Il calcestruzzo naturale e il bradisismo

Una complessa cascata di reazioni chimiche che si verifica nel sottosuolo dell’area vulcanica dei Campi Flegrei produce un calcestruzzo naturale, molto simile al calcestruzzo prodotto dagli antichi Romani per le loro costruzioni. Questo stesso processo porta alla formazione di gas che risalendo in superficie producono il fenomeno del bradisismo e degli sciami sismici che l’accompagnano.

Una roccia di composizione simile al calcestruzzo che si trova nel sottosuolo dei Campi Flegrei, a nord-ovest di Napoli, può spiegare il fenomeno del bradisismo di questa zona. Questa roccia inoltre potrebbe aver ispirato gli antichi Romani nella produzione del loro resistentissimo calcestruzzo, con cui hanno costruito opere come Pantheon o Colosseo. È quanto emerge da uno studio effettuato da Tiziana Vanorio e colleghi della Stanford University che firmano un articolo su “Science”.

I Campi Flegrei sono un’ampia area che si trova al centro di una depressione di origine vulcanica, la caldera, in mezzo alla quale si trova la città di Pozzuoli, fondata intorno al 600 a.C. dai Greci, che in epoca romana rappresentava uno dei porti più importanti di Roma. La caldera è punteggiata da crateri generati da passate eruzioni vulcaniche, l’ultima delle quali risale a 500 anni fa.

Storicamente, l’area è stata caratterizzata da lente variazioni, abbassamenti e sollevamenti, del livello del suolo: un fenomeno noto come bradisismo.

Queste variazioni si sono intensificate durante brevi periodi, accompagnate da sciami sismici e da un incremento dell’attività idrotermale nella zona della Solfatara, in cui si trova un esteso campo di fumarole. Tra le crisi di bradisismo più recenti, si ricordano quelle del 1970-1972 e del 1982-1984, durante le quali complessivamente il suolo si è sollevato di circa tre metri. Episodi più recenti ma di minore intensità sono stati registrati nel 1989 e nel 2000, e dal 2005 l’andamento è di leggero sollevamento.

“Il sollevamento del suolo si verifica anche in altre caldere sparse in tutto il mondo, come quella di Yellowstone, negli Stati Uniti, ma solo nei Campi Flegrei raggiunge questa intensità”, ha spiegato Vanorio, che è originaria della zona e ha vissuto in prima persona la crisi di bradisismo del 1982. “Un altro dato peculiare è che i microterremoti sono ritardati di mesi, nonostante le ampie deformazioni del suolo”.

Per comprendere come la caldera sia in grado di assorbire queste incredibili deformazioni senza produrre eventi sismici traumatici, Vanorio e colleghi hanno studiato carote di roccia dell’area. Questi campioni sono stati ottenuti nell’ambito di un ampio programma di perforazioni, effettuate nei primi anni ottanta, che hanno raggiunto circa tre chilometri di profondità.

Dalle analisi, è emerso che la roccia di copertura dei Campi Flegrei, uno strato di roccia compatta che si trova vicino alla superficie della caldera, ha un alto contenuto di pozzolana, o piroclastite sciolta, un materiale che viene espulso durante l’attività esplosiva dei vulcani. Inoltre, la roccia di copertura è ricca di tobermorite ed ettringite, due minerali abbondanti nel calcestruzzo. Proprio questo contenuto minerale, secondo gli autori, rende duttile la roccia di copertura dei Campi Flegrei, spiegando la resistenza alla fratturazione del suolo di Pozzuoli.

Ma in che modo tobermorite ed ettringite sono arrivate nella roccia di copertura dei Campi Flegrei? La risposta è arrivata dall’analisi delle carote di roccia: i campioni raccolti mostrano infatti che il basamento profondo della caldera è formato da rocce ricche di carbonato simili al calcare, punteggiate da numerose inclusioni di un altro minerale, l’attinolite. Quest’ultimo è la chiave per comprendere molte delle reazioni chimiche che formano il cemento naturale dei Campi Flegrei. Il calore nel sottosuolo e la circolazione di acque ricche di minerali ha portato alla decarbonizzazione del basamento profondo, innescando la formazione di attinolite e di anidride carbonica.

Dal mescolamento dell’anidride carbonica con il carbonato di calcio e con l’idrogeno presente nelle rocce del basamento, si produce una cascata di reazioni chimiche che portano alla formazione di diversi composti, tra cui l’idrossido di calcio, noto anche come calce spenta. Quest’ultima, trasportata dalla circolazione di fluidi geotermici verso gli strati più superficiali, si combina con la pozzolana e forma una roccia simile al calcestruzzo, caratterizzata da una resistenza enorme alle sollecitazioni.

“Si tratta della stessa reazione chimica che gli antichi Romani hanno sfruttato inconsapevolmente per ottenere il loro famoso calcestruzzo, ma nel sottosuolo dei Campi Flegrei avviene in modo naturale” ha spiegato Vanorio. La ricercatrice ipotizza che i Romani si siano ispirati proprio alla pozzolana, che come osservava Seneca, si trasformava in roccia quando veniva a contatto con l’acqua.

La stessa reazione chimica che porta alla formazione del calcestruzzo naturale è responsabile anche dei fenomeni deformativi dell’area dei Campi Flegrei.

Se il processo di decarbonazione è molto intenso, per esempio per effetto dell’azione di acqua marina, si produce un eccesso di anidride carbonica, metano e vapore d’acqua, che procedendo verso la superficie può curvare la roccia di copertura, come è avvenuto nei primi anni ottanta. Quando poi la pressione di questi gas supera il punto di rottura della roccia, si formano le fratturazioni e gli scorrimenti che sono all’origine dei microsismi.

Tratto da la rivista “Le Scienze – edizione italiana di Scientific American” del 10/07/2015