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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
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
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
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.
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