Datare le falde acquifere al radiocarbonio: concetti e applicazione pratica

  • La datazione al radiocarbonio può essere utilizzata per monitorare l’eccessivo pompaggio delle falde.
  • Si raccomanda una datazione al radiocarbonio delle falde acquifere annuale o semestrale.
Water Well

La datazione al radiocarbonio per l’analisi delle falde acquifere può offrire una tecnica per prevedere il sovra-pompaggio della falda prima che si contamini o che venga sfruttata eccessivamente. Per questo si veda lo studio “Surface water contamination and remediation” (pdf).

La datazione al radiocarbonio delle falde acquifere viene utilizzata assieme ad altre misure primarie di analisi idrologiche e chimiche classiche. La datazione al radiocarbonio produrrà risultati migliori se verranno effettuate misurazioni multiple o campionamenti sequenziali. I dati più utili provengono da questi confronti e non da età assolute.

In caso di misurazioni multiple, le età apparenti delle falde acquifere prelevate dalle pompe che si trovano a distanze diverse dall’affioramento della falda potrebbero essere un mezzo per verificare l’affluenza e anche individuare situazioni di sovra-pompaggio. In caso di campionamento sequenziale di un singolo pozzo ogni sei o dodici mesi, potrebbero esserci variazioni sull’età apparente dell’acqua in relazione al tempo. In particolare, l’età dell’acqua che si riduce col passare del tempo è in molti casi un fenomeno dovuto all’infiltrazione delle acque superficiali. La datazione al radiocarbonio è in grado di dare un segnale di imminente contaminazione dagli strati superficiali dell’acqua.

Datare le falde acquifere al radiocarbonio

La datazione al radiocarbonio delle falde acquifere può dare informazioni sul periodo in cui l’acqua ha cessato di stare a contatto con l’atmosfera, cioè quando è andata sotto terra. Tuttavia, non è facile calcolare la percentuale di specie di carbonato che ha avuto origine dalle piante nell’affioramento della falda acquifera e dall’atmosfera, a differenza di quella aggiunta da antichi depositi carbonatici nella matrice della falda. Per questo motivo, la datazione al radiocarbonio delle falde acquifere è più utile se si effettua un campionamento ripetuto. In questo caso, l’ottenimento di età assolute con le incertezze che questo comporta non ha a che fare con i numeri primari utilizzati nelle interpretazioni del luogo. Le età apparenti non corrette sono i numeri principali, e vengono messe a confronto con le altre età apparenti dello studio. Ciò serve ad ovviare all’incertezza della correzione. In tutti i casi, i dati più utili provengono da questi confronti e non da età assolute. Inoltre, le età apparenti non corrette possono essere interpretate come età massima, cioè la vera età delle falde acquifere è uguale o inferiore all’età apparente.

Con l’estrazione dei carbonati delle acque tramite la datazione al radiocarbonio, le misurazioni saranno in grado di fornire informazioni sul ricambio dei depositi sotterranei, nonché sulle direzioni del flusso e sulla portata. Questo è valido per i campioni da 10 a 40.000 anni.

Le acque superficiali e le precipitazioni che si infiltrano nel terreno contengono piccole quantità di anidride carbonica estratta dall’aria. Lasciando l’atmosfera, l’acqua entra in contatto con l’aria del suolo, dove la pressione parziale della vegetazione (respirazione tramite radici) generata dall’anidride carbonica è molto più forte. Il contenuto radiocarbonico di queste sorgenti è il cosiddetto livello “moderno” e viene utilizzato per il riferimento nei calcoli sull’età. In media, vengono campionati in una falda acquifera da 20 a più di 60 pozzi. Se il numero dei pozzi scende a meno di dieci, lo studio non sarà sufficientemente rappresentativo e, in questo caso, l’interpretazione delle età sarà spesso ambigua.

Nel caso di falde acquifere contenenti carbon fossile, come la torba o la lignite, la datazione al radiocarbonio può dare risultati ambigui e per tali falde non deve essere effettuata questa tecnica di datazione. Le acque provenienti da sorgenti di superficie possono fornire “età” apparenti utili, ma esiste inevitabilmente un problema con la correzione della diluizione del carbonio perché si può generare un grande effetto isotopico quando l’anidride carbonica sotto pressione nell’acqua viene liberata. In tal caso, non può essere calcolata la “miglior stima dell’età”.

Prevedere la contaminazione e i limiti di sfruttamento delle falde acquifere

All’aumentare della densità della popolazione, la richiesta di risorse idriche aumenta in modo esponenziale. Uno sviluppo eccessivo può portare ad un’offerta limitata, con effetti maggiori nei distretti più lontani dalla zona di ricambio della falda acquifera.

Poiché i terreni poco utilizzati in genere circondano aree popolate, lo sviluppo residenziale e industriale si estende in direzioni che riflettono il massimo rendimento commerciale. Tuttavia, se le aree in via di sviluppo invadono le aree di ricambio, la perforazione di nuovi pozzi per soddisfare l’improvvisa domanda può portare ad una scarsità di acqua, se il pompaggio supera il ricambio.

Monitorando continuamente l’età radiocarbonica delle acque all’interno dei pozzi di un distretto, è disponibile l’evidenza empirica per rendersi conto dell’eccessivo sfruttamento prima che diventi fuori controllo. Una volta che sono state costruite abitazioni o industrie, è molto difficile limitare il loro approvvigionamento idrico. La datazione al radiocarbonio delle acque è un meccanismo utile per monitorare, comprendere e controllare lo sfruttamento delle falde acquifere.

groundwater ages

Figura 1 – l’età radiocarbonica delle falde acquifere come fattore dipendente dalla distanza dall’affioramento della falda acquifera. Questo caso mostra le curve del flusso laminare delle falde acquifere con tre tassi di pompaggio che si trovano a distanze diverse dal limite di affioramento. L’ultimo pozzo sta pompando eccessivamente e attira acqua dai livelli superficiali.

Monitorare il contenuto radiocarbonico delle falde acquifere

Il monitoraggio del contenuto radiocarbonico di un pozzo in relazione al fattore tempo può rivelare sia la stabilità che le modifiche nelle acque della sorgente alla testa della pompa. Se l’età radiocarbonica dell’acqua si riduce ogni anno, significa che acque più giovani vengono assorbite dalla superficie. Questo potrebbe essere causato, per esempio, da un eccesso di pompaggio del pozzo o trivellazioni estese di pozzi in altre aree. In entrambi i casi, ciò indica che le acque superficiali eventualmente contaminate potrebbero infiltrarsi nelle scorte di acqua potabile.

radiocarbon age of groundwater

Figura 2 – l’età radiocarbonica di una falda acquifera da campionamento annuale di un singolo pozzo. In questo caso, è stato iniziato un nuovo sistema di pompaggio in questo pozzo nel 1995, aumentando notevolmente la velocità di pompaggio in questa zona. La datazione al radiocarbonio dovrà essere ripetuta per vedere se c’è un’indicazione dell’aumento della corrente discendente delle acque poco profonde, o se la curva si appiattisce prima che le acque superficiali comincino ad inserirsi.

La datazione al radiocarbonio dà i risultati più attendibili se viene effettuato un campionamento annuale o biennale dai singoli pozzi. I valori ottenuti vengono comparati a quelli degli anni precedenti. La situazione più desiderabile è che le età radiocarboniche delle acque campionate in sequenza (ogni sei o dodici mesi) da un particolare pozzo rimangano le stesse nel corso degli anni.

Dal momento che il radiocarbonio si trova naturalmente nelle falde acquifere, questa determinazione viene fatta senza alcuna aggiunta alla falda. Inoltre, la determinazione viene eseguita prima che si verifichi una qualche forma di contaminazione. Questo ha forti implicazioni economiche e ambientali per la gestione delle risorse idriche all’interno e tra i distretti.

Una discussione completa sulla datazione al radiocarbonio delle falde acquifere, compresi i calcoli dell’età radiocarbonica, è disponibile a seguire.