Manifestazioni carsiche nelle evaporiti messiniane del Monferrato e della Collina di Torino (Italia nord-occidentale): analisi dei meccanismi genetici nel quadro dell'evoluzione pliocenico-quaternaria del Bacino Terziario Piemontese

La successione messiniana affiorante nel Bacino Terziario Piemontese (BTP) è interessata da diffusi fenomeni di dissoluzione checoinvolgono i blocchi gessosi, di dimensioni ettometriche-chilometriche, inglobati nella matrice marnoso-argillosa del ComplessoCaotico della Valle Versa (CTV). La presenza nel Monferrato settentrionale e nella Collina di Torino di numerose cave di gesso a cieloaperto e in sotterraneo, localizzate in contesti strutturali e a livelli stratigrafici differenti, ha fornito lo spunto per effettuare uno studio didettaglio sulla distribuzione tridimensionale dei sistemi carsici, sulle caratteristiche morfologiche delle cavità e sul tipo di sedimenti diriempimento in essi presenti.Le manifestazioni di dissoluzione epigee (camini a profilo cilindrico o conico a sviluppo verticale con diametro non superiore ai 5÷6 m)si localizzano nella prima decina di metri dei blocchi gessosi, al di sotto di una coltre di sedimenti impermeabili di spessore compresotra i 4÷5 m e i 50 m. Più in profondità la dissoluzione da luogo a condotti subverticali (con diametro inferiore a 3÷4 m) e cavità orizzontalia "soffitto piatto": queste ultime sono prodotte dal temporaneo stazionamento del livello di falda endocarsico e da concomitantifenomeni di "stratificazione di densità" delle acque di percolazione che concentrano l'effetto dissolutivo nei settori marginali dellecavità. L'orientazione delle forme epigee e ipogee è inoltre sempre svincolata rispetto all'andamento locale della stratificazione degliintervalli gessosi del CTV.La dissoluzione è accompagnata da fenomeni di piping che consentono l'ingresso nei circuiti carsici dei prodotti della rielaborazionedelle coltri di copertura e il loro trasferimento verso le parti più profonde e libere del reticolato ipogeo: l'infiltrazione dei sedimenti induce,in superficie, lo sviluppo di episodi di subsidenza (cover-subsidence sinkhole) e di sprofondamento (cover-collapse sinkhole) checoinvolgono per ampi tratti i versanti collinari modellati nel CTV. I tappi di sedimenti che occludono le cavità carsiche sono costituiti da:- "brecce di collasso", prodotte dall'assestamento gravitativo delle coltri di copertura;- "argille e silt massivi e laminati", riconducibili a episodi di decantazione in cavità sature;- "sabbie massive e stratificate", veicolate da correnti trattive operanti all'interno dei circuiti carsici;- "brecce di estrusione", generate da meccanismi di iniezione e spremitura dei sedimenti argillosi saturi d'acqua nelle parti più profondee libere delle cavità ipogee.Le analisi biostratigrafiche effettuate su 9 campioni di sedimenti prelevati all'interno di alcune cavità ipogee hanno evidenziato associazionifaunistiche rappresentative di un ampio intervallo temporale:- Burdigaliano (Zona N5/6) - Zancleano (Zona MPl4a) per la cava di Montiglio, riferimento confermato dalla presenza di Globorotaliapuncticulata nel campione MNT-1 e di Catapsydrax dissimilis, Catapsydrax unicavus e Globoquadrina dehischens in MNT-2;- Tortoniano (Zona N17) - Zancleano (Zona MPl2) per la cava di Moncucco T.se, età confermata dalla presenza di Globigerina quinquelobain MC-13 e di Globorotalia margaritae in MC-23;- Zancleano (Zona MPl3) per Grana M.to, età confermata dalla presenza di Globorotalia margaritae e di Globorotalia puncticulata inGRN-1.I campioni MNC-1, MNC-2 e MNC-3 provenienti dalla cava di Moncalvo sono risultati sterili. Le associazioni individuate rispecchianosempre l'assetto lito-strutturale locale della successione cenozoica presente al tetto delle bancate gessose carsificate.Le caratteristiche dei sistemi carsici (assetto tridimensionale, dimensione e gerarchizzazione delle cavità, spessore del volume gessosocoinvolto) sono controllate dall'entità dell'esumazione, e quindi dal grado di dissezione da parte del reticolato idrografico, del CTV:quest'ultimo è caratterizzato nell'insieme da un assetto monoclinalico immergente di 2÷5° verso le aree depocentrali di Asti eAlessandria, che ha consentito di differenziare procedendo da Nord verso Sud:- un "carso inciso" (entrenched karst), nel quale i blocchi selenitici sono profondamente dissecati dal reticolo idrografico (es. settori diMurisengo e Moncucco T.se). Il gradiente idraulico è in questo caso maggiore rispetto agli adiacenti settori del complesso carsicomonferrino e i fenomeni di dissoluzione coinvolgono l’intera potenza carsificabile dei gessi;- un "carso subgiacente" (subjacent karst), nel quale l'intervallo gessoso è solo parzialmente inciso e drenato dal reticolato idrografico(es. settori di Grana M.to e Gessi di Moncalvo) e la dissoluzione appare ben sviluppata unicamente al di sopra del livello di baselocale;- un "carso profondo" (deep-seated karst), nel quale i blocchi gessosi, posti al di sotto dei fondovalle, sono confinati e sigillati al disotto dalla successione pliocenica monferrina (Argille Azzurre, Sabbie di Asti e Villafranchiano Auct.). Le sporadiche manifestazionecarsiche presenti sono in questo caso legate alla risalita di acque profonde lungo fasce di deformazione tettonica.La speleogenesi nei gessi è influenzata dalla presenza di potenti coltri di copertura, costituite dalla matrice del CTV e dalla sovrastantesuccessione pliocenico-quaternaria, contraddistinte da bassi coefficienti di permeabilità che ostacolano il deflusso delle acque di percolazione.Una volta raggiunta l'interfaccia con il gesso, il controllo sulla circolazione endocarsica è svolto dall'intreccio di 3 principalisistemi di faglie e fratture orientati in direzione E-W, NE-SW e N-S. Queste discontinuità costituiscono le uniche vie di deflusso delleacque in un mezzo altrimenti caratterizzato da bassi valori di porosità primaria compresi tra il 4 e l'8% del volume roccioso. Le faglieinterrompono inoltre la continuità degli interstrati pelitico-bituminosi che imporrebbero altrimenti la compartimentazione dei circuitiidrocarsici all'interno delle bancate gessose.La variazione dei parametri morfometrici (diametro e lunghezza) dei condotti carsici e del loro grado di interconnessione idraulica confermano che il picco dissolutivo si manifesta nei primi 15÷20 m dei corpi gessosi: l'aggressività dell'acqua, infatti, diminuisce in brevetempo e a breve distanza dal punto di ingresso nel sistema carsico, grazie all'elevata velocità di saturazione in CaSO4 · 2H2O dellasoluzione in rapporto alla velocità di deflusso. Il limitato numero di condotti ipogei intercettati dai fronti di coltivazione spinti al di sottodei fondovalle (es. cave di Gessi di Moncalvo, Murisengo e Montiglio) conferma inoltre l'arresto della dissoluzione in prossimità dellasuperficie della falda freatica, che a sua volta si raccorda con il livello di base locale: le basse velocità di deflusso che contraddistinguonola zona satura rispetto a quella areata non consentono un rapido ricambio delle acque, inibendo l'azione dissolutiva che in talmodo non può svilupparsi nella sua completezza.L'analisi dei rapporti che intercorrono tra l'orientazione degli intervalli evaporitici e la vergenza delle forme dissolutive evidenzia chiaramentela sequenzialità del fenomeno carsico rispetto all'assetto stratigrafico assunto localmente dal CTV. Inoltre la presenza di cavitàa "soffitto piatto" altimetricamente correlabili con lembi di depositi fluviali terrazzati (con indice di colore massimo pari a 5÷7,5 YR)conservati a varie quote lungo le dorsali collinari del Monferrato, avvalora l'ipotesi secondo cui queste morfologie endocarsiche materializzerebberodelle paleo-superfici freatiche originariamente in raccordo con antichi livelli di base. Ciò consente di ipotizzare, quantomeno nei settori di maggior maturità dei sistemi carsici (es. Murisengo e Moncucco T.se), un’età delle forme dissolutive compresa trala parte superiore del Pleistocene medio e l'Attuale.I sistemi carsici impostati nei gessi messiniani del Monferrato e della Collina di Torino e i depositi in essi ospitati rappresentano il prodottodi concomitanti fenomeni di dissoluzione e sedimentazione polifasici e policronologici, sviluppati in risposta alle continue variazioniindotte sull'assetto morfologico superficiale dall'esumazione del CTV. Quest'ultima è l'espressione della deformazione che hadeterminato il sovrascorrimento verso Nord della successione cenozoica del BTP sull'avanfossa padana: al procedere dell'esumazionesi contrappone la migrazione relativa del fronte di dissoluzione, che viene in tal modo a collocarsi in posizioni via via più prossimealla base dell'intervallo evaporitico.

In Tertiary Piedmont Basin (TPB) widespread karst phenomena involved Messinian gypsum blocks (hectometric to kilometric in extention)cropping out within the clayey matrix of the Valle Versa Chaotic Complex (CTV). The presence of some gypsum quarries inNorthern Monferrato area and in Torino Hill (whether opencast or underground) allowed the investigation of speleogenetic phenomenain different structural and stratigraphic contexts. This study has been carried out in order to detect three-dimensional array of karstsystems, morphological characteristics of dissolution cavities and sedimentological analysis of karst infill deposits. Moreover, it hasbeen possible to reconstruct some of karst evolutionary stages related to the Pliocenic to Quaternary exumation of TPB.Cilindrical or cone-shaped subvertical pipes less than 5÷6 m in diameter which characterize epigean dissolution morphology are locatedwithin upper 10 m of evaporitic rocks, below an impermeable sedimentary cover with thickness ranging between 4÷5 m and 50 m.In depth, dissolution make up subvertical pipes (less than 3÷4 m in diameter) connected with horizontal caves with typical "flat ceilings"and inclined (15÷45°) lateral facets. These forms are caused by a standing of water table combined with water chemical stratificationphenomena: local small differences in water density promote natural convection currents inside gypsum caves which enable most pronunciatedmarginal dissolution by uppermost aggressive layers of water. Orientation of epigean and hypogean morphology is geometricallyunrelated in respect to the bedding of CTV gypsum layers.Gypsum dissolution combine with suffosion processes so that transfer of insoluble sediments of the overlying clayey sequence insideempty karst cavities is enabled. This result in a gradual subsidence of the topographic surface or in a sudden collapse of the overburden,with development of cover-subsidence and cover-collapse sinkhole respectively, depending on granular composition and thicknessof the coverbeds. Such features are well developed all over the outcropping area of CTV. Epikarst depressions and endokarstcaves are filled with intricate sequences of deposits, made up of at least 4 sedimentary facies:a) - "collapse breccia", developed by gravitational sinking of sedimentary coverbed;b) - "massive or laminated silt and clay", due to sediments settling in water-filled karst features;c) - "massive or laminated sands", transported by percolating water inside karst system;d) - "extrusion breccia", generated by injection and squeezing of water-saturated clayey sediments along deepen free portions ofcaves.Distribution of sedimentary facies within karst network is highly variable in both vertical and horizontal directions.Biostratigraphical analysis carried out on 9 samples collected inside few hypogean cavities allows the detection of rich faunal assemblagescovering a wide chronological interval:- Burdigalian (N5/6 Zone) - Zanclean (MPl4a Zone) for samples collected in Montiglio quarry, in which are present Globorotalia puncticulatain MNT-1 and Catapsydrax dissimilis, Catapsydrax unicavus and Globoquadrina dehischens in MNT-2;- Tortonian (N17 Zone) - Zanclean (MPl2 Zone) for samples collected in Moncucco T.se quarry, age confirmed by the presence ofGlobigerina quinqueloba in MC-13 and of Globorotalia margaritae in MC-23;- Zanclean (MPl3 Zone) for samples GRN-1 collected in Grana M.to quarry, confirmed by the presence of Globorotalia margaritae andGloborotalia puncticulata.On the contrary, sediments collected on Moncalvo quarry (samples MNC-1, MNC-2 and MNC-3) are completely devoid of microfaunalremains. Differences in faunal assemblages from one site to another are due to the specific and local litho-structural arrangement ofCenozoic succession resting above the gypsum interval.Three-dimentional array of cave network, size and interconnection magnitude of hypogean conduits and thickness of gypsum volumeinvolved in dissolution processes are controlled by exumation rate of CTV and consequently by superficial fluvial erosion. FromNorthern Monferrato to Torino Hill, the Messinian succession has a monoclinalic configuration dipping of 2÷5° to the depocentral areasof Asti and Alessandria, so that it is possible to distinguish, from North to South, three types of intrastratal karst:- "entrenched karst", with gypsum completely dissected by fluvial erosion (i.e. Murisengo and Moncucco T.se areas). Hydraulic gradientis greater than in other sectors of karst complex and dissolution operate across the whole thickness of the evaporite formation;- "subjacent karst", where gypsum is only partially dissected by superficial drainage system (i.e. Grana M.to and Gessi di Moncalvoareas). Dissolution phenomena are well developed inside gypsum rocks only above hydrological base-level;- "deep-seated karst", where gypsum sequence is buried and hydrologically confined below a thick post-Messinian sedimentarycover, represented by Pliocenic Argille Azzurre and Sabbie di Asti Formations and by Pliocenic to Quaternary Villafranchian Complex.Due to the thickness of the overburden (> 40÷50 m), deep-seated karst is devoid of any surface expression. Locally dissolution phenomenaare linked to the rising of deep water along fault zones.Development of gypsum dissolution is controlled by lithology and thickness of the coverbeds, generally characterized by low permeability(particularly the clayey matrix of CTV and the Argille Azzurre Formation), that slow down the trasmission of seepage water acrossthe overburden. Just in contact with gypsum, water circulation depends on the pattern distribution of at least 3 fault and fracturesystems with E-W, NE-SW and N-S directions. Such discontiniuties assumed the major role in determining the initial flow path inside agypsum, otherwise characterised by low percentage (4÷8%) of primary porosity. Moreover, fault systems intersect and displace theimpermeable bituminous inter-beds (with tickness < 3 m) controlling water circulation between adjacent gypsum intervals.Tipology and dimensions (cross-section diameter and length) of karst features combined with analisys of cave pattern prove that thehighest dissolution rate occur within the first 15÷20 m below gypsum-coverbed interface: saturation index of solution in respect toCaSO4 · 2H2O rapidly increase after the entrance inside karst system. Moreover, the restricted number of pipes and horizontal cavesintercepted by underground mining exploitation below the base-level (i.e. Gessi di Moncalvo, Murisengo and Montiglio quarries) confirm that dissolution rates drastically reduce in proximity of the water table, the last one fitting with local base-level: flow velocities inphreatic conditions are lower in comparison with those of vadose zone, so that water is not allowed to have a rapid exchange and speleogenesisdoes not fully develop inside evapotitic rocks.Spatial orientation of dissolution pipes diverging from gypsum bedding clearly demonstrate the sequentiality of dissolution phenomenain comparison to litho-structural array of CTV. Locally "flat ceilings" in horizontal caves are altimetrically correlable with terraced fluvialdeposits (with highest color index of 5÷7,5 YR) preserved along valley sides of Monferrato and Torino Hill: such features materializepaleo-phreatic surfaces originally related to old fluvial base-levels. Available data point out a late Middle Pleistocene to Olocene age forthe karst systems characterized by highest evolution, like in Murisengo and Moncucco T.se areas.Gypsum karst and related deposits in TPB, representing the products of polyphasic and polychronologic dissolution phenomena,developed in responce to morphological change induced by differential exumation of CTV. Uplifting of Messinian succession is linkedto the tectonic deformation due to the northern thrusting movements of the TPB succession over padanian foredeep: the ongoing exumationis accompained by progressive downward migration of a dissolution boundary (that gradually comes close to and finally intersectsthe base of evaporitic succession) and by an evolutionary sequence of karst types providing the transition from deep-seated toentrenched karst.