7.4 Carsismo

A.A.Cigna, "Alcune considerazioni preliminari sulla erosione per cavitazione", Le Grotte d'Italia, 11 (1983) p. 479-486.
L.Piccini, "I fattori geologici nella speleogenesi in rocce carbonatiche", Speleologia, n.41 (1999) p. 93-99.
Ph.Audra, "Le role de la zone epinoyee dans la speleogenese", 12-th Int. Congress of SPelelology, Vol. 1, p. 165-167, 1997.

Cominciamo con la definizione di sistema carsico. Un sistema carsico e` un sistema integrato di trasferimento di massa in rocce solubili con una struttura di permeabilita` dominata da condotti di dissoluzione della roccia e organizzata per facilitare la circolazione del fluido. [FIXME: commenti ?]

Lo studio di un sistema carsico e` molto complesso e richiede una grande attenzione a molti dettagli, reperibili con osservazioni sul campo o in grotta, analisi di laboratorio, informazioni rilevate da istituti, e ricerche bibliografiche:

• dati climatici: insolazione, precipitazioni
• dati idrometrici: posizione e portata delle risorgenze e delle perdite (entrambe sia perenni che temporanee)
• dati idrochimici: analisi fisico-chimiche delle acque, test con traccianti
• dati speleologici: elenco di cavita` e loro circolazione idrica
• dati geologici: analisi strutturale e litologica delle roccie (carte geologiche ed osservazioni in situ), per risalire alla geometria delle condizioni al contorno del sistema
• dati antropici (inquinamento)
• dati idrogeologici (studi universitari)

I sistemi carsici possono essere schematizzati in base alla organizzazione spaziale e alla idrogeologia (circolazione delle acque):

• epicarso, zona superiore di assorbimento superficiale;
• zona di trasferimento verticale
• zona epifreatica
• zona di trasferimento orizzontale
• falda allagata

Epicarso

Gli agenti atmosferici (di cui l adissoluzione ha un ruolo predominante) ed il rilascio degli sforzi comporatno che la parte superiore ha condizioni di permeabilita` diverse rispetto alla roccia in profondita`. Il rilascio degli sforzi produce allargamento di fessure esistenti, quando e` lento, e formazione di nuove, se e` veloce. Questo produce delle condizioni iniziale per la permeabilita` distinte da quelle della roccia sottostante. Il numero delle fessure decresce con la profondita`, fino alla zona vadosa, dove iniziano i condotti verticali.

La capacita` di accumulo d'acqua dell'epicarso dipende dal numero dei condotti della zona vadosa e dalla porosita` dell'epicarso. Essa diminuisce con l'evoluzione dell'epicarso.

Sulle aree carsiche il flusso superficiale e` generalmente scarso, e l'acqua scorre all'interno dell'epicarso, concentrandosi verso le fessure che portano alla zona vadosa, in cui il flusso si focalizza nei condotti verticali (percolazione rapida). Questa acqua risulta sottosatura e quindi aggressiva. C'e` anche una percolazione lenta dall'acquifero epicarsico verso la zona vadosa, pero` questa acqua e` sovrassatura (dato che rimane a lungo nell'epicarso). Tale flusso da` un contributo minore al sistema carsico.

La concentrazione del flusso alla base dell'epicarso genera i pozzi della zona vadosa alta. La percolazione nell'epicarso sopra un pozzo e` piu` veloce che altrove. Cio` favorisce l'allargamento delle fessure e una maggior carsificazione, con la formazione di karren, doline di collasso, e ingressi a pozzo.

I pozzi della zona vadosa alta si allargano per dissoluzione delle pareti: l'acqua passando in condizioni aperte diventa piu` aggressiva. Piu` in profondita` anche l'erosione diventa rilevante. Pozzi di origine tettonica terminano con laminatoi interstrato, o meandri lungo fessure verticali. Pozzi epicarsici hanno il fondo generalmente con massi crollati. Relativamente pochi permettono di accedere alle parti profonde.

L'epicarso ha un ruolo fondamentale nell'intrappolare il vapor acqueo di condensazione. Nella stagione calda prevale il flusso entrante e il vapore condensa nell'epicarso. Nella stagione fredda, l'aria uscente si raffredda passando nell'epicarso dove il vapore viene condensato.

7.4.1 Caratteristiche dei paesaggi carsici

Nelle regioni temperate i paesaggi carsici sono caratterizzati da una grande aridita`; la superficie rocciosa e` lavorata dall'acqua e notevolmente fessurata. La forme esterne sono:

• mancanza di idrografia superficiale,
• conche di assorbimento (doline), inghiottitoi, e pozzi,
• eventuali valli incise con pareti ripide (forre)
• conche chiuse di grandi dimensioni (polje) con depositi alluvionali ed eluvionali (residui insolubili dell'erosione carsica - terre rosse),
• campi solcati, con scannellature, solchi (docce), vaschette di corrosione, fori carsici, crepacci e lame.

Le doline (o polje) sono depressioni il cui fondo e` spesso coperto da depositi insolubili (terre rosse). L'acqua meteorica riempie queste depressioni e defluisce attraverso aperture (ponor) vicine alle pareti. La forma delle doline dipende da molti fattori, varia da una forma ad imbuto ad una forma a fondo piatto con bordi ripidi. Si hanno:

• doline di dissoluzione, generatesi per dissoluzione attorno a punti in cui il drenaggio e` inizialmente facilitato. Quando gli strati sono orizontali le doline di dissoluzione hanno forma tondeggiante e fondo piatto. Se gli strati sono inclinati la doline presentano una forma allungata con un versante piu` scosceso nella direzione di affondamento degli strati. In calcari potentemente stratificati e compatti la dissoluzione e` concentrata, per cui si forma una ristretta zona di assorbimento (dolina a pozzo). Sui versanti a monte prevale l'attivita` di dissoluzione mentre a valle si accumulano i riempimenti.
• doline di dissoluzione subdetritica si formano con la dissoluzione dei calcari sottostanti a depositi (alluvionali o morenici).
• doline di crollo causate dal crollo di una sottostante cavita`, per motivi tettonici, tellurici, o cedimento meccanico. Quando gli strati sono orizzontali si ha generalmente una forma tondeggiante. Se i materiali di crollo non arrivano a riempire la cavita` si hanno doline a forma di clessidra. Nel caso di strati inclinati, il crollo avviene con scivolamento degli strati verso l'interno (dislocazione).

Gli inghiottitoi (o grotte assorbenti) si trovano spesso alle estremita` di piccole valli incise nel paesaggio (valli cieche).
Le sorgenti sono punti in cui l'acqua esce dall'acquifero sotterraneo in flussi concentrati o diffusi. Queste si trovano solitamente a monte di profonde incisioni (forre).
I campi solcati, o karren, sono campi di pietra con fosse allineate su grandi fratture e pozzi a neve. Superficialmente si possono trovare canali, detti docce (v. figura), incisioni (sovente sinuose) della roccia dovute allo scorrimento dell'acqua piovana. La profondita` e l'affilatura dei setti divisori e` indice del grado di purezza del calcare. Sui lati dei setti divisori si possono formare solchi secondari.
Gli abissi (pozzi verticali) e i pozzi a neve si formano per sprofondamento di vuoti sottostanti, corrosione ed erosione, e per approfondimento del nevaio.
I pilastri (o torrioni) sono residui di erosione di gran parte di un massiccio. La loro origine e` probabilmente dovuta alla presenza di blocchi piu` compatti e quindi piu` resistenti alla dissoluzione, oppure alla presenza di coperture che hanno protetto i sottostanti calcari.
Uvale sono grosse depressioni allungate e piu` o meno ramificate, i cui bordi sembrano cerchi compenetrantesi. Hanno forma lineare quando le doline sono allineate lungo una frattura predominante. Sono formate da piu` doline che crescendo si uniscono. La doline a dimensioni maggiori sono quelle che catturano le altre piu` piccole.
Polije sono grossi avvallamenti di dimensioni chilometriche in cui non esiste una idrografia ben sviluppata poiche` l'acqua tende ad inoltrarsi nel sottosuolo. Possono allagarsi temporaneamente in condizioni di grande apporto di acque meteoriche.

7.4.2 Tipologia delle cavita`

Le cavita` si distinguono in

• cavita` tettoniche,
• di sfondamento,
• di assorbimento,
• di emissione (risorgenze).

I pozzi di sfondamento sono dovuti al crollo degli strati causati dalla erosione, dal di sotto, da parte dell'acqua. Hanno una forma a cupola sormontata da un cono di sfondamento.

Le cavita` di assorbimento sono il risultato di infiltrazione di acqua lungo percorsi che andarono ampliandosi, per erosione e dissoluzione, col tempo. Sono essenzialmente dovute alla corrosione chimica [FIXME e meccanica ?] dell'acqua.

7.4.3 Formazione delle grotte

La formazione delle cavita` viene descritta dal termine speleogenesi. Il riempimento delle cavita`, con depositi meccanici (sedimenti), chimici (concrezioni), e biologici (guano) viene descritto col termine speleopoiesi.

Il principale agente carsogeno di dissoluzione e` l'acqua. La quantita` di precipitazione annua e` il fattore piu` importante che determina il tasso di ablazione, cioe` quanta roccia viene corrosa all'anno (si misura in m<sup>3</sup>/km<sup>2</sup>anno). La presenza di vegetazione e` un essenziale catalizzatore della dissoluzione in quanto l'acqua puo` sciogliere il calcare solo se e` ricca di anidride carbonica. Un terzo elemento essenziale per la formazione di grotte e` la presenza del rilievo. L'acqua deve avere sufficiente energia per drenare i residui della dissoluzione. La dissoluzione carsica produce residui e riduzione del rilievo. Entrambi questi fattori concorrono a inibire la carsificazione.

La deformazione delle rocce carbonatiche compatte e rigide provoca la formazione di un fitto reticolo di microfratture che rendono la massa rocciosa permeabile. Anche se di dimensioni microscopiche il loro volume e` grande ed esse costituiscono il serbatoio idrico di un massiccio carsico. L'acqua circolando fra le fratture dissolve la roccia e le allarga. A questo punto si innesca un processo di selezione, per cui l'acqua tende a scorrere nelle fratture piu` grandi favorendone l'ulteriore allargamento. In tal modo si creano i condotti (gallerie).

L'evoluzione di un sistema carsico e` un problema molto complesso. Dal punto di vista idrico un sistema carsico si trova in una condizione di quasi-equilibrio con le zone circostanti (valli alluvionali, laghi, mare). Il livello di base puo` salire o scendere a seconda dell'evoluzione geologica del sistema (emersione del massiccio, erosione), e del clima generale. La rete dei condotti di un sistema carsico puo` presentare dunque vari livelli di sviluppo, corrispondenti a differenti fasi della evoluzione della roccia. I livelli piu` elevati sono in genere livelli fossili, piu` antichi e meno interessati dal flusso attuale, quelli piu` profondi, piu` recenti e allagati. Pero` puo` anche avvenire un riempimento con depositi dei livelli profondi con un ringiovanimento di antichi livelli superiori, o uno sviluppo di livelli superiori.

Le morfologie delle diverse zone di un sistema sono:

• zone di assorbimento. In questa zona la roccia risulta decompressa, con fessure aperte. L'acqua presente e` ricca di CO<sub>2</sub>, quindi la dissoluzione e` intensa, lo scorrimento prevalentemente verticale, attraverso molte fratture e piccoli condotti. Questa zona puo` accumulare molta acqua tamponando le precipitazioni violente.
• zona di trasferimento verticale; con pozzi a campana, erosi e scavati (scallops e marmitte) dall'acqua. I pozzi sono spesso collegati da meandri. I condotti fossili sono ingombri di depositi (argilla, sabbia, ghiaia) e concrezioni. Possono esserci anche frane.
• zona di trasferimento orizzontale aerato (vadoso); generata probabilmente dall'alterno regime di piene per erosione meccanica ed idraulica. Le gallerie in cui l'acqua scorre a pelo libero sono piu` alte che larghe, con la parte alta piu` grossa (generatasi in regime di conduzione forzata). Possono presentare scallops sulle pareti (le dimensioni degli scallops sono inversamente proporzionali alla velocita` dell'acqua)
• zone allagata permanentemente (freatico, dal greco frear, pozzo); anche in questa zona l'acqua puo` essere corrosiva, o perche` arriva non satura di calcite o perche` le condizioni fisiche (temperature e pressione) cambiano. I condotti allagati (condotte forzate) sono pressoche` cilindrici ( singenetici). Quando il fondo e` riempito da detriti possono dar luogo a incisioni meandrizzanti a forma di 'U' rovesciata osservabili sui soffitti della galleria, detti canali di volta (condotti paragenetici).
• zona epifreatica; e` la regione intermedia fra la zona freatica e quella vadosa. Corrisponde alle oscillazione del livello dell'acqua nella falda dovute all'alternarsi dell'apporto idrico con periodi di piena e magra. E` pertanto alternativamente allagata o libera dall'acqua, ed e` caratterizzata da una forte dissoluzione chimica ed erosione meccanica.

Nelle regioni carsiche coperte di doline l'acqua penetra lentamente e dissolve la roccia superficiale. Quindi arriva nella zone di trasferimento verticale ricca di carbonati e deposita molte concrezioni quando la CO₂ lascia la soluzione al contatto con l'aria. Sui campi solcati l'acqua penetra velocemente in profondita` dove crea pozzi a diaclasi.

Nell'erosione in regime freatico le condotte sono completamente allagate, e la dissoluzione ha luogo su tutta la superficie del condotto. La crescita della galleria avviene in modo uniforme, con differenziamenti dovuti solo a disomogeneita` della roccia (per esempio, giunti di strato). Pertanto la condotta tende ad assumere una forma rotondeggiante o ellissoidale.

Nell'erosione di tipo vadoso l'acqua scorre nella parte bassa della galleria e ne produce un continuo approfondimento, e la galleria assume una forma approfondita, con una sezione verticale piu` o meno regolare a seconda delle disomogeineita` della roccia.

La zona epifreatica e` particolarmente importante per la formazione di grossi condotti. Essa viene sommersa in occasione di piene in cui l'apporto di acqua non riesce ad essere smaltito dai condotti della falda sottostante. Queste acque contengono pochi sali disciolti poiche` hanno attraversato il sistema velocemente, e sono quindi molto aggressive ed dissolvono la roccia per dissoluzione chimica. La messa in carico (dovuta alla presenza dell'acqua) provoca anche un allargamento delle porosita` della roccia (gli sforzi meccanici vengono, in parte, trasmessi all'acqua [FIXME : ma la superficie dei condotti non e` decompressa ???]), facilitando il movimento dell'acqua dentro e fuori dalla roccia, e aumentando quindi gli effetti della corrosione. A tutto cio` si deve aggiungere l'effetto di erosione meccanica dovuto alle particelle trasportate dall'acqua in sospensione. Infine durante il deflusso della piena le pareti sono ricoperte da una pellicola di acqua che si trova a contatto con un ambiente i relativamente ricco di CO₂.

Le morfologie di questi effetti sono pozzi e condotti suborizzontali a forma di tubo, frequentemente ricorperti da argille di decantazione. Indicatori del regime alterno di carico e svuotamento sono:

• concrezioni profilate: appuntite nella direzione di arrivo del flusso d'acqua
• "pini" d'argilla, alti pochi centimetri
• stalagmiti d'argilla, dovute al gocciolamento dal soffitto di acqua argillosa e sua decantazione
• imbuti di deflusso, depressioni imbutiformi in corrispondenza di punti di deflusso sotterreneo
• argille a "pettine", con canalicoli di ruscellamento a "V"
• ciotoli d'argilla
• scanalature verticali nei banchi dei depositi d'argilla
• cupole emisferiche, dovute alla caduta di goccie su un piano d'argilla abbastanza fluido

I residui della dissoluzione della roccia calcarea variano a seconda del grado di purezza della roccia. In genere costituiscono il 2 - 5 % in volume della roccia originaria (e non sono sufficienti ad ostruire le cavita` formatesi). Possono essere di varia natura; per ordine d'importanze si hanno residui argillosi (argille piu` o meno ricche di ferro), silicati (di alluminio), gessi, fosfati, feldspati, ed altri minerali. Si tratta delle terre rosse che si concentrano in cavita` formatesi per dissoluzione.

7.4.4 Morfologia delle cavita`

Le forme morfologiche delle grotte comprendono pozzi (vuoti ad andamento essenzialmente verticale) e gallerie (cavita` ad andamento perlopiu` orizzontale o suborizzontale).

I pozzi possono essere classificati per tipologia:

1. pozzi a cascata; si formano quando l'acqua si approfondisce lungo una discontinuita` subverticale. Hanno una morfologia tipicamente a campana.
2. fusoidi; si formano per dissoluzione inversa, per miscela di acque e successivi crolli.
3. pozzi misti; presentano morfologie intermedie. Si formano per evoluzione da fusoide a pozzo cascata per cattura di corsi d'acqua sovrastanti, oppure per dissoluzione inversa a partire da un pozzo cascata.

I pozzi a campana, percorsi da correnti attive piu` o meno intense, si formano per erosione meccanica e chimica della roccia. L'erosione e` tanto piu` intensa quanto piu` elevata e` l'energia cinetica dell'acqua nebulizzata. Quest'ultima (proporzionale al quadrato della velocita` di caduta dell'acqua) aumenta inizialmente quadraticamente con la profondita` del pozzo, per poi stabilizzarsi (quando l'accelerazione dell'acqua e` compensata dall'effetto frenante dell'aria). Ne risulta la tipica forma dei pozzi svasati nella parte sommitale.

Questa localizzazione della energia meccanica favorisce l'evoluzione di punti di caduta verticale dell'acqua (pozzi) abbastanza ampi collegati fra loro da piccole gallerie in cui l'acqua scorre in regime vadoso (meandri). Quindi di sistemi a tipologia "pozzo-meandro-pozzo".
[FIXME QUESTO E` ABBASTANZA SPECULATIVO]

Le gallerie sono riconducibili a varie differenti morfologie.

1. galleria di interstrato; hanno sezione angusta, generalmente rettangolare o trapezioidale. Il pavimento e` frequentamente costituito da letti di selce. Quando sono molto basse vengono chiamate laminatoi.
2. gallerie freatiche; hanno sezione circolare o ellittica con diametro da decine di centimetri ad alcuni metri. Sono raramente parallele alla stratificazione [FIXME : ???].
3. gallerie a buco di serratura; nella parte alte si riconosce la primitiva condotta freatica. Il successivo approfondimento avviene in regime vadoso. Sono larghe da pochi centimetri a qualche metro, e alte da pochi decimetri a centinaia di metri.
4. gallerie a marmitte; caratterizzate da bruschi ed irregolari cambi di sezione con frequenti marmitte.
5. forre e meandri; gallerie molto alte, con pareti verticali e parallele. Formatesi presumibilmente in condizioni vadose.
6. gallerie e sale di crollo sono molto ampie, e presentano nicchie di distacco sulle pareti e sul soffitto, con superfici nette e non lavorate dall'acqua. Il pavimento e` ingombro di massi di crollo e la volta e` ad arco.

Le sale di sfondamento sono dovute al crollo della volta dove la corrente d'acqua ha allargato notevolmente il condotto forzato intorno ad un contatto di strati. Il profilo della volta assume una forma cupola caratteristica dell'equilibrio degli sforzi meccanici.

La stabilita` delle cavita` e` approfondita nella App. 7.I.

7.4.5 Sorgenti

Le superfici dei massicci calcarei sia aridi che coperti di vegetazione sono sempre rocciose e scarse di acque superficiali. I punti o le zone dove l'acqua di infiltrazione ritorna in superficie si chiamano sorgenti o emergenze. Si parla di risorgenti per indicare i punti in cui riappaiono acque provenienti, in parte, da perdite di corsi d'acqua superficiali. Sorgenti fossili si possono trovare alle quote alte, mentre alle quote piu` basse si trovano sorgenti attive, temporanee (dette sorgenti di troppo pieno, che si attivano solo in occasione di grosse precipitazioni), o permanenti.

Le sorgenti possono avere una galleria percorribile in cui l'acqua che scorre a pelo libero, puo` essere seguita fino a che la via non e` ostruita da frane, o termina su un sifone. Oppure le sorgenti possono essere sepolte (sotto coperture semipermeabili), sifonanti (dette fontane o valclusiane), subacquee (sottomarine o sublacustri) o in subalveo di fiumi e torrenti.

Nelle zone di emergenza si possono verificare condizioni di distensione nell'ammasso roccioso che inducono fratture di rilascio. Queste intersecano i condotti e determinano sistemi diffusi di sorgenti.

Le sorgenti sono caratterizzate dall'indice di variabilita, dato dal rapporto fra la differenza di portata massima e minima, e la portata media,

Se la variabilita` e` inferiore a 25 la sorgente ha una portata molto costante, indice di un flusso molto dispersivo. Tra 25 e 100 e` subvariabile. Oltre 100 e` una sorgente variabile caratterizzata da un frusso basato su condotti drenanti.

Ulteriori caratterizzazioni delle sorgenti riguardano il limite di permeabilita`, cioe` il contatto fra la roccia in cui avviene il flusso e quella vicina. Questo puo` essere definito (roccia vicina impermeabile) o indefinito (roccia vicina permeabile ma non carsificata), sottoposto (roccia vicina limita da sotto la zona di flusso) o sovraimposto (se la limita da sopra). Inoltre l'affioramento della della superficie piezometrica puo` essere libero o in pressione.

Ci sono anche sorgenti intermittenti, da cui l'acqua scaturisce ad intervalli regolari. Il piu` semplice meccanismo che spiega questo fenomeno e` la intermittenza per sifonamento in cui c'e` un sifone a monte della sorgente. L'arrivo d'acqua al sifone e` regolare, ma questo, una volta innescato, si svuota piu` velocemente dell'afflusso.

Un secondo meccamismo di intermittenza (modello di Mangin) puo` intervenire quando l'acqua defluisce attraverso una strozzatura e c'e` un secondo condotto, superiore con la riserva d'acqua. Quando il condotto superiore e` aperto il deflusso e` inferiore all'afflusso, perche` passa attraverso la strozzattura, e il livello del bacino si innalza. Quando l'imbocco del condotto superiore e` bloccato dall'acqua, si forma una depressione, fino a che l'acqua defluisce attraverso il canale superiore, e quindi aumenta la portata del deflusso. Quando l'imbocco e` nuovamente all'aria questo si interrompe, e il deflusso si riduce.

L'intermittenza e` osservabile anche in grotta, quando si trovano pozze sifonanti "boccheggianti".
[FIXME FORSE DOVREI METTERE QUALCOSA SULLA STIMA DEL VOLUME IN FUNZIONE DELLA FREQUENZA E DELLA PORTATA]