CARATTERIZZAZIONE GEOCHIMICO – ISOTOPICA DELLE ACQUE SUPERFICIALI DEL FIUME PO Chiara Marchina Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra Università di Ferrara Summer School IUSS 2013 INNOVATIVE TECHNOLOGIES FOR THE SUSTAINABLE MANAGEMENT AND POLLUTION REDUCTION OF WATER RESOURCES
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CARATTERIZZAZIONE GEOCHIMICO – ISOTOPICA DELLE ACQUE SUPERFICIALI DEL FIUME PO
Chiara Marchina
Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra
Università di Ferrara
Summer School IUSS 2013
INNOVATIVE TECHNOLOGIES FOR THE
SUSTAINABLE MANAGEMENT AND POLLUTION REDUCTION OF WATER
RESOURCES
Il fiume Po ha un bacino che si estende lungo tutta l’Italia settentrionale. La composizione geochimica delle sue acque è il risultato di processi di interazione del sistema acqua con le rocce affioranti nel suo bacino idrografico che sono di estrema varietà data l’estensione dell’area in questione. A tale variabilità naturale dobbiamo aggiungere anche l’apporto antropico in prossimità delle aree urbane, delle industrie e delle aree agricole che contribuiscono a complicare il quadro geochimico delle acque oggetto di studio.
I Numeri del Po
Il bacino padano copre una superficie
di circa 70.000 km2 (più oltre circa 4000 fuori del territorio nazionale)
16 milioni di abitanti, appartenenti a 8 regioni, 13 province e 3210 comuni;
Il territorio che produce oltre il 40% del PIL nazionale e ospita un terzo delle imprese.
Dati provenienti dal IV CONGRESSO NAZIONALE DEL PO
Il Po: una risorsa per l’Italia
Piacenza, 23 e 24 novembre 2007
L’intero bacino continua ad essere teatro principale dello sviluppo e dell’innovazione del paese, in termini di: • “modernizzazione”; • chimizzazione ; • industrializzazione agricola con effetti rilevanti come la riduzione progressiva degli usi agricoli anche negli spazi rurali, l’obsolescenza e la dismissione di impianti e aree produttive con le loro conseguenze ambientali, l’indebolimento dei tradizionali vincoli di prossimità, la produzione energetica e i suoi sviluppi innovativi, ecc.. Tali cambiamenti pongono da un lato problemi estremamente attuali (quali il rinselvatichimento delle aree marginali o l’abbandono della montagna con le sue conseguenze negative –almeno nei tempi brevi - per la sicurezza idrogeologica e per la conservazione di un vasto e diffuso patrimonio culturale), dall’altro aprono nuove opportunità, come il recupero della naturalità diffusa e di forme innovative di abitabilità “reticolare” di aree precedentemente marginalizzate.
IL PROGETTO
Monitoraggio e campionamento di campioni delle acque superficiali del fiume lungo tutta l’asta principale, con particolare attenzione all’area deltizia;
Creare/aggiornare una sorta di “idro-archivio ” ai fini di studiare/comprendere eventuali variazioni ambientali/climatiche;
Studiare eventuali fenomeni di mixing con gli acquiferi dell’area deltizia e monitorare gli effetti dell’intrusione salina nell’area del Delta del Po.
Delta del Po
Boretto (Reggio Emilia)
Senna Lodigiana (Lodi)
Ponte della Becca (Pavia, confluenza con il fiume Ticino)
CAMPIONAMENTO
CAMPIONAMENTO
Una campagna invernale (marzo 2012), da Crissolo (ai piedi del Monviso), fino a Porto Levante;
Una campagna estiva (agosto 2012), da Pian del Re fino a Porto Levante; Una seconda campagna estiva con la collaborazione di tecnici della Provincia di Ferrara i quali, mi hanno permesso di raccogliere una serie di campioni di acque superficiali del fiume Po nelle aree del Po di Goro, Po di Gnocca e Po Grande.
Per ogni area campionata sono stati misurati i parametri fondamentali (pH, conducibilità e temperatura e carbonati). Per le analisi in laboratorio sono state riempite 2 bottigliette di polietilene riempite di campione tal quale e una acidificata per l’analisi in ICP-MS e utilizzati opportuni filtri a 45 µm.
Higer
Middle part
Lower part
Ca-HCO3 hydrochemical facies,
RISULTATI
Interaction with seawater in
the terminal (delta) part of
the river
0
25
50
0 25 50
Na+
+K+
HCO3
Po river (winter2012)
Ca
2+ + M
g2
+
SO4 + Cl- 50 0
0
50
ACQUIFERI
CONFINATI
ACQUIFERI NON
CONFINATI
1
10
100
1000
10000
100000
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Summer 2010
Po di Goro 2011
Winter 2012
Summer 2012
As concern the trace elements (analyzed by ICP-MS) we
recorded arsenic values higher than expected, exceeding
the tolerance limits for drinkable water (0,01 mg/L).
This evidence could represent a geochemical risk
considering that the water of the river serves some
Stesso numero di protoni ma diverso numero di neutroni
Si differenziano, quindi per la massa atomica.
FRAZIONAMENTO ISOTOPICO
Nel corso del ciclo idrologico esistono una serie di frazionamenti isotopici tra i diversi sistemi. Esiste un’evaporazione preferenziale delle molecole d’acqua più leggere (contenenti 1H e 16°), mentre l’acqua residua risulta più arricchita in 2H e 18O.
ISOTOPI IN IDROGEOLOGIA
ISOTOPI DELL’OSSIGENO
ISOTOPI DELL’IDROGENO
δD = 8.13 δ18O + 10.8 ‰ (GMWL, GlobaL Meteoric Water Line)
δD = 7,7 δ18O +9,4 (Meteoric Water Line Northern Italy)
Longinelli e Selmo (2003)
Off-axis CRDS LWIA 24d LOS GATOS
SPETTROMETRIA DI MASSA IRMS Gli stessi campioni sono stati analizzati con entrambe le tecniche
Il cross-check ha dimostrato una buona riproducibilità delle analisi, con un errore di circa 0,1 ‰ per δ18O e 0,4 ‰ per δD
ANALISI ISOTOPICHE DELL’OSSIGENO E
DELL’IDROGENO
ISOTOPI DEL CARBONIO
VARIABILITA’ NATURALE DEL δ13C
Il δ13C di molti composti naturali del carbonio varia enormemente: da ~0 a ~-110‰ vs. PDB.
ISOTOPI DELLO ZOLFO
Zolfo 32S 95,02% 33S 0,75% 34S 4,21% 36S 0,02%
δ 34S (‰) = [(Rc/Rstd) – 1] x 103
R = 34S/32S, c = campione, std =
standard di riferimento internazionale
(Troilite Meteorite Canyon Diablo)
Depositi atmosferici di S,
soprattutto di solfati nelle zone
costiere (sea-spray effect)
Dal suolo Pratiche di
Fertilizzazione
Geologia
del suolo
SO42- H2S
< 34S
rocce ignee o
sedimentarie
Azoto 14N 99,63% 15N 0,37%
I due isotopi hanno proprietà
chimiche leggermente differenti,
quindi non si distribuiscono nello
stesso modo lungo il ciclo
dell'azoto.
La fissazione dell'azoto è un processo che causa un leggero arricchimento in 15N
dell'azoto organico prodotto: l'azoto che si ritrova negli organismi azotofissatori, e nelle
piante leguminose con cui sono in simbiosi, è di circa δ15N = +1‰ AIR (ovvero il rapporto
tra 15N e 14N nelle piante è superiore del 1‰ rispetto allo stesso rapporto nell'azoto
elementare atmosferico).
Lungo la catena alimentare, ad ogni passaggio l'azoto organico si arricchisce in 15N di
circa il +4‰, così che l'azoto contenuto nei tessuti di un carnivoro potrebbe avere un
valore δ15N = +13‰ AIR.
Viceversa la deaminazione degli aminoacidi produce ammonio impoverito in 15N.
Ulteriori impoverimenti si hanno con la nitrificazione (NO3- risulta impoverito anche del
10‰ rispetto a NH4+), e con la denitrificazione (N2 impoverito del 16‰ - 20‰ rispetto a
NO3-).
ISOTOPI DELL’AZOTO
(N2,NOx)
Denitrificazione
Residui organici (+10/+30 ‰)
Ammonio (NH4+)
Materiale organico (R-NH2)
Nitrati (NO3-)
Consumo da
parte della pianta
Minerali Liscivamento
Precipitazioni
PARAMETRI CHE INFLUENZANO IL RAPPORTO
15N/14N NEI COMPOSTI VEGETALI
Fissazione N2 atmosferico (0‰)
-3/+1‰
-0,5‰
±1‰ Nitrificazione
-12/-29‰
basic principle :
defined bacterial reduction of dissolved nitrate to gaseous N2O in headspace vials
Bacteria: denitrifiers lacking an active N2O reductase
measurement of mass ratios 45/44 and 46/44 of N2O for calculation of d15N and d18O values of precursor nitrate
2223 222 NONNONONO
ISOTOPE COMPOSITION OF DISSOLVED NITRATE DENITRIFIER METHOD