Passeggiate sui basalti colonnari

di Giovanna Baiguera

Pietre lanciate, canne d'organo, passeggiate dei giganti. Che relazione esiste tra questi termini? E quale con le scienze naturali? La risposta è in un unico soggetto geologico, conosciuto tecnicamente come basalto colonnare, la cui singolarità evidentemente non lascia indifferenti, oggi come in passato.
Il santuario europeo di queste maestose costruzioni è considerato, a buon titolo, la celebre Giant's Causeway in Irlanda del Nord (http://www.giantscausewayofficialguide.com/), ma non mancano gli esempi italiani, di tutto rispetto.

Fig. 1 – Gole di Alcantara, Sicilia (foto M. Magnoni)

Le caratteristiche così originali e riconoscibili di questi affioramenti sparsi in diverse parti del globo esercitarono un potente stimolo sui primi studiosi della terra.
Permisero ad esempio di mettere in luce affinità sospette tra lembi della crosta terrestre apparentemente scollegati, contribuendo alle prime intuizioni sulle similitudini tra rocce distanti e quindi, infine, sulla deriva dei continenti.
Ancor prima, le colonne basaltiche sfidarono il pensiero scientifico sulla natura stessa di tutte le rocce, per la loro forma così somigliante all'abito cristallino di certi minerali, giocando un ruolo-chiave nella disputa fra nettunisti e plutonisti, all'epoca in cui si cercava di spiegare l'origine delle rocce in un processo unico o dominante, in un caso guidato dalle acque marine, nell'altro dal calore sotterraneo. Secondo gli uni dalle acque si sarebbero infatti generati tutti i minerali e le rocce, accumulate strato su strato per precipitazione chimica, mentre altri riponevano nel fuoco delle profondità terrestri la forza edificatrice di tutte le catene montuose.
Tutti dibattiti a cui presero parte anche esponenti italiani, in un passato relativamente recente, con forti limiti imposti da condizionamenti di natura culturale, oltre che da osservazioni necessariamente macroscopiche e attualistiche dei fenomeni geologici.
Fu nell'arco di un solo secolo, fra il '700 e l'800, che l'origine dei basalti passò, nel credo scientifico, da marina a magmatica.

Fig. 2 – Illustrazione tratta da “De’ monti colonnari e d'altri fenomeni vulcanici dello Stato veneto” (1778), di John Strange, diplomatico britannico presso la Repubblica di Venezia (http://www.gonnelli.it)

Oggi, a meno di due secoli di distanza, i basalti colonnari possono ritenersi in gran parte decifrati, pur non smettendo di sorprendere, non solo per la loro bellezza, ma anche grazie a recenti osservazioni di laboratorio sui meccanismi di formazione delle colonne.

Se si dovesse illustrare a un geoscienziato di allora le conoscenze attuali occorrerebbe ripartire dalla definizione stessa di basalto, roccia dal colore tipicamente scuro, formata dalla solidificazione di un magma in condizioni effusive e caratterizzata da una tessitura per lo più microcristallina, o in certi casi persino amorfa/vetrosa, che ne determina un aspetto omogeneo.
In effetti le colonne possono essere formate anche da rocce a rigori non ascrivibili tra i basalti propriamente detti (in base alla classificazione di Streckeisen, per esempio), ma il termine viene spesso usato per alludere a tutte le rocce vulcaniche nel loro complesso.
Il basalto si sta formando anche in questo momento, in molte parti della terra. Come ogni altro tipo di roccia, del resto. Ma qui si tratta di una produzione relativamente veloce e copiosa, creata dalla semplice fuoriuscita di lava all'aria aperta o nelle profondità marine.
Capita poi tutti i giorni di venire a contatto con questo tipo di rocce, presenti nelle più comuni pavimentazioni stradali, ora negli impasti bituminosi delle asfaltature e un tempo come costituente del selciato, ancora presente in molte città.

Fig. 3 – Selciato a blocchetti di porfido riolitico (“sampietrini”)

Di tutti i basalti osservabili, pochi presentano una struttura colonnare e di questi pochissimi hanno forme così imponenti e definite come quelle affioranti in alcune località del mondo, divenute poli di attrazione turistica.
Ad oggi si ritiene che i basalti colonnari si formino innanzitutto a fronte di un rapido raffreddamento del magma, da contatto diretto con l'aria o con altri corpi freddi o addirittura ghiacciati, come il permafrost. Non sarebbero poi trascurabili le caratteristiche del fluido magmatico, composizionali (il chimismo incide sulla viscosità) e migratorie (relative ai movimenti convettivi interni alla massa ma anche al suo percorso di fuoriuscita).
Osservare direttamente la nascita delle colonne non è impresa facile. Una delle condizioni chiamate in causa per la loro formazione è la costrizione laterale del magma da parte di una roccia preesistente, senza la quale la massa potrebbe invece fluire, espandersi e contrarsi più liberamente e quindi disordinatamente. Si tratterebbe quindi di iniezioni di lava in grandi fessure e si può immaginare come queste condizioni si verifichino specialmente in prossimità delle zone di rift, ad esempio lungo le dorsali medio-oceaniche, le cui parti emerse mostrano infatti tante presenze di basalti colonnari, come in Islanda.
Strutture colonnari basaltiche sarebbero state osservate persino sulla Luna e su Marte (http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=38904).

Fig. 4 – Basalti colonnari (Galtellì, Sardegna)

A parte le condizioni di contesto, per spiegare il meccanismo fisico di formazione delle colonne occorre innanzitutto pensare a due fenomeni che avvengono quando un fluido magmatico, come altre sostanze, si raffredda e si asciuga: la riduzione di volume e un cambiamento di comportamento da elastico a rigido, quindi fragile.
Ecco quindi che, sul “confine freddo” di questo ammasso magmatico in via di raffreddamento, iniziano ad aprirsi delle spaccature a geometria poligonale, del tutto simili a quelle osservabili sulle superfici disseccate dei depositi fangosi, in una pozzanghera attuale ma anche fossilizzate in sedimenti antichi (“mud cracks”).

Fig. 5 – Fratture poligonali nel fango (foto G. Davoli)

Con il procedere del raffreddamento nelle profondità dell'ammasso, questa griglia di fratture tenderebbe ad approfondirsi, scolpendo le colonne.
Più che di fratture in questo caso si potrebbe parlare di giunti da raffreddamento, in origine per lo più saldati. Si tratta comunque di zone di debolezza dell'ammasso, dove la degradazione post-deposizionale ad opera degli agenti atmosferici può portare anche al distacco di singoli elementi.

Tornando alla propagazione del raffreddamento all'interno del fluido magmatico, bisogna aggiungere che questo normalmente non procede in modo perfettamente continuo, bensì attraverso passi di ordine centimetrico, talvolta materializzati in lineamenti trasversali lungo la colonna. Anche questi lineamenti segnano la presenza di superfici di debolezza, stavolta perpendicolari alla colonna, in grado di determinare un vero e proprio sfettamento delle colonne, “a biscotto”. I biscotti hanno spesso superfici concave/convesse che contribuiscono, in una certa misura, a stabilizzarne l'impilamento lungo la colonna, un po' come avviene per le articolazioni ossee.

Fig. 6 – Basalti colonnari in Auvergne, Francia

Ma ciò che colpisce maggiormente delle colonne basaltiche è la loro sezione poligonale. Sin dalle prime pubblicazioni si parlava di colonne prismatiche o angolari, con forme trasversali tipicamente esagonali. In effetti, sebbene la geometria non sia sempre così perfetta, qualche spigolo lungo la colonna è sempre riconoscibile e frequentemente prossimo a 120° di ampiezza.

Fig. 7 – Basalti colonnari in Auvergne, Francia

Fig. 8 – Rilievo di una sezione affiorante nella Giant's Causeway, Irlanda del Nord, dove i colori delle colonne sono assegnati in funzione del numero di quelle adiacenti: rosso per i rapporti quadrilateri, arancione pentagonali, verde esagonali, blu eptagonali e violetto ottagonali (di O'Reilly J.P., modificato da Goehring L., 2008)

Come si accennava poc'anzi, grazie a recenti studi basati su diverse osservazioni e prove sperimentali con sostanze che si prestano allo scopo, si sono potuti svelare alcuni dei meccanismi che regolano la geometria dei poligoni prodotti dalla contrazione. La giunzione a “Y” tra i vari poligoni, ovvero la formazione di angoli attorno ai 120°, sarebbe associata a ripetuti cicli di contrazione-rigonfiamento, ovvero raffreddamento-riscaldamento, che nel magma potrebbero essere alimentati dai fenomeni di convezione nel fluido in via di solidificazione. La giunzione a “T”, cioè con angoli attorno ai 90° (come quelli mostrati dal fango essiccato nella figura precedente), sarebbe invece prodotta da meccanismi di contrazione meno complessi.

Fig. 9 – Esperimenti di essiccazione controllata nell'amido di mais (http://www.lgoehring.com/Experiments_in_corn_starch.html)

In realtà, come risulta da recenti studi, i due pattern di fratturazione, rettangolare ed esagonale, potrebbero essere entrambi presenti durante la graduale contrazione della lava (e di altri materiali), pur in momenti diversi, in risposta a precise leggi fisiche. Lo schema ad angoli intorno ai 90° si produrrebbe infatti abitualmente negli stadi iniziali, con la comparsa delle prime fratture, le quali poi, con il procedere della contrazione, tenderebbero a proliferare e quindi a unirsi, assumendo, ad un certo punto, una configurazione più organizzata, caratterizzata da giunzioni a 120°, così stabile da preservarsi anche durante la progressiva penetrazione in profondità.
Per saperne di più:

• Dall'Olio N. (2004), Vedere il tempo – L'interpretazione dei fossili e degli strati nella scienza tra '600 e '700, Monte Università Parma Ed.
• Toscano M. (2006), “Nature catched in the fact” - Sperimentalismo e collezionismo antiquario-naturalistico nel Regno di Napoli, Veneto, Gran Bretagna tra il XVIII-XIX secolo, tesi di dottorato, Università degli Studi di Napoli “Federico II”.
• Goehring L. (2008), On the scaling and ordering of columnar joints, tesi, University of Toronto, Canada
• Chambers N. (2009), I contatti italiani di Sir Joseph Banks, in: Le scienze nel Regno di Napoli, a cura di Mazzola R., Collana “Filosofia e saperi” dell'Istituto per la Storia del pensiero filosofico e scientifico moderno del Consiglio Nazionale delle Ricerche, Aracne ed.
• Pantaloni M. (2013), Le pietre lanciate, Geoitaliani (http://www.geoitaliani.it/2013/12/le-pietre-lanciate.html)
• Tongiorgi M. (2013), Il nano e i giganti: idee della geologia tra il '700 e il '900, Naturalmente (http://www.naturalmentescienza.it).
• Ciancio L. (2013), I segni del tempo: teorie e storie della Terra, Treccani (http://www.treccani.it).
• Goehring L. e Morris S.W. (2014), Cracking mud, freezing dirt, and breaking rocks, Physics Today, vol. 67, issue 11, pp. 39-44.
• Hofmann M., Anderssohn R, Bahr H-A, Weiß H-J e Nellesen J. (2015), Why Hexagonal Basalt Columns?, Physical Review Letters 115, 154301.