COMPOSIZIONE GEOCHIMICA DEL SOLIDO SOSPESO FLUVIALE: UNO STRUMENTO PER L'ANALISI AMBIENTALE Dimitra Rapti-Caputo1, Donatella Pavanelli2 & Carmela Vaccaro1 1 Università di Ferrara, Dipartimento di Scienze della Terra, via Saragat, 1, I-44100 Ferrara Italia; e-mail: cpr@unife.it 2 Università degli Studi di Bologna, Dipartimento di Scienze della Terra e Geologico-Ambientali, Via Zamboni 64, 40126 Bologna Riassunto: Rapti-Caputo D., Pavanelli D. & Vaccaro C.: Composizione geochimica del solido sospeso fluviale: uno strumento per l'ana- lisi ambientale (IT ISSN 0394-3356, 2008). Nel presente lavoro, vengono presentati i risultati preliminari relativi alla definizione dello stato ambientale dei bacini idrografici con l'ausilio di metodi geochimici ed idrologici. In particolare, in una rete di monitoraggio idrologico relativa a quattro affluenti del fiume Reno, quali Gaiana, Lavino, Sillaro e Savena, è stato campionato il materiale solido sospeso durante il periodo di piena. L'analisi chimica del solido sospeso tramite fluorescenza a raggi X ha permesso di definire la composizione geochimica dei sedimenti e la relazione con le formazioni litologiche affioranti nei bacini e di determinare i tenori di fondo attuali relativi alle grandezze geochimi- che analizzate. Abstract: Rapti-Caputo D., Pavanelli D. & Vaccaro C.: Geochimical composition of the fluvial suspended load: a tool environmental analyses (IT ISSN 0394-3356, 2008). The preliminary results based on a geochemical and hydrological approach and aimed at defining the environmental conditions of the Reno hydrographic basin, Northern Italy, are presented. The environmental conditions of the discussed case study are determined with a geochemical analysis of the solid suspended load carried out for the four major hydrographic sub-basins (Gaiana, Lavino, Sillaro and Savena). The chemical analyses of the fluvial suspended load was carried out during extreme flow events. The collected sediments were analysed with the X-Ray fluorescence method thus allowing to define the geochemical composition of the sediments and their relation with the rocks outcropping within the hydrographic basins as well as the present-day background values of the principal che- mical elements Parole chiave: Fiume Reno, solidi sospesi, geochimica, analisi ambientale. Key words: Reno River, suspended sediment load, geochemistry, environmental analysis. Il Quaternario Italian Journal of Quaternary Sciences 21(1B), 2008 - 169-182 1. INTRODUZIONE Il trasporto torbido dei corsi d'acqua è costituito da solidi in sospensione di granulometria variabile, dalle argille alle sabbie, in funzione dei parametri idraulici, litopedologici e vegetazionali del bacino. Numerose sono le indagini sui processi di trasporto che concorda- no nell'attribuire ai solidi sospesi il ruolo di veicolo per la migrazione degli agenti inquinanti e dei nutrienti (BU E S E L I N C K et al., 2000; HO R O W I T Z, 1991; PA V A N E L L I & BIGI, 2004). La concentrazione di tali sostanze nei solidi in sospensione può arrivare a diversi ordini di grandez- za maggiori rispetto alla loro concentrazione nella fra- zione liquida, in fase disciolta. In particolare è stato pro- vato il ruolo di vettore preferenziale degli aggregati di particelle fini come argilla e limo (DR O P P O et al., 1997; ONGLEY et al., 1992). La necessità di dati sperimentali rende il monito- raggio fluviale un basilare tassello nella gestione e pro- tezione dell'ambiente dato che la composizione geochi- mica del materiale solido sospeso permette di definire i tenori di fondo delle diverse grandezze geochimiche, e conseguentemente, di valutare i fenomeni di contami- nazione e/o inquinamento dei sedimenti. In questo contesto va inquadrata la presente ricerca della quale si presentano i risultati preliminari relativi alla caratterizzazione geochimica del materiale solido sospeso di quattro affluenti dell'asta fluviale del Fiume Reno: i torrenti Sillaro, Gaiana, Lavino e Savena (Fig. 1). 2. APPROCCIO METODOLOGICO La definizione della composizione geochimica del materiale solido sospeso si è basata su una rete di monitoraggio fluviale (avviata col contributo dell'Au- torità di Bacino del Reno e responsabile scientifico la dr. Pavanelli), che vede attive quattro stazioni di rileva- mento idrologico-torbidimetrico (Fig. 2_stazione foto), in continuo, lungo i torrenti Sillaro, Gaiana, Lavino e Savena (PAVANELLI, 2000; PAVANELLI & PAGLIARANI, 2002; PA V A N E L L I & BI G I, 2005a; 2005b; PA V A N E L L I & RI G O T T I, 2007). In particolare, i torrenti sono stati attrezzati, alla chiusura del bacino montano, con idrometro ad ultra- suoni e campionatore automatico per le torbide; men- tre, il campionamento è stato programmato in funzione del volume d'acqua defluito dalla sezione (PAVANELLI et al., 2004). Tale metodo di campionamento delle torbide con- sente di prelevare un numero di campioni, per ciascun 170 Rapti Caputo et al. evento, in relazione alla portata e, quindi, alla magnitudine del- l'evento stesso. Di conseguenza i campionamenti sono stati con- centrati nelle fasi idrologiche più interessanti per lo studio del tra- sporto torbido rappresentati dai periodi di piena. Nel caso specifico, per poter effettuare analisi geochi- miche sul materiale in sospen- sione, nella scelta della stru- mentazione e della campagna di rilevamento, si è tenuto conto anche della necessità di una quantità significativa di materia- le solido (>10 g), il che può risul- tare un problema nel caso che la strategia di campionamento non sia adeguata alla natura altamente episodica delle piene e delle torbide fluviali (WA L L I N G et al., 1992). I campioni dell'acqua ed il solido sospeso in essi contenu- to, relativi agli eventi di torbida, sono stati selezionati sulla base del la portata e quindi del la magnitudine dell'evento stesso, in modo da ottenere i volumi di sedimento necessari per una completa caratterizzazio- ne geochimica. I campioni selezionati per questa prima fase del lavoro di adeguata concentrazione di solidi in sospensione sono stati sottoposti ad analisi fisiche ed chimiche. In particolare, le analisi fisiche (realizzate presso i laboratori del la sez ione provincia le di Ravenna dell'Agenzia Regionale Prevenzione Ambiente) sono le seguenti: a) determinazione dei solidi residui mediante analisi gra- vimetrica e separazione dei sol idi sospesi . In questa fase, per la separazione della frazione liquida dai solidi sospesi , i campioni sono sottoposti a filtrazione con filtri 0,45 µm, dopo preventi- va sedimentazione e, se necessaria, centrifugazione. La parte solida così risultante viene inizialmente essiccata a 105 °C fino al raggiungi- mento del peso costante; ed in seguito pesata per la determinazione dei solidi sospesi. b) realizzazione di analisi granu- lometr iche adottando il “metodo della pipetta” che si basa su criteri idrodinamici, fondati sulla differenza di velocità relativa di caduta delle particelle nel fluido, in cui sono immerse secondo la legge di Stokes. In tale modo sono state determina- te le frazioni granulometriche relative a sabbia (2000 ÷ 50 µm); limo grossolano (50 ÷ 20 µm); limo fine (20 ÷ 2 µm) ed argilla (< 2 µm). Infine, nella frazione fine cosi ottenuta (insieme delle particelle elementari con Ø < a 2 µm) è stata inizialmente eliminata la parte organica e, successivamente sottoposta ad analisi chimica. Fig. 1 - Bacino idrografico del Fiume Reno (i triangoli rappresentano le stazioni di monitoraggio del materiale solido sospeso). Hydrographic basin of the Reno River (triangles represent the monitoring stations for the suspended load). Fig. 2 - Stazione di monitoraggio idro-torbidimetrico sul Sillaro. Hydro-turbidometric monitoring station along the Sillaro Torrent. c) analisi chimiche mediante fluorescenza a raggi X. La frazione granulometrica fine (particelle elementari con Ø < a 2 µm), relativa a 39 campioni (17: Gaiana, 9: Sillaro, 8: Lavino, 5: Savena) è stata sottoposta alle analisi composizionali, per determinare la L.O.I. (Loss of Ignition), e ad analisi chimiche degli elemen- ti maggiori, mediante fluorescenza a raggi X (model- lo Advant Xp della Thermo ARL), utilizzando una configurazione a dispersione di lunghezza d'onda con valori di tensione e corrente compresi nell'inter- vallo 30-50 kV e 30-50 mA, con anodo di cromo per gli elementi leggeri e di tungsteno per quelli pesanti. L'utilizzo della fluorescenza a raggi X, in accordo con il metodo proposto da FR A N Z I N I et al. (1975), ha consentito la determinazione quantitativa degli elementi maggiori (SiO2, TiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, MnO, CaO, N a2O, K2O, P2O5) espressi in percentuale in peso (wt%); mentre, le concentrazioni relative agli elementi in tracce, sono stati ottenuti calcolando sperimentalmente i coefficienti di correzione. L'accuratezza e la precisione per gli elementi in tracce (in ppm) per concentrazioni superiori a 10 ppm è maggiore del 7%, per il Rb, Nb, Sr, V; e maggiore del 15%, per Zr, Ba, Ni, Co, Cr, Terre Rare (REE), e Y. 3. INQUADRAMENTO AMBIENTALE DEL BACINO DEL RENO Il Fiume Reno, il più importante dei fiumi emiliano- romagnoli; nasce in Toscana ad una quota di circa 740 m slm dalla confluenza del Reno di Prunetta e del Reno di Capoluogo. Il bacino idrografico ha un' estensione di circa 4953 km2 e possono distinguere: a) undici sottobacini idrografici con estensione areale superiore a 40 km2, comprendenti il torrente Setta ed il suo affluente Brasimone; ed i torrenti Limentra di Treppio, Silla; Vergatello, Limentra di Sambuca e Samoggia con l'affluente Lavino, Idice, Sillaro, Savena, Santerno e Senio; e b) undici affluenti, con estensione dei relativi bacini idrografici, comprese tra i 10 e i 40 km2 quali i tor- renti Sembro, Gabellato e Voglio affluenti del torren- te Setta; il torrente Aneva affluente del Vergatelo, i torrenti Venola, Maresca, Marano, Rio Maggiore, Orsigna, Croata e Randaragna. Il ramo principale del Fiume Reno ha una lunghez- za di circa 210 km suddiviso in due aree con caratteri- stiche idrauliche differenziate che consistono in una parte montana appenninica, estesa fino a località Casalecchio nei pressi del centro urbano di Bologna, caratterizzata da regime torrentizio ed un settore a basso gradiente topografico, impostato sui depositi ter- razzati antichi e nei sedimenti alluvionali recenti per sfo- ciare, infine, nel mare Adriatico immediatamente a sud delle valli di Comacchio (Fig. 1). Nella zona di pianura, le acque del Reno per moti- vi di sicurezza idraulica sono state deviate in canali arti- ficiali di grandi dimensioni quali il Cavo Napoleonico, il Canale Navile ed il Canale Savena. La superficie dei bacini dei quattro affluenti del Reno attualmente monitorati copre complessivamente un'area di 389 km2. Tali bacini hanno una forma stretta ed allungata (direzione: sudovest-nordest), fattore che accentua il carattere tipicamente torrentizio, con piene 171Composizione geochimica del solido sospeso ... repentine e, a volte, rovinose. La precipitazione media annua sul bacino montano è di circa di 1000 mm. 3.1 Il bacino idrografico del Lavino Il torrente Lavino, affluente in destra idrografica del fiume Samoggia, ha origine in località Croce delle Pradole, nei pressi di Montepastore, sull'Appennino emiliano. Il suo corso principale viene alimentato da quattro affluenti principali, due in sinistra e due in destra, alimentati da numerosi subaffluenti di lunghezza modesta a regime tipicamente torrentizio. Il bacino montano del Lavino ha una estensione di 83,6 km2, a fronte di un reticolo idrografico di 175,7 km. La pendenza media del bacino è di 2,9 % , mentre, solo il 25% dei terreni ubicati nel bacino montano hanno una pendenza superiore al 35 %. L'altitudine media è di 370 m, con quote comprese tra 75 m e 776 m. Dal punto di vista geologico (Fig. 3, Tab I), nel bacino del Lavino si ha la predominanza di (da carta dell'uso del suolo e carta geologica di pianura dell'Emilia Romagna i n www.regione.emilia-romagna.it) argille scagliose o “Caotico Eterogeneo” (e). Questa formazione costitui- sce un substrato alloctono eterogeneo di origine plioce- nica, formato da una matrice plastica prevalentemente argillosa, inglobante calcari, arenarie, marne ed i cosid- detti “Red Beds”, argille dal caratteristico colore vinato o verdastro (h). L'altra formazione litologica, meno ricorrente, è rappresentata da marne depositate e cementate di età Elveziana in successione alle argille scagliose (c). Caratteristica di tale marne sono le dense fratture in blocchetti irregolarmente conformati, spesso arrossati per la presenza di ossidi di ferro o anneriti da ossidi di manganese (Fig. 3, Tab I) Il torrente Lavino presenta un deflusso torbido unitario medio di 1,89 t/ha, corrispondente ad un denu- damento medio annuo di circa 0,13 mm (PA V A N E L L I e t al., 2004) I suoli siti nel bacino montano del torrente Lavino sono generalmente di modesto valore agronomico. L'insediamento antropico presenta una intensità decre- scente risalendo l'asta del torrente. 3.2 Il bacino idrografico del Sillaro Il torrente Sillaro, affluente in destra del Reno, ha origine nell'Appennino presso Piancaldoli (FI), si adden- tra in Emilia in corrispondenza di Giugnola e prosegue il suo corso in direzione N-NE segnando il confine geo- grafico tra l'Emilia e la Romagna. In Comune di Castel San Pietro (prov. Bologna) si chiude il bacino montano. L'idrografia del bacino presenta un'elevata den- sità di drenaggio con il tipico andamento dendritico indicativo della presenza di formazioni litologiche a bassa permeabilità. Il reticolo idrografico comprende 16 affluenti principali, di cui 13 in sinistra idrografica e 3 in destra. Dal punto di vista geologico (Fig. 3, Tab I), il baci- no riveste particolare importanza poiché rappresenta il raccordo tra il limite occidentale delle Unità Liguri o Liguridi, caratterizzanti il settore Emiliano; ed il limite orientale del dominio Umbro Marnoso-Arenaceo tipico del settore Romagnolo. Questa zona di contatto tra le due differenti formazioni viene chiamata “linea del Sillaro”. In particolare, verso sud, al confine con la Toscana, il bacino insiste su lembi della formazione “Marnoso-Arenacea” costituita dall'alternanza di arena- rie e marne (h), mentre il restante si estende in gran parte sul “Caotico eterogeneo” (e), costituito prevalen- temente da argille grigiastre che, in seguito a complessi fenomeni tettonici hanno assunto un alto grado di cao- ticità inglobando al loro interno, come corpi alloctoni, formazioni di età e litologia diversa. Procedendo verso nord, si incontrano rocce sedi- mentarie di ambiente lacustre come le evaporiti messi- niane (Formazione Gessoso-Solfiera), i conglomerati e le sabbie del Pliocene inferiore, le argille e le argille- marnose del Pliocene medio superiore e le argille sab- biose del Calabriano (1; Fig. 3, Tab I) Dal punto di vista pedologico, il bacino è preva- lentemente interessato da regosuoli, suoli bruni e pseu- dogley, suoli tipici che evolvono su associazioni argillo- se. I suoli più evoluti si incontrano sulle pendici bosca- te. I più diffusi sono i regosuoli, poco profondi e con abbondante scheletro. Il bacino montano ha un'esten- sione di 123,3 km2, con quote comprese tra i 68 ed i 993 m slm. La morfologia è generalmente abbastanza dolce e solamente il 7,6% del bacino presenta pendenze supe- riori al 35%, tranne nei settori caratterizzati da un pae- saggio calanchivo. Per quanto riguarda la copertura vegetale (Tab. II) il bacino è interessato da bosco ceduo spesso degra- dato (14%), zone sterili per affioramento roccioso e/o copertura vegetale carente (49%), pascolo (6%) e, dove la pendenza lo consente, da seminativo (17%). La parte restante è interessata da vigneti, frutteti, corpi idrici, insediamenti, ecc. Il torrente Sillaro presenta un deflusso torbido uni- tario medio di 10,1 t/ha, corrispondente ad un denuda- mento medio annuo di circa 0,67 mm (Pavanelli et al. 2004). Valori simili sono stati documentati anche per altri torrenti appenninici limitrofi (BARTOLINI et al., 1996). 3.3 Il bacino idrografico del Gaiana Il torrente Gaiana nasce sull'Appennino Emiliano presso il versante nord tra Palgone e Ca' de'Belli ad una quota di 312 m s l m. Confina in destra idrografica con il torrente Sillaro e in sinistra con il torrente Quaderna affluente dell'Idice. Si sviluppa prevalente- mente in direzione N-NE per poi confluire nel torrente Quaderna. Presenta le tipiche caratteristiche di un tor- rente appenninico, una dominante litologia sedimenta- ria e un drenaggio dendritico con elevata densità. Il bacino idrografico del Torrente Gaiana presenta una superficie di 8,7 km2, altitudine media di 237 m, slm (quote variabili tra 101 e 495 m, slm), e si chiude presso Casalecchio dei Conti, all'altezza della via Emilia. Dal punto di vista geologico (Fig. 3, Tab I) il baci- no del torrente Gaiana è caratterizzato da una prevalen- za di argille, argilliti e brecce argillose con clasti etero- metrici e scaglie di calcari marnosi, marne, arenarie ed 172 Fig. 3 -Ripartizione in classi litologiche dei bacini idrografici (per la simbologia delle classi litologiche vedi tabella I). Lithological classes of the hydrographic basins (see Table I for symbols). Rapti Caputo et al. 173 Tab. I - Composizione geolitologica dei bacini idrografici (classe e caratteristiche specifiche). Table I - Geolithological composition of the hydrographic basins (class and specific characteristics) Composizione geochimica del solido sospeso ... ofiol it i facenti parte della formazione “Marnoso Arenacea” (h), nonché argille e marne con intercalazioni di areniti (c) e successioni prevalentemente costituite da alternanze di areniti e peliti, generalmente torbidiche che si estendono sul “Caotico eterogeneo”(e). Per quel che riguarda l'uso del suolo è da sottoli- neare la prevalente vocazione colturale del territorio, in particolare si tratta di colture a seminativo (S in Tab. II;) e in minor misura attività agricole eterogenee (Ze). 3.4 Il bacino idrografico del Savena Il bacino montano del Savena è di circa 123,8 km2 e presenta quote comprese tra 200 e 1275 m slm. Trae origine da tre rii, detti le tre Savenelle, in territorio toscano, che scendono da un anfiteatro la cui vetta più alta arriva a 1302 m. La densità del reticolo idrografico è elevata, e i numerosi affluenti presentano un andamento pressoché perpendicolare al Savena e uno sviluppo, in lunghezza, contenuto a causa della caratteristica forma del bacino stretta e lunga, come peraltro tutti i bacini di questo settore dell'Appennino. Tale idrografia, assieme al regi- me delle precipitazioni, contraddistingue il carattere tor- rentizio del Savena. Peraltro, la presenza di numerose sorgenti favorisce la continuità di portata anche durante i periodi estivi. Dal punto di vista geologico (Fig. 3, Tab I), il baci- no del torrente Savena è caratterizzato, in sinistra idro- grafica, dalla presenza di una successione di sabbie e areniti poco cementate (b), areniti e peliti, generalmente torbidiche (e), con alternanze di marne, strati potentissi- mi di argille (dal colore turchino, dovuto alla presenza di una forma di ferro ridotto), calcari, con intervalli pelitico arenacei, di origine torbidica, talora intensamente deformati e fratturati (g). La parte destra della vallata è, invece, caratterizzata da importanti formazioni gessose associate a marne. Proseguendo verso la pianura, la litologia diventa prevalentemente argillosa. Parte del territorio di Pianoro presenta fenomeni carsici caratterizzati da inghiottitoi e grotte, originati da formazioni evaporitiche dei gessi miocenici (Fig. 3, Tab. I). Risulta evidente la diversa caratterizzazione geoli- tologica del Savena rispetto agli altri bacini. Tale bacino è, infatti, contraddistinto dalla presenza di una decisa componente calcarea oltre che dall'argilla (Tab. I). Nell'area collinare, i versanti sono, specie in sini- stra idrografica, ad elevata acclività e sono interessati per lo più da boschi di latifoglie. Nella fascia tra i 300 ed i 1000 m, sono presenti i castagneti. Nella porzione val- liva predominano le formazioni a litologia argillosa, quali le argille scagliose, con pendenze minori, interessate da seminativi e pascoli e da frequenti fenomeni di erosione e dissesto. Il progressivo abbandono dell'agricoltura fa si che oltre il 20% della superficie agraria sia a pascolo o incolto. Infine, il torrente Savena presenta un deflusso tor- bido unitario medio di 6,5 t/ha, corrispondente ad un denudamento medio annuo di circa 0,43 mm (PAVANELLI et al., 2004). 4. USO DEL SUOLO Per quel che riguarda l'uso del suolo nei quattro bacini (Tab. II) è da sottolineare la prevalente vocazione colturale del territorio; in particolare si tratta di colture a seminativo (S) e in minor misura attività agricole etero- genee (Ze), in quanto rappresentano per tre bacini su quattro la destinazione d'uso privilegiata. Tale condizione è rappresentativa della connes- sione tra uomo e territorio che si è sviluppata nel corso dei secoli in queste terre, e che ancora si manifesta ai giorni nostri, ma che in un futuro prossimo sarà desti- nata a vedere diminuire la percentuale di zone destinate all'uso agricolo a causa dell'abbandono delle terre da parte dei proprietari, soprattutto in quelle zone dove le caratteristiche morfologiche del territorio rendono diffi- cile l'applicazione di un'efficace meccanizzazione che porti ad un'agricoltura più redditizia. Una situazione di questo genere è resa particolar- mente evidente dalla massiccia presenza di aree a cespuglieti (Zs), caratteristica vegetazione rappresenta- tiva di una condizione di transizione che si evolve verso un ecosistema di tipo naturalistico, con formazioni boschive, soprattutto di latifoglie, che già figurano ben presenti in tutti i bacini (B). Nei confinanti bacini del Gaiana e Sillaro si può notare la marcata presenza di aree ad affioramenti litoi- di (Zr), caratteristica infatti di tale porzione di territorio sono le formazioni calanchive. L'abbandono dei terreni agricoli avrà di certo una ripercussione anche sui fenomeni di dissesto idrogeolo- gico che già interessano particolarmente questa porzio- ne di territorio appenninico in Emilia-Romagna. Si pre- sentano, infatti, nei bacini del Sillaro e Gaiana evidenti fenomeni franosi attivi, ciò è dovuto soprattutto alla particolare conformazione geologica dei due bacini, condizionati dalla presenza di materiali come argille, argilliti, brecce argillose e marne (h in Tab. I). 5. CARATTERIZZAZIONE GRANULOMETRICA DEI CAMPIONI DI TORBIDA FLUVIALE Nei campioni d'acqua relativi ai bacini del Lavino, Gaiana e Sillaro si riscontra una omogeneità nella sud- divisione dei solidi sospesi in classi granulometriche, con predominanza delle frazioni limosa ed argillosa (soprattutto quest'ultima), mentre nei solidi sospesi del Savena si nota chiaramente, a parità di frazione limosa, la minor percentuale di aliquota argillosa e la maggior quantità di frazione sabbiosa, risultati che rispecchiano le caratteristiche geolitologiche specifiche dei quattro bacini (PAVANELLI et al., 2007; Tab. III). Infine, grazie ai dati a disposizione può essere riscontrato un ulteriore nesso tra granulometria dei sedimenti, uso del suolo e trasporto torbido. Come visto precedentemente, il bacino del Savena si diversifi- ca dagli altri bacini per la suddivisione granulometrica dei sedimenti: la minor percentuale di argilla riscontrata nei sedimenti può essere messa in relazione con l'uso del suolo del bacino che, di fatto, è interessato per il 40% della superficie da boschi di latifoglie (Tab. II), ovvero una composizione vegetale che meno lascia spazio a fenomeni erosivi superficiali di versante. Di conseguenza, verificando la relazione che lega la granulometria dei sedimenti all'uso del suolo nel Sillaro, la maggior percentuale di argilla ritrovata nei sedimenti è da collegare direttamente all'uso del suolo 174 Rapti Caputo et al. 175 Tabella II - Confronto tra classi di uso del suolo nei quattro bacini. Comparison between different soil-use classes within the four basins Composizione geochimica del solido sospeso ... del bacino dove due categorie particolarmente sogget- te ad erosione come affioramenti litoidi (calanchi) e ter- reno coltivato a seminativo, occupano la maggior parte della superficie. 6. COMPOSIZIONE GEOCHIMICA DEL SOLIDO SOSPESO L'elaborazione dei dati chimici relativi al materiale solido sospeso, campionato durante gli eventi di piena, riflette le lievi ma significative differenze composizionali fra i bacini idrografici distinte dall'analisi litologica e sedimentologica . Le differenze emergono sia in termini di percen- tuale in peso degli elementi maggiori sia nella distribu- zione degli elementi in tracce. Per quanto riguarda gli elementi maggiori, dalla distribuzione dei dati nel dia- gramma CaO vs Al2O3 (Fig. 4) pos- siamo individuare la presenza di tre gruppi di campioni: a) Il primo gruppo rappresentato dai campioni provenienti dal torren- te Savena è caratterizzato da ele- vati valori di CaO (13,5-15,5 wt%), e bassi valori di Al2O3 (11-13,5 wt%) rispetto gli altri affluenti, che rifletto- no la prevalenza di rocce carbonati- che. Infatti, il solido sospeso del Savena, come risulta anche dalle analisi granulometriche (Tab. III), è caratterizzato dalla minore presenza di frazione argillosa rispetto quella degli altri bacini dove la concentra- zione in Al2O3 varia tra i 14 e 18 (wt%). b) Il secondo gruppo, che com- prende i campioni dei torrenti Gaiana e Lavino, è caratterizzato da elevate concentrazioni in Al2O3 (16- 18 wt%) e basse in CaO (6,5-9,5 wt%) e riflette la dominanza nel bacino idrografico di formazioni argillose. c) Infine, concentrazioni intermedie tra questi due gruppi presentano i campioni del Sillaro, caratterizzati anche da una forte variazione com- posizionale, che indica la presenza nel bacino idrografico sia di forma- zioni carbonatiche sia argillose. Nei torrenti considerati, la buona correlazione tra CaO (wt%) e Al2O3 (wt%), legata ad una discreta omo- geneità composizionale della com- ponente silicatica è espressa dall'e- quazione: CaO = -1,7 * (Al2O3) + 37 con coefficiente di correlazione (R2) pari a 0,94. Dal punto di vista geochimico, è possibile discriminare i torrenti anche dalla distribuzione sul diagramma K2O vs CaO/Al2O3 (Fig. 4) e notare la suddivisione nei seguenti due gruppi. a) Il solido sospeso nel torrente Savena è caratterizzato da elevato rapporto CaO/Al2O3 (compreso tra 1 e 1,4) e da basse concentrazioni in K2O, con valore medio pari a 2 (wt%). Inoltre, nel Savena, il rapporto sodio vs silice è più alto rispetto gli altri affluenti (Fig. 5); b) Le concentrazioni in K2O nei torrenti Gaiana e Lavino sono significativamente elevate e presentano oscil- lazioni tra 2,7 e 3,2 (wt%), ed il rapporto CaO/Al2O3 assume un valore medio pari a 0,5. Particolarmente basso è il rapporto sodio vs silice nei sedimenti del torrente Sillaro (Fig. 5) caratterizzato anche da bassi contenuti in potassio, probabilmente per la maggio- re presenza nella frazione silicatica di minerali argil- losi, a differenza del Savena in cui una maggiore percentuale di silt e sabbie è costituita da feldspati e muscovite. 176 Tabella III - Descrizione statistica della classificazione granulometrica dei campioni di tor- bida fluviale. Statistical description of the granulometric classification of the fluvial suspended load sam- ples. Rapti Caputo et al. Per quanto riguarda gli elementi in tracce, in tutti i campioni è stata osservata una buona correlazione positiva tra potassio vs rubidio e stronzio vs CaO/Al2O3 (Fig. 5). Gli elementi di transizione risultano leggermente arricchiti rispetto alla composizione media della crosta superficiale calcolata da TAYLOR-MCLENNAN (1985), arric- chimento più evidente nel Savena, e correlati positiva- mente con l'alluminio. Infine, il torrente Savena pre- senta caratteri geochimici pecu- liari anche per i bassi valori nella somma delle Terre rare (REE) e per un maggior rapporto Cr/Al2O3 (Fig. 5). 6.1 Analisi statistica dei dati analitici L'analisi statistica dei dati anali- tici (Tab. IV; Fig. 6) ha messo in evidenza, nella stessa stazione di campionamento, la presenza di notevoli variazioni nel chimi- smo del solido sospeso delle acque fluviali; oscillazioni però che non sono sempre diretta- mente correlate con le variazioni di portata (Fig. 8). Infatti, pur mantenendo un'im- pronta geochimica caratteristica del bacino, i campioni mostrano fluttuazioni notevoli che proba- bilmente possono essere impu- tate sia ai diversi tempi di corri- vazione dei sedimenti, nei diffe- renti sottobacini fino alla stazio- ne di prelievo, sia alle differenze nelle litologie affioranti nei sin- goli bacini e sottobacini idrogra- fici ed al loro grado di erodibi- lità. Tali parametri potrebbero spiegare, in una fase prelimina- re, le variabilità composizionali osservate nei campioni. Per la determinazione dei valo- ri di fondo naturali attuali è stata utilizzata l'analisi statistica uni- variata dei dati (DE VI V O, 1995; LE P E L T I E R C., 1969; SI N C L A I R, 1976; TENNANT & WHITE, 1959). Nell'elaborazione statistica dei dati analitici acquisiti nella pre- sente ricerca sono stati aggiunti anche i valori relativi al chimi- smo del materiale solido sospe- so provenienti da AMOROSI et al. (2002) relativi al torrente Sillaro (1 campione) e da RAPTI-CAPUTO et al. (2005; 10 campioni relativi al Savena; 5 al Lavino e 1 al Sillaro). In particolare, l'analisi di tutti i dati analitici (17: Gaiana; 11:Si llaro; 13 Lavino; 15: Savena) è stata realizzata in due fasi: in una prima fase, si è verificato il tipo di distribu- zione dei dati relativi ad ogni singolo parametro (norma- le o log-normale) e se essa è rappresentativa di una o più popolazioni di dati. In una seconda fase, per ogni elemento, è stata individuata e rappresentata graficamente la distribuzio- 177 Fig. 4 - Materiale solido sospeso: distribuzione geochimica dei dati sul diagramma CaO vs Al2O3 e K2O vs CaO/Al2O3 (concentrazioni in wt%). Geochemical distribution of the suspended load data: CaO versus Al2O3 and K2O versus CaO/Al2O3 (concentrations in wt%). Composizione geochimica del solido sospeso ... ne statistica dei dati analitici tramite l'utilizzo di isto- grammi e di curve cumulative di frequenza (Fig. 7). Tale elaborazione statistica ha permesso, per ogni elemento, il calcolo delle soglie di anomalia (Tab. IV). In particolare si può osservare che, in primo luogo, i valori del tenore di fondo attuale negli elementi maggiori non presentano significative variazioni. Inoltre, per quanto riguarda gli elementi in tracce, di particolare interesse ambientale è l'elevato tenore di fondo in zolfo nel tor- rente Savena (526ppm) e Sillaro (451ppm) rispetto gli altri affluenti del Reno. Questi valori elevati riflettono la presenza della formazione Gessoso-Solfifera in tali bacini. Il tenore di fondo in Cr presenta valori più alti nel torrente Gaiana (101 ppm) attribuiti alla maggior esten- sione delle formazioni ofiolitiche nel bacino idrografico. Infine, il solido sospeso nel torrente Savena è caratterizzato da elevati tenori di fondo attuale in Celsio (43 ppm contro un valore medio circa a 4 ppm negli altri affluenti ) e bassi in rubidio (68 ppm) e zinco (59 ppm). 7. CONCLUSIONI L'analisi delle caratteristiche litologiche e dell'uso del suolo dei bacini idrografici dei torrenti di Sillaro, Gaiana, Lavino e Savena, affluenti del fiume Reno, inte- grata con analisi granulometriche e chimiche del mate- riale solido sospeso hanno permesso di determinare la composizione geochimica dei sedimenti di tali affluenti, verificando durante gli eventi di piena una buona qualità ambientale della componente inorganica trasportata (confronto con D.M. 471/99). L'impronta geochimica del solido sospeso fluviale risulta fortemente condizionata dalle differenze delle litologie affioranti nei bacini e dai caratteri geomorfolo- gici (es. acclività) per cui è possibile definire uno stretto intervallo di variazioni composizionali nei sedimenti tra- sportati che possono essere tradotte in impronta geo- chimica dei corrispondenti bacini. Il solido sospeso del torrente Savena rispetto gli altri affluenti indagati risulta arricchito in zolfo, in accor- 178 Fig. 5 - Materiale solido sospeso: distribuzione dei dati analitici sul diagramma Na2O vs SiO2; Sr vs CaO/Al2O3; Cr vs Al2O3 e delle Terre rare (REE) nei quattro affluenti. Distribution of the suspended load data: Na2O versus SiO2; Sr versus CaO/Al2O3; Cr vs Al2O3 and of the Rare Earths (REE) for the four river branches. Rapti Caputo et al. 179Composizione geochimica del solido sospeso ... Fig. 6 - Variazioni nel chimismo del solido sospeso (concentrazioni in ppm). Chemical variations in the suspended load (concentraions in ppm) do con la presenza della formazione Gessoso-Solfifera. Inoltre, la maggior presenza della frazione sabbiosa si riflette nel maggior contenuto in elementi alcalini. L'analisi statistica dei dati ha permesso la definizione dei tenori di fondo attuali per ogni elemento chimico. Tali valori, che costituiscono l'impronta geochimica di ogni bacino, permettono di riconoscere l’eventuale pre- senza di fenomeni di contaminazione naturale e/o antropica. Infine, meno significative sono le variazioni delle concentrazioni in elementi di transizione nonostante che, nel torrente Gaiana si è stimato un tenore di fondo in cromo (101 ppm) leggermente più alto attribuito alla maggior estensione di rocce ofiolitiche affioranti. RINGRAZIAMENTI Gli autori ringraziano il dott. E. Tassinari del Dipartimento di Scienze della Terra dell'Università di Ferrara, per il supporto analitico. 180 Rapti Caputo et al. Tabella IV - Materiale soli- do sospeso: stima dei tenori di fondo attual i delle grandezze geochimi- che analizzate. Suspended load sedi- ments: estimate of the present-day background values of the analysed geochemical parameters. Fig. 7 - Esempio dell'elaborazione statistica dei dati geochimica relativi al torrente Gaiana a) curva di frequenza cumulativa (y: asse di probabilità); b) diagramma di frequenza . Example of statistical elaboration of the geochemical data relative to the Gaiana Torrent. a) cumulative frequency; b) frequency distri- bution. 181 RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI AMOROSI A. CENTINEO M.C., DINELLI E. LUCCHINI F. & TETEO F (2002) - Geochemical and mineralogical varia- tions as indicators of provenance changes in Late Quaternary deposits of SE Po Plain - Sedimentary Geology, 151: 273-292. BA R T O L I N I C., CA P U T O R. & PI E R I M (1996) - P l i o c e n e - Quaternary sedimentation in the Northern Apennine Foredeep and related denudation. Geol. Mag. 133, 255-273. BUESELINCK L., GOVERS G., STEEGEN A.& POESEN V. (2000) - Impact of soil aggregates on the size selectivity of the sediment deposition process, in the role of erosion and sediment transport in nutrient and contaminant transfer - IAHS, Waterloo, Canada, pp. 99-107. DE VI V O B. (1995) - Elementi e metodi di geochimica ambientale - Liguori editore, Napoli. DR O P P O I.G., LE P P A R D G.G., FL A N N I G A N D.T. & LI S S S . N . (1997) - The Freshwater Floc: A Functional Relationship of Water and Organic and Inorganic Floc Constituents Affecting Suspended Sediment Properties - Water, Air and Soil Pollution, 99 (1-4), Fig. 8 - Torrente Gaiana: a) dispersione della composizione chimica del materiale solido sospeso (concentrazioni espresse in wt%) rispetto agli eventi di piena (portata espressa in m3/s); b) SiO2 (wt%) vs portata (Q, m3/s) Gaiana Torrent: a) distribution of the chemical composition of the suspended load (concentrations in wt%) during the major flooding events (water discharge in m3/s); b) SiO2 (wt%) versus water discharge (Q, m3/s). Composizione geochimica del solido sospeso ... 182 Ms. ricevuto il 28 febbraio 2008 Testo definitivo ricevuto il 30 maggio 2008 Ms. received: February 28, 2008 Final text received:May 30, 2008 Rapti Caputo et al. 43-54. FRANZINI M., LEONI L., & SAITTA M. (1975) - Revisione di una metodologia analitica per fluorescenza X basata sulla correzione completa degli effetti di matrice. Rend Soc. It. Min. Petrol., 2: 497-510. HOROWITZ A.J. (1991) - A primer on sediment trace-ele- ment chemistry - Lewis, Michigan, USA. LEPELTIER C. (1969) - A simplified statistical treatment of geochemical data by graphical Representation - Econ. Geol., 64: 538-550. ONGLEY E.D., KRISHNAPPAN B.G., DROPPO I.G., RAO S.S. & MA G U I R E R.J. (1992) - Cohesive sediment tran- sport: emerging issues for toxic chemical manage- ment - Hydrobiologia, 235/236: 177-187. PAVANELLI D. & BIGI A. (2004) - Indirect analysis methods to estimate suspended sediment concentration: reliability and relationship of turbidity and settlea- ble solids - Biosystems Engineering, 90 (1): 75-83. PAVANELLI D. & BIGI A. (2005a) - Suspended sediment transport monitoring in the Reno basin: relation- ship between hydrological parameters and discharges, AIIA 2005 “L'ingegneria agraria per lo sviluppo sostenibile dell'area mediterranea” Catania 27-30 giugno 2005. PAVANELLI D. & BIGI A. (2005b) - A New Indirect Method To Estimate Suspended Sediment Concentration in a River Monitoring Programme, BIOSYSTEMS ENGINEERING 2005, 92 (4), 513-520. PA V A N E L L I D. & PA G L I A R A N I A. (2002) - Monitoring water flow, turbidity and suspended sediment load, from an Apennine catchment basin, Italy - Biosystems Engineering, 83/4: 463-468. PA V A N E L L I D., PA G L I A R A N I A. & BI G I A. (2004) - Rilevamento idrologico e dei solidi sospesi nelle stazioni sperimentali dei torrenti Sillaro, Lavino, Savena, e foce Reno, 2° Giornata di studio “Monitoraggio fluviale ed erosione nella pianifica- zione e gestione dei bacini appenninici” 8 ottobre 2004, Aula Magna della Facoltà di Agraria, Bologna, Via G. Fanin, 50, Atti pubblicati su Rivista dell'Arpa, n. 6. PAVANELLI D. & RIGOTTI M. (2007) - Relationship between suspended sediment concentration and total nitrogen, and comparison among basins for some apennine rivers Atti del Convegno Internazionale “COST634” del 1-3 ottobre 2007, Praga “Off-site Impacts of Soil Erosion and Sediment Transport. PA V A N E L L I D., TA G L I O L I G. & PA G L I A R A N I A. (2001) - Rilevamento delle portate e del trasporto torbido nelle stazioni sperimentali del torrente Sillaro e torrente Lavino. Analisi dei dati 1997-2000 - Convegno ”Monitoraggio fluviale ed erosione nella pianificazione e gestione dei bacini appenni- nici” organizzato da Pavanelli D., 6 luglio 2001, Fac. Agraria, Bologna, stampato a cura dell'Autorità di Bacino del Reno, Bologna, (pp. 1- 62). RAPTI-CAPUTO D., TASSINARI R., VACCARO C. & PAVANELLI D. (2005) - Caratterizzazione geochimica dei sedi- menti e delle acque del fiume Reno - A R P A Rivista, gen-feb 2005, 1: 27-29. RU S S E L L MA, WA L L I N G DE & HO D G K I N S O N RA (2001) - Suspended sediment sources in two small low- land agricultural catchments in the UK - Journal of Hydrology 252: 1-24. SINCLAIR A. J. (1976) - Application of probability graphs in mineral exploration - AEG SP. Vol. 4, Toronto. TA Y L O R SR & MCLE N N A N SM. (1985) - The continental crust, its composition and evolution: an examina- tion of the geochemical record preserved in sedi- mentary rocks - Blackwell Scientific Publications, Oxford (Oxfordshire). TENNANT C. B. & WHITE M. L. (1959) - Study of the distri- bution of some geochemical data - Econ. Geol., 54: 1281-1290. WA L L I N G D.E., WE B B B.W. & WO O D W A R D J.C. (1992) - Some sampling considerations in the design of effective strategies for monitoring sediment-asso- ciated transport- In Erosion and sediment tran- sport monitoring programmes in river basins, edi- ted by J. Bogen, Walling D.E., Day, T.J., pp. 279- 288, IAHS, Oslo.