Assonet- Cavità Artificiali - Rivista Sigea

Le concrezioni e le mineralizzazioni secondarie di grotta sono attualmente i più potenti archivi per gli studi paleoambientali e paleoclimatici nell’arco dell’ultimo milione di anni, permettendo, in alcuni casi una risoluzione su base decennale o addirittura annuale. Oltre a questi studi, poi, le concrezioni in generale e le stalagmiti in particolare vengono utilizzate per studi paleosismici che possono essere di particolare interesse per una migliore definizione del rischio sismico. Infine gli speleotemi, in particolare quelli carbonatici e quelli solfatici, sono importanti indicatori rispettivamente per il ciclo del carbonio e per quello dello zolfo. Per tutti questi motivi è necessario salvaguardare al massimo le cavità naturali al fine di conservare intatto questo loro patrimonio scientifico.

Presently speleothems and cave minerals are the most powerful tools for paleoenvironmental and paleoclimatic studies in the last million year. In fact they sometime allow a resolution up to 10 or even 1 year. Moreover speleothems and stalagmites in particular may be used to detect earthquakes of the past thus allowing a better definition of the seismic hazard for a given area. Finally carbonate and sulphate speleothems supply important evidences of the carbon and sulphur cycle. Therefore it is necessary to improve the safeguard of the caves in order to preserve their scientific patrimony.

Uno dei primi motivi che spinsero l’uomo ad interessarsi dell’ambiente sotterraneo non solo a fini abitativi o religiosi fu quello della ricerca di minerali, che, in molti casi, non poteva in alcun altro modo procurarsi all’esterno dato che questi si formavano esclusivamente all’interno delle grotte.

E’ il caso del salnitro, che gli Assiri, oltre 5000 anni fa, ricavavano dalle pareti delle cavità naturali lungo il Tigri per utilizzarlo prima come diuretico e poi anche per la conservazione dei cibi.

L’interesse per questo caratteristico minerale di grotta non è diminuito nei millenni: infatti, dopo la scoperta della polvere da sparo, di cui era fondamentale componente, le cavità naturali assursero a un’importanza strategica, tanto che, in alcuni paesi, quali per esempio il Regno di Napoli, fino alla metà del 1800 le grotte erano di pertinenza esclusiva della casa reale (Forti & Palmisano 1989).

Le grotte, poi, molto presto, si sono imposte allo stupore e all’ammirazione degli uomini per il fascino e la stranezza delle concrezioni che ospitavano, che furono rappresentate già agli albori della nostra civiltà: una lamina in bronzo proveniente dal trono del re assiro Shalmaneser III, e conservata al British Museum a Londra, illustra una piccola grotta vicino alle sorgenti del Tigri ove sono chiaramente visibili tre grandi stalagmiti con stillicidio attivo sopra di loro. Anche i Romani nei loro splendidi mosaici dei secoli 4° e 5° dopo Cristo spesso rappresentarono le cavità naturali, con le loro stalattiti, vele e stalagmiti…. (Forti, 1998).

All’interesse economico ed estetico, comunque, non corrispose un altrettanto grande interesse scientifico: infatti i primi, pionieristici, studi per comprendere la genesi e l’evoluzione dei depositi chimici delle grotte ebbero inizio solamente poco meno di due secoli fa.

In realtà, solamente dopo l’ultima guerra mondiale si iniziò sistematicamente la descrizione morfologica prima, e lo studio genetico poi, delle concrezioni e delle mineralizzazioni di grotta; infatti si passa dalle poche diecine di minerali secondari di grotta noti ai primi del 1800 ai circa 250 attuali, mentre le pubblicazioni a stampa sull’argomento passano rispettivamente da qualche unità a poco meno di 5000 attuali ( Hill & Forti, 1997).

Data la sua relativa "giovinezza" lo studio dei depositi chimici delle cavità naturali è ancora suscettibile di notevoli scoperte, tanto che non passa anno che nuove concrezioni e nuovi minerali di grotta vengono descritti in ogni parte del mondo.

Già oggi, comunque, è assolutamente accertato che i depositi chimici delle grotte in generale, e le concrezioni di carbonato di calcio in particolare, rappresentano tra l’altro il più dettagliato "database" per la ricostruzione paleoambientale e paleoclimatica per tutto il Quaternario recente (gli ultimi 600.000 anni).

Le acque, o più in generale i fluidi, che circolano in una grotta contengono sempre una certa quantità di sali minerali, che hanno solubilizzato durante il loro più o meno lungo percorso per raggiungere la cavità. Di solito si tratta di minerali comuni quali il carbonato di calcio, il solfato di calcio, la silice, etc.. In alcuni casi però, come per esempio negli ambienti idrotermali, possono trasportare in soluzione anche una grande varietà di anioni e cationi meno comuni.

Quando queste acque affiorano all’interno di una cavità naturale possono, per vari motivi (degassamento, evaporazione, ossidazione, doppio scambio, raffreddamento etc.) divenire soprasature rispetto ad uno o più dei sali che trasportano in soluzione, che conseguentemente precipitano formando un deposito chimico di grotta.

Praticamente da sempre questi depositi sono stati suddivisi in due "sottogruppi" (Hill & Forti, 1997) ed esattamente in:

La differenza, quindi, era essenzialmente basata sul "grado di cristallinità", che doveva essere alto nelle mineralizzazioni e basso nelle concrezioni. In realtà in natura esistono molte concrezioni macrocristalline o addirittura monocristalline, mentre, d’altra parte, esistono mineralizzazioni criptocristalline o francamente amorfe: in pratica non vi è soluzione di continuità. I depositi chimici di grotta, infatti, partendo da composti totalmente amorfi arrivano a composti monocristallini.

E’ evidente quindi che la suddivisione operata tra concrezioni e mineralizzazioni sulla base del grado di cristallinità non è scientificamente valida.

In effetti le concrezioni altro non sono che una forma particolare che può essere assunta da un qualunque deposito chimico: pertanto la differenziazione tra concrezioni e mineralizzazioni ha esclusivamente un valore morfologico.

Questi limiti rigorosi sono necessari per evitare che tutti i minerali esistenti in natura possano essere considerati anche minerali secondari di grotta.

In generale le cavità naturali non sono un ambiente particolarmente favorevole alla minerogenesi ed infatti moltissime grotte non ospitano alcun minerale secondario (Forti, 2000), e la quasi totalità dei depositi chimici secondari presenti nelle altre, come già detto, è rappresentata da carbonato di calcio (>98%) seguito a molta distanza dal gesso (>1,5%).

Tutti gli altri 260 minerali di grotta, ad oggi conosciuti, rappresentano quindi meno dello 0,5% del totale, e questo spiega il perché molti di essi sono stati segnalati in una sola cavità al mondo e, all’interno di questa, in un singolo posto.

In realtà, però, le grotte possono interessare una grande varietà di rocce: calcare, dolomia, gesso, salgemma, quarzite, basalto, etc. e in casi più rari anche clorite, bauxite… La degradazione chimico-fisica di queste rocce apporta al sistema una grande quantità di ioni differenti che, in condizioni idonee, possono depositarsi come mineralizzazioni secondarie. Inoltre l’evoluzione speleogenetica può fare affiorare sulle pareti della grotta mineralizzazioni primarie (tra cui la pirite e la marcasite sono le più comuni) che, in contatto con l’acqua di percolazione o con l’ossigeno dell’aria possono dare luogo a nuovi composti chimici. Infine all’interno delle grotte possono esistere depositi di argilla, di guano, di ossa che a loro volta possono apportare al sistema cationi ed anioni utili per produrre ulteriori minerali secondari.

Sopra tutta questa varietà di substrati può agire acqua di diversa origine (meteorica, marina, termale), che conseguentemente avrà un contenuto salino molto differente sia per qualità che quantità di sali disciolti. Le acque termali sono certamente molto importanti dal punto di vista minerogenetico, anche se piuttosto rare in ambiente di grotta. Probabilmente, infatti, oltre il 30% dei minerali secondari di grotta derivano da reazioni idrotermali (Forti, 1996).

In casi particolari poi, non sarà l’acqua ad agire direttamente, ma altri fluidi: quali quelli fumarolici in ambiente vulcanico.

La complessità dei substrati e la variabilità del chimismo delle acque, combinate con le notevoli differenze di temperatura che possono esistere nelle cavità naturali, si risolvono in un relativamente alto numero di fenomeni e meccanismi minerogenetici potenzialmente attivi in grotta (v. Tab. 1).

Fenomeno		Meccanismo	Temperatura (°C)
1	Attività fumarolica	Sublimazione Deposizione da aerosol	>100 50-100
2	Fluidi idrotermali	Raffreddamento Degassazione	<100
3	Solubilizzazione	Evaporazione	0-100
4	Alterazione	Ossidazione Idratazione Scambio ionico	T ambiente
5	Carsismo	Diffusione	T ambiente
6	Processo biochimico	Digestione	T ambiente
7	Solidificazione	Congelamento	0

Tab. 1 – Fenomeni e reazioni correlate che portano allo sviluppo di minerali secondari nelle grotte in funzione della temperatura alla quale i meccanismi sono attivi

Alcuni di essi possono agire in ogni tipo di cavità naturale e in un intervallo di temperatura ampio (processi biochimici, solidificazione, solubilizzazione, alterazione) altri sono attivi invece solo in cavità particolari (attività fumarolica nelle grotte laviche e carsismo in quelle in litotipi carbonatici), altri infine hanno necessità di temperature particolari per essere attivi (fluidi idrotermali).

Per quanto detto non deve quindi stupire il fatto che molti minerali sono stati osservati per la prima volta in ambiente di grotta (tra i tanti vogliamo qui citare solo la Francoanellite (H₆(K,Na)₃(Al,Fe³⁺)₅(PO₄)₈^.13H₂O), fosfato rinvenuto per la prima volta nella grotta di Castellana e dedicato a Franco Anelli) e 9 di essi siano ancora oggi "esclusivi" di quell’ambiente (tra tutti ricordiamo qui il minerale organico Mellite (Al₂[C₆(COO)₆ ]^.18H₂O) della Grotta Romanelli in Puglia e la Sasaite (Al,Fe³⁺)₁₄(PO₄)₁₁(SO₄)(OH)₇^.83H₂O), un fosfato scoperto in una grotta del Sud Africa e il cui nome deriva dalle iniziali del Gruppo Speleologico che la scoprì: South Africa Speleological Association).

Il meccanismo attraverso il quale le formazioni carbonatiche vengono disciolte dalle acque di infiltrazione meteorica è il ben noto processo carsico, che può essere semplificato e riassunto nella seguente reazione chimica:

In generale le acque di infiltrazione meteorica, essendosi arricchite di anidride carbonica nel passaggio attraverso lo strato di suolo, quasi sempre presente in superficie, possono disciogliere una quantità di carbonato di calcio superiore a quella che può rimanere in equilibrio nell’acqua una volta che questa riaffiora nell’ambiente aerato di grotta: pertanto l’acqua diventa concrezionante e può dare luogo a depositi di calcite e/o aragonite in funzione delle caratteristiche chimico-fisiche peculiari del luogo ove avviene la precipitazione.

La diffusione della CO₂ nell’atmosfera della grotta è sicuramente di gran lunga il processo dominante nella formazione delle concrezioni di CaCO₃ nella stragrande maggioranza delle grotte anche se esistono altri meccanismi che possono produrre la deposizione di calcite e/o aragonite in grotta.

La concentrazione in CO₂ dell’atmosfera di una grotta ben ventilata è circa 10 volte superiore a quella dell’ambiente esterno, ma risulta essere da 25 a 250 volte inferiore alla concentrazione presente nelle acque di infiltrazione che abbiano attraversato un suolo. Conseguentemente, quando queste acque raggiungono una grotta aerata, rapidamente si mettono in equilibrio con la sua atmosfera, liberando in essa l’eccesso di CO₂ trasportata.

La diminuzione della concentrazione di CO₂ in soluzione, a sua volta fa invertire l’equilibrio di dissoluzione del carbonato di calcio, con conseguente precipitazione di CaCO₃ sotto forma di calcite e/o di aragonite secondo la formula:

In genere, questo meccanismo è più efficiente nei mesi estivi, quando il contenuto in anidride carbonica delle acque di infiltrazione è massimo, mentre diminuisce nei mesi invernali poiché l’attività batterica a livello del suolo, che è responsabile degli alti livelli di concentrazione in CO₂ nell’atmosfera correlata, è fortemente rallentata.

Analogamente il processo sarà favorito nelle aree a clima caldo umido, dato che in queste aree la vegetazione è più rigogliosa e conseguentemente lo sono le reazioni a livello del suolo.

Un aspetto spesso poco considerato del fenomeno carsico nel suo complesso è quello di come esso interferisca con il ciclo del carbonio in generale: infatti si tende a ritenere che il suo effetto sulla quantità assoluta di anidride carbonica nell’atmosfera sia nullo dato che la quantità di questo gas sottratta attraverso il processo di carsificazione (reazione 1) sia stechiometricamente uguale a quella restituita attraverso il processo opposto di concrezionamento (reazione 2).

In effetti questo non è assolutamente vero perché il rapporto tra solubilità del calcare e contenuto di anidride carbonica libera nell’acqua non è lineare e soprattutto perchè le suddette reazioni non sono le uniche che vengono coinvolte.

Bisogna pensare, infatti, che all’aumentare della concentrazione di CO₂nell’atmosfera corrisponde automaticamente un maggior tasso di anidride carbonica disciolta nell’acqua e questo comporta di conseguenza che la quantità di carbonato di calcio che rimarrà in ogni caso in soluzione sarà più alta e quindi, in ultima analisi, arriverà nelle falde profonde ove non sarà più disponibile per alimentare il ciclo del carbonio. Inoltre i fiumi e le falde in contatto diretto con il mare scaricheranno in questo acque con più alta concentrazione di carbonato di calcio che servirà a far aumentare la precipitazione dello stesso nei fondali marini.

Ma per rimanere nelle grotte, l’eccesso di anidride carbonica che viene veicolato al loro interno a seguito dell’aumento di questo gas nell’atmosfera può essere, e spesso viene, utilizzato per far precipitare carbonato di calcio in ambienti, quali quello gessoso (Forti & Rabbi, 1981), a seguito del fenomeno della dissoluzione incongruente, secondo la reazione:

che porta, per esempio, allo sviluppo di potenti concrezionamenti di calcite all’interno delle grotte in gesso di molte parti del mondo (fig. 3), soprattutto in climi temperati umidi e tropicali umidi (Forti, 1997).

E ancora parte della CO₂ che raggiunge gli ambienti di grotta viene utilizzata per creare depositi di carbonati metallici, che anch’essi contribuiscono a diminuire, seppure in maniera minore, la quantità di questo gas disponibile per gli scambi con l’atmosfera.

Per quanto detto, quindi, l’ambiente carsico in generale deve essere considerato uno dei vari sistemi in grado di sottrarre CO₂ all’atmosfera e quindi, in ultima analisi essere un agente che, globalmente, si oppone all’"effetto serra" .

Se si esclude il CaCO₃ (calcite e aragonite), il minerale di gran lunga più abbondante all’interno di cavità naturali è il gesso (CaSO₄^.2H₂O).

Inoltre la famiglia dei solfati (minerali che contengono nella loro formula chimica lo ione SO₄⁼) è il gruppo che raccoglie il più alto numero di minerali differenti conosciuti per l’ambiente di grotta (ben 64).

A prima vista questo potrebbe anche sembrare del tutto logico, dato che una percentuale non trascurabile di grotte si formano proprio in roccia gessosa e inoltre gli affioramenti, a prevalente componente gessosa, sono molto estesi sulla Terra e, ancora, lo ione SO₄⁼ è molto reattivo e quindi può, più facilmente dello ione CO₃⁼, dare luogo a sali stabili.

In effetti, per molto tempo, si è ritenuto che l’unica possibilità per il gesso e gli altri minerali solfatici di depositarsi in grotta fosse tramite l’evaporazione di acque, che si erano arricchite in ioni solfato attraversando orizzonti evaporitici: questo è sicuramente vero per le grotte in gesso.

In realtà, però, se andiamo ad analizzare in dettaglio dove e come si formano i più estesi depositi di gesso secondario in grotta, ci si accorge che essi si trovano generalmente, anche se non esclusivamente, in grotte calcaree del tutto prive di orizzonti gessosi all’interno del bacino di impluvio delle acque di infiltrazione.

Un altro fatto che mal si conciliava con la genesi "evaporitica" di tutti i solfati di grotta era poi la diffusione in ambiente ipogeo di un grande numero di minerali solfati molto solubili se non addirittura igroscopici.

Solo poco più di 10 anni fa veniva finalmente capito il meccanismo attraverso cui venivano formati, da un lato, i grandi depositi di gesso in ambiente carbonatico (nella grotta di Frasassi vi sono oltre 1.000 m³ di questo minerale), e, dall’altro, si chiariva la genesi delle forme da corrosione accelerata (soffitti a cupole da corrosione, bubble trials, …), che costantemente accompagnavano questi depositi: si trattava del meccanismo basato sul "ciclo delle zolfo" (Forti, 1989).

Il ciclo dello zolfo (fig. 4) è l’insieme delle reazioni biochimiche che permettono a molti microrganismi di vivere e produrre materia organica sfruttando i processi redox che coinvolgono in natura lo zolfo e che portano al rilascio di grandi quantità di acido solforico.

Nelle rocce carbonatiche è abbastanza comune le pirite (solfuro di ferro) dispersa negli strati di roccia e, in casi particolari, anche altri solfuri metallici sotto forma di filoni o masse mineralizzate: questi minerali al contatto con le acque di percolazione ricche in ossigeno, si ossidano formando acido solforico (H₂SO₄).

All’interno della roccia carbonatica questo acido non riesce a reagire, perché la grande quantità di anidride carbonica liberata inibisce immediatamente la reazione, ma quando, per percolazione o capillarità, raggiunge l’interfaccia roccia-aria, la CO₂ può liberasi e la può completarsi e dare luogo a gesso, sia sotto forma di moonmilk, sia come aggregati aciculari o crostoni.

In altri casi la precipitazione di gesso avviene in ambiente freatico attraverso il fenomeno dello ione comune (gli ioni SO₄⁼ si combinano direttamente con gli ioni Ca⁺⁺ presenti in soluzione) ma sempre vicino all’interfaccia, per permettere all’anidride carbonica di diffondere e evitare così l’arresto precoce del processo: in questo caso si possono formare sedimenti gessosi anche di vari metri di spessore.

Un'altra sorgente importante per gli ioni SO₄⁼ in ambiente carbonatico è data dall’affioramento in grotta di acque solfuree. In questo caso l’ossidazione dell’acido solfidrico liberato avviene in piccola parte in maniera inorganica a livello dell’atmosfera di grotta ma molto di più, sempre attraverso reazioni biochimiche, sulle pareti ove l’H₂S arriva disciolto nelle acque di condensazione.

Oltre ai due menzionati meccanismi genetici (dissoluzione-evaporazione e ciclo dello zolfo) che rappresentano la quasi totalità dei depositi di gesso e di altri minerali solfatici in grotta, vi sono anche altre reazioni che in ambienti e condizioni particolari, possono portare alla formazione di speleotemi di gesso: la risalita di brine soprasature e la mineralizzazione del guano. L’insieme dei meccanismi e delle reazione che portano alla formazione di gesso in ambiente di grotta è schematizzata in fig. 5.

Dal punto di vista scientifico, poi, alcune delle grotte in cui è attivo il "ciclo dello zolfo" si sono rivelate importantissime per lo studio degli ecosistemi chemioautotrofici (Forti et al., 2000): cioè di quegli ambienti in cui l’energia e le materie prime per la costruzione e il sostentamento delle comunità biotiche non derivano, come normalmente succede dalla superficie terrestre, dall’irraggiamento solare e la fotosintesi clorofilliana, ma vengono fornite da reazioni chimiche che avvengono a livello degli stessi ecosistemi.

I più famosi di questi sistemi chemioautotrofici sono quelli che si sviluppano nelle profondità marine a livello delle emissioni localizzate di fluidi ricchi in acido solfidrico e in metano (Ballard, 1977; Tunnicliffe, 1992): qui le sostanze organiche e l’energia necessaria per l’evoluzione ed il sostentamento di tutto l’ecosistema vengono fornite da batteri che governano l’ossidazione dell’acido solfidrico a solforico e sfruttano l’energia di tale reazione per produrre materia organica a partire dal metano.

Le difficoltà che si incontrano nello studio quantitativo di tali ecosistemi deriva da un lato dal luogo ove essi sono localizzati (le profondità oceaniche) e dall’altro dalla difficoltà di separare i vari processi che sono simultaneamente attivi per poterli più facilmente modellizzare.

Alcune grotte, esattamente quelle ipogeniche (Sarbu et al., 1996 e 1999), che debbono la loro genesi da emissioni di metano e acido solfidrico dall’interno della crosta terrestre, si sono dimostrate essere perfetti "laboratori naturali" per lo studio dei sistemi chemioautotrofici.

Le ricerche effettuate nelle grotte ipogeniche negli ultimi dieci anni, pur essendo ancora molto sporadiche, hanno dimostrato che al loro interno esistono ecosistemi del tutto simili a quelli scoperti nel fondo degli oceani, e molto complessi: a tutt’oggi circa 40 nuove specie animali sono state descritte in queste grotte.

Gli ambienti delle grotte ipogeniche sono certamente più agevolmente raggiungibili delle profondità oceaniche e inoltre questi sono interessati esclusivamente dai processi indotti dal ciclo dello zolfo e pertanto risultano molto più semplici da studiare.

E’ quindi probabile che in un prossimo futuro lo studio degli ecosistemi chemioautotrofici riceva maggior impulso dallo studio delle grotte che da quelli oceanografici.

I depositi, fisici, chimici e organici, di grotta rivestono un eccezionale interesse sia dal punto di vista scientifico che, in alcuni casi, anche da quello economico.

E’ stato accennato nell’introduzione, infatti, come siano stati interessi economici (ricerca di sostanze necessarie non rinvenibili all’esterno) la molla che ha fatto scattare nell’uomo l’interesse per l’esplorazione speleologica.

A tal proposito basterà qui ricordare come dal 1400 sino a quasi ai giorni nostri, quando sono stati esplorati i deserti secchi del Cile, le grotte sono state la fonte quasi esclusiva per il salnitro, componente essenziale della polvere da sparo. Essenzialmente per questo motivo le grotte, o meglio i depositi al loro interno, erano divenute non solo di grande interesse economico, ma anche e soprattutto strategico.

Altre sostanze, accumulate all’interno delle grotte, hanno avuto in passato, ed in parte hanno ancora oggi, importanza economica: tra queste possiamo citare il guano, tra i migliori fertilizzanti naturali esistenti in natura, che ancora viene intensivamente estratto ed utilizzato soprattutto nei paesi in via di sviluppo.

Molti altri minerali si sono poi accumulati in maniera solo meccanica all’interno delle cavità naturali e vengono oggi da queste estratti: tra questi possiamo ricordare le terre rosse, le fosforiti, i minerali di vanadio, etc.

Se, come appena accennato, l’interesse economico dei depositi di grotta può essere anche notevole, certamente molto superiore è quello scientifico.

Le grotte sono tra i più longevi componenti del paesaggio, potendo preservarsi quasi intatte per diecine di milioni di anni e anche più. Per tutto il tempo della loro vita una delle caratteristiche delle cavità naturali è quella di essere delle gigantesche e perfette "trappole di accumulo", di favorire cioè la sedimentazione sia fisica che chimica al loro interno e quindi, data la bassa energia che caratterizza l’ambiente delle grotte in generale, di offrire a questi depositi la possibilità di mantenersi praticamente inalterati per un lungo periodo di tempo, cosa che sarebbe impossibile all’esterno.

I depositi delle cavità naturali sono di fondamentale importanza in molte delle branche della ricerca scientifica: in particolare sono assolutamente indispensabili per lo studio di tutto quello che riguarda le ricostruzioni paleoambientali. Esse infatti rappresentano l’archivio più completo e dettagliato per ricostruire gli eventi che si sono succeduti nell’ultimo milione di anni ed oltre.

Non è un caso, infatti, che la grande maggioranza degli importanti siti archeologici del Paleolitico inferiore siano in grotta: senza le cavità naturali la nostra storia si arresterebbe a poche migliaia di anni addietro.

Anche i minerali secondari di grotta, pur essendo in realtà molto rari, sono di grande importanza scientifica. Tra i campi di ricerca in cui sono fondamentali bisogna citare innanzitutto lo studio delle reazioni spontanee: le grotte infatti sono ambienti in cui generalmente l’energia disponibile è minima. La presenza di minerali di neoformazione (ad esempio quarzo) in questi ambienti fornisce quindi informazioni preziose su queste reazioni, che sono generalmente poco studiate e rivestono invece una importanza fondamentale, non solo scientifica ma anche e soprattutto economica, essendo le stesse che governano i processi che portano alla formazione prima e alla eventuale mobilizzazione poi dei giacimenti minerari.

Un altro campo interdisciplinare e di "frontiera" della ricerca scientifica in cui le mineralizzazioni secondarie di grotta possono fornire informazioni e dati utilissimi è quello dello studio del ruolo dei microrganismi nelle complesse reazioni che portano da un lato alla deposizione di minerali in grotta e dall’altro all’evoluzione speleogenetica. Le indagini condotte in questi ultimissimi anni hanno infatti evidenziato che moltissime anche delle più semplici reazioni attive in ambiente di grotta vengono come minimo catalizzate, se non completamente governate, da microrganismi (batteri, funghi etc.).

Tra tutti i sedimenti di grotta, quelli chimici e segnatamente le concrezioni di carbonato di calcio si stanno dimostrando gli strumenti più duttili e potenti per le ricostruzioni paleoambientali e paleoclimatiche relativamente all’ultimo milione di anni.

Tra le più semplici, ma non per questo meno utili, osservazioni che si possono fare sono quelle paleoclimatiche basate sul diametro delle stalagmiti.

All’interno di una grotta, punto di impatto di una goccia (non importa se staccatasi da una concrezione o direttamente dal soffitto, qualora la stessa sia concrezionante), si po’ osservare la formazione di una stalagmite la cui forma schematica è cilindrica con l’apice ogivale: essa è dovuta al fatto che la deposizione è massima nel punto di impatto della goccia e tende a diminuire radialmente di mano in mano che ci si allontana da quest’ultimo.

La forma apicale ogivale, però, fa in modo che l’acqua che gocciola sopra la stalagmite si allontani più velocemente dal punto di impatto e quindi mantenga più a lungo il suo potere concrezionante: in questo modo rapidamente si raggiunge un profilo di equilibrio, per cui tutti i punti apicali della stalagmite si accrescono alla stessa velocità dando luogo alla forma cilindrica della stessa.

E’ stato dimostrato (Franke, 1965) che il diametro di equilibrio di una stalagmite dipende da:

Ma se il volume d’acqua che cade sulla stalagmite è sufficientemente elevato, allora c_° e v sono costanti e pertanto il diametro dipenderà esclusivamente dalla quantità d’acqua che alimenta la stalagmite stessa: questo spiega come mai in una stessa grotta possono coesistere stalagmiti che hanno la stessa età ma dimensioni diversissime. Sfruttando proprio questa proprietà delle stalagmiti, si possono fare anche semplici osservazioni paleoclimatiche: infatti se in una grotta, o meglio in un insieme di grotte della stessa area, si trovano stalagmiti che evidenziano tutte una rastremazione del loro diametro verso l’alto (fig. 6), è evidente che il clima dell’area è divenuto più arido. Il passaggio contrario, da climi più secchi a climi più umidi, invece, pur essendo anch’esso registrato con lo stesso metodo nelle stalagmiti non è osservabile direttamente in grotta dato che l’accrescimento del diametro della stalagmite tende a inglobare lo stadio precedente che pertanto è visibile solamente se si effettua una sezione longitudinale della stalagmite stessa (fig. 7).

Un altro oggetto per lo studio paleoambientale e/o paleoclimatico è rappresentato dalle "impurezze" che vengono inglobate all’interno della struttura delle concrezioni di mano in mano che le stesse si accrescono.

Tutte le concrezioni, infatti, crescendo, inglobano all’interno della loro struttura vari minerali in traccia, frammenti trasportati in sospensione durante le piene, polvere portata dalle correnti d’aria e materiale organico che può variare dalle molecole di acidi umici, a spore e a pollini. La struttura laminata e necessariamente ordinata delle concrezioni permette, poi, di ricavare immediatamente una ricostruzione cronologica "relativa" degli eventi corrispondenti a ogni singola banda di accrescimento.

I pollini, incapsulati nelle bande di accrescimento delle concrezioni, si conservano praticamente intatti e possono, quindi, servire per definire almeno a grandi linee gli intervalli di tempo in cui gli speleotemi analizzati si sono sviluppati. Stesso discorso può essere fatto per l’utilizzo delle misure di paleomagnetismo: infatti molte concrezioni contengono al loro interno frammenti residuali di magnetite o altri composti magnetici, che permettono di utilizzare questo metodo al fine di definire gli intervalli di deposizione, anche se non possono in generale fornire una cronologia assoluta.

Esistono, poi, una serie di metodiche che permettono di ottenere, più o meno facilmente, una scala cronologica assoluta (Ford, 1997). Attualmente la più impiegata, e che fornisce dati più attendibili in un intervallo vicino al milione di anni, è la datazione radiometrica basata sul rapporto U/Th: questo tipo di datazione è attendibile solo se il sistema geochimico della concrezione analizzata "non è stato riaperto", cioè se non vi sono stati scambi isotopici tra la concrezione e l’ambiente, dopo che questa si era depositata. In generale le datazioni U/Th sono affidabili se la concrezione non è stata per molto tempo sepolta sotto sedimenti terrigeni imbibiti d’acqua: questo perché, in queste condizioni, facilmente del torio residuale potrebbe infiltrarsi nella concrezione e falsare quindi le misure.

Un altro metodo radiometrico utilizzato per datare le concrezioni carbonatiche è quello che sfrutta il ¹⁴C, che permette datazioni entro un intervallo minore (circa 80.000 anni al massimo) ma che ha come inconveniente la difficoltà di calcolare quanto carbonio negli speleotemi deriva dalla solubilizzazione di vecchie formazioni carbonatiche (carbonio morto privo di isotopo ¹⁴C) e quanto invece deriva dalla CO₂ atmosferica (che conteneva quindi una quantità di ¹⁴C nota): gli errori di questo metodo quindi possono essere davvero grandi.

Altri metodi più recenti, e anche molto più sensibili, sono quelli basati per esempio sulla luminescenza delle bande di accrescimento attivata da un laser (Shopov et al., 1994): in questo caso la ricostruzione della scala cronologica può teoricamente arrivare ad un solo anno di indeterminazione.

La determinazione dei rapporti tra gli isotopi stabili del carbonio e dell’ossigeno (d ¹⁸O/¹⁶O e d ¹³C/¹²C), contenuti nel reticolo cristallino della calcite, dell’aragonite e del gesso, permette di ottenere importanti dati sulla temperatura di deposizione delle concrezioni analizzate ed anche sulle condizioni e sui meccanismi in cui tale deposizione è avvenuta (freatiche o vadose, per evaporazione o per diffusione….). Queste analisi, se condotte sistematicamente lungo l’asse di accrescimento per esempio di una stalagmite, e correlati con datazioni assolute, possono permettere la ricostruzione paleoclimatica e paleoambientale di dettaglio (De Vivo et al., 1987). Come accennato precedentemente, tali ricostruzioni sono attualmente lo strumento più potente in mano agli scienziati per conoscere l’evoluzione dei climi e del paesaggio nella seconda metà del Quaternario.

Un ultimo importante campo di utilizzazione scientifica delle concrezioni di grotta, ed in particolare delle stalagmiti, è quello delle ricostruzioni paleosismiche (Forti, 1999), che rivestono una importanza fondamentale per poter definire il rischio sismico di un’area su un intervallo di tempo molto maggiore di quanto possa fare la sismologia storica e quindi geologicamente molto più significativo.

Il metodo si basa sul riconoscimento in grotta di particolari rotture delle concrezioni (Postpischl et al. 1991) che possono essere causate solo da sismi (fig. 8).

Inoltre l’analisi geomeccanica delle concrezioni rotte, se effettuata su un areale ampio e su un numero statisticamente valido di campioni, può anche portare alla zonizzazione di quel particolare sisma.

Un difetto di questo sistema sta nel fatto che solo i sismi di particolare violenza (oltre il VII grado di magnitudo) possono dare luogo a crolli e pertanto tutti gli altri terremoti non sarebbero riscontrabili attraverso lo studio delle concrezioni collassate.

Fortunatamente esiste anche un altro metodo di studio che permette di rivelare terremoti di intensità molto minore sempre sfruttando un particolare tipo di concrezione (le stalagmiti) anche se il sisma non ne ha procurato il crollo (Forti & Postpischl, 1986).

Il metodo si basa sull’analisi tridimensionale di dettaglio dell’asse di accrescimento delle stalagmiti, in cui ogni discontinuità cromatica e/o ogni variazione nella verticale dell’asse di accrescimento, eliminate le cause strettamente locali attraverso analisi statistiche, è correlabile ad un sisma del passato (fig. 9).

Gli studi che sono stati brevemente descritti nei paragrafi precedenti rappresentano solamente una parte di quelli che possono essere sviluppati utilizzando i depositi chimici delle grotte. Sono comunque sufficiente per dimostrare come l’interesse scientifico innanzitutto, ma anche estetico, delle grotte risiede principalmente negli speleotemi (concrezioni e mineralizzazioni) che vi si sviluppano.

Se l’ambiente di grotta e il suo ecosistema sono in generale fragili ancora più delicati e sensibili sono i depositi chimici ospitati. Spessissimo, involontariamente, la semplice frequentazione speleologica causa danni irreparabili, quali rotture e/o alterazioni permanenti. Per questo motivo, sempre di più, nel mondo si va diffondendo l’abitudine di "marcare" il percorso che gli speleologi devono fare durante una visita ad una grotta già completamente esplorata: in questo modo gli inevitabili danni da frequentazione possono essere minimizzati.

Ma vi sono poi azioni più gravi, volontarie, che portano al degrado e alla distruzione di depositi di grotta, tra queste si deve citare il desiderio di possedere e poter ammirare, anche quando si è a casa, concrezioni e mineralizzazioni incontrate in una escursione in grotta.

A prescindere dal fatto che la stragrande maggioranza di tali campioni perdono tutto il loro fascino e la loro bellezza al di fuori del loro ambiente naturale e spesso anche si alterano profondamente non essendo più in equilibrio con l’ambiente, non bisogna dimenticare la gravissima perdita di informazioni potenzialmente utili che è conseguenza inevitabile dell’asportazione di questi deposti dal luogo ove essi si sono formati.

In conclusione bisogna ricordare quello che è il motto di tutti i ricercatori impegnati nello studio dei depositi di grotta:

"I depositi fisici e biologici, le concrezioni e le mineralizzazioni appartengono alla grotta che li ospita e debbono pertanto rimanere al suo interno"

Ancora di più, nel caso dei depositi di grotta, deve valere il motto del buono speleologo:

Prendi solo fotografie e lascia, se proprio non ne puoi fare a meno, solo l’impronta dei tuoi stivali

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