Carsismo

Il termine carsismo deriva da Carso, una regione geografica situata al confine tra Italia ed Ex Jugoslavia. Da diverso tempo la parola carso, in tedesco si dice karst termine che è diventato di uso internazionale, sta ad indicare un particolare paesaggio dove affiorano rocce di composizione calcarea o gessosa, costituite cioè da elementi molto solubili dall'acqua (come le anidriti, le dolomie le arenarie calcaree ecc..).
In questo ambiente abbiamo una scarsa vegetazione, estesi affioramenti di roccia, e un drenaggio superficiale (cioè uno scorrimento superficiale dell'acqua) assente o poco sviluppato e la presenza di numerose depressioni e cavità sotterranee (grotte).

Questo fenomeno che potenzialmente interessa tutte le rocce si manifesta quasi esclusivamente sulle rocce a solubilità maggiore ovvero le rocce carbonatiche (Calcari e Dolomie) e quelle evaporitiche (Gessi e Salgemma), ma considerando che queste sono circa il 15% delle terre emerse il fenomeno del carsismo è ben diffuso sul pianeta. La maggior parte dei fenomeni carsici conosciuti, sia di superficie che di sottosuolo è dovuta all'azione delle acque di origine meteorica (la pioggia), ma importanti sono anche quei fenomeni legati alla presenza di acque di mare in prossimità della linea di costa, oppure là dove si ha la risalita di acque profonde che vengono in contatto con acque di origine meteorica in corrispondenza di importanti faglie. Il carsismo da acque meteoriche è quello definito "classico" in quanto è quello che più facilmente si manifesta sulla superficie terrestre.

Un'altra caratteristica importante che favorisce questo fenomeno è lo stato di fratturazione della roccia in questione; maggiori sono le fratture maggiore sarà il volume di roccia interessato.
Come abbiamo detto le rocce che maggiormente sono interessate da questo fenomeno sono le rocce carbonatiche che sono costituite principalmente da calcite e dolomite. Per entrambe la solubilità in acqua pura e a temperatura ambiente (poiché la temperatura influenza la solubilità) è molto bassa, dell'ordine di 10-20 mg/l, ma questa aumenta notevolmente quando nell'acqua vi sono sciolte altre sostanze, in particolare acidi. L'acido più comunemente disciolto è quello carbonico proveniente dalla CO2 di origine atmosferica o biologica più acqua secondo la reazione:

(CO2) + (H2O) = (HCO3-) + (H+)

Il processo di scioglimento della calcite e dolomite in acqua con CO2 (che prende il nome di corrosione) è il seguente:


 

CALCITE CaCO3 + CO2 + H2O = (Ca2+) + (2HCO3-)

DOLOMITE CaMg(CO3)2 + 2CO2 + 2H2O = (Ca2+) + (Mg2+) + (4HCO3 2-)

In presenza di CO2 la solubilità della calcite è di circa 100 mg/l (alla temperatura di 25° ed una pressione parziale di CO2 di 10-3 bar), di poco inferiore è la solubilità della dolomite che è di 90 mg/l, alle stesse condizioni. Quello che li differenzia è la velocità con cui questo processo ha luogo che è nettamente inferiore per la dolomite.
Senza entrare nei dettagli si può dire che la solubilità delle rocce carbonatiche è tanto maggiore quanta più CO2 è presente nelle acque circolanti. L'acqua piovana ha in genere tenori di CO2 piuttosto bassi intorno a 2.3X10exp-4; nei suoli invece, a causa delle attività biologiche, si riscontrano tenori di CO2 piuttosto elevati (fino al 10%) e le acque attraversandoli, possono arricchirsi sino a livelli di qualche punto percentuale (una concentrazione così alta permette di scogliere mezzo grammo di calcare per litro).

Se possiamo trascurare la temperatura nella solubilità di calcite e dolomite, non possiamo fare altrettanto per la solubilità della CO2 nell'acqua; questa infatti diminuisce notevolmente con l'aumentare della temperatura e questo fa sì che le acque fredde siano di fatto più aggressive nei confronti del calcare rispetto a quelle calde, anche se la minor velocità con cui questa reazione avviene attenua in parte questo effetto. Nella pratica le acque di provenienza meteorica, arricchite di CO2, hanno poteri corrosivi non molto diversi sia in climi freddi che in climi caldi, tanto che il contenuto in carbonati (quello discolto e trasportato dalle acque in soluzione) delle sorgenti carsiche è sostanzialmente analogo sia all'equatore che alle alte latitudini. Il maggior sviluppo dei fenomeni carsici che si riscontra nei paesi tropicali è dunque dovuto alla maggiore quantità di precipitazioni, non tanto al maggior potere corrosivo delle acque.
Oltre all'acido carbonico, le acque che danno origine al carsismo contengono spesso altri acidi in soluzione che possono essere di origine organica, oppure da emanazioni vulcaniche (come l'acido solfidrico H2S), ma il principale rimane quello carbonico.

All'origine quindi dei fenomeni carsici vi è la circolazione dell'acqua nel sottosuolo. Uno dei maggiori problemi che in passato assillava i ricercatori, che studiavano la chimica dei processi carsici, era quello di spiegare l'esistenza di condotti carsici a grande profondità anche molto lontano dalle zone di ingresso delle acque circolanti.
Il processo di scioglimento del calcare in acqua è infatti piuttosto rapido e quindi l'acqua dovrebbe raggiungere la saturazione dopo pochi metri di percorso sotterraneo soprattutto per le acque che si muovono, con moto lentissimo, nelle fessure dalle dimensioni sub-millimetriche, durante le prime fasi di sviluppo dei fenomeni carsici sotterranei. A dare una risposta a questo interrogativo è stato Boegli che nel 1963 propose il meccanismo della "corrosione per miscelazione". Il processo è molto semplice: due acque, contenenti quantità diverse di calcare in soluzione, quando si mescolano tra loro acquistano una percentuale in calcare sempre minore della soglia di precipitazione. Comunque questa non è la sola spiegazione per questi fenomeni che talvolta sono di dimensioni enormi; ve ne sono altre come il fatto che la presenza di altre specie chimiche nell'acqua aumenti la solubilità del carbonato di calcio (per un aumento di forza ionica). È ormai opinione comune comunque che le situazioni in cui si ha il massimo sviluppo di forme carsiche siano quelle in cui vengano in contatto acque con un diverso chimismo (cioè degli elementi chimici che sono sciolti in esse).

Gli effetti più vistosi dei processi carsici si hanno sull'aspetto superficiale del terreno, nel quale, in zone ben "carsificabili", si ha una infiltrazione di acqua nel terreno pari al 50% di quella piovuta, e in certe situazioni si arriva al 90%. Tutto questo fa si che l'acqua non scorra sulla superficie (ruscellamento superficiale) e quindi il risultato è che il principale agente modellatore del paesaggio terrestre (l'erosione ad opera dell'acqua) sia fortemente ridotto. Questo spiega la presenza di forme che raccolgono l'acqua che possono essere di dimensioni molto variabili: da qualche centimetro al metro, chiamati karren o campi carreggiati. Poi vi sono altre forme che convogliano l'acqua nel sottosuolo, solitamente di dimensioni maggiori come gli inghiottitoi o le doline (cavità di forma circolare con uno o più punti di assorbimento idrico); queste cavità possono assumere varie forme da quella a pozzo, a imbuto, a scodella e altre. Possiamo avere i polje che sono dei bacini chiusi di dimensioni chilometriche con versanti ripidi e fondo appiattito ad opera del carsismo;le valli cieche in cui vi è un corso d'acqua che poi improvvisamente viene inghiottito da una cavità e si perde nel sottosuolo.

Un'altra forma molto comune è la gola carsica: una profonda incisione con fianchi ripidi, dovuta al fatto che l'azione erosiva viene compiuta principalmente sul fondo.
Nel sottosuolo invece si formano una serie di cunicoli, grotte, gallerie (a volte di notevoli dimensioni, ne è stata misurata una galleria di 32 metri di diametro), e pozzi che in parte si uniscono a formare una ragnatela tridimensionale, ma in genere si allargano di più quelle che seguono la massima pendenza del versante in cui il movimento, la velocità e la quantità di acqua che vi transita è maggiore. Questi sistemi carsici sotterranei possono raggiungere uno sviluppo di centinaia di chilometri, come il complesso della Mammoth Cave negli Stati Uniti che supera i 250 Km, tra gli abissi più profondi vi è quello di Pierre St. Martin, nei Pirenei francesi profondo 1230 metri, tra le grotte vi è quella nelle "grotte di Carlsbad", Stati Uniti, che misura 400 m X 230 m X 200 m, la "grotta Gigante, nelle vicinanze di Trieste, è lunga 200 m, larga 130 metri e alta 136 metri.
All'interno di questi sistemi, in cavità non più attive, può accadere che vi siano occasionali punti in cui il calcare invece di essere sciolto si deposita dando vita a fenomeni come le stalagmiti e stalattiti nelle grotte.

In genere in un massiccio carsico si possono riconoscere tre zone, dall'alto verso il basso, con caratteristiche diverse per quanto riguarda la circolazione delle acque e le forme ed i processi carsici che avvengono. La zona superiore è detta zona vadosa o di percolazione; le cavità presenti sono percorse dall'acqua solo occasionalmente, a seguito delle precipitazioni, e il flusso dell'acqua è prevalentemente verticale. La zona inferiore è chiamata zona freatica e tutte le cavità sono costantemente sature di acqua, il cui flusso è prevalentemente orizzontale; nelle condotte e nelle gallerie l'acqua si muove in pressione e quindi può anche risalire verso livelli più superficiali. La zona intermedia, chiamata zona di transizione , è di fluttuazione, cioè a seconda della quantità di acqua puo essere in condizioni freatiche o vadose. Normalmente un sistema carsico ha uno o più punti di emergenza concentrati in una stessa zona e a quote simili. La quota della inferiore delle sorgenti determina il livello di base idrologico. Al contrario di quanto ci si possa aspettare l'acqua che sgorga da una sorgente carsica in genere è povera di sali a causa dell'alta velocità con cui questa viaggia nel sottosuolo e quindi non ha il tempo sufficiente per portare in soluzione molti sali; ma il passaggio di enormi quantità di acqua può creare paesaggi incredibili.

Gli elementi del clima che influenzano maggiormente il processo carsico sono due, e precisamente la temperatura e la piovosità (o disponibilità di acqua). Infatti dalla temperatura dipendono gli equilibri della reazione di dissoluzione, nella quale l'acqua entra come elemento indispensabile. In rapporto con le condizioni termiche e pluviometriche stanno anche gli organismi, che forniscono CO2 ed altri acidi corrosivi. Nei climi temperato-freddi la reazione chimica di dissoluzione è lenta, ma la soluzione è notevolmente stabile per l'alta solubilità dei CO2 in acqua, nei climi caldi la reazione è veloce e la soluzione instabile. Ciò determina, nei climi caldo-umidi, la tendenza alla corrosione veloce delle superfici rocciose esposte, ma anche la riprecipitazione rapida del carbonato di calcio nel regolite e nelle fessure, fatto che limita la carsogenesi profonda. Disponibilità di acqua e temperatura influenzano le attività biologiche delle piante e dei microorganismi del suolo i quali sono responsabili della produzione del CO2 e di acidi organici che sono all'origine dell'aggressività delle soluzioni.Da questo punto di vista un clima umido favorirà il fenomeno carsico. Nei climi temperato-freddi la corrosione superficiale è lenta, ma data la stabilità delle soluzioni il processo risulta favorevole allargamento delle fessure profonde e quindi alla percolazione dell'acqua all'interno dei massicci. le cavità sotterranee sono molto poco concrezionate: per lo più si tratta di pozzi o gallerie nude ove alla corrosione si affiancano i fenomeni clastici. Le forme carsiche di superficie sono spesso modificate per l'intervento di processi non carsici come i fenomenti periglaciali e quelli glaciali. Il carso delle regioni temperate-calde ad umidità variabile non si discosta molto dal precedente per quanto riguarda le forme superficiali. Nelle cavità sotterranee acquistano però maggiore importanza i fenomeni di concrezionamento. In queste regioni si trova quindi la maggior parte delle grotte più suggestive. Il carso delle regioni caldo-umide si presenta molto sviluppato e mostra una gamma assolutamente singolare di forme. Fra queste le più comuni sono le seguenti:

- carso a cockpit

- carso a coni;

- carso a polje aperti e a torre

Il carso tropicale si può perciò considerare un tipo di "fluviocarso" particolare nel quale i due gruppi di processi fluviali e carsici che normalmente vengono considerati incompatibili, operano contemporaneamente.