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33
Italian Journal of Engineering Geology and Environment, 1 (2013)
© Sapienza Università Editrice
www.ijege.uniroma1.it
DOI: 10.4408/IJEGE.2013-01.O-03
M
arco
DoVErI, M
atIa
MENIcHINI & a
NDrEa
cErrINa FEroNI
IGG – Istituto di Geoscienze e Georisorse - CNR di Pisa (Italy)
GLI ISOTOPI STABILI DELL’ACQUA COME STRUMENTO FONDAMENTALE
NELLO STUDIO DEGLI ACQUIFERI CARSICI: ALCUNI ESEMPI DI APPLICAZIONE
SUI COMPLESSI CARBONATICI DELLE ALPI APUANE (TOSCANA NW)
STABLE WATER ISOTOPES AS FUNDAMENTAL TOOL IN KARST AQUIFER STUDIES:
SOME RESULTS FROM ISOTOPIC APPLICATIONS
IN THE APUAN ALPS CARBONATIC COMPLEXES (NW TUSCANY, ITALY)
RIASSUNTO
La gestione e la salvaguardia delle risorse idriche in ambiente
carsico necessitano di una dettagliata conoscenza del sistema acquife-
ro da ottenere attraverso un approccio multidisciplinare che abbracci
non solo valutazioni di carattere idrogeologico/strutturale, ma anche
l’uso di strumenti non comunemente utilizzati in idrogeologia, come
quello dei rapporti isotopici.
Nel presente lavoro sono riportati alcuni casi di studio riguardanti
gli acquiferi carsici dei bacini del Torrente Carrione, Fiume Frigi-
do e Fiume Versilia (Alpi Apuane, Toscana), nel corso dei quali si è
fatto utilizzo principalmente dei rapporti isotopici
18
O
/
16
O e
2
H
/
1
H
della molecola dell’acqua e marginalmente del rapporto
13
C
/
12
C del
carbonio inorganico in soluzione. I dati isotopici e la loro interpreta-
zione nel rispetto del contesto idrogeologico e geologico-strutturale
hanno permesso di ottenere informazioni sulle condizioni idrodina-
miche in acquifero, individuare i bacini idrogeologici delle principali
emergenze e riconoscere differenti sistemi di circolazione drenati da
sorgenti tra di loro vicine ed aventi un simile chimismo.
In definitiva, i risultati ottenuti confermano come nel caso dei
sistemi carsici, in cui è spesso difficile la conduzione di indagini idro-
geologiche convenzionali, lo strumento isotopico ricopra un ruolo
fondamentale nello studio della circolazione idrica.
T
ermini
chiave
: rapporti isotopici, acquiferi carsici, Alpi Apuane, aree di ali-
mentazione, condizioni idrodinamiche
INTRODUZIONE
In uno scenario caratterizzato da una forte pressione antropica, con
conseguenti fenomeni di degradazione delle varie matrici ambientali,
tra cui quella idrica, molti dei sistemi acquiferi convenzionalmente
sfruttati, con particolare riferimento a quelli delle pianure costiere, pre-
sentano condizioni di forte criticità, sia per la qualità delle acque, sia
sotto l’aspetto delle quantità. In questo contesto i sistemi acquiferi car-
sici costituiscono una importante alternativa per l’approvvigionamento
idrico. Il ruolo strategico di questi sistemi è definito in ragione sia di una
elevata qualità delle acque in essi contenuta, garantita anche da una li-
mitata antropizzazione dei territori in cui questi generalmente si svilup-
pano, sia dei quantitativi idrici che questi sistemi sono in grado di con-
ABSTRACT
The management and protection of water resources in karst envi-
ronment require detailed knowledge of the aquifer system which can
be obtained through a multidisciplinary approach, including not only
hydrogeological/structural assessment, but also the use of tools not
commonly used in hydrogeology, as the isotope ratios.
In the present work some examples of isotopic applications on
karst aquifers are discussed in relation to hydrogeological studies
carried out in the Carrione Stream, Frigido River, and Versilia River
catchments (Apuan Alps, Tuscany). In particular, during such studies
the isotopic ratios
18
O
/
16
O and
2
H
/
1
H of the water molecule, mainly,
and
13
C
/
12
C of inorganic carbon in solution were used.
The isotopic data, and their comparison with the hydrogeo-
logical and structural-geological ones, were useful: to obtain in-
formation about the hydrodynamic conditions in the aquifer; to
define the recharge area of main springs; and to identify different
circulation systems drained by closing springs which have similar
chemistry.
The obtained results confirm that in karst systems, where it is
often difficult to carry out conventional hydrogeological surveys,
the isotopic instruments have a fundamental role in the study of
water circulation.
K
ey
words
: isotopic ratio, karst aquifer, Apuan Alps, recharge area, hydrody-
namic conditions
INTRODUCTION
In a scenario characterized by a strong human pressure, where
degradation of various environmental matrixes, including the water,
is present, many of the conventionally exploited aquifer systems,
especially the coastal plains ones, have serious problems as regards
water quality and quantity. In this contest the karst aquifer systems
are an important alternative for water supplying. The high quality of
water in these systems, due also to the limited human presence in the
areas where they usually develop, and the high quantity of water that
they can contain provide a strategic rule of these systems.
On global scale it is estimated that the volume of water stored
in karst aquifers represent over 30% of the available drinking water
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GLI ISOTOPI STABILI DELL’ACQUA COME STRUMENTO FONDAMENTALE NELLO STUDIO DEGLI ACQUIFERI CARSICI:
ALCUNI ESEMPI DI APPLICAZIONE SUI COMPLESSI CARBONATICI DELLE ALPI APUANE (TOSCANA NW)
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M. DOVERI, M. MENICHINI & A. CERRINA FERONI
resources (F
ortI
, 2002). In Europe, where the carbonatic lithologies
take up the 35% of the territory, the water resources of the karst aq-
uifer contribute until 50% of the water supply (a
NDrEo
et alii, 2008).
As regards the italian karst aquifer P
rEzIosI
& P
IccINI
(2000) es-
timate that the amount of renewable water resources is 45 km
3
. This
value is approximately three times the consumption of drinking wa-
ter, proving that these aquifers are a very important resource, only
partially exploited.
Despite the strategic rule of the karst aquifers, it is important to
highlight that the management of these aquifers is difficult to carry
out, because their peculiar features. Indeed, the high effective infiltra-
tion coefficients, sometimes close to 100%, and the presence of large
flowpaths that promote low residence times in the aquifer determine
a high vulnerability of karst aquifers and a high variability in spring
flow rate. Moreover the heterogeneity of these aquifers could lead to
a water circulation breakdown into multiple systems flowing towards
different springs. These multiple systems could be substantially sepa-
rated from each other and not easy to identify in terms of extension.
These reasons imply the need to conduct studies for defining the
hydrodynamic conditions and identifying the recharge areas and pos-
sible zone with high absorption rate.
In the mountain areas, where the karstic aquifers are developed
frequently, it is not always easy to carry out conventional hydrogeo-
logical surveys, such as the realization of wells or piezometers and
their monitoring.
In these environments, the tracer tests are the methodologies most
widely used. These tests are certainly useful, but their applications
require very long time for a detailed characterization of the systems.
Each test, in fact, is a punctual test regarding only a limited area of
the aquifer system.
As shown by several works in literature (W
ooD
& s
aNForD
, 1995;
M
oHaMMaD
, 1998; M
arFIa
et alii, 2004; B
arBIErI
et alii, 2005; D
o
-
VErI
et alii, 2005; t
arragoNI
, 2006; P
IccINI
et alii, 2008) isotopic ap-
plications could be an important tool for the knowledge of the hydro-
geological features of karst systems.
The water isotopes can be considered as real natural tracers be-
cause they are not affected by water-rock interaction processes until
temperatures of about 200°C (P
aNIcHI
& g
oNFIaNtINI
, 1978). In karst
environments it is possible to fully exploit some of their properties,
such as the variations of the isotopic values of rainwater with respect
to both period of year (Y
urtsEVEr
& g
at
, 1981) and precipitation
altitude (F
rItz
& F
oNtEs
, 1980). In fact, the considerable altitude
range in which the carbonate systems normally develop, the strong
heterogeneity of hydraulic properties and, the relatively high veloc-
ity of the water flow in the aquifer are factors that enhance these
isotopic properties, influencing the isotopic ratios in groundwaters,
both in space and in time.
Analyzing these ratios in springs and/or in water collected from
wells, it is then possible to: i) highlight the possible existence of dif-
ferent circulation systems within the same hydrogeological domain,
tenere. A scala globale è stimato che i volumi idrici immagazzinati negli
acquiferi carsici rappresentano oltre il 30% delle risorse idropotabili di-
sponibili (F
ortI
, 2002). In Europa, dove le litologie carbonatiche occu-
pano circa il 35% del territorio, le risorse idriche degli acquiferi carsici
contribuiscono in alcuni paesi fino al 50% all’approvvigionamento di
acqua potabile (a
NDrEo
et alii, 2008). P
rEzIosI
& P
IccINI
(2000) stimano
per i sistemi carsici italiani una risorsa idrica rinnovabile di 45 km
3
, pari
a circa 3 volte il consumo di acqua potabile, ciò a testimonianza che si
tratta di una risorsa ingentissima, sfruttata solo parzialmente.
Pur rivestendo un’importanza strategica, gli acquiferi carsici pre-
sentano caratteristiche che rendono non semplice la programmazione
della gestione delle risorse idriche in essi contenute. Di fatto gli ele-
vati coefficienti d’infiltrazione efficace, talvolta prossimi al 100%, e
la presenza di ampie vie di circolazione idrica, che favoriscono bassi
tempi di residenza delle acque, determinano un’elevata vulnerabili-
tà degli acquiferi carsici ed una elevata variabilità dei flussi idrici.
Allo stesso tempo la forte eterogeneità che contraddistingue questi
acquiferi può dar luogo ad una ripartizione della circolazione idrica
su più sistemi drenati da sorgenti distinte, sostanzialmente separati tra
di loro e di non facile individuazione in termini di estensione. Da ciò
deriva la necessità di condurre studi finalizzati alla definizione delle
condizioni idrodinamiche e all’individuazione dei bacini di alimenta-
zione e di eventuali zone a elevato tasso di assorbimento.
I territori montani, in cui si sviluppano più frequentemente gli ac-
quiferi carsici, non rendono semplice lo svolgimento di indagini idro-
geologiche convenzionali, quali l’esecuzione di pozzi o piezometri e
relativo monitoraggio. In questi ambienti una delle metodologie di studio
più utilizzate è quella delle prove di tracciamento, senza dubbio utili, ma
richiedenti tempi molto lunghi per giungere ad una caratterizzazione del
sistema in esame, dal momento che ogni prova di tracciamento ha una
valenza puntuale o comunque interessa un settore limitato dell’acquifero.
Come mostrato da vari lavori in letteratura (W
ooD
& s
aNForD
,
1995; M
oHaMMaD
, 1998; M
arFIa
et alii, 2004; B
arBIErI
et alii, 2005;
D
oVErI
et alii, 2005; t
arragoNI
, 2006; P
IccINI
et alii, 2008) un impor-
tante contributo alla conoscenza delle caratteristiche idrogeologiche dei
sistemi carsici può essere ottenuto con le applicazioni isotopiche. Con
riferimento agli isotopi della molecola dell’acqua, veri e propri traccian-
ti naturali poiché fino a temperature di circa 200°C (P
aNIcHI
& g
oNFIaN
-
tINI
, 1978) non influenzati dai processi di interazione acqua-roccia, in
questi ambienti è infatti possibile sfruttare a pieno alcune loro proprietà,
quali le variazioni dei relativi valori nelle acque meteoriche in funzione
sia del periodo dell’anno (Y
urtsEVEr
& g
at
1981) sia della quota di
precipitazione (F
rItz
& F
oNtEs
1980). Di fatto i significativi dislivelli
morfologici su cui si sviluppano in genere i sistemi carbonatici, la forte
eterogeneità delle proprietà idrauliche di quest’ultimi e la relativamente
alta velocità di circolazione idrica al loro interno costituisco fattori che
esaltano suddette proprietà isotopiche influenzando conseguentemente i
rapporti isotopici nelle acque sotterranee, sia nello spazio, sia nel tempo.
Analizzando tali rapporti nelle acque sorgive e/o in quelle captate da
pozzi, è dunque possibile: i) evidenziare l’eventuale esistenza di diversi
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STABLE WATER ISOTOPES AS FUNDAMENTAL TOOL IN KARST AQUIFER STUDIES:
SOME RESULTS FROM ISOTOPIC APPLICATIONS IN THE APUAN ALPS CARBONATIC COMPLEXES (NW TUSCANY, ITALY)
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Italian Journal of Engineering Geology and Environment, 1 (2013)
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sistemi di circolazione all’interno di un medesimo dominio idrogeolo-
gico, anche nel caso in cui i relativi punti di recapito mostrino lo stesso
chimismo; ii) determinare la quota media del bacino di alimentazione di
tali sistemi; iii) ottenere indicazioni sulle condizioni idrodinamiche in
acquifero, ovvero sulla vulnerabilità dei punti d’acqua che lo drenano.
Anche l’abbondanza isotopica relativa alle sostanze disciolte in ac-
qua, come il rapporto
13
C
/
12
C del carbonio inorganico disciolto (DIC) o
il rapporto
34
S
/
32
S dei solfati in soluzione, conservando memoria dell’in-
terazione acqua-roccia, costituisce un efficace strumento per la tracciabi-
lità dei circuiti idrici, come dimostrato anche dai risultati di studi condot-
ti su acquiferi ospitati in serie carbonatiche e/o carbonatico-evaporitiche
(D
oVErI
et alii, 2005; B
IaNcHI
et alii, 2009; B
oscHEttI
et alii, 2005).
Nel presente lavoro vengono trattati i risultati ottenuti nel corso di
studi in cui si è fatto utilizzo degli isotopi stabili della molecola dell’ac-
qua, principalmente, e del carbonio inorganico in soluzione. In parti-
colare, l’obiettivo è quello di mettere in risalto come i dati isotopici,
supportati da un’attenta analisi geologico strutturale ed idrogeologica,
abbiano contribuito in maniera significativa a: 1) riconoscere diversi
sistemi di circolazione all’interno di un medesimo dominio idrogeolo-
gico; 2) individuare le aree di alimentazione delle sorgenti; 3) compren-
dere le condizioni idrodinamiche che regolano il deflusso sotterraneo.
Tutto ciò in un ambiente carsico di forte interesse idrogeologico
quale è quello delle Alpi Apuane (Toscana NW), per le sue ingenti
risorse idriche e per la necessità di una loro salvaguardia a fronte
dell’intensa attività estrattiva del marmo i cui effetti negativi sulla
qualità delle acque, quantomeno in relazione alla torbidità delle stes-
se, sono stati anche dimostrati dallo studio di D
rYsDalE
et alii (2001).
INQUADRAMENTO GEOLOGICO ED IDROGEOLO-
GICO DELLE ALPI APUANE
Le aree di studio ricadono nel settore nord-occidentale della To-
scana (Fig. 1) e si sviluppano in particolare sul versante tirrenico del
massiccio apuano, nei bacini montani del Torrente Carrione, del Fiu-
me Frigido e del Fiume Versilia. L’assetto geologico-strutturale delle
Alpi Apuane si colloca nel contesto dell’orogenesi dell’Appennino
Settentrionale verificatasi tra l’Oligocene superiore e il Pliocene, nel
corso di fasi tettoniche a carattere prima compressivo, o transpressivo,
con sovrascorrimento delle unità interne su quelle esterne, e successi-
vamente distensivo, a basso e ad alto angolo. L’Appennino Settentrio-
nale è una catena polifasica NE-vergente costituita dall’impilamento
di unità tettoniche di derivazione parzialmente oceanica (Unità Liguri
s.l.), sulle unità derivanti dalla deformazione del margine della placca
Adria (Unità Toscane e Umbro-Marchigiane). In corrispondenza del
massiccio apuano, la fase di raccorciamento dell’Oligocene superio-
re-Aquitaniano genera la strutturazione di un edificio tettonico costi-
tuito dall’alto al basso, dalle Unità liguri (s.l.), dalla Falda Toscana,
dall’Unità di Massa e dall’Unità delle Apuane (c
arMIgNaNI
et alii,
1978). A questa fase è da ricondurre il metamorfismo in facies scisti
verdi delle unità inferiori (Unità di Massa e Unità delle Apuane) e il
metamorfismo di grado molto basso (anchizona) della Falda toscana
even if the waters have the same chemical composition, ii) evaluate
the average altitude of the recharge area of these systems, iii) obtain
information about the hydrodynamic conditions in the aquifer and so
on the springs vulnerability that drain the aquifer system.
The relative isotopic abundance of dissolved substances in water,
as the
13
C
/
12
C ratio of the inorganic carbon (DIC) or the
34
S
/
32
S ratio
of the sulphates preserve the memory about the water-rock interac-
tion. This property is an efficient tool for tracing flowpath, as demon-
strated by the results of studies regarding aquifers hosted in carbonate
and/or carbonate-evaporate rocks (D
oVErI
et alii, 2005, B
IaNcHI
et
alii, 2009, B
oscHEttI
et alii 2005)
This paper illustrates some results regarding studies in which
stable isotopes of water, mainly, and of inorganic carbon in solution
were used. In particular, the principal aim is to highlight as the iso-
topic data, supported by a careful analysis of geological and hydroge-
ological structure, have contributed significantly: 1) to recognize dif-
ferent circulation systems within the same hydrogeological domain;
2) to delineate the springs recharge area; 3) and to understand the
hydrodynamic conditions that govern groundwater flow.
These studies were carry out in the karst environment of Apuan
Alps (Tuscany NW). A strong hydrogeological interest is moved to-
wards this area because its massive water resources and the necessity
of their protection against the intense marble quarrying. The negative
effects of this activity on water quality of these aquifer systems, at
least in relation to the turbidity, were also demonstrated by the study
of D
rYsDalE
et alii (2001).
GEOLOGICAL AND HYDROGEOLOGICAL FRA-
MEWORK OF THE APUAN ALPS
The studied areas are located in the northwestern part of Tuscany
(central Italy) (Fig. 1) and, in particular, they are developed on the
tyrrhenian side of the Apuan Alps including the catchment of the Car-
rione Stream, Frigido River and Versilia River.
The structural-geological framework of the Apuan Alps is linked
to the Northern Apennines orogeny, developed between the Oli-
gocene and Pliocene. The first tectonic phases were compressive, or
transpressive (with the overthrusting of internal units on the exter-
nal ones), followed by extensional tectonic phases with both low and
high angle fault. The Northern Apennine is a NE-verging polyphasic
chain due to the overthrusting of partly oceanic tectonic units (Ligu-
rean Units sl) on the units derived from the deformation of the Adria
plate boundary (Tuscany Units and Umbro-Marchigiane Units).
In the Apuan massif the shortening phase in the Oligocene-
Aquitanian age produces the tectonic structure made from top to
bottom, by the Ligurean Units (sl), the Tuscan Nappe, the Massa
Unit and the Apuan Unit (c
arMIgNaNI
et alii, 1978). The green
schist facies metamorphism of the lower units (Massa unit and
Apuan Unit) and very low grade metamorphism (anchizona) of the
Tuscan Nappe (c
ErrINa
F
EroNI
et alii, 1983) are due to this phase.
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GLI ISOTOPI STABILI DELL’ACQUA COME STRUMENTO FONDAMENTALE NELLO STUDIO DEGLI ACQUIFERI CARSICI:
ALCUNI ESEMPI DI APPLICAZIONE SUI COMPLESSI CARBONATICI DELLE ALPI APUANE (TOSCANA NW)
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M. DOVERI, M. MENICHINI & A. CERRINA FERONI
(c
ErrINa
F
EroNI
et alii, 1983). Nel Miocene medio ad una fase esten-
sionale a basso angolo, a carattere probabilmente duttile nei livelli
strutturali più profondi, viene ricondotta la destrutturazione dell’edifi-
cio tettonico, con il denudamento e sollevamento del complesso meta-
morfico (c
arMIgNaNI
& K
lIgFIElD
, 1990). Ancora non ben conosciuta
nelle Apuane è la fase tardiva (Messiniano e Plio-Pleistocene) caratte-
rizzata da sistemi di faglie ad alto angolo (M
ollI
et alii, 2010).
Dal punto di visto stratigrafico l’Unità delle Alpi Apuane compren-
de un basamento filladico ercinico ed una copertura prevalentemente
carbonatica di età compresa fra il Trias medio-superiore e l’Oligocene
In the middle Miocene the denudation and uplift of the metamor-
phic complex is due to a low-angle extensional phase, with prob-
ably a ductile character in deeper structural levels (c
arMIgNaNI
&
K
lIgFIElD
, 1990). Not well known in the Apuan Alps is the late
phase (Messinian and Plio-Pleistocene), characterized by high-
angle fault systems (M
ollI
et alii, 2010).
The stratigraphic units of the Apuan Alps are made up of a phyl-
litic hercynian basement and a mainly carbonate cover with ages be-
tween Middle-Upper Triassic and Upper Oligocene.
The Massa Unit is constituted by a Mesozoic cover above a
Fig. 1 - Schema geologico delle Alpi Apuane (da PICCINI et alii, 1997, modificata) e sezione (traccia A-A’ nello schema) tra la zona di Carrara e l’Alta Valle del
Serchio (da CARMIGNANI et alii, 2000, modificato)
- Geological sketch map of Apuan Alps (from PICCINI et alii, 1997 modified) and section (line A-A’ in the sketch) in the area between Carrara city and Alta
Valle del Serchio (from CARMIGNANI et alii, 2000, modified)
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SOME RESULTS FROM ISOTOPIC APPLICATIONS IN THE APUAN ALPS CARBONATIC COMPLEXES (NW TUSCANY, ITALY)
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superiore. L’Unità di Massa è costituita da una copertura mesozoica
al di sopra di un basamento ercinico e di depositi continentali filladici
e quarzitici (Verrucano). La Falda Toscana il cui termine inferiore è
costituito dal Calcare Cavernoso, è costituita da una successione car-
bonatica in facies di piattaforma ed emipelagica, cui fa seguito una
successione bacinale costituita da Calcari Selciferi (Giurassico), Mar-
ne e Radiolariti (Cretaceo superiore e Paleocene-Eocene) e dalla Sca-
glia. La successione si completa in alto con i depositi silico-clastici,
torbiditici, di avanfossa (Macigno, Oligocene-Aquitaniano).
I rilievi delle Alpi Apuane sono caratterizzati da ingenti risorse idri-
che (c
IVIta
et alii, 1991, P
IccINI
et alii, 1999) grazie all’elevata piovosità
caratteristica dell’area, alla medio-alta permeabilità delle rocce presenti
e, infine, all’elevato coefficiente di infiltrazione efficace, che, secondo
alcuni autori (P
IccINI
et alii, 1999) può arrivare fino al 75%. L’assetto
idrogeologico dell’area apuana è vincolato alla distribuzione spaziale
ed ai rapporti geometrici tra le varie unità stratigrafico-strutturali deri-
vate dall’evoluzione geologica sopra delineata. Il deflusso delle acque
sotterranee è regolato principalmente dalle superfici di discontinuità di
origine tettonica, nonché dal carsismo ipogeo che ha interessato le lito-
logie carbonatiche. Il principale acquifero è rappresentato dalla succes-
sione Grezzoni-Marmi (Unità delle Apuane). Questo è caratterizzato da
una permeabilità secondaria crescente per carsismo e di grado elevato,
ed è stratigraficamente compreso tra un basamento praticamente im-
permeabile, costituito da Filladi e Porfiroidi, ed un tetto rappresentato
da Diaspri con bassa permeabilità secondaria decrescente. Le pieghe
isoclinali con asse molto inclinato determinano strutture complesse in
cui il basamento metamorfico svolge il ruolo di substrato impermeabile
solo in aree ristrette, mentre funge da sbarramento per molte delle sor-
genti maggiori (P
IccINI
& P
raNzINI
, 1989a; c
IVIta
et alii, 1991; B
al
-
DaccI
et alii, 1993). Nella Falda Toscana le formazioni carbonatiche
corrispondenti (Calcare Cavernoso, Calcare Massiccio e Maiolica) co-
stituiscono un acquifero di potenzialità leggermente inferiore a causa di
una minore permeabilità relativa e, principalmente, di spessori inferiori.
All’interno dell’area apuana si ritrovano numerose sorgenti dal
tipico regime carsico. Più di una decina di queste hanno una portata
media compresa tra 100 e 400 L/s e numerose altre hanno portate
superiori ai 10 L/s, per una portata media globale di circa 6 m
3
/s. Te-
nuto conto di un’estensione totale degli acquiferi di circa 170 Km
2
, si
ottiene un rendimento specifico di 0,035 m
3
/s/Km
2
, pari ad una lama
d’acqua infiltrata di 1100 mm/anno. A fronte di precipitazioni medie
annue pari a 2500 mm, si evince che l’infiltrazione media è pari a cir-
ca 45% delle piogge (c
IVIta
et alii, 1991), valore abbastanza normale
per i massicci carbonatici.
MATERIALI E METODI
Anche se l’obiettivo principale di questo lavoro è quello di eviden-
ziare le potenzialità degli isotopi in studi sulla circolazione idrica car-
sica, i casi di studio presentati hanno avuto un approccio multidiscipli-
nare geologico, idrogeologico ed idrochimico-isotopico. In particolare
l’analisi e l’elaborazione di dati geologico-strutturali ha permesso di
Hercynian basement and continental deposits made up phyllites and
quartzites (Verrucano). The Tuscan Nappe, whose lower unit is Cal-
care Cavernoso, is formed by a carbonate succession in platform and
hemipelagic facies, following by a basin succession constituted by
Calcari Selciferi (Jurassic age), Marne and Radiolariti (Upper Cre-
taceous and Paleocene-Eocene), and Scaglia. The sequence is com-
pleted at the top with silico-clastic deposits, turbidites, and foredeep
deposits (Macigno, Oligocene-Aquitanian).
The Apuan Alps are characterized by important water resources
(c
IVIta
et alii, 1991, P
IccINI
et alii, 1999) due to high rainfall, to
medium-high permeability of the rocks and, finally, to the high effec-
tive infiltration coefficient, which, according to some authors (P
Ic
-
cINI
et alii, 1999) can close to 75%. The hydrogeological setting of
the Apuan Alps is linked to spatial distribution and geometric rela-
tionships between the stratigraphic-structural units derived by geo-
logic evolution above discussed. The groundwater flow is governed
primarily by the discontinuity surfaces of tectonic origin, and by the
karstic phenomena that have affected the carbonate lithologies. The
main aquifer is represented by the succession Grezzoni-Marmi of the
Apuan Unit, which is characterized by a high secondary permeabil-
ity increasing for karstification. This succession is stratigraphically
located between an impermeable basement, consisting by Phyllites
and Porfiroidi, and a roof, represented by Diaspri, with decreasing
low secondary permeability .
The isoclinal folds complex with very inclined axis determined
complex structures where the metamorphic basement has a function
of impermeable substratum in restricted areas, while it acts as a bar-
rier for many of the major springs (P
IccINI
& P
raNzINI
, 1989
a
; c
IVIta
et alii, 1991; B
alDaccI
et alii, 1993).
In the Tuscan Nappe the corresponding carbonate formations
(Calcare Cavernoso, Calcare Massiccio and Maiolica) constitute
a slightly minor potential aquifer due to a lower permeability, and,
mainly, to the lesser thicknesses in respect to the Apuan Unit suc-
cession.
In the apuan area there are numerous springs with karstic char-
acteristics. More than ten of these have an average flowrate between
100 and 400 L/s and many others have flow rate higher than 10 l/s,
for a global average value close to 6 m
3
/s. Given an aquifer systems
total area of 170 km
2
, it is obtained a specific flow rate of 0.035 m
3
/s/
Km
2
, equal to a water infiltration close to 1100 mm/year. Considering
that the average annual rainfall is 2500 mm, the mean infiltration is
approximately 45% of rainfall (c
IVIta
et alii, 1991), that is normal for
carbonate complexes.
MATERIALS AND METHODS
Although the main objective of this paper is to highlight the
potential of isotopic techniques in studies regarding karstic wa-
ter circulation, the works discussed were carried out by means of a
multidisciplinary approach including geological, hydrogeological
and hydrochemical-isotope aspects. In particular the analysis and
background image
GLI ISOTOPI STABILI DELL’ACQUA COME STRUMENTO FONDAMENTALE NELLO STUDIO DEGLI ACQUIFERI CARSICI:
ALCUNI ESEMPI DI APPLICAZIONE SUI COMPLESSI CARBONATICI DELLE ALPI APUANE (TOSCANA NW)
38
M. DOVERI, M. MENICHINI & A. CERRINA FERONI
comprendere le geometrie delle idrostrutture ed individuare gli elemen-
ti strutturali che possono condizionare la circolazione idrica ipogea; lo
studio degli idrogrammi di portata delle sorgenti in relazione alle piogge
è stato utile per valutare i tempi di risposta dei sistemi carsici rispetto
all’infiltrazione, nonché per effettuare considerazioni sui volumi idrici
in gioco; le analisi chimiche delle acque sorgive sono state finalizzate
alla individuazione delle facies idrochimiche ed a riconoscere le prin-
cipali litologie con cui le acque interagiscono; i dati isotopici hanno
permesso di definire le quote medie dei bacini idrogeologici, avere in-
dicazioni sulle modalità di risposta delle sorgenti agli apporti meteorici
e verificare la ripartizione della circolazione idrica nei vari sistemi esa-
minati; lo sviluppo di bilanci idrogeologici ha, infine, consentito di va-
lutare l’attendibilità dei bacini idrogeologici delimitati sulla base di una
comparazione tra tutte le informazioni ottenute con le predette indagini.
Visti gli obiettivi, nel presente manoscritto sono principalmente trattati i
dati isotopici e solo marginalmente i risultati ottenuti con le altre meto-
dologie di studio, per i quali viene fatto riferimento a lavori di letteratu-
ra redatti dagli scriventi. Da un punto di vista isotopico i parametri presi
in esame nei casi di studio di seguito presentati sono i rapporti di abbon-
danza degli isotopi stabili della molecola dell’acqua (
18
O
/
16
O,
2
H
/
1
H)
ed il rapporto
13
C
/
12
C del DIC. I valori sono espressi come δ‰ rispetto
ad uno standard di riferimento (F
rItz
& F
oNtEs
, 1980), corrispondente
al V-SMOW, per i primi due rapporti, ed al VPDB, nel caso del carbonio
(H
oEFs
, 2004). Il prelievo delle acque è avvenuto in bottiglie “tappo-
contro tappo”, le analisi sono state eseguite mediante spettrometria di
massa, in parte presso il laboratorio chimico isotopico dell’Istituto di
Geoscienze e Georisorse dell’Area CNR di Pisa ed in parte presso il la-
boratorio “Stable Isotope Unit, National Centre for Scientific Research
“Demokritos” di Atene (Grecia).
I valori di δ
18
O sono stati determinati mediante l’analisi della CO
2
gassosa precedentemente equilibrata a 25°C con la soluzione acquosa
(E
PstEIN
& M
aYEDa
, 1953). I valori di δ
2
H sono stati determinati median-
te l’analisi dell’H
2
gassoso generato per reazione a 460 °C con Mg. Per le
analisi del
13
C è stata analizzata la CO
2
originata dal DIC per estrazione
dopo acidificazione e distillazione sotto vuoto. L’errore standard è pari a
±0.1‰, per il δ
18
O, e ±1.0‰ per il δ
2
H ed il δ
13
C. Il campionamento ha
interessato non solo le principali sorgenti impostate sul livello di base dei
sistemi carsici, ma anche sorgenti secondarie, distribuite su un intorno si-
gnificativo, al fine di una generale caratterizzazione isotopica delle acque
che si infiltrano nell’area d’interesse. Una corretta applicazione delle me-
todologie isotopiche, con particolare riferimento agli isotopi dell’acqua,
è infatti strettamente dipendente dalla conoscenza di alcuni parametri di
carattere locale, quali la distribuzione sul territorio della composizione
isotopica delle acque meteoriche ed il gradiente isotopico verticale. Que-
sti dati di base sono ottenuti esaminando il δ
18
O‰ e δ
2
H‰ (insieme al
trizio, quando utilizzato) nelle acque di precipitazione, quest’ultime rac-
colte mensilmente e a varie quote per un periodo di almeno due-tre anni
(e.g. l
oNgINEllI
& s
ElMo
, 2003). In mancanza di una rete pluviometrica
ben distribuita, ma anche per ovviare ai lunghi tempi richiesti da questa
metodologia, è possibile optare, ottenendo risultati equivalenti, per una
elaboration of geological-structural data allowed to understand the
hydrostructure geometry and to identify the structural elements that
can affect the groundwaters circulation; the study of springs hydro-
grams with respect to rainfall was used to evaluate the response times
of karst systems with respect to infiltration and to make considera-
tions about the amount of groundwater; the chemical analyses of the
springs were used to define hydrochemical facies and to individuate
the main lithologies which are involved in water-rock interaction; the
isotopic data were used to define the average altitude of recharge area,
to achieve information on springs in response of meteoric regime, and
to verify the distribution of water circulation in the various examined
systems; finally, hydrological budgets allowed to value the reliability
of hydrogeological basins delimited by means of the comparison of
all the information obtained by the above discussed investigations.
Given the aims, in this manuscript isotopic data are mainly dis-
cussed, whereas the results obtained with the other survey tools are
only marginally reported, mentioning literature works written by the
authors for more information.
The isotopic parameters taken into account in the following pre-
sented cases are the abundance ratios of the water stable isotopes
(
18
O
/
16
O,
2
H
/
1
H) and the ratio
13
C
/
12
C of DIC. The values are ex-
pressed as δ‰ compared to a standard (F
rItz
& F
oNtEs
, 1980), cor-
responding to the V-SMOW, for the first two ratios, and to VPDB in
the case of carbon (H
oEFs
, 2004). Waters sampling were carried out
using bottles with double cap, the analyzes were performed by mass
spectrometry, in part at the isotopic-chemical laboratory of the Insti-
tute of Geosciences and Earth Resources, CNR (Pisa, Italy) and in
part at Stable Isotope Unit, National Centre for Scientific Research
“Demokritos” (Athens, Greece).
The δ
18
O value of water was determined through analysis of
gaseous CO
2
, previously equilibrated with water at 25°C (E
PstEIN
& M
aYEDa
, 1953). The δ
2
H value of water was determined through
analysis of gaseous H
2
generated by the reaction at 460°C with Mg.
For the analysis of the δ
13
C value, CO
2
originated from DIC and ex-
tracted after acidification and distillation in vacuum condition was
submitted to the mass spectrometer. The standard error is ± 0.1‰ for
δ
18
O and ± 1.0 ‰ for δ
2
H and δ
13
C. Samples were collected not only
at the main springs flowing at the base level of karst systems, but also
some secondary springs (over a significant neighborhood) for an iso-
topic characterization of the infiltration waters in the area of interest.
A right application of isotopic methods, especially for water isotopes,
is closely dependent on the knowledge of some local parameters, as
the distribution in the area of the isotopic composition of rainwater
and vertical isotopic gradient.
These basic information are obtained examining the δ
18
O‰ and
δ
2
H‰ (and tritium, when used) in the rainwaters collected every
month and at various altitudes for a period of at least two-three years
(e.g. l
oNgINEllI
& s
ElMo
, 2003).
In the absence of a well distributed raingauge-network, but also to
avoid the long time required by this methodology, it is possible to col-
background image
STABLE WATER ISOTOPES AS FUNDAMENTAL TOOL IN KARST AQUIFER STUDIES:
SOME RESULTS FROM ISOTOPIC APPLICATIONS IN THE APUAN ALPS CARBONATIC COMPLEXES (NW TUSCANY, ITALY)
39
Italian Journal of Engineering Geology and Environment, 1 (2013)
© Sapienza Università Editrice
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serie di prelievi (3-4 ogni anno) da effettuare in corrispondenza di sor-
genti alimentate da un bacino poco esteso (e.g. M
ussI
et alii 1998). In
questo modo i contenuti in isotopi stabili dell’acqua sono rappresentativi
di quote medie d’infiltrazione non molto diverse da quelle di emergenza
ed individuabili attraverso considerazioni morfologiche ed idrogeologi-
che sul bacino di alimentazione di tali sorgenti.
Sulla base di quest’ultimo approccio sono state individuate,
sull’intervallo altimetrico coperto dalle aree in esame, una serie di
emergenze di limitata portata, rappresentative di una circolazione idri-
ca sviluppata in complessi acquitardi, o nelle coperture detritiche di
complessi acquicludi, o in complessi acquiferi s.s. che per cause mor-
fo-strutturali hanno estensioni limitate. Ciò ha permesso di ottenere le
relazioni quota/δ
18
O‰ (o in alternativa quota/δ
2
H‰) alle quali riferire
i valori di δ
18
O‰ (o δ
2
H‰) riscontrati nelle sorgenti carsiche oggetto
di studio, per ricavare le relative quote medie di alimentazione. An-
che le sorgenti carsiche sono state campionate ed analizzate più volte
nell’arco dell’anno al fine di verificare la loro risposta alla variabilità
isotopica che caratterizza le acque meteoriche nelle varie stagioni, ov-
vero ottenere indicazioni sulle condizioni idrodinamiche in acquifero.
APPLICAZIONI ISOTOPICHE AGLI ACQUIFERI
CARSICI APUANI
INDIVIDUAZIONE DEI SISTEMI DI CIRCOLAZIONE
Il caso di studio riportato si riferisce alle sorgenti carsiche situate
in località Torano, nel bacino del T. Carrione (Fig. 2a). Il sistema
acquifero è sviluppato nelle formazioni dei Marmi, Grezzoni e, su-
bordinatamente, Calcare Selcifero, appartenenti all’unità metamorfi-
ca delle Alpi Apuane. Questi termini sono implicati in una struttura
sinforme (Fig. 2b), nota in letteratura come Sinclinale di Carrara, con
al nucleo il Calcare Selcifero, caratterizzato da una permeabilità re-
lativamente inferiore rispetto ai Marmi e Grezzoni, per la presenza di
liste di selce che limitano lo sviluppo del carsismo.
Oltre che dalle sorgenti di Torano, che nell’insieme hanno una
portata media di circa 180 L/s (D
oVErI
, 2004), questa idrostruttura
è drenata dal gruppo di sorgenti delle Canalie, poste nel suo settore
meridionale (Fig. 2a). L’emergenza della circolazione idrica è detta-
ta, in entrambe le zone, dalla concomitanza tra condizioni di basso
morfologico e azione di sbarramento ad opera dei termini filladici
dell’Unità di Massa (Figg. 2ab).
Le quattro sorgenti di Torano (Carbonera, Tana dei Tufi, Gorgoglio e
Pizzutello) mostrano le stesse caratteristiche chimiche, con facies bicar-
bonato-calcica e conducibilità elettrica tra 260 e 280 μS/cm a 25 °C (D
o
-
VErI
, 2004). Questo aspetto, congiuntamente alla vicinanza tra le quattro
sorgenti ed alle simili condizioni idrostrutturali nelle relative zone di
emergenza, conduce ad attribuire le sorgenti stesse ad un unico sistema di
circolazione. Nel periodo 2001-2003 sulle sorgenti di Torano sono state
effettuate analisi isotopiche (δ
18
O‰ e δ
2
H‰) in diversi periodi dell’an-
no, in ogni caso dopo un sufficiente arco di tempo da eventi meteorici
significativi, al fine di studiare il “deflusso di base” in acquifero (ovvero
evitando le perturbazioni nel breve periodo legate alle acque di neoinfil-
lect some samples (3-4 each year) in springs that are fed by slightly
extended basins (e.g. M
ussI
et alii 1998). In this way the ratios of
the water stable isotopes are representative of an infiltration average
altitudes not very different from the springs altitudes and assessable
by morphological and hydrogeological considerations.
Based on the latter approach, some springs with low flowrate
were identified over the altitude interval covered by the studied ar-
eas. These springs are representative of a groundwater circulation in
aquitard complexes, or in debris deposits located on aquicludes, or in
aquifers complexes that for morpho-structural causes have a limited
extension. This approach allowed to obtain the relationships altitude/
δ
18
O (or alternatively altitude/δ
2
H‰) which was used to asses the av-
erage altitude of the feeding area for the main karstic springs using
their δ
18
O‰ (or δ
2
H‰) value.
Also the karst springs were sampled and analyzed several times
in a year in order to test their response to the isotopic variability that
characterizes the meteoric waters in different seasons, thus obtaining
information about the hydrodynamic conditions in the aquifer.
ISOTOPIC APPLICATION IN APUAN KARST AQUI-
FER
DETECTION OF CIRCULATION SYSTEMS
The study reported is referred to the karst springs close to
Torano village, in the catchment of Carrione Stream (Fig. 2a).
The aquifer system has developed in the formations of the Mar-
mi, Grezzoni and, subordinately, Calcare Selcifero, belonging to
metamorphic unit of the Apuan Alps. These terms are involved in
a synforme structure (Fig. 2b), known in the literature as Syncline
of Carrara, with the Calcare Selcifero at the core, characterized by
a relatively lower permeability than the Marble and Grezzoni, for
the presence of chert nodules which limit the development of the
karst phenomena.
This structure is drained not only by the Torano springs, which
have an average flowrate close to 180 L/s (D
oVErI
, 2004), but also by
the Canalie springs, located in the southern sector of this area (Fig.
2a). In both areas the groundwater flowing out is due to the low mor-
phology and to the spillway action performed by the phyllitic terms
of the Massa Unit (Fig. 2ab).
The four Torano springs (Carbonera, Tana dei Tufi, Gorgoglio and
Pizzutello) show the same chemical features, belonging to calcium-
bicarbonate facies and with an electrical conductivity ranging from
260 to 280 μS/cm at 25 °C (D
oVErI
, 2004). This aspect, together with
the close proximity of the four springs and the similar hydrostructural
conditions, suggests the presence of only one circulation system.
In 2001-2003 period isotopic analyses (δ
18
O‰ e δ
2
H‰) were car-
ried out on such springs in different periods of the year. Each sam-
pling were carried out after a sufficient period from significant mete-
oric events, in order to study the “baseflow” in the aquifer (avoiding
the short-term effect of the neo-infiltration water). The achieved data
background image
GLI ISOTOPI STABILI DELL’ACQUA COME STRUMENTO FONDAMENTALE NELLO STUDIO DEGLI ACQUIFERI CARSICI:
ALCUNI ESEMPI DI APPLICAZIONE SUI COMPLESSI CARBONATICI DELLE ALPI APUANE (TOSCANA NW)
40
M. DOVERI, M. MENICHINI & A. CERRINA FERONI
trazione). Dai dati ottenuti (Tab. 1), si evince che Gorgoglio e Pizzutello
hanno uguali valori isotopici (circa -7.2 e -43, rispettivamente per δ
18
O‰
e δ
2
H‰) e allo stesso tempo marcatamente diversi da quelli di Carbo-
nera e Tana dei Tufi, a loro volta simili (circa -6.7 e -39, rispettivamente
per δ
18
O‰ e δ
2
H‰). Ciò permette di evidenziare che, contrariamente a
quanto deducibile dall’idrochimica e dalle condizioni di emergenza delle
acque, nella zona di Torano recapitano due sistemi di circolazione tra di
loro sostanzialmente separati, drenati rispettivamente dalle sorgenti Gor-
goglio e Pizzutello e dalle sorgenti Carbonera e Tana dei Tufi.
(Tab. 1) indicate that Gorgoglio and Pizzutello have the same isotopic
values (-7.2 and -43 for δ
18
O‰ and δ
2
H‰ respectively). These val-
ues are widely different from those of Carbonera and Tana dei Tufi,
which, at same time, are similar to each other (-6.7 and -39 for δ
18
O‰
and δ
2
H‰ respectively). This clearly shows that in the Torano area,
contrary to what indicated by geochemical data and drainage con-
ditions, there are two different circulation systems. These systems,
substantially separated, are drained respectively by Gorgoglio and
Pizzutello springs and Carbonera and Tana dei Tufi springs.
Fig. 2 - a: schema idrogeologico del Bacino
del T. Carrione; b: sezione idrogeo-
logica relativa al settore di Torano.
al - alluvioni; dt - detriti; m - Marmi;
gr - Grezzoni; cv - Calcare Cavernoso;
cm - Calcare Massiccio; cs- Calcare
Selcifero; cR - Calcare a Rhaetavicu-
la; cA - Calcare ad Angulati; sc - Scisti
Sericitici; fl - Filladi; qz - Quarziti;
mg - Macigno; scT - Scaglia Toscana;
di - Diaspri; mP - Marne a Posidonia;
UA - Unità delle Alpi Apuane; UM -
Unità di Massa; FT - Falda Toscana;
1 - contatto tettonico; 2 - spartiacque
idrografico; 3 - principali cavità carsi-
che; 4 - traccia della sezione
- a: hydrogeological sketch map of the
T. Carrione catchment; b: hydrogeo-
logical section of the Torano area.
al - alluvium; dt - detritus; m - Marmi;
gr - Grezzoni; cv - Calcare Cavernoso;
cm - Calcare Massiccio; cs- Calcare
Selcifero; cR - Calcare a Rhaetavicula;
cA - Calcare ad Angulati; sc - Scisti
Sericitici; fl - Filladi; qz - Quarziti; mg
- Macigno; scT - Scaglia Toscana; di -
Diaspri; mP - Marne a Posidonia; UA -
Apuan Alps Unit; UM - Massa Unit; FT
- Tuscan Nappe; 1 - tectonic contact;
2 - watershed; 3 - main karst caves; 4 -
trace of hydrogeological section
Tab. 1 - δ
18
O‰ e δ
2
H‰ relativi al “deflusso di base” delle sor-
genti di Torano nel periodo 2001-2003
- δ
18
O‰ and δ
2
H‰ of the Torano springs baseflow in
the 2001-2003 period
background image
STABLE WATER ISOTOPES AS FUNDAMENTAL TOOL IN KARST AQUIFER STUDIES:
SOME RESULTS FROM ISOTOPIC APPLICATIONS IN THE APUAN ALPS CARBONATIC COMPLEXES (NW TUSCANY, ITALY)
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STUDIO DELLE CONDIZIONI IDRODINAMICHE IN ACQUIFERO
Al fine di evidenziare le potenzialità degli isotopi della molecola
dell’acqua nello studio delle condizioni idrodinamiche negli acquiferi
carsici, si confrontano di seguito due casi di studio relativi rispettiva-
mente alle sorgenti di Torano (già trattate nel precedente paragrafo per
altri aspetti) ed alla sorgente Frigido, ubicata nel bacino dell’omonimo
torrente (Fig. 1). La sorgente Frigido drena una idrostruttura sinforme
costituita principalmente dalle formazioni dei Marmi e dei Grezzoni
(Fig. 3). Varie prove di tracciamento eseguite in passato (r
oNcIoNI
,
2002) hanno permesso di verificare che la sorgente è alimentata anche
da zone poste ad oltre 10 km di distanza. In ragione di un esteso baci-
no idrogeologico, questa emergenza è caratterizzata da portate elevate
che la rendono una delle più importanti delle Alpi Apuane. I valori
medi di portata ritrovati in letteratura sono di 1000 L/s (M
asINI
, 1960),
1500 L/s (c
azzaNtE
et alii, 1988; P
IccINI
& P
raNzINI
, 1989
B
; c
IVIta
et alii, 1991) e 1550 L/s (P
IccINI
et alii, 1997). La sorgente mostra
una forte variabilità delle portate nel corso dell’anno, in ragione di un
carsismo ben sviluppato all’interno del proprio acquifero.
Anche le sorgenti di Torano, benché con portate medie di un or-
dine di grandezza inferiori, denotano il tipico comportamento delle
sorgenti carsiche, con differenze tra deflussi di magra e di morbida
superiori al 300% ed incrementi di portata di oltre il 100% in occasio-
ne di piogge significative (D
oVErI
, 2004).
A fronte di un paragonabile regime delle portate sorgentizie, i due
sistemi acquiferi in esame sono tuttavia caratterizzati da condizioni
idrodinamiche ben diverse, come documentano i dati isotopici. Su en-
trambi i sistemi sorgentizi (Torano e Frigido) sono state svolte analisi
del δ
18
O‰ e del δ
2
H‰. I campioni sono stati prelevati in diversi pe-
riodo dell’anno, in condizioni non perturbate da eventi meteorici, ma
allo stesso tempo ben diverse in relazione alla portata erogata alle sor-
genti, come conseguenza dell’andamento stagionale della piovosità.
I risultati ottenuti, di seguito trattati in termini di δ
18
O‰ (stesse
considerazioni deriverebbero dal δ
2
H‰), possono così sintetizzarsi:
- la sorgente Frigido su quattro campionamenti ha mostrato dif-
ferenti valori isotopici (Fig. 4), a fronte peraltro di una sostanziale
STUDY OF THE AQUIFER HYDRODYNAMIC CONDITIONS
In order to highlight the potentiality of isotopic techniques in
the study of the hydrodynamic conditions in karst aquifers, two
cases of study are compared, one concerning the Torano springs
(already discussed under other aspects in the previous section) and
one regarding the Frigido spring, located in the catchment of the
homonymous river (Fig. 1).
The Frigido spring drains a synforme hydrostructure chiefly
formed by Marmi and Grezzoni (Fig. 3). Several tracer tests per-
formed in the past (r
oNcIoNI
, 2002) allowed to verify that the
spring drains the groundwater coming also from areas located more
than 10 km away.
For its extensive recharge area, this spring is characterized by
high flow rates making it one of the most important spring of the
Apuan Alps. The average flow rate values reported in literature are
close to 1000 L/s (M
asINI
, 1960), 1500 L/s (c
azzaNtE
et alii, 1988;
P
IccINI
& P
raNzINI
, 1989
B
; c
IVIta
et alii, 1991) and 1550 L/s (P
IccINI
et alii, 1997). The spring shows strong variability of flow rate during
the year, due to the karstic character of the aquifer.
Also the Torano springs, although with average flow rate of an
order of magnitude lower than the Frigido spring, denote the typical
behavior of karst springs. The flow rate differences between dry and
wet seasons is higher than 300% and an increase in flow rate of more
100% is recorded as consequence of storm events (D
oVErI
, 2004).
Despite of the similar flow rate regime, the two aquifer systems
in study are characterized by hydrodynamic conditions very different,
as documented by the isotopic data. On both aquifer systems (Torano
and Frigido) δ
18
O ‰ and δ
2
H ‰ analysis were carried out. The sam-
ples were collected several time in a year, under conditions not per-
turbed by meteorological events, but under very different flow rate
conditions as consequence of seasonal rainfall.
The results, discussed below in terms of δ
18
O‰ (same considera-
tions would arise from δ
2
H‰), can be summarized as follows:
- Frigido spring was sampled four times in a year; for each season
the isotopic value is different (Fig. 4), despite the relative stability
Fig. 3 - Sezione idrogeologica passante per la sorgente Frigido (da P
IccINI
& P
raNzINI
, 1989b, modificata). m - Marmi;
gr - Grezzoni; cs- Calcare Selcifero; sc - Scisti Sericitici; d - Diaspri; pf - Porifroidi; UA - Unità delle Alpi Apuane
- Hydrogeological cross-section through the zone of the Frigido spring (from P
ICCINI
& P
RANzINI
, 1989b, modified). m
-Marmi; gr - Grezzoni; cs- Calcare Selcifero; sc - Scisti Sericitici; d - Diaspri; pf - Porfiroidi; UA - Apuan Alps Unit
background image
GLI ISOTOPI STABILI DELL’ACQUA COME STRUMENTO FONDAMENTALE NELLO STUDIO DEGLI ACQUIFERI CARSICI:
ALCUNI ESEMPI DI APPLICAZIONE SUI COMPLESSI CARBONATICI DELLE ALPI APUANE (TOSCANA NW)
42
M. DOVERI, M. MENICHINI & A. CERRINA FERONI
stabilità osservata da D
oVErI
(2000) sui parametri chimici. In par-
ticolare, su entrambe i periodi Dicembre-Marzo e Marzo-Luglio le
acque sorgive sono interessate da un decremento di δ
18
O di circa
0.3‰, mentre sull’ultimo periodo Luglio-Ottobre fanno registrare un
incremento di circa 1.2‰. Anche nel caso in cui si escluda il dato
di Ottobre per una probabile influenza delle abbondanti piogge della
settimana che ha preceduto quella del campionamento, è possibile
affermare che il “deflusso di base” della sorgente Frigido è interessato
da una significativa variabilità isotopica. In altri termini queste acque
sorgive, come altre dei complessi carbonatici apuani (D
oVErI
, 2000),
risentono sensibilmente delle variazioni isotopiche che caratterizzano
le piogge nel corso di un anno e che per il δ
18
O alle medie latitudini
sono quantificabili in ±2,5 ‰ (IAEA/WMO, 2004);
- il deflusso di base delle sorgenti Torano ha mostrato una generale
stabilità del δ
18
O (Fig. 5), o comunque variazioni minime dell’ordine
observed by D
oVErI
(2000) in chemical parameters . In particular,
regarding periods December-March and March-July the spring is af-
fected by a decrease in δ
18
O of 0.3‰, while during the last period,
July-October, the spring shows an increase of 1.2 ‰.
Also excluding the October data for a possibly influence of the
abundant rainfalls of the previous week with respect to the sampling
date, it is possible to note that the “base flow” of the Frigido spring is
affected by a significant isotopic variability.
In other words, this spring, like others of the Apuan Alps carbon-
ate complex (D
oVErI
, 2000), is affected by isotopic variations that
characterize the rains during the year. As regards δ
18
O these variation
at the mean latitude are closed to ± 2.5‰ (IAEA/WMO, 2004);
- The base flow of the Torano springs shows a general stability
of the δ
18
O value (Fig. 5), or in any case a minimum variation rang-
ing about the measurement error (± 0.1 ‰). In contrast with Frigido
Fig. 4 - Valori di δ
18
O‰ e portata della sorgente
Frigido a confronto con le piogge giornalie-
re nel periodo Novembre’98-Novembre’99
(1: δ
18
O‰; 2: portata; 3: pioggia alla sta-
zione di misura di Massa, dati dell’Ufficio
Idrografico di Pisa)
- δ
18
O‰ values and flow rate of the Frigido
spring compared with daily rain in the
November’98-November’99 period (1:
δ
18
O‰; 2: flow rate; 3: rain at the Massa
measurement station, data of the Ufficio Id-
rografico of Pisa)
Fig. 5 - δ
18
O‰ e portata delle sorgenti di Torano e δ
18
O‰ del canale La Piastra a confronto con le piogge giornaliere nel periodo Luglio’01-Luglio’02 (1 e 2:
rispettivamente δ
18
O‰ e portata del sistema di circolazione Gorgoglio-Pizzutello; 3 e 4: rispettivamente δ
18
O‰ e portata del sistema di circolazione
Carbonera-Tana dei Tufi; 5: δ
18
O‰ del canale La Piastra; 6: pioggia giornaliera al pluviometro Torano)
- δ
18
O‰ and flow rate of the Torano springs and δ
18
O‰ of the La Piastra stream compared with daily rain in the July’01- July’02 period (1 and 2: re-
spectively δ
18
O‰ and flow rate of the Gorgoglio-Pizzutello groundwater system; 3 e 4: respectively δ
18
O‰ and flow rate of the Carbonera-Tana dei Tufi
groundwater system; 5: δ
18
O‰ of the La Piastra stream; 6: daily rain at the Torano rain-gauge)
background image
STABLE WATER ISOTOPES AS FUNDAMENTAL TOOL IN KARST AQUIFER STUDIES:
SOME RESULTS FROM ISOTOPIC APPLICATIONS IN THE APUAN ALPS CARBONATIC COMPLEXES (NW TUSCANY, ITALY)
43
Italian Journal of Engineering Geology and Environment, 1 (2013)
© Sapienza Università Editrice
www.ijege.uniroma1.it
spring, for these waters significant isotopic variations don’t occur
in response to seasonal rainfall characterized by different isotopic
ratios, despite the fact that the samplings were carried out in dif-
ferent conditions with flowrate differences also higher than 300%.
The isotopic variability of the rainwater during the survey period is
documented by the sample collected into La Piastra stream (flowing
in the Torano area; Fig. 2), whose δ
18
O values cover an interval of
variation of 1.2‰. This behavior highlights moreover that the stream
waters do not feed, at least in detectable amounts, the groundwater
drained by springs.
The different trend of isotopic values recorded in the two dis-
charge areas point out the existence of different hydrodynamic condi-
tions in the Frigido and Torano aquifer systems.
The isotopic variability of the Frigido spring is typical of an un-
confined aquifer characterized by a relatively high flow velocity, that
allows to maintain the memory of the rainwater isotopic variation in
the short-medium term.
This type of response of the aquifer would also allow to evalu-
ate the average velocity of flow, by means of a rain gauges network
installed in the area for sampling and isotopic analyses of rainwater at
least once every two months.
In contrast, the isotopic stability of the Torano springs suggests
the existence of favorable conditions for the homogenization of water
infiltrated during a period of one or more years; as a results of this, a
good protection of the springs baseflow is also guaranteed.
Such conditions are likely due to the presence of Calcari Selciferi
at the core of the Carrara Syncline and outcropping in the medium-
low zone of the recharge area (Fig. 2). The permeability of Calcari
Selciferi is lower than that of Marmi, so this configuration can pro-
mote a slowing down and a significant homogenization of ground-
water coming from the high part of the basin. Under the action of the
hydraulic gradient, the water flow than toward the springs area under
the syncline core and/or through the not much developed fracturing
systems of the Calcari Selciferi.
This interpretation is also in agreement with the isotopic evolu-
tion recorded at the springs during some storm events (D
oVErI
, 2004)
which produce abrupt increase of flowrate and turbidity. Indeed, the
results of this study indicate that the baseflow variation, recorded dur-
ing the storm event, is due to rapid circulation which are mainly acti-
vated downstream of the syncline cherty core.
STUDY OF THE FEEDING AREA
The contribution of isotope techniques to define the recharge area
consists in the identification of the average altitude of the hydrogeo-
logical domain by comparing δ
18
O‰ (or δ
2
H ‰) of the studied spring
with respect to the relationship between the δ
18
O ‰ (or δ
2
H ‰) and
the altitude of rainwater. As discussed above, this relationship was
obtained considering some springs suitably selected according to
morphological and hydrostructural considerations, but also taking
into account the isotope-hydrochemical features.
dell’errore di misura (±0.1 ‰). Contrariamente a quanto verificato per
la sorgente Frigido, non si registrano quindi significative variazioni iso-
topiche in risposta a quelle delle piogge nelle diverse stagioni dell’anno,
nonostante che i campionamenti siano avvenuti in diverse condizioni di
regime con differenze di portata in sorgente anche superiori al 300%. La
variabilità isotopica nelle piogge cadute nel periodo d’indagine è docu-
mentata dal canale La Piastra, che scorre nella zona di Torano (Fig. 2)
e che ha mostrato un intervallo di variazione di 1,2‰ sul δ
18
O, eviden-
ziando peraltro che le acque del canale non alimentano, almeno in quan-
tità rilevabili, i circuiti sotterranei che hanno recapito nelle sorgenti.
Il diverso andamento dei valori isotopici, registrati nelle due zone
di emergenza, mette in luce l’esistenza di differenti condizioni idro-
dinamiche tra i sistemi acquiferi Frigido e Torano.
La variabilità isotopica mostrata dalla sorgente Frigido è tipica di
un acquifero freatico caratterizzato da velocità di flusso nell’insieme re-
lativamente alte, tanto da mantenere memoria sul breve-medio periodo
dell’andamento degli input isotopici tipico delle acque meteoriche nel
corso dell’anno. Questo tipo di risposta dell’acquifero consentirebbe pe-
raltro di giungere ad una valutazione delle velocità medie di flusso, qua-
lora fosse predisposta una rete di pluviometri per il campionamento ed
analisi isotopiche delle acque meteoriche con cadenza almeno bimensile.
Viceversa, la stabilità isotopica mostrata dal deflusso di base delle
sorgenti di Torano, suggerisce per questo sistema l’esistenza di con-
dizioni favorevoli all’omogeneizzazione di acque infiltratesi nell’arco
di tempo di uno o più anni e che garantiscono un maggior grado di
protezione delle acque sorgive. Nel caso specifico, dette condizioni
sono verosimilmente legata ai Calcari Selciferi implicati al nucleo del-
la Sinclinale di Carrara e affioranti nella parte medio-bassa del bacino
di alimentazione (Fig. 2). La minore permeabilità dei Calcari Selciferi
rispetto ai Marmi può, infatti, favorire un rallentamento e una signifi-
cativa omogeneizzazione delle acque provenienti da monte, le quali,
sotto l’azione del carico idraulico, proseguono poi verso le emergenze
defluendo al disotto del nucleo della sinclinale e/o attraverso i sistemi
di fatturazione, poco sviluppati, degli stessi Calcari Selciferi. Questa
interpretazione è peraltro in accordo con il segnale isotopico registra-
to alle sorgenti nel corso di alcuni eventi meteorici (D
oVErI
, 2004)
responsabili di repentini incrementi di portata e torbidità.
I risultati di tale studio indicano, infatti, che l’alterazione del deflus-
so di base registrata in occasione di piogge è dovuta a circuiti rapidi che
si attivano principalmente a valle del nucleo selcifero della sinclinale.
STUDIO DELLE AREE DI ALIMENTAZIONE
Il contributo delle tecniche isotopiche per la delimitazione delle
aree di alimentazione consiste nella individuazione della quota media
del bacino idrogeologico mediante un confronto tra il δ
18
O‰ medio
(o δ
2
H‰) della sorgente in studio e la relazione esistente fra il δ
18
O‰
(o δ
2
H‰) e la quota delle acque di infiltrazione. Come precedente-
mente illustrato, questa relazione è stata ottenuta considerando alcu-
ne sorgenti opportunamente selezionate in funzione di considerazioni
morfologiche ed idrostrutturali, ma anche a carattere idrochimico-
background image
GLI ISOTOPI STABILI DELL’ACQUA COME STRUMENTO FONDAMENTALE NELLO STUDIO DEGLI ACQUIFERI CARSICI:
ALCUNI ESEMPI DI APPLICAZIONE SUI COMPLESSI CARBONATICI DELLE ALPI APUANE (TOSCANA NW)
44
M. DOVERI, M. MENICHINI & A. CERRINA FERONI
In the studies carried out by Menichini (2012) in a part of Apuan
Alps, mainly in the Versilia River catchment, 2 main types of springs
were identified.
The first type, belonging to chemical facies Ca-HCO
3
or Ca-SO
4
,
is representative of waters that have interacted with evaporite-carbon-
ate rocks for a long time to get that chemistry. These springs are also
characterized by δ
13
C isotopic value linkable to a water interaction
with carbonate rocks; in particular such value ranging between -3 and
-7‰. Rock samples analysed in the above mentioned study have an
average value of δ
13
C close to +1.16 ‰ for Marmi, +1.96 ‰ for Grez-
zoni, and -2.89 ‰ for Calcare Cavernoso.
The second type of springs is instead characterized by Na-Cl wa-
ters with low electrical conductivity (< 130 µS/cm at 25°C), and with
a δ
13
C isotopic values generally less than -15÷-20 δ‰.
This last values range is due almost exclusively to the addition of
biogenic CO
2
, generally characterized by value ranging from -20 to
-25 ‰ (c
larK
& F
rItz
, 1997).
The second type of springs were used to obtain the relationship
altitude/δ
18
O‰, because they are representative of a relatively
short and shallow circuits and so, considering the regulating ef-
fect of the aquifer, they have isotopic ratio very similar to those
of meteoric water.
Their δ
18
O values and the average altitude of the infiltration area
were reported in Fig. 6 obtaining the relationship altitude/δ
18
O‰.
Considering the location of the used springs, this relationship
isn’t valid for the entire Apuan massif, but only for the Versilia
River catchment. In fact, the morphological conditions and local
exposure with respect to the dominant directions of the meteor-
ic events can affect significantly the relationship altitude/δ
18
O‰
(M
ussI
et alii, 1998; D
oVErI
, 2000).
The relationship above obtained was used for the evaluation of
the recharge area average altitude of some karst springs located in
the Versilia River catchment and in adjacent areas (M
ENIcHINI
, 2012).
As an example of application, in this paper the hydrogeologi-
cal system of Monte Altissimo is discussed. Groundwaters of the
isotopico. Con lo studio condotto da M
ENIcHINI
(2012) su di un’area
delle Alpi Apuane sviluppata perlopiù nel bacino del Fiume Versilia,
sono state identificate 2 principali tipologie di sorgenti. Le prime ap-
partenenti alla facies chimica Ca-HCO
3
o Ca-SO
4
rappresentative di
acque che hanno interagito con rocce carbonatiche-evaporitiche per
un tempo abbastanza lungo per acquisire tale chimismo e caratteriz-
zate da un rapporto isotopico del δ
13
C dovuto ad interazione con le
rocce carbonatiche; nella fattispecie questa tipologia di sorgenti pre-
senta contenuto valori di δ
13
C compreso fra circa -3 e -7‰. Campioni
di rocce analizzati nel corso del citato studio presentano un contenuto
medio di +1.16 δ‰ per i Marmi, +1.96 δ‰ per i Grezzoni e -2.89 δ‰
per il Calcare Cavernoso. La seconda tipologia di sorgenti risulta in-
vece caratterizzata da acque a Na-Cl, con bassa conducibilità elettrica
(< 130 µS/cm a 25°C), e da un valore isotopico del δ
13
C generalmente
minore di -15÷-20‰. Quest’ultimo intervallo di valori è da attribui-
re quasi esclusivamente all’aggiunta di CO
2
biogenica, generalmente
caratterizzata da un δ
13
C compreso tra -20 e -25‰ (c
larK
& F
rItz
,
1997). La seconda tipologia di sorgenti è stata utilizzata per ottenere
la relazione quota/δ
18
O‰, essendo le sorgenti stesse rappresentative
di circuiti relativamente brevi e superficiali e di conseguenza, con-
siderando l’effetto regolatore dell’acquifero, di contenuti isotopici
medi relativi ad un’acqua meteorica locale. I loro valori di δ
18
O e le
quote medie dei relativi bacini di alimentazione sono stati riportati in
Fig. 6 ottenendo la relazione quota/δ
18
O‰. Tenuto conto dell’ubica-
zione delle emergenze utilizzate, detta relazione è da ritenersi valida
per la zona del bacino del Fiume Versilia e non per l’intero massiccio
apuano. Infatti, le condizioni morfologiche locali e l’esposizione nei
confronti delle direzioni dominanti di provenienza delle perturbazioni
meteoriche possono condizionare in modo significativo la relazione
quota/δ
18
O‰ (M
ussI
et alii, 1998; D
oVErI
, 2000).
L’equazione sopra ottenuta è stata utilizzata per la valutazione delle
quote medie di alimentazione di una serie di sorgenti carsiche ricadenti
nel bacino del Fiume Versilia ed in zone limitrofe (M
ENIcHINI
, 2012).
Nel presente lavoro si discute, come esempio di applicazione, il
caso del sistema idrogeologico del Monte Altissimo, le cui acque re-
Fig. 6 - Relazione tra quota media di infiltrazione e δ
18
O‰
- Correlation between mean infiltration altitude and δ
18
O‰
background image
STABLE WATER ISOTOPES AS FUNDAMENTAL TOOL IN KARST AQUIFER STUDIES:
SOME RESULTS FROM ISOTOPIC APPLICATIONS IN THE APUAN ALPS CARBONATIC COMPLEXES (NW TUSCANY, ITALY)
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system are drained by three springs named La Polla, Renara and
Giardino (Figg. 1 and 7). In particular, the procedure of integration
of isotopic data with information coming from other investigation
tools is explained. This procedure allowed to define the feeding
area of La Polla spring.
This spring is located at the contact between paleozoic base-
ment and the carbonate units. Its recharge area is difficult to deter-
capitano nelle sorgenti La Polla, Renara e Giardino (Figg. 1 e 7). In
particolare viene trattata la procedura di integrazione del dato isotopi-
co con le informazioni derivanti da altri strumenti di indagine, che ha
portato alla delimitazione del bacino di alimentazione della sorgente
La Polla. Questa si colloca al contatto fra le formazioni carbonatiche
e il basamento paleozoico. La sua area di alimentazione risulta di
difficile determinazione soprattutto per le incertezze sulla posizio-
Fig. 7 - Schema geologico con area di alimenta-
zione della sorgente La Polla.
BSE: Brecce di Seravezza; MCP: Mar-
mi Cipollini; DDV: detriti; OTH: Scisti
a Orthoceras; GRE: Grezzoni; MAA:
Marmi; MMG: Marmi a Megalodonti;
MDD: Marmi dolomitici; CLF: Cal-
care Selcifero; MDI: Metaradiolariti;
PRS: Porfiroidi; PSM: Pseudomacigno;
MRQ: Quarziti e Filladi Superiori; FAF:
Filladi Inferiori; SSR: Scisti Sericitici
- Geological sketch-map and feeding
area of La Polla spring.
BSE: Brecce di Seravezza; MCP: Marmi
Cipollini; DDV: detritus; OTH: Scisti
a Orthoceras; GRE: Grezzoni; MAA:
Marmi; MMG: Marmi a Megalodonti;
MDD: Marmi dolomitici; CLF: Cal-
care Selcifero; MDI: Metaradiolariti;
PRS: Porfiroidi; PSM: Pseudomacigno;
MRQ: Quarziti e Filladi Superiori; FAF:
Filladi Inferiori; SSR: Scisti Sericitici
background image
GLI ISOTOPI STABILI DELL’ACQUA COME STRUMENTO FONDAMENTALE NELLO STUDIO DEGLI ACQUIFERI CARSICI:
ALCUNI ESEMPI DI APPLICAZIONE SUI COMPLESSI CARBONATICI DELLE ALPI APUANE (TOSCANA NW)
46
M. DOVERI, M. MENICHINI & A. CERRINA FERONI
mine, especially regarding the position of the groundwater divide
that separates its basin from those related to Renara spring and
Giardino spring.
As described below, this issue was handle through a multidis-
ciplinary approach including a structural geological study, tracer
tests from literature (r
oNcIoNI
, 2002; P
IccINI
, 2007) and isotopic
considerations.
The geological structure of M.Altissimo consists of a polyphasic
syncline with Marmi at the core (Fig. 8a) with direction of axial plane
of N160, dipping westwards. Between Mt. Altissimo and Mt. Pelato
the longitudinal section shown in Fig. 8b intercepts isoclinal parasitic
folds, belonging to the first phase of the Apuan deformation (D1 of
literature). The thickening of the carbonate units (Grezzoni-Marmi)
corresponds to an antiform, that includes also the basement and that
can facilitate (considering the higher relative permeability of Marmi
than Grezzoni) the water repartition in two opposite pathflows of
this hydrogeological system, respectively towards south and towards
north. The structural setting in the southern part of the section deter-
mines the confinement of the carbonate aquifer for the encapsulation
of the Grezzoni-Marmi. This structure determines a groundwater di-
vide which separates the two systems, La Polla and Giardino.
As shown from the hydrogeological sections processed and dis-
cussed above, the hydrogeological system is set mainly in Marmi
and Grezzoni, characterized respectively by high and medium-high
permeability and locally in Marmi Megalodonti (MMG) and Mar-
mi Dolomitici (MDD), characterized by a medium-high perme-
ability. These complexes are limited downwards by Porfiroidi and
Filladi Inferiori of the hercynian basement, characterized by a low/
very low permeability.
The dipping of the polyphasic structure towards NW promotes a
ne dello spartiacque sotterraneo che separa il suo bacino da quelli
relativi alle sorgenti Renara e Giardino. Come di seguito descritto,
questa problematica è stata affrontata mediante un’integrazione tra
informazioni derivanti da uno studio geologico strutturale, da prove
di tracciamento reperite in letteratura (r
oNcIoNI
, 2002; P
IccINI
, 2007)
e dalle analisi isotopiche.
La struttura geologica del M.Altissimo è costituita da una sincli-
nale polifasica a nucleo di Marmi (Fig. 8a) con piano assiale di di-
rezione circa N160 immergente ad W. La sezione longitudinale (Fig.
8b) intercetta, tra M.Altissimo e M.Pelato, pieghe parassite, isoclinali,
della prima fase deformativa apuana (D1 della letteratura). All’ispessi-
mento della copertura (Grezzoni-Marmi) corrisponde un’antiforme che
coinvolge anche il basamento e che può favorire (tenuto conto anche
del grado di permeabilità relativamente inferiore dei Grezzoni rispetto
ai Marmi) la ripartizione delle acque in due tracciati opposti, rispetti-
vamente verso il settore meridionale e quello settentrionale di questo
sistema idrogeologico. L’assetto strutturale al limite sud della sezione
determina il confinamento dell’acquifero carbonatico per l’incapsu-
lamento dell’insieme Grezzoni-Marmi. Questo assetto determina uno
spartiacque idrogeologico che separa i due sistemi La Polla e Giardino.
Come deducibile dalle varie sezioni idrogeologiche elaborate e
sopra discusse, il sistema idrogeologico risulta impostato principal-
mente nei Marmi e Grezzoni, caratterizzati rispettivamente da una
alta e medio-alta permeabilità, e localmente nei Marmi a Megalodonti
(MMG) e Marmi Dolomitici (MDD), caratterizzati da una medio-alta
permeabilità. Questi complessi sono limitati verso il basso dai Porfi-
roidi e Filladi Inferiori del basamento ercinico caratterizzati da una
bassa/molto bassa permeabilità. L’immersione della struttura polifa-
sica verso NW favorisce nell’insieme un flusso prevalente verso la
sorgente di Renara, anche se la culminazione evidenziata nella se-
Fig. 8 - Sezioni idrogeologiche realizzate
per lo studio del sistema idrogeo-
logico del M. Altissimo (tracce di
sezione in Fig. 7)
- Hydrogeological sections to study
the Mt. Altissimo hydrogeological
system (traces of section shown in
Fig. 7)
background image
STABLE WATER ISOTOPES AS FUNDAMENTAL TOOL IN KARST AQUIFER STUDIES:
SOME RESULTS FROM ISOTOPIC APPLICATIONS IN THE APUAN ALPS CARBONATIC COMPLEXES (NW TUSCANY, ITALY)
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flow toward Renara spring, even if the culmination highlighted in the
longitudinal section may effectively represent a groundwater divide
between the Renara basin and La Polla basin.
Tracer tests conducted in 1976 in the Abisso Bagnulo (Buca di
Monte Pelato; r
oNcIoNI
, 2002) show that the waters flow from this
site to the Renara spring, while other tests carried out in the Abisso
dei Fulmini (P
IccINI
, 2007) indicate that the area of the eastern slopes
of Mount Altissimo feeds La Polla spring (Fig. 7)
Based on the δ
18
O close to -7.85‰ and its comparison with the
relationship shown in figure 6 an average altitude of about 1200 m
a.s.l. was evaluated for the infiltration area.
Considering all these information (groundwater divide deter-
mined by structural study, results of tracer tests, average altitude of
the infiltration area) the feeding area of the La Polla spring was delin-
eate and shown in figure 7. The identified feeding area has an exten-
sion of 2.9 km
2
with an average altitude calculated from the DTM
(Digital Terrain Model) of 1162 m.a.s.l. This is very similar to the
value evaluate through the δ
18
O (1200 m a.s.l.).
To further validate the identified recharge area a groundwater budg-
et on the same area was calculated. The values of average annual rain-
fall and temperatures were obtained from the Servizio Idrologico Re-
gionale (www.idropisa.it) regarding stations located in the study area.
The real evapotranspiration value was calculated using the
t
urc
formula (1954), while for the effective infiltration coefficient
was used the value reported in the study of P
IccINI
et alii, 1999.
The results of this groundwater budget (Tab. 2) indicate that the
flow rate of La Polla spring available in literature (45-60 l/s; P
Ic
-
cINI
& P
raNzINI
, 1989
B
; P
IccINI
et alii, 1999; P
IccINI
, 2007; r
EgIoNE
t
oscaNa
, 2007) is very similar to the calculated Dynamic Water
Resources (DWR) (60 l/s).
CONCLUSION
This paper has highlighted the potentiality of water stable iso-
topes in studies regarding the karst aquifers, for which the conven-
tional hydrogeological tools are generally not easy to carry out.
In particular, some examples concerning three Apuan Alps
karst systems that are drained by several springs (Torano springs,
Frigido spring and La Polla spring) were discussed. Each example
treats an aspect of the groundwater circulation in karst system, and
it explain how the water stable isotopes may be useful to obtain
information about such aspect.
zione longitudinale può effettivamente rappresentare uno spartiacque
idrogeologico fra il bacino di Renara e quello della Polla.
Test di tracciamento effettuati nel 1976 nell’Abisso Bagnulo
(Buca di Monte Pelato; r
oNcIoNI
, 2002) mostrano che le acque da
questo sito fluiscono verso la sorgente Renara, mentre altri test ef-
fettuati nell’Abisso dei Fulmini (P
IccINI
, 2007) indicano che l’area
del versante orientale del Monte Altissimo alimenta la sorgente La
Polla (Fig. 7).
Sulla base del valore di δ
18
O pari a -7.85‰ e di un suo confronto
con la retta di figura 6 è stata stimata una quota media di alimentazio-
ne di 1200 m s.l.m.
Combinando tutte queste informazioni (spartiacque idrogeologi-
ci determinati da fattori strutturali, risultati dei test di tracciamento,
quota media di alimentazione) è stato delimitato il bacino di alimenta-
zione della sorgente La Polla riportato in figura 7. L’area di alimenta-
zione ha una estensione di 2.9 km
2
con una quota media calcolata dal
DTM (Digital Terrain Model) di 1162 m s.l.m. Questo valore risulta
essere molto simile a quello individuato con il δ
18
O (1200 m s.l.m.).
Per validare ulteriormente l’area di alimentazione così ottenuta è
stato effettuato sull’area stessa un bilancio idrogeologico. I valori medi
annui delle precipitazioni e temperature sono stati reperiti presso il Ser-
vizio Idrologico Regionale (www.idropisa.it) per le stazioni ubicate
nell’area in studio. Il valore dell’evapotraspirazione reale è stato cal-
colato mediante la formula di t
urc
(1954), mentre il coefficiente di
infiltrazione efficace è stato ripreso dallo studio di P
IccINI
et alii, 1999.
In tabella 2 sono riportati i valori ottenuti e come è possibile osservare i
valori di portata disponibili in letteratura relativi alla sorgente (45-60 l/s;
P
IccINI
& P
raNzINI
, 1989
B
; P
IccINI
et alii, 1999; P
IccINI
, 2007; r
EgIoNE
t
oscaNa
, 2007) sono del tutto paragonabili come ordine di grandezza
alla risorsa idrica dinamica (DWR) calcolata mediante questo bilancio.
CONCLUSIONI
Il presente lavoro ha voluto evidenziare le potenzialità degli iso-
topi stabili della molecola dell’acqua in studi riguardanti gli acquiferi
carsici, dove le convenzionali tecniche idrogeologiche non sono sem-
pre facilmente utilizzabili.
In particolare sono stati trattati casi di studio che hanno interessa-
to tre sistemi carsici delle Alpi Apuane drenati da una serie di emer-
genze (sorgenti di Torano, sorgente del Frigido e sorgente La Polla).
Per ognuno degli esempi trattati è stato descritto un particolare aspet-
to relativo alla circolazione idrica in sistemi carsici ed in che modo i
Tab. 2 - Bilancio idrogeologico della sorgente La Polla. A: Area del bacino di alimentazione; P: precipitazioni medio annue; T: temperature medio annue; Er: eva-
potraspirazione reale; Cie: coefficiente di infiltrazione efficace; DWR: risorsa idrica dinamica; Flow rate: portata media da letteratura (P
IccINI
& P
raNzINI
,
1989
B
; P
IccINI
et alii, 1999; P
IccINI
, 2007; r
EgIoNE
t
oscaNa
, 2007)
- Groundwater budget of hydrogeological system of la Polla spring. A: Feeding Area; P: average annual rainfall; T: average annual temperature; Er: real
evapotranspiration; Cie: effective infiltration Coefficient; DWR: Dynamic Water Resources; Flow rate: flow rate available in literature (P
ICCINI
& P
RANzINI
,
1989
b
; P
ICCINI
et alii, 1999; P
ICCINI
, 2007; R
EgIONE
T
OsCANA
, 2007)
background image
GLI ISOTOPI STABILI DELL’ACQUA COME STRUMENTO FONDAMENTALE NELLO STUDIO DEGLI ACQUIFERI CARSICI:
ALCUNI ESEMPI DI APPLICAZIONE SUI COMPLESSI CARBONATICI DELLE ALPI APUANE (TOSCANA NW)
48
M. DOVERI, M. MENICHINI & A. CERRINA FERONI
In the case of Torano springs, for which the geochemical data
and the hydrostructural features suggest an only one hydrogeological
system, the isotopic data allowed to distinguish two separate circula-
tion systems.
The analysis of the isotopic variability in a year for the water
of Torano springs with respect to those of Frigido spring high-
lighted different hydrodynamic conditions of the two aquifer sys-
tems examined. In particular the isotopic variability of the Frigido
spring, despite a negligible variability of the chemical composi-
tion, is typical of a phreatic aquifer with relatively high groundwa-
ter circulation velocity; instead, the isotopic stability recorded in
the Torano springs indicates the presence of conditions favourable
for an infiltration water homogenization and so for a minor vulner-
ability of these springs with respect to the Frigido one.
As regards La Polla spring, an application of water stable
isotopes for the identification of catchment average altitude was
shown, basing on an isotopic characterization of rainwater in a
significant neighbourhood. The obtained average altitude, together
with geological-structural and hydrogeological considerations, al-
lowed to define the recharge area of such spring. The groundwater
budget performed for this area was consistent with the average
flow rate of the spring.
Finally the results discussed in this work point out as the isotopic
applications are a fundamental tool in studies regarding the ground-
water circulation in karst systems, because it allows, with limited
cost, to achieve important information for the management and safe-
guard of these strategic water resources.
valori degli isotopi stabili della molecola dell’acqua hanno permesso
di ottenere informazioni in merito.
Nella fattispecie nel caso delle sorgenti di Torano, per le quali
i dati chimici e le condizioni idrostrutturali suggeriscono un unico
sistema idrogeologico, i dati isotopici hanno permesso di individuare
la presenza di due sistemi di circolazione ben distinti.
L’analisi dell’evoluzione nel corso di un anno dei dati isotopici
delle sorgenti di Torano rispetto a quelli della sorgente Frigido ha per-
messo di valutare le diverse condizioni idrodinamiche dei due sistemi
acquiferi in esame. In particolare la variabilità isotopica della sorgen-
te del Frigido, mostrata a fronte di trascurabili variazioni dei contenu-
ti chimici, è tipica di un acquifero freatico caratterizzato da velocità di
flusso relativamente elevate; viceversa, la stabilità dei valori isotopici
registrati alle sorgenti di Torano suggerisce l’esistenza di condizioni
favorevoli all’omogeneizzazione delle acque di infiltrazione e quindi
ad una minore vulnerabilità delle sorgenti stesse.
Relativamente alla sorgente La Polla è stato mostrato un esempio
di applicazione degli isotopi stabili dell’acqua per la determinazione
delle quote medie di alimentazione, previa caratterizzazione isotopica
delle acque d’infiltrazione su un intorno significativo. La quota media
così ottenuta, unitamente alle considerazioni a carattere geologico-
strutturale ed idrogeologico, ha permesso di delimitare il bacino di
alimentazione della sorgente, e l’affidabilità del risultato è stata con-
fermata attraverso un bilancio idrogeologico.
In definitiva i risultati presentati in questo lavoro dimostrano che
lo strumento isotopico è di fondamentale importanza nello studio del-
la circolazione idrica in ambienti carsici, in quanto permette, a fronte
di costi limitati, di ottenere importanti informazioni per la gestione e
la salvaguardia di risorse idriche di interesse strategico.
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Received September 2012 - Accepted January 2013
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