Scienze della Terra per le superiori/Il carsismo

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Il fenomeno[modifica]

Il paesaggio carsico è identificato da un insieme di forme anomale rispetto al paesaggio normalmente derivato dai processi fluviali. Questa morfologia è determinata dalla solubilità della roccia nelle acque di origine meteorica e superficiale. Per questa solubilità, le acque superficiali tendono a penetrare all'interno della massa rocciosa, incidendo con tipiche forme d'erosione le rocce superficiali e creando o allargando vie di circolazione sotterranea: ne deriva la scarsità o assenza di idrografia superficiale e la creazione di un reticolo idrografico ipogeo (sotterraneo), composto sostanzialmente da condotti (grotte). Il carsismo, dal punto di vista descrittivo e delle dinamiche del territorio, è un fenomeno che riguarda soprattutto la geomorfologia, essendo in effetti caratterizzato soprattutto da forme derivate dall'erosione e da depositi di tipo chimico, e solo subordinatamente dall'accumulo di sedimenti (depositi residuali e depositi di grotta, che verranno descritti in seguito).

Questo fenomeno deriva il suo nome dalla regione del Carso triestino, dove il carsismo è stato studiato inizialmente. Sotto il nome generico di carsismo (karst nella letteratura internazionale) vengono generalmente raggruppati fenomeni esogeni di erosione prevalentemente chimica di rocce carbonatiche (calcari, calcari dolomitici, dolomie, ecc.), di alcune rocce solfatiche (gesso, anidrite) e di rocce saline di origine evaporitica[N 1] (principalmente salgemma). Questi tipi di rocce vengono attaccate in diversa misura dalle acque superficiali, soprattutto dalle acque di precipitazione meteorica, in ragione della loro solubilità. Quest'ultima varia da massima nelle rocce saline (cloruri) a minima nelle rocce carbonatiche a base magnesiaca (dolomie). I fenomeni di carsismo più importanti e diffusi sono nelle rocce carbonatiche, che da sole costituiscono all'incirca il 5% - 10% di tutte le rocce sedimentarie della crosta terrestre.

I processi[modifica]

Rappresentazione della molecola dell'acido carbonico in due dimensioni.

Il carsismo ha origine da processi di soluzione chimica, che fanno parte dei processi di alterazione meteorica della superficie terrestre. Il carbonato di Calcio (CaCO3) è un sale assai poco solubile in acqua. La sua solubilità però aumenta significativamente in presenza di anidride carbonica (CO2). L'atmosfera terrestre contiene anidride carbonica in ragione dello 0,0407% (407 parti per milione). Le molecole di CO2 reagiscono con l'acqua presente in atmosfera formando acido carbonico (H2CO3):

L'acido carbonico è instabile [N 2], quindi in realtà la reazione è lenta e il suo equilibrio è fortemente sbilanciato verso l'anidride carbonica: la proporzione dell'acido carbonico in soluzione acquosa nell'atmosfera è molto scarsa, intorno allo 0,2%.Le acque piovane quindi sono debolmente acide: la quantità di carbonato che l'acqua meteorica è in grado di dissolvere direttamente è minima.
Tuttavia l'acqua piovana, scorrendo nel terreno, viene arricchita ulteriormente in anidride carbonica derivata dall'attività biologica. Poiché gli organismi aerobici cedono CO2 mediante il metabolismo cellulare, lo strato superficiale del suolo, dove si concentra la vita, ha un'atmosfera più ricca di anidride carbonica.
Anche la degradazione della sostanza organica vegetale in presenza di ossigeno rappresenta una sorgente molto importante di anidride carbonica. Maggiore è la pressione parziale di CO2 nell’atmosfera in contatto con l’acqua, maggiore è l’assorbimento di CO2 nell’acqua stessa. Il processo è inoltre controllato dalla temperatura: una bassa temperatura favorisce la dissoluzione[N 3]: quindi l'attacco ai carbonati è più sviluppato nella stagione invernale e nei periodi freddi, soprattutto sotto la neve (entro cui possono formarsi "sacche" d'aria ricche in CO2).
Tutto ciò favorisce l'attacco chimico dei carbonati e il loro passaggio in soluzione secondo la reazione:

1)

L'equazione (1) rappresenta la fase dissolutiva del processo carsico, che dà origine alle forme d'erosione carsiche. Il carbonato acido di calcio (Ca(HCO3)2) si dissocia in acqua in ioni Ca++ e HCO3- che vengono asportati dall'acqua di dilavamento. Il materiale non disciolto (ad esempio silice e ossidi metallici) va a costituire i cosiddetti depositi residuali, sovente associati alle forme carsiche.
Un fattore molto importante nel controllo della dissoluzione del carbonato in presenza di CO2 è il PH: più il PH è basso (sbilanciato verso un ambiente acido), più CaCO3 può esistere in soluzione in forma di carbonato acido. Per questo l'ambiente acido creato dalla decomposizione della materia organica di origine prevalentemente vegetale, che dà origine a composti acidi (acidi umici e acidi fulvici), è favorevole alla dissoluzione dei carbonati.

L'acqua sotterranea, arricchita fino alla saturazione di carbonato acido di calcio, penetrando in profondità nel sottosuolo, entra in un ambiente in cui la concentrazione di CO2 può essere minore rispetto alla zona superficiale (ad esempio a causa dell'assenza di luce per la fotosintesi delle piante, e quindi della minore presenza di materia organica). Anche la minore attività biologica in profondità può fornire meno anidride carbonica al sistema. Vi può essere anche una differenza di temperatura: l'ambiente ipogeo (sotterraneo), dopo i primi metri superficiali ha tendenzialmente temperatura stabile, pari alla media della temperatura esterna durante l'anno. Inoltre, aumentando la profondità, la temperatura inizierà ad aumentare per il gradiente geotermico. Se la temperatura rispetto a quella di superficie è più elevata, la CO2 tende a liberarsi nell'atmosfera di grotta.
Anche quando l'acqua sovrassatura ritorna in superficie a valle del sistema carsico, attraverso delle sorgenti, tende a degasare, cioè a perdere la CO2 in eccesso: il processo è facilitato dalla presenza di salti morfologici, rapide o cascate. Per tutti questi motivi l'acqua, con l'allontanamento di CO2, può rilasciare il carbonato acido di Calcio sotto forma di carbonato di Calcio insolubile, secondo la reazione:

2)

L'equazione (2) rappresenta la fase costruttiva del processo carsico, che dà origine alle concrezioni di grotta, in varie forme.

Le forme carsiche di superficie[modifica]

L'attacco delle acque acidule si manifesta inizialmente nell'allargamento progressivo delle fessure delle rocce carbonatiche, dapprima in superficie poi sempre più in profondità. Linee di debolezza naturali della roccia (piani di stratificazione, fratture, faglie) costituiscono vie di accesso preferenziali alle acque superficiali e determinano in parte lo sviluppo delle forme erosive. Abbiamo una vasta gamma di forme epigee che vanno dalle dimensioni di pochi centimetri a diversi chilometri. Si distinguono microforme (di dimensioni da centimetriche a metriche) e macroforme (da una decina di metri in su).

Microforme[modifica]

Si tratta di "escavazioni naturali" nella roccia provocate dalla corrosione, chiamate con il termine collettivo di karren (in Tedesco) o lapiés (in Francese) L'associazione di varie forme singole a karren si definisce karrenfelder o, in Italiano, campi carreggiati o campi solcati. le forme sono molto varie, da sottili scanalature ad "solchi" ampi diversi decimetri e lunghi metri, a crepacci. Abbiamo forme tipo fori, impronte e vaschette.

Tutte queste forme si possono trovare isolate ma sovente tendono a riunirsi in forme composte: ad esempio le vaschette possono essere collegate a solchi a doccia che fanno da scarico dell'acqua.
Le forme che si sviluppano in profondità (fori, crepacci) si incrociano e confluiscono nella massa rocciosa facilitando la penetrazione delle acque superficiali, e sono legate a processi di speleogenesi (generazione di grotte).

Macroforme[modifica]

Doline[modifica]

Fra le macroforme carsiche è forse la più tipica, che caratterizza i paesaggi carsici. Sono forme a conca chiusa. Si riempirebbero d’acqua se pareti e fondo fossero impermeabili, e in qualche caso danno origine a piccoli laghi di dolina. Generalmente però l’acqua viene assorbita da vie di infiltrazione (che spesso sono anche quelle che hanno dato origine alla dolina stessa). I punti di infiltrazione si vedono solo di rado, perché mascherati da suolo o regolite. Il diametro di queste forme è compreso tra 10 e 1000 metri circa, e la profondità tra 2 e 200 metri. Il contorno può essere circolare, ellittico o irregolare, spesso lobato o ameboide per la coalescenza di più forme di questo tipo (uvala - in Croato: baia, avvallamento). La forma tridimensionale può essere varia a seconda del rapporto tra diametro e profondità: da forme ampie e poco profonde ("a piatto"), fino a forme a forte sviluppo verticale ("a pozzo").

Le forme più frequenti sono quelle a piatto o a ciotola, con profondità intorno 5-20 metri e diametro fino ad alcune decine di metri. Si rinvengono generalmente su superfici a bassa inclinazione (sono tipici delle morfologie ad altopiano), e decisamente rare su versanti ripidi. La densità è molto variabile e la disposizione spesso apparentemente irregolare, anche se in diversi casi tendono ad allinearsi lungo sistemi di faglie o fratture naturali o lungo avvallamenti (valli secche). Dal punto di vista della genesi, le più comuni sono quelle causate direttamente dalla dissoluzione: hanno origine da un singolo punto di infiltrazione e si allargano e approfondiscono gradualmente perché le acque tendono a concentrarsi verso il punto centrale. Doline si possono formare anche per crollo di cavità sotterranee (grotte a bassa profondità. In alcuni casi le doline si creano come infossamenti in sedimenti alluvionali soprastanti a doline in roccia, con l'accentuarsi della dissoluzione.

Talvolta il punto di infiltrazione al fondo di una dolina si evolve in una voragine profonda subverticale, definita inghiottitoio (ponor in Croato). Nella regione del Carso triestino, sloveno e istriano queste forme si definiscono foibe.

Polje[modifica]

Diagramma di un Polje.

Sono forme carsiche chiuse molto grandi, di dimensioni chilometriche e forma grossolanamente prismatica o irregolare. Polje è un termine slavo che significa campi piani; sono tipici del Carso dinarico, tra Istria, Slovenia e Croazia, anche se si trovano in tutte le aree del globo in cui si sviluppano morfologie carsiche su ampie aree. Il polje tipico presenta fondo piatto e orizzontale e versanti piuttosto ripidi; l'angolo di raccordo dei versanti con il fondo è brusco e lineare. Il fondo può presentare una sottile copertura detritica o alluvionale, che generalmente non arriva al piede dei versanti, e talvolta vi possono essere inghiottitoi (ponor). Ci possono essere rilievi residuali (hum), piccoli rilievi ripidi isolati che sorgono dal fondo piatto del polje, tendenti ad essere via via cancellati per corrosione. Nei polje attivi il fondo viene allagato stagionalmente, quando gli inghiottitoi e in generale i punti di infiltrazione non riescono a smaltire tutta l'acqua che affluisce nel bacino dalla pioggia o da eventuali sorgenti. Talora può esservi un drenaggio definito, con corsi d'acqua che attraversano il polje, avendo origine da una sorgente carsica e sparendo in un inghiottitoio. Vi sono casi in cui il fondo del polje interseca la superficie piezometrica, e quindi può formarsi un lago di polje (o lago carsico). Questi laghi non hanno corsi d'acqua superficiali come immissari o emissari. I polje sono spesso situati entro depressioni tettoniche o graben (fosse delimitate da faglie di tipo normale o distensivo in cui si ha sprofondamento della porzione di roccia tra le faglie stesse), e sovente si sviluppano al contatto tra rocce solubili e insolubili, per erosione differenziale.

Valli carsiche[modifica]

Schema delle principali macroforme d'erosione carsiche.

Nelle regioni carsiche in realtà si possono trovare valli fluviali, asciutte o con corsi d'acqua che le percorrono, che tuttavia presentano delle anomalie rispetto alla "normale" morfologia fluviale. L'azione dei processi carsici delle valli fluviali impostate su rocce solubili produce valli cieche, valli morte, valli chiuse e canyon di crollo.

  • Valle cieca. E' una valle con un corso d'acqua attivo al fondo, che non arriva a defluire alla foce in superficie perché a un certo punto l'acqua si riversa in un inghiottitoio. Si tratta in origine di una normale valle fluviale al cui fondo la corrosione apre un inghiottitoio che è in grado di assorbire tutta la portata d'acqua del fiume. Da quel momento, la parte a monte dell'inghiottitoio continua ad approfondirsi, perché l'alveo fluviale attivo è sede di erosione mentre la parte a valle viene inattivata e cessa di approfondirsi, divenendo una valle morta. Nella valle cieca tendono ad aprirsi sempre nuovi punti di infiltrazione e inghiottitoi, quindi la parte attiva della valle tende a ridursi sempre di più verso monte, poiché il fiume è sostituito gradualmente dal drenaggio carsico ipogeo.
  • Valle morta. E' una valle secca, priva di corso d'acqua, il cui fondo è caratterizzato da punti e zone di infiltrazione, esposti o ricoperti di sedimenti alluvionali e regolite, e spesso da doline e inghiottitoi. La valle morta tende a propagarsi a monte per retrocessione degli inghiottitoi (il processo descritto al punto precedente).
  • Valle chiusa. Una sorgente carsica può talora scavare a monte una forra per erosione regressiva. Questo lineamento però si chiude bruscamente in corrispondenza del punto emittente della sorgente, senza un reticolo di drenaggio sviluppato a monte che lo alimenti.
  • Canyon di crollo. E' il risultato della fusione di più pozzi di crollo, di solito allineati lungo una direttrice strutturale di una certa importanza (faglie o fratture). Spesso caratterizzato da ponti naturali come residui della volta crollata.

Le forme carsiche sotterranee[modifica]

Forme d'erosione[modifica]

Come abbiamo visto, le forme epigee, quello che si vede dall'esterno del paesaggio carsico, costituiscono in realtà l'interfaccia di scambio d'acqua tra la superficie e il reticolo idrografico sepolto che caratterizza le aree carsiche (forme ipogee). Solo una piccola parte di queste "vie d'acqua" è accessibile all'uomo. Il termine che viene associato nell'accezione comune a tutto questo è grotte. I principali processi che determinano la formazione delle grotte sono:

  1. L'azione di corrosione chimica delle soluzioni acquose: corrosione e riprecipitazione del carbonato.
  2. L'azione meccanica dell'acqua e dei detriti da essa trasportati: erosione e deposizione di materiali (ghiaie, sabbie, argille).
  3. L'azione delle gravità: crolli di materiale da volte e pareti di grotte già formate e accumulo di detriti di frana.

Dal punto di vista della morfologia si possono distinguere:

Schema illustrativo delle morfologie carsiche ipogee.
  • gallerie: condotti carsici da suborizzontali a debolmente inclinati.
  • pozzi, camini e abissi: condotti carsici subverticali o ad elevata inclinazione.

Dal punto di vista funzionale, queste cavità possono essere:

  • praticamente prive d'acqua (ad eccezione dei periodi di pioggia). Siamo nella zona di percolazione o zona vadosa, in cui l'acqua di infiltrazione normalmente non satura i vuoti della roccia, che sono prevalentemente riempiti d'aria. Abbiamo stillicidio (gocciolamento d'acqua da volte e pareti), scorrimento di veli d'acqua sulle pareti e scorrimento di rigagnoli sul fondo. In questa zona abbiamo il massimo assorbimento d'acqua durante le precipitazioni atmosferiche. Qui si depositano la maggior parte delle concrezioni e abbiamo deposizione di sedimenti e depositi di crollo.
  • con acqua più o meno abbondante, ma con periodi di inondazione completa o in cui sono temporaneamente asciutte (gallerie anfibie). Siamo in una zona con caratteristiche intermedie, o zona di trasferimento in cui abbiamo stillicidio abbondante (infiltrazione concentrata d'acqua) e scorrimento di correnti d'acqua consistenti sul fondo.
  • sempre sature d'acqua. Siamo nella zona freatica, sotto il livello della falda acquifera. Qui l'acqua si muove sotto pressione nei condotti. Non abbiamo concrezioni né depositi di sedimento.

All'interno di un sistema carsico, procedendo dall'alto verso il basso, passeremo da cavità asciutte o con stillicidio, a cavità via via più ricche d'acqua, fino a cavità inondate permanentemente. Ai diversi caratteri idrologici corrisponde anche una successione ideale di morfologie diverse.

Da quanto detto finora, si comprende che generalmente un sistema carsico sotterraneo nel corso della sua evoluzione generalmente passa per tre fasi:

  • Fase giovanile, in cui il sistema è in condizioni freatiche (in pressione); i fenomeni di dissoluzione sono predominanti e il sistema si dice attivo.
  • Fase matura, in cui il sistema è in condizioni vadose, in cui abbiamo sia fenomeni di erosione e dissoluzione, sia di deposito e precipitazione, e il sistema è ancora in gran parte attivo.
  • Fase senile, in cui il sistema è prevalentemente in condizioni aerate, e prevalgono i processi di crollo e riempimento; in questa fase il sistema è sostanzialmente inattivo.

Questa sequenza di fasi è legata al progressivo abbassamento della falda acquifera nella massa di roccia carbonatica, con il progredire della speleogenesi.
Con l'andare del tempo, le cavità carsiche finiscono per riempirsi completamente di sedimenti; il sistema carsico è quindi ormai fossile. Grotte fossili (paleocarsiche) si possono riconoscere su pareti rocciose artificiali o naturali, e testimoniano antichi episodi di carsificazione (paleocarsismo).

Forme di deposito[modifica]

Nell'evoluzione delle grotte hanno una parte importante i fenomeni di riempimento, per opera dei tre principali processi già descritti.
Possiamo avere depositi provenienti dall'esterno del sistema (anche da fuori dall'area carsica), che possono essere anche di composizione terrigena. Abbiamo depositi residuali (le già ricordate terre rosse). Un altro molto comune nelle grotte è la sostanza organica: si tratta di guano, ovvero escrementi di animali appartenenti alla fauna cavernicola, come i pipistrelli, e le loro ossa. Ossa di animali possono spesso però essere alloctone, cioè portate dall'esterno per opera delle acque (o appartenenti ad animali caduti accidentalmente nel sistema carsico): un esempio può essere lo scheletro dell' uomo di Altamura (un esemplare di Homo neanderthalensis), conservato in concrezioni carsiche (Grotta di Lamalunga, presso Altamura, in Puglia).
Le forme di concrezioni (gli speleotemi) sono molto varie. Le più comuni sono:

Le più comuni concrezioni di grotta; a) stalattiti; b) stalattiti tubolari o cannule (stalattiti incipienti); c) stalagmiti; d) stalagmiti a cupola o a piatti rovesciati; e) colonne; f) vele; g) cortine o drappi; h) stalattiti eccentriche o elictiti; i) latte di grotta; j) vaschette con dighe di concrezione (gours); k) concrezioni monocristalline; l) concrezioni a colata; m) rete di fratture; n) pozze.
  • Stalattiti. Forme cilindriche o coniche pendenti dalla volta, con morfologie molto varie, da tozze a molto sottili, lunghe da pochi centimetri a diversi metri. Le stalattiti iniziano a formarsi dall'acqua che esce da una frattura o microfrattura della roccia: si forma prima un tubicino (cannula) con diametro pari a quello delle gocce d'acqua che lo generano, attraverso il quale scorre l'acqua che gocciola all'estremità distale. Col tempo il continuo deposito ostruisce il tubicino e l'acqua che fuoriesce alla base scorre sulla sua superficie esterna iniziando a depositare strati concentrici di carbonato intorno al tubicino, che si ispessisce e si allunga a formare la stalattite. Si possono formare stalattiti eccentriche o elictiti: forme ramificate e in alcuni casi con punte rivolte verso l'alto: queste forme possono essere il risultato di deposizione da parte di microfratture in cui l'acqua è in pressione ed esce a spruzzi, oppure da deposizione sotto l'azione di correnti d'aria. Talvolta, quando le gocce d'acqua non cadono direttamente ma scorrono per un certo tratto sulla volta, il loro deposito forma delle cortine o vele.
  • Stalagmiti. Forme simili alle precedenti ma rivolte verso l'alto, con la base sul fondo della grotta. Possono essere di varia forma anche queste, e in alcuni casi possono raggiungere altezze notevoli (alcune decine di metri). Sono costruite per opera delle gocce che impattano sul pavimento cadendo dalla volta: queste depositano una sottile pellicola di carbonato che si accresce a strati in altezza. La loro struttura, più che concentrica, è a "cupole sovrapposte", per il tipo di deposizione. Talora la lamina di carbonato può prolungarsi oltre l'orlo della formazione, dando luogo a morfologie particolari (somiglianti a pile di piatti rovesciate, foglie etc.).
  • Colonne. Si formano per incontro del prolungamento verso il basso delle stalattiti e crescita verso l'alto delle stalagmiti.
  • Croste concrezionali. Ricoprono le pareti dei vani, prolungandosi sul pavimento con morfologie a colata, formate dalla deposizione da parte di veli d'acqua, oppure per impatto di gocce o spruzzi "di rimbalzo" per venute d'acqua dalla volta o da cascate e cascatelle.
  • Barriere. Si tratta di "dighe" composte da concrezione che formano serie di vaschette pensili. Queste serie di dighe sovrapposte possono raggiungere altezze di diversi metri. La precipitazione avviene solo in corrispondenza della soglia della vaschetta per degassazione causata dalla minima turbolenza dovuta alla tracimazione dell'acqua.
  • Pisoliti (o perle di grotta). Si tratta di concrezioni libere (cioè non ancorate al substrato), di forma subsferica o ellissoidale, di dimensioni da millimetriche a centimetriche (fino a una quindicina di centimetri). Sono costituite da lamine concentriche di carbonato cresciute intorno ad un nucleo di cristallizzazione, che può essere un granello di sabbia o un frammento vegetale o di osso. Si trovano tipicamente in vaschette.
  • Latte di grotta o latte di monte. Si tratta di aggregati microcristallini di carbonato che ricoprono le pareti come patine, di consistenza plastica se idratati, di colore bianco-latteo (di qui il nome) o bianco-giallastro. Nel passato il latte di monte si raccoglieva nelle "grotte lattarie" (nelle regioni del Carso) per somministrarlo alle puerpere perché si credeva che ne migliorasse il latte (questa pratica è durata in talune zone fino all'inizio del secolo scorso).
  • Cristalli. Da acque molto sovrassature e calme, per evaporazione progressiva, il carbonato può precipitare direttamente in macro-cristalli, con orientazione casuale e abito cristallino ben delineato o compenetrati.

I tempi di formazione sia delle stalattiti sia delle stalagmiti sono lunghissimi, si parla infatti di centinaia e migliaia di anni.

I fattori di rischio ambientale[modifica]

I fenomeni gravitativi[modifica]

Abbastanza ovvio è il rischio, da parte di persone o animali di cadere entro le aperture che si aprono verso l’esterno del sistema carsico. Per questo gli elementi del paesaggio carsico come doline, inghiottitoi, grotte etc. devono essere riconosciuti, inventariati e debitamente segnalati come fonti di pericolo. Esiste un Catasto nazionale delle Grotte d’Italia, disponibile online.

Inoltre, come già detto, la parte superficiale di un sistema carsico è affetta da processi di crollo dovuti al progredire della dissoluzione (frane da crollo o da sprofondamento). Si tratta in genere di fenomeni localizzati, a meno di eventi sismici rilevanti che possono provocare crolli diffusi. A parte il caso fortuito in cui questi fenomeni coinvolgano persone penetrate entro le grotte del sistema carsico, questo tipo di rischio può essere consistente quando vi sono manufatti, impianti, infrastrutture (strade, ferrovie) o abitati che insistono su un terreno carsico e che possono essere coinvolti dallo sprofondamento di settori del sistema carsico sotterraneo, o che possono essere interessati da crolli di pareti rocciose carsificate.

I caratteri e i problemi degli acquiferi carsici[modifica]

Le falde acquifere contenute in rocce carbonatiche (calcari, dolomie) hanno caratteristiche di porosità e permeabilità molto diverse rispetto a quelli costituiti da rocce terrigene (sabbie, arenarie).

Nelle rocce carbonatiche, molto sensibili all’alterazione di tipo chimico, dopo la deposizione e il seppellimento, con l’aumento progressivo della pressione e della temperatura e l’aggressività sempre maggiore delle soluzioni acquose circolanti nei pori, avvengono una serie di fenomeni di dissoluzione, riprecipitazione e ricristallizzazione (crescita di cristalli di calcite o dolomite), che riducono drasticamente la porosità, e la permeabilità. Quando queste rocce vengono di nuovo in affioramento a causa dei movimenti tettonici, si crea una porosità secondaria dovuta sia alle discontinuità di origine tettonica (faglie, fratture e microfratture), sia ai fenomeni carsici di dissoluzione. Questa porosità è caratterizzata da alta permeabilità, a causa delle dimensioni notevoli dei vuoti, dell’ordine anche dei metri. In queste condizioni, l’acqua si sposta prevalentemente (e molto velocemente) nella porosità secondaria e soprattutto nei sistemi di cavità carsiche. Per questi motivi i sistemi carsici hanno una risposta molto rapida agli apporti meteorici[N 4], simile a quella dei corsi d’acqua superficiali, e una scarsa capacità di filtrazione (per le grandi dimensioni dei meati in cui l’acqua si muove).

Per studiare i tempi e le modalità di risposta di un sistema carsico agli input di acque superficiali è necessario conoscere con buona confidenza i punti di uscita (la zona di emergenza) del sistema stesso, di solito sorgenti o fiumi carsici. La zona di emergenza e i punti di controllo vengono generalmente individuati mediante sostanze traccianti artificiali (chimici, ottici, isotopici, non inquinanti), immessi a monte in punti opportuni (pozzi artificiali, torrenti sotterranei…). Una volta individuate le stazioni di misurazione, vengono registrati i tempi tra l’inizio dell’episodio di pioggia e la fuoriuscita del tracciante dai punti di emergenza. Parallelamente, vengono registrati altri parametri; ad esempio: portata, temperatura, torbidità, durezza (misura del contenuto in carbonato), conducibilità elettrica, concentrazione di microrganismi.

In generale, le sorgenti carsiche sono caratterizzate da una certa variabilità e da un'ampia escursione stagionale della portata, soprattutto quelle che hanno alle spalle un sistema dominato da condotti carsici, mentre le sorgenti che derivano da un reticolo più diffuso (in cui prevalgono le fratture) hanno maggiore continuità e costanza nelle portate (anche se le portate possono essere quantitativamente limitate).

La ricostruzione dei flussi all’interno del sistema carsico ha notevole importanza per l’accertamento della qualità delle acque e l’approvvigionamento idrico per le popolazioni locali. E’ infatti evidente che la rapidità di flusso all’interno dei sistemi carsici e la loro bassa capacità di filtrazione sono anche causa della loro vulnerabilità all’inquinamento. Inoltre l’ecosistema di grotta, presente sia nella parte superficiale del sistema carsico che in quella profonda con adattamenti peculiari, è estremamente fragile e vulnerabile.
Le sostanze inquinanti possono essere di tipo urbano (rifiuti solidi, materiali plastici e organici, idrocarburi, derivati da reti fognarie e discariche abusive) e di tipo agricolo (pesticidi e fertilizzanti dilavati dalle acque meteoriche). I fiumi allogenici (provenienti da aree esterne alla regione carsica) possono avere un ruolo notevole nell’apporto di inquinanti all’interno del sistema carsico, tanto più difficile da controllare in quanto spesso l’inquinamento proviene da aree a diversa giurisdizione.
Inoltre, l’inquinamento non è dovuto soltanto all’apporto diretto delle acque superficiali. Infatti per le caratteristiche di sedimentazione e deposizione chimica all’interno di questi sistemi le sostanze inquinanti tendono ad accumularsi con le concrezioni e i depositi, permanendovi anche a lungo inalterate per la relativa stabilità delle condizioni di temperatura e l’ambiente protetto dal vento e dalle intemperie, per infiltrarsi lentamente in profondità o essere rimesse subitaneamente in circolo in seguito ad eventi di piena particolarmente intensa o crolli o altri eventi erosivi.
Il turismo e l’escursionismo, infine, sia occasionale che speleologico, per quanto possa essere una risorsa talora non indifferente per l’economia locale, se non monitorato e regolato attentamente può contribuire ad alterare le condizioni climatiche e l’atmosfera all’interno delle grotte, influendo negativamente sulle condizioni di deposizione chimica, con rifiuti e sostanze inquinanti, con vandalismi, con l’introduzione di specie esterne invasive.

Approfondimenti[modifica]

  1. Approfondimento: quando i fiumi entrano in una zona carsica
    Schema di valle allogenica di un corso d'acqua che scorre su un territorio carsico provenendo da un'area con rocce non solubili. In rosso le rocce insolubili, che in questo esempio giacciono stratigraficamente sotto quelle solubili.

    Il fiume che attraversa un territorio carsico può avere origine in un'altra area, area caratterizzata da rocce non solubili. In tal caso, si tratta di una valle allogenica (letteralmente: che ha origine altrove). Entrando in un'area carsica, il corso d'acqua può dare origine ad una o più delle morfologie già descritte. Al confine tra le due aree possono impostarsi diversioni del canale principale (che tende a sovraescavare al contatto tra le rocce solubili e non), forme a polje e inghiottitoi, a seconda del tipo di contatto tra le due formazioni rocciose.
    Nel tratto di attraversamento, generalmente gli affluenti superficiali perdono di importanza o cessano di alimentare il corso d'acqua principale: spesso si riducono a piccole valli secche "sospese" sopra la valle principale, in rapido approfondimento per la maggiore erosione concentrata nel fondovalle. Lo stesso corso d'acqua principale inizia a subire perdite consistenti d'acqua da punti di infiltrazione sul fondo, e può ridursi, come già visto, ad una valle cieca. Il fiume può proseguire nel sottosuolo, come fiume sotterraneo, con un alveo ipogeo.
    Le diversioni fluviali da parte dei condotti carsici possono riversare le acque di corsi d'acqua superficiali in altri fiumi più a valle, anche in bacini idrografici diversi, oppure disperderle nel territorio attraverso un reticolo di condotti da cui riaffiorano in superficie come sorgenti. E' il caso di fiumi anche importanti, come il Danubio in Germania meridionale, nel comune di Immendingen, regione del Baden-Württemberg, ove scompare nel terreno carsico e alimenta in parte sorgenti e fiumi del bacino del Reno) e il Timavo (tra Croazia, Slovenia e Friuli). Quest'ultimo Nasce (con il nome Reka, che significa semplicemente "fiume") in Croazia da una sorgente carsica, si inabissa nelle Grotte di San Canziano in Slovenia e percorre 39 chilometri in alveo ipogeo per riapparire in territorio italiano presso il Golfo di Trieste e sfociare nel Mare Adriatico dopo circa due chilometri.

  2. Approfondimento: Opere di difesa verso i crolli di cavità e pareti carsiche
    Il fenomeno va innanzitutto individuato e mappato: a questo scopo si applicano metodi di prospezione diretta (rilevamento geologico di superficie, sondaggi meccanici) e indirette (prospezioni geofisiche di tipo georadar, geoelettrico, sismico a rifrazione). Gli interventi a difesa, una volta mappato e delineato il livello di rischio, vertono principalmente sul consolidamento del terreno interessato dal fenomeno, con metodologie che dipendono principalmente dall’estensione delle cavità sotterranee e dallo stato di degrado della roccia.
    • intasamento delle cavità ipogee con materiali inerti (naturali o artificiali) e/o calcestruzzo drenante (per evitare l'accumulo di sovrappressioni); questo tipo di soluzione è praticabile solo per volumi abbastanza ridotti e se l’estensione volumetrica delle cavità è ragionevolmente conosciuta.
    • Realizzazione di impalcati di sostegno in calcestruzzo armato.
    • Iniezione di miscele cementizie o resine per impermeabilizzazione e consolidamento.
    • Palificazioni: pali ancorati nel terreno stabile al di sotto delle cavità superficiali.
    Se Il fenomeno carsico interessa pareti in roccia, gli interventi comprendono oltre ad iniezioni di consolidamento opere di difesa paramassi
  3. Approfondimento: idrologia delle sorgenti e dei fiumi carsici
    La curva di variazione nel tempo della portata ad una certa stazione (idrogramma) viene confrontata con le variazioni degli altri parametri. Nell’esempio generale proposto, vediamo un idrogramma riportato insieme al pluviogramma (o ietogramma) che fornisce la distribuzione della quantità di pioggia nel tempo. Si vede che il tempo di ritardo del picco di piena rispetto al picco di pioggia è molto breve. Inoltre sono riportati altri parametri:
    • la torbidità (solidi in sospensione)
    • la concentrazione di microorganismi
    • la durezza dell’acqua (contenuto in CaCO3)
    Esempio generale di idrogramma di piena per una sorgente carsica (conseguente ad un episodio pluviale), con la variazione di parametri chimici e biologici durante il deflusso dell'onda di piena. Nell'esempio a destra si vede un idrogramma in cui sono distinguibili in base alla pendenza del ramo di deflusso i contributi delle parti del sistema carsico corrispondenti ai condotti (gallerie) e al reticolo di fratture.

    Il tempo t0 corrisponde all'inizio delle precipitazioni. L’inizio del picco di piena (t1 – t2) corrisponde alla venuta delle acque accumulate nel reticolo carsico della zona freatica, spinte avanti verso la zona di emergenza dalle acque di piena. Sono acque ricche in CaCO3, e infatti la durezza non varia significativamente. Con l’incremento della piena (t2 – t3) arrivano le acque accumulate nella zona vadosa: la durezza diminuisce, mentre inizia ad aumentare la torbidità, insieme al contenuto in microorganismi portati dalla parte superficiale del sistema carsico. Successivamente (a partire da t3) arrivano le vere e proprie acque meteoriche che hanno attraversato velocemente tutto il sistema spazzando via parte del materiale dei depositi superficiali e causando un aumento ulteriore della torbidità. La portata di piena diminuisce poi gradualmente nella fase di deflusso, mentre si ripristinano i valori degli altri parametri (t4) alle condizioni originarie.
    Altri parametri addizionali possono essere registrati, come la temperatura (che generalmente tende a decrescere con l’arrivo delle acque di infiltrazione dall’esterno), e la conducibilità elettrica (che dipende dall’attività ionica delle soluzioni, quindi tende a diminuire con il picco di piena a causa della minore presenza di sali nelle acque piovane). Questa sequenza di eventi è stata verificata da numerosi studi, anche se non è sempre rispettata in tutti i suoi punti, perché il comportamento del sistema carsico è determinato da molti fattori, relativi sia all’entità e alla distribuzione nel tempo delle precipitazioni, sia alla distribuzione spaziale del reticolo di fratture e condotti.
    La pendenza del picco di piena nella fase di deflusso è indicativa dei diversi contributi nell’ambito del reticolo carsico: così il tratto a maggior pendenza indica il contributo del sistema di condotti (da cui l’acqua defluisce molto rapidamente), mentre il tratto a pendenza minore indica il contributo del sistema diffuso di fratture (in cui l’acqua di piena defluisce più lentamente). Vi possono essere più colmi di piena dovuti alle fluttuazioni pluviometriche oppure alla complessità interna del sistema carsico, con diversi rami drenanti, che causa irregolarità e ritardi nel deflusso.

Note[modifica]

  1. Rocce originatesi dalla deposizione di sali minerali derivati da acque marine o continentali interessate da intensa evaporazione in bacini privi o con scarso ricambio d'acqua. L'evaporazione, diminuendo il volume di acqua fa aumentare la concentrazione dei soluti al di sopra del valore massimo di saturazione, con conseguente precipitazione dei sali.
  2. Secondo la regola di Erlenmeyer (dal nome di un chimico tedesco), composti con più di un gruppo ossidrilico su uno stesso atomo di Carbonio non sono stabili. Il motivo è la maggiore energia di legame di un doppio legame carbonio-ossigeno rispetto a due singoli legami CO e la repulsione reciproca degli atomi di ossigeno che sono spazialmente adiacenti.
  3. Ad esempio, il coefficiente di solubilità della CO2 è di 1713 cm3/l a 0 °C, mentre è di 665 cm3/l a 30 °C.
  4. Questo, per inciso, è il motivo per cui è molto pericoloso trovarsi entro un sistema di grotte mentre piove (durante un temporale estivo ad esempio), perché le gallerie possono allagarsi molto rapidamente. I sifoni asciutti in particolare possono allagarsi completamente in breve tempo e intrappolare persone in gallerie o sale, soggette ad ulteriore allagamento.

Bibliografia[modifica]

Le informazioni contenute in questo capitolo sono tratte dai testi seguenti:

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