Värmande temperaturer orsakar en stadig ökning av koppar, zink och sulfat i vattnet i Colorado bergsbäckar som påverkas av dränering av sura stenar. Koncentrationerna av dessa metaller har ungefär fördubblats i dessa alpina vattendrag under de senaste 30 åren, visar en ny studie, som visar på en oro för ekosystem, nedströms vattenkvalitet och gruvsanering.
Naturlig kemisk vittring av berggrunden är källan till den stigande surheten och metallerna, men den yttersta drivkraften bakom trenden är klimatförändringar, konstaterade rapporten.
"Tungmetaller är en verklig utmaning för ekosystemen", säger huvudförfattaren Andrew Manning, geolog vid U.S. Geological Survey i Denver. "Vissa är ganska giftiga. Vi ser regionala, statistiskt signifikanta trender i koppar och zink, två nyckelmetaller som vanligtvis är ett problem i Colorado. Det är inte tvetydigt och det är inte litet."
Studien publicerades i Water Resources Research .
Även om mekanismen som kopplar uppvärmningstemperaturer till ökad sulfidvittring fortfarande är en öppen forskningsfråga, pekar de nya resultaten på exponering av sten en gång förseglad av is som en toppmisstänkt, sa Manning. Det plötsliga uppkomsten av "rostiga arktiska floder" som rinner ut ur områden med tinande permafrost under de senaste åren är sannolikt samma process, förstorad.
Colorado är full av berggrunder rika på metallsulfider. Glänsande järnsulfid, bekant för många coloradans som dårguld eller pyrit, är den vanligaste av dessa sulfidmineraler, men koppar, zink och andra metallsulfider är också vanliga.
Exponering för luft oxiderar metallsulfiderna i berggrunden och släpper ut metallerna i grundvattnet som rinner ut i ytströmmar. Rostiga röda avlagringar i strömbäddar är utmärkande tecken på järnsulfidoxidation. Sulfider försurar också vattnet, vilket kan påskynda vittringen. Vissa alpina vattendrag som provades visades ha ett pH så lågt som 3 eller 4.
Studien byggde på 40 års vattenkemidata, och tog slutprover från alla platser 2021 från 22 vattendrag i 17 vattendelar som är naturligt sura och metallrika nog att begränsa vattenlevande växter och djur. Provtagningsplatserna låg över 3 000 meter (10 000 fot) och inkluderade en blandning av orörda, orörda områden och platser som hade brutits historiskt men lämnats ifred i 50 till 100 år.
"Nyckelpunkten är att ingen ny gruv- eller saneringsarbete har gjorts," sa Manning. "Dessa vattendelar har bara suttit där och reagerat på inget annat än klimatet."
Bergsbäckar provtogs från mitten av juli till november, som sträckte sig över sensommaren och lågflödesperioder på hösten. Långtidsregistrering av flödesvolym från närliggande strömmätare visar att strömflöden har minskat med värmande temperaturer och mindre snöpackningar, vilket tyder på att mindre vattenvolymer kan förklara de högre metallkoncentrationerna.
Men Manning och hans kollegor fann att mindre vatten bara kunde svara för hälften av effekten de observerade. För att nå de koncentrationer de såg var bergen tvungna att lägga metaller och sulfat i bäckar i snabbare takt.
När dessa metallrika bergsbäckar rinner ner i större floder späds effekten av den extra metallbelastningen ut, konstaterade forskarna.
"Jag tror inte att det här är en stor röd flagga för stora storstads- eller jordbruksanvändare långt nedströms på lägre höjder," sa Manning, "men vissa av våra bergssamhällen får sitt vatten bara en kort bit ner från dessa mineraliserade bäckar." För att minska risken för vattenkvaliteten kan chefer dra nytta av avancerad kunskap om vilka metaller som kommer in i strömmen och var och hur snabbt de ökar, sa Manning.
Fler metaller och surhet i dessa bergsbäckar kan också påverka besluten om var man ska investera begränsade medel för sanering av de som har förändrats genom historisk gruvdrift och var man ska fiska för att gynna turismen.
Colorados vattendelar är ett dramatiskt fall på grund av det ovanliga överflöd av berggrundsmetallsulfider, sa Manning, men forskare observerar mer subtilt stigande sulfatkoncentrationer i bergsbäckar runt om i världen. Den nya studien är den första som statistiskt kopplar accelererad sulfidvittring till stigande temperaturer i stor skala över en hel region.
Studien fann de största vinsterna i metallbelastningar i de högsta, kallaste bergsbäckarna. Manning sa att detta mönster pekar på upptining av underjordisk is. Colorados högsta höjder har årliga medeltemperaturer nära noll grader Celsius (32 grader Fahrenheit), vilket sätter dem precis vid gränsförhållandena för permafrost. Vissa toppar har värmts förbi fryströskeln sedan 1980.
"Is är som rustning. Smält den och du skapar fönster för grundvatten att komma in i berg som inte har sett vatten och syre på årtusenden, och det kommer att börja oxidera ganska snabbt," sa Manning.
Andra möjliga mekanismer är fallande grundvattennivåer som exponerar färskt berg för luft och smältande stenglaciärer, vilket frigör fickor av koncentrerade metaller som lagrats i isen. Våtmarker ackumulerar metaller och kan släppa ut en sprängning när vattnet kommer tillbaka efter torra perioder.
Studien fann inget samband mellan stigande metallkoncentrationer och närvaron av våtmarker, stenglaciärer eller faktorer kopplade till fallande grundvattennivåer, även om dessa kan spela en roll i andra regioner. Men alla dessa möjliga mekanismer är konsekvenser av klimatförändringar.
"Det finns bara ingen annan logisk förklaring än att detta är en föränderlig klimatsignal," sa Manning. "Inget annat skulle nå alla dessa vattendelar universellt."
Mer information: Andrew H. Manning et al, Klimatdrivna ökningar i strömmetallkoncentrationer i mineraliserade vattendelar i Colorado Rocky Mountains, USA, Water Resources Research (2024). DOI:10.1029/2023WR036062
Journalinformation: Vattenresursforskning
Tillhandahålls av American Geophysical Union
