplorazione minerale ma è anche 
applicato con risultati soddisfacenti nell’ingegneria e nella ricerca di risalite di acqua 
sotterranea ad alta temperatura, al fine di delineare faglie in zone conduttive, aree di 
mineralizzazione (che tendono a essere più conduttive rispetto alla roccia circostante o 
ospitante) e altre tipologie di conduttori sub-verticali. 
 
In particolare, all’interno del primo capitolo di questo studio, viene descritta l’origine 
dell’energia geotermica, i conseguenti rischi ambientali e la sua sostenibilità. 
Successivamente, nel secondo capitolo, viene analizzato il naturale ambiente geologico 
d’origine, citando le più importanti classificazioni di sistemi geotermici presenti in 
letteratura. 
Nel terzo capitolo vengono presi in considerazione tutti i metodi che giocano un ruolo 
chiave nell’esplorazione geotermica, mentre nel quarto capitolo viene analizzato il sito 
oggetto del rilievo VLF.
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Ne sono presentati i principali aspetti geografici, geologici e geologico-strutturali, 
fondamentali per evidenziare la presenza di sorgenti e  flussi di acqua calda in 
profondità. In seguito, viene approfondita la tipologia di circolazione termica attiva 
nella zona, focalizzando l’attenzione sui dati geotermici e geochimici, stimando quindi 
un possibile intervallo di resistività della formazione attraverso il metodo di Archie, al 
fine di correlarlo con il successivo responso del rilievo VLF.  
Nel quinto capitolo viene esaminato il metodo VLF, descrivendo i concetti matematici 
su cui si basa, i vantaggi contrapposti agli svantaggi e lo strumento utilizzato nel corso 
del rilievo.  
Nel sesto capitolo è descritto il rilievo in situ: i parametri di acquisizione, i dati VLF di 
campo e la conseguente elaborazione dati effettuata in ambiente Matlab utilizzando i 
filtri Fraser (il quale offre il valore di giacitura trasformando dati non conteggiabili e 
disturbati da rumore, in dati conteggiabili e relativamente liberi da rumore) e Karous-
Hjelt (che risulta fondamentale nel comprendere la natura dei conduttori e nel 
distinguere le varie litologie dai principali elementi urbani conduttivi).  
Sono quindi analizzate nel settimo capitolo due coppie di pseudo-sezioni di apparente 
densità di corrente, ottenute tramite un’elaborazione dati realizzata in ambiente Surfer, 
fornendo informazioni riguardanti la quantità, la dimensione, la profondità e la relativa 
disposizione dei conduttori distinti fra loro.  
Nell’ultimo capitolo vengono redatte le conclusioni, offrendo suggerimenti per futuri 
rilievi geofisici da eseguire all’interno del campo geotermico di Bagni di Vinadio, al 
fine di correlare fra loro i dati geo-strutturali e geotermici di sito con ancor più 
accuratezza. Tutti i dati di campo sono elencati nelle appendici.  
Ultimo ma non ultimo, è da aggiungere che lo studio derivante da questo rilievo è stato 
presentato al convegno intitolato “The geothermal energy: from energy saver to the 
investigation for power production” tenutosi il 21 febbraio 2012 all’interno del 
Dipartimento di Scienze Geologiche dell’Università di Torino.
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CHAPTER 1  
THE GEOTHERMAL ENERGY 
 
 
1.1 Historical note 
 
Although it is not surprising that most of the ancients have considered the depths of the 
Earth with horror, as the seat of Hell and of malignant Gods, they were not scared to 
exploit for their comfort the gentler thermal phenomena, such as hot springs which have 
been used for centuries for bathing proposes by the Chinese (the oldest known spa is a 
stone pool on China’s Lisan mountain built in the Qin dynasty in the 3rd Century BC, 
Fig. 1.1), the Etruscans, the Romans, Greeks, Turks, Mexicans, Japanese and Maoris.  
Thermal waters were alleged to possess healing and prophylactic properties when 
applied externally or internally when taken orally or used for douches and, year after 
year, balneology industry was born. Nowadays, apart from Italy which is the most 
“thermal” country in Europe with its 170 belneous-turistic centres, Hungary and Iceland 
have to be mentioned. All over the world, Japanese balneology tradition lasts from 3000 
years and represents the largest thermal site in the world.
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Fig. 1.1: The oldest known pool fed by a hot spring (China). 
 
Beside the thermal use, the electrical uses of geothermal energy rose in 1852, when 
Lord Kelvin invented the first heat pump. In this case, the most spectacular advance to 
be made in the exploitation of earth heat was heralded when Prince Piero Ginori Conti 
first promoted electric power generation in Lardarello in 1904 (Fig. 1.2). In this region 
already Etruscans extracted boric acid from the boiling springs (later known as 
“Lagoni”) and then this zone was used to extract sulphur, vitriol and alum.  
 
 
 
 
Fig. 1.2: Lardarello Geothermal field (Italy). 
 
 
 
After Lardarello’s experience, other countries followed Prince Conti’s early pioneering 
work in geothermal power generation as New Zealand (Warakei area) and USA 
(California).