Come si formano le grotte: carso, lava, mare e ghiaccio
Non tutte le grotte nascono allo stesso modo. Un speleologo che ha trascorso anni nelle grotte calcaree del Somerset sarà disorientato dalla geometria tubiforme di un tubo lavico delle Hawaii, e nessuno dei due avrà le categorie giuste per comprendere il comportamento dei cristalli di gesso nella Lechuguilla. Le grotte si formano attraverso almeno quattro meccanismi fondamentalmente diversi, ognuno con la propria chimica, la propria morfologia e le proprie scale temporali. Capire questi meccanismi è il punto di partenza per leggere qualsiasi grotta.
Carso: dissoluzione del carbonato di calcio
Il meccanismo più comune di formazione delle grotte è la dissoluzione del carbonato di calcio da parte dell'acido carbonico. La sequenza chimica è:
CO2 (atmosfera) + H2O → H2CO3 (acido carbonico) H2CO3 + CaCO3 (calcare) → Ca(HCO3)2 (bicarbonato di calcio, solubile)
L'acqua piovana assorbe CO2 nell'atmosfera e nel suolo (dove le radici delle piante ne producono quantità elevate) formando una soluzione debolmente acida. Questa soluzione penetra nelle fratture del calcare e dissolve progressivamente la roccia, allargando le fratture in gallerie, poi in grandi camere.
Il processo si divide in due fasi: la fase freatrica (quando le gallerie sono completamente sature d'acqua, sotto la falda acquifera) crea sezioni a profilo ellittico o circolare; la fase vadosa (quando l'acqua scorre come un fiume sopra la falda) crea sezioni a profilo di canyon, con incisione verticale. Molte grotte mostrano entrambi i tipi di gallerie sovrapposte, che registrano la storia del sollevamento tettonico o dell'abbassamento del livello della falda acquifera.
Speleotemi: quanto crescono le stalattiti
Le stalattiti crescono per precipitazione del carbonato di calcio quando l'acqua satura di bicarbonato di calcio perde CO2 a contatto con l'aria della grotta. Il tasso di crescita medio è di circa 0,13 mm l'anno — ma questa cifra media nasconde variazioni enormi: nelle grotte con abbondante acqua e alta CO2 del suolo può essere dieci volte maggiore; in ambienti molto secchi può essere dieci volte minore. Una stalattite di 30 cm può avere da 2.000 a 300.000 anni a seconda delle condizioni. La datazione con uranio-torio (che misura il decadimento di uranio-234 in torio-230) permette di datare le speleotemi con una precisione di 1-2% fino a 500.000 anni fa, rendendo le stalattiti e le stalagmiti archivi preziosi del paleoclima.
Le concrezioni principali sono: stalattiti (crescono verso il basso, a partire da un punto di gocciola), stalagmiti (crescono verso l'alto dal pavimento dove la goccia cade), colonne (quando stalattite e stalagmita si incontrano), drappi (strati piatti inclinati), eliciti (cristalli che crescono in tutte le direzioni sfidando la gravità per pressione di cristallizzazione o capillarità), gours (piscine di calcite) e moonmilk (precipitato batterio-minerale pastoso bianco).
Tubi lavici: crosta basaltica su lava fluente
Il secondo meccanismo per importanza numerica è la formazione di tubi lavici nei campi di lava basaltica. Quando la lava scorre su superfici inclinate dolcemente, la superficie esterna si raffredda rapidamente a contatto con l'aria (la lava basaltica ha una temperatura iniziale di circa 1.100 °C e perde calore velocemente) formando una crosta solida. Il magma sotto questa crosta rimane fluido — la crosta è un ottimo isolante — e continua a scorrere per gravità.
Quando il rifornimento di magma dalla sorgente si riduce o cessa, il tubo si svuota e rimane una galleria cava con pareti di basalto solidificato. Le pareti mostrano "linee di marea" orizzontali che segnano i livelli successivi del magma durante lo svuotamento, "lava stalactite" (lavacicles) — brevi protuberanze di lava solidificata sulla volta — e pavimenti con texture a cordame (ropey pahoehoe) congelata nell'ultimo istante di flusso. I tubi lavici non producono stalattiti vere: non c'è dissoluzione chimica, solo solidificazione fisica.
Grotte marine: erosione delle onde nelle faglie
Le grotte marine (sea caves) si formano per azione meccanica dell'acqua marina sulle pareti rocciose. I meccanismi sono due: l'impatto diretto delle onde (pressione che comprime e decomprime rapidamente l'aria nelle fratture, allargandole) e la dissoluzione chimica dell'acqua di mare sull'aragonite in rocce particolari. Le grotte marine tendono a seguire le faglie o le zone di debolezza della roccia; si aprono inizialmente come fessure verticali che si allargano verso l'interno con profili a V rovesciata.
Le dimensioni possono essere imponenti: la Cathedral Cove in Nuova Zelanda, la Smoo Cave in Scozia, la Grotta dell'Azzurro a Capri. Ma a differenza delle grotte carsiche, le grotte marine non si approfondiscono indefinitamente: sono limitate dall'azione delle onde e tendono a rimanere vicino al livello del mare. Molte contengono spiagge interne e laghi di acqua salata.
Grotte glaciali: mulini, sublimazione e trappole d'aria fredda
Le grotte nei ghiacciai o adiacenti a essi si formano attraverso meccanismi diversi. I mulini glaciali (moulins) sono pozzi verticali scavati dall'acqua di fusione superficiale che penetra nel ghiacciaio attraverso crepe: l'acqua che scorre accelera la fusione allargando il canale fino a creare pozzi di 30-80 m di profondità. I canali subglaciali si formano quando l'acqua scorre alla base del ghiacciaio sulla roccia sottostante, sciogliendo il ghiaccio per calore geotermico e attrito.
La sublimazione — la transizione diretta da ghiaccio a vapore senza passare per lo stato liquido — crea cavità nelle zone dove la circolazione dell'aria secca rimuove il vapore acqueo. L'Eisriesenwelt in Austria si forma in parte per sublimazione invernale nelle gallerie superiori.
Le "trappole d'aria fredda" spiegano perché alcune grotte carsiche mantengono ghiaccio permanente in zone dove la temperatura media annuale è positiva: l'aria fredda invernale (più densa) scende nell'ingresso basso della grotta e rimane intrappolata nel fondo, che non viene scaldato abbastanza dall'aria estiva meno densa per sciogliere tutto il ghiaccio. Dobšinská in Slovacchia, Eisriesenwelt in Austria e Kungur in Russia funzionano tutte secondo questo principio.
Grotte di origine idrotermale e vulcanica
Un meccanismo meno comune ma geologicamente importantissimo è la dissoluzione per acido solforico di origine ipogenica. A Carlsbad Caverns e Lechuguilla nel New Mexico, l'acido solforico si è formato dall'ossidazione dell'idrogeno solforato proveniente da giacimenti petroliferi in profondità: l'acido ha dissolto il calcare dal basso verso l'alto, creando morfologie molto diverse da quelle delle grotte carsiche formate dall'alto.
La Cueva de Naica nel Chihuahua è l'esempio estremo della geologia idrotermale: l'acqua sovrasatura di gesso (CaSO4) a temperatura di 58 °C si è raffreddata lentamente per millenni, depositando cristalli di selenite giganteschi nelle cavità già esistenti.
Scale temporali e ciò che significano
La scala temporale della formazione delle grotte è quasi impossibile da internalizzare visceralmente. Una stalattite di 10 cm rappresenta probabilmente 700 anni di deposizione continua. Le gallerie freatiche di Mammoth Cave hanno iniziato a formarsi circa 10 milioni di anni fa. I cristalli di Naica hanno impiegato 500.000 anni per raggiungere i loro 12 metri. Una visita di due ore percorre paesaggi che esistono da prima dell'Homo sapiens. Questa scala temporale è il motivo per cui le grotte richiedono una protezione speciale: qualsiasi danno fatto oggi non verrà riparato su nessuna scala temporale umana.
I tubi lavici sono l'eccezione: Raufarhólshellir ha 5.200 anni, Thurston Lava Tube circa 500. Sono geologicamente recenti, quasi contemporanei sul piano della scala carsica. Ma anche lì, le formazioni di ghiaccio che si costruiscono stagione dopo stagione nei tubi islandesi hanno una loro cronologia delicata che la visita sconsiderata può compromettere in minuti.
Ogni tipo di grotta richiede un diverso approccio alla visita e alla sicurezza. Le grotte con i loro meccanismi di formazione sono indicate sulla mappa delle grotte.