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DATABASE NAZIONALE SINKHOLE

ASPETTI TERMINOLOGICI

Nella letteratura nazionale ed internazionale si è diffuso da tempo l’utilizzo di numerosi termini per indicare i fenomeni di sprofondamento caratterizzati da diverse tipologie e meccanismi genetici di innesco (dolina, cammino di collasso, limesink, cenotes, loess karst, voragine, sprofondamento) generando una notevole confusione terminologica.
Attualmente, viene sempre più spesso utilizzato il termine sinkhole, introdotto come sinonimo di dolina per la prima volta da Fairbridge (1968) ed in seguito da Monroe (1970), per indicare le depressioni sub-circolari in area carsica. Nei principali Glossari di Geologia si intende per sinkhole “una depressione circolare in area carsica”.
Nonostante la semplicità della definizione riportata, il termine sinkhole è stato frequentemente utilizzato anche per indicare sprofondamenti connessi ad attività antropiche, che non si verificavano in ambiente carsico. La confusione terminologica è stata notevole, anche favorita dal maggiore utilizzo del termine sinkhole negli Stati Uniti (specialmente con significato ingegneristico o geologico-applicativo), di contro a una più frequente diffusione del sinonimo dolina in ambito europeo (maggiormente utilizzato per descrizioni geomorfologiche).
Beck, (1984), Beck & Wilson, (1987), Berti et al., (2002 a), per esempio, utilizzano tale termine per indicare anche cavità, di forma non necessariamente sub-circolare, apertesi nel terreno per cause antropiche. Alcuni Autori, Monroe (1970), Jennings (1985), White (1988), distinguono geneticamente i sinkholes, così come era stato fatto per le doline, in solution sinkhole, collapse sinkhole e subsidence sinkhole (coincidenti con i termini di solution doline, collapse doline, subsidence doline introdotti da Cramer, 1941 e successivamente utilizzati da Castiglioni nel 1986 in Italia e da molti altri Autori).
Attualmente però la letteratura anglosassone ed internazionale utilizza spesso il termine come sinonimo di alcuni particolari tipi sprofondamenti in aree carsiche, che prevedono un evento di collasso improvviso catastrofico (cover collapse doline e cave collapse doline).
Nella letteratura italiana per indicare i vari tipi di cavità subcircolari sono stati utilizzati prevalentemente i termini classici di dolina (geneticamente distinta in alcuni tipi), sprofondamento e camino di collasso.
In Italia il termine sinkhole è stato introdotto solo di recente, a partire dagli anni novanta (Faccenna et al., 1993, Brunamonte et al., 1994; Nolasco, 1998; Ciotoli et al., 1998 e molti altri), ed è stato erroneamente adottato per indicare una sola tipologia di sprofondamenti di genesi incerta e non semplicemente dovuta a fenomeni carsici, con formazione di cavità di forma sub-circolare, che si aprono in maniera repentina, con richiamo di materiali verso il basso.
Successivamente è emerso che per queste forme il processo genetico principale è la risalita dei fluidi dal basso (Littlefield et al., 1984; Derbyshire & Mellors, 1988; Derbyshire et al., 1991; Billiard et al., 1992; 1993; ; Faccenna, 1993; Muxart et al., 1994; Ciotoli et al., 2000; Berti et al., 2002 a, b; Di FILIPPO et al., 2002, 1994), attraverso reticoli di fratture che mettono in comunicazione un substrato carsificato con i sedimenti superficiali; risultano in questo caso rilevanti i fenomeni di erosione dal basso anche profonda.
I meccanismi di erosione dal basso potrebbero essere assimilati a processi di suffosione profonda, dell’acqua nel terreno (con dimensioni granulometriche dalle argille alle ghiaie) che si realizza quando quest’ultimo è permeabile e quando l’acqua, abbondante e con pressione elevata, riesce a trovare vie di scorrimento in cui passare con velocità abbastanza sostenuta. Il passaggio dell’acqua provoca l’erosione di materiale e la formazione di canalicoli a sviluppo sub-orizzontale e di condotti tubolari lungo le linee idrauliche di flusso. Quest’ultimo fenomeno, in riferimento a fenomeni superficiali, viene indicato nella letteratura anglosassone con il termine piping, il meccanismo genetico potrebbe essere lo stesso ma con sviluppo di condotti più profondi ed essere chiamato deep piping.
La differenza sostanziale tra un deep piping sinkhole e una dolina è che, a differenza delle doline, nei sinkhole risultano preponderanti e determinanti meccanismi quali la risalita di fluidi aggressivi e i fenomeni di aumento e di diminuzione di pressione indotti dalle oscillazioni della tavola d’acqua al di sotto del piano campagna.

Fig. 1 Schema dei meccanismi di risalita (da Nisio 2003).
Scheme of  upwelling mechanism (from Nisio 2003)

Si ritiene possibile che movimenti orientati verso l’alto, guidati da differenze di carico idraulico, possano provocare in terreni non consolidati (Massari et alii, 2001) così come in terreni a maggiore resistenza ma facilmente erodibili (Hill, 1996) fenomeni di liquefazione e/o dissoluzione che progrediscono dal basso verso l’alto attraverso camini, prodotti da fenomeni di condensazione che favoriscono la concentrazione della dissoluzione in particolari punti, spesso corrispondenti anche a linee di frattura ad andamento subverticale (definiti da alcuni autori pipes) HILL, 1996; MASSARI et al,. 2001).
I pipes, orientati lungo direttrici sub-verticali, mostrano al loro interno motivi deposizionali di tipo convesso rispetto alla direzione di propagazione delle acque di upwelling, proprio in virtù della rideposizione che subiscono i materiali interessati dalla liquefazione (MASSARI et alii, 2001). La risalita di acque profonde, in alcuni casi studiati, potrebbe essere controllata da discontinuità presenti nel bedrock , e talvolta anche nella stessa copertura, che andrebbero a rappresentare delle vere e proprie vie di fuga, oltre che per i gas, per le acque in pressione dell’acquifero profondo.
Le pareti delle cavità sono in genere perfettamente verticali con forma complessivamente cilindrica, il diametro e le profondità raggiungono poche decine di metri. Tali cavità spesso vengono riempite d’acqua poiché si arriva all’intercettazione della falda o sono sede al fondo di sorgenti spesso di acque mineralizzate, il che fa presupporre una risalita da falde profonde in pressione.
In alcuni casi assume importanza l’area di ricarica rappresentata da un acquifero che dà origine ad intensa circolazione sotterranea con formazione di sorgenti, talvolta anche minerali o termominerali, di elevata portata.
Una ulteriore origine dei fenomeni di liquefazione è rappresentata dalla propagazione di onde sismiche, provenienti anche da ipocentri di lontana origine, che determinano la rottura di un equilibrio metastabile (FERRELI et al. 2004, GRACIOTTI et al. 2004).
In corrispondenza di un evento sismico, in un terreno granulare saturo, il passaggio di onde sismiche provoca infatti, unitamente al cambiamento dell’assetto dei granuli, un incremento della pressione di poro che, se raggiunge i valori della pressione litostatica determinata dal carico dei materiali soprastanti, porta alla liquefazione dei terreni. Nel caso, inoltre, in cui la falda non sia troppo profonda tale fenomeno può tradursi nella fuoriuscita violenta di sabbia mista ad acqua dal terreno.


DEEP PIPING SINKHOLE: LA MORFOLOGIA

I fattori di innesco, la genesi e lo sviluppo dei deep piping sinkhole sono sostanzialmente diversi da quelli delle doline, in particolare in considerazione del fatto che sostanzialmente i primi sono fenomeni che si generano e si propagano dal basso verso l’alto (hypogeous upward propagation), mentre le seconde sono dovute a processi di infiltrazione delle acque superficiali (dall’alto al basso all’interno del terreno).
Ciononostante, le forme conclusive con cui i due tipi di fenomeni si presentano sono molto simili e rappresentano probabilmente l’elemento di maggior difficoltà per discriminare un processo dall’altro.
In generale questi sprofondamenti sono forme erosive sub-circolari e geometria cilindrica, formatesi rapidamente, con diametri estremamente variabili (WHITE, 1988; CANUTI, 1982; GALLOWAY et al., 1999; HYATT et al., 2001) localizzati in aree di pianura, al di sopra di terreni di copertura di elevato spessore (CANUTI, 1982; SALVATI & SASOWSKY, 2002; NISIO, 2003). La forma e la geometria sub-cilindrica o tronco-conica dei sinkholes è stata rilevata da numerosi Autori nel corso di indagini batimetriche (OGDEN et al., 1989; BONO, 1995), di indagini geofisiche (STEEPLES et al., 1984; CHANG & BASNETT, 1995; KAUFMANN & QUINIF, 1999; ARGENTIERI et al., 2001b; DI FILIPPO et al., 2002;) o di investigazioni subacquee (CARAMANNA, 2001; GARY et al., 2003) ed è stata inoltre evidenziata da diversi lavori di modellizzazione analogica (WALEED & GOODINGS, 1996) o di simulazione numerica (WALEED, 1995; THARP, 1997; SALVATI et al., 2001b). Essa risponde strettamente alle modalità di sviluppo e di propagazione della deformazione che in termini semplificativi può essere assimilata allo sviluppo dei camini di collasso ben noti a chi si occupa di stabilità delle opere in sotterraneo.
Concettualmente, la forma e la geometria dei sinkhole deriva da un processo che prevede l’innesco di uno “svuotamento” dal basso di un piccolo settore della copertura talora a contatto con il bedrock (protocavità). Questo “svuotamento” si propaga quindi per “crolli successivi” attraverso l’intero spessore dei depositi di copertura assumendo, in funzione della combinazione di più processi ( piping, raveling, crolli successivi), e della reologia e del comportamento meccanico dei materiali interessati, geometrie che possono essere imbutiformi o di condotti pseudo-cilindrici. Il collasso finale, nel momento in cui la propagazione della deformazione arriva in prossimità della superficie, avviene in unica soluzione e porta alla genesi delle forme cilindriche.
Nel caso in cui si verifichino le condizioni per una reiterazione del fenomeno nello stesso punto (CAPELLI et al., 2000), i sinkhole possono assumere forme meno definite e più articolate per la coalescenza dei diversi sprofondamenti.

Fig 2  Esempi delle variabilità del  diametro delle cavità: a) Sinkhole del Bottegone (GR); b) Sinkhole del CentroAgricolo Piana di S. Vittorino (RI)
Example of diameter of the caves: a) Bottegone sinkhole (GR); b) S. Vittorino plain sinkhole (Centro Agricolo)


DEEP PIPING SINKHOLE: PROPAGAZIONE DEI FENOMENI

I fattori di sviluppo sono quegli elementi che agevolano, favoriscono o comunque caratterizzano la propagazione della deformazione dal punto di innesco verso la superficie.
Tra questi un ruolo di primo piano è svolto dalle caratteristiche reologiche e dalle proprietà geomeccaniche dei terreni che costituiscono la copertura. Come esposto da THARP (1997, 1999 e 2000) il fenomeno dell’upward propagation può essere descritto con un modello di deformazione poroelastica dei terreni sottoposti a stress (SALVATI et al., 2001b ; GARBIN et al., 2004). Le cause che possono indurre stress e quindi innescare, nelle condizioni favorevoli, lo sviluppo di un sinkhole, sono molteplici tra cui occorre ricordare:

  • (i) la decompressione repentina dell’acquifero confinato;
  • (ii) la “rottura” dell’interfaccia bedrock/copertura con conseguente innesco di un fenomeno di ravelling e quindi la creazione di microcavità;
  • (iii) l’effetto di “pumping” dinamico che la falda in pressione in pressione esercita sui terreni di copertura;
  • (iv) la suffosione profonda o deep piping che le acque di circolazione carsica potenti, aggressive e veloci esercitano sui depositi a scarsa coesione.

Anche la propagazione verso l’alto della deformazione è direttamente dipendente dalla caratteristiche geotecniche dei terreni interessati. Mentre, infatti, è intuitivo che una copertura composta di materiali privi di coesione si comporterà come la sabbia in una clessidra, fluendo senza soluzione di continuità verso il basso e propagandosi in progressione geometrica con una forma conica, la presenza di orizzonti o spessori di materiali coesivi o addirittura litoidi o pseudolitoidi, presenti pressoché ovunque nelle stratigrafie delle piane italiane, imporrà alla propagazione della deformazione un avanzamento per fasi discrete. Queste, inoltre, produrranno delle geometrie non necessariamente coniche o pseudo-coniche, bensì cilindriche, in virtù delle proprietà dei materiali più competenti.
Altri importanti elementi di sviluppo sono: i già citati pumping e deep piping che la falda in pressione esercita sui terreni della copertura una volta che si siano create le condizioni per un “de-confinamento” locale. E’ possibile ipotizzare, nel momento in cui, rotta l’interfaccia di confinamento tra acquifero e copertura, la falda in pressione è libera di spingere sui terreni sovrastanti, si possono innescare fenomeni di erosione meccanica diretta dei terreni di copertura stessi e soprattutto, se le condizioni di circolazione carsica lo permettono, di dissoluzione chimica, trasporto solido ed allontanamento del materiale eroso da parte della circolazione idrica sotterranea.
A questo occorre poi aggiungere il non trascurabile effetto indotto dai fluidi gassosi (in genere CO2 e H2S) risalenti dal profondo e delle mutate condizioni idrogeochimiche prodotte dal miscelamento con fluidi mineralizzati. Questi due fattori giocano un ruolo di alterazione chimica dei terreni di copertura con conseguente erosione chimica o degradazione delle caratteristiche geomeccaniche dei terreni. I convogli gassosi inoltre possono esercitare un effetto di sottospinta che si aggiunge a quello esercitato dalla falda in pressione. Fattore ricorrente nelle aree suscettibili ai fenomeni studiate è la presenza di discontinuità tettoniche o strutturali nel substrato, che possono in alcuni casi essere anche lineamenti tettonici attivi che interessano gli stessi terreni di copertura, i quali rappresentano generalmente le vie preferenziali di sviluppo dei processi sopradetti e conseguentemente le zone in cui preferenzialmente si sviluppano i sinkhole (BROOK & ANDERSON, 1985; Veni, 1987; FACCENNA et al., 1993; FACCENNA et al., 1994; CAPELLI et al., 2000; KAUFMANN & QUINIF, 1999; SALVATI et al., 2001a; SALVATI & SASOWSKY, 2002, Nisio, 2003, Nisio et al. 2006; Caramanna et al. 2007).