IL CICLO CARSICO. Acqua. Roccia
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- Giorgia Marra
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1 IL CICLO CARSICO L evoluzione carsica consiste in una alternanza e/o sovrapposizione di processi che portano all aumento e/o diminuzione dei vacui. Sedimentazione Concrezionamento Roccia Acqua Speleopoiesi Speleogenesi Solubilizzazione Sospensione
2 LE GROTTE TRAPPOLE DI ACCUMULO Le grotte sono tra i più longevi componenti del paesaggio. Durante tutta la loro esistenza si comportano come trappole di accumulo di: - SEDIMENTI FISICI Fluviali, marini, vulcanici Manufatti - SEDIMENTI BIOLOGICI Materiale organico (pezzi di piante, animali ) Guano - DEPOSITI CHIMICI Speleotemi (concrezioni, mineralizzazioni)
3 I DEPOSITI CHIMICI Grotta del Fico, Sardegna, Italia (foto P. Forti) Grotta di Castellana, Puglia, Italia (foto P. Forti)
4 SPELEOTEMI Gli speleotemi sono sicuramente la maggiore attrazione delle grotte. Sono formati normalmente da CaCO 3 ma anche da minerali differenti. Grotta di Valdemino, Liguria, Italia (foto F. Facchinetti, Arch. GSB/USB) Grotta di Cabrespine, Francia (foto P. Forti) Jeita Cave, Libano (foto P. Forti)
5 LE GROTTE AMBIENTE MINEROGENETICO El Soplao, Spagna (foto P. Forti)
6 CONCREZIONI E MINERALIZZAZIONI MA LE COSE STANNO DAVVERO COSÌ???
7 CONCREZIONI E MINERALIZZAZIONI Calcite, Miniera di San Giovanni, Sardegna, Italia (foto J. De Waele) Questa suddivisione non ha ALCUN VALORE SCIENTIFICO. Bue Marino, Sardegna, Italia (foto L. Donini, Arch. GSB/USB) La differenziazione tra concrezioni e mineralizzazioni ha esclusivamente un VALORE MORFOLOGICO.
8 MINERALI DI GROTTA
9 CHE MINERALI SI FORMANO IN GROTTA?
10 QUANTI MINERALI DI GROTTA CI SONO? Lo studio sistematico dei meccanismi minerogenetici di grotta è iniziato solo molto di recente. Attualmente solo un piccolo numero di grotte è stato studiato, ma oltre 300 minerali di grotta sono già stati osservati, alcuni del tutto nuovi.
11 MINEROGENESI IN GROTTA
12 MECCANISMI MINEROGENETICI IN AMBIENTE DI GROTTA Processi Meccanismi T ( C) Prodotti A T alta Sublimazione > 100 Solfuri, ossidi, idrossidi 1 B T bassa Deposizione da aerosol e vapori Solfati, cloruri 2 Solubilizzazione Evaporazione Solfati, cloruri 3 Alterazione Ossidazione, idratazionedisidratazione, doppio scambio Si, Al, Fe, ossidi-idrossidi, solfati 4 Precipitazione Diffusione 40 0 Carbonati 5 A t t i v i t à biologica A- Digestione, dissoluzione, doppio scambio B- Combustione del guano Fosfati, solfati, nitrati, cloruri, Minerali organici 6 Cambio di fase Congelamento, sublimazione < 0 Ghiaccio Il processo 1A è limitato all ambiente vulcanico
13 SPELEOTEMI DI GESSO Foto SEM di gessi e batteri, Grotta Calindri, Emilia Romagna, Italia (foto P. Forti) Il Gesso è il minerale di grotta più comune dopo la calcite e l aragonite, questo anche perché può avere genesi differenti. Gesso in una grotta del Nuovo Messico (foto P. Forti) Geode di Pulpì, Spagna (foto P. Forti)
14 I MECCANISMI DI FORMAZIONE DEL GESSO
15 I PIÙ GRANDI CRISTALLI DI GROTTA Cueva de los Cristales, Naica, Messico (foto G. Badino, Arch. La Venta)
16 LA GENESI DEI GYPSUM FLOWERS L alimentazione di queste concrezioni avviene dal basso e ogni singola fibra gessosa ha una sua propria velocità di crescita. Conseguentemente per restare unite debbono incurvarsi. Grotte de la Cigalière, Pirenei, Francia (foto P. Forti)
17 ALTERAZIONE DI MINERALI PRIMARI L alterazione e/o l ossidazione di minerali all interno della roccia porta alla deposizione di ossidi-idrossidi idrati, solfati, carbonati etc Una tubolare di 3 centimetri sviluppatasi in 4 anni in una grotta lavica dell Etna. Stalattite di opale, grotta lavica sull Etna, Sicilia, Italia (foto P. Forti)
18 IL MECCANISMO CARSICO Ca HCO 3 - CaCO 3 + CO 2 Grotta di Cabrespine, Francia (foto P. Forti) Questo meccanismo è responsabile di oltre il 95% di tutti i depositi chimici presenti nelle grotte. Grotta di Santa Barbara, Sardegna, Italia (foto P. Testi, Arch. GSB/USB)
19 NON SOLO CALCITE E ARAGONITE In presenza di altri ioni metallici la reazione carsica può portare alla formazione di molti altri carbonati. Fontana dello Zinco, Su Zurfuru, Sardegna, Italia (foto P. Forti) Idrozincite, Fontana dello Zinco, Su Zurfuru, Sardegna, Italia (foto P. Forti) Idromagnesite, Carlsbad Caverns, USA (foto A. Hill)
20 I MECCANISMI BIOGENICI In grotta i microrganismi possono indurre una mineralizzazione in diversi modi: causando una mineralizzazione diretta attraverso enzimi; producendo sostanze che causano la precipitazione di minerali (abbassamento del ph); servendo da supporto privilegiato per la nucleazione (ruolo passivo). Grotta di Fiume Coperto, Latina, Lazio, Italia (foto S. Galdenzi)
21 IL CICLO DELLO ZOLFO Il Ciclo dello zolfo è il miglior esempio di meccanismi redox controllati da microrganismi.
22 MUCOLITI La grande quantità di materiale organico prodotta dal Ciclo dello zolfo può far sviluppare speleotemi (pseudo-stalattiti) di muco, conosciuti col nome di MUCOLITI. Miniera Regina, Lombardia, Italia (foto P. Forti)
23 SPELEOTEMI DI ZOLFO Grotta di Cala Fetente, Campania, Italia (foto P. Forti) Immagine SEM di batteri su zolfo (foto P. Forti) Grotta di Cala Fetente, Campania, Italia (foto P. Forti) Immagine SEM di zolfo con batteri (foto P. Forti) Nella grotta di Cala Fetente (Capo Palinuro) si sviluppano grandi stalattiti di zolfo con l anima di gesso sotto controllo batterico.
24 ALTRI MINERALI LEGATI AL CICLO DELLO ZOLFO Grotta lavica nelle Azzorre, Spagna (foto P. Forti) Blenda, Cavità di Campo Pisano, Sardegna, Italia (foto P. Forti) Quarzo, grotta nei gessi romagnoli, Italia (foto P. Forti) Melanterite, Montevecchio, Sardegna, Italia (foto P. Forti) Opale e zolfo, Grave Grubbo, Calabria, Italia (foto P. Forti)
25 ALTRE REAZIONI CONTROLLATE DA MICRORGANISMI In grotta, oltre al Ciclo dello zolfo, esistono molti altri meccanismi di biomineralizzazione. I più importanti sono quelli che portano alla: - formazione di nitrati; - deposizione di fosfati; - mineralizzazione del guano.
26 LA FORMAZIONE DEI NITRATI I nitrati derivano essenzialmente dal dilavamento delle sostanze azotate del suolo che vengono trasportate all interno delle grotte dall acqua di percolazione. Derivano anche dalla mineralizzazione di: - urina; - guano. Nitrati, Pulo di Molfetta, Puglia, Italia (foto P. Forti)
27 LA DEPOSIZIONE DEI FOSFATI La sorgente del fosforo è generalmente rappresentata da: - ossa; - guano. L acido fosforico è un acido molto forte e quindi in grado di formare composti praticamente con tutti i sali con cui giunge in contatto. I fosfati sono generalmente sostanze assolutamente insolubili; la loro mobilità è quindi minima. I fosfati si trovano quindi nelle immediate vicinanze del punto in cui viene prodotto l acido fosforico. Cranio di renna, Grotta di Trassanel, Francia (foto P. Forti)
28 LA MINERALIZZAZIONE DEL GUANO La mineralizzazione del guano è uno dei processi più complessi tra quelli che si possono svolgere in grotta. I processi minerogenetici sono quasi totalmente controllati da microrganismi specifici. I minerali depositati possono variare moltissimo al variare dell umidità e/o della temperatura. Cueva Rosillo, Cuatrociènegas, Messico (foto Arch. La Venta)
29 SCHEMA DEGLI EFFETTI SPELEOGENETICI DI ACCUMULI DI GUANO
30 LA SEQUENZA DEPOSIZIONALE I composti più solubili sono i primi a formarsi, quando il guano è ancora molto fresco e imbevuto d acqua, mentre i sali via via meno solubili si depositano successivamente. 1. sostanze organiche; 2. nitrati & cloruri; 3. solfati; 4. ossidi & idrossidi; 5. fosfati. Cueva Rosillo, Messico (foto P. Forti)
31 CONGELAMENTO & SUBLIMAZIONE Grotta in gesso di Pinega, Russia (foto P. Forti) Ghiaccio stagionale e/o perenne può formarsi all interno delle grotte la cui temperatura scende al di sotto degli 0 C. Grotta di Kungur, Russia (foto P. Forti)
32 I DEPOSITI DI GHIACCIO I depositi di ghiaccio si formano sia in grotte a una sola entrata (statiche) sia in grotte con due o più ingressi (dinamiche). Da Hill & Forti, 1997
33 IL FENOMENO DELLA SEGREGAZIONE Il congelamento dell acqua comporta anche l espulsione dal suo reticolo cristallino di tutte le sostanze che si trovavano in soluzione, sia sotto forma molecolare che ionica. Questo fenomeno fa sì che la soluzione residua divenga sempre più concentrata. Al termine del processo di segregazione, i vari composti danno luogo a una polvere finissima che si accumula sulla superficie del ghiaccio. Grotta in gesso di Pinega, Russia (foto P. Forti)
34 SVILUPPI FUTURI Ricerche estensive per nuovi minerali Grandi possibilità di trovare nuovi minerali non solo di grotta, ma anche per la scienza. Aumento della conoscenza sui meccanismi che controllano la formazione e la rimobilizzazione dei giacimenti minerari. Studi sul ruolo dei microrganismi È un campo di grandissime potenzialità, poco studiato sino a oggi. Il ruolo dei microrganismi nella formazione dei depositi chimici e dei cristalli aumenta di giorno in giorno. Studi cinetici sulle reazioni di bassa entalpia Di rilevante interesse economico, servendo a comprendere meglio i meccanismi naturali di rimobilizzazione dei giacimenti minerari.
35 SVILUPPI FUTURI 1 Ricerche estensive per nuovi minerali Grandi possibilità di trovare nuovi minerali non solo di grotta, ma anche per la scienza. Aumento della conoscenza sui meccanismi che controllano la formazione e la rimobilizzazione dei giacimenti minerari. Coronadite (Laboratorio Grandi Strumenti dell Università di Modena) Rozenite & Starkeyite (Laboratorio Grandi Strumenti dell Università di Modena)
36 SVILUPPI FUTURI 2 Studi sul ruolo dei microrganismi Opale, grotta in lava di Rapa Nui, Cile (foto P. Forti) Opale, grotta in lava di Rapa Nui, Cile (foto P. Forti) È un campo di grandissime potenzialità, poco studiato sino a oggi. Il ruolo dei microrganismi nella formazione dei depositi chimici e dei cristalli aumenta di giorno in giorno.
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49 Siam proprio Fortunati ad Esser nati Speleologi!
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