• carsismo
• chimica
• geochimica isotopica
• idrochimica
• isotopi stabili

Riassunto

Il presente lavoro di Tesi riporta i dati associati ad una attività di monitoraggio su base mensile, condotta nel periodo settembre 2020-maggio 2021, delle acque ipogee del sistema carsico della Buca della Renella, cercando di caratterizzarle dal punto di vista idrochimico ed isotopico, e rappresenta un tentativo di comprendere nel modo più dettagliato possibile l’idrologia del sistema, i rapporti che sussistono con le acque meteoriche e del Canale di Regolo, nonché con il sistema idrogeologico circostante. L’obbiettivo è quello di fornire una base dati che consenta di comprendere in dettaglio sia il segnale climatico presente in vari proxies geochimici, che ricostruire i rapporti di natura idrologica che sussistono tra la grotta e le ricariche, data l’importanza delle Apuane in termini di risorse idriche sotterranee. Per raggiungere gli scopi previsti sono state effettuate dieci campagne di campionamento delle acque ipogee e superficiali, per un totale di 43 campioni. Durante il campionamento sono state effettuate in loco la misura dei parametri fisico-chimici intrinsecamente instabili (T acqua e pH), la determinazione della conducibilità elettrica, dell’alcalinità totale e, quando possibile, la stima della portata. Inoltre, sono stati raccolti i campioni delle piogge mensili per mezzo di un pluviometro appositamente installato. Infine, all’interno del sifone presente all’interno della grotta, è stata installata una sonda CTD-Diver per la misura in continuo del livello idraulico, conducibilità elettrica e temperatura dell’acqua. Sui campioni di acque raccolti sono state effettuate le analisi chimiche di costituenti maggiori (Ca2+, Mg2+, Na+, K+, Cl-, HCO3-, SO42-,NO3-) e le analisi isotopiche del δ18O e δ2H dell’acqua. Mediante i metodi classificativi di Piper e di Stiff è stato possibile classificare le acque in facies idrochimiche. Dalla classificazione risulta che la maggior parte delle acque appartengono alla facies bicarbonato-calcica, mentre la facies bicarbonato-magnesiaca è rappresentata dai campioni prelevati in una concrezione carbonatica (vaschetta) che trattiene le acque di stillicidio. Le acque bicarbonato calciche provengono da differenti circuiti idrici ospitati in litologie carbonatiche, la facies bicarbonato magnesiaca è rappresentativa di acque caratterizzate da una circolazione sotterranea relativamente lunga all’interno delle medesime litologie carbonatiche, ma soggette a processi più intensi d’interazione acqua-roccia. Sulla base dei dati isotopici dell’acqua è stato possibile stabilire che l’origine delle acque superficiali ed ipogee studiate è meteorica, e che la variabilità isotopica dipende essenzialmente dalla lunghezza del circuito sotterraneo che consente alle acque di omogeneizzarsi dal punto di vista isotopico, e da eventuali processi di frazionamento all’equilibrio. Inoltre, è stata eseguita un’analisi HYSPLIT delle retrotraiettorie relative a ciascun mese in cui è stato effettuato il campionamento delle piogge. In questo modo è stato possibile ricostruire la provenienza media delle precipitazioni che hanno generato il segnale isotopico mensile misurato. I risultati delle analisi fisico-chimiche, chimiche ed isotopiche delle acque nonché il calcolo della provenienza delle masse d’aria che hanno originato le precipitazioni locali, hanno permesso di comprendere in modo più dettagliato l’origine delle acque che alimentano il sifone della grotta, di individuare la presenza di una rete di circolazione sotterranea potenzialmente frammentata in parti indipendenti, e mettere in relazione il segnale isotopico medio delle precipitazioni locali, con la variabilità del segnale isotopico associato alle diverse tipologie di campioni ipogei (sifone, vaschetta e stillicidi) e superficiali (Canale di Regolo).

Abstract

This master thesis presents data from a monthly monitoring carried on the underground and surface waters belonging to Renella cave karst system from 01/09/2020 to 31/05/2021. The aim was to supply a database for future climatic and hydrological studies on Renella cave and its surface recharges due to the role of underground reserves in the Apuan Alps. The samples were hence analyzed both from a hydrochemical and an isotopic perspective in order to provide the most detailed description of the hydrology of the system and its relationships with rainwaters, Canale di Regolo and other water reservoirs of the basin.
We performed 10 field campaigns and sampled of surface waters and groundwaters from the shallower zone of the hypogeum, for a total amount of 43 samples. Field parameters (temperature, pH, electrical conductivity, total alkalinity) and flow rate estimation (when possible) were measured on field. A rain gauge was installed in order to collect rainwaters monthly. Additionally, a CTD-Diver was placed into the sump of the Renella cave for a continuous measurement of the hydraulic level, electrical conductivity, and water temperature.
Samples were analyzed for major ions (Ca2+, Mg2+, Na+, K+, Cl-, HCO3-, SO42-,NO3-) and for δ18O e δ2H on water molecule. Piper and Stiff diagrams classified most of the samples as Ca-bicarbonate, while dripping waters keeps in a carbonate concretion (vaschetta) belonged to Mg-bicarbonate type. While the former group represents waters that quickly permeate carbonate lithologies, the latter likely represents a more intense and long coupling with carbonate rocks. Isotopic data suggest that surface and underground waters have a meteorical origin and the variability between them depends mainly on underground homogenization and/or equilibrium fractionation processes. In a subsequent attempt, HYSPLIT was used to calculate the back trajectories for each month in which the rain sampling was carried out in order to identify the average origin of precipitations.
Major ions, isotope data and rainwaters back trajectories allowed a deeper understanding on the origin of the sump of Renella cave. They also identified an underground circulation network that is potentially fragmented into independent parts. Lastly, rainwaters were isotopically constrained and successfully linked to samples from the hypogeum (sump, vaschetta, dripping waters), and from the surface (Canale di Regolo).