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IL PROCESSO CARSICO

a cura di Jo De Waele Coordinatore

con la collaborazione di: Paolo Forti Leonardo Piccini

Ugo Sauro

Progetto Powerpoint 2009

Ponte di Veja, Monti Lessini, Veneto, Italia (foto J. De Waele)

IL FENOMENO CARSICO: DEFINIZIONI

La parola Carsopuò essere ricondottaal termine pre-Indo-Europeo karra o gara, che significa “pietra”,e che si trova in molte lingue dell’Europae del Medio Oriente.La parola slovena Kras, che indica la regione rocciosa tra Triestee la Slovenia occidentale (il Carso), ha la stessa origine.

Processo carsico – Società Speleologica Italiana 2009

Definizione di carsismoInsieme di forme di asportazione delle rocce in cui il processo dominante è quello della dissoluzione della roccia in acqua.

Antica stampa da Valvasor (1689) Die Ehre dess Hertzogthums Crain

QUANDO AVVIENE IL PROCESSO CARSICO?

In presenza di rocce solubili:

- rocce evaporitiche (gesso, salgemma);

- rocce carbonatiche (calcari, dolomie, marmi …).

In presenza di acqua:

- zone temperate, tropicali etc … (attuali o passate).

In presenza delle condizioni strutturali e tessiturali adatte:

- porosità secondaria (diaclasi, fratture, stratificazione ...);

- permeabilità (capacità di lasciar passare l’acqua).


IL COMUNE DENOMINATORE: DISSOLUZIONE Tutte le rocce, in un certo senso,

sono solubili in acqua!

Ma

solo alcune portano, in certe condizioni morfo-climatiche, allo sviluppo del tipico assetto idrologico e di forme carsiche:

- rocce carbonatiche

(composte da calcite, dolomite etc…);

- rocce evaporitiche

(composte da salgemma, gesso, anidrite

etc…);

- quarziti o arenarie

(composte da quarzo).


Strati verticali in calcare, Sisteron, Francia(foto J. De Waele)

SOLUBILITÀ DEI MINERALI IN ACQUA


Con piccole quantità di CO2 disciolto (Pco2 = 0,001 bar)e a temperatura di 25°C diversi minerali sono più o meno solubili:

- calcite: 60 mg/L

- dolomite: 50 mg/L

- quarzo: 12 mg/L

- gesso: 2400 mg/L

- salgemma: 360000 mg/L

Grotta di Frasassi, Genga, Marche, Italia (foto J. De Waele)

SOLUBILITÀ DEI MINERALI IN ACQUA


Quando invece la Pco2 è più alta (0,1 bar), alla stessa temperatura

la solubilità dei carbonati aumenta notevolmente:

- calcite: 400 mg/L

- dolomite: 300 mg/L

Cascata di tufa sul Verdon, Francia (foto J. De Waele)

mentre quelladegli altri minerali

non varia.

PROCESSO CARSICO E ROCCE EVAPORITICHELe rocce evaporitiche più importanti dal punto di vista carsico sono il gesso e il salgemma. La dissoluzione è diretta, con la dissociazione del sale nell’acqua, indipendente quindi dalla CO2.Il carsismo in ambedue queste rocce verrà descritto più in dettaglio nella lezione Carsismo nelle rocce evaporitiche.


Ansa ipogea nel Tanone Grande della Gacciolina, Val di Secchia, Emilia Romagna, Italia (foto M. Chiesi)

PROCESSO CARSICO NEL SALGEMMA

I depositi di salgemmain affioramentosono talmente solubiliche vengono distrutti dalle acque meteoriche in breve tempo.

Il carsismo nei saliè quindi importante specie in regioni aride (Monte Sedom, Israele - Queshm Island, Iran)oppure in discariche delle miniere di sale (miniera di Cardona, Spagna).


Dolina di crollo in una discarica di sale, Caltanissetta, Sicilia, Italia (foto U. Sauro)

PROCESSO CARSICOE GESSI

Il gesso, invece,affiora più di frequente

e per la sua elevata solubilità espone

rapidamente forme carsiche sia epigee

che ipogee.


Cupole scolpite nel soffitto marnoso che è intercalato nella formazione gessosa nell’Inghiottitoio di Monte Conca, Sicilia, Italia (foto M. Vattano)

PROCESSO CARSICO E ROCCE SILICEE


La dissoluzione del quarzoè causata dall’idratazione,in cui SiO2 reagisce con l’acqua (H2O) per formare l’acido silicico (H2SiO4), a sua volta solubilein acqua.

Nei graniti non si tratta di un vero processo di dissoluzione,ma dell’idrolisi, in cui alcuni minerali (feldspati) si alterano reagendo con l’acqua.I prodotti dell’alterazione (argille) vengono portati via dall’acqua.

L’altopiano di Auyantepuy, Venezuela (foto Arch. La Venta)

Anche altre rocce possono mostrare morfologie dovute alla dissoluzione: le rocce silicee e le rocce silicatiche. Tra le prime citiamo la quarzite e l’arenaria quarzitica, tra le altre si annoverano per esempio i graniti.

PROCESSO CARSICO E ROCCE SILICEE

I depositi di quarzite e di arenaria quarzitica in affioramento mostrano i segni della dissoluzione soltanto in alcuni particolari casi. In genere si tratta di rocce molto antiche che hanno attraversato periodi con abbondanti piogge a temperature piuttosto alte (es. clima tropicale).

Questo particolare tipo di carsismo verrà descritto più in dettaglio nella lezione Carsismo nelle quarziti.


Sima Auyantepuy Noroeste, Venezuela (foto Arch. La Venta)

IL PROCESSO CARSICONELLE ROCCE CARBONATICHE

Le rocce carbonatiche costituiscono la grande prevalenza

delle rocce solubili sulla terra.

1. Circa il 12% della superficie terrestre emersa è costituito da

rocce carbonatiche (molto più di gesso, salgemma e quarzo);

2. circa il 25% della popolazione mondiale vive su aree carsiche;

3. circa il 25% delle acque potabili proviene da aree carsiche.

Per tutte queste ragioni il processo carsico nelle rocce carbonatiche

è quello meglio studiato e più conosciuto.


I MINERALI CARBONATICII principali minerali carbonatici sono:

- calcite (CaCO3);

- aragonite (CaCO3);

- magnesite (MgCO3);

- dolomite (CaMg(CO3)2);

- siderite (FeCO3);

- ankerite (Ca (Mg,Fe)(CO3)2);

ed altri meno comuni come:

- stronzianite (SrCO3);

- kutnahorite (CaMn(CO3)2);

- witherite (BaCO3);

- rodocrosite (MnCO3) etc...

I sedimenti carbonatici attuali consistono generalmente in aragonite, calcite e, in minor misura, dolomite. Processo carsico – Società Speleologica Italiana 2009

Calcite scalenoedrica in una grotta a Barega, Iglesias, Sardegna, Italia(foto J. De Waele)

I MINERALI CARBONATICI

In genere questi minerali vengono suddivisi in tre gruppi a seconda della loro struttura cristallina:

- il gruppo delle calciti (esagonale) comprende la calcite (CaCO3), la

magnesite (MgCO3), la siderite (FeCO3) e la rodocrosite (MnCO3);

- il gruppo della dolomite (sempre esagonale), caratterizzato da due cationi che si avvicendano nella struttura cristallina, comprende la

dolomite (CaMg(CO3)2), l’ankerite (Ca(Mg,Fe)(CO3)2) e la kutnahorite

(CaMn(CO3)2);

- il gruppo dell’aragonite (ortorombico) comprende l’aragonite (CaCO3), la

stronzianite (SrCO3) e la witherite (BaCO3).


CLASSIFICAZIONEDELLE ROCCE CARBONATICHE

I calcari sono rocce sedimentarie che contengono almeno il 50% di calcite o carbonato di calcio: in calcari con più del 90% di calcite si trovano consuetamente grotte eforme carsiche.


Le dolomie, invece,sono costituite dal minerale dolomite in varie percentuali. Esiste tutta una seriedi rocce intermedie.

La classificazione delle rocce carbonatiche più utilizzataè quella di Leighton & Pendexter (1962) che prendein considerazione le percentuali di calcite, di dolomitee di impurità.

IL RUOLO DELLA CO2

NEL PROCESSO DELLA DISSOLUZIONE

La solubilità della calcite in acqua pura a 25°C è intorno a 14 mg/L, quindi soltanto di poco superiore alla solubilità del quarzo (ca. 8 mg/L).

In natura l’elevata solubilità delle rocce carbonatiche è imputabile alla

presenza del biossido di carbonio (CO2) che, andando in soluzione

nell’acqua, forma l’acido carbonico (H2CO3) che, a sua volta, dissocia

contribuendo a rendere acida la soluzione con la produzione di protoni (H+).

L’anidride carbonica è presente nell’atmosfera e nell’aria contenuta nel suolo. La sua concentrazione in una miscela di gas viene normalmente

espressa in Pressione parziale di CO2 (in percentuale).


IL BIOSSIDO DI CARBONIO (CO2)NEI SUOLI

Più aumenta la Pressione parziale di CO2 nell’aria e sulla superficie aria-

acqua, più CO2 verrà disciolta in acqua.

La CO2 presente nel suolo è indubbiamente la più importante fonte di

questo gas che rende le acque aggressive nei confronti delle rocce carbonatiche.

La quantità di CO2 in un suolo dipende da una serie di fattori:

- la porosità del suolo;- l’attività biologica;- la temperatura;- la presenza dell’acqua;- la profondità.


Da questo si deduce facilmente chela quantità di CO2

nei suolidipende largamentedal tipo di substratoe di suolo, dal climae dalla stagione.

In suoli ben sviluppatile attività biologiche, responsabiliper la produzione della CO2,sono molto intense soprattutto nell’orizzonte B.


L’ANIDRIDE CARBONICA (CO2) NEI SUOLI

Le stesse attività si intensificano a temperature tra 20 e 65°C, mentre rallentano a temperature troppo basse. CO2 quindi viene

prodotta a livello del suolo soprattutto durante la stagione calda, rallentando durante la stagione fredda. Nell’emisfero nord le massime concentrazioni di CO2 nell’aria di grotta (o nell’epicarso) si

riscontrano durante l’estate (luglio-settembre), mentre le minime corrispondono ai mesi di gennaio-marzo.


L’ANIDRIDE CARBONICA (CO2) NEI SUOLI

In suoli troppo asciutti, inoltre, i processi di decomposizione rallentano; la produzione di CO2 è ottimale

con valori di umidità relativa tra 50 e 80%.In aree tropicali si raggiungono i valori più alti (Pco2 tra 0,2 e 15%).

In aree temperate i valori di Pco2 sono compresi tra 0,1 e 6%.Nelle tundre artiche, così come nelle praterie alpine, tali valori

scendono e, nella breve stagione di disgelo, oscillano tra 0,2 e 1%.


DISTRIBUZIONE GLOBALE DI CO2 NEI SUOLI

CO2 NELL’ARIA, NEL SUOLO E NELLE GROTTE

Ariacirca 0,038%

Suolo0,1-15% (media 0,3-10%)

Grotta0,5-1% (2-20 volte superiore alla concentrazionedi CO2 nell’atmosfera!)


Quali sono i valori di anidride carbonica?

LE REAZIONI CHIMICHE DELLA DISSOLUZIONE DELLA CALCITE (CACO3)

CO2 (gas) ↔ CO2 (aq)

CO2 (aq) + H2O ↔ H2CO3

H2CO3 ↔ H+ + HCO-

3

HCO-

3 ↔ H+ + CO2-

3

H2O ↔ H+ + OH-

CaCO3 ↔ Ca2+

+ CO3

2-

CaCO3 + CO2 + H2O

Ca2+

+ 2HCO3

-

Tutte queste reazioni sono influenzate dalla Pressione parzialedella CO2, dalla temperatura e dall’acidità o pH.

La reazione più lenta è quella sottolineatache andrà a influire poi su tutte le altre reazioni.


SISTEMA APERTO O SISTEMA CHIUSO?

Un sistema viene definito aperto quando tutte le fasi di stato, ossia solido, liquido e gas, sono libere di reagire contemporaneamente.In un sistema aperto ideali tali condizioni permangono fino a quando viene raggiunto l’equilibriotermodinamico (esempio:laghetto su calcare in grottaa contatto con aria).


In un sistema chiuso, invece, soltanto due fasi possono interagire contemporaneamentein un determinato luogo (esempio: una goccia d’acqua, acqua in fessure sature).

Fiume e vaschette nella Grotta di San Giovanni, Domusnovas, Sardegna, Italia(foto J. De Waele)

SISTEMA APERTO

CO2 (gas)CaCO3

ARIA

SOLUZIONE ACQUOSA

ROCCIA

CO2 (aq)

OH- ↔ H2O ↔ H+

Ca2+

H+ ↔ H2CO3 ↔ HCO3

-

CO3

2-


In un sistema aperto, man mano che le molecole di CO2 reagiscono con l’acqua (H2O) e si trasformano in acido carbonico (H2CO3) che rilascia ioni bicarbonato (HCO3

-) e protoni (H+), e questi vengono consumati attraverso la reazione con il carbonato di calcio (CaCO3)

creando molecole di bicarbonato (HCO3

-) in soluzione, nuove molecole

di CO2 possono passare dall’aria all’acqua sostenendo l’intero processo fino a quando non viene raggiunto l’equilibrio termodinamico.

SISTEMA CHIUSO ARIA-ACQUA

SOLUZIONE ACQUOSA CO2 (aq)

OH- ↔ H2O ↔ H+ Ca2+


-

CO3

2-


Nel sistema chiuso Aria-Acqua le due fasi interagiscono tra loro

fino a quando la soluzione diviene satura in CO2 e nei suoi prodotti

derivati acido carbonico H2CO3 e ioni bicarbonato HCO3-.

Ad equilibrio termodinamico raggiunto le concentrazionidelle sostanze in soluzione non variano più.

CO2 (gas)ARIA

SISTEMA CHIUSO ROCCIA-ACQUA

CaCO3

ROCCIA

CO2 (aq)

OH- ↔ H2O ↔ H+

Ca2+


-

CO3

2-


ROCCIA

SOLUZIONE ACQUOSA

CaCO3

Nel sistema chiuso Roccia-Acqua (es. frattura capillare piena d’acqua) le due fasi interagiscono tra loro fino a quando la soluzione

consuma tutta la CO2 e i suoi prodotti derivati(acido carbonico H2CO3 e ioni bicarbonato HCO3

-)attraverso la reazione con il carbonato di calcio CaCO3.

Rispetto al sistema aperto, dove la CO2 consumatapuò essere rimpiazzata con quella presente nell’aria,

la calcite disciolta sarà circa il 40%.

LE REAZIONI CHIMICHE DURANTELA DISSOLUZIONE DELLA CALCITE

Per sciogliereuna molecola di CaCO3

viene consumatauna molecola di CO2

in soluzione.

Questo fa abbassarela pressione parzialedella CO2 nella soluzionee porterà alla saturazione della soluzionein CaCO3 disciolta.

CaCO3 + CO2 + H2O

Ca2+

+ 2HCO3

-


Modificato da Klimchouk et al., 2000

LA DISSOLUZIONE E LA CO2: È TUTTO QUA?

Valori più alti di CO2 aumentano il potere solvente dell’acqua,verissimo, ma esistono altri fattori che influiscono, sia direttamente

sia indirettamente, sulla solubilità di un carbonato in acqua.

Questi fattori sono:

- temperatura;

- pressione;

- altri acidi (piogge acide, acidi organici, ossidazione di metalli etc …);

- ione comune;

- forza ionica;

- accoppiamento ionico;

- miscelazione;

- elementi in tracce.


LA TEMPERATURA

Con Pco2 = 0,03% a 25°C si sciolgono 55 mg/L di CaCO3

nell’acqua.

Abbassandola temperaturadi 25°C talevalore aumentafino a 75 mg/L.

Questo è dovutoal fatto che la CO2

è più solubilein acquaa temperaturapiù bassa.


LA PRESSIONE

Un aumentonella pressione idrostaticafa incrementarela solubilità della CO2

e conseguentementedel carbonato in acqua.

Questo processoè significativonelle prime centinaiadi metri dell’acquifero,con aumentidella solubilitàdi circa 6 mg/Lper ogni 100 metridi colonna d’acqua.


LA PRESSIONE E LE CUPOLEIn grotte che vengono inondate repentinamente, in nicchie sul soffitto

può venire intrappolata dell’aria che viene compressa, causandola dissoluzione della CO2 e quindi un aumento dell’aggressività

dell’acqua, con la possibile formazione di cupole e canali di volta.


Cupola nella Grotta di Revest, Francia (foto P. Audra)

CALO DI PRESSIONE IN ACQUE SALIENTI

L’effetto dell’aumentodi solubilità dell’anidride carbonica in profondità(ad alta pressione)è molto importante soprattutto in presenzadi CO2 ipogenica di origine vulcanica oppure tettonica.L’effetto combinatodi abbassamentodi temperatura (man manoche l’acqua sale in superficie) e diminuzione della pressione (con rilascio di bolle di CO2 che dissolve istantaneamente nell’acqua) può creare zonedi rinnovata aggressivitàdelle acque.


Bubble trails nella Grotta di Santa Barbara 2, Iglesias, Sardegna, Italia(foto J. De Waele)

L’ACIDO SOLFORICO

Un altro acido che può intervenire nella reazioneè quello solforico.

Questo acido può essere prodotto dall’ossidazionedi anidride solforosa, spesso legata a fonti organiche

come giacimenti di idrocarburi:

H2S + 2 O2 2 H+ + SO42-

Un altro modo per produrre acido solforicoè attraverso l’ossidazione di solfuri come la pirite:

2 FeS2 + 7 O2 + 2 H2O 2 Fe3+ + 4 SO42- + 4 H+


ALTRE FONTI DI ACIDITÀ

Acidi diversi da quello carbonico e solforico,come per esempio l'acido cloridrico (HCl),

sono talvolta presenti in natura in basse concentrazioni:

CaCO3 + HCl Ca2+ + HCO3- + Cl-

L’acidità può derivare anche dall’ossidazione di metallicome il manganese:

Mn2+ + ½O2 + H2O MnO2 + 2H+

Un altro esempio è datodall’ossidazione di minerali carbonatici come la siderite:

2 FeCO3 + ½O2 + 5 H2O 2 Fe(OH)3 + 2HCO3- + 2H+


EFFETTO DELLO IONE COMUNE


Noto anche come dissoluzione incongruente, l’effetto dello ione comune si verifica quandodue sostanze minerali differenti introducononel solvente(in questo caso l’acqua) uno ione in comune.

Questo causaun abbassamentodella solubilitàdi ambedue i minerali.

EFFETTODELLO IONE COMUNE IN GROTTE DI GESSO


Il classico esempioè la dissoluzione del gessoin acque carbonatiche.Il gesso, essendo più solubile, introduce più rapidamenteioni Ca2+ nella soluzione, abbassando di conseguenzala solubilità del carbonato(calcite, dolomite o aragonite). Per questo motivo in grottedi gesso troviamo facilmente concrezioni di calcite.Per la stessa ragione,in grotte nelle rocce dolomitiche precipitano concrezioni di calcite. Concrezione calcitica nella Grotta di Santa Ninfa, Trapani, Sicilia, Italia

(foto M. Vattano)

EFFETTO DELLA FORZA IONICA

L’introduzione nell’acqua bicarbonatica di ioni come Na+, K+ e Cl- fa decrescere l’attività ionica di Ca2+, HCO3

- etc… causando un aumento della solubilità dei minerali carbonatici e del gesso.


Grotte marine di Cala Luna, Dorgali, Sardegna, Italia (foto J. De Waele)

L’effettoè molto evidentenel caso in cuiall’acqua bicarbonaticaviene aggiuntaacqua salmastrao salata(come nel casodelle aree carsiche costiere).

EFFETTO DELL’ACCOPPIAMENTO IONICO

La forza ionica degli anioni e dei cationi presenti nell’acqua causa l’accoppiamento di una certa quantità di questi ioni, mentre altri rimangono “liberi” nella soluzione. Ioni accoppiati causano un abbassamento dell’attività degli ioni e questo causa un aumento della solubilità.

Le coppie ioniche ricorrenti nelle acque carsiche sono:

CaHCO3+, CaCO3

0, MgHCO3+, MgCO3

0, CaSO40 e MgSO4

0

Il fenomeno diventa rilevante soprattutto in soluzioni che arrivano ad avere concentrazioni di sali disciolti che superano i 100 mg/L.


L’EFFETTO DELLA MISCELAZIONE (BÖGLI)

Soluzione A20 mg/L CO2 → 200 mg/l CaCO3

Soluzione B150 mg/L CO2 → 400 mg/l CaCO3

Miscela (Soluzione C)85 mg/L → 300 mg/lIn grado di sciogliere circaaltri 40 mg di calcare!

Il mescolamentodi due soluzioni saturea una certa temperatura porta a una nuova soluzione sottosaturaalla stessa temperaturae quindi aggressiva(potrà sciogliereulteriore calcare).


EFFETTI DEGLI ELEMENTI IN TRACCE

La presenza di piccole quantità di certi metalli può abbassare sensibilmente la solubilità del carbonato di calcio.

Ciò pare sia dovuto all’assorbimento da parte della calcite di questi metalli nella posizione in cui è più facile la dissoluzione del carbonato, di fatto inibendone il passaggio in soluzione.

In genere questo effetto, descritto in laboratorio a pressione di CO2

elevata (1 atm) e con concentrazioni di metalli abbastanza alte (alcuni mg), appare poco influente.

Ioni che possono avere una limitata influenza sulla solubilità della calcite paiono essere il fosfato (PO4

3+), Mn2+ e Mg2+.


L’INTENSITÀ DELLA CORROSIONE CARSICA

Per valutare l’intensitàe quindi la velocità dell’evoluzione carsica alcuni autori utilizzanoil tasso di degradazione (denudation rate), espresso in m3/km2 all’anno oppure mm/1000 anni.

Questo valore dipende dalle condizioni climatiche (pluviometria, temperatura,evapo-traspirazione)e dalla pressioneparziale di CO2.


Peduncolo sotto masso erratico, Berchtesgaden, Germania (foto L. Piccini)

L’INTENSITÀ DELLA CORROSIONE CARSICAL’intensità della corrosione carsica può essere calcolata

sulla base della formula proposta da Marian Pulina:

Dm = 12,6 . (Cu – Ci) . Q . y A

dove:

Dm = tasso di degradazione (mm/anno)Cu = mineralizzazione media delle acque in uscita (fiumi e/o sorgenti) (mg/L)Ci = mineralizzazione media delle acque in entrata (pioggia, fiume alloctono) (mg/L)Q = quantità media di acque in uscita dall’area carsica (L) A = superficie del bacino idrografico (km2)y = variabile legata a condizioni climatiche e ambientali (tra 0,3-3, mediamente uguale a 1)


I valori più altisi riscontranoin areecon alta piovosità(Lapponia400 mm/kadove ka = 1000 anni, Papua Nuova Guinea450 mm/ka);alle nostre latitudini variatra 20-70 mm/ka, mentre in zonedove pioveveramente pocosi avvicina a 0(es. 7 mm/kain Algeria).


L’INTENSITÀ DELLA CORROSIONE CARSICA

PER SAPERNE DI PIÙKLIMCHOUK A.B., FORD D.C., PALMER A.N., DREYBRODT W.(ed. 2000), Speleogenesis Evolution of Karst Aquifers, National Speleological Society, Huntsville Usa, pp. 496;FORD D.C. & WILLIAMS P. (2007), Karst Hydrogeology and geomorphology. John Wiley & Sons, Chichester, pp. 562; PICCINI L. (1999), Geomorfologia e Speleogenesi carsica. Quaderno didattico della Società Speleologica Italiana n°1, pp. 40;SAURO U. (1991), Morfologia carsica. In: Castiglioni G.B. Geomorfologia, Utet, pp. 436; WHITE W.B. (1988), Geomorphology and Hydrologyof Karst Terrains, Oxford University Press, New York, pp. 464.


CREDITI

Questa lezione è stata coordinata da Jo De Waelecon la collaborazione di Paolo Forti, Leonardo Piccini e Ugo Sauro.

Per la parte fotografica si ringraziano i fotografi Mauro Chiesi, Jo De Waele, Leonardo Piccini, Ugo Sauro, Marco Vattano.

Le foto di Auyantepuy sono dell’Associazione di esplorazioni geografiche“La Venta”.

I disegni sono stati preparati da Jo De Waele.

Si ringraziano Mauro Kraus, Mario Parise e Maria Luisa Perissinottoper la correzione e per gli utili suggerimenti.

© Società Speleologica ItalianaOgni parte di questa presentazione può essere riprodotta sotto la propria responsabilità,

purché non se ne stravolgano i contenuti. Si prega di citare la fonte.


il processo carsico a cura di jo de waele coordinatore con la collaborazione di: paolo forti...

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