• geochimica isotopica
• isotopi stabili
• monitoraggio ambientale
• carsismo
• speleotemi
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• Buca della Renella
• Renella

Questo lavoro di tesi ha previsto la caratterizzazione geochimica e isotopica delle acque ipogee del sistema carsico Buca della Renella, nei pressi del paese Forno (Massa-Carrara), sviluppata su base mensile. Lo scopo di questo monitoraggio idrogeochimico è quello di cercare di comprendere i processi che influenzano la variabilità geochimica osservata all’interno di alcuni speleotemi (concrezioni carbonatiche) presenti nella grotta, già studiati nell’ambito di un ampio progetto di ricerche paleoclimatiche che da più di dieci anni interessano l’area delle Alpi Apuane. Gli speleotemi sono, infatti, archivi naturali in grado di registrare le caratteristiche chimiche e isotopiche che le acque da cui si sono originati hanno acquisito durante il ciclo idrologico, permettendo di ricavare informazioni sulle variazioni di queste caratteristiche dovute ai cambiamenti climatici.
Tuttavia, il requisito indispensabile per ottenere ricostruzioni attendibili dagli speleotemi, oltre a datazioni radiometriche che ne precisino l’esatta cronologia, è il monitoraggio ambientale: un buon monitoraggio è fondamentale per conoscere a fondo l’ambiente di formazione delle concrezioni, i suoi parametri fisici e chimici e le modalità che attualmente ne governano i processi di frazionamento isotopico. In particolare, per quanto riguarda lo studio dei carbonati di grotta, è necessario disporre di dati accurati sui parametri idrochimici delle acque da cui si originano le concrezioni e sui parametri climatici ipogei.
Nel primo capitolo della tesi è stato fatto un inquadramento geografico, geologico e morfologico dell’area di studio in cui si trova la Buca della Renella, oltre a una breve descrizione della grotta stessa e delle sue condizioni meteoclimatiche. Sul fondo della cavità è presente un sifone, il cui livello è fortemente e rapidamente influenzato dalle precipitazioni. Sempre nella porzione inferiore della grotta è presente una vaschetta, cioè una caratteristica concrezione carbonatica che si forma su piani leggermente inclinati, con bordi rialzati e frastagliati che trattiene l’acqua di stillicidio (“drip” in inglese), ovvero l’acqua che gocciola dalla volta. Le acque del sifone, della vaschetta e degli stillicidi sono state l’oggetto di studio di questo lavoro di tesi.
Nel secondo capitolo è stata descritta la strumentazione utilizzata per il campionamento mensile, le analisi effettuate immediatamente in campagna e quelle fatte successivamente in laboratorio (anioni, cationi, elementi in traccia, isotopi).
Nel terzo capitolo è stato fatto un richiamo dei principi di geochimica isotopica: cosa sono gli isotopi e quali sono le proprietà che li rendono utili traccianti naturali nelle indagini di tipo idrologico e idrogeologico; cos’è il frazionamento isotopico e come avviene la misura del rapporto isotopico di un campione; il frazionamento isotopico nel ciclo idrologico (processi di evaporazione e condensazione) e i principali effetti che possono influenzare la composizione isotopica delle precipitazioni; qualche cenno sulla geochimica isotopica delle acque sotterranee.
Nel quarto capitolo sono stati presentati i risultati del monitoraggio effettuato per questo lavoro di tesi. Prima di tutto sono stati presentati i risultati relativi ai parametri misurati in situ, dunque pH, conducibilità elettrica, temperatura dell’acqua e temperatura dell’aria, confrontandoli anche con alcuni dati pregressi ricavati da campionamenti discontinui fatti negli anni precedenti e con un lavoro di tesi sulla grotta svolto per il periodo marzo-giugno 2015. Successivamente è stata fatta una caratterizzazione chimica delle acque di sifone, vaschetta e stillicidi, con i valori di concentrazione ottenuti dalle analisi e la classificazione delle acque tramite il diagramma di Langelier-Ludwig; infine è stata fatta una descrizione della composizione isotopica delle varie acque, tramite la misura dei rapporti isotopici δ18O, δ2H e δ13CDIC.
Infine, nel quinto capitolo e nel sesto capitolo sono stati discussi i dati ottenuti dal monitoraggio e sono state presentate le conclusioni del lavoro.
Secondo la classificazione basata sul diagramma di Langelier-Ludwig, le acque di sifone, stillicidi e vaschetta appartengono alla facies idrochimica delle acque bicarbonato-alcalino-terrose, indicando come il loro chimismo sia essenzialmente determinato dal processo di dissoluzione dei carbonati. Tuttavia, il chimismo di sifone, stillicidi e vaschetta risulta differenziato: le acque del sifone sono caratterizzate da un minor tempo di residenza e maggiormente influenzate dall’entità delle precipitazioni; la minore interazione delle acque del sifone con le rocce carbonatiche determina la loro scarsa maturità e il loro chimismo prevalentemente bicarbonato-calcico. Le acque degli stillicidi, invece, interagiscono più a lungo con le rocce e presentano una maggiore maturità rispetto al sifone. La vaschetta, infine, viene alimentata dagli stillicidi locali, perciò le proprie acque attraversano un ampio spessore di roccia e interagiscono con esse più a lungo, con conseguente arricchimento dei vari ioni, Mg2+ in particolare; tutti i campioni della vaschetta risultano infatti bicarbonato-magnesiaci.
Assumendo che la quantità di Cl- presente nelle acque sotterranee campionate derivi interamente dall’aerosol marino, è stato dimostrato che il contenuto di Na+ nelle acque campionate è principalmente dovuto al contributo alle precipitazioni degli aerosol marini; al contrario, il contributo della componente marina al valore totale di concentrazione di Ca2+ e Mg2+ è praticamente nullo. Relativamente basse sono invece le percentuali di SO42- dovute all’influenza dello spray marino sulle piogge; di conseguenza si può ipotizzare che una parte importante del SO42- presente nelle acque derivi dall’ossidazione della pirite, minerale presente in abbondanza nella formazione dei Grezzoni.
Dai valori calcolati di indice di saturazione della calcite, si osserva come le acque del sifone siano sempre sottosature rispetto al minerale e dunque abbiano la capacità di discioglierlo. Al contrario, le acque della vaschetta risultano sovrassature rispetto alla calcite e quindi hanno, in teoria, la possibilità di precipitare il minerale. Per quanto riguarda gli stillicidi vi è una differenza fra RLW-1, che presenta acque sottosature rispetto al minerale, e RLW-2, le cui acque sono invece sostanzialmente in equilibrio con la calcite; queste ultime acque sarebbero dunque in grado di precipitare il minerale e provocare la crescita degli speleotemi.
È stata osservata una correlazione tra l’andamento delle precipitazioni e la variazione temporale del chimismo delle acque; la concentrazione delle specie chimiche del sifone, e in misura minore della vaschetta, dipende sostanzialmente dalla quantità delle precipitazioni, mentre per gli stillicidi questa dipendenza è meno evidente. Nel caso della vaschetta, questa correlazione, accompagnata da un aumento della conducibilità, potrebbe indicare l’esistenza di un processo di “pistonaggio”, ovvero l’acqua più vecchia e più matura viene spinta fuori dall’acqua nuova.
La minore variabilità dei valori di δ18O e δ2H durante il periodo di monitoraggio potrebbe indicare l’esistenza di un circuito di alimentazione della vaschetta leggermente più lento rispetto a quello che alimenta il sifone. Di conseguenza, le caratteristiche isotopiche, ma anche quelle chimiche, delle acque di infiltrazione che alimentano la vaschetta potrebbero essere mediate da processi di mescolamento di molteplici eventi meteorici su una scala temporale più lunga; del resto, i valori isotopici maggiormente variabili riscontrati nel sifone rappresenterebbero una diretta connessione con i singoli eventi meteorici. Conclusioni simili possono essere tratte per gli stillicidi; la variabilità dei valori relativi al drip RLW-1 evidenzierebbe la sua maggiore connessione diretta con la superficie e tempi di infiltrazione più ridotti, se confrontati con i dati sostanzialmente più omogenei relativi ai drip RLW-2 e RLW-3.
La differenza tra i valori di δ13CDIC di sifone e vaschetta potrebbe essere legata al diverso percorso seguito dalle acque: nel sifone, infatti, arrivano acque che hanno interagito poco con il suolo e che vengono quindi ad avere valori di δ13CDIC più positivi; nella vaschetta invece vengono raccolte diverse acque di infiltrazione che, subendo un percorso più o meno lungo attraverso il suolo e l’epicarso, si caricano di isotopi leggeri e assumono valori di δ13CDIC più negativi.
In ogni caso, dato che la durata del monitoraggio su base mensile è stata di un solo anno, tali considerazioni possono al momento generare solo ipotesi. Difatti, per confermare la presenza di una rete di circolazione frammentata in parti indipendenti, per fare valutazioni sui tempi di residenza e di infiltrazione delle acque meteoriche e stimare l’età effettiva delle acque di stillicidio si rende necessario un monitoraggio di lungo periodo.