Appunti di Geomorfologia, esame specifico per Scienze ambientali

Appunti del corso universitario del Prof. La Monica

Questi appunti sono stati raccolti durante le lezioni del Prof. Giovanni Battista La Monica nel corso di Geomorfologia per la laurea triennale di Scienze Ambientali, anni 2004-2009 (ordinamento 1999). Essi sono inoltre frutto di una rielaborazione e integrazione da parte della sottoscritta. Il corso poteva considerarsi al pari di quelli per gli studenti di Geologia. Fornisce basi solide e ottimi spunti di riflessione.

Geomorfologia

Introduzione

La disciplina della Geografia Fisica è suddivisa, comprende tre branche specialistiche:

• Climatologia
• Idrologia
• Geomorfologia

Quest’ultima è lo studio delle forme di dettaglio del rilievo terrestre. Studio dei processi di modellamento e trasformazione (erosione, trasporto, deposito) che ha come scopo quello di spiegare come si sono originate e come si evolveranno. Non è una disciplina con una antica tradizione storica. Il ritardo è stato dovuto ad una concezione ebraico-cristiana che concepiva la Terra come immutabile, statica. Il ritardo è stato di ben 1500 anni! Ci sono state intuizioni dei popoli greci, romani, da Leonardo da Vinci ma i veri precursori sono intorno al 1700-1800. Il nome dato a questa disciplina appare per la prima volta in un articolo del 1800 di uno scienziato americano.

Non si può far a meno della “struttura geologica”, cioè la natura e tipologia delle rocce e tettonica, perché da essa dipende l’intensità delle forme esogene che agiscono in una determinata zona.

Esistono diversi metodi di approccio allo studio della G., distinguendone tre macroaree:

• G. strutturale: studia il rapporto tra forme del rilievo e assetto geologico cioè tutti quei fenomeni connessi alla litologia e tettonica, ovvero fattori strutturali o endogeni (es. dolina, scarpata di faglia, cuesta).
• G. climatica: studia il rapporto tra forme di rilievo e fenomeni climatici, dipende quindi dai diversi climi della Terra (es. duna desertica, circo glaciale, geli flusso). Il clima è caratterizzato da agenti diretti, ad esempio precipitazioni, temperatura ecc. ed indiretti, come ad esempio la vegetazione.
• G. a e pluri-zonale: studio a partire dai processi che determinano le forme, i quali oltre ad essere studiati vengono quantificati per oggettivizzare e rendere comprensibile a tutti il fenomeno. Seguono una dinamica esogena in quanto i fattori sono esterni alla forma, ad esempio, forza di gravità, acqua, vento, uomo ecc. Esse sono tutti fenomeni connessi ad azioni più o meno indipendenti dal clima (es. frana di crollo, falesia, fronte di cava).

Si distinguono diversi “processi morfogenetici”:

• P.M. elementari: da 1 solo tipo di azione (es. gravità: modifica del rilievo, accumulo).
• P.M. complessi: associazione di più processi elementari.
• P.M. zonali: in dipendenza dal clima, esclusivi (es. dune desertiche, circhi glaciali ecc.).
• P.M. extrazonali: non esclusivi (es. lingue glaciali con formazione di valli glaciali).
• P.M. polizonali: comuni a molte zone climatiche (es. acque correnti superficiali, corsi d’acqua, torrenti, fiumi).
• P.M. azonali: indipendenti dalle condizioni climatiche esistenti in ogni parte della Terra (es. gravità, onde ecc.).

Infine si ricordi che gli ambienti sedimentari sono raggruppati in tre tipologie:

• Continentali: sono 4: eolico, glaciale, fluviale o alluvionale e lacustre, le cui forme sedimentarie sono rispettivamente: dune, ghiacciai, fiumi e laghi.
• Marini: piattaforma continentale, scarpata-bacino (correnti di torbida per materiale grossolano).
• Paralici: spiaggia, foce fluviale, laguna (molto sensibili e ristretti, variazione dei sali nelle acque).

Degradazione meteorica

Si distinguono due tipi:

• Processi di disgregazione meccanica o fisica
• Processi di disgregazione chimica

Nelle zone con forti escursioni termiche giornaliere e scarsità di acqua, prevalgono i processi di disgregazione meccanica. Nelle zone calde e umide prevalgono le alterazioni chimiche. In ogni caso, l’alterazione meccanica facilita l’alterazione chimica, perché aumenta la superficie esposta; ad esempio, una massa di 1 m³ con superficie di 6 m² viene disgregata fisicamente a formare 8 parti con 12 m².

Degradazione fisica

Il suffisso che accompagna questo tipo di degradazione, in termini tecnici è -CLASTISMO, che significa produzione di frammenti ad opera di… e varia in funzione della tipologia di roccia, presenza di acqua, zone climatiche, agenti, prodotti. Distinguiamo:

• Bioclastismo: in cui gli agenti sono esseri viventi, i quali agiscono proprio come un agente atmosferico a volte.
• Termoclastismo: disgregazione dovuta a variazione di temperatura. Si verificano nella roccia delle tensioni nella struttura interna. Le stesse oscillazioni termiche provocano dilatazione e contrazione diversa a seconda che si tratti di rocce eterogenee o omogenee (composte dallo stesso minerale) a livello mineralogico. I prodotti sono i “termoclasti” e sono più pronunciati in zone con escursioni termiche elevate e nelle rocce scure.

Si può distinguere inoltre tra:

• Rocce a grana fine: produce una disgregazione “a blocchi” (calcare microcristallino = limo).
• Rocce a grana grossolana: produce una disgregazione granulare (es. granito, arenaria) o “fogliettamento” della superficie esterna dell’affioramento roccioso (“desquamazione o esfogliazione”; es. basalti, graniti, scisti).

Alcuni studiosi sostengono che il termoclastismo non sia un tipo di processo molto efficace nel produrre abbondante materiale detritico come emerso da alcuni esperimenti di lungo termine con escursioni elevate in tempi lunghi, ma il fattore che aumentava l’abbondanza di materiale detritico era la presenza di acqua (che è comunque un fattore sempre presente). Il modello migliore per lo studio del T. è la superficie lunare.

• Crioclastismo: disgregazione ad opera di cicli di gelo-disgelo che torna liquido a causa delle variazioni di T intorno allo 0°C, con formazione di “crioclasti”. Le zone sono quelle fredde e umide e periglaciali.

Altri processi minori o secondari sono: idroclastismo (importante per le rocce argillose), aloclastismo (gli spruzzi di acqua di mare), bioclastismo delle radici, trattengono i materiali e riducono erosione dei versanti.

Alterazione chimica

L’alterazione chimica avviene soprattutto ad opera di molecole di O₂, H₂O e CO₂. Distinguiamo diversi fenomeni chimici:

• Ossidazione: agente è l’O₂ che agisce su tutti i tipi di rocce, ma soprattutto sostanze carboniose e ferrose (Fe²⁺), con zolfo e solfuri. Le rocce carboniose o bituminose appaiono sbiadite, sbiancate. Nelle sostanze ferrose, il Fe passa da Fe²⁺ a Fe³⁺, appaiono di colorazione giallastra. Le sostanze che contengono zolfo si trasformano in ossidi e appaiono ‘cariate’ perché facilmente asportate dagli agenti meteorici.
• Idratazione: meno diffusa, si tratta della penetrazione dell’acqua nella struttura cristallina. Es. l’anidride CaSO₄ diventa gesso se idratata con la seguente formula CaSO₄·2H₂O ovvero solfato di calcio idrato. In questa reazione l’ematite diventa limonite: 2Fe₂O₃ + 3H₂O → 2Fe₂O₃·3H₂O. Sia nel caso dell’ossidazione che nell’idratazione si passa da una sostanza ad un’altra. L’aumento di volume può causare tensioni fra le parti e conseguente frantumazione meccanica.
• Idrolisi: l’acqua si comporta da acido debole in cui troviamo H⁺ e OH^- parzialmente dissociati. Gli acidi a base di silice, silicico e alluminosilicico sono più deboli dell’acqua. Di questi ci sono due famiglie:
  • Feldspati: K-feldspati, plagioclasi
  • Feldspatoidi: Leucite
  Ad esempio la degradazione chimica dell’Ortoclasio: 2KAlSi₃O₈ + 2HCl + H₂O → Al₂Si₂O₅(OH)₄ + 4SiO₂(sol) + 2K⁺ + 2Cl^- (idrosilicato, argilla). L’equazione della degradazione può essere scritta considerando come acido la sola acqua, anch’essa infatti produce ioni idrogeno H⁺. In tal caso, l’ossidrile OH^- appare a destra dell’equazione assieme allo ione K⁺.
• Caolinizzazione dei feldspati: climi caldi e umidi, zone equatoriali il processo è più marcato e porta alla formazione di bauxiti (Al) e lateriti (Al + Fe) dovuto a piogge molto abbondanti ed elevate temperature. Suoli molto tenaci quando si seccano.
• Dissoluzione: fenomeno presente nella morfologia carsica, a cui sono sottoposte le evaporiti, rocce con sostanze poco solubili possono essere aggredite dall’acqua e dallo ione carbonato che porta in soluzione gli elementi. Sali: carbonati, es. carbonato di calcio CaCO₃, calcite. CaCO₃ + H₂O → Ca(HCO₃)₂(sol) bicarbonato di calcio (molto più solubile).

Ecco un esempio di reazione in cui intervengono più di un meccanismo, come d’altronde avviene nella realtà: ossidazione + idratazione + dissoluzione. 4FeSiO₃ + O₂ + H₂O → 4FeO(OH) + 4SiO₂ (limonite, pirosseno ferroso, ossidazione + idratazione)

Azione biochimica: poco rilevante dagli animali (fenomeni locali, es. litotomi), molto rilevante da parte delle piante (acidi organici) e dai batteri.

Esfoliazione dei graniti

• Tafom (sui graniti, Sardegna orientale): sono delle “nicchie”, “cavità” scavate dall’alterazione chimica. Materiale granulare: su alcuni minerali agisce l’alterazione chimica, su altri no.
• Tor o cataste di blocchi e massi sferoidali: quasi staccati dalla base.
  • Presenza di suolo che sovrasta rocce sottostanti fratture. Acqua piovana raggiunge fratture e prosegue l’alterazione della massa di regolite.
  • Creazione di massi isolati e arrotondati all’interno del suolo.
  • Erosione del suolo circostante: restano i massi isolati e appoggiati, accatastati uno sull’altro.

Suolo

In prima approssimazione diviso in tre orizzonti (o strati): A, B, C, oppure suddivisione più particolareggiata: O, Ao, A, B, C.

• Pedalfer: Al e Fe, Na e K vengono lisciviati. CaCO₃ non è presente nel granito.
• Pedocal: ricco di Calcio.
• Laterite o suolo lateritico: clima pluviale, suolo non buono, humus sottilissimo e assente per l’ingente quantità di piogge.
• Paleosuoli: suoli formatisi in passato su antiche superfici topografiche (poi magari ricoperto). Importante perché ci fornisce informazioni sul clima presente a quel tempo.
• Suoli sepolti o relitti: rimasti in superficie ma hanno cessato di evolvere per il cambiamento delle condizioni climatiche. Datati con carbonio 14.

Modellamento del rilievo e dei versanti

È possibile identificare i seguenti movimenti in massa secondo la classificazione di Varnes:

• Movimenti lenti nel regolite
  • Soliflusso (solifluction): i materiali limosi e argillosi anche inglobanti detriti grossolani, hanno la capacità di imbibirsi di acqua, diventando plastici e sotto l’azione della gravità tendono a scivolare verso valle anche con pendenze dei versanti inferiori a 5 gradi. È un processo molto lento (alcuni decimetri l’anno) e le superfici interessate possono essere vaste. Sui pendii appaiono ondulazioni e decorticazioni del manto erbaceo.
  • Reptazione (creep): questo tipo di movimenti avviene su terreni detritici e non coerenti e si esplica con spostamenti individuali di ciascun granulo. Questi movimenti non sono dovuti tanto alla gravità, quanto a diverse cause quali l’alternanza gelo-disgelo, l’umidificazione e disseccazione del suolo, le dilatazioni termiche, il movimento degli apparati radicali delle piante, l’azione di animali scavatori o che pascolano, lavori d’aratura ecc. Sulla superficie appaiono decorticazioni e piccole scarpate, sovente i tronchi degli alberi assumono aspetto falciforme e piccoli manufatti (pali, muretti) tendono a inclinarsi.

Frane

Fenomeni di discesa più o meno repentina e veloce di cospicui masse litoidi (blocchi rocciosi e/o materiali sciolti). Sono fondamentalmente legate alla gravità e si verificano non appena il coefficiente di sicurezza (forza di taglio della forza peso) diviene < 1 (le forze agenti > forze resistenti).

I fattori importanti da cui dipendono i fenomeni franosi:

• Peso del materiale
• Attrito interno (resistenza alla rottura), ad es., presenza di materiali clastici, frammenti, il cui contatto provoca attrito. L’attrito interno si esprime con l’angolo di riposo, angolo in cui il materiale si assesta e dopo il quale il materiale scende e non si può stabilizzare.
• Coesione: forza di reciproca adesione. Per cemento o umidità. Rocce coerenti: arenarie ben cementate. Rocce semicoerenti: calcare, rocce lapidee, rocce metamorfiche. Rocce incoerenti: sabbie. Rocce pseudo-coerenti: argille.

Considerato un pendio: T = c + P_n tgθ

c = coesione
P_n = componente normale ad un pendio (ortogonale) del peso del materiale perpendicolare alla superficie
θ = angolo di attrito interno
tgθ = pendenza.

Il prodotto di P_n e tgθ è maggiore o minore di P_n a seconda dell’angolo di attrito interno. La presenza di acqua provoca una minor efficacia di P_n.

Il coefficiente di sicurezza è il rapporto tra le forze resistenti e le forze agenti su un pendio.

c + P_n tgθ/P_t = R/A

R/A < 1 pendio instabile
R/A = 1 equilibrio stabile teorico, dipende dai fattori che agiscono
R/A > 1,25 – 1,4 pendio stabile

• Crolli (Falls): si tratta di un movimento rapido che avviene in prevalenza nell’aria mediante caduta libera, con successivo rotolamento e con salti di materiale roccioso; con materiale in bilico il cui distacco è facilitato dagli agenti esogeni che può rimbalzare per diversi metri.
• Ribaltamenti (Topples): avviene quando un pendio molto ripido subisce un ribaltamento, facendo perno su un punto che si trova sotto il baricentro della massa rocciosa. Attraverso superfici di debolezza, l’acqua infiltrandosi provoca il distacco ed il ribaltamento (es. basalti che raffreddano).
• Scivolamenti o scorrimenti (Slides): comportano uno spostamento lungo una o più superfici. Possono essere rotazionali quando sono il risultato di forze che producono un movimento di rotazione attorno ad un punto posto sopra il centro di gravità della massa, traslativi quando lo spostamento avviene lungo una superficie debolmente ondulata o quasi piana.