Il modello geologico concettuale affinché si verifichi un sinkhole di questo tipo prevede la presenza al di sopra del bedrock carbonatico carsificato di un potente pacco (50-200m) di depositi di copertura. Le dimensioni granulometriche degli elementi della copertura possono essere variabili ma generalmente si tratta di depositi alluvionali che presentano frequenti variazioni granulometriche in senso verticale e laterale, dalle argille-sabbiose, ai limi, alle sabbie, alle ghiaie. Associazioni sedimentarie di questo tipo determinano nell’intero pacco un certo grado di coesione e una portanza naturale.
Appare molto improbabile, per lo spessore notevole dei materiali di copertura (fino a 200 m), un risentimento in superficie di un processo di crollo a partire da una cavità profonda, mediante processi di raveling (scorrimento di materiale verso il basso), soprattutto per la presenza all’interno di tali sedimenti di depositi argillosi impermeabili o scarsamente permeabili in grado di assorbire le deformazioni che si sono generate in profondità.
Inoltre in gran parte dei casi di sinkholes studiati si osserva l’assenza di movimenti rivolti verso il basso delle acque di circolazione idrica sotterranee, almeno nei primi metri di copertura, in grado di drenare il materiale di copertura. Il fenomeno è poi facilitato se all’interno del pacco di sedimenti sono presenti lenti di terreni carsificabili (quali travertini, o ghiaie di natura prevalentemente carbonatica).
Nelle sabbie la presenza di acqua determina un aumento delle forze di galleggiamento, nel caso di una formazione argillosa invece l’acqua agisce direttamente sullo stato di coesione del materiale generando in entrambi i casi un’azione di ritardo dei processi di raveling che potrebbero interessare questi terreni (WHITE 1995). I processi di deep piping avvengono solitamente in materiali che presentano una classe granulometrica corrispondente alle sabbie o ai limi, le argille coesive non possono essere soggette a piping proprio perché materiali dotati di coesione. Tuttavia in presenza di una coltre, costituita da alternanze di terreni a differente granulometria, non si può escludere che i processi di piping possano avvenire solamente in alcuni intervalli del pacco alluvionale. Sono stati studiati(BERTI et al. 2002, COSTANTINI & CENSINI, 2002, DEL GRECO et al. 2003, 2004, CAMPOBASSO et al. 2004), e verranno anche di seguito illustrati, casi in cui il modello di deep piping sinkhole si adatta a sprofondamenti che hanno interessato coperture costituiteda orizzonti di argille marine plioceniche dotate di discreta coesione. I modelli concettuali esistenti, per lo più derivati da esempi stranieri, per spiegare tali tipi di cavità mal si adattano alla complessità della situazione geologico strutturale ed idrogeologica delle condizioni al contorno di alcuni dei casi individuati in italia.
Ciò che accade è la formazione di una cavità all’interno del materiale di copertura che si propaga dall’interfaccia tra il bedrock e i depositi di copertura (o al contatto di litologie con differenti caratteristiche di resistenza) verso l’alto (WHITE, 1995; THARP, 1999; 2000), si innalza fino a quando la stessa non riesce più a sopportare gli sforzi di taglio, allora il materiale collassa dando luogo ad una voragine che si forma nell’arco di 6-24 ore (ne sono esempi i casi avvenuti in epoca molto recente). La profondità solitamente in cui può avvenire il collasso finale può essere stimata pari a circa una trentina di metri (dato proveniente dalle indagini geofisiche svolte per alcuni dei fenomeni studiati), la cavità perciò risale verso l’alto fino a 30 m dal p.c. dopo di che si ha il collasso. Il meccanismo di formazione sarebbe dunque operato dalle acque, ricche di gas, in pressione e in risalita.

Si ritiene possibile che movimenti orientati verso l’alto, guidati da differenze di carico idraulico, possano provocare in terreni non consolidati (Massari et alii, 2001) così come in terreni a maggiore resistenza ma facilmente erodibili (Hill, 1996) fenomeni di liquefazione e/o dissoluzione che progrediscono dal basso verso l’alto attraverso camini, prodotti da fenomeni di condensazione che favoriscono la concentrazione della dissoluzione in particolari punti, spesso corrispondenti anche a linee di frattura ad andamento subverticale (definiti da alcuni autori pipes) HILL, 1996; MASSARI et al,. 2001).
I pipes, orientati lungo direttrici sub-verticali, mostrano al loro interno motivi deposizionali di tipo convesso rispetto alla direzione di propagazione delle acque di upwelling, proprio in virtù della rideposizione che subiscono i materiali interessati dalla liquefazione (MASSARI et alii, 2001). La risalita di acque profonde, in alcuni casi studiati, potrebbe essere controllata da discontinuità presenti nel bedrock , e talvolta anche nella stessa copertura, che andrebbero a rappresentare delle vere e proprie vie di fuga, oltre che per i gas, per le acque in pressione dell’acquifero profondo.
Le pareti delle cavità sono in genere perfettamente verticali con forma complessivamente cilindrica, il diametro e le profondità raggiungono poche decine di metri. Tali cavità spesso vengono riempite d’acqua poiché si arriva all’intercettazione della falda o sono sede al fondo di sorgenti spesso di acque mineralizzate, il che fa presupporre una risalita da falde profonde in pressione.
In alcuni casi assume importanza l’area di ricarica rappresentata da un acquifero che dà origine ad intensa circolazione sotterranea con formazione di sorgenti, talvolta anche minerali o termominerali, di elevata portata.
Una ulteriore origine dei fenomeni di liquefazione è rappresentata dalla propagazione di onde sismiche, provenienti anche da ipocentri di lontana origine, che determinano la rottura di un equilibrio metastabile (FERRELI et al. 2004, GRACIOTTI et al. 2004).
In corrispondenza di un evento sismico, in un terreno granulare saturo, il passaggio di onde sismiche provoca infatti, unitamente al cambiamento dell’assetto dei granuli, un incremento della pressione di poro che, se raggiunge i valori della pressione litostatica determinata dal carico dei materiali soprastanti, porta alla liquefazione dei terreni. Nel caso, inoltre, in cui la falda non sia troppo profonda tale fenomeno può tradursi nella fuoriuscita violenta di sabbia mista ad acqua dal terreno.

DEEP PIPING SINKHOLE: LA MORFOLOGIA

I fattori di innesco, la genesi e lo sviluppo dei deep piping sinkhole sono sostanzialmente diversi da quelli delle doline, in particolare in considerazione del fatto che sostanzialmente i primi sono fenomeni che si generano e si propagano dal basso verso l’alto (hypogeous upward propagation), mentre le seconde sono dovute a processi di infiltrazione delle acque superficiali (dall’alto al basso all’interno del terreno).
Ciononostante, le forme conclusive con cui i due tipi di fenomeni si presentano sono molto simili e rappresentano probabilmente l’elemento di maggior difficoltà per discriminare un processo dall’altro.
In generale questi sprofondamenti sono forme erosive sub-circolari e geometria cilindrica, formatesi rapidamente, con diametri estremamente variabili (WHITE, 1988; CANUTI, 1982; GALLOWAY et al., 1999; HYATT et al., 2001) localizzati in aree di pianura, al di sopra di terreni di copertura di elevato spessore (CANUTI, 1982; SALVATI & SASOWSKY, 2002; NISIO, 2003). La forma e la geometria sub-cilindrica o tronco-conica dei sinkholes è stata rilevata da numerosi Autori nel corso di indagini batimetriche (OGDEN et al., 1989; BONO, 1995), di indagini geofisiche (STEEPLES et al., 1984; CHANG & BASNETT, 1995; KAUFMANN & QUINIF, 1999; ARGENTIERI et al., 2001b; DI FILIPPO et al., 2002;) o di investigazioni subacquee (CARAMANNA, 2001; GARY et al., 2003) ed è stata inoltre evidenziata da diversi lavori di modellizzazione analogica (WALEED & GOODINGS, 1996) o di simulazione numerica (WALEED, 1995; THARP, 1997; SALVATI et al., 2001b). Essa risponde strettamente alle modalità di sviluppo e di propagazione della deformazione che in termini semplificativi può essere assimilata allo sviluppo dei camini di collasso ben noti a chi si occupa di stabilità delle opere in sotterraneo.
Concettualmente, la forma e la geometria dei sinkhole deriva da un processo che prevede l’innesco di uno “svuotamento” dal basso di un piccolo settore della copertura talora a contatto con il bedrock (protocavità). Questo “svuotamento” si propaga quindi per “crolli successivi” attraverso l’intero spessore dei depositi di copertura assumendo, in funzione della combinazione di più processi ( piping, raveling, crolli successivi), e della reologia e del comportamento meccanico dei materiali interessati, geometrie che possono essere imbutiformi o di condotti pseudo-cilindrici. Il collasso finale, nel momento in cui la propagazione della deformazione arriva in prossimità della superficie, avviene in unica soluzione e porta alla genesi delle forme cilindriche.
Nel caso in cui si verifichino le condizioni per una reiterazione del fenomeno nello stesso punto (CAPELLI et al., 2000), i sinkhole possono assumere forme meno definite e più articolate per la coalescenza dei diversi sprofondamenti.

DEEP PIPING SINKHOLE: PROPAGAZIONE DEI FENOMENI

I fattori di sviluppo sono quegli elementi che agevolano, favoriscono o comunque caratterizzano la propagazione della deformazione dal punto di innesco verso la superficie.
Tra questi un ruolo di primo piano è svolto dalle caratteristiche reologiche e dalle proprietà geomeccaniche dei terreni che costituiscono la copertura. Come esposto da THARP (1997, 1999 e 2000) il fenomeno dell’upward propagation può essere descritto con un modello di deformazione poroelastica dei terreni sottoposti a stress (SALVATI et al., 2001b ; GARBIN et al., 2004). Le cause che possono indurre stress e quindi innescare, nelle condizioni favorevoli, lo sviluppo di un sinkhole, sono molteplici tra cui occorre ricordare:

• (i) la decompressione repentina dell’acquifero confinato;
• (ii) la “rottura” dell’interfaccia bedrock/copertura con conseguente innesco di un fenomeno di ravelling e quindi la creazione di microcavità;
• (iii) l’effetto di “pumping” dinamico che la falda in pressione in pressione esercita sui terreni di copertura;
• (iv) la suffosione profonda o deep piping che le acque di circolazione carsica potenti, aggressive e veloci esercitano sui depositi a scarsa coesione.

Anche la propagazione verso l’alto della deformazione è direttamente dipendente dalla caratteristiche geotecniche dei terreni interessati. Mentre, infatti, è intuitivo che una copertura composta di materiali privi di coesione si comporterà come la sabbia in una clessidra, fluendo senza soluzione di continuità verso il basso e propagandosi in progressione geometrica con una forma conica, la presenza di orizzonti o spessori di materiali coesivi o addirittura litoidi o pseudolitoidi, presenti pressoché ovunque nelle stratigrafie delle piane italiane, imporrà alla propagazione della deformazione un avanzamento per fasi discrete. Queste, inoltre, produrranno delle geometrie non necessariamente coniche o pseudo-coniche, bensì cilindriche, in virtù delle proprietà dei materiali più competenti.
Altri importanti elementi di sviluppo sono: i già citati pumping e deep piping che la falda in pressione esercita sui terreni della copertura una volta che si siano create le condizioni per un “de-confinamento” locale. E’ possibile ipotizzare, nel momento in cui, rotta l’interfaccia di confinamento tra acquifero e copertura, la falda in pressione è libera di spingere sui terreni sovrastanti, si possono innescare fenomeni di erosione meccanica diretta dei terreni di copertura stessi e soprattutto, se le condizioni di circolazione carsica lo permettono, di dissoluzione chimica, trasporto solido ed allontanamento del materiale eroso da parte della circolazione idrica sotterranea.
A questo occorre poi aggiungere il non trascurabile effetto indotto dai fluidi gassosi (in genere CO2 e H2S) risalenti dal profondo e delle mutate condizioni idrogeochimiche prodotte dal miscelamento con fluidi mineralizzati. Questi due fattori giocano un ruolo di alterazione chimica dei terreni di copertura con conseguente erosione chimica o degradazione delle caratteristiche geomeccaniche dei terreni. I convogli gassosi inoltre possono esercitare un effetto di sottospinta che si aggiunge a quello esercitato dalla falda in pressione. Fattore ricorrente nelle aree suscettibili ai fenomeni studiate è la presenza di discontinuità tettoniche o strutturali nel substrato, che possono in alcuni casi essere anche lineamenti tettonici attivi che interessano gli stessi terreni di copertura, i quali rappresentano generalmente le vie preferenziali di sviluppo dei processi sopradetti e conseguentemente le zone in cui preferenzialmente si sviluppano i sinkhole (BROOK & ANDERSON, 1985; Veni, 1987; FACCENNA et al., 1993; FACCENNA et al., 1994; CAPELLI et al., 2000; KAUFMANN & QUINIF, 1999; SALVATI et al., 2001a; SALVATI & SASOWSKY, 2002, Nisio, 2003, Nisio et al. 2006; Caramanna et al. 2007).