La prospezione dei gas del suolo nello studio del “rischio” da emanazioni di gas nocivi nel Lazio nei Comuni di Ciampino, Marino, Ardea e nella Riserva Naturale Tor Caldara

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La risalita di fluidi endogeni può dar luogo in superficie ad aloni di 
dispersione, più o meno estesi, caratterizzati da elevate concentrazioni di 
alcune specie gassose, quali anidride carbonica, idrogeno solforato e radon, 
che, in condizioni geomorfologiche (zone depresse) e meteorologiche 
(elevata umidità dell'aria e alta pressione), particolari possono accumularsi 
raggiungendo concentrazioni che possono essere nocive per gli animali e per 
l’uomo sia a breve sia a lungo termine. 
 Negli ultimi tempi, lo studio dei gas del suolo e delle loro modalità di 
migrazione attraverso la geosfera ha assunto un’importanza sempre 
maggiore. Infatti, già da diversi anni, la prospezione geochimica dei gas del 
suolo è utilizzata nell’ambito della geologia esplorativa ed ambientale 
[Lombardi et al., 1996]. Tale metodologia d’indagine si basa sullo studio 
della distribuzione superficiale di alcune specie gassose d’origine profonda 
e/o mista allo scopo di identificare le vie di risalita utilizzate da tali gas 
durante la loro migrazione verso la superficie [Ciotoli et al., 1998; 1999]. In 
generale, la presenza nei pori del suolo dei carrier gas, quali anidride 
carbonica e metano, è d’origine biologica, tuttavia è accertato che in aree 
tettonicamente attive le concentrazioni di questi gas possano risultare molto 
più elevate. Livelli elevati di concentrazione di CO
2
 nel suolo, associati sia 
ai sistemi di faglia attivi sia ai serbatoi geotermici, sono stati misurati in 
diverse aree dell’Italia centro-meridionale. Talvolta l’emissione di CO
2
 è 
confrontabile (in magnitudo) con quella delle aree vulcaniche, ma il gas è 
 7
spesso originato da reazioni metamorfiche che coinvolgono il substrato 
carbonatico laddove esiste una limitata copertura sedimentaria. Attualmente 
lo studio della fase gassosa presente nel suolo costituisce una componente 
importante nell'ambito della valutazione dei rischi geologici o naturali. 
Infatti, la presenza nel suolo d’elevate concentrazioni di gas nocivi (CO
2
 ed 
H
2
S) può generare situazioni di rischio che, se pur isolate, possono assumere 
localmente una valenza importante sia in fase di pianificazione urbanistica 
sia in aree ad elevato interesse turistico e/o naturalistico. In questi casi la 
presenza d’elevate concentrazioni di CO
2
 è spesso originata da fenomeni 
parossistici, frequentemente correlati ad attività sismica e/o vulcanica, che 
può causare la morte di animali e piante. In letteratura sono tristemente noti 
alcuni episodi parossistici quali: 
- l’evento delle Mammoth Mountain (California) dove la presenza di 
concentrazioni di CO
2
 tra il 30-96% ha causato la morte di un elevato 
numero di conifere su circa 30 ha di foresta (Fig. 1). La magnitudo e la 
durata di tal evento, non legato ad attività vulcanica sommitale, indica la 
presenza in profondità di una sorgente magmatica o di un serbatoio di gas ad 
elevata pressione; 
- l’evento più grave del Lago Nyos (Camerun), denominato “eruzione 
limnica”, dove il 21 agosto del 1986 una nuvola di più di 80 milioni di metri 
cubi di CO
2
 ha seminato la morte di oltre 1.700 persone fino a 20 km di 
distanza dal lago (Fig. 2). 
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Nella Regione Lazio sono note numerose zone caratterizzate da 
emanazioni di gas che possono costituire un pericolo per la salute umana: 
l’area vulsina (Latera, Veiano, Grotte S.Stefano, Viterbo), la provincia di 
Roma (Castel Campanile e Fiumicino), l’area dei Colli Albani (Comuni di 
Ciampino e Marino) e la fascia costiera da Pomezia ad Anzio (Trigoria, 
Castel Romano, Solforata, Ardea e Lavinio). Recentemente, ad esempio, 
incidenti mortali sono avvenuti nel Comune di Veiano (VT) e in località 
Laghi del Vescovo (Tivoli e Roma). 
Nel settembre del 1999 la morte per anossia di trenta capi di bestiame in 
seguito ad emanazioni di anidride carbonica in località Cava dei Selci 
(Comune di Marino, settore occidentale dei Colli Albani) ha richiamato 
l’attenzione delle autorità competenti e degli Enti locali preposti allo studio 
dei “rischi naturali”.  
La pericolosità dell’area è nota da tempo, tuttavia le scarse conoscenze 
del fenomeno ed, in particolare, della sua estensione areale non hanno 
impedito la forte urbanizzazione anche nelle zone limitrofe alle emissioni 
tanto che gli abitanti hanno accusato più volte disturbi (vomito, svenimento, 
ecc.) chiaramente dovuti alla presenza ed accumulo nelle abitazioni di 
elevate concentrazioni di anidride carbonica. Poiché in alcuni casi il 
fenomeno può dare origine ad eventi parossistici (come quello di Cava dei 
Selci) ad elevata intensità (elevate concentrazioni di gas nocivi) e, 
soprattutto, può essere localizzato anche in zone abitate, è stata effettuata 
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Figura 1 - Effetti della CO
2
presente nel suolo (Mammoth
Mountain). 
una prospezione dei gas del suolo al fine di ottenere una cartografia tematica 
delle aree soggette a maggior rischio ambientale presto, per quanto riguarda 
le elevate concentrazioni di CO2 e H2S, ed a lungo termine in relazione agli 
aspetti epidemiologici connessi con l’esposizione dell’uomo alla 
radioattività ambientale (rischio radon).  
 
 
 
 10
Figura 2 - Lago Nyos. Sede dell’evento parossistico del 1986. 
           
 
 
 
 
II. Obiettivi e organizzazione della ricerca: studio teorico e fase     
sperimentale 
L’obiettivo primario della presente tesi consiste nell’individuazione 
delle zone ad emissione anomala di gas endogeni ai fini della prevenzione 
sanitaria nei Comuni di Ciampino, Marino, Ardea e nella Riserva Naturale 
Tor Caldara. L’elaborazione dei dati geochimici mediante l’applicazione 
delle tecniche geostatistiche, ha permesso l’elaborazione di una cartografia 
tematica (rischio ambientale da gas nocivi) sulla quale definire eventuali 
vincoli e/o azioni di prevenzione. I risultati delle indagini, e la loro 
correlazione con i dati ottenuti da studi geologici precedenti, hanno inoltre 
contribuito all’ampliamento delle informazioni relative alla situazione 
geologico-strutturale dell’area. 
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L’obiettivo principale della ricerca consiste in un’analisi approfondita 
della distribuzione spaziale delle concentrazioni di alcune specie gassose nei 
Comuni di Ciampino, Marino, Ardea e nella Riserva Naturale Tor Caldara, 
caratterizzate dalla presenza d’elevate emanazioni di gas nocivi. 
Queste aree sono interessate da diverse manifestazioni naturali 
idrotermali ed emanazioni gassose puntuali, il cui costituente principale è 
l’anidride carbonica, probabilmente legata alla presenza sia di serbatoi 
geotermici, che di sistemi di fratture e di faglie particolarmente attive o 
attivate recentemente. Poiché la prospezione dei gas del suolo è in grado di 
fornirci informazioni sulla permeabilità delle strutture sepolte che mettono in 
comunicazione i serbatoi contenenti i potenziali gas nocivi con la superficie, 
lo studio delle distribuzioni spaziali delle concentrazioni dei gas nel suolo ci 
consente sia di mettere in evidenza le zone di reale pericolo, sia di 
identificare quelle di potenziale pericolo legate alla possibile riattivazione di 
faglie e/o fratture. 
Questo lavoro è stato integrato dallo studio di altre specie gassose che 
sono fondamentali per l’individuazione delle potenziali vie di risalita dei gas 
nocivi (Rn, CH4, He, ecc.).  
Al fine di perseguire gli obiettivi preposti la ricerca è stata articolata in 
uno studio teorico e una parte sperimentale.  
Nella prima parte del lavoro sono stati trattati sommariamente i principi 
teorici della migrazione dei gas; sono stati esaminati i differenti meccanismi 
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di migrazione, l’origine e le caratteristiche delle specie gassose oggetto della 
ricerca rielaborando le informazioni ottenute da una estesa ricerca 
bibliografica. 
E’ stato, inoltre, effettuato uno studio approfondito sulle possibili 
applicazioni della prospezione dei gas del suolo alla geologia ambientale.  
Nella fase teorica sono anche stati presentati quelli che sono i principi 
fondamentali delle tecniche della Statistica classica e della Geostatistica 
utilizzate per raggiungere gli obiettivi della ricerca. 
Contemporaneamente alla fase sperimentale del lavoro, si è proceduto 
all’acquisizione bibliografica dei dati geologico-strutturali relativi alle aree 
investigate. 
Il lavoro svolto nella presente tesi è stato organizzato come segue: 
1) Studio geologico generale consistente nella ricerca delle 
informazioni esistenti nella bibliografia nazionale. 
2) Ricerca bibliografica riguardante gli aspetti teorici inerenti, la 
migrazione dei gas in relazione al rischio ambientale. 
3) Prospezione a scala regionale in un’area di circa 25 kmq nei Comuni 
di Ciampino e Marino (Roma). 
4) Prospezione a scala regionale in un’area di circa 36 kmq nel Comune 
di Ardea (Roma). 
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5) Prospezione di estremo dettaglio e cinque misure del flusso di 
esalazione in un’area di circa 0.5 kmq nella Riserva Naturale Tor Caldara 
(Comune di Anzio). 
6) Analisi chimica dei campioni prelevati. 
7) Analisi dei dati, elaborazioni di carte tematiche e interpretazioni dei 
risultati. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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CAPITOLO 1 
 
MECCANISMI DI MIGRAZIONE DEI GAS 
 
1.1 Introduzione 
Alcuni aspetti relativi alle modalità di risalita dei gas endogeni, fino a 
poco tempo fa comunemente accettati, sono ad oggi messi in discussione. In 
particolare è essenziale soffermarsi sulle seguenti osservazioni: 
l. la diffusione (movimento di massa per gradienti di concentrazione) 
era considerata il principale meccanismo di trasporto dei gas nel sottosuolo; 
recentemente si è scoperto che i meccanismi di migrazione per avvezione 
(movimento di massa per gradienti di pressione), sia come flusso della fase 
gassosa nella zona non satura, sia come trasporto mediante flussi di bolle 
nella zona satura hanno assunto una grande rilevanza; 
2. in generale le elevate concentrazioni di radon nei gas del suolo sono 
relazionabili alla presenza di litologie arricchite in uranio o in radio, suo 
diretto progenitore (ambiente vulcanico), tuttavia si osservano spesso casi in 
cui la concentrazione di radon misurata è maggiore di quella all'equilibrio 
con la concentrazione degli elementi padri; 
3. i vulcani sono considerati i maggiori responsabili “naturali” 
dell'emissione dei “gas serra” (CO
2
 e CH
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), tuttavia anche in corrispondenza 
di faglie, possono esserci elevati flussi di questi gas. 
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La base della rivalutazione di questi aspetti relativi al comportamento 
dei gas nel suolo è la teoria del geogas, nata nei primi anni ’80 per spiegare i 
flussi di risalita gassosa [Kristiansson & Malmqvist, 1982; Malmqvist & 
Kristiansson, 1985]. Il geogas è una miscela costituita da un carrier gas 
(generalmente CO2), componenti secondari (es. CH4) e gas rari (Rn, He, 
ecc). Lo studio della migrazione dei gas nel sottosuolo, si sviluppò 
nell’ambito dell’esplorazione petrolifera quando una grande importanza 
commerciale assunse la conoscenza del movimento degli idrocarburi gassosi 
attraverso le rocce sedimentarie. Con l’esplorazione mineraria, in particolare 
con l’uranio, crebbe l’attenzione per lo studio dei vari gas d’origine 
endogena, in particolare del radon poiché direttamente associabile alle 
mineralizzazioni uranifere. Inoltre l’esplorazione geochimica ha fornito 
nuovi dati sui processi di degassamento della Terra.  
I primi modelli fisici di migrazione sono stati elaborati soprattutto negli 
studi di protezione ambientale, in primo luogo sulla radioattività indotta dal 
radon, sullo smaltimento geologico dei rifiuti tossici o radioattivi e sulla 
contaminazione di suoli e falde acquifere. La maggior parte di questi modelli 
possiede un carattere fisico-matematico pertanto le conoscenze geologiche 
in situazioni reali sono ancora incomplete. 
Lo scopo principale di questo capitolo è quello di dare una visione per 
quanto possibile globale sul metodo di prospezione dei gas del suolo e sui 
 16
suoi diversi campi d’applicazione e di descrivere i principali meccanismi di 
migrazione dei gas con cenni alla teoria del geogas. 
 
1.2 Lo studio dei gas del suolo (surface soil-gas prospecting) 
Nel gruppo dei metodi geochimici di prospezione superficiale rientra lo 
studio dei gas del suolo, noto come surface soil-gas prospecting, che risulta 
utile per comprendere i processi geologici che nel sottosuolo danno luogo a 
produzione e migrazione di gas. 
Tale studio è utilizzato sia nelle ricerche di giacimenti d’idrocarburi, 
sia nell’ambito della geologia ambientale.  
La prospezione dei gas del suolo può essere utilizzata in genere in ogni 
possibile scenario geologico, prescindendo dall’esistenza di manifestazioni 
puntuali o sporadiche come pozzi e/o sorgenti. 
In Germania e nell’ex Unione Sovietica sono stati effettuati i primi 
lavori sull’applicazione del metodo di studio dei gas nel suolo ed hanno 
riguardato la ricerca petrolifera ovvero il movimento degli idrocarburi 
gassosi attraverso le rocce sedimentarie. Il metodo dipendeva dall’esistenza 
di un fenomeno conosciuto come “microfiltrazione” (microseepage) o 
migrazione verticale. In presenza di giacimenti di idrocarburi nel sottosuolo 
si notavano, nei pori del suolo, elevate concentrazioni di metano. 
La letteratura internazionale ha prodotto una gran quantità di lavori 
sulla prospezione superficiale dei gas del suolo. 
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La curiosità scientifica sulla radioattività naturale, agli inizi di questo 
secolo spronò le ricerche sul radon nell’atmosfera e sulle sue variazioni 
stagionali nei suoli. Le possibili applicazioni nella ricerca mineraria non 
erano ancora previste. 
Negli anni ’60 si ebbe lo sviluppo dell’esplorazione mineraria, con 
impulso decisivo allo studio delle specie gassose d’origine endogena e in 
particolare quella dell’uranio. Ci furono problemi dovuti proprio alla natura 
della ricerca esplorativa nell’industria mineraria, dove spesso il 
campionamento dei gas risultava difficoltoso in quanto veniva effettuato in 
aree in cui affiorano rocce competenti. Le mineralizzazioni, inoltre, si 
presentano generalmente in estensioni a piccola scala e con caratteristiche 
più complesse di molti giacimenti di idrocarburi. Risulta da ciò la necessità 
di un campionamento più dettagliato e dispendioso. La maggior parte dei 
modelli studiati possiede un carattere fisico-matematico che non tiene 
sufficientemente conto dei fattori geologici alla scala naturale.  
In relazione alle situazioni geologiche reali, come la natura litologica 
delle rocce, la pressione e la temperatura, la circolazione delle acque 
sotterranee e l’esistenza di stress tettonici, le conoscenze sui fenomeni di 
migrazione sono ancora insufficienti per dare una classificazione dei 
meccanismi di migrazione esistenti.  
 18
1.3 Cenni sui principali meccanismi di migrazione dei gas  
I principi geologici che sono alla base dei meccanismi di migrazione dei 
gas riguardano le relazioni tra i fenomeni di degassamento della Terra e la 
geodinamica. 
La migrazione dei gas è strettamente legata alla presenza di una 
sorgente di gas (serbatoi di fluidi, idrocarburi in bacini sedimentari, presenza 
di fluidi geotermici in aree vulcaniche o in zone legate a fenomeni 
magmatici o metamorfici) ed all’esistenza di canali preferenziali di 
movimento che permettono al gas di migrare sia verticalmente che 
orizzontalmente. I percorsi preferenziali di movimento sono costituiti da 
zone che, naturalmente, offrono minor resistenza al moto: le zone di maggior 
permeabilità in una sequenza litologica entro le quali il gas può migrare 
orizzontalmente (p.e. livelli sabbiosi all’interno di una sequenza argillosa), e 
le discontinuità tettoniche dove il gas tende a migrare verticalmente (p.e. 
faglie e fratture) (Fig.1.1). 
La natura della forza motrice della migrazione può cambiare più volte 
durante la risalita dei gas a causa delle situazioni geologiche e delle 
condizioni fisico-chimiche che s’incontrano man mano (variazioni di 
temperatura, pressione, reazioni e precipitazioni chimiche che possono far 
variare la permeabilità delle formazioni attraversate). Inoltre le rocce, ed i 
fluidi in esse contenuti, possono essere sottoposte ad enormi carichi, 
fenomeni di compattamento (subsidenza), e stress tettonici che possono 
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Figura 1.1 – Schema delle principali vie di migrazione dei principali gas endogeni
(modificata da Etiope, 1995). 
modificare le modalità di migrazione in maniera imprevedibile. 
L’interazione di tutti questi fattori può dar luogo a processi di migrazione 
variabili nel tempo in maniera tale che la fuga dei gas verso la superficie 
terrestre debba venire considerata, almeno alla scala dei tempi geologici, un 
fenomeno intermittente [Gold & Soter, 1985; Torgersen & O’Donnel, 1991]. 
 
 
 
 
 
Il movimento dei gas nel sottosuolo può essere indotto da due tipi di 
forze:  
⇒ gradienti di pressione  
⇒         gradienti di concentrazione.  
Nel primo caso si tratta di un processo macroscopico in cui la massa 
gassosa si muove attraverso le fratture del sottosuolo da zone d’alta