Studio di fenomeni di subsidenza localizzata (sinkhole) con applicazione di tecniche geofisiche integrate per la programmazione in intrventi di protezione civile e di ridefinizione dell'uso del territorio

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(1)Università degli Studi di Cagliari Dipartimento di Ingegneria del Territorio Sezione di Geologia Applicata e Geofisica Applicata. Studio di fenomeni di subsidenza localizzata (sinkhole) con applicazione di tecniche geofisiche integrate per la programmazione di interventi di protezione civile e di ridefinizione dell’uso del territorio. Dottorato di Ricerca in Ingegneria del Territorio XIX ciclo 2003 - 2006. Settore scientifico disciplinare di appartenenza GEO – 11. Coordinatore:. Tutore:. Dottorando:. prof. Gaetano Ranieri. prof. Roberto Balia. ing. Massimiliano Bianco. …………………………………………………. …………………………………………………. ………………………………………………….

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(3) Indice. Abstract ...................................................................................................... 6. Introduzione ................................................................................................ 8. Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole 1. Definizioni ............................................................................................. 10 2. Le aree a rischio sinkhole (sinkhole prone areas) ......................................... 12 3. I meccanismi genetici e i diversi tipi di sinkhole........................................... 14 3.1 Generalità......................................................................................... 14 3.2 I fenomeni di dissoluzione ................................................................... 16 3.3 I tipi di sinkhole................................................................................. 18 3.3.1 Le classificazioni .......................................................................... 18 3.3.2 I dissolution sinkhole.................................................................... 19 3.3.3 I cave collapse sinkhole ................................................................ 19 3.3.4 I subsidence sinkhole ................................................................... 20 3.3.5 I cover collapse sinkhole ............................................................... 21 3.3.6 I buried sinkhole.......................................................................... 25 4. L’evoluzione dei sinkhole.......................................................................... 25 4.1 L’annegamento.................................................................................. 25 4.2 L’estinzione....................................................................................... 27 4.3 La riattivazione.................................................................................. 28 4.4 La migrazione ................................................................................... 29 5. Casistica................................................................................................ 30 5.1 I fenomeni di sinkhole nel mondo......................................................... 30 5.2 I fenomeni di sinkhole in Italia ............................................................. 34.

(4) Capitolo 2. Lo studio dei sinkhole 1. Le indagini per lo studio dei sinkhole ......................................................... 44 2. La geofisica applicata allo studio dei sinkhole .............................................. 48 3. Le principali tecniche geofisiche utilizzate nello studio dei sinkhole ................. 50 3.1 Premessa ......................................................................................... 50 3.2 Le indagini gravimetriche .................................................................... 51 3.3 Le indagini geoelettriche ..................................................................... 53 3.4 Le indagini sismiche ........................................................................... 55 3.5 I metodi elettromagnetici .................................................................... 58 4. Il monitoraggio....................................................................................... 60 5. Due casi reali ......................................................................................... 64 5.1 Premessa ......................................................................................... 64 5.2 I sinkhole della piana di San Vittorino ................................................... 64 5.3 Il sinkhole di Camaiore ....................................................................... 73. Capitolo 3. I fenomeni di sinkhole della Valle del Cixerri 1. Introduzione .......................................................................................... 81 2. Localizzazione ........................................................................................ 81 3. Il quadro geologico e idrogeologico............................................................ 82 5. I fenomeni carsici ................................................................................... 88 5.1 Fenomeni carsici superficiali ................................................................ 88 5.2 Fenomeni carsici ipogei....................................................................... 88 6. Descrizione e distribuzione dei sinkhole nella valle del Cixerri ........................ 89 7. Il programma di indagini........................................................................ 100 8. Le indagini in località Su Merti ................................................................ 101 8.2 Introduzione ................................................................................... 101 8.3 L’indagine gravimetrica..................................................................... 102 8.4 Le indagini sismiche ......................................................................... 104 8.4.1 La sismica a rifrazione ................................................................ 104 8.4.2 La sismica a riflessione ............................................................... 105 8.5 I sondaggi geognostici ...................................................................... 106. 4.

(5) 8.6 L’interpretazione dei dati di Su Merti................................................... 108 8.6.1 Il modello gravimetrico ............................................................... 108 8.6.2 Il modello geologico-strutturale ................................................... 110 9 Le indagini gravimetriche estese a tutto il settore ovest della valle del Cixerri 111 9.1 Descrizione delle indagini .................................................................. 111 9.2 Elaborazione dei dati gravimetrici....................................................... 114 9.3 I profili gravimetrici.......................................................................... 117 9.3.1 Il profilo Villamassargia-Iglesias lungo ferrovia............................... 117 9.3.2 Il profilo Villamassargia-Carbonia lungo ferrovia ............................. 118 9.3.3 Il profilo Villamassargia-Iglesias lungo la S.P. 86 ............................ 119 10. L’interpretazione dei dati...................................................................... 120 10.1 I modelli geologico-strutturali .......................................................... 120 10.2 La carta delle anomalie di Bouguer ................................................... 121 11 Le possibili cause dei sinkhole della valle del Cixerri .................................. 123 12 La carta del rischio ............................................................................... 128. Capitolo 4. Discussione e conclusioni Discussione e conclusioni........................................................................... 131. Bibliografia .............................................................................................. 141. Ringraziamenti ......................................................................................... 150. 5.

(6) Abstract. The word “sinkhole” is increasingly used to indicate localized subsidence phenomena. In spite of the increasing awareness of the risk associated with this kind of event, sinkholes receive little attention from local authorities and technicians, especially in Italy. The real threat that these natural phenomena pose to public safety and to regional development, should encourage local governments to take action through specific planned action. In fact, sinkholes cannot be thought of as occurring unexpectedly; their spatial distribution, recurrence and type of development clearly show that they occur in specific geological and environmental conditions and are triggered by. several concomitant factors. Therefore the. widespread belief that sinkholes are unpredictable events simply derives from a poor understanding of the phenomenon. The purpose of this work is to provide a structured and complete overview through a detailed analysis of Italian and foreign case histories, summarizing the environmental conditions in which sinkholes occur, as well as the many factors and mechanisms underlying their formation. The need for a multidisciplinary approach is emphasized, based on the comparison and integration of results achieved using different. investigation. methods. to. obtain. geological,. hydrogeological. and. geochemical information, also examining several real cases. The importance and suitability of surveys based on geophysical techniques is stressed. To illustrate this, an overview of the results achieved using a variety of geophysical methods in numerous case studies of sinkholes and sinkhole-prone areas is provided. Lastly, the experimental part of this work, developed in the frame of this PhD course, is presented. It consists of a geophysical study of the Cixerri Valley, in SW.

(7) Sardinia, Italy, where several sinkholes have appeared since 1996. Among the different geophysical survey techniques used in this study, the gravity method proved especially effective for detecting the geological and structural conditions that appear to be responsible for sinkhole formation. A sinkhole hazard map of the area has been drawn up on the basis of the gravity anomalies identified. The aim of this work is not the theoretical and practical development of geophysical techniques, which goes beyond the original scope of the study.. It. intends instead to define a possible route to be pursued in the analysis of sinkhole prone areas, that is able to provide valuable scientific information useful for gaining a better understanding of sinkhole formation mechanisms and how they are related to the. general geological setting. With this information it would be possible to. identify sinkhole hazard areas and local conditions, essential information for planning prevention and monitoring, securing these areas and for their reclamation.. 7.

(8) Introduzione. Il termine sinkhole viene sempre più spesso utilizzato, da esperti del settore e non, per indicare i fenomeni di subsidenza localizzata. Sebbene sia cresciuta la consapevolezza dei rischi correlati a questi fenomeni, è in realtà ancora poca l’attenzione che ad essi rivolgono gli amministratori e i tecnici, specialmente in Italia. I problemi che questi fenomeni naturali pongono per l’incolumità delle persone e delle cose e per lo sviluppo territoriale dovrebbero, invece, spingere i governi locali, che regolano e gestiscono il territorio, ad operare con interventi programmatori mirati e strutturali. I sinkhole, infatti, non possono essere considerati fenomeni casuali ed estemporanei, e la loro distribuzione spaziale, la ricorrenza temporale e la tipologia evolutiva dimostrano chiaramente che essi si verificano in specifiche condizioni geologico-ambientali e sotto la spinta di diversi fattori innescanti. La diffusa convinzione che i sinkhole siano degli eventi non prevedibili si basa in realtà su una scarsa conoscenza dei fenomeni. Il presente lavoro si pone innanzitutto l’obiettivo di fornire un quadro organico e. completo. che,. attraverso. un. attento. studio. della. casistica. nazionale. e. internazionale, riassuma gli ambienti in cui si sviluppano questi fenomeni e che metta in luce i diversi fattori innescanti e i meccanismi genetici che ne determinano la formazione. Si è cercato conseguentemente di mostrare, anche attraverso l’analisi di diversi casi concreti, la necessità di interventi multidisciplinari nelle aree a rischio, basati sul confronto e sull’integrazione dei risultati ottenuti mediante diverse metodologie di indagine che siano in grado di fornire informazioni di tipo geologico, idrogeologico e geochimico. In particolare, si è voluta mettere in evidenza l’importanza dell’impiego di indagini basate sulla geofisica applicata nelle fasi conoscitive di studio e analisi del territorio. Al tal fine viene esposta una. 8.

(9) panoramica sui risultati conseguiti con i diversi metodi geofisici in casi reali di studio dei sinkhole e delle aree in cui essi insistono, per mostrarne l’importanza in questo campo d’indagine. Viene infine presentato lo studio dei sinkhole della valle del Cixerri che è stato sviluppato nell’ambito di questo dottorato di ricerca. Qui, tra le diverse tecniche di indagine. geofisiche. impiegate,. il. metodo. gravimetrico. si. è. dimostrato. particolarmente efficacie nell’evidenziare le condizioni geologiche e strutturali che sono alla base dei fenomeni avvenuti e conseguentemente ha consentito di individuare nell’area le zone caratterizzate da differenti livelli di rischio. Il lavoro non ha quindi come obiettivo lo sviluppo teorico e pratico delle tecniche geofisiche, ma vuole indicare, per lo studio organico di aree affette da fenomeni di sinkhole, un possibile percorso capace di fornire informazioni sia di interesse scientifico, con il contributo alla comprensione dei meccanismi di formazione e dei loro legami con il quadro geologico generale, sia di ordine tecnico ed operativo, con la definizione delle aree di rischio e delle condizioni locali, indispensabile per gli interventi di prevenzione, monitoraggio, messa in sicurezza e bonifica.. 9.

(10) Capitolo 1 I fenomeni di sinkhole. 1. Definizioni I sinkhole sono dei fenomeni da sempre presenti nei tempi storici ma che solo recentemente, con la crescita delle aree urbanizzate e la maggiore attenzione per il territorio e per i fenomeni geologici, sono divenuti oggetto di studi specifici, in Italia e nel resto del mondo. Di molti sinkhole formatisi in passato, soprattutto nei terreni non urbanizzati, si è persa memoria proprio a causa dello scarso interesse che vi era per questo fenomeno. Della maggior parte delle voragini prodotte non sono rimaste tracce, o perché sono state con il tempo colmate naturalmente o hanno dato origine a laghetti e specchi d’acqua, o perché l’uomo ha rimodellato la morfologia dei luoghi eseguendo lavori di bonifica o più semplicemente ha riempito le “buche” formate per consentire la coltivazione dei campi.. Figura 1 - Il Pozzo di Antullo o Santullo o di San Tullo in una stampa del 1846.

(11) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. Tuttavia di alcuni sinkhole è rimasta una significativa testimonianza nelle leggende e nei racconti popolari, ma anche in alcuni libri storici o in certi dipinti, come per il Pozzo di Antullo, formatosi nelle rocce carbonatiche dell’Appennino e riprodotto nella stampa disegnata dal Bossi ed incisa da Parboni a Roma nel 1846 (figura 1). Il termine sinkhole è stato introdotto per la prima volta da Fairbridge (1968) per indicare una depressione di forma sub-circolare dovuta al crollo di piccole cavità carsiche sotterranee, è stato ripreso successivamente da diversi autori (Monroe, 1970; Jennings, 1985; White, 1988 ed altri) ed oggi viene sempre più spesso utilizzato per indicare fenomeni di sprofondamento di qualunque genere. Sui sinkhole sono tuttora aperte numerose discussioni in ambito scientifico, sia su quali cavità sia corretto classificare come tali, sia sul loro meccanismo di formazione e di evoluzione. Nell’accezione più tipica i sinkhole indicano delle depressioni di forma circolare o ellittica, con diametro e profondità variabili da pochi metri a centinaia di metri, a pareti sub-verticali, che si aprono rapidamente in terreni a granulometria variabile e la cui genesi è legata a fenomeni di dissoluzione che si verificano in ammassi rocciosi altamente solubili (calcari, gessi ed altre evaporiti, marmi). Spesso, però, il termine viene utilizzato anche per indicare dei dissesti dovuti al crollo di vuoti di origine antropica (anthropogenic sinkhole), come cave sotterranee, serbatoi, cisterne, cunicoli idraulici, cantine e depositi sotterranei. Altre volte, inoltre, vengono chiamati sinkhole molti dissesti provocati da crolli legati a cavità carsiche, grotte laviche e grotte poste lungo falesie marine. Questo uso improprio e generalizzato ha generato una notevole confusione ed ambiguità. terminologica,. come. si. evince. dallo. studio. della. letteratura. sull’argomento.. 11.

(12) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. Nel presente lavoro l’attenzione è stata rivolta prevalentemente a quei fenomeni di dissoluzione in profondità che, causando una riduzione del volume della percentuale solida e propagandosi dal basso verso l’alto, possono provocare in superficie fenomeni di rapido collasso. Mentre sono ampiamente studiati i casi di sprofondamento di cavità in ambiente carsico, che provocano la formazione delle classiche doline e altre forme depresse (p.e. Cvijic, 1960; Jennings, 1985; Dreybrodt, 1988), risultano meno noti e studiati in Italia i fenomeni di collasso per corrosione profonda.. 2. Le aree a rischio sinkhole (sinkhole prone areas) I. sinkhole. non. possono. essere. considerati. dei. fenomeni. casuali. ed. estemporanei e la loro localizzazione, la tipologia evolutiva e la loro ricorrenza temporale dimostrano chiaramente che essi si verificano in specifiche condizioni geologico-ambientali (sinkhole prone areas) e sotto la spinta di diversi fattori innescanti (sinkhole triggering issues). In linea generale, gli autori (p.e. Newton, 1984; Faccenna et al., 1993; Bigi et al., 1999; Buchignani and Chines, 2000; Capelli et al., 2000; Salvati et al., 2000; Argentieri et al., 2001; Colombi et al., 2001; Capelli and Salvati, 2002; Salvati and Sasowsky, 2002, Nisio and Salvati, 2004) sono concordi nell’indicare per le aree a rischio sinkhole la presenza delle seguenti condizioni ambientali predisponenti: -. un substrato carbonatico o costituito da roccia solubile (calcari, dolomie, evaporiti o rocce solfatiche) sottoposto a fenomeni carsici e caratterizzato da una morfologia accidentata, sia a piccola che a grande scala;. -. un pacco di sedimenti al tetto del substrato costituito da limi, argille, sabbie a differente granulometria omogenee o eterogenee;. 12.

(13) Capitolo 1. -. I fenomeni di sinkhole. un reticolo di fratture o faglie che permettono una maggiore circolazione idrica e una notevole erosione meccanica;. -. abbondanti acque di circolazione sotterranea;. -. eventuali gas nel sottosuolo, generalmente CO2 e H2S, che favoriscono la dissoluzione del substrato roccioso e dei materiali di copertura e la risalita delle acque.. Nell’ambito di queste condizioni ambientali, diversi fattori innescanti agiscono, spesso sinergicamente, nella genesi dei fenomeni: -. le oscillazioni naturali della superficie piezometrica della falda regionale dovute a periodi di elevata intensità delle precipitazioni piovose e/o all’alternanza di periodi secchi e piovosi;. -. l’attività tettonica in atto;. -. le attività antropiche (attività estrattive, emungimenti di acqua, etc.). I sinkhole si originano, quindi, in particolari situazioni geologico-strutturali ed. idrogeologiche del territorio, che ne costituiscono le condizioni essenziali, e vengono innescati per motivi di diversa natura quali un sisma, un periodo di siccità, una alluvione o l’emungimento di grandi quantità d’acqua dal sottosuolo. Queste condizioni si riscontrano spesso nelle piane alluvionali, nelle pianure costiere, nelle conche intermontane e nelle valli fluviali generalmente di origine tettonica. In particolare, le pianure alluvionali rappresentano gli ambienti ideali per la formazione di fenomeni di subsidenza di varia natura. Si tratta di vasti bacini subsidenti, o caratterizzati da una storia geologica di prevalente subsidenza, colmati da materiali detritici trasportati dai corsi d'acqua e prodotti dall’erosione dei rilievi circostanti. Esse sono caratterizzate dalla presenza di un substrato roccioso a cui si sovrappone uno spessore di materiali detritici di granulometria variabile, da grossolani (come le ghiaie) a fini (come i limi o le argille). La variabilità verticale e laterale dei. 13.

(14) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. sedimenti dipende, ovviamente, dal contesto geologico locale, cosi come la composizione litologica dei sedimenti stessi riflette le litologie costituenti i rilievi in erosione. Lo spessore dei sedimenti può variare da pochi metri ad alcune migliaia di metri, solitamente nelle aree centrali della pianura. Le aree di pianura alluvionale sono spesso caratterizzate dalla presenza di un acquifero superficiale a pelo libero (acquifero. freatico). che. può. mostrare. spessori. e. potenzialità. produttive. estremamente rilevanti. L'intero "materasso" alluvionale è poi generalmente caratterizzato dalla presenza di più livelli acquiferi generalmente produttivi e quindi oggetto. di. un. intenso. sfruttamento. per. l'approvvigionamento. idrico. degli. insediamenti urbani, dei complessi industriali e per l'irrigazione. La presenza di un substrato costituito da rocce carbonatiche complica il quadro idrogeologico di questi contesti ambientali. I fenomeni carsici possono infatti determinare la formazione di condotti ipogei che non di rado possono raggiungere dimensioni ragguardevoli ed essere sede di una circolazione idrica molto importante. Sono prevalentemente queste le aree a rischio sinkhole; definire quale sia la causa principale che determina la formazione di una voragine è difficile poiché esse sono molteplici e generalmente concomitanti. Nel prossimo paragrafo si cercherà di illustrare questi meccanismi genetici.. 3. I meccanismi genetici e i diversi tipi di sinkhole 3.1 Generalità Sebbene la formazione della maggior parte dei sinkhole appaia in superficie come un evento improvviso e repentino che avviene nel corso di un ristretto arco di tempo, essi sono il risultato di un complesso processo di fenomeni che si sviluppa in profondità e in tempi piuttosto lunghi. Caratteristica comune a tutti i fenomeni di sinkhole è la presenza di una formazione rocciosa sottoposta a fenomeni carsici.. 14.

(15) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. Questi fenomeni, che potenzialmente interessano tutte le rocce, si manifestano quasi esclusivamente nelle rocce a solubilità maggiore, ovvero nelle rocce carbonatiche (calcari e dolomie) e in quelle evaporitiche (gessi e salgemma). Se, come detto, la maggior parte dei sinkhole conosciuti è legata a fenomeni carsici che avvengono in un substrato carbonatico sormontato da sedimenti di diversa natura, altri casi di rapida subsidenza sono dovuti alla dissoluzione di strati più o meno profondi costituiti da rocce solubili di altro tipo come il gesso e la salgemma, o da sedimenti di natura prevalentemente carbonatica. I fenomeni carsici, sia di superficie che di sottosuolo, sono prevalentemente dovuti all'azione delle acque di origine meteorica, anche se frequenti sono i fenomeni legati alla risalita di acque profonde in corrispondenza di importanti strutture tettoniche. La presenza di un reticolo di faglie e/o fratture, che rappresentano delle vie preferenziali per la circolazione dell’acqua, assume un ruolo fondamentale nei processi di dissoluzione ed aumenta considerevolmente il volume di roccia interessato. Esso consente, inoltre, la risalita di fluidi di origine profonda arricchiti in specie gassose come CO2, He, Rn, che, come verrà chiarito in seguito, esercitano. un. ruolo. fondamentale. nella. formazione. di. numerosi. sinkhole,. specialmente in Italia. Un sistema di fratture e faglie nel basamento risulta importante nel favorire i fenomeni carsici perché la maggiore circolazione idrica presente in quelle zone consente non solo una elevata dissoluzione chimica, ma anche una notevole erosione meccanica. Studi condotti in Florida hanno dimostrato una stretta relazione tra densità e ampiezza delle fratture e formazione di voragini (Littlefield et al., 1984). Oltre ai caratteri litologici e morfologici del substrato roccioso, il manifestarsi di fenomeni di subsidenza è strettamente legato alla natura e allo spessore dei sedimenti di copertura. Sono sostanzialmente le caratteristiche dei terreni di. 15.

(16) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. copertura e le condizioni idrogeologiche a governare l’evoluzione dei processi e a determinare la formazione dei diversi tipi di sinkhole osservati, e in tal senso sono state riscontrate precise relazioni (Sinclair and Stewart, 1985; Wilson and Shock, 1996). Verranno di seguito illustrati con maggior dettaglio i fenomeni di dissoluzione e descritti i diversi tipi di sinkhole, chiarendo per ciascuno gli specifici processi genetici e le condizioni ambientali che ne determinano la formazione. 3.2 I fenomeni di dissoluzione Le rocce maggiormente interessate dal fenomeno della dissoluzione sono quelle carbonatiche, ovvero costituite principalmente da calcite e dolomite. Per entrambe, la solubilità in acqua pura e a temperatura ambiente è molto bassa, dell'ordine di 10-20 mg/l, ma aumenta notevolmente quando nell'acqua vi sono sciolte altre sostanze. Come schematicamente illustrato nella figura 2, prima di raggiungere la roccia l'acqua piovana può arricchirsi di anidride carbonica attraversando l’atmosfera o filtrando attraverso un terreno ricco di sostanze d’origine animale e vegetale (humus). L’anidride carbonica in soluzione conferisce alle acque piovane una debole acidità che le rende aggressive sulle rocce costituite prevalentemente da carbonato di calcio. I processi di dissoluzione della calcite e della dolomite in acqua con CO2 sono i seguenti:. CALCITE. DOLOMITE. CaCO3 + CO2 + H2O = (Ca2+) + (2HCO3-) CaMg(CO3)2 + 2CO2 + 2H2O = (Ca2+) + (Mg2+) + (4HCO3 2-). 16.

(17) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. Figura 2 - Lo schema illustra il percorso dell’acqua piovana e le principali reazioni chimiche.. In presenza di CO2 la solubilità della calcite è di circa 100 mg/l (alla temperatura di 25° e alla pressione parziale di CO2 di 10-3 bar); di poco inferiore è la solubilità della dolomite (90 mg/l) alle stesse condizioni. Sono invece differenti le velocità con cui questi processo hanno luogo, essendo nettamente inferiore quella che riguarda la dolomite. Si può dire che la solubilità delle rocce carbonatiche è tanto maggiore quanta più CO2 è presente nelle acque circolanti. L'acqua piovana ha in genere tenori di CO2 piuttosto bassi, intorno a 2.3X10-4 mg/l; nei suoli invece, a causa delle attività biologiche, si riscontrano tenori di CO2 piuttosto elevati e le acque, attraversandoli, possono arricchirsi sino a livelli di qualche punto percentuale. Se possiamo trascurare la temperatura nella solubilità di calcite e dolomite, non possiamo fare altrettanto per la solubilità della CO2 nell'acqua; questa infatti diminuisce notevolmente con l'aumentare della temperatura e ciò fa sì che le acque fredde siano di fatto più aggressive nei confronti del calcare rispetto a quelle calde, anche se la minor velocità con cui questa reazione avviene attenua in parte l’effetto. Nella pratica, le acque di provenienza meteorica, arricchite di CO2, hanno poteri corrosivi. 17.

(18) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. non molto diversi in climi freddi e in climi caldi. Il maggiore sviluppo dei fenomeni carsici che si riscontra nei paesi tropicali è dovuto alla maggiore quantità di precipitazioni piuttosto che al maggior potere corrosivo delle acque. Oltre all'acido carbonico, le acque che danno origine al carsismo contengono spesso altri acidi in soluzione che possono essere di origine organica, oppure originati da emanazioni vulcaniche (come l'acido solfidrico H2S). A causa della complessità e della variabilità della composizione chimica delle acque che circolano nelle rocce solubili, numerose sono le reazioni chimico-fisiche che possono instaurarsi.. 3.3 I tipi di sinkhole 3.3.1 Le classificazioni Molte classificazioni sono state proposte per indicare i diversi fenomeni di sinkhole. Una prima sostanziale suddivisione può essere fatta tra fenomeni di sprofondamento in cui l’evoluzione procede, ad opera di agenti esogeni (acque meteoriche, carsismo superficiale), dalla superficie verso il sottosuolo, e fenomeni causati da agenti endogeni (acque di circolazione sotterranea, flussi gassosi, etc.) che si sviluppano dal basso verso l’alto all’interno della copertura che giace al di sopra del substrato carsificabile. Appartengono al primo tipo i dissolution sinkhole e i cave collapse sinkhole. Questi due tipi rientrano nei fenomeni carsici in senso stretto e sono praticamente sinonimo di dolina. Nel secondo tipo di sinkhole, quelli in cui il processo si sviluppa dal basso verso l’alto a partire dal confine bedrocksedimenti, rientra la maggior parte dei casi osservati. Appartengono a questa categoria i subsidence sinkhole e i cover collapse sinkhole.. 18.

(19) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. 3.3.2 I dissolution sinkhole I dissolution sinkhole hanno origine in ambienti in cui il bedrock risulta vicino alla superficie, con una copertura dei sedimenti non molto spessa. Queste condizioni favoriscono un rapido processo di dissoluzione ed una erosione meccanica piuttosto spinta, specialmente in corrispondenza di aree di accumulo dell’acqua, come le zone di fatturazione e le depressioni morfologiche della superficie (vedi figure 3 e 4). Il processo porta alla formazione di una conca più o meno ampia mentre non si assiste generalmente ha crolli o ha fenomeni di dissesto particolarmente pericolosi.. Figura 3 - Lo schema illustra il meccanismo di formazione di un dissolution sinkhole.. 3.3.3 I cave collapse sinkhole Legati esclusivamente a fenomeni di dissoluzione sono anche i cave collapse sinkhole (detti anche cavern collapse sinkhole), dovuti al crollo di vuoti che si formano in rocce carbonatiche affioranti o poco profonde (vedi figura 5).. A. B Figura 4 - La figura mostra il risultato di due differenti tipi di sinkhole: un dissolution sinkhole (A) e un cave collapse sinkhole (B).. 19.

(20) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. 3.3.4 I subsidence sinkhole In questo tipo di sinkhole entrano in gioco le caratteristiche dei terreni di copertura del substrato carbonatico. Come mostrato nella figura 5, i sedimenti possono, in specifiche condizioni, riempire i vuoti formatisi nella roccia sottostante. Il richiamo dei materiali di copertura all’interno di condotti carsici, di fratture o cavità può essere attivato dalle variazioni, naturali o indotte, della superficie freatica (Newton, 1984; Brink, 1984; Metcalfe and Hall, 1984; Kiernan, 1989; Sowers,. 1996).. Le. oscillazioni. naturali. dipendono. dall’abbondanza. delle. precipitazioni e dall’alternanza dei cicli stagionali. Solitamente i livelli minimi si riscontrano alla fine dell’estate, quelli massimi all’inizio della primavera. La formazione di sinkhole durante o dopo periodi di intensa pioggia è stata osservata in diverse aree a rischio (Newton, 1984; LaMoreaux, 1984; Benson and LaFountain, 1984; Benito and Gutierrez, 1987; Sowers, 1996), specialmente se avvengono dopo periodi di siccità (Sowers, 1975; Gertje and Jeremias, 1989). Molto più consistenti sono le variazioni indotte dall’uomo con gli emungimenti per uso irriguo, idropotabile o industriale. Il forte emungimento fa sì che si sviluppino, in prossimità dei pozzi, coni di depressione tali da far aumentare notevolmente la velocità dei flussi idrici e quindi l’asportazione delle particelle dei sedimenti e la subsidenza delle coperture alluvionali. Il rapido abbassamento del livello della falda, inoltre, può causare una perdita di pressione e determinare un aumento del carico sui terreni immediatamente al di sopra dei vuoti che possono collassare (Newton, 1986). È interessante notare come i fenomeni di crollo in superficie appaiano molto velocemente in seguito a degli abbassamenti dei livelli dell’acqua di falda. Sowers (1975) descrive due ampi sinkhole formati dopo tre giorni di pompaggio mentre Daoxian (1987) osserva la formazione del primo sinkhole dopo alcune ore dall’inizio dell’emungimento.. 20.

(21) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. Problemi di stabilità dei materiali di copertura si possono verificare anche per l’immissione nel suolo agrario di elevate quantità di acqua durante l’irrigazione (Trommer, 1992).. I sedimenti scorrono all’interno delle cavità del bedrock carbonatico.. I sedimenti si muovono riempiendo gli spazi lasciati vuoti.. I fenomeni di dissoluzione e il movimento dei sedimenti proseguono formando una depressione in superficie.. Figura 5 - Lo schema illustra il meccanismo di formazione di un cover subsidence sinkhole.. A favorire questi fenomeni di filtrazione all’interno delle fratture contribuisce il fatto che spesso i terreni che si trovano immediatamente a contatto con la roccia risultano essere poco coesivi (Pazuniak, 1989; Siegel and Belgeri, 1995; Iqbal, 1995; Sowers, 1996; Wilson and Beck, 1988); inoltre, le irregolarità del basamento possono impedire la compattazione dei sedimenti e la presenza di acqua può impedire il consolidamento per disidratazione (Siegel and Belgeri, 1995). Il movimento dei sedimenti verso il basso, indicato con il termine ravelling, può determinare in superficie un fenomeno di subsidenza (vedi figura 5), senza un repentino crollo, dando luogo a fenomeni noti come cover subsidence sinkhole (Tihansky, 1999). Questi sinkhole vengono chiamati anche alluvial sinkhole, ravelling sinkhole o shakehole (Waltham, 1989; Beck and Sinclair, 1986; Newton, 1987).. 3.3.5 I cover collapse sinkhole In altri casi, il movimento dei sedimenti dalla formazione di copertura ai vuoti del basamento può portare alla formazione di una cavità nella copertura detritica.. 21.

(22) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. Fenomeni di questo tipo avvengono formazioni sedimentarie dotate di un certo grado di coesione e di una portanza naturale (Galloway et al., 1999). Le dimensioni granulometriche degli elementi della copertura possono essere variabili, ma generalmente si tratta di argille-sabbiose, limi, sabbie con intercalazioni di ghiaie. Il processo è facilitato se all’interno del pacco di sedimenti sono presenti lenti di terreni carsificabili, quali travertini o ghiaie di natura prevalentemente carbonatica. In queste condizioni si ha la formazione e la successiva propagazione di una cavità all’interno del materiale di copertura, a partire dal tetto del bedrock verso l’alto (Tharp, 1999). Il fenomeno procede verso l’alto fino a quando il terreno di copertura, non sopportando più gli sforzi di taglio, collassa dando luogo ad una voragine che si forma nell’arco di poche ore. La profondità a cui avviene il collasso finale dipende dalle caratteristiche geomeccaniche dei terreni, dalle condizioni idrogeologiche e da diversi fattori che determinano la rottura dell’equilibrio: un terremoto, un’intensa pioggia o un carico in superficie (costruzioni, infrastrutture, etc.). Anche le esplosioni, utilizzate nel campo estrattivo e in quello delle demolizioni, contribuiscono a favorire ed accelerare la formazione dei sinkhole (Benson and LaFountain, 1984; Pazuniak, 1989; Iqbal, 1995), così come le vibrazioni indotte dal passaggio di mezzi pesanti, su strada o su rotaia, possono assumere una certa rilevanza nel determinare il crollo delle cavità sotterranee (Gertje and Jeremias, 1989). Diversi autori (Faccenna, 1993; Ciotoli et al., 2001; Berti et al., 2002; Salvati and Sasowsky 2002; Beaubien et al., 2003; Nisio, 2003) attribuiscono una grande importanza, nel meccanismo di formazione e propagazione dei vuoti, all’azione delle acque dell’acquifero profondo, ricche di gas e in pressione, che risalgono in corrispondenza delle discontinuità presenti nel bedrock, le quali rappresentano delle vere e proprie vie di fuga. Proprio le interazioni acqua-gas-roccia sembrerebbero. 22.

(23) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. alla base di questo importante processo di dissoluzione dal basso verso l’alto noto col nome di suffosione (piping). Tale meccanismo di dissoluzione chimica, infatti, è frequente nelle zone caratterizzate dalla presenza di fluidi termali ed emanazioni gassose anche di modesta intensità. In queste aree la presenza di fluidi aggressivi ricchi in CO2 e H2S facilita la dissoluzione sia del substrato calcareo sia della eventuale componente calcarea dei sedimenti di copertura.. Figura 6 - Possibile modello per lo sviluppo di sinkhole in aree caratterizzate dalla risalita di acque ricche di CO2 (da Salvati and Sasowsky, 2002).. Il modello concettuale di circolazione delle acque illustrato nella figura 6 chiarisce quanto appena descritto. I calcari che affiorano consentono l’infiltrazione. 23.

(24) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. dell’acqua fino all’acquifero profondo. L’acqua, attraversando le formazioni di calcare, si arricchisce di calcio fino alla saturazione. I gas che risalgono dalle fratture del basamento riducono il grado di saturazione dell’acqua. La rinnovata aggressività. delle. acque. porterebbe. alla. creazione. di. cavità. all’interfaccia. basamento carbonatico-copertura o nell’ambito dei termini carbonatici presenti in quest’ultima,. innescando. in. tal. modo. i. processi. di. “ravelling-like”. e. di. sprofondamento dei terreni di copertura responsabili della formazione dei sinkhole in area di deflusso (Salvati and Sasowsky 2002). Si utilizza il termine di cover collapse sinkhole o di dropout sinkhole per indicare i sinkhole che avvengono quando i vuoti che si sono formati nei sedimenti per i diversi fenomeni descritti crollano improvvisamente (vedi figura 7) (White and White, 1995; Tihansky, 1999).. I sedimenti scorrono all’interno delle cavità del bedrock carbonatico.. Si forma una cavità nei sedimenti sopra il bedrock. La cavità aumenta e migra verso l’alto. Si arriva al crollo del tetto della cavità.. Figura 7 - Lo schema illustra il meccanismo di formazione di un cover-collapse sinkhole.. Un meccanismo che prevede la formazione di una cavità che “migra” verso l’alto nei terreni sembrerebbe l’unico in grado di spiegare la formazione di sinkhole in aree caratterizzate della presenza di basamenti carbonatici sormontati da sedimenti di copertura molto spessi. Appare infatti molto improbabile, proprio per il consistente spessore dei materiali di copertura (in molti casi reali fino a 200 m), che si possa avere un risentimento in superficie di un fenomeno di crollo localizzato. 24.

(25) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. in profondità, attraverso processi di semplice scorrimento di materiale verso il basso.. 3.3.6 I buried sinkhole Un altro tipo di sinkhole è il buried sinkhole, che si manifesta quando una precedente voragine viene colmata da sedimenti che successivamente possono, compattandosi, dare luogo ad una nuova depressione, specie se soggetti al carico di una costruzione (Bezuidenhout and Enslin, 1970; Brink, 1984). Cedimenti lenti dei terreni ospitati in vecchi sinkhole, forse favoriti da un abbassamento del livello freatico, hanno creato delle depressioni conosciute in Sud Africa come compaction sinkhole (Jennings, 1966).. 4. L’evoluzione dei sinkhole 4.1 L’annegamento Il processo di “annegamento” è un fenomeno assai frequente dopo la formazione di un sinkhole. Accade infatti, in molti casi, che le acque di falda o l’acqua di risalita dall’acquifero profondo si riversino all’interno della depressione dando vita ad un piccolo lago. I tempi di formazione del laghetto sono variabili da poche ore a qualche mese. Quando il fondo della voragine è a un livello minore o uguale a quello della piezometrica della falda, il lago viene alimentato da quest’ultima. In tale situazione, il livello dell’acqua all’interno del piccolo lago, essendo strettamente collegato agli eventi pluviometrici, subisce delle fluttuazioni stagionali e talvolta, durante i minimi estivi, si assiste al completo prosciugamento. In altri casi è possibile osservare alla superficie del lago bolle dovute a risalite di gas che fanno supporre che il fenomeno di annegamento sia influenzato dalla presenza di acquiferi in pressione all’interno del bedrock carbonatico. Questo. 25.

(26) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. confermerebbe come i fenomeni di risalita di fluidi profondi (acqua e gas) nei sedimenti. di. copertura. operino. in. maniera. diretta. sull’evoluzione. degli. sprofondamenti catastrofici in superficie.. Figura 8 - Risalita di gas in un sinkhole formatosi nel settembre 2003 nella pianura Pontina.. Il sinkhole risulta essere così in collegamento con l’acquifero basale attraverso un condotto che ha le stesse caratteristiche di un pozzo artesiano che capta in profondità. Tale processo è stato comprovato, in casi reali, dalle analisi geochimiche delle acque e dei gas disciolti che ne hanno confermato l’origine profonda (Ciotoli et al., 1998, 2000). Tra l’altro è anche chiaro che questa situazione, mettendo in collegamento diretto l’acquifero con la superficie, rappresenta una potenziale causa di inquinamento dell’acquifero stesso. Un fenomeno esemplare di annegamento, avvenuto in epoca recente, è rappresentato dal sinkhole del Bottegone, in provincia di Grossetto (Caramanna et al., 2004).. 26.

(27) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. Figura 9 e 10 - Immagini del sinkhole del Bottegone immediatamente dopo la sua formazione e a distanza di 4 anni, a fenomeno di annegamento compiuto (da Caramanna et al., 2004).. In questo caso, subito dopo la formazione della voragine era ben visibile, da una parte della cavità, un’iniziale presenza d’acqua (indicata dalla freccia nella figura 9), e dopo alcuni mesi il sinkhole si è trasformato in un laghetto (vedi figura 10). 4.2 L’estinzione Un altro fenomeno a cui può essere soggetto un sinkhole dopo un certo numero di anni dalla sua formazione è l’estinzione: la cavità può, con il passare del tempo, prosciugarsi e ricolmarsi fino ad estinguersi. Sono molti i casi di colmamento di sinkhole in Italia; vi sono, ad esempio, alcune segnalazioni di cavità ricolmate nella Piana di S. Vittorino, in provincia di Rieti, e il caso dell’area del Fosso di S. Martino, Capena (Roma), dove erano presenti sei cavità ospitanti laghetti, di cui solamente una è ancora oggi attiva (Nisio et al., 2004). Le cause d’estinzione dei sinkhole sono diverse e ancora da chiarire. Una prima causa che può determinare il colmamento delle cavità è rappresentata dagli apporti detritici di torrenti o alvei, o dal materiale detritico proveniente da versanti vicini. Il franamento delle sponde della cavità può causare il progressivo aumento del diametro della stessa e la diminuzione della profondità, fino al livellamento. 27.

(28) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. progressivo delle pendenze. Con il tempo, inoltre, potrebbero non sussistere più le condizioni per le quali il sinkhole si è generato e venire a mancare, quindi, l’apporto di acque sorgive al fondo e di fluidi gassosi. Il sinkhole tenderebbe quindi a prosciugarsi fino ad estinguersi. Anche un sisma, che può essere spesso la causa di innesco, può determinare la scomparsa di un di sinkhole. E’ evidente che differenti condizioni possano sussistere nello stesso tempo e sovrapporsi. L’attività antropica è tuttavia la causa principale dell’estinzione dei sinkhole, specie in tempi recenti. È infatti. pratica. comune. l’interrimento. delle. voragini. per. non. provocare. il. deprezzamento del terreno e per poter coltivare o edificare. 4.3 La riattivazione I sinkhole estinti sono spesso soggetti ad altri episodi di crollo che possono variarne la forma, il diametro e la profondità rispetto alle condizioni pre-estinzione. La spiegazione dei fenomeni di riattivazione più eclatanti va ricercata nel probabile ripristino, dopo una fase di stasi, delle condizioni che hanno portato alla formazione della voragine iniziale (eventi sismici, attività antropiche, eventi alluvionali etc). In generale le cavità subiscono una naturale evoluzione caratterizzata dal crollo delle pareti, specialmente se queste sono ripide (vedi figura 11).. Figura 11 - Evoluzione, caratterizzata dal crollo delle pareti, di un sinkhole della valle del Cixerri (Sardegna sud-orientale). 28.

(29) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. 4.4 La migrazione Nel caso in cui la riattivazione dei fenomeni non avvenga nella medesima posizione, ma ad una certa distanza, si parla di migrazione del sinkhole. Il fenomeno della migrazione è ancora oggetto di studio così come sono oggetto di studio le sue cause. Esso potrebbe essere spiegato con una variazione dei percorsi di risalita dei fluidi in seguito ad eventi sismici e alla conseguente attività delle principali faglie.. 29.

(30) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. 5. Casistica 5.1 I fenomeni di sinkhole nel mondo I sinkhole sono un fenomeno largamente conosciuto in diverse parti del mondo. E infatti, considerando che circa il 40% delle rocce affioranti sono costituite da carbonati con i relativi fenomeni carsici (vedi figura 12), cui sono da aggiungere le aree evaporitiche, risulta ovvio come i sinkhole siano ben diffusi sul pianeta.. Figura 12 - Principali affioramenti di rocce carbonatiche nel mondo (da Ford and Williams, 1989).. La maggior parte della bibliografia prodotta, tuttavia, è riferita ad una casistica precipuamente statunitense, essendo tali fenomeni presenti in misura molto ampia in estese aree del nord America, ed essendo attivi da lungo tempo importanti gruppi di ricerca che studiano questi fenomeni. La figura 12 mostra l’ampia diffusione dei fenomeni carsici a carico di rocce evaporitiche e di calcari negli Stati Uniti d’America. Le rocce evaporitiche sono presenti in oltre il 40% del territorio e, sebbene in molte aree si trovino a grandi profondità, i fenomeni di dissoluzione che hanno subito hanno determinato la formazione di numerosi sinkhole (Martinez et al., 1998).. 30.

(31) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. Figura 13 - Diffusione delle rocce carbonatiche e evaporitiche negli Stati Uniti d’America (da Davies and Legrand, 1972 modificato).. Gli stati maggiormente interessati dai sinkhole sono la Florida, il Texas, l’Alabama, il Missouri, il Kentucky, il Tennessee, e la Pennsylvania. In particolare in Florida, i sinkhole rappresentano delle frequenti e temute calamità naturali che causano ogni anno ingenti danni economici. Per queste calamità, infatti, è ancora problematico imprevedibilità. predisporre che,. adeguati. nonostante. sistemi i. di. numerosi. protezione studi. a. condotti. causa in. della merito,. contraddistingue questi eventi (Sinclair and Stewart, 1985; Newton, 1987, Wilson and Shock, 1996; Tihansky, 1999).. Figura 14 - Sinkhole avvenuti in Florida tra il 1960 e il 1991 (da Wilson and Shock, 1996).. 31.

(32) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. Figura 15 La figura mostra il sinkhole avvenuto nel 1981 a Winter Park, in Florida.. La Florida merita un’attenzione particolare per la frequenza e la varietà dei suoi sinkhole (vedi figure 14 e 15). Essa rappresenta l’emersione di un’ampia piattaforma carbonatica in cui si ritrovano i tre principali tipi di sinkhole: i dissolution sinkhole, i cover-subsidence sinkhole e i cover collapse sinkhole. Un importante studio condotto da Tihansky (1999) nella parte centro-orientale della penisola, ha messo in evidenza le relazioni tra i diversi tipi di sinkhole, la loro frequenza di accadimento, la natura e lo spessore dei sedimenti di copertura (vedi figura 16). Nel settore nord dell’area studiata, dove il basamento carbonatico è ricoperto da un sottile (da 0 a 10 metri) e permeabile strato di sedimenti, si assiste principalmente alla formazione di dissolution sinkhole. Verso sud la copertura di sedimenti diventa generalmente più spessa e meno permeabile. Dove è compresa tra i 10 e i 60 metri di spessore, i sinkhole, molto numerosi, sono di tipo coversubsidence e cover-collapse. I primi sono prevalenti nelle zone in cui nella copertura detritica è presente della sabbia, mentre i secondi sono assolutamente. 32.

(33) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. più numerosi nei terreni con argilla. La zona più a sud è caratterizzata da una spessa copertura di sedimenti (maggiore di 60 metri) piuttosto coesivi. Qui i sinkhole sono più rari, di dimensioni maggiori rispetto alle altre zone ed esclusivamente riconducibili a fenomeni di collasso.. Figura 16 - Tipo, localizzazione e frequenza dei fenomeni di sinkhole nella Florida centro-orientale (da Tihansky; 1999). Numerosi sono anche i sinkhole avvenuti lungo il Mar Morto (vedi figura 16) e dovuti alla dissoluzione di strati di salgemma associata ad un fenomeno di regressione marina (Abelson et al., 2003; Arkin, Y. and Gilat, A., 2000; Ezersky, M., 2002 e 2003; Ezersky, M., et al., 2005).. 33.

(34) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. Figura 17 - La figura mostra la distribuzione dei sinkhole conosciuti lungo le sponde del Mar Morto.. Anche in Europa molte zone sono soggette a fenomeni di subsidenza. In Spagna diversi sinkhole, che si sono formati per la dissoluzione delle formazioni di gesso che occupano gran parte della penisola iberica, hanno causato ingenti danni ad abitazioni, strade e ferrovie (Pulido-Bosch and Calaforra, 1993; Arauzo and Gutierrez, 1995; Benito et al., 1995; Elorza and Santolalla, 1998). Numerosi casi dovuti alla dissoluzione di rocce evaporitiche e carbonatiche si contano in Ucraina (Andrajchouk and Klimchouk, 1993), in Germania (Biese, 1931; Pfeiffer and Hahn, 1972; Strobel, 1973), in Lituania (Paukstys, 1996), in Inghilterra (Cooper, 1995) e in Francia (Toulemont, 1984). Nel sud del Belgio, in un’ampia zona caratterizzata da un basamento carbonatico, si contano oltre 145 cover collapse sinkhole (Kaufmann and Quinif, 1999). 5.2 I fenomeni di sinkhole in Italia In Italia i fenomeni di sprofondamento catastrofico sono molto diffusi anche se, per quanto fin qui esposto, non tutti i casi censiti possono essere identificati. 34.

(35) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. come sinkhole in senso stretto. Una grande parte degli sprofondamenti avvenuti nel nostro territorio è legata all’attività umana. Appartengono a questa categoria i cedimenti superficiali dovuti al crollo di cavità sotterranee scavate dall’uomo per usi diversi (coltivazioni minerarie, serbatoi, cunicoli, depositi etc.). Un esempio significativo di questo genere di eventi è rappresentato dalla cavità imbutiforme apertasi nel 2003 nell’area mineraria di Acquaresi (figura 18), nella Sardegna sudoccidentale, e dovuta a ripetuti crolli sotterranei, a loro volta causati dai vuoti di coltivazione del giacimento “Marx” (Marini et al., 2004).. Figura 18. Il cerchio giallo indica la. cavità imbutiforme apertasi nell’area mineraria di Acquaresi.. Uno studio sui fenomeni di sprofondamento condotto dal Dipartimento della Protezione Civile (Corazza, 2004) ha evidenziato come ben il 75% dei casi segnalati sia dovuto a cause antropiche. È questo il caso di molti crolli avvenuti in questi anni a Roma e Napoli. In queste città, come in altre in Italia, data la notevole presenza di reti caveali scavate dall'uomo (la cui esistenza è stata spesso dimenticata a causa di una urbanizzazione disordinata) e data l'elevata concentrazione di elementi vulnerabili, il livello del rischio è molto elevato (Lanzini, 1995). Le cause naturali dei dissesti riscontrate con il censimento sono le seguenti:. 35.

(36) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. - crolli provocati da cavità carsiche, che non mostrano concentrazioni significative ma si distribuiscono su tutto il territorio nazionale; - crolli provocati da grotte laviche, che sono presenti solo alle pendici dell’Etna, in provincia di Catania; - crolli provocati da grotte esposte lungo falesie marine, che sono concentrati nelle province di Bari e di Foggia e sono solo sporadicamente presenti in quelle di Catania, Palermo e Sassari; - fenomeni di dissoluzione con creazione di vuoti, in particolare nelle formazioni evaporitiche o contenenti gessi, che sono particolarmente diffusi in Friuli Venezia Giulia, Sicilia e Puglia; - fenomeni che determinano la formazioni di voragini, con diametri e profondità variabili, nelle pianure alluvionali e costiere e nelle conche intermontane per effetto della dissoluzione di un substrato costituito da rocce carbonatiche o solubili, ricoperto da depositi continentali a granulometria variabile. La Tabella 1 riassume i risultati del censimento dei fenomeni di sprofondamento in Italia condotto dal Dipartimento della Protezione Civile. Instabilità/crolli di cavità antropiche. 771. dissoluzione di rocce solubili superficiali. 51. piping nei terreni di copertura del substrato roccioso. 44. Altro. 42. crolli di cavità nel substrato roccioso con risentimento in superficie nei terreni di copertura. 26. Instabilità/crolli di grotte carsiche. 25. cause non conosciute. 18. Instabilità/crolli di grotte in falesia. 11. dissoluzione di intercalazioni solubili nei terreni di copertura del substrato roccioso. 11. Instabilità/crolli di grotte laviche. 10. Tabella 1 - Censimento dei fenomeni di sprofondamento in Italia (da Corazza, 2004).. Se si considerano solo i fenomeni di sinkhole in senso stretto, da un attento studio bibliografico emerge come essi interessino prevalentemente le regioni Lazio, Toscana e il confine Lazio-Campania e, in misura minore, alcune aree interne. 36.

(37) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. dell’Appennino. Nel Lazio i fenomeni di sprofondamento naturale sono ben noti e studiati da alcuni decenni. Essi si manifestano in alcune aree di piana alluvionale in cui il substrato carbonatico appartenente al dominio laziale-abruzzese e/o umbromarchigiano è ribassato da faglie di importanza regionale che favoriscono una circolazione di fluidi mineralizzati, talora termali e/o contenenti gas disciolti di una certa aggressività relativamente al processo di dissoluzione carsica. Numerosi sinkhole sono stati riconosciuti e studiati in diverse aree della regione (vedi figura 18).. Figura 19 - Aree con sinkhole accertati nella. Regione. Lazio. (da. Colombi. and. Nolasco, 2004).. Per fornire un metro di misura della rilevanza del fenomeno, di seguito si riportano le zone indiziate più significative distinte per provincia.. Provincia Latina. Comuni Cisterna di Latina, Norma, Latina, Sermoneta, Sezze, Priverno, Pontinia e Sonnino. Zona interessata fascia della Piana Pontina ai piedi dei Monti Lepini. Roma. Tivoli, Guidonia, Arcinazzo Romano. Pianura delle Acque Albule nei comuni di Tivoli e Guidonia, località Altipiani di Arcinazzo. Frosinone. Trevi, Piglio. Località Altipiani di Arcinazzo. Rieti. Castel Sant’Angelo e Cittaducale. Piana S. Vittorino. Tabella 2 - Zone indiziate per la presenza di sinkhole nelle province del Lazio (Fonte: Regione Lazio, 2002).. 37.

(38) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. L’area della Piana di San Vittorino, vicino Rieti, è probabilmente l’area del Lazio con la maggiore presenza di sinkhole, e anche quella che presenta i rischi maggiori per le attività antropiche concentrate. In questa zona sono presenti una strada a grande traffico (la SS 4 Salaria), una ferrovia (la Terni-Aquila), un fiume in alveo pensile (il Velino), delle importanti sorgenti (Peschiera), centri abitati, piccole industrie e un metanodotto. In Toscana il fenomeno dei sinkhole si è recentemente imposto all’attenzione per due importanti fenomeni di sprofondamento: uno avvenuto nel 1995 nel centro abitato di Camaiore, con 30 metri di diametro e 11 di profondità, e l’altro avvenuto nel 1999 in località Bottegone, con 153 metri di diametro medio e 17 di profondità. Sebbene la frequenza e il numero delle voragini siano sensibilmente minori rispetto al Lazio, gli effetti sono stati sicuramente più devastanti. La voragine di Camaiore (Lucca). distrusse. completamente. una. palazzina. di. tre. piani. e. danneggiò. irrimediabilmente altri edifici che crollarono nei giorni successivi. Fortunatamente i fenomeni di subsidenza precedenti il collasso consentirono all’Amministrazione Comunale di dichiarare lo stato di allerta e di predisporre un piano di evacuazione. Nella regione sono inoltre riconducibili a fenomeni di sinkhole anche il lago di San Antonio o lago Chiaro nel comune di Poggibonsi (Siena), il lago dell’Accessa nel comune di Massa Marittima (Grossetto) e il lago di San Floriano nel comune di Capalbio (Grossetto). Altri casi sono presenti in Liguria e in Sicilia. In quest’ultima il contesto geologico al contorno appare differente dalle altre regioni, le litologie interessate sono prevalentemente coperture permeabili al tetto di successioni evaporitiche. La fascia periadriatica non sembra invece interessata da sinkhole, se si escludono alcuni eventi segnalati in Puglia. Anche la Sardegna è soggetta ai fenomeni di sinkhole; come verrà dettagliatamente descritto nel terzo capitolo del presente. 38.

(39) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. lavoro, negli ultimi 10 anni diversi casi di rapida subsidenza sono stati osservati nella parte occidentale della provincia di Cagliari.. Figura 20 - Ubicazione delle aree soggette a sprofondamenti naturali segnalati come sinkhole (fonte APAT).. La situazione geologico-strutturale, geomorfologica ed idrogeologica nelle aree interessate dai fenomeni di sinkhole in Italia presenta caratteristiche ricorrenti; in particolare i fenomeni più peculiari si manifestano in piane alluvionali di origine tettonica comprese tra dorsali carbonatiche, con potenti spessori di depositi continentali, con abbondante circolazione idrica connessa a imponenti acquiferi all’interno delle dorsali e sovrapposizione di falde di diversa natura (confinate e/o libere) con presenza di lineamenti tettonici di importanza regionale (strutture sismogenetiche attive) e risalita di fluidi termo-mineralizzati (Cambobasso et al., 2004, Nisio et al., 2004, Nisio and Salvati, 2004).. 39.

(40) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. L’Agenzia per la protezione dell’ambiente e per i servizi tecnici (APAT) ha svolto negli ultimi anni un’intensa attività di studio e ricerca sui fenomeni di sinkhole avvenuti in Italia. Vengono di seguito mostrati i risultati di questo studio relativamente alle caratteristiche geometriche (diametro, profondità, altezza della copertura di sedimenti) dei sinkhole censiti, alle caratteristiche litologiche dei sedimenti e ai possibili eventi innescanti.. 10%. 4% 1m < D < 10 m. 25%. 11m < D < 30 m. 6%. 31m < D < 50 m 51m < D < 100 m 101m < D < 150 m D > 150 m. 14%. Non disponibile. 21% 20%. Figura 21 - Distribuzione dei diametri dei sinkhole avvenuti in Italia (fonte APAT).. 14% 1m <p<5m. 14%. 6 m < p < 10 m 11 m < p < 15 m 16 m < p < 20 m p> 20 m. 58% 9%. Non disponibile. 1% 4%. Figura 22 - Distribuzione delle profondità dei sinkhole avvenuti in Italia (fonte APAT).. 40.

(41) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. 17%. 9% 4% sedimenti vulcanici alluvioni fini. 24%. alluvioni miste alluvioni miste e travertini sedimenti marini. 46%. Figura 23 - Tipologia dei sedimenti di copertura dei sinkhole avvenuti in Italia (fonte APAT).. 16% 25% 7%. h < 50 m 50 m < h < 100 m h > 100 m Non disponibile. 52%. Figura 24 - Profondità del substrato nei sinkhole avvenuti in Italia (fonte APAT).. 41.

(42) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. 16% 1% 1%. Eventi sismici Cause antropiche Alternanza periodi secchi e piovosi Cause sconosciute. 82%. Figura 25 - Cause innescanti la formazione dei sinkhole avvenuti in Italia (fonte APAT).. Le misure effettuate in campagna ed i dati raccolti dalla letteratura nell’ambito di questo studio condotto dall’APAT, hanno messo in evidenza come il diametro delle cavità (da pochi metri a più di 200 m) e la profondità (da qualche metro a 50 m) varino in un ampio intervallo di valori. Si può notare, però, come i valori più frequenti siano relativi a piccole cavità con scarsa profondità, generalmente colmate d’acqua. Le litologie dei sedimenti di copertura, nella maggior parte dei casi, sono costituiti da depositi alluvionali con granulometrie varie, molto spesso con intercalazioni di lenti di travertino. La profondità del substrato carbonatico risulta frequentemente molto elevata (superiore ai 100 m). Attraverso questo studio, inoltre, è stata individuata una serie di cause innescanti legate alla formazione dei sinkhole, quali sismi, eventi alluvionali e attività antropiche. Le verifiche effettuate hanno permesso di individuare per una buona percentuale dei casi analizzati (16%) una corrispondenza tra la data di formazione dello sprofondamento ed un evento sismico, anche di scarsa magnitudo, avvenuto qualche giorno prima. È importante notare, però, come nella grande. 42.

(43) Capitolo 1. I fenomeni di sinkhole. maggioranza dei casi studiati (82%) non sia stato possibile individuare alcuna causa innescante direttamente associabile al fenomeno di subsidenza.. 43.

(44) Capitolo 2 Lo studio dei sinkhole. 1. Le indagini per lo studio dei sinkhole Come visto, i sinkhole sono fenomeni complessi di cui non sono ancora del tutto chiari i meccanismi genetici e che presentano delle specifiche caratteristiche a seconda delle condizioni ambientali e dei fattori innescanti che concorrono alla loro formazione. Come dimostrato dalle numerose ricerche compiute in differenti aree colpite. da. sinkhole,. un. loro. corretto. studio. deve. prevedere. un’analisi. multidisciplinare, basata sul confronto e sull’integrazione dei risultati ottenuti mediante diverse metodologie d’indagine che siano in grado di fornire informazioni di tipo geologico, idrogeologico e geochimico. Nel capitolo precedente è stato descritto come i sinkhole siano dovuti a fenomeni di dissoluzione che si verificano in formazioni rocciose altamente solubili (calcari, dolomie, marmi, gessi ed altre evaporiti) caratterizzate da un’abbondante circolazione d’acqua. I casi finora studiati mostrano molte caratteristiche comuni, quali la presenza di acquiferi confinati, la presenza di un substrato solubile sormontato da depositi incoerenti e di un sistema di faglie e/o fratture che rappresentano delle vie preferenziali per la circolazione di fluidi spesso arricchiti di specie gassose. Nella sezione geologica mostrata nella figura 1 sono raggruppati i classici meccanismi di formazione dei sinkhole. La maggior parte di questi fenomeni si sviluppa in presenza di un basamento carbonatico sormontato da sedimenti di copertura che, scorrendo all’interno di fratture e vuoti presenti nel basamento,.

(45) Capitolo 2. Lo studio dei sinkhole. possono portare alla formazione di una cavità (A) o determinare una semplice subsidenza (effetto clessidra). Questo processo è il più comune e, come è stato già descritto, risulta favorito da una serie di fattori, il più importante dei quali risulta essere la variazione del livello della falda. Le cavità che possono dare luogo alle voragini visibili in superficie si possono formare anche all’interno della formazione carbonatica (cavità B), specie quando questa è poco profonda, o in strati solubili, più o meno profondi, costituiti da gesso o altre evaporiti (cavità C).. 4 3. C. A. 2. B. 1. Figura 1 – La sezione raffigura schematicamente un tipico contesto geologico a rischio per la formazione dei sinkhole.. Si ha quindi la necessità di utilizzare dei metodi di indagine che chiariscano innanzitutto il contesto geologico-strutturale delle aree in cui i fenomeni si verificano, ovvero metodi in grado di fornire dettagliate informazioni sulle litologie presenti, sulle loro caratteristiche e sui loro rapporti spaziali, e capaci di individuare le principali strutture tettoniche. Sarebbe importante inoltre scoprire la presenza dei vuoti nel sottosuolo prima che questi determinino la formazione delle voragini in superficie. Questo è un obiettivo difficile da ottenere in quanto si dovrebbero eseguire indagini molto dettagliate, e quindi molto costose, in zone spesso molto. 45.

(46) Capitolo 2. Lo studio dei sinkhole. vaste. Poiché, però, in molti casi la formazione dei vuoti è legata a fenomeni di scorrimento dei sedimenti all’interno di fratture e cavità del basamento, può essere conveniente dedicare un primo studio alla ricerca di queste zone di fratturazione, in cui appunto sono favoriti i fenomeni carsici, e quindi concentrare le successive ricerche in questi specifici settori. Inoltre, vista l’importanza fondamentale dell’acqua. nei. meccanismi. genetici. dei. sinkhole,. appare. indispensabile. un. esauriente e sistematico studio idrogeologico che preveda anche un’analisi del chimismo delle acque. La determinazione delle concentrazioni dei gas nel suolo, e in particolare di CO2, He, H2S, Rn e metano, può essere importante in alcuni contesti per chiarire i meccanicismi di formazione dei fenomeni. Queste informazioni possono essere ottenute con delle indagini di tipo diretto ed indiretto. Ovviamente, la prima fase operativa deve prevedere un'analisi dei dati geologici ed idrogeologici ricavati da eventuali indagini precedentemente eseguite nell'area in esame. Questo può consentire di costruire, seppure a livello generale e in modo semplificato, un primo modello concettuale, utile per un approccio preliminare al problema e per un'organizzazione mirata del successivo programma di studi particolari dei siti. A questa fase preliminare dovrebbe fare seguito quella delle prospezioni dirette ed indirette. Le prime prevedono la progettazione e l’esecuzione di sondaggi geognostici che forniscano informazioni con alto grado di dettaglio ma di tipo puntuale. Come noto, i sondaggi meccanici, se correttamente eseguiti, consentono una precisa ricostruzione della stratigrafia, il prelievo di campioni per la determinazione dei parametri fisici e meccanici tramite prove di laboratorio, l’esecuzione di rilievi e misure sulle acque sotterranee e la stima, mediante specifiche prove in situ, delle proprietà meccaniche dei terreni. L’elevato costo di questo tipo di indagini limita però le profondità delle perforazioni e il loro numero, rendendo di fatto impossibile. 46.

(47) Capitolo 2. Lo studio dei sinkhole. caratterizzare ampie zone con il solo loro impiego. A titolo d’esempio, se immaginiamo di ricercare una cavità nel sottosuolo in un’area estesa 10 volte l’area del bersaglio, serviranno 10 sondaggi disposti secondo una griglia regolare per avere il 90% di probabilità di individuare la cavità. Per bersagli più piccoli o aree più grandi il numero di sondaggi necessari aumenta in maniera considerevole come mostrato nella figura 2.. Area da indagare. Area della cavità. Probabilità 100 98 90 75 50 40. A/Ab=10 16 13 10 8 5 4. A/Ab=100 160 130 100 80 50 40. A/Ab=1000 1600 1300 1000 800 500 400. Figura 2 - Numero di sondaggi necessari per avere una certa probabilità di individuare il bersaglio. A = Area da indagare; Ab = Area del bersaglio. Le indagini di tipo indiretto, oltre ad essere significativamente meno costose, possono anch’esse fornire informazioni con un elevato grado di dettaglio, in una forma non più puntuale ma estesa e, come risultato minimo, gli elementi necessari per una razionale programmazione delle indagini di tipo diretto, consentendo così un notevole risparmio. Appartengono a questo tipo di indagini le prospezioni di tipo geofisico. Questi metodi, nati per l’esplorazione mineraria e petrolifera, trovano oggi vasto impiego in numerosi campi, fra cui quelli ingegneristico, geologico, geotecnico e idrogeologico e ambientale in genere.. 47.

(48) Capitolo 2. Lo studio dei sinkhole. Accanto alle indagini dette, un ruolo fondamentale nello studio dei fenomeni di sinkhole è rivestito dalle operazioni del monitoraggio. I sinkhole sono molto spesso preceduti da fenomeni di subsidenza, più o meno marcati, che possono essere individuati con adeguati sistemi di osservazione. L’acquisizione, in tempo reale, di misure delle deformazioni della superficie del suolo può consentire l’attivazione di procedure. di. salvaguardia. e. allarme. non. appena. le. soglie. di. tolleranza,. opportunamente stabilite, vengono superate. L’importanza di sistemi di controllo che consentano di seguire fenomeni quali l’evoluzione e la migrazione dei sinkhole descritti nel precedente capitolo è chiara ed evidente.. 2. La geofisica applicata allo studio dei sinkhole Come accennato, i metodi geofisici vengono impiegati per localizzare e caratterizzare. i. corpi. geologici. sotterranei. mediante. misure,. generalmente. effettuate in superficie, di alcuni parametri fisici propri dei materiali che li costituiscono. La stima di importanti proprietà fisiche delle rocce quali la densità, la suscettività magnetica, la resistività elettrica e le caratteristiche elastiche, consente a sua volta, attraverso opportune elaborazioni, di stimare sia i limiti geometrici, sia le caratteristiche geolitologiche dei corpi sepolti. In altri termini, uno studio geofisico misura le variazioni nello spazio di proprietà fisiche delle rocce e quindi, in sede d’interpretazione, le mette in relazione con le variazioni della loro natura geologica e strutturale in senso lato; individua cioè delle discontinuità o delle modificazioni più o meno continue. A seconda del parametro studiato si distinguono diversi metodi geofisici; così, per esempio, le misure della resistività elettrica e dei fenomeni capacitivi danno luogo alle prospezioni elettriche; quelle che forniscono stime delle variazioni di densità alle prospezioni gravimetriche; quelle di suscettività alle prospezioni. 48.

(49) Capitolo 2. Lo studio dei sinkhole. magnetiche; quelle delle caratteristiche di propagazione delle onde elastiche alle indagini sismiche e così via. Mentre alcuni metodi geofisici utilizzano campi di forze naturali, come quello gravitazionale (metodo gravimetrico) o quello magnetico (metodo magnetico), o ancora i potenziali elettrici naturali che si generano nel terreno per cause diverse (metodo dei potenziali spontanei), altri necessitano dell’immissione di una appropriata forma di energia nel terreno da studiare. Per esempio nei metodi elettrici, dovendosi misurare la resistività delle rocce, si dovrà immettere nel terreno una corrente elettrica, mentre per quanto riguarda i metodi sismici, poiché si vogliono stimare le caratteristiche elastiche delle rocce, si dovrà immettere nel terreno energia che si propaghi in forma di onda elastica. La scelta del metodo da utilizzare dipende da diversi fattori. Principalmente è governata dallo scopo della prospezione e dalla natura presunta degli obiettivi, ovvero dai contrasti tra le proprietà fisiche che caratterizzano il sottosuolo e che possono evidenziare, con anomalie più o meno marcate, le strutture presenti. Risulta quindi fondamentale, per la scelta corretta del metodo d’indagine, la conoscenza preliminare, quantunque qualitativa, dello specifico contesto geologico dell’area da indagare. Sono altresì importanti, e spesso determinanti, anche i fattori economici e logistici. Generalmente, i migliori risultati si ottengono con l’impiego di più metodi, per esempio iniziando lo studio con un metodo che fornisca informazioni per un inquadramento generale ma con costi relativamente bassi, per poi proseguire nel dettaglio con l’impiego combinato di altri metodi geofisici e infine, eventualmente, con l’esecuzione di sondaggi meccanici nella quantità strettamente indispensabile. Purtroppo, come si evince dall’analisi dei numerosissimi studi condotti in aree soggette a fenomeni di sinkhole, nella maggior parte dei casi si segue una. 49.

(50) Capitolo 2. Lo studio dei sinkhole. procedura parziale: si inizia in genere con lo studio, talvolta anche geofisico, della o delle situazioni locali ed eventualmente, ma non sempre, si estende la ricerca ad un’area più vasta. Questo evidentemente avviene perchè le indagini si effettuano solo dopo che i sinkhole si sono verificati. La conseguenza è che il solo studio della situazione locale, ad evento già accaduto, non fornisce le informazioni necessarie per determinare, oltre la situazione in un intorno relativamente ristretto, i fattori predisponenti e le modalità d’innesco del fenomeno. E in queste condizioni i risultati delle indagini finiscono spesso per essere quasi del tutto privi di significato in senso di previsione e quindi di protezione civile e pianificazione dell’uso del territorio. L’analisi storica degli eventi accaduti in Italia e nel resto del mondo mostra chiaramente che i fenomeni in questione si sviluppano in particolari situazioni ambientali. La sola presenza di questi ambienti predisponenti dovrebbe quindi indurre a compiere indagini appropriate per capire se sussistano o meno le condizioni necessarie per lo sviluppo dei sinkhole, e in questa prima fase conoscitiva le. indagini. di. tipo. geofisico. rappresentano. indubbiamente. uno. strumento. insostituibile. Vi è una discreta varietà di metodi geofisici in grado di fornire informazioni circa l’assetto geologico e strutturale delle aree studiate, e soprattutto in grado di fornire forti indicazioni per caratterizzare a priori le zone ad elevato rischio.. 3. Le principali tecniche geofisiche utilizzate nello studio dei sinkhole 3.1 Premessa I metodi geofisici sono numerosi e articolati: ciò non rende possibile - né opportuna - una loro esauriente trattazione nell’ambito di questa tesi. Per la descrizione dei principi teorici dei vari metodi e per gli approfondimenti si rimanda. 50.