Svelati i meccanismi attraverso cui l’Etna imprime la sua impronta nella falda acquifera che scorre al suo interno, principale risorsa idrica per la Sicilia orientale. A scoprirli, un team di ricercatori INGV.
I risultati sono stati pubblicati su Chemical Geology e su Journal of Volcanology and Geothermal Research
 
L’edificio vulcanico del Monte Etna ospita una imponente falda acquifera che rappresenta la più importante risorsa idrica per la Sicilia orientale. La comprensione dei processi che determinano l’abbondanza degli elementi di origine vulcanica in essa disciolti è l’oggetto delle tre ricerche dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV): Tracing the circulation of groundwater in volcanic systems using the 87Sr/86Sr ratio: Application to Mt. Etna; Volcanic plume fingerprint in the groundwater of a persistently degassing basaltic volcano: Mt. Etna; Dissolved inert gases (He, Ne and N2) as markers of groundwater flow and degassing areas at Mt Etna volcano (Italy). I risultati dei lavori sono stati pubblicati su Chemical Geology e Journal of Volcanology and Geothermal Research.
“La falda dell’Etna, alimentata dalle piogge e dallo scioglimento della coltre nevosa”, afferma Marcello Liotta, ricercatore INGV - Sezione di Palermo, “è stata oggetto, nel corso degli ultimi anni, di numerose ricerche scientifiche. Le caratteristiche dell’edificio vulcanico, le peculiari condizioni climatiche e la presenza di un pennacchio vulcanico persistente rendono infatti la falda etnea uno scrigno di segreti, molti dei quali ancora da scoprire”.
La geochimica, branca delle scienze della Terra che studia la distribuzione e il comportamento degli elementi che costituiscono il globo terrestre, rappresenta uno strumento fondamentale di indagine per esplorare i percorsi idrici sotterranei e la migrazione degli elementi di origine vulcanica attraverso la falda. Nell’ultimo anno, alcune ricerche condotte dalla comunità scientifica dell’INGV hanno fatto emergere come il vulcano imprima la sua impronta nella falda.
“L’area sommitale del vulcano è caratterizzata da piogge acide a causa della presenza persistente del pennacchio vulcanico che rilascia ingenti quantità di gas acidi e aerosol nell’atmosfera. Nonostante la chiara evidenza di precipitazioni acide, dimostrata da ricerche precedenti, il contributo in falda degli elementi provenienti dal pennacchio non era mai stato identificato fino ad ora”, spiega Marcello Liotta.
Le piogge acide vengono neutralizzate dalla interazione con le rocce basaltiche che costituisco l’edificio vulcanico e si infiltrano nella falda.
“Dallo studio della composizione chimica delle acque è stato identificato, per ciascun elemento, il contributo dovuto al pennacchio e quello dovuto ai processi di interazione acqua-roccia; quest’ultimo favorito dall’elevato contenuto di anidride carbonica (CO2) di origine magmatica disciolta nella falda. La composizione isotopica dello stronzio (Sr) ha consentito, inoltre, di quantificare il contributo in falda di piccolissime frazioni di soluzioni ipersaline che risalgono attraverso il basamento sedimentario, insieme a grandi quantità di gas”.
I gas vulcanici, infatti, non vengono emessi solo dai crateri sommitali, ma alcuni di essi vengono rilasciati dai magmi a diversi chilometri di profondità.
“Dall’analisi della composizione chimica e isotopica dei gas inerti disciolti nella falda”, aggiunge Antonio Paonita, primo ricercatore dell’INGV- Sezione di Palermo, “emerge che alcuni gas di origine magmatica raggiungono la falda attraverso discontinuità tettoniche, si disciolgono in essa e percorrono lunghe distanze lungo i fianchi dell’Etna. Dai campioni prelevati presso pozzi e sorgenti dell’acquifero è stato possibile stabilire le zone in cui i gas in risalita intercettano le falde e i percorsi da monte verso mare seguiti dalle acque cariche di gas magmatico, nonché una serie di parametri idrologici degli acquiferi”.
Da qui l’idea che il vulcano imprima la sua impronta nella falda attraverso almeno tre meccanismi differenti: il pennacchio influenza la composizione chimica della ricarica meteorica; le rocce basaltiche rilasciano grandi quantità di metalli alcalini e alcalino terrosi; infine i gas inerti si disciolgono in falda, portando con sé preziose informazioni.
“Lo sviluppo di modelli interpretativi sempre più raffinati e la messa a punto di avanzate tecniche analitiche rappresentano uno strumento indispensabile per comprendere i processi che avvengono nel sistema vulcanico, il loro impatto nell’ambiente circostante e le possibili ricadute per la società”, conclude Marcello Liotta.

Abstract
The chemical composition of the groundwater, dissolved inert gases (He, Ne and N2) and He isotope ratio (3He/4He) as well as 87Sr/86Sr ratio was investigated at Mt. Etna in order to determine the extent to which the volcano affects the chemical composition of circulating waters. The content of dissolved elements derives from the bulk deposition (wet and dry deposition) at the recharge areas as well as from the weathering of volcanic rocks during the infiltration and transport of groundwater. In its early phase, the chemical weathering of volcanic rocks and ashes is promoted by the acid rain that characterizes the area and subsequently by the huge amount of deep magmatic carbon dioxide (CO2) coming up through the volcanic edifice and dissolving in the water. The high content of chlorine is mainly derived from interactions between the plume and rainwater, while the total alkalinity can be completely ascribed to the dissociation of carbonic acid (H2CO3) after the hydration of CO2. The 87Sr/86Sr ratio indicates that the Sr-isotope signature of groundwater is determined by the volcanics hosting the aquifer. The volcanic isotopic signature is modified by very small amounts of brines (<1%), characterized by a high concentration of Sr and a 87Sr/86Sr ratio typical of sedimentary environments, but only at sites where the groundwater circulates almost in contact with the sedimentary basement.
Fractions of the volatiles ascending from magma chambers meet groundwaters flowing away from the volcano summit and are carried to great distance as dissolved gases. The complex interactions between ascending magmatic volatiles, tectonic structures, heterogeneities in rock permeability and flow lines of aquifers deeply affect the dispersion of the dissolved species. Studying the spatial distribution of such species can therefore provide valuable information on the circulation of fluids inside volcanic edifices. Our study focused on the composition of dissolved inert gases (He, Ne and N2) and He isotope ratio (3He/4He) because the concentrations of these species differ markedly between magmatic and shallow (crustal and atmospheric) sources, and they do not interact chemically with rocks. We identified groundwaters that flow through anomalously degassing areas associated with clearly evident or known tectonic structures. These waters show a typically magmatic He isotope composition (high 3He/4He ratios) and high proportions of dissolved magmatic gases (He and CO2) compared to the atmospheric ones (Ne and N2). Downstream of the degassing structures, along the hydrological outflows, we found groundwaters that are progressively enriched in atmospheric-derived gases (Ne and N2) and exhibited lower 3He/4He ratios. On this basis, we set up a model of unidimensional dispersion-advection of inert volatile solutes, coupled with a two-layer model for the dynamic exchange of volatiles through the aquifer–atmosphere interface. The model is able to quantitatively explain the progressive dilution of the magmatic signal over distances of several kilometers from the source location of the anomaly towards the final part of the flow lines at the coast.
Typical hydrogeological parameters such as the flow velocity, rock permeability and rate of air–groundwater interaction can be constrained, and underground pathways of waters can be identified. Waters that are anomalously rich in magmatic tracers with respect to their peripheral position along the flowlines reflect arrival of deep gases from below, and they therefore offer a powerful tool for revealing hidden tectonic structures.

Impronta Vulcano 1

Fig.1: Misura dei parametri chimico-fisici presso un sito di campionamento

Impronta Vulcano 2

Fig.2: Foto panoramica dell'Etna

Link alle tre pubblicazioni:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0377027317300112
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009254116301632
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009254116304879

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