La maggior parte delle grotte presenti in territorio italiano vengono definite “grotte carsiche”. All’origine del termine del processo “carsico” sta il nome del territorio, che comprende parte del Nord-Est italiano: il “Carso”, dove il processo è particolarmente ben rappresentato, tanto nella formazione delle grotte, qui particolarmente numerose, quanto nella creazione di caratteristici paesaggi superficiali. 

Con “carsismo” vengono indicati sostanzialmente i processi di dissoluzione e corrosione (ovvero di scioglimento) della roccia da parte di un agente chimico aggressivo. Il caso più semplice da immaginare è quello dell’acqua piovana che, resa acida dall’anidride carbonica prelevata ad esempio attraversando il suolo, penetra nella roccia sciogliendola e creando in tal modo dei vuoti.
In natura, i minerali più solubili sono,in ordine decrescente di solubilità:
  • Halite (NaCl): 360.000 mg/l
  • Gesso (CaSO4 2H2O): 2.400 mg/l
  • Calcite (CaCO3): 60 mg/l
  • Dolomite (CaMg(CO3)2 ): 50 mg/l
Per una temperatura T=25°C e una pressione parziale dell’anidride carbonica PCO2=0,001 bar.
Sul territorio italiano le rocce costituite da calcite sono molto più diffuse rispetto a quelle formate da minerali più solubili come il gesso o l’halite e possono essere sia sedimentarie (formate cioè dall’accumulo di materiale calcareo) sia metamorfiche (ovvero rocce sedimentarie calcaree sottoposte a condizioni di alta temperatura e pressione: i marmi). Una successione di strati calcarei formatisi in seguito all’accumulo in milioni di anni di gusci di microrganismi su di un fondale marino profondoDi seguito viene riportata la reazione diUna successione di strati gessosi a destra, depostisi sul fondale marino di un bacino in via di prosciugamento. dissoluzione della calcite in una soluzione acquosa arricchita di CO2:
CaCO3+CO2+H2O ↔ Ca2++2HCO3¯ Ma molte sono le variabili che entrano in gioco nel processo di dissoluzione degli ammassi rocciosi carbonatici (riferibili per la maggiorparte anche alla dissoluzione di halite, gesso e dolomite), vediamone i principali.

L’ammasso roccioso
LITOLOGIA (ovvero composizione mineralogica di una roccia). In natura è difficile trovare una roccia carbonatica costituita per il 100% da calcite. Generalmente, in associazione al carbonato di calcio si trovano altri minerali, meno solubili, che accumulandosi possono arrivare anche ad occludere i vuoti creati dalla dissoluzione del calcare.
STRUTTURA DELLA ROCCIA E POROSITA’. Una soluzione aggressiva deve poter circolare nEsiste un legame molto forte tra carsismo e struttura della roccia. Nell’esempio della foto la dissoluzione di queste porzioni carbonatiche si è attuata preferenzialmente in corrispondenza dei giunti di strato e sulla faglia che si vede al centro. L’esempio riguarda una piccola porzione rocciosa ma lo stesso principio può essere esteso ai grandi complessi sotterranei il cui andamento ricalca il più delle volte quello delle discontinuità geologiche.ell’ammasso roccioso affinché possa attuarsi un processo come quello carsico. Devono quindi essere presenti dei vuoti che possono essere quelli tra gli strati, o in una frattura, i pori tra i granuli della roccia ecc.
Affinché il processo carsico possa avvenire è inoltre importante che un ammasso roccioso non sia per così dire “sigillato” da masse impermeabili che ne impediscano il raggiungimento da parte delle soluzioni aggressive.

Il chimismo delle acque
SATURAZIONE: man mano che una soluzione acquosa acida dissolve il carbonato di calcio (calcite) diventa sempre più ricca di Ca2+ + 2HCO3¯ e diminuisce il suo potere corrosivo fino a perderlo del tutto quando raggiunge la saturazione. Tuttavia, può accadere che due soluzioni acquose in circolo nell’ammasso roccioso, anche se sature, ma con caratteristiche fisiche diverse (ad esempio di temperatura e di pressione), si vengano a miscelare riconquistando aggressività (effetto Bögli).
ACIDI INORGANICI: ad esempio l’HCl (acido cloridrico) e l’H2S (acido solfidrico).
Sono sostanze che danno origine a fenomeni carsici particolari. Si può citare ad esempio l’H2S, riconosciuto come il principale responsabile della speleogenesi dei complessi carsici di Frasassi (AN), piuttosto famosi per la loro spettacolarità. L’acidità che esso conferisce ad una soluzione acquosa, molto più grande di quella data dalla CO2, produce un meccanismo carsico molto potente. Per questo motivo si parla in questi casi di “ipercarsismo”. Il fenomeno viene anche definito “carsismo ipogenetico” ovvero un carsismo proveniente dal basso, dal momento che le acque ricche di acido solfidrico provengono da zone profonde in risalita lungo particolari strutture geologiche; l’azione carsica si esplica in tal modo dal basso verso l’alto. Il “carsismo ipogenetico” si contrappone invece al “carsismo epigenetico ” che corrisponde al modello classico precedentemente descritto di dissoluzione della roccia per percolazione e circolo dell’acqua dalla superficie verso l’interno dell’ammasso roccioso.
Di seguito vengono riportate le reazioni chimiche del fenomeno ipercarsico da acido solfidrico.
H2S + 2O2 ↔ 2S+ 2 H2O ↔2S+ 2 H2O + 3O2 ↔ 2HSO4- + 2H+
CaCO3 + H2SO4 ↔ CaSO4 + H2O + CO2
L’ H2S inoltre, liberato nell’atmosfera sotterranea può attaccare direttamente il calcare.
Va fatto notare che tra i prodotti di queste reazioni vi sia in primo luogo la CO2, che favorisce il processo carsico e il gesso che si accumula come deposito lungo le pareti o sul pavimento delle grotte.
Esempi di “cupole” alle diverse scale, prodotte a soffitto da processi di ipercarsismo da H2S – il diametro maggiore della grande cupola ellissoidale che si vede al centro nell’immagine di  sinistra misura circa 1,5 m. Grotta di Buco Cattivo- Frasassi AN.Esempi di “cupole” alle diverse scale, prodotte a soffitto da processi di ipercarsismo da H2S – il diametro maggiore della grande cupola ellissoidale che si vede al centro nell’immagine di  sinistra misura circa 1,5 m. Grotta di Buco Cattivo- Frasassi AN.Come verrà spiegato più avanti in questo meccanismo entra in gioco anche l’azione biologica che funge da catalizzatore per le reazioni viste sopra.

OSSIDAZIONE DEI METALLI E DEI MINERALI CARBONATICI. L’ossidazione dei metalli come il Mn2+ e dei minerali carbonatici come il FeCO3 rende acida una soluzione acquosa.
IONI COMUNI. Tra i prodotti della dissoluzione della calcite e del gesso da parte di soluzioni acquose aggressive vi è lo ione Ca2+. La miscelazione di due soluzioni provenienti dalla dissoluzione di sostanze diverse ma aventi uno ione comune di dissoluzione, come nel caso del gesso e della calcite, inibisce il potere corrosivo della nuova soluzione.
EFFETTO DELLA FORZA IONICA. L’introduzione in un’acqua bicarbonatica di ioni come Na+, K+ e Cl- aumenta il potere aggressivo di una soluzione. Questo fenomeno è diffuso ad esempio nelle aree carsiche costiere dove l’acqua bicarbonatica proveniente dalla terra ferma si miscela con acqua salata o salmastra. E’ questo uno dei meccanismi principali di formazione delle grotte marine.
EFFETTO DELL’ACCOPPIAMENTO IONICO. La forza ionica degli anioni e dei cationi presenti nell’acqua causa l’accoppiamento di una certa quantità di questi ioni, mentre altri rimangono “liberi” nella soluzione. Ioni accoppiati causano un abbassamento dell’attività degli ioni ed un aumento della solubilità.
EFFETTO DEGLI ELEMENTI IN TRACCE: La presenza di piccole quantità di alcuni metalli abbassa notevolmente la solubilità del carbonato di calcio.

I fattori fisici delle acque e ambientali
TEMPERATURA: influisce innanzitutto sulla capacità dell’acqua di arricchirsi di CO2 e sulla velocità delle reazioni. Con l’aumentare della temperatura diminuisce infatti la quantità di CO2 che può disciogliersi in acqua ma aumenta la velocità delle reazioni di dissoluzione. Va inoltre detto che le oscillazioni della T ambientale portano a fenomeni di evaporazione e condensazione producendo nel primo caso una precipitazione del carbonato di calcio, nell’altra un’azione corrosiva.
PRESSIONE: influisce anch’essa sulla solubilità della CO2 in acqua. Maggiore è la pressione parziale del gas e più una soluzione riesce ad arricchirsene.

Il suolo e l’attività biologica
L’attività organica in un suolo per la presenza ad esempio di radici di piante o di organismi decompositori porta alla formazione di notevoli quantità di CO2 la quale, come visto in precedenza, è responsabile dell’acidificazione dell’acqua (piovana, di fusione di neve o ghiaccio). La CO2 che si forma nel suolo può arrivare in profondità disciolta in acqua oppure direttamente, dal momento che, essendo un gas pesante, tende ad accumularsi nelle porzioni basse di un ambiente; scende quindi verso il basso lungo il reticolo di vuoti presenti nella roccia e, miscelandosi all’acqua in profondità, può dare origine alla dissoluzione del carbonato di calcio.
Una parte importante dell’aggressività di una soluzione acquosa resa tale dalla CO2 prodotta dall’attività biologica di un suolo, viene spesa nella corrosione delle porzioni rocciose più superficiali che talora sono parte integrante del suolo. E’ questo il caso mostrato in figura dove una successione di strati carbonatici sono stati ridotti a pire di blocchetti arrotondati. L’influenza dell’attività biologica sul carsismo Esempio di “pelli di leopardo” su di una parete della Grotta del Fiume (Frasassi, AN)- Sono composte prevalentemente da materiale argilloso, gesso e solfobatteri. Questi ultimi svolgono un ruolo di prim’ordine nell’attuazione di un potente meccanismo di dissoluzione della roccia all’interno della grotta.non è solo quella legata ai processi che avvengono nel suolo. In Italia e nel mondo sono stati infatti scoperte situazioni in cui specifiche porzioni di grotta sono popolate da batteri in grado di favorire le reazioni carsiche. Se ne è accennato sopra parlando di ipercarsismo da acido solfidrico.

Il clima

Influenza alcune delle variabili appena viste come le caratteristiche del suolo, le quali dipendono a loro volta dalla presenza di vegetazione, quest’ultima strettamente correlata con le condizioni climatiche. Influenza la temperatura dell’acqua e dell’ambiente, le condizioni di umidità. Influenza inoltre la presenza e quantità di acqua che funge generalmente da solvente per le soluzioni acide che corrodono la roccia.
Se confrontiamo le regioni carsiche tropicali e subtropicali con quelle alle latitudini delle regioni dell’Italia settentrionale, riscontriamo che nelle prime il tasso di denudamento carsico, ovvero lo spessore medio di roccia asportata per dissoluzione, può raggiungere i 100 mm in 1000 anni, mentre alle latitudini delle regioni settentrionali italiane è di solo la metà. Nelle regioni tropicali e subtropicali a favorire i processi carsici sono soprattutto l’abbondanza di precipitazioni liquide e l’intensa attività biologica, pensiamo ad esempio alle rigogliose foreste tropicali. Inoltre, le temperature elevate accelerano le reazioni di dissoluzione del carbonato di calcio.
La presentazione appena fatta sulle variabili che influenzano il carsismo, non è sicuramente esaustiva sul problema, ma ci deve far capire come il processo carsico sia un meccanismo naturale piuttosto complesso. Non va dimenticato inoltre, che su di esso, nella parte più recente della storia della Terra, e tutt’oggi, sta giocando un ruolo importante l’azione dell’uomo che agisce su molte delle variabili appena prese in considerazione, come il clima (aumento della CO2), l’uso del suolo (disboscamento), il chimismo delle acque (inquinamento delle acque di falda) , la struttura della roccia e del rilievo (costruzione di gallerie, cave, opere di drenaggio superficiali strutture belliche, ecc..) e, anche se di una portata certamente più contenuta, ciò che viene definito “speleoturismo”, ovvero la frequentazione turistica delle grotte.