a cura di Paolo Forti coordinatore

1. Progetto Powerpoint 2009 IL CONCREZIONAMENTO: PARTE II a cura di Paolo Forti coordinatore Grotta de l’Asperge, Francia (foto P. Forti)

2. LE FORME CORRELATE Esistono depositi di grotta o di altri ambienti che pur non potendo essere considerati concrezioni in senso stretto, sono comunque del tutto simili per forma e/o genesi ai normali speleotemi I più importanti tra questi sono: • - formazioni di lava; • - forme di sabbia e argilla; • - formazioni organiche; • - carbidimiti; • - formazioni in cavità artificiali. Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

3. LE FORMAZIONI DI LAVA: VERI SPELEOTEMI? Le grotte vulcaniche contengono spesso “concrezioni di lava” di forma simile alle stalattiti, stalagmiti, eccentriche etc... In generale le “concrezioni di lava” non sono considerate vere e proprie concrezioni. Alcune forme, però, quali le tubolari e le eccentriche, in base al loro meccanismo genetico, dovrebbero essere considerate veri e propri speleotemi. Rapa Nui, Cile (foto P. Forti) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

4. LE FORME IN SABBIA E ARGILLA In grotta esiste una grande varietà di forme che si evolvono sui depositi sabbiosi-limosi ad opera dell’acqua che vi gocciola o vi scorre sopra Si formano spesso per stadi successivi di dilavamento e sedimentazione Buco cattivo, Marche, Italia (foto P. Forti) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

5. LE FORME PIÙ COMUNI Le forme di sabbia e argilla sono molto varie e ricordano le stalattiti, le stalagmiti, le colate, le barriere, le colonne, i coralloidi etc… Le forme più comuni possono essere suddivise in 3 grandi categorie: - stalagmiti; - plastici di fango; - vermicolazioni argillose. Dachstein-Mammuthoehle, Austria (foto L. Plan) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

6. LE STALAGMITI DI FANGO Sono le forme di fango più comuni in grotta La loro genesi è dovuta al gocciolamento su un pavimento costituito da sabbie, limi e argille, che causa per erosione la formazione di un foro centrale attorno a cui si accumula il materiale scalzato (A). Il meccanismo evolutivo è dovuto a successivi stadi di alluvionamento e svuotamento (B,C). Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

7. I PLASTICI DI FANGO Sono associazioni complesse di solchi, creste e piramidi, che possono a volte ricordare i “karren”: si formano nelle zone di oscillazione del livello delle acque. Possono formarsi sia per sedimentazione selettiva sia per erosione. Buco cattivo, Marche, Italia (foto P. Forti) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

8. UNA FORMA COMPLESSA: I “FUNGHI” DI LAUZINAS Grotta di Lauzinas, Francia (foto P. Cabrol) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

9. GENESI DEI “FUNGHI” DI LAUZINAS È una classica forma che si sviluppa in una zona dioscillazione dell’interfaccia aria-acqua. L’evoluzione è controllata dall’alternanza di periodi in cui prevale il concrezionamento a periodi in cui prevale l’alluvionamento di materiale argilloso. Modificato da Hill & Forti, 1997 Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

10. LE VERMICOLAZIONI ARGILLOSE Sono più note come “pelli di leopardo” e sono dei sottili depositi irregolari e di piccole dimensioni formati da materiale incoerente (non solo argilla e limo, ma anche ossidi di ferro e alluminio, nerofumo, materia organica etc...). La loro genesi è favorita dall’alternanza rapida di fenomeni di condensazione e di evaporazione. Il meccanismo di formazione è l’agglutinazione per attrazioneelettrostatica delle particelle in sospensione. Grotta del Fiume, Marche, Italia (foto P. Forti) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

11. VARI TIPI DI VERMICOLAZIONI La loro forma dipende sia dalrapporto acqua-particellein sospensione sia daltipo di materiale che costituisce le particelle. I tipi più comuni sono: • macule puntiformi; • macule plachiformi; • macule bollose; • macule irregolari; • pelli di leopardo; • vermicolazioni lineari; • vermicolazioni a geroglifici; • vermicolazioni dendritiche. Modificato da Bini et al. 1978, A critical review on Hypotheses on the origin of vermiculations. Int. J. Spel. 10(1), pp. 11-33 Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

12. LE FORMAZIONI ORGANICHE A volte ilmateriale organicopresente in grotta è tale da permettere l’evoluzione diconcrezioni totalmente organiche. • I materiali più comuni sono: • polpa legnosa; • asfalto; • prodotti organici del guano. Altre volte ilmateriale organico è prodotto in grotta damicroorganismi. Infineorganismi viventipossono indurre inmodo passivo o attivo la formazione di concrezioni vere e proprie. Cannula di polpa di legno nella Miniera Regina, Brescia, Italia (foto P. Forti) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

13. LE MUCOLITI La grande quantità di materiale organico prodotta dal “ciclo dello zolfo” può far sviluppare speleotemi (pseudo-stalattiti) di muco. Mucoliti - Grotta del Fiume, Marche, Italia (foto S. Galdenzi) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

14. LE ROOTSICLES L’apparato radicale è la sola parte di un albero che può interferire sull’evoluzione degli speleotemi. L’interazione può riguardare: - la morfologia(effetto passivo); - la composizione chimica(effetto attivo). Ilprimo effettoè moltopiù frequente ed evidente: esso può causare l’evoluzione diparticolari stalattiti e/o colonne. Grotta degli Occhiali, Farneto, Bologna, Italia (foto P. Forti) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

15. LE FORMAZIONI BIOGENICHE TIPICHE DI AMBIENTI RICCHI DI SILICE L’ambiente vulcanicopermette lo sviluppo di coralloidi ed eccentriche disilice, che dipendono dalla presenza di diatomee (del genere Melosira) Grotta di Togawa-Sakaidani-Do, Giappone (foto N. Kashima) Si sviluppano nella zona di penombra e si dirigono verso l’ingresso della grotta. Da Kashima et al. 1987, Diatom, contributors of corraloid speleothems. Int. J. Spel. 16, pp. 95-100 Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

16. LE STALATTITI CURVE DI LU LAMPIUNE Sezione di una stalattite di Lu Lampiune (foto P. Forti) Grotta di Lu Lampiune, Puglia, Italia (foto R. Onorato) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

17. GENESI DELLE STALATTITI CURVE Lo sviluppo è controllato dal fatto che le colonie di serpulidi puntano sempre contro corrente per alimentarsi meglio. Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

18. IL CROSTONE STALAGMITICO DI VALLONE CUFALO Grotta di Vallone Cufalo, Calabria, Italia (foto P. Forti) Particolare della concrezione della Grotta di Vallone Cufalo, Calabria, Italia (foto P. Forti) La grotta ospita un crostone stalagmitico di calcite spesso fino a 50 centimetri, ampio 4-5 metri e lungo alcune diecine di metri. Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

19. GENESI DEL CROSTONE STALAGMITICO L’evoluzione è controllata dall’attività vitale delle larve di un insettotroglobio(Tricoptera Wormaldia) che vive su una grande quantità di materiale organico (sansa di olive) scaricato all’interno della grotta. STADI EVOLUTIVI: 1 - le larve producono una grande quantità di CO2; 2 - questo gas reagisce con la soluzione; • 3 - lamine di calcite si depositano attorno alle larve; • 4 -la forma della concrezione è controllata da: • - le attività vitali dellelarve; • - l’energiacinetica del fiume sotterraneo. Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

20. LE CARBIDIMITI Sono concrezioni antropogeniche di calcite, aragonite e a volte di vaterite; si formano sugli accumuli di carburo esausto abbandonato in grotta. Concrezioni di carburo (foto P. Forti) I granuli di carburo presenti nelle polveri esauste reagiscono con l’acqua di stillicidio formando idrossido di calcio che a sua volta reagisce con la CO2 dell’atmosfera formando carbonato di calcio. La loro forma è inizialmente a imbuto per poi crescere verso l’alto come una tubolare capovolta. Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

21. LE CONCREZIONI DEGLI IPOGEI ARTIFICIALI Le cavità artificiali ospitano spesso una grande quantità dispeleotemi assolutamenteidentici a quelli delle grotte naturali, anche se il loromeccanismo genetico è spessodifferente. La presenza in molte cavità artificiali di malte cementizie, con la presenza di una alta concentrazione di idrossido di calcio, attraverso la reazione: Ca(OH)2 +CO2 CaCO3 + H2O permette di realizzare condizioni di sovrasaturazione rispetto al carbonato di calcio molto più alte di quelle che si ottengono in grotta dalla normale diffusione della CO2 nell’atmosfera. Acquedotto romano della Val di Setta, Bologna, Italia (concrezioni su un tamponamento del 1890) (foto P. Forti) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

22. SPELEOTEMI PECULIARI DELL’AMBIENTE ARTIFICIALE Pur essendo pochi gli studi specifici sulle concrezioni degli ipogei artificiali è assolutamente chiaro come al loro interno si possano formare speleotemi assolutamenteunici e peculiaridi quell’ambiente. I quattro più interessanti tipi di speleotemi esclusivi dell’ambiente artificiale attualmente noti sono: • - le anemoliti del Palazzo Ducale di Urbino; • - le bolle dell’Acquedotto del Setta; • - le antistalattiti dell’Acquedotto del Setta; • - le pisoliti della Miniera Reforma. Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

23. ANEMOLITI DEL PALAZZO DUCALE DI URBINO Si tratta di speleotemi didiametro 2-3 millimetri e struttura come le tubolari, che presentano un andamento esasperato azig-zag. Il loro sviluppo è controllato dall’inversione stagionale delle forti correnti d’aria che si sviluppano in questo piccolo vano ipogeo a seguito della presenza di due aperture posizionate a quote molto differenti tra loro. Anemoliti - Palazzo Ducale, Umbria, Italia (foto P. Forti) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

24. BOLLE DELL’ACQUEDOTTO ROMANO DELLA VAL DI SETTA Sono delicatebolle di calcite, di appena qualche micron di spessore e 1-2 centimetri di diametro, completamente riempite d’acqua, che si sviluppano al di sopra di un intonaco. Si sviluppano a causa della pressione idrostatica che si genera a monte dell’intonaco e alla velocità di deposizione del velo di calcite che sutura la frattura. Bolla parietale dell’acquedotto romano della Val di Setta, Bologna, Italia (foto P. Forti) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

25. LE ANTISTALATTITI DELL’ACQUEDOTTO ROMANO DELLA VAL DI SETTA Sono concrezioni parietali caratterizzate da uncanalicolo di alimentazione ascendentecon diametro di 0,5-1 centimetri Antistallatite nell’acquedotto romano della Val di Setta, Bologna, Italia (foto P. Forti) La flocculazione dell’idrossido ferrico è il fattore che ne condiziona lo sviluppo Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

26. LE PISOLITI DA ACQUA DI CONDENSAZIONE Sono gli unici speleotemi al mondototalmente privi di bande di accrescimento La loro genesi è dovuta all’alimentazione continua di acqua di condensazione, che non risente quindi della variazione stagionale della CO2 nel suolo. Vaschetta di pisoliti di aragonite caratterizzate dall’assenza di laminazioni, Miniera Reforma, Deserto di Quatrociénegas, Messico (foto Arch. La Venta) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

27. IL PROBLEMA DELLA CALCITE-ARAGONITE La calcite e l’aragonite hanno la stessa formula chimica, ma differente abito cristallino; assieme alla vaterite sono infatti polimorfi del carbonato di calcio • Nelle normali condizioni di P e T: • - la calcite è stabile; • l’aragonite tende • a trasformarsi • in calcite; • la vaterite in pratica • non esiste perché • diviene aragonite • in pochissimo tempo. CaCO3 calcite trigonale (vaterite) aragonite ortorombica Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

28. L’ARAGONITE DI GROTTA L’aragonite in grotta è abbastanza comune. Inoltre in questo ambiente è normale vedere la calcite “trasformarsi spontaneamente” in aragonite. • Tre sono i parametri che influenzano maggiormente la precipitazione • di questi due minerali: • - la concentrazione dello ione Mg • e, subordinatamente, di altri ioni metallici; • - la velocità di precipitazione; • - la pressione parziale di CO2 nell’atmosfera • di grotta. Grotta di Cabrespine, Francia (foto P. Forti) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

29. IL RUOLO DELLO IONE MAGNESIO Lo ione Mg inibisce lo sviluppo della calcite; quando il rapporto Mg/Ca ≥ 0,4% l’aragonite comincia a precipitare, oltre 2,9 l’aragonite è l’unico minerale che può formarsi. Effetto analogo è causato dalla presenza di altri ioni metallici, che possono essere più facilmente ospitati all’interno del reticolo cristallino dell’aragonite. Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

30. LA SEQUENZA EVAPORITICA La sequenza evaporitica prevista per il CaCO3 si osserva comunemente in grotta quando abbiamol’evaporazione di acqua di risalita capillare. Le condizioni aerate non sono idonee per la deposizione di dolomite. Modificato da Cabrol, 1978 Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

31. LA VELOCITÀ DI PRECIPITAZIONE Aumentando la sovrasaturazione cambia la velocitàdi accrescimento dei germi cristallini con conseguente variazione del minerale depositato La presenza di ioni estranei (in particolare Mg) aumenta la probabilità di formazione dell’aragonite. Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

32. LA STRATIFICAZIONE DELL’ARAGONITE La concentrazione di CO2 nell’atmosfera di grotta può influenzare il tipo di deposito che si va formando, dato che controlla la sovrasaturazione La presenza di un pavimento ricco di sostanzaorganica in decomposizione può causare una netta separazione tra la parte inferiore in cui si sviluppa aragonite e quella superiore in cui si sviluppa calcite. Modificato da Cabrol, 1978 Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

33. IL COLORE DELLE CONCREZIONI Le concrezioni di grotta quasi sempre presentano una colorazione che può variare dal giallo pallido al nero, dal rosso al blu al verde Aragonite azzurra, Miniera Regina, Lombardia, Italia (foto P. Forti) Diaclasi azzurra, Miniera San Giovanni, Iglesias, Sardegna, Italia (foto P. Forti) Grotta El Soplao, Spagna (foto P. Forti) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

34. IL COLORE DELLE CONCREZIONI Ma la calcite, l’aragonite e il gesso, che rappresentano il 99% degli speleotemi, sono assolutamente incolori Grotta de l’Asperge, Francia (foto P. Forti) Grotta Impossibile, Trieste, Italia (foto P. Forti) Grotta di Pulpi’, Spagna (foto P. Forti) La mancanza di trasparenza, il colore bianco, è dovuto alla disposizione dei microcristalli che diffrangono la luce. Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

35. GLI ELEMENTI CROMOFORI Le cause della colorazione degli speleotemi possono essere raggruppate in 4 gruppi, che, in ordine di importanza decrescente,sono: - sostanze organiche; - ioni metallici; - sostanze pigmentanti; - difetti reticolari. Grotta Paradiso, Sardegna, Italia (foto P. Forti) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

36. LE SOSTANZE ORGANICHE Sono la causa principale della colorazione degli speleotemi Si tratta essenzialmente di acidi umici e acidi fulvici derivanti dalle reazioni biologiche a livello del suolo: il colore dipende dalla loro concentrazione relativa, e va dall’avorio, al giallo, al rosso al bruno scuro. Grotta El Soplao, Spagna (foto P. Forti) Più raramente possono essere compostibituminosi anche derivanti da alterazione di depositi organici in grotta. Il reticolo cristallino della calcite è più idoneo di quello dell’aragonite a ospitare questi tipi di composti. Cueva Rossillo, Messico (foto P. Forti) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

37. GLI IONI METALLICI Fino a pochi anni addietro erano ritenuti la sola causa di colorazione degli speleotemi carbonatici. Sono importanti soprattutto nelle zone ricche di ioni metallici quali le grotte termali e/o di miniera. Sono essenzialmente gli ioni bivalenti a sostituire il calcio nel reticolo cristallino e a conferire alla concrezione la loro colorazione. Il reticolo cristallino della aragonite è più idoneo di quello della calcite a ospitare questi ioni. Aragonite, Miniera Regina, Lombardia, Italia (foto P. Forti) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

38. IONI VICARIANTI E COLORAZIONE INDOTTA Grotta de l’Asperge, Francia (foto P. Forti) Grotta de l’Asperge, Francia (foto P. Forti) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

39. IL NICKEL NELLE CALCITI E NELLE ARAGONITI Grotta de l’Asperge, Francia (foto P. Forti) Mont Marcou, Francia (foto P. Cabrol) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

40. LE SOSTANZE PIGMENTANTI Sono sostanze inorganiche, fortemente colorate, che vengono inglobate nella concrezione e quindi la pigmentano La colorazione indotta dagli ossidi di Fe e Mn è a volte spesso indistinguibile da quella causata dagli acidi umici e fulvici. Grotta di Castellana, Puglia, Italia (foto P. Forti) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

41. LE DISTORSIONI RETICOLARI I difetti nella struttura cristallina possono essere un fattore fondamentale per l’instaurarsi di una determinata colorazione. Almeno una parte dell’aragonite azzurra delle grotte della Sardegna deve il suo colore a questo fattore. Grotta Paradiso, Fluminimaggiore, Sardegna, Italia (foto P. Forti) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

42. VELOCITÀ DI CRESCITA DEGLI SPELEOTEMI Le mastodontiche colonne si sviluppano alla stessa velocità delle delicate eccentriche? Quale è la “normale” crescita di una stalattite? Le concrezioni di ghiaccio o di gesso si sviluppano alla stessa velocità di quelle di carbonato di calcio? Grotta del Vento, Marche, Italia (foto P. Forti) La risposta a questi quesiti non è semplice né univoca. Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

43. LA VARIABILITÀ NELL’ACCRESCIMENTO La velocità di accrescimento dipende da molto fattori: • la quantità d’acqua disponibile; • la sua saturazione; • il clima; • il reticolo di percolazione; • …… Se varia anche uno solo di questi parametri la velocità di crescita può cambiare moltissimo: non è possibile quindi estrapolare le misure sperimentali di crescita su tempi lunghi. Bottiglia di vino (vuota) nella Voragine di Tiscali, Oliena, Sardegna, Italia (foto J. De Waele) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

44. LA VARIABILITÀ NELL’ACCRESCIMENTO Per esempio: la risposta alla variazione di apporto idrico può variare moltissimo da punto a punto. Le forti precipitazioni causano effetti opposti sulle concrezioni della Grotta Novella e della GrottaAcquafredda nei Gessi Bolognesi. Modificato da Dal Monte et al., 2004, The evolution of carbonate speleothems in gypsum caves as indicator of microclimatic variations: new data from the Parco dei Gessi caves (Bologna, Italy). Mem. Ist. It. Spel. 16, pp. 65-82 Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

45. COMPOSIZIONE CHIMICA E ACCRESCIMENTO Maggiore è lasolubilitàdel minerale costituente maggiore è lavelocità dicrescitadello speleotema Nei climi temperati umidi la velocità media di accrescimento di concrezioni di CaCO3 varia tra 0,02 e 0,2 mm/anno Gli speleotemi di gesso possono crescere di alcunimillimetri ogni anno, mentre quelli di epsomite, tenardite etc... anche di vari centimetri. Le stalagmiti di ghiaccio possono svilupparsi di alcuni decimetri in una sola giornata. Grotta della Spipola, Bologna, Italia (foto P. Forti) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

46. CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE Gli speleotemi e le forme correlate sono la maggiore componente estetica non solo delle grotte naturali, ma anche delle cavità artificiali. La loro evoluzione, forma e colorazione dipendono da una grande quantità di fattori ambientali, che almeno in parte possono essere ricavati dallo studio degli stessi speleotemi. Per questo motivo questi depositi di grotta sono il più potente mezzo di ricerca scientifica!!! Grotta del Nettuno, Alghero, Sardegna, Italia (foto P. Forti) Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

47. PER SAPERNE DI PIU’ CABROL P. (1987), Contribution à l'étude du concrétionnement carbonaté des grottes du Sud de la France, Morphologie, genèse, diagenèse. Mémoires du Centre d'études et de recherches géologiques et hydrogéologiques, 12,  pp. 275; FORTI P. (2000), I depositi chimici delle grotte. Quaderno Didattico della Società Speleologica Italiana, n° 7, pp. 36; HILL. C., FORTI P. (1997), Cave minerals of the World. National Speleological Society, Huntsville, pp. 464. Il concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009

48. CREDITI Questa lezione è stata preparata da Paolo Forti. Per la parte fotografica si ringraziano i fotografi Patrick Cabrol, Jo De Waele, Paolo Forti, Sandro Galdenzi, Raffaele Onorato, Lukas Plan, Archivio Associazione Geografica La Venta. I disegni, dove non diversamente specificato, sono stati preparati da Paolo Forti. Si ringraziano per la loro collaborazione e disponibilità i seguenti enti ed istituzioni: - Associazione Geografica La Venta. © Società Speleologica Italiana Ogni 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 concrezionamento: parte II – Società Speleologica Italiana 2009