Frane a forte componente orizzontale causate da sottili livelli particolari: gli "Orizzonti Proni allo Scivolamento" come importante causa di fenomeni franosi

Quando a seguito di un crollo improvviso si capisce che il problema stava in una debolezza di base non considerata, si parla di gigante con i piedi di argilla. Questo vale in tutti i campi, da quello naturale a quello economico. In Geologia alcune frane hanno origine proprio dalla presenza alla base di pareti rocciose (anche alte centinaia di metri) di minime discontinuità litologiche. Avevo detto in un post precedente che in Inghilterra le frane sono un fenomeno quasi sconosciuto, tranne che su aree costiere. A leggere letteralmente il termine “landslide” si percepisce bene il senso di uno scivolamento e non di un crollo: questo perché la maggior parte delle frane di quel Paese sono proprio degli scivolamenti lungo una superficie spesso suborizzontale o inclinata di pochi gradi su degli orizzonti particolari, che si attivano all'improvviso: spessi pochi centimetri ma capaci di far collassare tutto quanto sta loro sopra, sono denominati SPH (Slide Prone Horizons – orizzonti proni agli scivolamenti) e spesso sono di difficilissima rilevazione. Per parlare di questo argomento è venuto a Firenze il professor Edward Bromhesd dell'Imperial College di Londra, uno dei massimi esperti mondiali dell'argomento. Pubblico volentieri un post su questo argomento, anche per i tristissimi riflessi di casa nostra: dopotutto anche la tragedia del Vajont è nata da un SPH....

Quella parete di roccia sembrava eterna: una scogliera di argille, arenarie e calcari sedimentatasi in un ambiente che cambiava di continuo: depositi di mare poco profondo, di laguna, delta e pianura costiera mescolati in un insieme disordinato. Una manna per i paleontologi, che vi trovavano ogni genere di animali, dai molluschi a resti di grandi vertebrati.

D'accordo, l'erosione agisce sempre e in continuazione, dilavando la roccia e generando numerosi, piccoli crolli; ma un giorno tutto questo ben di Dio si afflosciò miseramente ed improvvisamente su se stesso. La massa principale si spostò di parecchi metri, rimanendo comunque in gran parte intatta, pur se in una posizione più bassa di prima e inclinata.

La cosa incredibile è che tutto questo caos è stato guidato da un livelletto di pochi centimetri di spessore che non era stato riconosciuto. Questa sezione in particolare è sull'isola di Wight e il livello che ha causato il pandemonio è situato alla base del Gault, una argilla del Cretaceo inferiore.

Ma come è possibile che uno straterello di 3 centimetri possa mandare in crisi una serie di rocce spessa decine di metri? Semplice, basta che sia un “orizzonte prono allo scivolamento", meglio noto come SPH, Slide Prone Horizon, una denominazione ideata da John Hutchinson e da Edward Bromhead nel 2002.

Gli SPH sono delle bombe a orologeria: livelli particolari o per composizione o perché lungo essi si individua una discontinuità; la loro resistenza meccanica (in special modo a sforzi di taglio) può abbassarsi in maniera drastica ed improvvisa, di solito per colpa delle piogge.

Insomma, un corpo roccioso è tenuto insieme semplicemente grazie alle forze di attrito. Ecco, l'improvviso crollo della resistenza al taglio in quello straterello vi annulla le forze di attrito per cui tutto quello che sta sopra scivola via.

Come si vede da questa carta, presa dal lavoro di Edward Bromhead "Reflections on the residual strength of clay soils, with special reference to bedding-controlled landslides", pubblicata nel 2013 nella rivista Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology, l'Inghilterra sudorientale è costituita da sedimenti che si sono formati tra Mesozoico e Terziario in una piattaforma continentale di mare piuttosto basso. La serie comprende litotipi diversissimi (argille, gessi, calcari, arenarie); le formazioni più note sono il Gault e i gessi bianchi di Dover del Cretaceo e la London Clay del Terziario inferiore.

FERROVIE E FRANE NELLA PRIMA METÀ DEL XIX SECOLO IN INGHILTERRA

Per addolcire al massimo le pendenze, come in tutto il mondo, le dolci colline del Kent e del Sussex sono state oggetto di tagli quando si è trattato di far passare le prime ferrovie. Lungo queste trincee sono avvenute spesso delle frane.

I primi casi documentati risalgono praticamente all'inizio di questa pratica nel XIX secolo. Nel 1839 fu aperta una ferrovia per collegare Londra con Croydon, una cittadina a sud della capitale inglese. La realizzazione comprendeva alcune trincee nella London Clay, delle quali una nel novembre 1841 fu interessata da una frana. Vediamo una riproduzione del disegno originale di C.H. Gregory del 1844, che distinse la parte alterata (in marrone) e quella in buone condizioni (in blu) della London Clay.

Gregory riteneva fosse stata colpa dell'acqua o perché aveva alterato i minerali o perché aveva aumentato la pressione dei liquidi, ma nel contempo capì che il movimento franoso aveva avuto una forte componente orizzontale; analogamente Robert Stephenson, figlio del leggendario George, descrisse una frana simile in un'altra trincea vicino a Northampton, Blisworth Cutting. Bliswoth Cutting è stata una operazione molto complessa per l'epoca: lo scavo interessò roccia impregnata di acqua e franò qualche anno dopo la sua costruzione. Il movimento aveva interessato una zona più o meno al contatto fra le argille di Blisworth e i sovrastanti calcari. In seguito all'evento, furono realizzati diversi muri di contenimento, a più livelli. In entrambi i casi nessuno pensò all'epoca che quella superficie suborizzontale fosse la causa del movimento e non il suo effetto.

Una interpretazione diversa fu data a proposito di un'altra frana, in occasione dell'incidente di Sonning Cutting a ovest di Londra, nel dicembre 1841, da un dipendente della Great Western Railway, compagnia ferroviaria esercente quel tratto di ferrovia (su Google Books ho trovato al proposito documenti dell'epoca!). La frana provocò il deragliamento di un treno, con diversi morti e feriti. Tal Bertram, dipendente della ferrovia, disse che il giorno prima era tutto regolare: c'erano delle fratture ma erano state sistemate e lo scorrimento non aveva interessato la zona delle fratture ma quella accanto.

Per Bertram lo scivolamento era avvenuto lungo uno strato orizzontale che si era indebolito sul quale erano diventate nulle le forze di attrito e attribuì alle stesse cause la frana di Croydon. Vediamo qui sotto il disegno. In rosso, indicato dalla freccia, l'orizzonte che si è mosso

UN TIPO DI FRANE MOLTO PARTICOLARE

È divenuto poi chiaro che le frane di questo tipo nell'Inghilterra Orientale, sia nelle trincee artificiali che lungo le coste, avvengono per movimenti orizzontali lungo una superficie che improvvisamente perde consistenza, appunto gli "Slide Prone Horizons".

Ma come si formano questi orizzonti malefici?

Potrebbe sembrare logico che si tratti di una rottura progressiva lungo il contatto fra due materiali diversi. Ma la realtà è diversa.

Una buona parte di questi livelli condivide una caratteristica, la forte percentuale di argilla smectitica, risultato dell'alterazione di materiali di origine vulcanica: durante la sedimentazione della London Clay sull'Inghilterra si sono deposti dei livelli di ceneri prodotte da attività vulcanica trasportata dai venti a grande distanza. Si parla ovviamente di eruzioni di grandi proporzioni (c'è anche la possibilità di una risedimentazione in mare di ceneri deposte sulla terraferma).

In questa foto, fornitami personalmente da Bromhead, si vede proprio un piccolo orizzonte fatto di ceneri provenienti da una eruzione vulcanica che potrebbe essere avvenuta a centinaia se non migliaia di km di distanza. Notate sopra e sotto quella parte un po' giallastra che deriva da alterazione del ferro.

Non ho analisi su questi tufi, ma le possibili provenienze possono essere ad ovest il vulcanismo delle fasi precoci dell'apertura dell'Oceano Atlantico settentrionale e a sud il vulcanismo legato alle questioni alpino – mediterranee e anche il magmatismo terziario intraplacca diffuso a pelle di leopardo in Europa Occidentale. Insomma.. sì... grossolanamente dal Mesozoico ad oggi l'Inghilterra non ha subìto forti disturbi tettonici ma non si è trovata lontanissima da zone in cui vulcanismo e tettonica erano un affare serio.

I problemi, specialmente nella London Clay, sono due:

• non è facile trovare un intervallo argilloso in mezzo a delle … argille
• non tutti questi intervalli hanno il potenziale distruttivo

La London Clay è di età terziaria. Anche i sedimenti di Giurassico e Cretaceo dell'Inghilterra orientale contengono molti SPH; alcuni sono vulcanici, ma la maggior parte di questi ha un'altra origine: sono giunzioni fra litologie diverse o si sviluppano lungo superfici che derivano da interruzioni nella sedimentazione. Ne vediamo un esempio nella Fairlight Clay del Sussex.

Un cambio di litologia o una lacuna di sedimentazione in ambienti come quelli tipici dell'ambiente di sedimentazione delle rocce dell'Inghilterra orientale sono dovuti essenzialmente a variazioni del livello marino e l'apertura dell'Atlantico settentrionale ne rappresenta una ottima motivazione, ma nel Mesozoico ci sono state anche imponenti variazioni del livello marino a scala globale (soprattutto nel Maastrichtiano).

Un problema piuttosto importante è che non sempre gli SPH sono facilmente distinguibili. È successo anche che siano stati visti solo effettuando delle perforazioni in roccia fresca perchè l'alterazione tende spesso a mascherarli 

ITALIA E ORIZZONTI PRONI ALLO SCIVOLAMENTO

E in Italia?

Anche in Italia ci sono orizzonti del genere.

Il più tristemente noto è quello del Vajont, dovuto ad un misero orizzonte prono allo scivolamento di appena 10 centimetri di spessore.... a vedere il risultato sembra una cosa incredibile...

Ma ce ne sono tanti altri e il bello è che la regione italiana è fra quelle dove attualmente abbiamo un ottimo potenziale di sviluppo di SPH: primariamente con tutti i prodotti che negli ultimi 100.000 anni i vulcani hanno emesso. Secondariamente le continue variazioni del livello marino hanno prodotto numerose discontinuità nella sedimentazione.

È evidente che gli SPH rappresentano un rischio importante e – spesso – di difficile rilevamento.

Una questione importante è la posizione dell'orizzonte nei confronti della falda acquifera: il rischio maggiore infatti lo si ha quando, per le piogge o per interventi antropici, la superficie della falda si innalza e li raggiunge. L'arrivo dell'acqua abbassa violentemente e drasticamente la resistenza al taglio di questi livelli e se la roccia sovrastante esercita uno sforzo idoneo, ecco che abbiamo lo scivolamento, che è improvviso e non sempre fornisce dei segni premonitori.

Al Vajont, evento scatenato dalle forti piogge, i segni premonitori erano le fratture che si sono formate nella parte superiore di quello che stava diventando il corpo di frana (visibili in questa celebre foto di Edoardo Semenza)