Il carsismo

Il processo di scoglimento della calcite e dolomite in acqua con CO2 (che prende il nome di corrosione) è il seguente:

CALCITE CaCO3 + CO2 + H2O = (Ca2+) + (2HCO3-)

DOLOMITE CaMg(CO3)2 + 2CO2 + 2H2O = (Ca2+) + (Mg2+) + (4HCO3 2-)

In presenza di CO2 la solubilità della calcite è di circa 100 mg/l (alla temperatura di 25° ed una pressione parziale di CO2 di 10-3 bar), di poco inferiore è la solubilità della dolomite che è di 90 mg/l, alle stesse condizioni. Quello che li differenzia è la velocità con cui questo processo ha luogo che è nettamente inferiore per la dolomite.
Senza entrare nei dettagli 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 2.3X10exp-4; nei suoli invece, a causa delle attività biologiche, si riscontrano tenori di CO2 piuttosto elevati (fino al 10%) e le acque attraversandoli, possono arricchirsi sino a livelli di qualche punto percentuale (una concentrazione così alta permette di scogliere mezzo grammo di calcare per litro). Accanto uno schema con le maggiori strutture carsiche.

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 questo 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 questo effetto. Nella pratica le acque di provenienza meteorica, arricchite di CO2, hanno poteri corrosivi non molto diversi sia in climi freddi che in climi caldi, tanto che il contenuto in carbonati (quello discolto e trasportato dalle acque in soluzione) delle sorgenti carsiche è sostanzialmente analogo sia all'equatore che alle alte latitudini. Il maggior sviluppo dei fenomeni carsici che si riscontra nei paesi tropicali è dunque dovuto alla maggiore quantità di precipitazioni, non tanto 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 da emanazioni vulcaniche (come l'acido solfidrico H2S), ma il principale rimane quello carbonico.
Accanto il grafico di saturazione del carbonato di calcio a diverse temperature; notare che il punto C sta al di sotto della curva di saturazione. Sotto la precipitazione del carbonato di calcio di una stalattite.

All'origine quindi dei fenomeni carsici vi è la circolazione dell'acqua nel sottosuolo. Uno dei maggiori problemi che in passato assillava i ricercatori, che studiavano la chimica dei processi carsici, era quello di spiegare l'esistenza di condotti carsici a grande profondità anche molto lontano dalle zone di ingresso delle acque circolanti.
Il processo di scoglimento del calcare in acqua è infatti piuttosto rapido e quindi l'acqua dovrebbe raggiungere la saturazione dopo pochi metri di percorso sotterraneo soprattutto per le acque che si muovono, con moto lentissimo, nelle fessure dalle dimensioni sub-millimetriche, durante le prime fasi di sviluppo dei fenomeni carsici sotterranei. A dare una risposta a questo interrogativo è stato Boegli che nel 1963 propose il meccanismo della "corrosione per miscelazione". Il processo è molto semplice: due acque, contenenti quantità diverse di calcare in soluzione, quando si mescolano tra loro acquistano una percentuale in calcare sempre minore della soglia di precipitazione. Comunque questa non è la sola spiegazione per questi fenomeni che talvolta sono di dimensioni enormi; ve ne sono altre come il fatto che la presenza di altre specie chimiche nell'acqua aumenti la solubilità del carbonato di calcio (per un aumento di forza ionica). È ormai opinione comune comunque che le situazioni in cui si ha il massimo sviluppo di forme carsiche siano quelle in cui vengano in contatto acque con un diverso chimismo (cioè degli elementi chimici che sono sciolti in esse). Nello schema accanto i quattro tipi principali di dolina: 1 di soluzione, 2 di crollo, 3 di subsidenza, e 4 cockpit.

Un'altra forma molto comune è la gola carsica: una profonda incisione con fianchi ripidi, dovuta al fatto che l'azione erosiva viene compiuta principalmente sul fondo.
Nel sottosuolo invece si formano una serie di cunicoli, grotte, gallerie (a volte di notevoli dimensioni, ne è stata misurata una galleria di 32 metri di diametro), e pozzi che in parte si uniscono a formare una ragnatela tridimensionale, ma in genere si allargano di più quelle che seguono la massima pendenza del versante in cui il movimento, la velocità e la quantità di acqua che vi transita è maggiore. Questi sistemi carsici sotterranei possono raggiungere uno sviluppo di centinaia di chilometri, come il complesso della Mammoth Cave negli Stati Uniti che supera i 250 Km, tra gli abissi più profondi vi è quello di Pierre St. Martin, nei Pirenei francesi profondo 1230 metri, tra le grotte vi è quella nelle "grotte di Carlsbad", Stati Uniti, che misura 400 m X 230 m X 200 m, la "grotta Gigante, nelle vicinanze di Trieste, è lunga 200 m, larga 130 metri e alta 136 metri.
All'interno di questi sistemi, in cavità non più attive, può accadere che vi siano occasionali punti in cui il calcare invece di essere sciolto si deposita dando vita a fenomeni come le stalagmiti e stalattiti nelle grotte. Nella cartina accanto le località carsiche e i terreni a questo favorevoli. Nello schema sotto le tipologie di genesi dei polje.

In genere in un massiccio carsico si possono riconoscere tre zone, dall'alto verso il basso, con caratteristiche diverse per quanto riguarda la circolazione delle acque e le forme ed i processi carsici che avvengono. La zona superiore è detta zona vadosa o di percolazione; le cavità presenti sono percorse dall'acqua solo occasionalmente, a seguito delle precipitazioni, e il flusso dell'acqua è prevalentemente verticale. La zona inferiore è chiamata zona freatica e tutte le cavità sono costantemente sature di acqua, il cui flusso è prevalentemente orizzontale; nelle condotte e nelle gallerie l'acqua si muove in pressione e quindi può anche risalire verso livelli più superficiali. La zona intermedia, chiamata zona di transizione , è di fluttuazione, cioè a seconda della quantità di acqua puo essere in condizioni freatiche o vadose. Normalmente un sistema carsico ha uno o più punti di emergenza concentrati in una stessa zona e a quote simili. La quota della inferiore delle sorgenti determina il livello di base idrologico. Al contrario di quanto ci si possa aspettare l'acqua che sgorga da una sorgente carsica in genere è povera di sali a causa dell'alta velocità con cui questa viaggia nel sottosuolo e quindi non ha il tempo sufficiente per portare in soluzione molti sali; ma il passaggio di enormi quantità di acqua può creare paesaggi incredibili.