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• analisi numerica
• statistica
• tecniche di tracciamento

In linea con il progetto di ricerca presentato, relativo all’analisi ed allo studio delle caratteristiche geochimiche ed idrogeologiche delle acque superficiali e sotterranee del Torrente Possera e del medio corso del Fiume Cecina, l’attività svolta durante i tre anni del dottorato di ricerca in Scienze della Terra si è sviluppata con un approccio multidisciplinare basato:
- sull’analisi dei campioni di acque prelevate per lo più tra settembre 2006 ed agosto 2008;
- sullo studio dell’idrochimica delle acque e dei processi di interazione acqua roccia;
- sull’approfondita analisi statistica dei dati, anche di letteratura;
- sull’utilizzo di metodiche geochimiche ed isotopiche per tracciare le sorgenti inquinanti;
- sull’utilizzo di metodologie numeriche per la valutazione dei fenomeni di interazione acqua roccia.
- sul conseguente sviluppo di alcune prime valutazioni sul rischio geochimico nell’area in studio.
L’attività di campagna, campionamento, misure in situ e rilevamento geoidrologico, e quella analitica in laboratorio hanno comunque interessato tutto il periodo del dottorato.
Le acque superficiali del Fiume Cecina, il cui bacino è sede di larga parte del campo geotermico di Larderello, così come quelle sotterranee, legate alla modesta copertura alluvionale del corso fluviale, presentano contenuti in B che decrescono progressivamente dalla confluenza con il torrente Possera, verso il Ponte di Ferro (strada statale 439), limite inferiore della zona di studio.
La contaminazione da B delle acque del Cecina è da riferirsi, infatti, al torrente Possera, lungo il quale, nella zona di Larderello, si raggiungono le massime concentrazioni (circa 20 mg/l) e dove sembra, tuttora esistere una contaminazione probabilmente originata da due sorgenti: una derivante dalle attività geotermiche, l’altra, connessa alla lisciviazione di fanghi di origine industriale (lavorazione della colemanite) riversati nel torrente Possera.
L’indagine bibliografica svolta nel primo anno ha consentito di acquisire una serie di informazioni concernenti:
- un quadro della storia pregressa del territorio e dei dati raccolti da più attori;
- le caratteristiche termodinamiche dei principali minerali di B (Colemanite, Ginorite, Gowerite, Inyoite , Meyerhofferite, Nobleite, Priceite);
- le cinetiche di lisciviazione e formazione del gesso;
- la compilazione di algoritmi da utilizzare per la descrizione di fenomeni di “leaching”.
L’attività del secondo anno è stata principalmente dedicata alla calibrazione di un modello numerico che implementa equazioni cinetiche e termodinamiche in grado di simulare gli esperimenti di lisciviazione, effettuati in laboratorio. Parallelamente alla calibrazione numerica delle equazioni di lisciviazione l’attività di ricerca si è dedicata allo studio delle caratteristiche isotopiche degli inquinanti.
Considerando le correlazioni fra B e SO4, che sembrano delinearsi lungo il Torrente Possera, sono state eseguite analisi isotopiche di δ11B e δ34S con lo scopo di comprendere l’origine dei contaminanti e sono stati misurati i rapporti isotopici di:
- fluidi geotermici, selezionando quelli con profondità maggiore a 3500 m (12‰ < δ11B < 15‰ e 5.4‰ < δ34S < 7.4‰);
- acque del Torrente Possera, sia in prossimità della sorgente (località Bagno la Perla, Larderello, limite superiore dell’area in studio, δ11B = 10‰ e δ34S = 2.3‰), cercando di definirne le caratteristiche isotopiche delle acque a monte della contaminazione, sia nel tratto compreso tra località Bagno la Perla ed il ponte che congiunge Larderello a Montecerboli, dove massime sono le concentrazioni dei contaminanti;
- minerali di borogesso e colemanite (δ11B = -13.3‰ e δ34S = 1.4‰).
I dati isotopici suggeriscono un modello concettuale in cui si verifica un processo di miscelamento a 3 componenti con una prevalenza della componente di origine geotermica dal ponte ubicato a monte della sorgente di Bagno la Perla fino al vecchio parco colemanitico, a cui segue un fenomeno di leaching di prodotti derivanti dalla lavorazione della colemanite.
L’attività del terzo anno è stata dedicata allo studio della contaminazione, cercando di determinare, mediante l’utilizzo di metodiche multidisciplinari (geochimica, statistica, geochimica isotopica e di simulazione numerica), le relazioni tra il fiume e la falda, le sorgenti di inquinamento ed i possibili fenomeni di rischio geochimico indotti dalla presenza di B nelle acque.
La facies chimica delle acque superficiali del F. Cecina varia da solfato – alcalino – terrosa a bicarbonato – alcalino – terrosa, passando dalla fase di magra autunnale (ottobre), alla fase di morbida primaverile (aprile) rispettivamente. Interessanti risultano le acque del Torrente Possera che, nel tratto a valle del parco colemanitico, presentano una facies solfato – sodica nella campagna di ottobre e solfato – bicarbonato – alcalino – terrosa nella campagna di aprile. E’ probabile che nella fase di magra queste acque risentano del contributo di fluidi geotermici.
Riguardo ai pozzi le analisi hanno evidenziato che i pozzi ubicati nelle alluvioni (profondità 10-15 m) del Cecina presentano caratteristiche chimiche diverse: quelli situati in prossimità della confluenza con il Possera, sono costantemente caratterizzati da acque di tipo Na-Cl, mentre quelli più a valle da acque di tipo solfato – bicarbonato – alcalino – terrose. Probabilmente ciò dipende dalla diversa composizione delle evaporiti della zona, con possibili tracce di NaCl nell’area presso la confluenza Possera – Cecina, a cui succedono livelli fondamentalmente costituiti da CaSO4, procedendo verso il limite inferiore dell’area di studio.
La classificazione delle acque effettuata con l’analisi statistica delle componenti principali applicata ai macrodescrittori distingue due fattori: uno relativo alle acque a composizione Na - HCO3 - SO4, rappresentanti la componente con caratteristiche riferibili all’influenza di fluidi geotermici e l’altro, correlato con Ca, Mg e Cl che rappresenta, invece, la componente delle acque interagenti con le evaporiti.
L’applicazione dello stesso metodo statistico a tutte le variabili, B compreso, ha permesso di identificare tre fattori distinti, rappresentanti: le acque a solfato di calcio e magnesio, le acque a cloruro di sodio ed infine il B. Questi tre fattori indicano che la variabilità totale del sistema può essere descritta da: solfato di calcio, cloruro di sodio e boro come fattore indipendente. L’ampliamento del numero di variabili considerate conferma che il solfato di calcio deriva principalmente dalla lisciviazione dei depositi evaporitici per il medio corso del fiume Cecina, mentre, per il torrente Possera, esso potrebbe dipendere sia da un fenomeno di leaching dei fanghi colemanitici, sia dall’interazione con fluidi geotermici.
L’analisi dei fenomeni di interazione con il metodo della regressione lineare multipla ha condotto alla costruzione di un modello sufficientemente attendibile. Dal valore dei coefficienti dei fattori comuni estratti si evince, infatti, che la varianza del B può essere fondamentalmente spiegata dal solfato di calcio. I campioni con anomalia in B positiva risultano le acque di tipo solfato – sodico del torrente Possera, confermando quanto evidenziato con le metodiche idrochimiche ed isotopiche. Tale anomalia è probabilmente dovuta alla sovrapposizione della interazione con fluidi geotermici e lisciviazione dei depositi di borogesso.
L’analisi statistica canonica effettuata utilizzando i dati delle acque del fiume Cecina, del torrente Possera, nonché dell’acquifero alluvionale evidenzia che:
- per quanto riguarda il fiume Cecina, il range di concentrazioni del SO4 compreso tra i 100 ed i 150 mg/l è superiore alla curva teorica di distribuzione, ciò è imputabile a lisciviazione di depositi di origine evaporitica ubicati a valle della confluenza Cecina – Possera;
- per il torrente Possera, il range di concentrazione di B e SO4 è superiore alla curva teorica di distribuzione, come per l’acquifero del fiume Cecina, ma tuttavia con tenori di concentrazione più elevati, tra i 1600 ed i 1800 mg/l per i solfati, e 50 – 60 mg/l per il B;
- per quanto concerne l’acquifero alluvionale la distribuzione dei dati superiore alla curva teorica si ha sia per il SO4, tra 200 ed i 300 mg/l, che per il B tra 4 e 5 mg/l. Come per il fiume Cecina tale fenomeno potrebbe essere dovuto alla interazione con la serie evaporitica dell’area, a cui deve essere sommata la lisciviazione dei depositi di borogesso.
La simulazione numerica, infine, è stata utilizzata per confermare quanto evidenziato con le altre metodiche esplorative. Il codice di calcolo (Phreeqc, USGS, 2008), aggiornato dallo scrivente con le cinetiche di lisciviazione del borogesso, è stato utilizzato per simulare il comportamento del Torrente Possera in prossimità dell’abitato di Larderello. Le simulazioni effettuate confermano quanto ipotizzato dal modello concettuale, evidenziando come il torrente possa risentire dell’influenza sia del borogesso, sia di fluidi geotermici, essendo quest’ultima più evidente durante la fase di magra.
Concludendo, l’insieme delle analisi chimiche ed isotopiche effettuate e delle interpretazioni sviluppate indicano per il torrente Possera un marcato processo di interazione delle acque con materiale di derivazione colemanitica oltre che con fluidi geotermici. Per il fiume Cecina ed in particolare per il suo acquifero è possibile evidenziare, a valle della confluenza tra Cecina e Possera, che la distribuzione di B e SO4 è superiore alla curva teorica cumulativa, tale effetto risulta particolarmente evidente per il B. Le analisi statistiche multivariate evidenziano, inoltre, una sorgente comune di solfato di calcio in grado di spiegare la varianza associata al B. Tali effetti potrebbero essere dovuti sia alla lisciviazione delle lenti di evaporiti che di borogesso.
Infine, viene introdotta una prima valutazione di massima sull’impatto ambientale e sanitario delle caratteristiche geochimiche naturali ed indotte dell’attività dell’industria geotermica e mineraria dell’area, valutazione riferita al B ma che tiene conto anche di altri elementi (As, Hg). In sintesi, fra le principali novità apportate da questo studio alla conoscenza dell'area, voglio sottolineare l'approfondimento delle relazioni esistenti tra la presenza anomala di boro per cause naturali e la contaminazione dovuta alla attività mineraria-industriale del territorio; l'utilizzo specifico degli isotopi del boro e dello zolfo come traccianti della contaminazione, un primo tentativo di valutazione sull'impatto sanitario delle caratteristiche geochimiche dell'area.