71   –   Un paio di storielle curiose e noiose su quello che succede nel sottosuolo

Solo per sfaticati, depressi, vegani, negazionisti, nullafacenti, insonni, resilienti, pensionati.

Antonio Dal Prà    geologo           ottobre 2024

Scarica il PDF: 71 – Soluzione dei carbonati

Nel sottosuolo , dentro la crosta terrestre e anche più sotto , ne succedono di tutti i colori. Fenomeni di dimensioni  grandiose , terrificanti : terremoti, eruzioni vulcaniche, corrugamenti della crosta a formare catene montuose e fosse oceaniche, grandi faglie a spezzettare le terre emerse in placche.

Ma anche  nelle piccole dimensioni, appena sotto la superficie del suolo , è tutto un formicolio di processi chimici, fisici, biologici  che continuano a trasformare la costituzione e la struttura dei materiali e delle acque che li impregnano. Voi credete che sia tutto fermo, tutto immobile. E invece…..

E ora vi racconto la storia, a dire il vero noiosa, di due curiose  ricerche sperimentali che ho eseguito molti anni fa,  quando da giovane studioso operavo nell’Istituto di Geologia di Padova e iniziavo i primi passi negli studi sulle acque sotterranee. I risultati ottenuti sono stati poi pubblicati negli anni ’70 del secolo scorso su due riviste specializzate. Ora però ve li espongo  alla buona, a spanne, senza tanti numeri, in modo che anche architetti e babbione possano comprendere. Leggete solo se siete curiosi, molto curiosi……anzi coraggiosi. Oppure solo per addormentarvi….O aspiranti suicidi.

Attorno a Padova il sottosuolo della pianura, appena sotto la superficie del suolo ,  è costituito da sabbie medie e fini per almeno 15-20 metri di spessore dal piano di campagna.  Sono  materiali sabbiosi  di origine alluvionale, trasportati e depositati dal fiume Brenta durante le sue antiche e bizzarre divagazioni, e provenienti da processi di erosione delle rocce nei bacini prealpini , dove abbondano le formazioni  geologiche calcaree e calcareo-dolomitiche. 

Questi materiali sabbiosi contengono una falda d’acqua, una falda di tipo freatico, la cui superficie  si incontra a soli 2-4 m sotto il piano di campagna. La falda si muove in modo lentissimo, è quasi stagnante, a causa della bassa permeabilità dei materiali che la contengono e soprattutto di una pendenza minima.  Queste acque freatiche vengono localmente poco adoperate per la bassa portata che i pozzi possono fornire e per la cattiva qualità sia chimica che microbiologica.

Lo studio idrogeologico è iniziato con l’individuazione sul territorio di 57 pozzi freatici  e con le analisi chimiche dell’acqua di falda prelevata su ciascun pozzo. Il dato analitico più sorprendente è stato l’elevato grado di durezza di tutti i campioni d’acqua, con una media di oltre i 50 °F (gradi francesi), ad indicare un forte contenuto di sali in soluzione. 

La durezza è un parametro idrochimico  molto usato in idrogeologia,  che indica il tenore complessivo di sali di Ca e Mg in soluzione nell’acqua. Un Grado Francese ( °F ) corrisponde  a poco più di 10 mg/litro di Carbonato di Calcio ( CaCO3). Significa che le acque della nostra falda contengono in soluzione mediamente circa 500 mg/l di CaCO3. Nella classificazione utilizzata per definire la qualità, queste acque vengono indicate da molto dure a durissime. A berne a lungo si rischia di incrostare le budella. Meglio lasciar perdere e bere del buon vinello.

Che il contenuto salino sia riconducibile a carbonati ( meglio dire bicarbonati ) lo possiamo dedurre anche dalla composizione calcarea delle sabbie acquifere che contengono la falda. Infatti è fuor di dubbio che le acque di falda siano diventate dure sciogliendo lentamente il carbonato di calcio (calcite) che compone i granuli sabbiosi.

Infatti le acque che alimentano e ricaricano questa  falda di bassa pianura sono prevalentemente acque di pioggia, aiutate anche dalle acque della rete di fossati che sono presenti in zona e dall’irrigazione dei campi. Ed è ben noto che le acque degli afflussi meteo non contengono sali ,ma solo CO2 ( anidride carbonica) che hanno raccolto in atmosfera. E la durezza delle acque irrigue , che sono derivate dal Brenta, hanno mostrato valori molto molto bassi , tra 10 e 15 °F. Vuol dire , come ho scritto prima, che la durezza delle acque di falda è stata acquisita , lentamente e in tempi molto lunghi, da processi di soluzione chimica operati dalle acque di infiltrazione e di ricarica   sui granuli sabbiosi calcarei.

 Possiamo dunque affermare che almeno 40-45 °F, mediamente pari a 400-450 mg/l , sono stati acquisiti  dalla falda soggiornando e filtrando lentamente nel sottosuolo e attaccando chimicamente il carbonato delle sabbie, aiutata dal contenuto in CO2 aggressiva delle acque penetrate dal piano di campagna.     

 Chi fa ricerca sa benissimo che quando si inizia uno studio non si sa mai dove si va a parare, si aprono continuamente nuove strade e nuovi interrogativi. E lo spirito indagatore di chi eseguisce le indagini viene spinto molto  spesso ad ampliare le indagini per raggiungere una conoscenza più ampia.

Insomma si arrischia di disperdersi e di non finire mai, senza limiti di spazio e di tempo. L’unico ostacolo al ricercatore è la disponibilità di mezzi economici, che hanno purtroppo un limite. 

Per questi motivi, rilevata l’elevata durezza delle acque di falda in tutto l’ampio territorio esaminato, si è voluto estendere le indagini per  verificare se nel sottosuolo esistessero le tracce di questa attività solvente delle acque sotterranee sui granuli di sabbia calcarea. In altre parole, la prova provata, la pistola fumante. 

Dapprima sono stati perforati 3 sondaggi meccanici a piccolo diametro in località Tavo a nord di Padova, spinti a oltre 10 m di profondità, che sono serviti per il prelievo di campioni di sabbia, sotto falda, con una frequenza di 1-2 m.  Sui campioni  è stato determinato con analisi chimiche il contenuto in carbonati.

 Le indagini chimiche hanno evidenziato, sotto falda,  una   quantità dei carbonati molto bassa nella parte alta della falda stessa, quantità che andava crescendo sensibilmente  con la profondità .   L’aumento , dall’alto al basso su spessori del banco sabbioso perforato di 5-9 m,  è risultato di circa il 50% . 

Le sabbie sono caratterizzate da un buon grado di uniformità e quindi dovrebbero mantenere pressappoco la stessa quantità di granuli calcarei per tutto lo spessore. Il fenomeno è stato rilevato, con proporzioni simili , su tutte tre le colonne stratigrafiche dei sondaggi.   Osservate la figura sottostante. 

Dunque l’azione aggressiva delle acque di falda sui granuli di calcare è risultata molto più efficace nella parte superiore della falda, dove sono più attivi gli scambi d’acqua tra suolo e sottosuolo.

  L’area di perforazione dei tre sondaggi è indicata nella figura di pag. 2.

L’ingordigia del ricercatore non ha limiti : per verificare l’esistenza di fenomeni analoghi a quelli evidenziati nelle tre perforazioni di Tavo su un’area più vasta, sono stati perforati altri 8 sondaggi lungo un allineamento di una quindicina di km  da Padova a Piazzola sul Brenta. Le profondità raggiunte sono differenti , da un minimo di 9 m ad un massimo di 20 m. In tutte le perforazioni il sottosuolo è risultato composto da terreni sabbiosi simili a quelli incontrati nei fori di Tavo. Il banco di sabbia  contiene  una falda con superficie freatica posta a differente profondità , tra 2 e 5.50 m dal suolo. Durante le perforazioni sono stati prelevati complessivamente 78 campioni di sabbia , pari a poco più di un campione per metro di sondaggio. Sui campioni è stato determinato il contenuto in carbonati  per via indiretta, pesando il residuo insolubile  delle sabbie dopo attacco con HCl ( acido cloridrico).

I risultati ottenuti sono i seguenti :

• – Il livello sabbioso sopra falda ha un contenuto di carbonati pressoché costante , pari a circa il 40% in peso.  
• – Subito sotto il livello di falda si riscontra una brusca diminuzione dei carbonati , che mostrano valori attorno al 30%.
• – Sotto falda il contenuto in carbonati aumenta con la profondità, dai valori minimi di circa il 30% fino a valori massimi attorno al 50%. Osservate la figura sottostante.

I risultati complessivi di questa  bizzarra e curiosa ricerca portano a concludere che la durezza elevata delle acque di falda nel territorio studiato deriva dall’attività solvente svolta dalle acque di infiltrazione dal suolo   ( piogge, irrigazione e dispersioni dei canali) sui granuli calcarei delle sabbie che contengono la falda, come è risultato dalla determinazione del contenuto in carbonati nelle sabbie.

Ma con un po’ di fantasia possiamo spingerti ad altre considerazioni anche se forse azzardate. I granuli di sabbia calcarea, intaccati dalla attività solvente delle acque aggressive della falda , diminuiscono lentamente di volume e in tempi lunghissimi sono costretti a  risistemarsi tra di loro sotto l’azione del proprio peso, costipandosi e quindi provocando una diminuzione complessiva del volume degli strati sabbiosi. E come conseguenza finale, un lentissimo impercettibile abbassamento del suolo.

E’ evidente che il fenomeno richiede tempi lunghissimi, e inoltre assume dimensioni assai limitate, che dovrebbero rendere praticamente impercettibile   l’effetto sul piano del suolo, almeno con il nostro metro di misura. Ma in tempi di migliaia di anni potrebbe assumere dimensioni significative.

 Il modesto e  bizzarro  studio sperimentale descritto, limitato ad un’area piuttosto ristretta,  mostra come nel sottosuolo, soprattutto in quello prossimo alla superficie del suolo, siano attivi  processi che coinvolgono anche il mondo inorganico e dei quali noi poveri mortali molto spesso non ce ne rendiamo conto.

Ora, se non siete stanchi e non vi siete addormentati, vi racconto un’altra storia, per certi aspetti simile alla precedente, ma che non interessa materiali sciolti come le sabbie. Bensì la roccia. Ma forse vi conviene riposarvi per qualche oretta, prima di ricominciare.

La vicenda riguarda uno studio svolto molti anni fa sul massiccio calcareo-dolomitico dell’Altopiano dei Sette Comuni, noto impropriamente anche come Altopiano di Asiago. Sono certo che lo conoscete : bellissimo, soprattutto nelle mezze stagioni.

Questo massiccio roccioso , che si estende per circa 500 km2 in parte nell’Alto Vicentino e in parte nel Trentino Meridionale, è completamente circondato da valli : quella del Brenta a nord e ad est e quella dell’Astico ad ovest e a sud. Si Innalza dal fondo delle valli per oltre un migliaio di metri, con versanti molto ripidi e rocciosi.

Dal punto di vista geologico-petrografico risulta formato da una enorme pila di strati di dolomia nella parte basale  e di calcari nella parte superiore. L’età geologica va dal Trias Superiore al Cretaceo Inferiore. Giusto per curiosità , queste rocce sono piuttosto anziane : vanno da 200 a 100 milioni di anni fa, anno più e anno meno. 

Uno dei caratteri morfologici principali dell’Altopiano è la presenza di un carsismo esasperato, che ha ricoperto l’estesa superfice con doline, inghiottitoi, caverne, campi carreggiati, fessurazioni di ogni tipo .  Ne sono  derivate da una parte l’assenza di una rete idrografica attiva in superficie e la presenza di una rilevante e imponente circolazione idrica sotterranea.

Per essere più chiari, quasi tutte le acque di pioggia e di scioglimento delle nevi   che giungono in superficie si infiltrano e si disperdono nel sottosuolo entro la gruviera di cavità carsiche che si aprono sul suolo, soprattutto nella fascia settentrionale , rivolta verso la Valsugana , e in quella meridionale che guarda la pianura vicentina.

Solo nei  rari casi di grandi afflussi di piogge  eccezionali, le poche grandi valli che solcano  l’altopiano portano acqua  con deflussi che arrivano a scaricare in Brenta e Astico, attraverso la val Frenzela, la val Gadena e la val d’Assa.

Il grande circuito carsico sotterraneo riversa la sua notevolissima portata, di molti m3/sec,  in 4 sorgenti, tutte concentrate sul fondo della valle del Brenta in sponda destra  nei pressi di Valstagna: il Covol dei Siori e il Covol dei Veci ad Oliero, il Ponte Subiolo circa 3 km a monte, e la Nassa circa 5 km a valle.  La loro ubicazione è riportata nello schizzo topografico della figura sottostante.

  E’ ben noto che le numerosissime fessurazioni carsiche che attraversano il massiccio calcareo dell’altopiano per tutto il suo spessore di oltre 1.000 m , sono state aperte in tempi lunghissimi dall’attività di soluzione chimica  delle acque di infiltrazione  superficiale provenienti dalle piogge e dalla scioglimento della neve, penetrando entro le fratture tettoniche e le stratificazioni dei calcari e delle dolomie.  Ed è altrettanto noto che le acque che si infiltrano dal suolo  continuano inesorabilmente e ininterrottamente la loro azione solvente sulla roccia lungo il loro percorso sotterraneo , aggredendo la calcite e la dolomite, che sono i due carbonati componenti le rocce del massiccio carsico. E quindi le cavità carsiche sono soggette ad un continuo, lento e inarrestabile  allargamento .Se visitate le due famose grotte di Oliero, da dove sgorgano le grandi sorgenti del Covol dei Siori e del Covol dei Vecchi, potrete ammirare un gran numero di stalattiti e stalagmiti frutto dell’azione chimica  delle acque, ricche di calcite.       

Le acque superficiali che penetrano nel sottosuolo compiono un tragitto sotterraneo con un dislivello che nelle parti settentrionali dell’altopiano è anche di 1500 m . Ricordo che Cima 12, la montagna più alta dell’altopiano ,  è posta a quota 2.336 m s.l.m., mentre le sorgenti di Valstagna sul fondo della valle del Brenta, si trovano  a quota di 173 m s.l.m.  Tuttavia il flusso idrico sotterraneo è velocissimo, per le notevoli dimensioni delle fessurazioni carsiche, e le piogge cadute e infiltrate sull’altopiano in meno di un paio di giorni sono già defluite dalle sorgenti di fondovalle.  Le portate delle sorgenti sono variabilissime, in funzione delle piogge sull’altopiano. Quando sono in piena le acque si intorbidano. Le acque del Covol dei Siori sono in parte captate e, dopo depurazione fisica e chimica , sono sollevate ed utilizzate nella rete acquedottistica dell’altopiano.

Nello studio dell’idrogeologia carsica uno degli aspetti che frequentemente offre notevoli difficoltà di valutazione riguarda l’evoluzione nel tempo delle dimensioni delle cavità dovuta ai processi di soluzione operati dall’acqua dei deflussi sotterranei sulla roccia. Ricordo che le acque di infiltrazione dalla superficie sono chimicamente aggressive perché contengono disciolta Anidride Carbonica , catturata dall’atmosfera.

Per chi non ha dimestichezza con i fenomeni carsici questo problema può suscitare tutta una serie di interrogativi, riguardanti per esempio la stabilità delle fondazioni di strutture artificiali, di strade, di ponti, di ferrovie.  In genere sono timori infondati, almeno nei processi carsici che interessano calcari e dolomie, dove l’azione solvente delle acque sulla roccia sono lentissimi e una apprezzabile variazione delle dimensioni delle cavità sotterranee richiede tempi lunghissimi, di secoli e secoli…

La storia che sto per raccontarvi riguarda appunto una ricerca che ha consentito di dare una dimensione nel tempo alla dissoluzione  delle rocce carbonatiche nel massiccio carsico dell’Altopiano.

 Per stabilire le dimensioni della  soluzione chimica dell’attività carsica  è  evidentemente necessario  misurare la quantità di carbonati che le acque delle 4 sorgenti portano all’uscita del circuito sotterraneo presso Valstagna sul Brenta.

 Occorre precisare che precedenti ricerche ( A. Dal Prà e L. Stevan , 1969 )  , svolte con i dati pluviometrici dell’Altopiano e con  misure settimanali di portata eseguite  per un anno alle sorgenti (1967) , avevano portato ad un bilancio idrologico del sistema abbastanza affidabile. In pratica  era risultato che il volume annuo complessivo dell’acqua erogata  dalle 4 sorgenti ammontava pressappoco ai 2/3 del volume totale delle precipitazioni dell’intera area dell’altopiano. Nel 1967, anno delle misure, con precipitazioni pari a circa 750 milioni di m3 , si è misurato un volume totale in uscita dalle 4 sorgenti pari a circa 460 milioni di m3 ( trasformando in volume la portata, operazione facile anche per gli architetti).  Se si considerano le detrazioni dovute ai processi di evapotraspirazione sulla superficie dell’altopiano (valutata sia da L. De Marchi 1911 e sia attraverso semplici formule idrauliche che tengono conto della temperatura media annua dell’aria), che è   risultata   pari a circa 1/3 degli afflussi meteo al suolo, si comprende che l’acqua erogata dalle sorgenti rappresenti all’incirca l’intero volume delle infiltrazioni idriche  sull’altipiano. In parole povere, a spanne, tutte le acque meteoriche che cadono sull’altopiano, tolte quelle ritornate nel ciclo idrologico per evaporazione, si infiltrano nel sottosuolo e ritornano a giorno alle 4 sorgenti di Valstagna. Ne è conferma l’assenza di una rete idrica superficiale attiva. Insomma, quasi mai le valli che scendono dall’altopiano portano acqua fino ai due fiumi che lo circondano, Brenta e Astico.

Quindi , misurando la quantità di carbonati portati a valle in soluzione dalle acque delle 4 sorgenti, si ottiene un dato che  consente di valutare in modo approssimativo le dimensioni dell’attività solvente delle acque  sulla roccia delle cavità carsiche sotterranee dell’intero massiccio carsico.  Non pare semplice, ma ora cerco di spiegarmi meglio e mostrarvi come si è fatto. 

Ad ogni misura di portata settimanale per l’arco di un anno ( 1967 )  delle 4 sorgenti è stata determinata  anche la durezza delle acque , ossia il contenuto di carbonati in soluzione ( mg/litro).  Preciso che le acque meteo di infiltrazione sulla superficie dell’altopiano non hanno carbonati in soluzione e quindi quelli che escono alle sorgenti provengono dall’attività solvente delle acque sulle pareti delle cavità percorse nel circuito sotterraneo.

La durezza delle acque sorgive è risultata normalmente variabile tra 12 e 16 °F ( gradi francesi). Ricordo che 1 °F corrisponde a 10.3 mg/l di CaCO3 ( carbonato di calcio componente delle rocce calcaree ) ,  oppure 8.7 di MgCO3 ( carbonato di magnesio componente delle rocce dolomitiche). Data la composizione calcarea e dolomitica del massiccio roccioso incarsito si può attribuire a 1 °F un valore medio di 9.5 mg/l di carbonati.

Dalle misure di durezza risulta quindi che le acque sorgive delle 4 sorgenti hanno i seguenti contenuti medi di carbonati per ogni litro erogato : Covol dei Veci 141 mg, Covol dei Siori 137 mg, Ponte Subiolo 141 mg e Nassa 146 mg.

Le misure di portata hanno consentito di definire la portata media  emessa da ciascuna sorgente nell’anno dello studio (1967) , che è così risultata  : Covol dei Veci  4.3 mc/s , Covol dei Siori  6.6 mc/s,  Ponte Subiolo  3.2 mc/s e Nassa  0.35 mc/s.

Da questi dati si passa al conto del volume erogato lungo l’intero anno , che è risultato : Covol dei Veci 135.6  milioni di mc, Covol dei Siori  208.1 milioni di mc, Ponte Subiolo 100.9 milioni di mc, Nassa 11 milioni di mc.

In definitiva, sommando i singoli volumi annui si ottiene il volume complessivo defluito dalle sorgenti nel 1967 , scaricato dal circuito carsico sotterraneo dell’altopiano, pari a 455,6  milioni di mc, che corrisponde a circa 455.600.000.000 litri.  Sapendo che ogni litro d’acqua sorgiva porta all’esterno 9.5 mg, un rapido calcolo porta alla conclusione che nell’anno 1967 le acque del circuito carsico sotterraneo hanno sciolto e portato all’esterno alle sorgenti 63.450 kg di carbonati in soluzione, chilo più chilo meno. Ricordatevi che si tratta di valori approssimativi, che tuttavia ci indicano chiaramente le dimensioni del fenomeno.  

Ma non è finita. Tenete duro. Ora bisogna passare dal peso al volume per renderci conto di quanto l’acqua agisce sulle cavità sotterranee. 

Si sa bene dalla petrografia e da quanto affermano i cavatori dei marmi nell’altopiano che un metro cubo di roccia calcarea o calcareo-dolomitica pesa circa 2.500 kg . Infatti il peso specifico della calcite è 2.7 e quello della dolomite 2.9. Ma occorre considerare che un mc di roccia contiene pori e microfessure che fanno abbassare il peso. Dal facile conto risulta che i 63.450 kg corrispondono a circa 25.400 mc, che costituisce il volume complessivo di roccia sciolto durante l’anno 1967 dalle acque carsiche nel massiccio dell’altopiano. Quanto calcolato vale evidentemente per l’anno delle misure, il 1967. Purtroppo non abbiamo dati continuativi di altre misure di portata alle sorgenti in altre annate. Tuttavia ci aiutano i dati pluviometrici degli strumenti di misura posti sull’altopiano, considerando che le portate sorgive dipendono strettamente dagli afflussi meteo.

Per affinare le conoscenze si sono esaminate le altezze pluviometriche medie annue in un trentennio di numerosi pluviometri: Borgo Valsugana, Foza, Valstagna, Rubbio, Tresche Conca, Campomezzavia ed Asiago. Gli afflussi meteo  dell’altopiano nel 1967, anno dello studio,  è risultata mediamente di 1436 mm, mentre la  media annua degli stessi pluviometri nel trentennio è stata calcolata in 1484 mm. Si tratta di valori molto simili . Essi  permettono quindi di affermare che l’anno 1967 ha avuto una piovosità normale, simile agli altri anni,  e che quindi il volume di roccia sciolta dalle acque carsiche in quell’anno , pari a circa 25.400 mc , è da ritenere valido come valore medio di tutti gli anni del trentennio considerato.

E’ chiaro che se dovessero cambiare le condizioni meteo, per esempio esasperando gli afflussi meteo in modo molto significativo, i volumi di roccia che verrebbero sciolti sarebbero sensibilmente maggiori.

Il volume di roccia sciolta dalla circolazione carsica , stimato per l’anno 1967 pari a 25.400 mc , può sembrare a prima vista notevole e significativo. In realtà non è così. Infatti se consideriamo questo volume con l’estensione notevolissima del circuito carsico entro il massiccio dell’altopiano, che coinvolge un numero elevatissimo di fessurazioni e cavità, ci rendiamo conto che il volume di roccia sciolto annualmente è insignificante :  il massiccio calcareo dell’altopiano ha una superficie di circa 500 km2 e uno spessore medio di circa 1.200 m  dal fondo valle del Brenta. 

Un rapido calcolo permette di stimare che il volume di roccia calcarea disciolta annualmente dalle acque sotterranee ammonta a 0.00004 % dell’intera massa rocciosa. Un niente. 

Le attuali grandi e numerose cavità carsiche presenti e ben conosciute sull’altopiano, catalogate ed esplorate  dagli speleologi,  con grotte, doline, pozzi profondi centinaia di metri, si sono formate in migliaia e migliaia di anni, a partire almeno da quando l’ultima glaciazione se ne è andata dall’altopiano, circa 10 – 15.000 anni fa.

E dunque gli abitanti dell’altopiano, e tutti quello che frequentano questo bellissimo territorio d’estate per godere il fresco e cercare funghi, e d’inverno per sciare o ciaspolare, stiano ben tranquilli. 

 

 

 

 

 

 

 

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