Cartografia Geochimica con l’uso di sistemi informativi geografici (GIS)

Una delle principali applicazioni della geochimica è stata la prospezione quale strumento di indagine per il reperimento di risorse minerali.

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    Dalla metà degli anni ’60 si assiste ad un rapido espandersi dell’interesse della geochimica anche verso le questioni ambientali. Il suggestivo titolo “Geochemistry and life“, del breve articolo di Webb (1964), può essere considerato come il segnale di svolta della ricerca geochimica applicata, svolta che finalmente valorizza quella che può essere indicata, a pieno titolo, come una vocazione naturale ed intrinseca della disciplina: la geochimica ambientale.  

    In tempi più recenti, per merito in particolare della comunità scientifica internazionale, è stato sviluppato un grosso lavoro nel settore della geochimica ambientale, lavoro che ha posto in rilievo l’esigenza di disporre di una cartografia geochimica regionale come background indispensabile per molteplici fini applicativi della geochimica ed in primo luogo appunto per quelli ambientali.

    Sull’onda di questa vasta sensibilizzazione e dell’avvertita necessità di produrre una cartografia idonea, sono nati, negli anni ’90 i Progetti internazionali IUGS/IAGC (Global Geochemical Baselines) e FOREGS con lo scopo di creare un network di scienziati e di organizzazioni che potessero lavorare al fine di compilare una cartografia geochimica ambientale del Globo Terrestre e dell’Europa (Darnley et al., 1995; Plant et al., 1997).

    Per la compilazione della suddetta cartografia a scala planetaria, il Globo Terrestre è stato suddiviso in celle quadrate con lato di 120 km. La figura 1 mostra le celle che ricadono in Europa nelle quali sono state effettuate le campionature di acque, sedimenti fluviali attivi (stream sediments), sedimenti alluvionali (flood plain), suoli e humus. Questa campionatura è stata eseguita in tutti i paesi europei a cura dei Servizi Geologici nazionali; per l’Italia, non dotata di un Servizio Geologico operativo, la campionatura è stata curata da gruppi di ricerca di alcune Università (Napoli, Padova e Siena).

    Dal riconoscimento universale che la cartografia geochimica ambientale costituisce un valido strumento di controllo del territorio, nasce la convinzione della necessità di stabilire un comune database a livello nazionale e di fornire un quadro di riferimento per l’adozione di metodi standardizzati per le mappature regionali e nazionali.

    Il tutto in vista anche di studi più localizzati e specialistici per dare risposta a problemi di carattere economico e/o ambientale che riguardano l’agricoltura, il comparto forestale, l’appovvigionamento di acqua e l’irrigazione, lo smaltimento dei rifiuti, il reperimento di risorse minerarie e il loro sfruttamento, la salute degli animali e degli uomini, le indagini epidemiologiche, l’inquinamento industriale nonché, in generale, l’uso del suolo.

    Cartografica Geochimica in Italia

    Prima dell’attivazione dei Progetti IUGS/IAGC e FOREGS, molti autori (Plant et alii., 1989; Darnley, 1990) avevano messo in risalto che i dati provenienti da pregresse campagne di prospezione geochimica, rivolte alla ricerca di risorse minerarie, rischiavano un assurdo oblio per la cessazione delle ricerche minerarie da parte di industrie ed istituzioni statali.

    Dal momento che si erano impiegate ingenti risorse per la produzione di questi dati essi potevano essere riutilizzati per fini ambientali iniziando ad esempio la produzione, a bassissimo costo, di una cartografia geochimica regionale e/o nazionale per le aree per le quali tali dati erano disponibili e per gli elementi determinati che, peraltro, annoverano sempre, in genere, quelli a massima pericolosità tossicologica.

    Sulla base di queste premesse in Italia gruppi di ricerca dell’Università di Napoli “Federico II”, dell’Università di Siena e dell’Università di Cagliari, utilizzando dati in gran parte provenienti da pregresse campagne di prospezione geochimica, rivolte alla ricerca di risorse minerarie, hanno compilato le prime carte geochimiche riguardanti aree di ben nota vocazione mineraria: Calabria, Monti Peloritani, Sardegna e Toscana Meridionale (De Vivo et al., 1998a; 1998b; 2001b) I dati utilizzati per le suddette cartografie riguardavano campioni di sedimenti fluviali particolarmente adatti per la compilazione di cate geochimiche regionali per fini ambientali; le limitazioni erano dovute essenzialmente alla disomogeneità dei dati disponibili, sia per quanto concerne la densità di campionamento sia per il numero di elementi analizzati.

    La realizzazione di tale cartografia è risultata tuttavia di grande utilità; essa ha fornito alla comunità scientifica italiana, ed in primo luogo naturalmente agli operatori del settore geochimico, un concreto riferimento per una approfondita discussione circa il modo più opportuno per realizzare una cartografia geochimica nazionale, tenuto conto anche, ovviamente, del rapporto costi-benefici.

    Nell’attuazione di un progetto volto alla compilazione di una cartografia geochimica dell’intero territorio nazionale in scala 1:250.000, con una maglia di campionatura di 1 campione ogni 5 km2 è stato portato a termine il progetto relativo alla compilazione della cartografia geochimica della Regione Campania (De Vivo et al., 2003b).

    In Campania, dove non si dispone di una campionatura geochimica pregressa, è stata effettuata una campionatura ex novo. La prospezione geochimica è stata eseguita sull’intero territorio della Regione (13600 Km2) ed ha comportato la raccolta di circa 2600 campioni di sedimenti fluviali e di 982 campioni di suolo limitatamente all’area della Provincia di Napoli dove non esiste un sistema di drenaggio ben sviluppato. I campioni sono stati analizzati per 37 elementi: Ag, Al, As, Au, B, Ba, Bi, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, Hg, K, La, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, P, Pb, S, Sb, Sc, Se, Sr, Te, Th, Ti, Tl, U, V, W, Zn.

    Essi sono stati determinati con due metodologie analitiche, l’ICP-MS e l’ICP-ES (spettrometria di massa al plasma e spettrometria di emissione). In ogni sito campionato è stata, inoltre, misurata la radioattività totale e parziale utilizzando uno scintillometro portatile. La notevole mole di dati prodotti é stata organizzata in un database ed elaborata con metodi computerizzati per la produzione di carte della distribuzione degli elementi, di associazioni di elementi, di rischio, della radioattività totale e parziale.

    Sono stati compilati due atlanti geochimici uno per la Regione Campania, relativamente ai risultati analitici dei sedimenti fluviali, e uno per la Provincia e il Comune di Napoli, relativamente ai risultati analitici dei suoli. Le carte geochimiche prodotte per ogni elemento analizzato sono state corredate di box plots, curve cumulative di frequenza, istogrammi e tabelle con l’indicazione dei parametri statistici della distribuzione dell’elemento. Gli atlanti prodotti così come diverse pubblicazioni scientifiche sono in corso di stampa (De Vivo et al., 2003a; b; c; Lima et al., 2003b, Cicchella et al., 2003).

    Figura 1. Per la realizzazione della cartografia geochimica dell’Europa la campionatura è stata effettuata seguendo una griglia con celle 120 x 120 km (in modo conforme al Global Reference Network – GRN, per la compilazione della carta geochimica del Globo).

    Campionatura

    Nella prospezione geochimica finalizzata alla realizzazione di una cartografia geochimica la densità di campionatura é funzione della grandezza dell’area da investigare.

    E’ ovvio che se si vuole definire, per esempio, il livello di tossicità di un particolare elemento in prossimità di un’attività industriale in una certa area si richiede una densità di campionatura ben maggiore che in una indagine tesa a stabilire l’andamento, a livello regionale, di quello stesso elemento. I campioni utilizzati sono di diversa natura come: sedimenti fluviali, suoli, sedimenti lacustri, sedimenti di piana alluvionale, acque superficiali, vegetazione e humus.

    I vantaggi e gli svantaggi che presentano i diversi tipi di campioni dipendono dall’obiettivo del progetto, dalla facilità di campionatura, dalla rappresentatività dei campioni stessi in termini di estensione areale e dalla disponibilità finanziaria per la realizzazione del progetto specifico.

    La campionatura ideale per la realizzazione di una cartografia geochimica, a scala regionale, è rappresentata dai sedimenti fluviali, in quanto questa tipologia di campioni è rappresentativa dell’intero bacino di drenaggio rispetto ai punti campionati e quindi fornisce informazioni su aree sorgenti molto estese; inoltre è di facile prelievo. In genere sono campionati sistemi di drenaggio di primo o secondo ordine con bacini relativamente piccoli.

    Laddove non esiste un sistema di drenaggio che copra l’intero territorio é consigliabile integrare la campionatura dei sedimenti fluviali con campioni di suoli, anche se i metodi di indagine che comportano l’uso dei suoli su larga scala (cartografia geochimica regionale), hanno validità solo nelle aree interessate dalla presenza di unità geologiche, pedologiche ed ambientali, con caratteri di omogeneità.

    Il database

    I dati geochimici ottenuti a seguito di una adeguata campionatura ed accurate analisi di laboratorio sono registrati ed organizzati, insieme a tutte le informazioni disponibili, in un database, ad esempio un foglio di calcolo elettronico, ordinati di modo che possano essere univocamente individuabili attraverso il loro codice identificativo (ID), e soprattutto attraverso le loro coordinate spaziali che possono essere riportate grazie a coordinate geografiche oppure chilometriche (sempre tenendo presente il sistema di riferimento utilizzato).

    Ad ogni campione ovvero ad ogni ID saranno associati i valori delle analisi chimiche corrispondenti effettuate. La realizzazione di un database privo di errori è, in realtà, alla base della buona riuscita del progetto cartografico e ne determina indubbiamente la qualità e l’attendibilità finale.

    GIS

    Nell’elaborazione di una cartografia geochimica, allo scopo di rappresentare e gestire tutti i dati e le informazioni raccolte è necessario l’utilizzo di un GIS (Geographic Information Systems).

    Un GIS è uno strumento informatico che permette di posizionare e di analizzare, su mappe, oggetti ed eventi che esistono e si verificano sulla Terra, integrando tutti i tipi di dati basati sulla geografia e sulla componente posizionale.

    Al contrario di una mappa cartacea statica, il GIS può contemporaneamente attivare molti livelli informativi utili per tutti; ciò permette di integrare, visualizzare, gestire e presentare l’informazione in modo efficace e innovativo.

    La compilazione di mappe tematiche ha assunto un ruolo di particolare importanza nei GIS; il processo di produzione delle mappe con il GIS, infatti, è molto più flessibile rispetto ai tradizionali approcci di cartografia manuale e automatizzata. Tale processo comincia con la creazione del database; le basi cartografiche esistenti sono digitalizzate, utilizzando un software specifico come Autocad, e le informazioni numeriche sono trasferite all’interno del GIS. Il database cartografico può essere continuo e indipendente dalla scala.

    Le mappe di output possono riguardare qualsiasi località desiderata, in qualsiasi scala; mettere in evidenza caratteristiche specifiche oppure mostrare solo le informazioni selezionate e opportunamente simbolizzate.

    La tecnologia GIS è utilizzata come strumento per interrogare, analizzare e visualizzare dati a supporto del processo decisionale e per assistere gli specialisti nello svolgimento dei propri compiti come la predisposizione di informazioni per le attività di pianificazione.

    L’informazione può essere presentata sinteticamente e chiaramente in forma di mappa integrata con una relazione, consentendo alle persone deputate a prendere le decisioni di concentrarsi sul problema reale piuttosto che tentare di comprendere i dati; infatti, con l’uso dei GIS, i risultati delle analisi possono essere realizzati velocemente e gli scenari multipli possono essere valutati efficientemente ed efficacemente.

    I parametri da inserire nei GIS possono essere molteplici e con essi si può trasformare in tempo reale una carta tematica in una banca dati ricchissima di informazioni georeferenziate.

    Figura 2. Il GIS memorizza le informazioni geografiche attraverso strati separati rappresentati sullo schermo geometricamente da punti linee o aree. Per esempio uno strato di punti può rappresentare dei campioni di suolo, uno strato di linee può rappresentare corsi d’acqua o strade, uno strato di aree può rappresentare aree di uguale uso del suolo o costruzioni. Ad ogni elemento geografico corrisponde un attributo o elemento descrittivo che indica cosa rappresenta l’elemento spaziale e la sua esatta posizione geografica espressa in coordinate.

    In particolare i GIS consentono:

    • di gestire la cartografia di base tramite computer; di georeferenziare i dati (attribuire ad ogni elemento le sue coordinate spaziali reali);
    •  di effettuare collegamenti tra informazioni di diversa natura;

    I dati geochimici, per loro natura, provengono, in genere, dalla campionatura più o meno sistematica dei diversi ambienti che contraddistinguono la geosfera; essi sono cartografabili sia attraverso i metodi cartografici tradizionali sia grazie all’ausilio delle tecniche di cartografia tematica digitale. I softwares che consentono la realizzazione di una cartografia geochimica sono numerosi. In ogni modo, il metodo ed il procedimento da seguire, per conseguire risultati validi per la comunità scientifica e soprattutto facilmente intelligibili per l’utente finale del prodotto, deve essere univoco.

    Rappresentazione Puntuale dei Dati

    Il primo tipo di carta geochimica che può essere prodotto, una volta che il database è stato predisposto è la carta della distribuzione puntuale delle concentrazioni per ogni singolo elemento chimico o composto indagato nella fase di analisi

    Per fare ciò il database è richiamato all’interno del progetto cartografico; utilizzando i valori delle coordinate registrate per ogni singolo campione i siti campionati sono visualizzati all’interno della mappa digitale grazie a dei simboli scelti dall’operatore.

    Se la distribuzione che è visualizzata rispecchia la realtà, allora si procede ad una classificazione dei siti campionati in funzione degli intervalli di concentrazione, scelti attraverso una serie di tecniche, e ad una loro rappresentazione sulla carta mediante diversa simbologia. I metodi di classificazione più comuni utilizzano i percentili o altri parametri statistici (media, deviazione standard, ecc.).

    La Figura 3 mostra un esempio di dot map realizzata per le concentrazioni di uranio nei sedimenti fluviali della Campania. Il metodo di classificazione utilizzato si basa sul valore medio (0) e la deviazione standard (σ) ottenuti dall’elaborazione statistica dei dati. In ogni caso, le carte geochimiche interpolate devono sempre essere accompagnate dalle carte puntuali delle concentrazioni ossia, dal dato puntuale certo.

    Figura 3. Carta puntuale (dot map) dell’uranio nei sedimenti fluviali della Campania. Il dato puntuale è rappresentato in queste carte con una diversa grandezza del punto a seconda del valore di concentrazione. Gli intervalli sono stati determinati utilizzando il valore medio (0) e la deviazione standard (σ): i cinque intervalli sono compresi tra il minimo e 0- 1σ, 0- 1σ e 0, 0e 0+ 1σ, 0+ 1σ e 0+ 2σ, > 0+ 2σ.

    Metodi di Interpolazione

    L’interpolazione è un processo realizzato attraverso l’utilizzo di specifici algoritmi matematici che permetteno di generalizzare il dato geochimico trasformandolo dalla univocità del valore puntuale georeferenziato in una informazione di tipo spaziale areale.

    Per quanto numerosi possano essere i campioni prelevati e i dati di concentrazione prodotti per ogni singolo elemento analizzato in una determinata area, la loro rappresentazione cartografica puntuale non potrà mai assumere il carattere di continuità che, invece, deve essere restituito dalla rappresentazione grafica dei dati interpolati (carta geochimica).

    Si rende perciò necessario formulare un’ipotesi sul comportamento della grandezza in esame fra due o più punti noti ed assumere la stessa come la migliore approssimazione possibile dei valori reali.

    Il campione geochimico è, per definizione, estremamente eterogeneo. Il risultato di un processo d’interpolazione di dati geochimici, attraverso un algoritmo matematico, quindi, non potrà mai prevedere, per quanto complesso ed elaborato esso sia, le variazioni locali di concentrazione dovute alla presenza di particolari condizioni geochimico-litologiche e/o a fenomeni di contaminazione antropica.

    L’interpolazione dei dati geochimici non fornisce sicuramente nelle aree non campionate un’informazione deterministica, ma delinea in modo probabilistico i trends/patterns regionali da relazionare ed interpretare a grande scala in funzione delle situazioni geologico-strutturali dell’area in esame. Ne consegue che una carta geochimica ambientale regionale interpolata non può essere considerata in modo deterministico, come una “carta dell’inquinamento”, ma può essere efficacemente utilizzata per individuare le aree potenzialmente “a rischio” dove eseguire, in una seconda fase, una prospezione di dettaglio, intensificando la campionatura di suoli e acque, per delimitare e caratterizzare il sito secondo i dettami legislativi del Decreto Ministeriale 471 del 25/10/1999.

    Per interpolare i dati si utilizzano diversi metodi: l’analisi dei trends superficiali (Trend surface analysis), l’IDW (Inverse Distance Weighted) e il Kriging. In aggiunta a questi metodi, che possiamo definire “convenzionali”, recentemente, nel campo dell’esplorazione geomineraria, è stata sviluppata una nuova metodologia che utilizza i principi della geometria frattale e multifrattale: il Multifractal IDW (il Multifractal Kriging è in preparazione) (Cheng et al., 1999; Xu e Cheng, 2001). Questa nuova metodologia risulta molto efficace anche nelle applicazioni ambientali.

    Interpolazione multifrattale dei dati

    Recentemente Quming Cheng e il suo gruppo di ricerca, della York University di Toronto, nell’ambito di un Consorzio di Istituzioni varie (United States Geological Survey; Canada Geological Survey; Società minerarie di diverse Nazioni) e di ricercatori di diversi Paesi (tra i quali il Prof. De Vivo dell’Università di Napoli “Federico II”) stanno implementando, per la realizzazione di progetti finalizzati sia alla ricerca mineraria che ambientale, metodi di interpolazione dei dati geochimici basati sull’applicazione della geometria frattale e multifrattale (Cheng, 1994; Cheng et al., 1996; 1999; 2000a; 2000b; 2001). Per il momento nel software GeoDAS, finora prodotto e accessibile solo ai partecipanti del Consorzio, è disponibile il metodo IDW Multifrattale (Multifractal IDW), mentre è in fase di preparazione il metodo Kriging Multifrattale (Multifractal Kriging).

    In questi ultimi anni, i concetti di frattale e multifrattale sono stati sempre più utilizzati nel campo delle scienze per descrivere la complessità e l’autosimilarità (self-similarity) dei fenomeni naturali. Essi sono la naturale conseguenza dell’ autosimilarità che scaturisce da processi indipendenti dalla scala. I multifrattali possono descrivere non solo la complessa natura della geometria frattale ma anche caratterizzare misure definite su basi geometriche esse stesse di tipo frattale. I multifrattali sono generati da differenti processi fisici sia deterministici che stocastici.

    La maggior parte delle tecniche convenzionali per l’interpolazione dei dati geochimici puntuali, basati sulle medie pesate come IDW e Kriging, appiattiscono la variabilità locale del dato che può essere necessaria per individuare strutture geologiche correlabili all’andamento e alla disposizione spaziale dei “segnali” geochimici. L’interpolazione multifrattale invece conserva le informazioni ad alta frequenza che sono perse nei metodi convenzionali e prende in considerazione sia l’associazione spaziale che la singolarità locale dei dati (Xu e Cheng, 2001). Indici di associazioni spaziali (covarianza, autocorrelazione e semivariogramma), utilizzati normalmente anche nel Kriging per l’interpolazione dei dati, servono a caratterizzare la struttura locale delle superfici. La singolarità è un altro indice che rappresenta la dipendenza di scala da un punto di vista multifrattale, in altri termini essa descrive come il comportamento statistico varia al variare del fattore scala.

    L’associazione spaziale e la singolarità sono due aspetti differenti delle strutture locali delle superfici; entrambi devono essere considerati nell’interpolazione dei dati e nella compilazione delle carte geochimiche. I metodi ordinari delle medie mobili, compreso il Kriging, dal momento che non prendono in considerazione la singolarità, possono essere considerati un caso particolare del metodo multifrattale di interpolazione (per maggiori chiarimenti si rimanda a Cheng, 1999 e Xu e Cheng, 2001). Il nuovo metodo di interpolazione “Kriging multifrattale” (in preparazione) prenderà in considerazione sia l’associazione spaziale che la singolarità migliorando in modo significativo i risultati. La figura 4 mostra la carta geochimica dell’uranio generata col metodo IDW multifrattale per i dati geochimici derivanti dall’analisi dei sedimenti fluviali della Regione Campania (De Vivo et al., 2003b). La carta mostra come i valori più elevati dell’uranio, a  livello regionale, cadano in corrispondenza delle litologie vulcaniche alcaline del Vesuvio e soprattutto del Roccamonfina.

    Figura 4. Carta geochimica della distribuzione dell’U nei sedimenti fluviali della Campania, elaborata con GeoDAS utilizzando come metodo di interpolazione dei dati l’IDW Multifrattale. Il raggio di interpolazione è di 3,5 Km e la grandezza delle celle della griglia di 1 Km (De Vivo et al., 2003b; Lima et al., 2003b).

    Carte del Rischio

    Le carte geochimiche di rischio costituiscono un valido strumento di prevenzione da forme di inquinamento naturale e non, in funzione dell’uso del territorio. Prima di attività operative in senso stretto su di un territorio è fondamentale, come già detto, avere conoscenza dei valori di fondo naturale (background) a cui fare riferimento per poter poi definire con certezza i parametri fuori norma, sulla base dei valori limite fissati nel Decreto del Ministero dell’Ambiente (D.M. 471/1999) per i suoli e le acque in funzione dell’uso residenziale/ricreativo e industriale/commerciale del territorio.

    L’Articolo 4 del suddetto decreto ministeriale stabilisce che il sito interessato deve essere sottoposto ad interventi di messa in sicurezza d’emergenza, di bonifica e ripristino ambientale per eliminare le fonti di inquinamento e le sostanze inquinanti o ridurre le concentrazioni delle sostanze inquinanti a valori di concentrazione almeno pari ai valori di concentrazione limite accettabili, in caso di superamento o di pericolo concreto ed attuale di superamento dei valori di concentrazione limite accettabili per le sostanze inquinanti. Nella figura 5 viene riportata una carta dei suoli della Provincia di Napoli che illustra i siti campionati che risultano inquinati, cioè i siti che presentano livelli di contaminazione o alterazioni chimiche del suolo tali da determinare un pericolo per la salute pubblica o per l’ambiente naturale o costruito.

    Ai fini del D.M. 471/1999 è inquinato il sito nel quale anche uno solo dei valori di concentrazione delle sostanze inquinanti nel suolo o nel sottosuolo o nelle acque sotterranee o nelle acque superficiali risulta superiore ai valori di concentrazione limite accettabili stabiliti dal decreto stesso. Nella carta in figura 6 sono illustrate le aree individuate come a rischio potenziale sulla base delle concentrazioni di piombo riscontrate nei suoli del territorio comunale di Napoli. Le aree individuate sono, in ogni caso, da considerarsi come “aree a rischio potenziale”, cioè aree nelle quali, a causa di specifiche attività antropiche pregresse o in atto, sussiste la possibilità che nel suolo o nel sottosuolo o nelle acque superficiali o nelle acque sotterranee siano presenti sostanze contaminanti in concentrazioni tali da determinare un pericolo per la salute pubblica o per l’ambiente naturale o costruito.

    Figura 5. Questa carta mette in evidenza che su 982 campioni di suolo della Provincia di Napoli, campionati in superficie nei primi 15 cm, in quasi tutti viene superata, da parte di almeno uno degli elementi metallici elencati nel D.M. 471/99, la soglia imposta per uso verde pubblico, privato, residenziale. In molti campioni è superata, per alcuni elementi, addirittura la soglia imposta per uso industriale (Cicchella, 2002; De Vivo et al., 2003 c).

    Figura 6. Le soglie di intervento per il piombo, fissate dal D.M. 471/1999, sono di 100 mg/Kg per l’uso residenziale/ricreativo e di 1000 mg/Kg per l’uso industriale/commerciale del territorio. La carta di rischio individua come a rischio per l’uso residenziale/ricreativo ben l’80% dell’intero territorio del Comune di Napoli. Senza alcun dubbio tale inquinamento è dovuto al piombo utilizzato come additivo delle benzine ed emesso dai gas di scarico degli autoveicoli (Cicchella, 2002; De Vivo et al., 2003c).