El procés de formació de coves i avencs
La formació de coves s’ha de situar en el context, més general, dels processos erosius que s’encarreguen de desfer lentament la superfície de l’escorça terrestre. La majoria de les grans cavitats són el resultat dels processos de dissolució que tenen lloc al si d’algunes roques. El conjunt de morfologies i de processos físico-químics responsables de l’erosió, molt específica i fins i tot original, que es manifesta en tota mena de roques solubles, s’engloba dins l’estudi dels fenòmens i els materials càrstics.
La carstificació
Tall esquemàtic d’un sistema càrstic amb les morfologies més típiques. L’aigua s’infiltra al terreny per una sèrie de punts d’absorció (diàclasis, fissures “ponors”, engolidors, etc.) i després de circular subterràniament, apareix de nou als punts de sortida o ressurgències. Durant el seu recorregut va modelant per processos d’erosió mecànica i química, les formes superficials i subterrànies que caracteritzen els sistemes càrstics.
Jordi Corbera, a partir de fonts diverses
Moltes classes de roques, sotmeses a l’acció de la intempèrie o els efectes de les aigües d’infiltració, i en alguns casos durant la seva pròpia litificació, poden generar cavitats de molt diverses dimensions i característiques. Amb tot, la majoria de les cavernes explorades arreu del món, i quasi totes les coves turístiques, es troben en roques carbonatades (calcàries i dolomies, principalment). També hi ha cavitats desenvolupades per dissolució en guixos, sal, gresos i quarsites, encara que només en guix hi ha un nombre significatiu de cavitats, llargues però generalment poc profundes. Alguns tubs de lava originats en el curs de la solidificació de colades basàltiques a causa de la velocitat de refredament més gran de la superfície làvica poden assolir desnivells grans. En roques plutòniques, les cavitats, fruit principalment en aquest cas de fractures i fenòmens de tipus mecànic, són molt més rares.
La carstificació és un mecanisme erosiu molt singular. Actua per dissolució i modifica tant la superfície com l’interior del massis rocós. Reorganitza la topografia externa de l’aflorament de roca soluble (exocarst), col·lecta aigües d’escorriment superficial cap a l’interior i engendra xarxes tridimensionals de cavitats dins de la roca (endocarst), que condueixen l’aigua cap a les fonts o zones de surgència.
La intensitat de la carstificació depèn fonamentalment de la quantitat d’aigua disponible i de la concentració de diòxid de carboni que intervé en els equilibris químics amb els quals s’ha d’ajustar l’aigua en el seu trajecte a través del sistema càrstic. En darrer terme, ambdós controls estan relacionats amb el clima, ja que la quantitat d’aigua disponible és funció directa de les precipitacions i, per altra banda, la concentració de diòxid de carboni equilibrant és condicionada indirectament per la temperatura ambiental. L’augment de temperatura provoca un increment considerable de l’activitat biològica edàfica i converteix el sòl cobert de vegetació en una font de diòxid de carboni importantíssima. Està demostrat que la notable intensitat de la carstificació que es manifesta als climes tropicals és deguda, principalment, a causes biològiques. El desenvolupament del carst és afavorit per climes plujosos i càlids, que faciliten quantitats importants d’agent erosiu (aigua) i d’agressivitat química potencial (elevades concentracions de diòxid de carboni).
Els condicionants de l’erosió càrstica
La litologia i la textura de la roca, les línies de fracturació existents (diàclasis i falles), l’estructura geològica i altres factors topogràfics, com la diferència d’altitud entre l’exocarst i les zones de surgència, condicionen de manera decisiva l’abast i el desenvolupament de la carstificació. Es tracta d’un procés especialment dinàmic, controlat per la magnitud de les precipitacions, les seves condicions d’infiltració, la temperatura de les aigües que transiten per l’interior del terreny i, en el cas de la calcària, per les concentracions de diòxid de carboni presents als diversos subsistemes càrstics. Entre les roques solubles, el guix i la sal gemma es dissolen directament en aigua sense la intervenció de cap altra substància química. En canvi, les roques constituïdes per carbonat càlcic o magnèsic (calcàries, marbre, dolomies) són molt poc solubles a l’aigua. Només quan aquesta ha incorporat una certa quantitat de diòxid de carboni, formant àcid carbònic, el carbonat càlcic de la roca s’arriba a dissoldre en proporcions significatives i es produeix erosió càrstica. La disponibilitat de diòxid de carboni és garantida per la presència d’aquest gas a l’atmosfera i, d’aquesta manera, l’erosió càrstica de la calcària és un fet, si les precipitacions són suficients.
L’erosió càrstica de la roca calcària és el resultat de la dissolució de la calcita, que és el principal constituent d’aquestes roques. Altres minerals, com l’aragonita o la dolomita, també poden formar part de les roques carbonatades amb mecanismes de dissolució semblants, per bé que difereixen de la calcita quant a la cinètica de dissolució. Encara que la calcita és poc soluble en aigua pura, l’aigua que es troba en condicions naturals conté quantitats apreciables de diversos àcids que incrementen molt la solubilitat del mineral. A més, el diòxid de carboni es produeix al sòl com a conseqüència de l’activitat biològica: és el producte resultant de la respiració de les arrels i dels animals edàfics, i de la descomposició de la matèria orgànica duta a terme pels bacteris aerobis i els fongs. Altres àcids orgànics, com els àcids húmics o els procedents de l’oxidació de substàncies d’origen hipogènic, com el sulfur d’hidrogen, també poden intervenir en la dissolució de la calcita (i, per tant, de la calcària) i ser causa d’erosió càrstica.
El resultat dels fenòmens càrstics
L’erosió càrstica es va començar a estudiar al final del segle XIX a la regió eslovena del Kras, llavors fronterera entre Àustria i Itàlia i anomenada Karst en alemany i Carso en italià. El nom germanitzat de Karst va passar a la literatura geològica amb el significat de regió constituïda per roques solubles en la qual es manifesten tres trets significatius: el predomini de la dissolució química sobre l’erosió mecànica, la progressiva simplificació de la xarxa hidrogràfica superficial i el desenvolupament d’una xarxa de drenatge subterrània que implica la formació i el creixement de coves a l’interior de la roca. El paisatge i la hidrogeologia del Kras eslovens presenten nombroses característiques distintives. Depressions i fondalades en el terreny, juntament amb engolidors de les aigües superficials configuren un paisatge esquerp i eixut. Fonts i aqüífers, com a conseqüència de la presència de cavitats subterrànies, modifiquen substancialment el seu comportament. Aquests són, per altra banda, els principals trets específics del carst a tot el món: des de la Colúmbia Britànica canadenca fins al Vietnam; des del Nullarbor australià o la península de Yucatán fins als carsts alpins del Caucas o dels Picos de Europa.
Les formes càrstiques
Els fenòmens resultants de la carstificació de la calcària són espectaculars des d’un punt de vista geomorfològic: paisatges complexos caracteritzats per estranyes xarxes hidrogràfiques; abundoses depressions en forma d’embut (dolines) que interrompen la continuïtat dels vessants; superfícies rocoses esculpides per la corrosió de l’aigua de pluja (rasclers o esquetjars); cavitats que travessen muntanyes i profunds avencs que condueixen verticalment les aigües d’infiltració cap a l’interior de la roca. També són espectaculars les conseqüències hidrològiques de la carstificació: rius que desapareixen sota terra; engolidors que recapten valls; fonts cabaloses que mostren fortes oscil·lacions durant l’any i aqüífers de difícil explotació. Les coves i els avencs, que creixen i evolucionen a l’endocarst a mesura que progressa la carstificació, són en gran part els causants del peculiar paisatge càrstic i del comportament hidrològic dels aqüífers que s’estableixen a l’interior dels materials calcaris.
Generalment, les morfologies exocàrstiques es caracteritzen per promoure i facilitar la infiltració, i tendeixen a desarticular la xarxa hidrogràfica superficial en benefici de depressions sense sortida com les dolines i els pòlics, que recullen l’aigua i la condueixen cap a l’endocarst. Es tracta, per tant, d’estructures absorbents que col·lecten amb eficàcia les aigües d’escorriment superficial, i contribueixen així a l’alimentació de l’aqüífer càrstic. Les morfologies exocàrstiques no són, malgrat tot, estructures estàtiques, sinó que la seva pròpia evolució en el temps els permet augmentar de dimensions i canalitzar quantitats creixents d’aigua cap a les fissures sub-superficials, provocant el seu progressiu eixamplament. La formació de cavitats verticals o avencs està estretament associada amb aquests processos d’eixamplament per dissolució, a nivell de les fractures que presenta l’aflorament de roques carstificables.
Després de transitar verticalment, a favor de la gravetat, les aigües d’infiltració segueixen la seva acció química de dissolució a l’interior del massís calcari; especialment a la zona de l’aqüífer que resta inundada per sota del nivell freàtic. Tot i que s’ha discutit molt sobre l’existència d’una zona freàtica veritable en els aqüífers càrstics, actualment s’accepta, amb certes matisacions, que la majoria de terrenys càrstics presenten una zona en la qual tots els porus, intersticis i conductes estan plens d’aigua. També s’admet que la presència de grans conductes, pels quals l’aigua circula a una velocitat més gran, pot distorsionar considerablement la forma del nivell freàtic. Les observacions i les teories espeleogenètiques disponibles atribueixen a la part superior d’aquesta zona inundada, on les aigües flueixen horitzontalment, la capacitat més gran de formar coves.
La dinàmica de la carstificació
Probablement la majoria de les cavernes de recorregut horitzontal comencen a formar-se sota el nivell freàtic, i evolucionen més endavant com a rius subterranis, fins que el descens dels nivells de surgència (per enfonsament de la xarxa hidrogràfica) deixa desconnectats aquests conductes del recorregut horitzontal de l’aigua. Com que la història geològica de la carstificació d’un massís calcari abasta sovint milions d’anys, l’endocarst no consta només de cavitats i de conductes actius, sinó que també conserva vestigis d’antigues línies de drenatge. Quan les velles cavitats queden progressivament desconnectades de les principals rutes de drenatge subterrani, comencen a reblir-se de sediments i d’estalagmites. Les darreres etapes de la carstificació es caracteritzen pel reompliment de les antigues cavitats i pel descens de la superfície exocàrstica com a conseqüència del seu rebaixament continuat per erosió externa.