Rivisitazione delle origini delle acque sotterranee del Monte Fuji con elio, vanadio e traccianti del DNA ambientale

Natura Acqua volume 1, pagine 60–73 (2023)Citare questo articolo

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Conosciuto localmente come la montagna dell'acqua, per millenni l'iconico Monte Fuji del Giappone ha fornito acqua potabile sicura a milioni di persone attraverso una vasta rete di acque sotterranee e sorgenti d'acqua dolce. Le acque sotterranee, che si ricaricano ad altitudini elevate, scorrono lungo i fianchi del Fuji all'interno di tre falde acquifere basaltiche, formando infine innumerevoli sorgenti di acqua dolce incontaminate tra le colline del Fuji. Qui sfidiamo l’attuale modello concettuale secondo cui Fuji è un semplice sistema di flusso laminare delle acque sotterranee con uno scambio verticale minimo o nullo tra le sue tre falde acquifere. Questo modello contrasta fortemente con l'estrema instabilità tettonica del Fuji a causa della sua posizione unica in cima all'unica tripla giunzione trincea-fossa-fossa continentale conosciuta, della sua complessa geologia e delle sue insolite comunità microbiche di acqua sorgiva. Sulla base di una combinazione unica di DNA microbico ambientale, traccianti di vanadio ed elio, forniamo prove della prevalente circolazione profonda e di un contributo delle acque sotterranee profonde precedentemente sconosciuto alle sorgenti di acqua dolce del Fuji. Il più consistente fenomeno di risalita profonda delle acque sotterranee è stato trovato lungo la regione tettonicamente più attiva del Giappone, la zona di faglia Fujikawa-kako. I nostri risultati ampliano la comprensione idrogeologica del Fuji e dimostrano il vasto potenziale della combinazione di DNA ambientale, analisi in loco di gas nobili e oligoelementi per la scienza delle acque sotterranee.

Con la sua forma conica quasi perfetta, il vulcanico Monte Fuji in Giappone (3.776 m sopra il livello del mare (ASL)) potrebbe essere senza dubbio la montagna più conosciuta al mondo1. Conosciuta localmente come la montagna dell'acqua, per millenni Fuji ha fornito acqua potabile sicura a milioni di persone attraverso le sue abbondanti acque sotterranee e sorgenti alimentate da acque sotterranee. L'abbondanza di risorse di acqua dolce deriva da grandi quantità di precipitazioni che si verificano a causa della vicinanza del Fuji all'Oceano Pacifico e al Mar del Giappone, e alla sua posizione unica in cima alla tripla giunzione del Fuji, l'unica tripla giunzione continentale fossa-fossa-fossa conosciuta sulla Terra2 ,3,4 (Fig. 1). A causa di questa impostazione geologica unica, il Fuji è costituito principalmente da basalto ed è molto più permeabile rispetto ad altri stratovulcani ad arco, che sono per lo più composti da magmi andesitici scarsamente permeabili5,6,7,8,9,10,11,12,13. A causa del suo lungo passaggio attraverso il basalto14, le acque sotterranee del Fuji sono molto morbide e fortemente arricchite in vanadio, rendendo i fiumi del Fuji i più arricchiti di vanadio sulla Terra15,16,17. Il Fuji è così importante da essere considerato Patrimonio dell'Umanità dall'UNESCO18, con numerose sorgenti designate come Monumenti Naturali nazionali19,20,21.

In alto a sinistra: la posizione del Fuji sulla tripla giunzione trincea-trincea-trincea tra le placche dell'Amur, di Okhotsk e del Mar delle Filippine nel Giappone centrale. In alto a destra: mappa del bacino idrografico del Fuji, i suoi quattro sottobacini (con il sottobacino sudoccidentale evidenziato in giallo), le direzioni generali del flusso delle acque sotterranee dei sottobacini sudoccidentale e sudorientale, le principali zone di faglia, le faglie tettoniche attualmente attive, i siti campionati e tutti i dati ottenuti in questo studio o raccolti dalla letteratura e dal database nazionale delle acque sotterranee del Giappone. I punti neri nei simboli dei siti campionati indicano le posizioni delle analisi dell'eDNA. In basso: mappa 3D del Monte Fuji orientata verso sud-est. È evidenziato il bacino idrografico del Fuji e sono indicati i siti di campionamento e le direzioni generali del flusso dei sottobacini sud-occidentali e sud-orientali. KMFZ = Zona di faglia Kotsu-Matsuda. Sistema di riferimento delle coordinate: WGS 84/Pseudo-Mercatore. Fonti cartografiche composite: immagini satellitari161; modello digitale di elevazione162; mappa collinare 3D rossa163.164; posizioni di faglie tettoniche attive165; confini delle placche e principali faglie tettoniche43,166,167.

Oltre alla domanda sempre crescente di acqua da parte di residenti, turisti, industria e agricoltura, si è sviluppato un microcosmo di industrie alimentari di prima qualità, che producono beni che dipendono fortemente dall’acqua pulita del Fuji. La più grande area di piantagioni di tè verde del Giappone sui pendii meridionali e le grandi distillerie di whisky sul versante orientale possono funzionare solo grazie alla fornitura costantemente ampia di acque sotterranee morbide e di alta qualità. Con crescente successo, numerose aziende di imbottigliamento dell'acqua ora vendono acqua sotterranea ricca di vanadio pompata dalle profondità sotto Fuji come acqua minerale sana22,23,24. Inoltre, si è scoperto che se nella produzione del sake (nihonshu) viene utilizzata acqua ricca di vanadio, i composti aromatici stantii indesiderati vengono soppressi mentre viene favorito il gusto dolce desiderato25,26, il che spiega potenzialmente il pluripremiato successo internazionale dei birrifici di sake Fuji27,28 .

20 km)6,11,12,80,81,82,83,84. Fuji consists of four volcanoes that grew on top of each other: Pre-Komitake (270–160 ka), Komitake (160–100 ka), Ko-Fuji (100–10 ka) and Shin-Fuji (10 ka to present)1,6,38,81,85,86. The deposits of the late Hoshiyama volcanic stage (100–17 ka) and deposits of the Fujinomiya and Subashiri stages (<17 ka)9,13,17,31,35,37,39,87,88,89 are of hydrogeological relevance. Late Hoshiyama deposits consist of basaltic lava, volcanic ash and respective mudflows, and host the deep Ko-Fuji aquifer. Ko-Fuji aquifer is confined on top by largely impermeable mudflow deposits (hydraulic conductivities between 10−6 m s−1 (horizontal) and 10−8 m s−1 (vertical); ref. 42), pyroclastic rocks and Fuji black soil of the final Hoshiyama and initial Fujinomiya stages6,9,17,37,38,81,85,90. The estimated hydraulic conductivity of Ko-Fuji aquifer is in the range of 10−5–10−7 m s−1 (refs. 9, 39, 42, 91). The Funjinomiya and Subashiri stage deposits host the shallow Shin-Fuji aquifer, which consist of multiple basaltic lava layers that form a complex and highly conductive network of porous material, fissures and clinkers7,17,31,37. The most recent volcanic ash and alluvial sand and gravel deposits of the Subashiri stage finish off the hydrogeological stratigraphy by hosting the uppermost Surficial aquifer31. The estimated hydraulic conductivities of the Shin-Fuji and Surficial aquifers are 10−2−10−5 m s−1 (refs. 9, 39, 42, 91). Underneath, the described hydrogeological system of Fuji is constrained by an approximately 10-km thick basement body of the Misaka-Tenshu group, which consists of impermeable submarine basaltic andesite and pyroclastic material52. The FKFZ, Japan's tectonically most active structure, is located along the west and southwest foot of Fuji and passes the city of Fujinomiya10,43,44,45. These active tectonic faults are characterized by complex fissure and clinker networks, which might allow groundwater, solutes and small particles to be transported in a non-laminar fashion and make their flow paths very difficult to identify. Hydrogeological properties of the FKFZ, as well as its effect on groundwater dynamics and flow paths, have not been systematically investigated and, while geologically relatively well understood45, its hydrogeological behaviour remained unknown before our study./p>