Revisitando as origens das águas subterrâneas do Monte Fuji com hélio, vanádio e rastreadores ambientais de DNA

Nature Water volume 1, páginas 60–73 (2023) Cite este artigo

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Conhecido localmente como a montanha da água, por milênios o icônico Monte Fuji do Japão forneceu água potável para milhões de pessoas por meio de uma vasta rede de águas subterrâneas e nascentes de água doce. A água subterrânea, que é recarregada em altas altitudes, flui pelos flancos do Fuji dentro de três aquíferos basálticos, formando incontáveis nascentes de água doce entre os sopés do Fuji. Aqui desafiamos o atual modelo conceitual de Fuji como um sistema simples de fluxo laminar de águas subterrâneas com pouca ou nenhuma troca vertical entre seus três aquíferos. Este modelo contrasta fortemente com a extrema instabilidade tectônica de Fuji devido à sua localização única no topo da única junção trincheira-trincheira-trincheira continental conhecida, sua geologia complexa e suas comunidades microbianas incomuns de água de nascente. Com base em uma combinação única de DNA microbiano ambiental, traçadores de vanádio e hélio, fornecemos evidências para a circulação profunda predominante e uma contribuição desconhecida de águas subterrâneas profundas para as nascentes de água doce de Fuji. A ressurgência de águas subterrâneas profundas mais substancial foi encontrada ao longo da região tectonicamente mais ativa do Japão, a Zona de Falha de Fujikawa-kako. Nossas descobertas ampliam a compreensão hidrogeológica de Fuji e demonstram o vasto potencial de combinar DNA ambiental, gás nobre no local e análises de oligoelementos para a ciência das águas subterrâneas.

Com sua forma cônica quase perfeita, o Monte Fuji vulcânico do Japão (3.776 m acima do nível do mar (ASL)) pode ser sem dúvida a montanha mais conhecida do mundo1. Conhecida localmente como a montanha da água, por milênios Fuji forneceu água potável para milhões de pessoas por meio de suas abundantes águas subterrâneas e nascentes alimentadas por águas subterrâneas. A abundância de recursos de água doce decorre de grandes quantidades de precipitação que ocorrem devido à proximidade de Fuji com o Oceano Pacífico e o Mar do Japão, e sua localização única no topo da junção tripla de Fuji, a única junção tripla trincheira-trincheira conhecida na Terra2 ,3,4 (Fig. 1). Devido a esta configuração geológica única, Fuji consiste principalmente de basalto e é muito mais permeável do que outros estratovulcões de arco, que são compostos principalmente de magmas andesíticos pouco permeáveis5,6,7,8,9,10,11,12,13. Devido à sua longa passagem pelo basalto14, as águas subterrâneas de Fuji são muito moles e fortemente enriquecidas em vanádio, tornando os rios de Fuji os mais ricos em vanádio da Terra15,16,17. Fuji é tão importante que tem o status de Patrimônio Mundial da UNESCO18, com várias nascentes designadas como Monumentos Naturais nacionais19,20,21.

Acima, à esquerda: a localização de Fuji na junção tripla trincheira-trincheira-trincheira entre as placas de Amur, Okhotsk e do Mar das Filipinas, no centro do Japão. No canto superior direito: mapa da bacia hidrográfica de Fuji, suas quatro sub-bacias (com a sub-bacia do sudoeste destacada em amarelo), as direções gerais do fluxo das águas subterrâneas das sub-bacias do sudoeste e sudeste, as principais zonas de falha, as falhas tectônicas atualmente ativas, os locais amostrados e todos os pontos de dados obtidos neste estudo ou reunidos na literatura e no banco de dados nacional de águas subterrâneas do Japão. Os pontos pretos nos símbolos dos locais amostrados indicam os locais das análises de eDNA. Abaixo: mapa 3D do Monte Fuji orientado para o sudeste. A bacia hidrográfica de Fuji é destacada e os locais de amostragem e direções gerais de fluxo das sub-bacias sudoeste e sudeste são indicados. KMFZ = Zona de Falha de Kotsu-Matsuda. Sistema de referência de coordenadas: WGS 84/Pseudo-Mercator. Fontes de mapas compostos: imagens de satélite161; modelo digital de elevação162; mapa de sombreamento 3D vermelho163,164; localizações de falhas tectônicas ativas165; limites de placas e grandes falhas tectônicas43,166,167.

Além da crescente demanda por água por residentes, turistas, indústria e agricultura, um microcosmo de indústrias de alimentos premium se desenvolveu, produzindo bens que dependem fortemente da água limpa de Fuji. A maior área de plantação de chá verde do Japão nas encostas do sul e grandes destilarias de uísque na encosta leste só podem operar por causa do suprimento consistentemente grande de águas subterrâneas macias e de alta qualidade. Com sucesso crescente, várias empresas de engarrafamento de água agora vendem água subterrânea rica em vanádio bombeada das profundezas de Fuji como água mineral saudável22,23,24. Além disso, descobriu-se que, se a água rica em vanádio for usada na fabricação do saquê (nihonshu), os compostos de aroma rançosos indesejados são suprimidos enquanto o sabor doce desejado é promovido25,26, explicando potencialmente o sucesso internacional premiado das cervejarias de saquê da 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>