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Lo scopo di questo lavoro di tesi è quello di caratterizzare dal punto di vista geochimico acque e sedimenti campionati nel bacino dei fiumi Chirchik e Akhangaran in Uzbekistan (Asia Centrale) in modo da distringuere le componenti di natura geogenica da quelle di natura antropica.
L’attività di campionamento è stata effettuta in ottobre 2023 durante il progetto speciale “Pisa meets Tashkent: a journey between geosciences and cultures” e ha previsto il prelievo di campioni sia nella porzione a monte del bacino, dove l’impatto antropico è minimo o assente, sia nella porzione a valle, dove i due fiumi principali ed i loro affluenti attraversano zone antropizzate come ad esempio aree urbane, industriali, agricole e minerarie.
Contenstualmente a questo lavoro di tesi è stato svolto un tirocinio presso il Dipartimento di Scienze della Terra dell’Università di Pisa che ha previsto l’analisi geochimica delle acque tramite tecniche di cromatografia ionica e ICP-MS e l’analisi geochimica dei sedimenti tramite DMA-80 e ICP-MS, sia per la frazione granulometrica < 2mm (bulk) sia per quella < 63 um (fine) al fine di determinare sia la composizione che la disponibilità di metalli e metalloidi. Per questo è stata effettuata sia una dissoluzione totale, applicata ad alcuni campioni di sedimento, che pseudo-totale come indicato dalle normative. Inoltre, è stata analizzata la quantità di materia organica sia nella frazione bulk che nella frazione < 63 um, oltre che eseguita una analisi litologica preliminare tramite stereomicroscopio.
Dall’analisi dei campioni di acqua è emerso che le acque a monte del bacino di Chirchik hanno interagito essenzialmente con le litologie magmatiche esposte, attraverso processi di alterazione. Verso valle si osserva un significativo aumento di ioni Na+, K+, SO42-, Cl- e NO3- a seguito dell’impatto antropico legato all’attività agricola.
Tuttavia, sia in termini di concentrazioni in ioni maggiori che in tracce queste acque risultano al di sotto dei limiti di concentrazioni imposti dalle diverse normative per la qualità delle acque potabili. Fa eccezione un campione d’acqua prelevato in corrispondenza di un bacino di decantazione delle ceneri delle centrali a carbone della città di Angren, dove si rilevano concentrazioni in eccesso di As, Al, B, Mo e Sb.
La concentrazione di elementi potenzialmente tossici nei sedimenti del bacino di Akhangaran e Chirchik è stata misurata sia per la frazione < 2mm sia per quella < 63 um, rilevando contaminazioni da basse a moderate per Be, Co, Ni, Sb e V in entrambi i bacini e una più elevata contaminazione di Cu, Mo, Cd, Tl, Pb e As in alcuni campioni appartenenti al bacino di Akhangaran. La presenza di questi elementi può essere di natura geogenica, ma anche legata alla presenza di attività minerarie e centrali a carbone presenti nel bacino di Akhangaran. È stata infatti evidenziata all’interno dei sedimenti la presenza di cenosfere, prodotti della combustione del carbone che possono contenere quantità considerevoli di elementi potenzialmente tossici.
La dissoluzione totale dei sedimenti Akhangaran ha permesso in particolare di determinare il contenuto totale di terre rare presenti: normalizzando le concentrazioni alle condriti è emerso che tutti i campioni presentano un andamento circa parallelo con la presenza di anomalia negativa di europio, tipica di rocce magmatiche che hanno subito frazionamento di plagioclasio, ipotesi che è coerente con il contesto geologico dell’area. Il campione di ceneri presenta un andamento simile, ma risulta più arricchito in terre rare. Questo arricchimento può essere legato alla presenza di carbone e dei suoi prodotti di combustione che tendono a concentrare al loro interno metalli e conseguentemente terre rare. Il contenuto di terre rare nei sedimenti ne riflette dunque la natura geogenica, ma in parte vi potrebbe essere un arricchimento legato alla presenza di cenosfere, di cui è stata evidenziata la presenza al loro interno durante l’analisi litologica.

This thesis work aims to characterize from a geochemical point of view waters and sediments sampled in Chirchik-Akhangaran river basin in Uzbekistan (Central Asia) in order to distinguish the geogenic components from the anthropogenic ones.
The sampling activity took place in October 2023 during the special project “Pisa meets Tashkent: a journey between geosciences and cultures”. Waters and sediments were collected in upstream catchments, where the anthropogenic pressure is low or absent, and downstream where the rivers and their tributaries flow through farmland, mining activities, agricultural, industrial and urban areas.
An internship at the Science Earth Department of the University of Pisa has been done in conjunction with this study. The period of internship provided geochemical analyses of water samples through ion chromatography and ICP-MS techniques. In addition, geochemical characterization of sediments has been done using DMA-80 and ICP-MS to assess the composition and the availability of metals and metalloids, including potentially toxic elements, in the < 2mm (bulk) and < 63 um (fine) grain size fractions. For the IC-MS analysis both total dissolution and pseudo-total mineralization has been performed. Furthermore, the total organic matter concentration of bulk and fine fraction has been measured and a preliminary lithological analysis has been performed using a stereomicroscope.
Water analysis showed that the geochemistry of Chirchik upstream samples reflects the weathering of exposed lithologies. In the downstream samples a significant increase in Na+, K+, SO42-, Cl- e NO3- is observed due to the anthropogenic pressure of agricultural activities. However, both major and trace elements concentrations result below the concentrations limits required by different drinking water regulations.
The water sample collected in a coal fly-ash pond related to the Angren coal-fired power plants exceeds the concentration limits imposed by regulations for As, Al, B, Mo and Sb.
Potential toxic elements concentration in Chirchik-Akhangaran basin sediments has been measured in both bulk and fine fractions revealing low to moderated contamination for Be, Co, Ni, Sb and V and a higher contamination for Cu, Mo, Cd, Tl, Pb and As in some samples from the Akhangaran basin. The occurance of these elements can be related to both a geological source and to the presence of mining activities and coal-fired power plants in the Akhangaran basin, as evidenced by the occurrence of cenospheres. Cenosphere are products of coal combustion that can host a considerable amount of potentially toxic elements.
Total dissolution allowed to assess the total amount of rare earth elements in Akhangaran river sediments: normalizing their concentration to chondrites it has been observed that all the sample have a parallel trend with a negative europium anomaly, typical of fractionated rocks. These results are consistent with the geological setting of the area. The fly ash sample has a similar trend but with an enrichment in rare earth elements, this enrichment may be due the concentration of metals and rare earth elements inside coal and his combustion products. The rare earth concentration in sediments reflects their geogenic nature but can also be due to the presence of cenosphere, as shown by the lithological analysis.