Geyser

 

I geyser sono, senza dubbio, tra i fenomeni geologici più affascinanti della Terra, eppure si sa ancora poco sulla loro struttura idrogeologica in profondità.

Sinteticamente, i geyser sono sorgenti che eruttano a intermittenza miscele di vapore e acqua liquida (White 1967). Possono essere periodiche o irregolari e il loro tipo di eruzione può variare nel tempo. Essi sono, generalmente, associabili ad aree che hanno visto una qualche attività magmatica nel passato.

Il termine deriva dalla parola islandese geysir che significa “sgorgare”. Tale termine è anche il nome di un geyser (appunto il Geysir detto anche Gran Geysir) situato nel campo geotermico della Valle di Hauka, nell'Islanda sud-occidentale e che ha dato il nome a tutta una serie di fenomeni simili. Tale sorgente idrotermale, attivata a seguito di un terremoto, emetteva acqua bollente almeno dal XIII secolo e con un'altezza media dei suoi getti (Plumes) di circa 60 metri dal suolo. Nel corso di una fase attiva del 1845 il suo getto raggiunse un'altezza record di circa 170 metri. Adesso, il Gran Geysir è praticamente inattivo dal 1916 (a differenza del geyser Trokkur situato a breve distanza che è in una fase di forte attività). Si ritiene che, il declino del Gran Geysir sia imputabile alla cattiva usanza di gettare sassi e monetine all'interno del suo condotto.

Sparsi nel mondo ci sono molti campi geotermici che producono sorgenti calde, ma solo pochi di questi campi producono geyser (si contano appena un migliaio di geyser tuttora attivi). I più noti di tali campi geotermici si trovano in Islanda, in Nuova Zelanda, in Kamchatka (estremo oriente Russo), in Cile, negli USA e più precisamente nello Yellostone National Park (Parco Nazionale dello Yellostone) dove se ne contano circa 300. Un tempo se ne trovavano parecchi in Giappone ma adesso sono tutti “estinti”.

Esistono determinate condizioni locali ritenute necessarie affinché si verifichi l'attività di geyser. Tuttavia, alcun di queste condizioni devono essere chiarite fino in fondo e, pertanto sono ancora oggetto di studio. Inoltre, i geyser, spesso, presentano meccanismi eruttivi differenti, il che complica i tentativi di definire un insieme rigoroso di condizioni necessarie affinché si verifichi il “fenomeno” geyser.

Tuttavia, ci sono alcuni dettagli di cui si ha certezza come, la presenza di una fonte di calore sotterranea (un magma) il quale, trasferisce (per conduzione) calore ad un corpo roccioso sovrastante che, a sua volta lo trasmette (il calore) ad un volume di acqua sotterranea. Quest'ultimo trasferimento di calore deve essere tale da far raggiungere all'acqua temperature elevate. Deve instaurarsi un moto convettivo che fa si l'acqua riscaldata risalga in superficie, dove erutta verso l'alto in maniera esplosiva,( ad opera del vapore in espansione generato per decremento della pressione) per poi ridiscendere in profondità e ricominciare il ciclo. Il tutto si esaurisce quando, il sistema non perde la capacità di sviluppare vapore.

L'esaurirsi della capacità di sviluppare vapore può avvenire per esaurimento dell'acqua o per esaurimento dell'energia dovuta alla perdita di vapore e acqua calda, o ancora per “spegnimento” del geyser da parte di un afflusso di acqua più fredda che può essere acqua di falda o acqua del geyser stesso, già eruttata e che si è raffreddata tramite contatto con l'aria.

Uno dei meccanismi di funzionamento dei geyser più “accreditati” (anche per la sua alta casistica) è quello per il quale (sempre in presenza di un corpo magmatico sottostante e di uno idrico sovrastante) l'azione eruttante è causata dall'improvviso rilascio della pressione (Pressione litostatica), pressione che ha confinato l'acqua calda nella parte più bassa del condotto del geyser. Questa diminuzione di pressione consente la formazione di bolle di vapor acqueo o altri gas le quali, trascinano l'acqua calda in superficie e oltre, tramite lo sfiato del condotto e, la pressione della colonna d'acqua più in profondità diminuisce.

Siccome, in un fluido, come la stessa acqua, al diminuire della pressione diminuisce anche la temperatura di ebollizione, ne consegue che l'acqua raggiunge di nuovo e più facilmente l'ebollizione (a temperature più basse) con conseguente formazione di bolle, appunto, che consentono l'inizio di un'altra fase di risalita nel condotto fino alla fuoriuscita dallo sfiato e dunque, un nuovo ciclio di carica e scarica. E' quindi facile cosi, comprendere l'intermittenza che caratterizza i geyser. Il sistema si fermerà quando si esaurirà la riserva di acqua bollente.

In realtà, l'andamento dei cicli di carica e scarica dei geyser, è ancora da studiare, a causa della diversa e complessa morfologia dei condotti e delle intricate reti di fratture che li alimentano.

In realtà, il meccanismo in assoluto più diffuso, almeno nei geyser islandesi osservati dallo studioso MacKenzie, è quello dei geyser con struttura “a sifone”. In breve, il sistema consta di un serbatoio costituito da una roccia permeabile e da un tubo (condotto) a U che collega il “serbatoio” con la superficie (si veda Fig.1; “Struttura a Sifone con fessure di alimentazione (in blu) e corpo magmatico intrusivo (in bordò)”. Tutto intorno al serbatoio la roccia è più o meno impermeabile (sono presenti fessure di dimensioni varie) e l'acqua viene riscaldata da un magma sottostante, per conduzione. L'acqua meteorica rifornisce il “serbatoio” dall'alto, penetrando dalle fessure (precedentemente menzionate) che collegano la superficie topografica al “serbatoio” stesso. Si tratta, generalmente, di acqua meteorica, come detto sopra, e non di acqua juvenile (ovvero quella prodotta dal magma stesso), come dimostrato dagli isotopi stabili di ossigeno e idrogeno, anche se, in effetti, si nota un certo “arricchimento” di questi, causato però, probabilmente dall'ebollizione nonché dal riciclo di questa acqua nel circuito del geyser.

Fig.1; “Struttura a Sifone con fessure di alimentazione (in blu) e corpo magmatico intrusivo (in bordò)".

Allora, ritornando al meccanismo di cui sopra, quando il livello dell'acqua, all'interno del “serbatoio”, raggiunge la “soglia” di collegamento idraulico del sistema “serbatoio – condotto a U” (ovvero “sifone”) l'acqua comincia a tracimare e riempire il condotto, portandosi sempre più verso la superficie ,ovvero, verso lo “sfiato”. Questo innalzamento del livello idrico nel “sifone” avviene in concomitanza con l'approvvigionamento idrico dall'esterno del “serbatoio”. Fino ad un certo punto, l'acqua resta confinata nel “sifone” a causa della pressione della roccia sovrastante (Pressione litostatica) ma, man mano che il livello idrico si avvicina alla superficie topografica, la Pressione litostatica diminuisce fin quando è talmente bassa da consentire la formazione di bolle di vapor acqueo all'interno del “sifone” le quali, fanno “esplodere” l'acqua in esso contenuta, fino in superficie e oltre, fino ad una certa altezza H del getto.

Il fenomeno di tale scarico d'acqua (che avviene con il tipico pennacchio del geyser ovvero “Plume”) continua fin tanto che il serbatoio rifornisce il “sifone”, ovvero, fino a quando il livello dell'acqua nel “serbatoio” è quello della “soglia” di collegamento “serbatoio” - “sifone”. Ma quando il livello dell'acqua va sotto il livello della “soglia” il sistema si arresta e bisogna aspettare che le acque meteoriche riportino il livello dell'acqua del “serbatoio” quantomeno al livello della “soglia” ricominciando la fase di scarico descritta in precedenza. La Periodicità del sistema sta proprio in questo lasso di tempo necessario per ricaricare il “serbatoio”.

Ma più in dettaglio, quel è allora la differenza tra Periodicità e Intermittenza di un geyser? La Periodicità è la proprietà di un geyser di eruttare in maniera “ciclica” ovvero, con intervalli di tempo pressoché costanti. Questa proprietà varia da geyser a geyser e ne costituisce una sorta di firma, di identità intrinseca dettata dalla specifica forma e lunghezza del condotto di risalita o dal volume del serbatoio, dalla distanza dal corpo magmatico intruso, dalla temperatura di detto corpo intrusivo, ecc. Invece, con Intermittenza, ci si riferisce alla caratteristica di un geyser, di eruttare in modo non continuo e in intervalli variabili che possono variare da alcuni minuti a qualche ora o giorno e che, possono essere dipendenti da, per esempio, un evento piovoso particolare, ecc.

Dunque, una fattore importante da tenere a mente è che le eruzioni dei geyser iniziano sempre con scarico di acqua a temperature inferiori al punto di ebollizione e formazione di una “fontana” dominata da acqua liquida che progressivamente diventa sempre più ricca di vapore acqueo (dunque formazione del pennacchio del geyser) prima di terminare con un fase di quiete . Le bolle e il vapore svolgono un ruolo centrale nel trasferire calore all'acqua calda nel condotto e nel guidare l'eruzione (Kieffer 1989 ; Adelstein et al. 2014).

Adesso risulta lecito domandarsi perché una comune sorgente termale non ha una portata Q e in definitiva una altezza H del getto così “critica” quanto quelle di un geyser, nonostante le fonti di calore e acqua siano molto simili. Il motivo risiede nel fatto che, nelle principali aree di attività dei geyser (campi), si riscontra un'acqua contenente un alto tenore in Silice. Infatti, l'acqua estremamente calda presente in profondità, solubilizza e prende in carico la Silice dalle rocce circostanti (questa acqua contenente Silice è estremamente ricca in elementi quali Fe, Mn, Au, Ag, Hg, ecc.). Ma quando si è a temperature inferiori, ovvero un prossimità della superficie, l'acqua diventa “soprassatura” in Silice e pertanto, si deposita per precipitazione (processo di sinterizzazione) formando la cosiddetta “geyserite” costituita da Opale-A (Rinehart, 1980).

Questa deposizione della Silice amorfa (geyserite) lungo le superfici dei suoi canali di flusso vicino al livello del suolo porta alla occlusione, sigillazione di tutte le vie principali verso l'atmosfera esterna, tranne una o due, intrappolando il flusso in queste strutture dominanti. Queste vie principali hanno maggiori probabilità di subire erosione a causa dell'aumento del flusso che le attraversa, aumentando, ulteriormente, il volume che possono trasportare (ovvero la Portata Q). Questo processo avviene sia per rimozione meccanica che per soluzione. La perdita di calore diminuisce perché l'acqua entra in contatto con una superficie più piccola della roccia circostante o del mezzo sedimentario e, se sottoterra si verifica un'ebollizione sufficiente da produrre vapore in espansione che, espellerà violentemente l'acqua ad una certa altezza sopra di esso, si avrà la transizione tra sorgente termale e un geyser.

Esistono "geyser" nel mondo la cui acqua eruttata ha una temperatura molto inferiore a quella di ebollizione. In questi casi, il mezzo gassoso che spinge l'acqua non è il vapore acqueo, ma un gas "permanente" come il CH4 e la CO2 (metano e anidrite carbonica). Questi gas si liberano in bolle dall'acqua per “essoluzione” (processo per il quale si ha la separazione di due fasi da una soluzione prima omogenea) che avviene, allorquando, la Pressione litostatica diminuisce a causa della trivellazione d un pozzo. Questi particolari tipi di geyser sono conosciuti come geyser "gassosi" o "ad acqua fredda" o semplicemente “freddi”. Sono noti, altresì, i geyser dove il gas è l'anidride solforosa SO2 (sulla luna di Giove) che espellono SO2 liquida e gassosa e a chilometri più in là dalla superficie.

Andiamo a vedere adesso i vari comportamenti e le diverse tipologie di geyser.

Per analizzare il comportamento di un geyser dobbiamo considerare almeno un intero ciclo della sua attività. In questo articolo (Post), un ciclo sarà considerato come se iniziasse subito dopo la fine di una eruzione e terminasse subito dopo la fine della successiva.

Esiste un'ampia gamma di comportamenti dei diversi geyser. Alcuni geyser sono molto piccoli, eruttando ad altezze inferiori al metro, con periodi generalmente dell'ordine di minuti e volumi di scarico ridotti. Questi hanno una geometria corrispondentemente ridotta e le bocche possono avere un diametro di pochi centimetri con una profondità di poche decine di centimetri. Altri sono in grado di produrre pennacchi spettacolari fino ad altezze di circa 100 metri e hanno periodi che possono arrivare fino a un mese circa. I geyser a pozza più grandi possono avere le loro bocche sul fondo di bacini più larghi di cinquanta metri e profondi fino a venti metri. Alcuni geyser hanno una durata eruttiva molto breve rispetto al loro periodo complessivo, mentre altri hanno una fase di quiete così breve da essere quasi inesistente. Ci sono geyser il cui periodo e altre caratteristiche rimangono abbastanza costanti per anni, persino secoli, mentre altri cambiano notevolmente nello stesso arco di tempo. Alcuni sono piuttosto effimeri, durando solo pochi giorni o anni. Alcuni eruttano solo poche volte all'anno e le loro eruzioni non possono essere previste. Altri eruttano secondo un calendario più o meno osservabile. Quelle che eruttano raramente e in modo imprevedibile possono essere definite non periodiche, mentre quelle che eruttano con una certa regolarità possono essere definite periodiche. Molti geyser sono collegati ad altre forme geotermiche vicine, alcune delle quali agiscono in concerto con esse, altre in modo antagonistico. Infatti, nella figura che segue (Fig.2; “Sezione schematico – illustrativa del sottosuolo geyser Whakarewarewa”) mostra come un geyser (appunto il Whakarewarewa) possa essere in stretta connessione idraulica profonda con altre forme geotermiche vicine quali sorgenti, piscine, fumarole le cui attività possono influire sulle dinamiche del geyser stesso alterando, per primo, il volume del serbatoio (dunque la Portata) del geyser stesso. In alcune aree, l'apparente estinzione di un geyser sarà contrassegnata dalla comparsa di un nuovo geyser o dalla ripresa dell'attività di uno dormiente nelle vicinanze, a indicare che il "sistema idraulico" delle diverse forme è interconnesso.

     Fig.2; “Sezione schematico – illustrativa del sottosuolo geyser Whakarewarewa”,

Più specificatamente, per esempio, si è osservato nel geyser Whakarewarewa che, le variazioni negative (da 20 a 100 m3) di volume nel serbatoio più superficiale del geyser, sono di gran lunga maggiori di quelle disperse a causa dell'eruzione. Dunque, questo porta a pensare che, il serbatoio superficiale del geyser “rifornisca”, contemporaneamente, anche altre strutture vicine ad esso.

Il ciclo di alcuni geyser periodici è caratterizzato da un riempimento lento e uniforme fino al momento dell'eruzione. Altri presentano cicli complessi con diverse fasi chiaramente definite che possono includere stasi, recessione, riempimento, oscillazione, traboccamento ed eruzioni maggiori e minori. Tuttavia, non tutti i geyser presentano fasi ben definite all'interno di un ciclo; può essere difficile distinguere tra l'inizio di un'eruzione maggiore e una fase pre-eruzione, o tra la fine dell'eruzione e l'inizio della fase di riempimento.

Per quanto riguarda l'aspetto, esistono due tipi principali di geyser di superficie: Abbiamo geyser a fontana o a piscina e geyser colonnari. I primi hanno le bocche (sfiati) sommerse in una pozza d'acqua, che cattura parte o la maggior parte dell'acqua eruttata. La superficie dell'acqua è generalmente calma, tranne immediatamente prima e durante un'eruzione. L'eruzione è caratterizzata da espulsioni d'acqua dalla bocca, mentre grosse bolle di vapore salgono attraverso la bocca nella pozza. Le espulsioni sono intermittenti per tutta la durata dell'eruzione. Durante l'eruzione, il livello dell'acqua nella pozza rimane pressoché costante, sebbene possa scendere o salire subito dopo o durante la fase di ricarica. Invece, i geyser colonnari non hanno pozze e tutta la portata viene dispersa dal sistema. Un sottoinsieme di questi sono i geyser a cono, così chiamati per il cono di sinterizzazione che circonda l'uscita.

Poi abbiamo i geyser sotterranei dove si ha l'espulsione turbolenta intermittente di vapore e gas all'interno delle parti sotterranee di una bocca. L'acqua viene espulsa sopra la falda freatica generale, ma quest'ultima è troppo profonda perché l'acqua liquida possa emergere sopra il livello del suolo; tutta l'acqua eruttata che rimane liquida alla fine ritorna nel sistema. Più profonda è la falda freatica, più vigorosa deve essere l'eruzione per espellere l'acqua in superficie. Molti geyser hanno una o più eruzioni sotterranee tra gli intervalli di scarico superficiale e quindi, ogni eruzione sotterranea può quindi essere considerata una “sottofase” dell'intero ciclo eruttivo. Poi abbiamo il caso dell'eruzione della falda acquifera con emissione intermittente di acqua da una singola falda acquifera o da una parte dell'intero sistema di bacini. Questa emissione intermittente può manifestarsi come un vero e proprio geyser o come un geyser sotterraneo e può anche essere associata a una scarica continua da un'altra falda acquifera, con conseguenti pulsazioni o variazioni nella portata di una singola sorgente o pozzo alimentato da queste molteplici falde. Il concetto secondo cui due o più falde acquifere o parti separate del bacino totale possano scaricare ciascuna in modo continuo o intermittente è utile per comprendere il comportamento complesso di molti geyser, sorgenti pulsanti e pozzi geotermici. Lang affermò che un aumento delle precipitazioni aumenterà la frequenza delle eruzioni in alcuni casi (Lang, 1880, citato da Allen e Day, 1935). Tuttavia, ciò potrebbe essere dovuto a una pressione barometrica più bassa durante un intervallo piovoso. Un'elevata pressione barometrica può causare una diminuzione della frequenza.

Il sistema geyser è un sistema complesso e allo stesso tempo alquanto fragile. Le cause del declino o dell'estinzione di un geyser possono essere di due tipi: Ovvero, cause naturali e cause antropiche.

Tra le cause naturali abbiamo i “cambiamenti climatici” i quali, si estrinsecano con un'alterazione dei regimi pluviometrici e il conseguente instaurarsi di fenomeni di siccità che comportano difficoltà e ritardi nella ricarica idrica dei serbatoi dei geyser. Questo è il caso, per esempio, dell'Old Faithful, un geyser situato nello Yellostone National Park (Parco Nazionale dello Yellostone) che, secondo alcuni studi, proprio a causa del diminuire dell'afflusso delle acque meteoriche, ha subito un aumento dell'intervallo di tempo tra una eruzione e l'altra di circa 2 – 3 minuti.

Altra causa di declino se non di estinzione di un geyser è costituita dal verificarsi di terremoti. Un terremoto può agire negativamente sull'attività di un geyser in modi diversi. Può semplicemente creare nuove fessure da cui l'acqua può risalire in superficie “decomprimendo” il sistema geyser o meglio il condotto di risalita dell'acqua in un geyser. In parole povere, l'acqua può uscire da più punti diminuendo così la pressione P e la portata Q del condotto del geyser.

Altra modalità con la quale un terremoto più inficiare sul funzionamento normale di un geyser è riconducibile alla natura stessa delle sue onde (onde sismihe) le quali, al passaggio in un tubo a luce ridotta e contenente un fluido (il nostro condotto di risalita dell'acqua) si comportano come onde elastiche di tipo “compressivo”, confinando l'acqua all'interno del condotto e, altresì, inibendo la formazione delle bolle di vapore acqueo che costituiscono il vettore per la risalita dell'acqua in superficie.

Altro motivo del declino o della totale estinzione di un geyser è costituito dal verificarsi di smottamenti o anche frane di colamento che possono agire alterando la permeabilità ricoprendo di materiale argilloso e impermeabile la superficie esterna di ricarica del serbatoio sotterraneo del geyser o ancora, semplicemente, andando a “tappare” o le fessure (poste in superficie) di ricarica del serbatoio o lo stesso “sfiato” del condotto del geyser.

Inoltre, tra le cause naturali si ha, la prevalenza dell'attività di una forma idrotermale vicina (in connessione idraulica sotterranea con il geyser) su quella del geyser stesso.

Ancora un altro motivo del declino o estinzione di un geyser può essere riconducibile al “raffreddamento” del corpo magmatico intrusivo che fornisce calore al geyser.

Si è notato, altresì, che in determinati tipi di geyser (quelli “a piscina” ovvero i “pool”) fattori come il vento, le maree e, in generale il calore possono influenzare i cicli delle eruzioni di tali geyser in quanto, essi presentano una superficie di scambio con l'esterno, maggiore.

Invece, per quel che concerne le cause antropiche, possiamo mettere al primo posto l'emungimento sfrenato delle falde idriche sia per scopi irrigui che potabili. L'abbassamento del livello idrico che ne consegue può causare una mancanza di rifornimento del serbatoio con conseguente arresto del meccanismo di funzionamento del geyser. Questa situazione è ben nota nell'area del Basin SPA (Nuova Zelanda) dove i geyser presenti risentono di tale problematica.

Ancora in Nuova Zelanda, a partire dai primi anni della colonizzazione Britannica, circa un centinaio di geyser si sono estinti a causa dell'intenso sfruttamento delle risorse geotermiche tramite captazione da parte di apposite batterie di pozzi.

Tra le altre cause di origine antropica da menzionare, si hanno le bonifiche irrigue dei terreni con costruzione di opportune reti di canalette, allo scopo di drenare i terreni captando le acque superficiali e convogliandole in lontani collettori più grandi, sottraendole così alla potenziale infiltrazione e ricarica dei serbatoi dei geyser.

Infine, è da attenzionare anche il comportamento di possibili visitatori del geyser e il rispetto per una delle manifestazioni più spettacolari della natura come i geyser. Infatti, come riportato all'inizio del presente articolo (Post), l'abitudine di gettare sassi, monetine e quant'altro nello sfiato del geyser è costato caro al Gran geysir (Islnda) che ha visto largamente compromessa la sua funzionalità.

Attualmente, il geyser attivo più alto del mondo è lo Steamboat, nel Parco Nazionale dello Yellostone (USA). E' un tipico geyser a “cono” ovvero un geyser che costruisce un cono (cono di geyserite ovvero Silice amorfa) attorno al proprio sfiato. Le sue eruzioni hanno durata variabile e compresa da qualche minuto a circa 40 e la sua periodicità può variare da pochi giorni a 50 anni. La temperatura del suo getto è di circa 70° C..

A partire da 15 marzo del 2018, dopo un periodo di quiescenza di 3.5 anni, lo Steamboat è stato protagonista di una sequenza eruttiva strabiliante (ad oggi, più di 200 eruzioni) con altezze del pennacchio (Plume) che hanno raggiunto i 115 m dal p.c. (piano campagna). Questa nuova e spettacolare attività eruttiva, con molta probabilità, è la conseguenza di una nova intrusione magmatica sottostante al Bacino del geyser Norris (parte settentrionale della Caldera dello “Yellostone”) entro il quale è ubicato lo Steamboat. A differenza degli altri geyser del Parco Nazionale dello Yellostone che si sono formati 14 – 15 mila anni fa, lo Steamboat fece la sua comparsa di recente, nell'Agosto del 1878, con una ingente eruzione che portò il rivoltamento e il lancio di rocce e alberi per decine di metri. Da allora, le potenti eruzioni che seguirono hanno eroso i sedimenti e scoraggiato la crescita degli alberi in un raggio di 15 – 30 metri.

Attualmente, lo Steamboat è costituito da due bocche (chiamate Bocca Nord e Bocca Sud) ubicate al centro di un pendio disseminato da massi e frammenti di roccia. Le bocche, sia all'intero che all'esterno nonché nelle vie principali di deflusso, sono parzialmente ricoperte da un sottile strato di sinterizzazione (geyserite). Infine, importante segnale di connessione idraulica profonda del geyser con altre forme, è quello dell'abbassamento del livello di una sorgente idrotermale posta nelle vicinanze (la Cistern Spring) ogniqualvolta che il geyser erutta. L'abbassamento del livello idrico del serbatoio della sorgente raggiunge i 4 metri (Bryan, 2008).

In Italia non esistono geyser veri e propri ma forme similari quali quelle presenti a Larderello (Pisa) chiamate “Soffioni boraciferi” e altre, sparse anche nel Lazio e altrove.