Gli isotopi dello stronzio nello studio della interazione acqua-roccia e nella caratterizzazione di corpi idrici in aquiferi

carbonatici. Introduzione ed esempi

Università di Pisa Dipartimento di Scienze della Terra

Riccardo Petrini

Franco Cucchi Luca Zini Francesca F. Slejko DMG-Università di Trieste

La base del metodo

Isotopo 84Sr 86Sr 87Sr 88Sr

Abb. naturale (atom %)

0.56 (1)

9.86 (1)

7.00 (1)

82.58 (1)

Lo Sr ha 4 isotopi naturali

L’isotopo 87Sr radiogenico è prodotto dal decadimento spontaneo

dell’isotopo 87Rb

L’abbondanza relativa di 87Sr è espressa dal rapporto 87Sr/86Sr, detto “composizione isotopica dello stronzio” Nelle rocce il rapporto 87Sr/86Sr è variabile e dipende dalla natura delle rocce stesse e dalla loro età geologica

87Sr radiogenico

Lo stronzio è un elemento chimicamente attivo nella interazione acqua-roccia (ND>1): la concentrazione e la composizione isotopica

dello Sr disciolto in un’acqua cambiano in funzione della natura dell’acquifero e delle modalità di circolazione

flusso

fluido

Roccia 1

Roccia 2

distanza 8

7Sr

/86Sr

Numero di Damköhler (ND)

f

tot

f

sdD

c

J

v

l

vc

ClMRN

Rd= somma pesata delle cinetiche di dissoluzione delle singole fasi minerali

Cs= concentrazione dell’elemento nel solido totale

l=distanza percorsa dal flusso

Cf=concentrazione dell’elemento nel fluido

= velocità del flusso

Jtot= totale delle reazioni di scambio per unità di volume di fluido

wf

s

SM

)1( = porosità

s= densità del solido

f= densità del fluido Sw= rapporto di saturazione

Le maggiori riserve geotermiche sono generalmente associate ad aree di vulcanismo attivo o recente, nelle quali il calore è trasferito direttamente dalla riserva magmatica ai fluidi. Tuttavia, le riserve termali in acquiferi carbonatici profondi sono oggetto di un crescente interesse, rappresentando le più importanti di risorse al di fuori delle aree vulcaniche.

1-Risorse termali in acquiferi carbonatici Esempi

Sorgenti termali di Monfalcone (34-40 °C) Pozzo Grado-1 (1100 m; 43 °C) Pozzo Lignano: SIL (≈2000 m; ≈60 °C)

Il termalismo nella Bassa Pianura della Regione FVG

Busetti et al 2010

Piattaforma carbonatica

Sequenza terrigena eocenica

Sedimenti marini Plio-Quaternari

A B

Lignano Grado-1

Monfalcone

L’acquifero è costituito dai carbonati mesozoici

Busetti et al., 2010

Lignano

Grado

Monfalcone

Tetto dei carbonati

Le acque appartengono alla facies idrochimica cloruro-sodica

Monfalcone Grado-1

Acqua dolce

Acqua di mare attuale

Pozzi nella Bassa Pianura del FVG

Lignano Le acque cadono nel campo dell’acqua di mare attuale

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 5000 10000 15000 20000

Na

(mg

/L)

Cl (mg/L)

Monfalcone

Grado-1

Lignano

Acqua di mare attuale

Processi aggiuntivi: evidenze di diluizione della componente salina

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

-13 -11 -9 -7 -5 -3 -1 1

D

18O

Monfalcone

Grado-1

Lignano

Natura del componente non salino

Acquiferi carsici

Acqua di mare attuale

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 5000 10000 15000 20000

SO4 (

mg

/L)

Cl (mg/L)

Monfalcone

Grado-1

Lignano

Acqua di mare attuale: deviazioni. Solfato

Acqua di mare attuale

Deficienza di solfato

Eccesso di solfato

3

2

4

2

322

3

2

4

2

342

4222

2222

222

2

HCOSOCaCaCOOSH

HCOSOCaCaCOSOH

SOHOSH

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 5000 10000 15000 20000

Ca

(mg

/L)

Cl (mg/L)

Monfalcone

Grado-1

Lignano

seawater

Eccesso di calcio

La riserva di acqua termale marina ha subito trasformazioni diagenetiche

Acqua di mare attuale: deviazioni. Calcio

60 70

80

seawater

°C Lignano Grado-1

Stima della temperatura della riserva

0.7077

0.7078

0.7079

0.7080

0.7081

0.7082

0.7083

0.7084

87Sr

/86Sr

lignano monfalcone Grado-1

La natura del componente marino: isotopi dello stronzio

Acqua di mare attuale: 0.70918

Le acque termali nei tre siti hanno una natura comune, ma non rappresentano acqua di mare attuale

0.7070

0.7075

0.7080

0.7085

0.7090

0.7095

0 20 40 60 80 100

87

Sr

/ 8

6 S

r

Numerical Age, Ma

reservoir

excessexcess

reservoir

excessmeasuredreservoir

Sr

SrSrSr

Sr

SrSrSrSrSr 868786878687 /1//

Rimozione degli effetti di diagenesi: “età” della riserva termale marina

L’acqua di mare della riserva non è attuale, ma fossile (Miocene ?)

Variazioni della composizione isotopica

dello Sr nell’acqua di mare

Monfalcone, Grado-1, Lignano

Il possibile scenario

?

La riserva salina potrebbe rappresentare paleo-acqua di mare intrappolata negli strati carbonatici carsificati durante la trasgressione marina dell’Oligocene-Miocene

Considerazioni -1 Le acque termali rappresentano paleo-acqua di mare, modificata per processi di interazione con I carbonati in un sistema geotermico di temperatura bassa-intermedia In alcuni settori, la riserva salina termale si mescola a scala variabile con acqua dolce, più fredda L’utilizzo della riserva dovrebbe essere pianificato per evitare un sovrasfruttamento I processi diagenetici in atto hanno probabili effetti sulla permeabilità del sistema

Flysch (Eocene)

Carbonati (Cretaceo Sup.)

Dolomie (Cretaceo M.)

Carbonati (Paleocene-Eocene)

Carbonati (Cretaceo M.)

Depositi alluvionali I

II

III

I

II

III

Sistemi carsici. Carso Classico

δ18O media precipitazioni magra: -7.5 ‰

Piena (maggio)

δ18O 18/02/08-19/02/08 δ18O 4/05/10-11/05/10

δ18O media precipitazioni piena: -5.0 ‰

Magra (febbraio)

18

OEvidenze degli apporti dai Fiumi Isonzo e Reka all’acquifero

87Sr/

86Sr carbonati = 0.70743-0.70752

Magra Piena

87

Sr/86

SrInterazione acqua-carbonati

Fiume

Reka

Fiume

Isonzo

magra

Litologie

carbonatiche

Tendenze verso l’equilibrio acqua-carbonati

Fiume

Reka

Fiume

Isonzo

piena

Litologie

carbonatiche

Considerazioni -2

L’applicazione combinata di sistematiche isotopiche conservative e non conservative evidenzia i fenomeni di mescolamento tra acque di diversa origine che avvengono nell’acquifero carsico

Lungo il percorso dalle aree di infiltrazione alle sorgenti il rapporto 87Sr/86Sr si avvicina progressivamente a quello caratteristico delle rocce carbonatiche

Le dinamiche del sistema variano nelle fasi di magra e piena. In particolare, nelle fasi di piena si attivano corpi idrici con interazione acqua-roccia prolungata, probabilmente stagnanti nelle fasi di magra

Nota conclusiva La sistematica isotopica dello stronzio applicata allo studio della natura ed evoluzione di corpi idrici rappresenta uno strumento in parte innovativo ed in forte sviluppo In particolare se associato alla analisi di altri isotopi stabili e chimiche di ioni maggiori e tracce La corretta interpretazione dei dati isotopici richiede comunque la conoscenza del contesto idrogeologico, geologico e strutturale dell’area in studio.