I meccanismi di formazione delle grotte, di Franco Delogu

     I motivi per cui nel sottosuolo si formano delle cavità possono essere diversi secondo il tipo di roccia: il gesso, il ghiaccio,  le rocce eruttive e il calcare danno luogo a cavità sotterranee, ma visto che le grotte in roccia calcarea sono le più importanti per estensione, numero e bellezza, é di queste che si parlerà. Le altre, pur essendo oggetto di studio da parte della speleologia, vanno considerate delle rarità studiate da pochissimi specialisti.
     Per capire come si forma e si evolve una cavità carsica bisogna partire da molto lontano, e risalire a centinaia di milioni di anni fa. Il calcare si forma in ambienti sottomarini, ed é il frutto di un lungo processo di sedimentazione del carbonato di calcio (CaCO₃), prodotto dal disfacimento di alghe, gusci di molluschi, plancton, e di quello normalmente contenuto nell'acqua di mare.
Questo strato melmoso di CaCO₃, intercalato da diversi depositi, ad esempio argillosi e limicoli, é andato via via aumentando e, con un processo di consolidamento chiamato "diagenesi", è diventato una roccia, il calcare appunto.
     Questa roccia é dunque una massa non compatta, ma formata da strati più o meno omogenei intercalati da strati di materiali 

soprattutto argillosi e incoerenti, chiamati "giunti di strato" (figura 46): é proprio qui che, grazie ad una maggiore solubilità, si formano dei vuoti che favoriscono l'insorgere dei fenomeni di carsificazione.Con il movimento della crosta terrestre questa massa rocciosa viene spinta, compressa e fratturata, dando origine a rilievi, pieghe e faglie (figura 47). Avremo cosi' degli imponenti ammassi calcarei con un certo numero di fessure e di fratture, all'interno delle quali l'acqua produrrà dei fenomeni, prima scorrendo in superficie (carsismo superficiale), quindi penetrando in profondità (carsismo profondo).

                                     carsismo superficiale

     Le zone carsiche sono inconfondibili perché l'acqua agisce sempre con particolare intensità sulla loro superficie, creando dei paesaggi caratteristici. Le forme sono sempre aguzze ed aspre, quasi sempre aride perché l'acqua tende a scomparire nelle numerose fessure ed a riversarsi nei condotti sotterranei.
     L'acqua svolge sulla roccia nuda una azione corrosiva, creando delle serie di canalette parallele tra loro e separate da lamelle taglienti: abbiamo cosi' i cosiddetti "campi solcati". L'acqua scompare quasi subito dalla superficie gettandosi in vari punti di assorbimento del terreno. Questi possono essere delle fessure, degli inghiottitoi, cioè dei condotti discendenti più o meno ampi che alimentano lo scorrimento sotterraneo delle acque, oppure delle "doline" (figura 48), depressioni del terreno più o meno grandi, causate dall'azione corrosiva ed erosiva dell'acqua (doline di soluzione), di forma generalmente a imbuto, a ciotola o a piatto, terminanti anch'esse con un inghiottitoio, che può essere ostruito da detriti o sabbia. Una dolina può essere anche generata dal crollo del soffitto di una cavità sotterranea (dolina da crollo, figura 49): in questo caso avremo delle pareti più nette ed aspre, e sul fondo un accumulo di massi da crollo.
Il paesaggio carsico è caratterizzato anche da grossi accumuli di ghiaioni e pietrame ai piedi delle pareti e lungo i pendii: questa intensa frammentazione del calcare è causata da agenti meteorologici come l'alternanza del calore diurno e del freddo notturno, o in tempi più lunghi dall'alternarsi del caldo estivo e delle gelate invernali, che dilatano l'acqua contenuta nelle microfessure della roccia.                                                              

                                                                                carsismo profondo

         Vediamo ora come l'acqua agisce sul carbonato di calcio nei processi di carsismo profondo.
Abbiamo visto come il calcare, per effetto dei movimenti orogenetici, sia percorso da un'infinità di fessure, sia microscopiche che molto ampie, e da piani di faglia e giunti di strato, che costituiscono delle soluzioni di continuità nella roccia. L'acqua superficiale si infiltra in questi vuoti e agisce sia per erosione meccanica, dilavando la roccia e svolgendo un'azione abrasiva con le particelle che trasporta, sia per corrosione chimica.

                                                                   il processo di corrosione chimica

     Il carbonato di calcio é insolubile in acqua, dunque questa non dovrebbe avere nessun effetto sul calcare. Ma l'acqua piovana, attraversando l'atmosfera, e successivamente, una volta giunta sul terreno, strati di foglie  e materiali organici in decomposizione, si carica di anidride carbonica (CO₂). A contatto con quest'acqua ricca di CO₂ il carbonato di calcio CaCO₃ si trasforma in bicarbonato di calcio Ca(HCO₃)₂, un sale solubile in acqua secondo la seguente reazione chimica reversibile:

                   CaCO₃ + H₂O + CO₂   =====   Ca(HCO₃)₂

cioé: carbonato di calcio + acqua + anidride carbonica = bicarbonato di calcio.

     Dunque questo flusso d'acqua carico di CO₂ si insinua nelle numerose fessure e fratture del calcare, soprattutto nei punti dove queste si intersecano, e compie un lento lavoro di corrosione, facendosi strada nei giunti di strato e cercando sempre nuove vie, e allargando quelle che già percorre. Questa aggressività viene esaurita in breve tempo,  ma basta l'incontro con dell'altra acqua a diverso tenore di CO₂ o di diversa temperatura perchè la soluzione torni ad essere insatura e quindi nuovamente aggressiva (effetto Boegli, figura 50).

                                 idrologia sotterranea

     Dunque l'acqua scorre dentro la roccia calcarea cercando sempre di scendere attraverso le fessure. Avremo dunque una zona superficiale, dove l'acqua viene assorbita (zona di assorbimento), una zona di percolazione (zona vadosa) dove l'acqua transita, una zona freatica sommersa perché l'acqua non trova sbocchi per scendere oppure defluisce troppo lentamente, e una risorgenza quando     
  

l'acqua riesce ad uscire in superficie (figura 51). Per questo motivo nella zona di percolazione si avranno spesso fiumi e laghi sotterranei, anche con forte scorrimento che, per effetto delle particelle trasportate che erodono meccanicamente la roccia, aumentano l'approfondimento dei condotti.

             l'architettura delle grotte

Nella zona che abbiamo definito freatica, cioè invasa dall'acqua, questa scorre a pressione, provocando l'allargamento delle fessure e producendo delle gallerie a sezione subcircolare o ellissoidale, che poi, venuta meno la pressione

dell'acqua perché questa é riuscita a penetrare più in basso, si approfondiranno nella parte inferiore (figura 52). Quando l'acqua, in fase di percolazione, trova spazio verso il basso, scava dei pozzi verticali, quando invece é costretta a scorrere in piano perché ha raggiunto uno strato impermeabile o poco permeabile, la grotta tenderà a svilupparsi

orizzontalmente, a volte con andamento a labirinto. Prima o poi comunque l'acqua trova una risorgenza o un livello più basso, e allora le zone prima sommerse si svuoteranno gradualmente. Un'altra teoria molto accreditata sulla genesi delle cavità carsiche é quella dell'"erosione inversa" del Maucci (figura 53). Secondo questa teoria l'acqua, in una cavità, corrode la volta perché il livello sale continuamente a causa dell'accumulo di detriti sul fondo, fino a sboccare all'esterno per il crollo della volta.

Dunque in grotta avremo dei pozzi verticali originati dal passaggio dell'acqua in fratture verticali dove la solubilità é alta; avremo un reticolo di gallerie orizzontali e suborizzontali che si creano in zone freatiche, con dei saloni dovuti all'incontro con calcare quasi puro e quindi molto carsificabile, o, secondo la teoria della corrosione per miscela di acque, all'incontro tra apporti d'acqua aventi diversi tenori di CO₂ ; e queste gallerie possono essere attive, cioè interessate da un regime idrico, o fossili, cioè abbandonate dall'acqua, che é presente solo con dei gocciolamenti (stillicidio). (figura 54).

                    concrezionamento

     Come abbiamo visto, l'acqua svolge nelle zone freatiche di una grotta un'azione corrosiva dovuta alla reazione dell'acqua carica di CO₂ con il CaCO₃. Ma cosa succede quando l'acqua trova un passaggio verso il basso e abbandona una cavità? Succede che mentre prima si aveva solo una fase liquida, ora si ha anche una fase gassosa, l'aria. A questo punto la CO₂ si può liberare e la reazione

prima indicata procede in senso opposto: il bicarbonato di calcio  cede l'anidride carbonica e ridiventa carbonato di calcio, solidificandosi e formando concrezioni di diversa forma (figura 55). Cosi' uno stillicidio dalla volta depositerà calcite nel punto di uscita formando una stalattite o una cannula, e parte della goccia arriverà sul pavimento formando una stalagmite. Col tempo stalattite e stalagmite si uniranno a formare una colonna. Un ruscellamento da una fessura in parete tenderà a formare una colata, se questo  ruscellamento avviene sul pavimento formerà una crosta stalagmitica, a volte con vaschette.
     Le concrezioni possono avere un'infinità di forme, ed é questo che rende le grotte cosi' belle ed attraenti, anche se certo non é questo l'aspetto più importante della speleologia. Un'altra meraviglia del mondo sotterraneo é rappresentata dalle eccentriche, strane formazioni cristalline che non seguono le leggi di gravità ma hanno uno sviluppo apparentemente casuale, in ogni direzione. Tutt'oggi esistono, sulla loro genesi, diverse teorie ma poche certezze.

     varie concrezioni in grotta
A. medusa
B. stalattite
C. stalagmite
D. crostone stalagmitico
E. stalattite a ginocchio
F. colonna
G. eccentriche
H. cannule
I.  stalattite contorta
L. foro da corrosione
M. stalagmite a piatti
N. stalagmite a candela
O. stalattite di ghiaccio
P. cortina stalattitica
Q. Stalagmite R impiantata su        stalagmite Q preesistente
S. cascata stalagmitica

                                                                           A: tipi di condotte freatiche
1: circolare    2: ellittica, sviluppata lungo un interstrato    3: trapezoidale    4: rettangolare, influenzata dagli interstrati e da piani subverticali di fratturazione    5: fusoidale, lungo un piano verticale di fratturazione

      
                                                   B: condotte modificate da erosione di tipo antigravitativo
6: condotta riempita da sedimenti, con conseguente sviluppo di un canale di volta    7: condotta come al n° 6 dopo l'erosione dei sedimenti    8: condotta antigravitativa che si é sviluppata verso l'alto in seguito a sedimentazione continua sul fondo

C: ex condotte freatiche col fondo inciso da un solco di erosione vadosa

 D: cavità verticali

11 : pozzo fusoidale semplice
12 : pozzo semplice derivante da una forma di tipo 11, in seguito a fenomeni graviclastici
13 : pozzo complesso

1 : la grotta si forma all'incontro fra giunti di strato e fratture

2 : la cavità si amplia

3 : inizia il concrezionamento

4 : si riempie completamente, dopodichè si ricomincia dal n° 1