Gli isotopi dello stronzio nello studio della interazione acquaroccia e nella caratterizzazione di corpi idrici in aquiferi
carbonatici.
Introduzione ed esempi
Riccardo Petrini
Università di Pisa
Dipartimento di Scienze della Terra
Franco Cucchi
Luca Zini
Francesca F. Slejko
DMG-Università di Trieste
La base del metodo
Lo Sr ha 4 isotopi naturali
Isotopo Abb. naturale (atom %)
84Sr
0.56 (1)
86Sr
9.86 (1)
87Sr
7.00 (1)
88Sr
82.58 (1)
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
Numero di Damköhler (ND)
l J tot
v cf
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
Roccia
1
87Sr/86Sr
ND
lMRd Cs
vc f
flusso
fluido
Roccia
2
Jtot= totale delle reazioni di scambio per unità di volume di
fluido
M
(1
) s
f Sw
= porosità
s= densità del solido
f= densità del fluido
Sw= rapporto di saturazione
distanza
Esempi
1-Risorse termali in acquiferi carbonatici
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.
Il termalismo nella Bassa Pianura della Regione FVG
Sorgenti termali di Monfalcone (34-40 °C)
Pozzo Grado-1 (1100 m; 43 °C)
Pozzo Lignano: SIL (≈2000 m; ≈60 °C)
A
Monfalcone
Lignano
Grado-1
Sedimenti marini Plio-Quaternari
Sequenza terrigena eocenica
Piattaforma carbonatica
Busetti et al 2010
L’acquifero è costituito dai carbonati mesozoici
B
Tetto dei carbonati
Monfalcone
Lignano
Grado
Busetti et al., 2010
Le acque appartengono alla facies idrochimica cloruro-sodica
Lignano
Monfalcone
Grado-1
Le acque cadono nel campo
dell’acqua di mare attuale
Pozzi nella Bassa Pianura del FVG
Acqua di mare attuale
Acqua dolce
Processi aggiuntivi: evidenze di diluizione della componente salina
12000
Acqua di mare attuale
Na (mg/L)
10000
8000
Monfalcone
6000
Grado-1
Lignano
4000
2000
0
0
5000
10000
Cl (mg/L)
15000
20000
Natura del componente non salino
10
0
-13
-11
-9
-7
-5
-3
-1
-10
Acqua di mare
attuale
1
-20
D
-30
Monfalcone
Grado-1
-40
Acquiferi carsici
-50
-60
-70
18O
-80
Lignano
Acqua di mare attuale: deviazioni. Solfato
3000
Acqua di mare attuale
2500
Eccesso di
solfato
SO4 (mg/L)
2000
1500
Monfalcone
Deficienza di
solfato
Grado-1
Lignano
1000
500
0
0
5000
10000
15000
20000
Cl (mg/L)
H 2 S 2O2
H 2 SO4
H 2 SO4 2CaCO3
2Ca 2
H 2 S 2O2 2CaCO3
SO42
2Ca 2
2 HCO3
SO42
2 HCO3
Acqua di mare attuale: deviazioni. Calcio
1600
1400
1200
Eccesso di calcio
Ca (mg/L)
1000
Monfalcone
800
Grado-1
600
Lignano
400
seawater
200
0
0
5000
10000
15000
20000
Cl (mg/L)
La riserva di acqua termale marina ha subito trasformazioni
diagenetiche
Stima della temperatura della riserva
60
70 °C
80
Lignano
Grado-1
seawater
La natura del componente marino: isotopi dello stronzio
0.7084
Acqua di mare attuale: 0.70918
0.7083
87Sr/86Sr
0.7082
0.7081
0.7080
0.7079
0.7078
0.7077
lignano
monfalcone
Grado-1
Le acque termali nei tre siti hanno una natura comune, ma non rappresentano
acqua di mare attuale
Rimozione degli effetti di diagenesi: “età” della riserva termale marina
87
Sr / 86Srreservoir
87
Sr / 86Srm easured 1
Srexcess
Srreservoir
87
Sr / 86Srexcess
Srexcess
Srreservoir
0.7095
Monfalcone, Grado-1, Lignano
Variazioni della
composizione isotopica
dello Sr nell’acqua di mare
87Sr / 86 Sr
0.7090
0.7085
0.7080
0.7075
0.7070
0
20
40
60
80
100
Numerical Age, Ma
L’acqua di mare della riserva non è attuale, ma fossile (Miocene ?)
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 bassaintermedia
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
Sistemi carsici. Carso Classico
I
II
Depositi alluvionali
I
III
Carbonati (Cretaceo M.)
Dolomie (Cretaceo M.)
II
Carbonati (Cretaceo Sup.)
Carbonati (Paleocene-Eocene)
Flysch (Eocene)
III
18
Evidenze degli apporti dai Fiumi Isonzo e Reka all’acquifero
O
δ18O 18/02/08-19/02/08
Magra (febbraio)
δ18O media precipitazioni magra: -7.5 ‰
δ18O 4/05/10-11/05/10
Piena (maggio)
δ18O media precipitazioni piena: -5.0 ‰
87
86
Sr/ Sr
Interazione acqua-carbonati
Magra
87Sr/86Sr
carbonati = 0.70743-0.70752
Piena
Tendenze verso l’equilibrio acqua-carbonati
magra
Fiume
Reka
Fiume
Isonzo
Litologie
carbonatiche
piena
Fiume
Reka
Litologie
carbonatiche
Fiume
Isonzo
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.
