DETERMINAZIONE DELLA “QUOTA ISOTOPICA” DEL BACINO
DI ALIMENTAZIONE DELLE PRINCIPALI SORGENTI DELL’ALTA VALNERINA Claudia Tarragoni
Viale Eritrea, 91 00199 Roma.
e-mail: claudia.tarragoni@uniroma1.it
RIASSUNTO - Lo studio idrogeologico ed isotopico eseguito nella porzione sud-occidentale della Dorsale dei Monti Sibillini ha portato a risultati di interesse operativo e soprattutto metodologico.
Il riconoscimento dei Complessi idrogeologici e delle loro caratteristiche, degli elementi geologico-strutturali con comportamento di aquiclude, delle sorgenti e del loro regime, ha portato alla definizione, tra gli altri, del modello idrogeologico concettuale dell’acquifero profondo (Area di alimentazione 85 km2, portata media delle sorgenti 2110 l/s, Infiltrazione efficace media annua 780 mm/a).
Lo studio isotopico, eseguito sui campioni (di aprile, di luglio e di dicembre 2003) di acqua provenienti da sor- genti d’alta quota, ha portato alla determinazione della retta di correlazione δ18O/quota. I valori del δ18O delle sor- genti “basali” sono stati messi in relazione con la retta δ18O/quota e si è individuata la quota isotopica media delle acque dell’acquifero profondo. La buona corrispondenza tra il valore della quota media del bacino di alimentazio- ne (1343 m) ed il valore della quota isotopica media (compreso tra 1570 m e 1690 m) conferma le ipotesi indica- te nel modello idrogeologico concettuale e soprattutto dimostra che è possibile applicare questo tipo di studio anche nel caso di campionamento, con opportuni accorgimenti, di sorgenti lineari.
PAROLE CHIAVE: Idrogeologia, idrologia isotopica, alta Valnerina.
ABSTRACT - The hydrogeological and isotopic analysis on the south-western Monti Sibillini Ridge take oper- ational and methodological data.
Geological, stratigraphical, structural and hydrogeological features are widely related into Ph.D. thesis; in this note only geological-structural features that have aquiclude function and hydrogeological features are shortly presented. In the Monti Sibillini Ridge the geological formations of Umbria-Marche succession (complete and reduced) from Lias inf. (Calcare Massiccio) to Eocene-Oligocene (Scaglia cinerea) outcrop. The main structural elements are: the Visso thrust and the Cima Cannafusto-Pizzo Tre Vescovi thrust, with relative anticlinalic struc- tures and the quaternary faults. All this elements NNW-SSE are oriented.
The calcareous and marly-calcareous formations are complexes that host aquifers and springs due to high per- meability; the marly, cherty and clayly formations are complexes with low permeability and that have hydraulic closing function.
The conceptual hydrogeological model of deep aquifer has been obtained from identification of: hydrogeolog- ical complex and their features, limits of aquifer, springs and their time-variability. From this model it is possible to define the mean annual effective infiltration by ratio from recharge area (85 km2) and mean discharge (2110 l/s). The mean annual effective infiltration value (780 mm) is justified by two factors: the high value of mean ele- vation of recharge area and the presence of the Castelluccio endhoreic basin.
The mean annual effective infiltration value is almost the 80% of total precipitation that is defined in 1000 mm/y from a study on 47 rain gauge stations and 17 temperature stations. The mean annual effective precipitation value is 525 mm and it is possible to account as effective infiltration based on the hypothesis of a runoff negligible. This effective infiltration value (525 mm) underlie effective infiltration value calculated with direct method (780 mm).
18O data of 10 high elevation springs are used to obtain correlation line between δ18O/elevation for Monti Sibillini Ridge, admitting that they are representative of the infiltration altitudes, taking into account the proximity between recharge and discharge area. The obtained correlation line (equation 0,0022x - 6,3784 and r2=0,9693) is concor- dant with bibliographic lines (Nanni et alli, 2006; Bono et alii, 2005; Barbieri et alii, 2003; Longinelli & Selmo, 2003; Zuppi et alii, 1994; Conversini & Tazioli, 1993; Ciancetti et alii, 1991; Tazioli et alii, 1988), for the Central Apennine (Fig. 4).
The calculated gradient (0,22 ‰ /100 m) is used to obtain information about mean recharge elevation of basal springs. This methodological process are used to confirm the hypothesis of the conceptual hydrogeological model about groundwater circulation.
Aim of this note is to point out that the applied methodological process hold true to linear springs sample.
KEY WORDS: Hydrogeology, isotopic hydrology, high Valnerina.
PREMESSA
Lo studio idrogeologico condotto nell’alta Valnerina, a monte dell’abitato di Visso, si è articolato in due filoni distinti: geologico-idrogeologico e isotopico. I caratteri geologici ed idrogeologici sono stati analizzati e descrit- ti in una tesi di dottorato (Tarragoni, 2005); gli aspetti isotopici, rivolti alla determinazione del rapporto isoto- pico dell’ossigeno, si basano sui dati di tre campagne di campionamento (nell’aprile e nel luglio 2003) eseguite su 10 sorgenti d’alta quota e su 3 sorgenti basali (2 lungo il fiume Nera e 1 lungo il torrente Ussita) (Fig. 1).
INQUADRAMENTO GEOLOGICO-STRUTTURALE
La zona di studio, che si trova al confine meridionale tra Marche ed Umbria, è caratterizzata dall’affioramento dei litotipi appartenenti alla successione umbro-marchi- giana, compresi tra il Lias inferiore (Calcare Massiccio) e l’Eocene-Oligocene (Scaglia cinerea) e dai depositi quaternari detritici ed alluvionali; per la descrizione dei caratteri prettamente litostratigrafici si rimanda alla vasta letteratura esistente (Foglio Norcia, 1941;
Centamore et al., 1971; Pialli, 1971; Chiocchini et al.,
Fig. 1 - Inquadramento geografico dell’alta Valnerina; A - punti d’alveo campionati; B - ubicazione delle sorgenti.
– Alta Valnerina location; A - river samples; B - Location of springs.
1976; Decandia, 1982; Centamore et al., 1986;
Centamore & Micarelli, 1991; Parisi, 1994; Passeri, 2001).
L’Appennino umbro-marchigiano è costituito da un sistema a pieghe e sovrascorrimenti, generatesi come risposta alla spinta compressiva verso l’avanpaese adri- atico (Calamita & Deiana, 1986; Lavecchia, 1981); nel- l’area in esame l’elemento strutturale principale è sicu- ramente il sovrascorrimento dei Monti Sibillini; questo importante elemento tettonico, costituito da diversi piani di accavallamento, ha portato i terreni meso-cenozoici su le antistanti e più esterne formazioni creta-paleogeniche nel settore a N e su formazioni essenzialmente mioceniche nel settore a S del fiume Aso (Lavecchia, 1985).
Altro elemento strutturale compressivo presente nel- l’area e che la delimita ad W, è il sovrascorrimento di Visso: motivo strutturale con direzione circa NS e con una flessione verso NNW a N di Visso e verso SSW tra Visso e Norcia. Attraversando le Gole della Valnerina è possibile osservare la struttura anticlinalica associata al sovrascorrimento che, in questo tratto, è fortemente inci- sa dal fiume Nera; procedendo da SW verso NE si può osservare come le formazioni coinvolte nella struttura, appartenenti a successioni complete e condensate, hanno giaciture che passano da suborizzontali, a verticali fino a rovesciarsi sul fianco orientale.
Tra il sovrascorrimento di Visso e il sovrascorrimento dei Monti Sibillini è presente un altro elemento struttu- rale compressivo: il sovrascorrimento di Cima Cannafusto-Pizzo Tre Vescovi, che dà origine all’anticli- nale di Monte Bove-Monte Pietralata. Lungo il fiume Ussita, sono ben esposte le formazioni coinvolte nella struttura; anche in questo caso coesistono successioni complete e successioni condensate.
A S di Monte Porche il sovrascorrimento non è più visibile, poiché è dislocato dal fascio di faglie dirette di Monte Bove-Monte Vettore (Calamita et alii, 1992).
L’attività quaternaria ha prodotto faglie, prevalente- mente normali, che dislocano le strutture neogeniche della catena, portando alla formazione di bacini a sedi- mentazione da continentale a marina; queste faglie si presentano organizzate in “fasci” ad andamento medio N 140°-150°: il fascio Monte Vettore-Monte Bove che si sviluppa per circa 30 km, il fascio M. Castello-M.
Cardosa lungo circa 15 km (Calamita et al., 1992) e, più ad ovest, il fascio di Norcia-M. Fema che si estende per circa 40 km (Calamita et al., 1992; Calamita et al., 1995).
Tutte le faglie che costituiscono questi fasci presenta- no una distribuzione en échelon e ribassano i settori ad WSW.
INQUADRAMENTO IDROGEOLOGICO
La circolazione idrica sotterranea e l’ubicazione delle principali sorgenti sono condizionate dall’assetto geolo-
gico-strutturale dell’area: i litotipi francamente calcarei e calcareo-marnosi costituiscono Complessi che sono sede di acquiferi ed ospitano sorgenti con portate consi- derevoli grazie alla permeabilità assicurata loro dallo stato di fratturazione (Complesso calcareo basale, Complesso della Maiolica, Complesso calcareo indiffe- renziato e Complesso della Scaglia calcarea); le forma- zioni prettamente marnose, silicee e ad elevato contenu- to argilloso (Rosso ammonitico, Calcari diasprigni, Marne a Fucoidi e Scaglia cinerea) formano, invece, Complessi caratterizzati da una permeabilità estrema- mente bassa o nulla (Complesso calcareo silico marno- so, Complesso delle Marne a Fucoidi e Complesso della Scaglia cinerea) (Fig. 2).
Elevata permeabilità si riscontra anche per i depositi alluvionali e le coltri detritiche.
Questa nota prende in esame solo l’acquifero profon- do ubicato nel Complesso calcareo basale, meglio defi- nito in figura 2 e 3.
CARATTERI CLIMATICI
La precipitazione media della zona di studio (47 sta- zioni pluviometriche e 17 stazioni termometriche che hanno operato per un periodo di circa 70 anni) è molto prossima ai 1000 mm/a.
La precipitazione efficace media (ottenuta sottraendo al valore di precipitazione media annua il valore dell’e- vapotraspirazione calcolata con il metodo di Turc) risul- ta di 525 mm/a.
I valori ottenuti dall’elaborazione di questi dati, rap- presentano una sottostima della realtà dato che le sta- zioni sono ubicate a quote inferiori a quelle medie del bacino; inoltre la maggior parte delle stazioni non è in grado di misurare le precipitazioni a carattere nevoso. Il regime delle precipitazioni riscontrato è quello tipico dell’Appennino: un minimo più o meno marcato nel periodo estivo (luglio, agosto e settembre) e due massi- mi (uno più accentuato in autunno e un altro in prima- vera).
I dati pluviometrici registrati dal Servizio Idrografico di Stato, disponibili dal 1921 fino al 1976 per la sezione di Bologna e fino al 1997 per la sezione di Roma, forni- scono dati attendibili in aree con altitudine inferiore al migliaio di metri.
Dal confronto del valore di precipitazione efficace media calcolata da dati pluviometrici ed il valore di infil- trazione efficace media calcolata con il metodo diretto (rapporto della portata media annua drenata dall’acqui- fero con l’area di alimentazione dell’acquifero stesso Ieff.
= Q/A = 780 mm/a), si vede come il primo rappresenti una sottostima dei valori di precipitazione. La sottostima è ancora più evidente se si considera che la precipitazio- ne efficace calcolata non si trasforma interamente in infiltrazione efficace, ma origina anche fenomeni di ruscellamento.
Fig. 2- Schema idrogeologico dell’alta Valnerina. 1 - Complesso dei depositi alluvionali; 2 - Complesso dei depositi detritici di versante; 3 - Complesso dei depositi lacustri; 4 - Complesso dei depositi calcareo-marnosi; 5 - Complesso della Scaglia calcarea; 6 - Complesso delle Marne a Fucoidi; 7 - Complesso della Maiolica; 8 - Complesso calcareo-silico-marnoso; 9 - Complesso calcareo basale; 10 - Sovrascorrimenti (A Sovrascorrimento di Cima Cannafusto - Pizzo Tre Vescovi; B Sovrascorrimento di Visso); 11 - Faglie.
– Hydrogeological scheme of high Valnerina. 1 - Alluvial deposits complex; 2 - Continental detritus complex; 3 - Lacustrine deposits complex ; 4 - Marly-calcareous complex; 5 - Scaglia calcarea complex; 6 - Marne a Fucoidi complex; 7 - Maiolica complex; 8 - Marly-cherty-calcareous-com- plex; 9 - Basal calcareous complex; 10 - Overthrusts (A: Cima Cannafusto - Pizzo Tre Vescovi thrust; B: Visso thrust) 11 - Faults.
MODELLO IDROGEOLOGICO CONCETTUALE DELL’ACQUIFERO BASALE
I limiti dell’acquifero basale (Fig. 2) sono: sovrascor- rimento di Visso e faglia distensiva di Monte Cardosa- Monte Lieto ad occidente (B); sovrascorrimento di Cima Cannafusto-Pizzo Tre Vescovi e faglia di Monte Vettore ad oriente (A). A sud il limite coincide con le faglie bor- diere del Piano Grande di Castelluccio, mentre a nord, dove il Complesso basale è costituito dalle formazioni del Calcare massiccio, del Bugarone e della Maiolica, il limite in affioramento segue il contatto con il Complesso delle Marne a Fucoidi.
Lungo la valle del fiume Nera e del torrente Ussita sono presenti diverse sorgenti di considerevole portata.
In questo studio sono state considerate solamente le sor- genti appartenenti all’acquifero profondo (Figg. 2 e 3):
la sorgente lineare del Nera (tra quota 725 m e quota 750 m - portata media 580 l/s), la sorgente lineare del Rapegna (tra quota 730 m e quota 800 m - portata media 320 l/s), la sorgente lineare dell’Ussita (tra quota 645 m e quota 690 m - portata media 570 l/s) e la galleria dre- nante detta di San Chiodo (750 m - portata media 640 l/s). La quota di emergenza, il regime delle portate, la distribuzione degli affioramenti del Complesso calcareo basale e l’assetto strutturale sono tutti elementi che por- tano ad ipotizzare l’appartenenza delle sorgenti menzio- nate ad uno stesso acquifero: l’acquifero profondo.
L’acquifero profondo del Complesso calcareo basale
alimenta le sorgenti sopra citate per un totale medio annuo di 2110 l/s.
L’area di alimentazione delineata è di 85 km2, da cui si ottiene un’infiltrazione efficace media di 780 mm/a.
L’elevato valore dell’infiltrazione efficace è giustificato da due fattori concomitanti: la quota media dell’area di alimentazione (1343 m s.l.m.) e la presenza, al suo inter- no, del bacino endoreico di Castelluccio (Fig. 1).
Le principali linee di flusso hanno andamento circa meridiano in accordo all’orientamento dei principali ele- menti strutturali che, spesso, rivestono il ruolo di chiusu- ra idraulica (Fig. 3).
IDROLOGIA ISOTOPICA
Sono state campionate 10 sorgenti d’alta quota e 3 sor- genti dell’acquifero basale. Sui campioni, prelevati nel- l’aprile, nel luglio e nel dicembre 2003, sono state per- sonalmente eseguite le analisi per la determinazione dei valori diδ18O (Tab. 1).
I valori relativi alδ18O , sono stati ottenuti utilizzando la tecnica dell’equilibrazione con CO2, presso il Labora- torio degli Isotopi Stabili dell’Istituto di Geologia Am- bientale e Geoingegneria-CNR Sezione “La Sapienza”
c/o Dipartimento di Scienze della Terra, Università degli Studi di Roma “La Sapienza”; tutte le misure sono espresse in riferimento a V-SMOW (Gonfiantini, 1978).
I valori di δ18O ottenuti sono compresi tra -9,24 e -10,40 ‰ (Tab. 1).
Fig. 3 - Modello idrogeologico concettuale dell’acquifero profondo ospitato nel Complesso calcareo basale.
– Conceptual Hydrogeological model of deep aquifer in basal calcareous complex.
Tab. 1- Composizione isotopica in 18O nelle acque analizzate. Il simbolo * si riferisce alle acque di sorgenti lineari (la quota si riferisce al luogo di campionamento), ** indica dato mancante.
– Isotopic composition in 18O in analyzed waters. The symbol * is referred to the waters of linear springs (the elevation in m a.s.l. is referred to the sampling location), ** no data.
Fig. 4 - Correlazione δ18O/altitudine dei campioni studiati ed estrapolazione del valore della quota isotopica media delle sorgenti appartenenti all’ac- quifero basale.
–δ 18O vs springs altitude of studied samples and extrapolation of isotopic value of basal aquifer springs.
Il campionamento delle sorgenti lineari (sorgente lineare del Nera a Castelsantangelo e sorgente lineare dell’Ussita “Madonna dell’Uccelletto”) è stato eseguito secondo opportuni accorgimenti: in corrispondenza del tratto di alveo in cui è stato rilevato l’incremento di por- tata sono stati identificati idonei punti di emergenza della falda affiorante non contaminati dalle acque di scorrimento superficiale.
L’indagine idrogeologica condotta sulle sorgenti di alta quota ha permesso di identificarne e caratterizzarne l’area di alimentazione: si tratta di sorgenti con limitati circuiti dal deflusso superficiale e rapido che si estendo- no a quote prossime a quelle di emergenza. In virtù di queste caratteristiche sono state scelte le 10 sorgenti riportate in tabella 1 per determinarne il rapporto isoto- pico dell’ossigeno; i dati ottenuti sono stati utilizzati per determinare la retta di correlazione δ18O/quota.
La pendenza della retta δ18O/quota, calcolata con i valori misurati su sorgenti poste a quote differenti, ha un valore pari a 0,22 ‰ /100 m (fig. 4) in accordo con i valori ottenuti da altri autori nell’Appennino centrale (Nanni et alii, 2006; Bono et alii, 2005; Barbieri et alii, 2003; Longinelli & Selmo, 2003; Zuppi et alii, 1994;
Conversini & Tazioli, 1993; Ciancetti et alii, 1991;
Tazioli et alii, 1988).
La retta di correlazione δ18O/quota ottenuta con i valori delle sorgenti dei Monti Sibillini può essere con- siderata rappresentativa della quota isotopica media di ricarica dell’acquifero profondo.
Inserendo nel grafico della retta sperimentale di corre- lazione (Fig. 4) i valori isotopici medi delle acque appar- tenenti all’acquifero basale si è individuata la quota iso- topica media dell’area di alimentazione delle sorgenti basali che drenano queste acque. Tale valore, compreso tra 1570 m s.l.m. e 1690 m s.l.m., risulta più elevato della quota media dell’area di alimentazione (1343 m s.l.m.), ma si ritiene che ciò sia imputabile al contributo della componente nevosa.
Questo studio del δ18O di acque provenienti da circui- ti d’alta quota caratterizzati da un deflusso rapido e superficiale, ha permesso di confermare le ipotesi for- mulate nel modello concettuale circa il circuito di ali- mentazione delle sorgenti drenanti l’acquifero basale dell’alta Valnerina.
Dal grafico di Fig. 4 risulta che:
- La quota isotopica delle acque delle sorgenti basali è coerente con la quota media del bacino di alimentazione evidenziato nel modello idrogeologico concettuale (fig. 3);
- La sostanziale identità dei valori isotopici dell’ossi- geno delle tre sorgenti dell’acquifero profondo conferma le ipotesi sull’esistenza di un unico acquifero basale e sulle modalità di circolazione idrica proposte nel model- lo idrogeologico concettuale.
CONCLUSIONI
In conclusione lo studio idrogeologico che ha portato al modello idrogeologico concettuale dell’acquifero pro- fondo ha permesso:
- La delimitazione dell’area di alimentazione (85 km2);
- La quantificazione della portata media annua drena- ta dall’acquifero (2110 l/s);
- Il calcolo dell’Infiltrazione efficace media annua (780 mm/a);
- L’individuazione delle principali linee di flusso (meridiane da SSE-NNW).
Le analisi isotopiche dell’18O mettono in chiara evi- denza che:
- La delimitazione dell’area di alimentazione e le moda- lità di circolazione dell’acquifero profondo dell’alta Valnerina proposte nel modello idrogeologico concettuale sono pienamente confermate dai risultati delle indagini sulla composizione isotopica dell’18O delle acque sorgive.
- L’uso del metodo utilizzato ha fornito risultati atten- dibili anche nel caso di prelievo di acque sorgive in alveo in corrispondenza di sorgenti lineari campionate con opportuni accorgimenti.
RINGRAZIAMENTI- Desidero ringraziare il Prof. Carlo Boni, oltre per la cortese collaborazione, per avermi introdotto e gui- dato nell’ambito degli studi di idrogeologia quantitativa.
Il Prof. Marco Petitta ed il Dott. Gianni Accordi per la lettu- ra critica e gli utili suggerimenti ed il Dott. Marco Mola per avermi seguito nel lavoro di laboratorio per la determinazione dei dati isotopici.
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Accettato per la stampa: ottobre 2006
