Lago Lemano

 

Introduzione allo studio delle relazioni chimiche fra i sedimenti del fondo e l'acqua

di

Olivier Gonet

dott. es scienza

Geologia

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Il testo di questa web è il riassunto di un articolo publicato nel "Bulletin de la Societé vaudoise des Sciences Naturelles" nº 337, vol71, 1971. e nel "Bulletin des Laboratoires de Géologie Géophysique" dell' Università di Losanna nº191, 1972.

Ho potuto compiere le ricerche che ne sono la base, grazie all'aiuto del  "fondo Nazionale della ricerca Scientifica e del fondo FOREL della  "Société Vaudoise des Sciences naturelles"

 

 

  I -  Il problema:

 

Ben si sa che le relazioni, fra il suolo sub-lacustre e l'acqua, esistono: Con la caduta del plancton morto, i sedimenti superficiali si arricchiscono in materie organiche. L'intensa attività  dei batteri che ha luogo nel suo seno, tende a mettere nuovamente in forma di minerali, alcuni prodotti fertilizzanti apportati sotto forma organica ed a riportarli in soluzione nell'acqua d' imbibizione.

 

Quando, per effetto delle correnti, per esempio, la superficie del suolo sub-lacustre si rimette in sospensione, i prodotti fertilizzanti che contiene, sono liberati nell'acqua del lago dove servono alla alimentazione di una nuova generazione di plancton. Ci si può chiedere se il fenomeno (che dipende da vari fattori), non sia reso più facile in alcune zone del lago.

Visto che tale soggetto non era mai stato studiato in maniera sistematica, ho dovuto cominciare col mettere in evidenza i principali meccanismi che presiedono a queste rimesse in sospensione.

 

 

II  - La regione studiata

 

L'affluente Promenthouse, versando nel lago Lemano delle quantità considerabili di materiale detritico, col passare degli anni, ha creato un gran delta che si avanza di più di 1km² sul lago. La parte emersa di questo delta è poco abitata, generalmente coperta da boschi di pini, pioppi e faggi. Per quel che riguarda il corso d'acqua, il suo bacino di alimentazione è di circa 100Km². Non ci sono né dighe, né grandi città. L'attività della regione è quasi esclusivamente agricola, soltanto la piccola città di Gland può essere considerata come parzialmente industrializzata. La portata della Promenthouse è dell'ordine di 800 a 1000 l/s in piena estate. Arriva fra 2000 e 5000 l/s in primavera. Normalmente versa nel lago fra 200 e 300mg di fosfati al secondo, ma con abbondanti precipitazioni atmosferiche, può aumentare sino a 1000 o 1500mg/s.

 

 

Fig 1) la regione studiata e la sua topografia sub-lacustre

 

 

III  LA TOPOGRAFIA SUB-LACUSTRE

       DELLA REGIONE

Una carta topografica sub-lacustre della zona sud del delta, fu stabilita utilizzando una eco-sonda registrante situata su una barca a motore i cui tragitti furono orientati  servendosi di tre teodoliti situati sulla riva. La morfologia sub-lacustre del delta non rivela particolari sorprendenti. Una specie di tavoliere, la "Beine" di 50 a100m di larghezza e di 2 a 3m di profondità, segue la riva. Verso il largo, è limitato da una brusca rottura del declivio. È la cima del "Monte" che si sprofonda, poi, sino a 15 o 20m. Ancora più lontano dalla costa, la china diminuisce a poco a poco sino a prendere l'inclinazione naturale del fondo del lago.

 

L'unico incidente topografico un poco importante, si trova alla foce stessa dell'affluente: il letto di questo si prolunga sul fondo del lago con un piccolo avvallamento di 1 a 2m di profondità, di 20 a 30m di larghezza e di 150m de lunghezza circa. A partire dalla profondità di 12m, le forme di questo piccolo avvallamento sub-lacustre si addolciscono sino a sparire.

 

A 300 o 400m dalla riva, l'eco-sonda rivela la presenza di qualche piccolo monticolo di 1 o 2m di altezza massima. Si notano nettamente su un fondo che è piatto e monotono. Per identificare questi rilievi, siamo scesi in "sub" su parecchi di loro ed abbiamo trovato resti di vecchi alberi probabilmente sradicati durante i temporali, caduti nel lago, scesi lungo il declivio del "Monte" e fermatosi lontano dalla riva.

 

 

IV - LA NATURA DEI DEPOSITI        SUPERFICIALI SUB-LACUSTRI

 

Uno studio dei sedimenti della parte occidentale del Lemano, fu pubblicata da E. JOUKOWSKY e J. PH: BUFFLE nel 1938. Questo lavoro, diventato un classico, descrive le variazioni dei depositi lacustri su un gran spessore.

 

Tenendo in conto gli obiettivi della mia ricerca, dovetti completare queste osservazioni con uno studio più dettagliato dello strato superficiale del fondo del lago, quello che si trova in contatto diretto con l'acqua, i pochi centimetri o diecina di centimetri che sono suscettibili di ripartire in sospensione con il movimento delle onde o con le correnti.

 

Dovuto alla sua variabilità, si tratta di un soggetto molto difficile da studiare. Per abbordarlo, ho utilizzato diversi metodi di cui alcuni sono nuovi e che conviene di descrivere rapidamente.

 

a)   Il metodo geo-elettrico ed i suoi risultati

 

Sulla terra ferma, il metodo geo-elettrico è ben conosciuto. Si utilizza particolarmente per studiare i terreni Quaternari. È basato sul fatto che i differenti tipi di materiale del sottosuolo sono caratterizzati dalla loro resistività elettrica.

 

Normalmente, per misurare tale resistenza, si chiude un circuito elettrico che passa attraverso la terra, con due elettrodi A e B. La corrente circola nel mezzo spazio sotterraneo e crea delle differenze di potenziale, misurate in ohm. Misurando l'intensità I della corrente emessa  e la differenza di potenziale Dv fra due elettrodi ausiliari M ed N, la resistenza apparente Pa, del sottosuolo, si calcola facilmente:

 

Pa = K(Dv/I)

 

(formula nella quale K è il fattore che dipende dalle dimensioni del dispositivo di misura)

 

Fig 2) il metodo geo-elettrico

 

 

Sul fondo del lago, il problema si complica un poco. Trascinando gli elettrodi ABMN sul fondo del lago, una parte della corrente I parte nel mezzo spazio occupato dall'acqua del lago.

 

Poiché si trattava di limitare l'esplorazione del sottosuolo allo strato superficiale, potemmo limitare la lunghezza di emissione della corrente elettrica AB  a 30cm. Per questo fatto, in quasi tutte le misure, la lunghezza di emissione era irrilevante in rapporto alla profondità dell'acqua. Si calcola, in effetti, che su un terreno omogeneo, la profondità di penetrazione della maggioranza dei fili di corrente è minima. Ciò vuol dire che per tutte le misure sub-lacustri fatte al di là di 15 o 20cm di profondità, l'errore introdotto dalla presenza dell'acqua, si può calcolare in modo semplice. È sufficiente considerare gli elementi seguenti:

 

-        La resistenza elettrica dell'acqua (nei margini di errore ammissibili, la si può considerare costante)

 

-        Il contrasto fra  la resistività apparente misurata e quella dell'acqua (è l'unico fattore del calcolo che varia da una misura all'altra e che si deve prendere in conto indipendentemente)

 

-        Il rapporto profondità dell'acqua/dimensioni del dispositivo (questo è in generale quasi sempre grandissimo e può essere considerato costante).

 

Dopo aver trattato il risultato bruto delle misure secondo questo calcolo semplice, si ottiene un insieme di dati geo-elettrici come si presenterebbero in assenza dell'acqua del lago, l'umidità del sottosuolo rimanendo senza modificazioni.

 

Fig3) La carta geo-elettrica del delta della Promenthouse

 

 

Come sempre in limnologia, la posizione topografica esatta delle misure, crea dei problemi delicati. Per risolverli, una serie di boe furono messe a 500m dalla riva ogni 100m, poi la loro posizione esatta fu notata col metodo della triangolazione col teodolite. Una serie di punti di marchia furono stabiliti sulla riva con della pittura, anche loro definiti con il teodolite. All'interno di questa rete di punti vicini gli uni agli altri e ben visibili da lontano, furono effettuate tutte le misure.

 

L'apparecchio di misura rimaneva a terra sulla riva. Un battello a motore, dirigendosi verso una boa del largo, svolgeva al suo seguito una lunga fune di 400m contenente  i quattro fili conduttori che rilegavano gli elettrodi allo strumento di misura.

 

Le misure, con corrente alternata lenta, si eseguivano, poi, ogni 5m riavvolgendo la fune che trascinava sul fondo la sonda.

 

In questo modo, facendo delle misure fra ogni punto della riva e tutte le boe situate al largo, si ottengono una serie di profili geo-elettrici  che sono riportati su una carta topografica e che, incrociandosi gli uni con gli altri, permettono  numerose verifiche ed assicurano finalmente la gran qualità  di precisione e sicurezza della carta ottenuta.

 

A condizione di effettuare numerose verifiche sui campioni prelevati nella regione studiata, si può considerare che le zone in cui la resistività elettrica è alta (più di 100 ohm/m), sono ricoperte  da materiale a granulometria grossolana come la sabbia o i ciottoli, mentre quelle a resistività più  bassa corrispondono a materiale fino: argille, melma, ecc...

 

Con questa base schematica, la carta geo-elettrica può essere utilmente usata per estrapolare, su superfici grandi, le osservazioni in un punto che devono essere fatte in immersione.

 

Lungo la riva, sulla "Beine", sino a 2 o 3m di profondità, si trovano solamente sabbie e ciottoli "puliti" volendo intendere con questa espressione: senza materiale fino. Infatti sono continuamente agitati e puliti dal movimento continuo delle onde.

 

Il limite di questo tipo di fondo è rappresentato approssimativamente dalla curva che unisce i punti di uguale resistività (120ohm/m).

 

A partire dalla cima del "Monte", in direzione del largo, l'aspetto del fondo cambia. La profondità è già troppo grande perché l'influenza delle onde si faccia sentire direttamente. Il suolo è ricoperto da una pasta che sembra pesante e nella quale si trovano mescolati materiali fini, a grande concentrazione organica (alcune volte sino al 15%), e delle sabbie e sassi. Sul pendio, si possono osservare a volte in immersione, dei piccoli archi di rottura che indicano la posizione instabile dell'insieme.

 

Naturalmente, in queste zone situate a meno di 6 o 8m di profondità, tanto le osservazioni dirette quanto le misure geo-elettriche, sono possibili solamente d'inverno o primavera. Infatti, più tardi nella stagione, il suolo è ricoperto da una vegetazione più o meno abbondante di macrofiti che impediscono il lavoro.

 

A di là di una profondità di 15 o 20m, l'inclinazione del suolo diminuisce sino a dare, in immersione, la sensazione di un fondo perfettamente orizzontale. A partire dalla base del "Monte" sino a 100 o 200m verso il largo, si trova un accumulo piuttosto vasto di materiali fini che si segnalano sulla carta geo-elettrica con delle resistività particolarmente basse (meno di 30ohm/m).

 

Bisogna aver visto in immersione questi depositi al loro posto naturale, per farsi una idea obiettiva del loro comportamento nell'acqua. La prima impressione è quella di una superficie solida. In alcuni punti, prendono la forma di strani poligoni della dimensione di un piatto. Il fondo è piatto, nerastro circondato da un piccolo bordo marroncino (ossidato?) di circa 1cm di altezza. È sufficiente sfiorarlo con la mano, per sollevare una nuvola nera di vari metri cubici.

 

(Pensando alla similitudine con la superficie della luna, ho provato a ricreare tali poligoni gettando sul fondo degli oggetti di taglia differente, ma non sono mai riuscito a imitarli. Forse si tratta di tracce di vita. Lo ignoro!)

 

Quando il sub sorpassa la zona di deposito per esplorare più lontano, l'aspetto del suolo non cambia. Di apparenza sempre compatto, ma pronto a mettersi in sospensione al primo movimento, benché sia un poco meno volatile del precedente, ed è ancora più monotono. Una vasta pianura interrotta qui e lì da qualche vecchio tronco d'albero mezzo sepolto dal limo.

 

Le resistività misurate in questa zona sono estremamente uniformi, 60ohm/m dovunque. L'apparecchio di misura non trova più le piccole differenze riscontrate nella zona precedente. (D'altra parte, le variazioni sono talmente minime ed interessano delle zone talmente piccole, meno di 1m², che non possono essere riportate su una carta a questa scala)

 

Alla foce dell' affluente, la disposizione dei differenti depositi si complica un poco:

 

In certe occasioni (acqua fredda o molto carica) la corrente continua scorrendo sul fondo del lago, sino a circa 150m. Questa corrente provoca naturalmente delle perturbazioni nella massa dell'acqua lacustre. Per reazione, delle specie di vortici lenti risalgono il pendio ai due lati della corrente. Quest'ultima è sufficientemente forte per rimettere in sospensione i materiali fini che si depositano normalmente sul fondo del piccolo valle o che sono trasportati dall'affluente stesso. Per contro, i vortici sono sufficientemente lenti per permettere, ai materiali fini e leggeri, di depositarsi ed accumularsi sui due fianchi di questo valle sub-lacustre. Là ne aumentano il rilievo.

 

Le osservazioni dirette in immersione confermano questa descrizione: il fondo dell' avvallamento è costituito principalmente da depositi arenosi o granellosi, i due depositi situati sui fianchi sono costituiti da foglie più o meno imputridite portate dalla riviera, poi mescolate a della sabbia finissima ed alla melma.

 

Questo fenomeno d'erosione sub-lacustre ha luogo raramente. In generale, la fusione fra le due acque ha luogo alla foce stessa della riviera, nel momento in cui il letto si allarga per aprirsi sul lago. Le misure di temperatura e di conduttività elettrica dell'acqua lo dimostrano chiaramente.

 

Malgrado ciò, all'occasione di piene eccezionali o in primavera, succede che il contrasto di densità fra l'acqua del lago e quella del fiume, appesantita dalle materie in sospensione, sia sufficiente per formare delle piccole "battaillières"(FOREL, 1892) a una diecina di metri della foce. In quelle occasioni è impressionante vedere, attraverso l'acqua chiara del lago, l'insieme del fenomeno in azione, incluso la formazione di due nuvole fangose sui fianchi della corrente principale.

 

 

* * *

 

Prima di tirare delle conclusioni d'interesse generale sulla base di questo documento, ho effettuato delle misure similari, ma in zone più variate, lungo la costa, in direzione del Nord - Est, su circa 6km.

 

 

Fig 4) La carta geo-elettrica sub-lacustre della regione

 

Questa carta è molto meno dettagliata della precedente. Malgrado ciò, ritroviamo approssimatamene la stessa distribuzione dei depositi: i sedimenti più grossi si trovano di preferenza presso la riva, mentre quelli a granulometria più fina sono stati trasportati più lontano e specificatamente ai piedi del "Monte". Ma ci sono delle eccezioni a questo schema. Probabilmente sono i primi indizi di un fenomeno di cui parleremo più sotto, infatti avrò l'occasione di osservarlo "in situ". Si tratta della migrazione di sedimenti depositati fra 0 e 30m di profondità.

 

Durante la stagione estiva, sul piano verticale, il lago è termicamente stratificato, mentre orizzontalmente si può considerare omogeneo. I depositi che si formano (argilla, detriti organici, plancton morto, ecc...) dovrebbero dunque trovarsi in strati omogenei di melma, tranne alla foce degli affluenti. Ma questo non è per niente il caso. Le carte di resistività lo mettono chiaramente in evidenza:

 

Le anomalie capricciose che si riscontrano, non si possono spiegare se si prende soltanto in conto l'azione delle correnti.

 

In un primo tempo, questa interpretazione può sembrare d'una importanza secondaria, ma al contrario, le conseguenze sulla vita del lago sono importanti. Perciò, prima di esaminarle, è conveniente confermare l'esistenza di queste migrazioni utilizzando nuovi metodi di osservazione.

 

b)   Prelievo di campionari fini :

 

Uno dei risultati più utili di una campagna di misure geo-elettriche, è di indicare i punti in cui si potranno prelevare i campioni più rappresentativi: primo punto nel centro delle anomalie, poi nelle zone di più gran interesse. Non ci si immerge più alla cieca su un punto qualunque.

 

Il prelievo deve essere fatto con gran cura, si devono ottenere campioni intatti, in altri termini campioni che conservano ancora tutta l'acqua interstiziale e la totalità dei sedimenti fini.

 

Per eseguire questa operazione nelle migliori condizioni possibili, ho utilizzato  un cilindro di 5cm di diametro e di 15cm di altezza, nel quale scivola un pistone ed il cui fondo è mobile.

 

Il prelievo si esegue direttamente in immersione. Dopo aver scelto la zona sulla base delle indicazioni della carta geo-elettrica, il sub esplora i pochi metri quadrati all'intorno, osserva le eventuali particolarità morfologiche della superficie, sceglie il punto più rappresentativo della zona. Poggia delicatamente il cilindro in posizione verticale con il pistone abbassato. Lentamente, per non rimuovere il fondo, lo sprofonda nel suolo con il pistone che rimane fisso all'altezza della superficie dove impedisce mescolanze inopportune con l'intorno. Quando il cilindro si è affondato di un 10cm., un sistema semplice permette di chiuderne il fondo e di staccare una carota intatta.

 

c)   Gli analisi chimici:

 

La composizione chimica dei sedimenti superficiali non è costante durante l'anno. Cambia con la natura e la quantità degli apporti solidi, dipende pure dall'attività delle battérie che a loro volta  cambia in funzione delle caratteristiche fisico - chimiche dell'acqua del lago con la quale i sedimenti sono in contatto. Insomma, il risultato dell'analisi di un campione di acqua, è rappresentativa dello stato del suolo sub-lacustre, solamente per un dato momento, cosa che complica l'interpretazione.

 

Durante questo lavoro, abbiamo eseguito su una quindicina di campioni di sedimenti prelevati a differenti profondità e differenti epoche dell'anno, una serie di analisi. La media dei risultati ottenuti figurano qui sotto:

 

Risultati medi di 15 analisi di sedimenti superficiali:

 

In % della materia secca

_____________________________________________________________

Materie organiche .............9,6 % ( secondo i campioni,  variano fra 6 e 12 %)

Perdita al fuoco (CO2) ..............18,9% (variabile da 15 a 23 %)

Silice e insolubili .................38,1 % (variabile da 31 a 46 %)

Calce (CaO)......................... 21,5 % (variabile da 16 a 27 %)

Magnésie (MgO) ....................1,2 % (variabile da 1,1 a 1,4 %)

Carbonato di calcio ..............40,4 % (variabile da 30 a 50 %)

Ferro (FE2O3)........................... 2,6 % (variabile da 1,9 a 3 %)

Allumina (Al2O3) ....................6,3 % (variabile da 5,6 a 7 %)

Magnesio (MnO).................. 0,03 % (variabile da 0,02 a 0,05 %)

Solfati (SO3).......................... 0,4% (variabile da 0,2 a 0,6 %)

Fosforo totale (P2O3)............ 0,4% (variabile da 0,3 a 0,5 %)

Azoto organico (N) ................0.60% (variabile da 0,4 a 1.2 0 %)

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d)  Le analisi di granulometria

La granulometria dei sedimenti, dipende poco dalle attività delle batterie, si stima  che ha una grande influenza sulla resistività elettrica. Per queste ragioni si considera meno difficile l'analisi di granulometria di un campione che l'analisi chimica.

Era importante scegliere un metodo di analisi semplice e di esecuzione rapida. In effetti l'analisi della frazione finissima dei sedimenti essendo sempre di una precisione discutibile, la più elementare prudenza, incitava a effettuarne un gran numero e di prendere in conto solamente la media dei risultati.

 

Per tener in conto queste esigenze, abbiamo proceduto come segue:

-        Stacciare a secco la frazione superiore a 100 μ.

-        Stacciare a secco la frazione compresa fra 50 e 100 μ. (con lo scopo di avere una verificazione parziale sul seguito dell'analisi)

-        Applicazione del metodo americano del densimetro per tutto ciò che è inferiore a 100 μ.

Quest'ultima tecnica è basata sulla legge di Stokes. Consiste nel misurare la diminuzione di densità apparente di 1 litro d'acqua distillata nella quale si sono sciolti, dopo un lungo mescolio, 30gr di sedimento secco. Col passare del tempo, la sospensione si deposita cominciando dagli elementi più pesanti, più grossi ed idro-dinamici. La densità della mescola diminuisce dunque in funzione del tempo che passa e si misura con un areometro di precisione. In seguito, grazie alla legge di Stokes, si esprime la curva ottenuta in termini di diametro delle particelle. Naturalmente si devono osservare certe precauzioni ben precise: la temperatura deve rimanere costante, si devono utilizzare gli stessi apparecchi ed i medesimi recipienti per tutte le analisi di cui si dovranno comparare i risultati, ecc...

 

Malgrado tutte queste precauzioni, il metodo rimane approssimativo perché in primo luogo la legge di Stokes si applica perfettamente a delle particelle sferiche, ciò che non è il caso della maggioranza dei sedimenti lacustri; in secondo luogo, la densità delle particelle non è costante all'interno delle categorie considerate. Ma l'interesse principale di queste misure di granulometria, consiste  in poter comparare i campioni fra di loro. D'altra parte, per alcune interpretazioni, i risultati non sono discutibili giacché basati sulla legge di Stokes, come la sedimentazione stessa sul fondo del lago: è evidente che, in una corrente carica di materie in sospensione, gli elementi che si precipitano più rapidamente, che siano sferici o no, si troveranno per primi e più ci si allontana dalla fonte della corrente, più si troveranno i depositi a decantazione lenta.

Fig 5) Alcune analisi di granulometria dei sedimenti superficiali

Apparentemente, i campioni si ripartiscono in due gruppi:

-        quelli rappresentati tipicamente in C. Contengono abbondantemente delle particelle di 30 a 50μ di diametro.

-        Quelli rappresentati dalla mostra F che contengono delle particelle un poco più fine, fra 10 e 30μ di diametro teorico.

 

Il limite fra queste due categorie è piuttosto confusa. Succede anche che siano rappresentate tutte e due nel medesimo campione. È il caso in A e B.

 

Se si trascrivono questi risultati sulla carta topografica, si mette in evidenza uno schema di ripartizione dei depositi che sembra sistematica e d'altra parte logica:

 

Sul pendio del "Monte" o, più generalmente, vicino alle rive, le particelle relativamente grosse sono dominanti. Per contro ai piedi del "Monte", sono più fini. Più al largo ancora, si trovano ben rappresentati gli elementi a deposito più rapido fra gli elementi fini.

 

Malgrado le restrizioni dovute all'imperfezione del metodo di analisi, due conclusioni meritano di essere proposte:

1)     Secondo lo stato attuale delle ricerche, sembra che le misure di resistività elettrica siano legate alla granulometria dei depositi. Ma è ancora impossibile sapere se si tratta di una coincidenza, di una relazione indiretta attraverso lo stato chimico dell'acqua interstiziale o se si deve vedere là l'effetto vero della frazione solida.

2)     Secondo le leggi normali dello studio dei sedimenti, sembra che i depositi abbiano almeno due origini differenti: una relativamente vicina, la riviera, le sponde. Sono grossi  vicino al bordo e finissimi ai piedi del "Monte"; l'altra lontano e indeterminabile, i materiali essendo portati dalle correnti dopo aver subito differenti  classificazioni secondo la natura dei granelli, meno facili da ricostituire. Nella regione studiata, questi ultimi costituiscono i depositi del largo.

 

Questa seconda conclusione è importante, raggiunge quella dedotta secondo le carte geo-elettriche e lascia supporre l'esistenza di movimenti migratori dei sedimenti superficiali. È venuto il momento di studiare il soggetto con dei metodi di osservazione diretta.

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