L'idrogeologia non è soltanto una materia accademica. Trae il
suo interesse economico dagli aspetti legati alla ricerca, allo sfruttamento e
alla tutela delle risorse idriche. Tecnicamente parlando, infatti, un acquifero
è un corpo idrico ubicato nel sottosuolo suscettibile di uno sfruttamento
idrico. In queste brevi note, esploreremo l'acquifero carsico, cioè quella
parte di sistema carsico dove l'acqua scorre, si accumula e riaffiora.
Esploreremo gli acquiferi per estendere la nostra conoscenza sui sistemi
carsici. La parte di un sistema che l'uomo può esplorare direttamente, resterà
sempre largamente inferiore alla sua complessiva estensione. Ciononostante,
potremmo trarre molte informazioni dall'osservazione di quei fluidi che
attraversano il sistema nel suo sviluppo: l'aria e l'acqua. Dell'aria, abbiamo
già detto in passato, e altro si aggiungerà in futuro. Ora, non dovrebbe
stupire che molte informazioni sul sistema carsico provengano da osservazioni
idrogeologiche. Del resto, è proprio l'acqua, l'agente che ha costruito quel
vuoto che chiamiamo grotta.
Iniezione di un tracciante ottico - Ph. A. Kùcha
E' sempre possibile eseguire osservazioni fisiche e chimiche
all'esterno del sistema carsico, in superficie; misurare i parametri
meteorologici dell'aria, ricostruire l'andamento delle precipitazioni in un
determinato periodo. E' possibile compiere osservazioni fisiche e chimiche dei
parametri dell'aria e dell'acqua in particolari punti del sistema carsico.
Talvolta, è anche possibile osservare l'acqua presso le risorgenze e trarne
misure di portata, temperatura e caratterizzarla dal punto di vista chimico,
cioè produrre i cosiddetti chemiogrammi. Tuttavia, il completo percorso dei
fluidi, resterà, come già espresso, incognito, chiuso in una scatola nera.
THE BLACK BOX - Spesso si sente parlare del modello black box.
La locuzione significa scatola nera e si riferisce alla formulazione di teorie
circa il funzionamento di un sistema incognito, a partire dall'osservazione
delle condizioni in ingresso e in uscita dal sistema stesso. Nel nostro caso,
il metodo si applica all'osservazione dello stato dei fluidi che attraversano
il sistema carsico, all'ingresso e all'uscita da questo, alla determinazione di
quale correlazione intercorra tra le misure in input e output, e alla
formulazione di una teoria circa il funzionamento schematico e la geometria del
sistema carsico incognito; the black box, appunto.
SCHEMA DI UN SISTEMA CARSICO - Da un punto di vista
funzionale, è utile schematizzare lo sviluppo di un sistema carsico dividendolo
in zone. Esiste una zona di alimentazione dell'acquifero, dove le acque
meteoriche penetrano al livello della superficie topografica nelle fratture
dell'ammasso roccioso. Tale zona, prossima alla superficie, ha uno spessore
dell'ordine dei metri ed è denominata epicarso. E' caratterizzata da un flusso
verticale. In altri casi, le acque di scorrimento superficiali svaniscono
all'interno d'inghiottitoi, in altri ancora, le acque di un acquifero
adiacente, filtrano verso l'acquifero carsico senza essere visibili dalla
superficie.
S'individua, poi, una zona di trasferimento, caratterizzata
anch'essa da un flusso verticale temporaneo, che si sviluppa lungo le fratture
principali e i pozzi. Alla base del sistema carsico, si sviluppa l'acquifero
vero e proprio, dove si distingue una zona di scorrimento a pelo libero (zona
vadosa), caratterizzata da oscillazioni del livello piezometrico anche
decametriche, e una zona satura o freatica, permanentemente allagata, che
costituisce il serbatoio vero e proprio, e dove l'acqua è immagazzinata, in
parte nel reticolo di fratture e, per una minor parte, nei grandi vuoti.
La parte altimetricamente più bassa del sistema carsico è
costituita dalla cosiddetta zona di emergenza, dove trovano luogo le sorgenti,
perenni o temporanee, ubicate a giorno, ovvero sotto il pelo libero di un
recettore (lago, fiume, mare). La zona di emergenza può non essere nota, o
direttamente visibile, se l'acquifero si trova a diretto contatto con un
acquifero permeabile che riceve le acque di filtrazione.
SCHEMA DELLA CIRCOLAZIONE DELL'ACQUA - Da un punto di vista
della circolazione dell'acqua, la struttura drenante di un sistema carsico, o
reticolo carsico, può essere definita:
a) circolazione a
primario dominante, se esistono delle vie di drenaggio preferenziali verso le
quali convergono i rami di ordine superiore e che presenta a valle, condotti
sifonanti o allagati, risorgenze e l'assenza di una vera e propria zona satura
tradizionale;
b) circolazione
dispersiva, se si verifica l'assenza di vie preferenziali di scorrimento. E'
presente una zona satura tradizionale e la circolazione è dispersiva e avviene
attraverso la rete di fratture.
I due tipi di circolazione possono essere entrambi presenti
nel medesimo sistema carsico e interessare parti diverse, ovvero possono
attivarsi in tempi diversi a seconda dei tiranti idraulici. Frequentemente si
assiste a una:
c) circolazione
a dreni interdipendenti, dove numerose vie di drenaggio sono collegate in
maniera interdipendente e la direzione del flusso nei condotti, come l'esistenza
di risorgenti temporanee ("scarichi di troppo pieno"), dipende dalle
condizioni idrauliche del sistema. A valle, si possono riconoscere più serbatoi
semindipendenti ("SerSem") e la circolazione nella rete di condotti e
delle fratture è semidispersiva, con un flusso dell'acqua dai condotti verso le
fratture circostanti, in regime di piena (condotte in pressione) e
un'inversione dello stesso flusso, con la restituzione dei fluidi, in regime di
magra.
IL REGIME IDRAULICO – La portata dei corsi d'acqua sotterranei
e delle sorgenti si misura in litri al secondo [l/s] e subisce nel tempo
variazioni che sono in diretta relazione con le precipitazioni meteorologiche
che interessano il bacino idrogeologico che li alimenta. Le misure di portata
effettuate nel tempo possono essere disegnate su un grafico tempo/portata che
si chiama idrogramma o curva di esaurimento della sorgente. Una
rappresentazione grafica della relazione che esiste tra l'intensità delle
precipitazioni e la portata dei corsi d'acqua sotterranei e delle sorgenti è
possibile mediante la lettura combinata degli ietogrammi
("pluviogrammi") e degli idrogrammi.
La forma della curva di esaurimento di una sorgente,
descrive sia la risposta dell’acquifero alle precipitazioni, sia
l’organizzazione del sistema di drenaggio. L'idrogramma si rivela ancora più
utile se esaminato insieme alle variazioni dei parametri qualitativi dell’acqua
(chemiogrammi). Durata e intensità delle precipitazioni influenzano la forma
dell'idrogramma dei corsi d’acqua superficiali, come le caratteristiche del
bacino idrografico (forma, dimensione, pendenze, densità del drenaggio,
litologia e vegetazione).
Idrogramma di piena (blu), conducibilità (rosso) e
temperatura (arancio) della Sorgente di su Cologone nel novembre 2013 (tratto
da A.Cossu, J.De waele, et alii, 2014)
Rocce impermeabili mostrano idrogrammi con un picco di
portata molto netto a causa del piccolo immagazzinamento e rapido flusso,
mentre invece, i bacini idrogeologici costituiti da formazioni permeabili
tendono ad avere risposte ritardate e più piatte. L’idrogramma di un sistema
carsico vadoso tende ad avere picchi molto netti, simili a quelli dei corsi
d’acqua superficiali. Nel caso di gallerie freatiche e quindi di un flusso
idrico in gallerie sature a monte della sorgente, la risposta è simile a quella
di una serie di affluenti che si gettano in un lago.
Alcuni idrogrammi sono del tipo a “denti di sega”, altri
hanno curve più piatte o a debole pendenza. Nell’interpretazione
dell’idrogramma è importante inoltre sapere se stiamo analizzando tutto il
flusso uscente dal bacino idrogeologico o parte di esso (Tratto da: A.Fileccia,
2009).
I TRACCIAMENTI – Gli esperimenti di tracciamento consistono
nell'introdurre un prodotto nel flusso dell'acqua in un inghiottitoio o lungo
un fiume sotterraneo, al fine di caratterizzare univocamente la provenienza del
fluido e di individuare eventuali collegamenti, a valle, con un'altra parte del
sistema.
Molti prodotti possono essere usati come traccianti:
l'uranina (fluoresceina), la rodanina, il Tinopal ®, il Leucophor ® sono
traccianti che possono essere rivelati per la caratteristica colorazione che
impartiscono all'acqua. La presenza di questi traccianti può essere rilevata a
occhio, per concentrazioni dell'ordine di una parte su un milione (ppm) o, con
l'utilizzo del fluorimetro, anche in concentrazioni dell'ordine di una parte su
un miliardo (ppb), o anche meno (fluocaptori).
Naturalmente, le caratteristiche del tracciante da
utilizzare nell'esperimento devono essere studiate con particolare attenzione
in relazione a: tossicità e "accettabilità ambientale", anche a basse
concentrazioni; interazione con la frazione solida dell’acquifero, interazione
con le modalità di trasporto fluido (il tracciante non deve modificare la porosità
e la conducibilità idraulica dell’acquifero), facile rilevabilità, assenza di
una concentrazione pregressa di tracciante
nell’acquifero.
Altri traccianti comunemente utilizzati per la
caratterizzazione degli acquiferi sono i traccianti radioattivi (tritio), le
spore, come i pollini, ovvero i batteri o i virus, naturalmente non patogeni,
le spore artificiali a galleggiabilità neutra (microsfere di plastica), i sali
tracciabili per conducibilità elettrica, come i cloruri.
Abbandonando per un momento l'argomento dei traccianti, è da
notare che, diluendo opportunamente il comune cloruro di sodio nelle acque
fluenti, è possibile determinare la portata di un corso d'acqua con metodo
chimico, con misure di conducibilità elettrica dell'acqua a valle del punto di
immissione.
Durante il tragitto sotterraneo, una parte del prodotto sarà
adsorbita da depositi argillosi o resterà assorbita in estese aree filtranti
sabbiose o intrappolata in sacche di acque morte. Parte del prodotto, infine,
perderà le caratteristiche di rilevabilità. Ciononostante, i risultati delle
prove di tracciamento, oltre a fornire risultati qualitativi (collegamento-non
collegamento), forniscono anche risultati quantitativi. Lo studio di una curva
di restituzione (concentrazione/tempo) alla sorgente può dare indicazioni molto
utili per la comprensione della geometria e il funzionamento dell'acquifero.
CHEMIOGRAMMI - Le acque di diversa origine possono essere
distinte per via della diversa temperatura o della diversa impronta chimica. Le
variazioni di portata alla sorgente, ad esempio, sono associate a variazioni di
qualità chimica delle acque. L'intensità della fratturazione e dell’estensione
del carsismo possono essere evidenziate dalle variazioni di composizione
chimica, analizzate insieme alle variazioni di portata. Talora, anche nelle
sorgenti che mostrano scarse variazioni di portata durante l’anno, possono
essere notate forti variazioni in temperatura, conducibilità, concentrazione
degli ioni in soluzione, pH.
In occasione delle piene, i chemiogrammi hanno una forma a
impulsi, in sequenza e talvolta sovrapposti, dovuti a acque di composizione e
quantità leggermente diverse provenienti da sub bacini con caratteristiche
proprie. Combinando variazioni chimiche e di portata mostrate dai grafici si
possono separare i volumi scaricati dall’acquifero nei diversi eventi di piena.
La misura di alcuni parametri dell'acqua, tipicamente la
temperatura, la conducibilità elettrica (EC, e quindi il TDS -vedi sotto), il
pH, costituisce, in primo luogo, un argomento di ricerca ai fini della
caratterizzazione statistica dell'acquifero, e degli studi ambientali in
genere, inclusi quelli relativi alle componenti biotiche e allo stato di salute
degli habitat.
In secondo luogo, ma non per questo con minore importanza,
le osservazioni circa i parametri chimici dell'acqua forniscono uno strumento
di prospezione geochimica utile per effettuare tracciamenti con parametri
ambientali, per caratterizzare e distinguere acque di provenienza diversa e per
determinare se, in un determinato ambiente del sistema carsico, le acque siano
aggressive, neutre o incrostanti. Tale comportamento potrebbe anche variare
attraverso le stagioni o nel tempo, e fornisce
uno strumento esplorativo acuto,
in quanto potrebbe permettere di stabilire se le acque in questione provengano
da un ambiente piuttosto che da un altro, o se siano direttamente in relazione
con la superficie, o se ancora posseggano un potere aggressivo o incrostante
tale da far prevedere l'evoluzione del carsismo a valle.
GEOCHIMICA DELLE ACQUE DI GROTTA – I fenomeni carsici
coinvolgono sistemi a tre componenti: l'acqua, l'anidride carbonica e il
carbonato di calcio. La classificazione dei fenomeni carsici basata sul numero
delle componenti coinvolte nel processo carsico distingue fenomeni di carsismo
(a tre componenti), ipocarsismo (con meno di tre componenti) e ipercarsismo
(più di tre). Esempi di processi ipocarsici (con meno di tre componenti) sono,
ad esempio, le grotte in quarzite e nel gesso (2 componenti), nel ghiaccio e le
grotte di scorrimento lavico (1 componente) o le grotte di origine tettonica e
di erosione (zero componenti).
Quando invece sono coinvolti più di tre componenti si parla
di ipercarsismo. Questi fenomeni sono comunemente ascrivibili ad ambienti
idrotermali ma possono avere rilevanza anche in situazioni "normali".
Il carsismo dipende essenzialmente dalla corrosione della
roccia da parte delle acque. L'acqua pura scioglie poco il carbonato di calcio
(16 mg/l). Però l'acqua in contatto con l'atmosfera contiene disciolta una
piccola quantità di CO2 che rende acida l'acqua e che é sufficiente a aumentare
la solubilità del carbonato di calcio. Nel suolo, sotto una copertura vegetale
o sotto la neve, l'acqua si arricchisce ancor più di anidride carbonica, e può
disciogliere anche alcune centinaia di mg/l di carbonato di calcio.
Raccolta dell'acqua per determinare i parametri chimici
Nella CO2 in soluzione (determinata dalla pressione di CO2 nell'atmosfera
sovrastante), si distinguono la porzione libera (in soluzione sotto forma di
acido carbonico) e quella legata, combinata con i sali in soluzione perché
andata a disciogliere il carbonato di calcio. All'equilibrio la soluzione non é
aggressiva. Si ha una ben determinata quantità di CO2 libera e una di CO2
associata ai carbonati, e quindi un pH della soluzione ben preciso. In pratica,
all'equilibrio c'e` una relazione che lega temperatura, pH, e concentrazione di
CaCO3, e tutto ciò che serve, per misurare tali parametri, è una comune sonda
multiparametrica del costo di un centinaio di euro che misuri, appunto
temperatura, pH e conducibilità elettrica. Un consiglio per chi inizia:
l'analisi qualitativa dei suddetti parametri può già fornire interessanti
spunti. La misura di differenze di temperatura, pH e conducibilità tra acque
all'interno di uno stesso sistema sono come degli indizi di uno scenario in cui
si muove un investigazione della polizia scientifica. Si sta già facendo
prospezione geochimica: individuare tendenze dei parametri, valori di soglia,
anomalie puntuali o plume; spesso i valori "strani" balzano
all'occhio e c'è il tanto da costruirci una teoria sopra.
Il tenore di CO2 nell'atmosfera di grotta è variabile, dallo
0,03% dell'aria standard, fino a oltre il 3% in presenza di materiale organico
marcescente, e la parte di gas disciolta nell'acqua varia con esso. Così, se si
discioglie un'ulteriore quantità di CO2, la soluzione diviene aggressiva e il
pH della soluzione è inferiore a quello di equilibrio. Per pH superiori al pH
di equilibrio, la soluzione è satura di carbonati e si ha deposizione. La
misurazione del pH dell'acqua e della temperatura è un indicatore
dell'aggressività dell'acqua. Dalla misura della conducibilità elettrica, si
risale poi alla concentrazione dei sali disciolti (TDS, Total Dissolved Solid),
che, in ambiente carsico e` principalmente (80-90%) la CaCO3. Questa misura
permette di valutare se gli equilibri delle reazioni chimiche sono spostati a
sinistra oppure a destra e quindi se l'acqua è aggressiva (corrode la roccia)
oppure se tende a depositare i sali in essa disciolti.
L'aggressività dell'acqua cioè la capacità di sciogliere il
calcare (calcite e dolomite) dipende dalla concentrazione di CO2. L'acqua di
origine meteorica (pH teorico pari a 5,6) che passa nel terreno può arricchirsi
di CO2 e diventare aggressiva. Questo succede se l'acqua attraversa terreni
ricchi di acidi organici e in condizioni relativamente fredde, perciò gli
ambienti più favorevoli allo sviluppo del carsismo sono quelli coperte di
vegetazione e con clima temperato.
Però l'acqua di infiltrazione satura di CO2 diventa ben
presto satura di carbonato, quindi il suo effetto corrosivo è pressochè
limitato alla zona superficiale. La concentrazione della CaCO3 disciolta
nell'acqua in un sistema carsico cresce andando dalle zone di assorbimento fino
alle risorgenze. Essa varia a seconda del regime idrico che ha regolato il
trasferimento dell'acqua e delle condizioni di scambio con la roccia: fessure e
vaschette con flussi lenti hanno acque molto sature, condotti con flussi veloci
portano acque con minor saturazione.
La corrosione dei massicci nelle zone profonde ha luogo
poiché le acque delle piene arrivano in profondità in condizioni sottosature a
causa del veloce trasferimento all'interno del sistema. Quando l'acqua diviene
sovrassatura si ha precipitazione di carbonato di calcio. All'interno della
grotta questo dà luogo agli svariati fenomeni di concrezionamento. Quando la
precipitazione avviene alle risorgenze si generano tufi e travertini (tratto da
M.Corvi, 2001).
STRUMENTI - Un misuratore portatile, con sensori combinati
di temperatura, conducibilità e pH ha l'ingombro di un telecomando TV e un
costo di circa 100 €, variabile in funzione delle caratteristiche. L'acqua da
caratterizzare dev'essere prelevata in maniera che il volume di misura sia
rappresentativo. L'acqua di un corso d'acqua fluente, sarà campionata al centro
della corrente, l'acqua di una marmitta possibilmente al centro, né in
superficie, né sul fondo, l'acqua di stillicidio potrà essere campionata
facendo attenzione al fatto che si tratti di condensa superficiale o flusso
superficiale, o di percolamento. Il recipiente di campionamento dovrà essere
preliminarmente sciacquato con la stessa acqua da campionare. La durata della
misura è di alcuni secondi, non di più, perché in breve possono variare le
caratteristiche di temperatura e di CO2 disciolta, e quindi il pH.
Il tipo di indagine in corso, condiziona le modalità di
misura. Il rilievo geochimico in condizioni stazionarie (cioè le condizioni al
contorno non sono ritenute variabili, il regime idraulico è permanente, le
condizioni meteo, stabili, etc) lungo un corso d'acqua fluente, o delle acque
di stillicidio, potrebbe produrre dati utili, ad esempio, se questi fossero
acquisiti nello stesso momento (a breve distanza di tempo), alla ricerca di una
variabilità spaziale. Viceversa, i dati misurati nello stesso punto (sorgente,
stillicidio, etc) durante un evento transitorio (piena, piogge intense)
potrebbero rivelare un'interessante variazione temporale dei parametri.
In poche righe è difficile dare indicazioni generali sulle
tecniche di campionamento e, soprattutto, sulle tecniche di trattamento dei
dati e analisi, tuttavia è necessario verificare sempre che lo strumento sia
tarato e che le misure siano registrate con la posizione, con l'indicazione del
momento della misura, dell'operatore e del tipo di strumento utilizzato.
Sandro Demelas (sandrodemelas@gmail.com)
Nessun commento:
Posta un commento
Critiche e commenti son bene accetti!