Le concrezioni calcaree diventano archivi climatici per prevedere i cambiamenti futuri attraverso l’analisi degli isotopi dell’ossigeno
La scienza degli speleotemi sta aprendo nuove prospettive nello studio dei climi del passato, offrendo agli scienziati strumenti sempre più precisi per comprendere le variazioni climatiche che hanno caratterizzato la Terra nel corso dei millenni.
I depositi chimici che si formano nelle grotte carsiche rappresentano archivi naturali di informazioni paleoclimatiche, capaci di registrare con precisione annuale le condizioni ambientali di epoche remote.
La Paleoclimatologia degli Speleotemi: Metodologie e Applicazioni Scientifiche
La paleoclimatologia delle grotte si basa sull’analisi delle concrezioni calcaree che crescono attraverso la deposizione di minerali dall’acqua di stillicidio.
Gli speleotemi, che includono stalagmiti, stalattiti e colate, si formano quando l’acqua ricca di carbonato di calcio perde anidride carbonica entrando negli ambienti sotterranei[1].
Questo processo di degassamento porta alla precipitazione di carbonato di calcio, creando strutture che crescono nel tempo e incorporano informazioni chimiche e isotopiche dell’ambiente circostante.
Il metodo più efficace per ricostruire le tendenze di raffreddamento e riscaldamento del passato consiste nella misurazione dei rapporti isotopici dell’ossigeno negli speleotemi.
Questi rapporti isotopici riflettono le condizioni di temperatura e precipitazione al momento della formazione, fornendo una registrazione dettagliata delle variazioni climatiche[1].
La tecnica permette di ricostruire la storia climatica con una precisione temporale che può raggiungere la risoluzione annuale, grazie alla presenza di laminazioni stagionali nelle concrezioni.
Innovazioni Tecnologiche: Analisi ad Alta Risoluzione delle Concrezioni Calcaree
Le metodologie avanzate stanno rivoluzionando lo studio degli speleotemi paleoclimatici.
L’analisi digitale delle immagini attraverso scanner iperspettrali consente un conteggio più rapido e accurato delle laminazioni rispetto alle analisi ottiche tradizionali[1].
Le misurazioni in situ ad alta precisione e risoluzione degli isotopi stabili e degli elementi in traccia utilizzano sonde ioniche, spettrometria di massa al plasma accoppiato induttivamente con ablazione laser e fluorescenza a raggi X con radiazione di sincrotrone[1].
Queste tecniche innovative hanno rivelato variazioni annuali e sub-annuali nella chimica degli speleotemi, permettendo la costruzione di cronologie migliorate attraverso la misurazione della variabilità geochimica lungo l’asse di crescita.
La combinazione di queste metodologie offre una comprensione più dettagliata dei meccanismi di formazione e delle informazioni climatiche contenute nelle concrezioni.
Inclusioni Fluide e Interpretazione delle Temperature Paleoambientali
Durante la crescita degli speleotemi, fluidi e materia organica possono rimanere intrappolati nella formazione, creando vuoti che contengono acqua imprigionata.
Queste inclusioni fluide rappresentano capsule temporali che preservano le condizioni fisico-chimiche esistenti al momento della deposizione.
L’analisi di queste inclusioni permette di interpretare la temperatura della grotta al momento della formazione delle concrezioni, fornendo dati diretti sulle condizioni paleoclimatiche[2].
Le stalagmiti risultano particolarmente utili per questi studi perché la loro crescita è strettamente correlata ai tassi di stillicidio e alla chimica dell’acqua.
La loro posizione sul pavimento delle grotte le rende meno suscettibili a processi di dissoluzione successivi, garantendo una migliore preservazione delle informazioni climatiche originali.
Casi di studio: Speleotemi di Gesso e Ricostruzioni Climatiche Storiche
Una ricerca pioneristicaha dimostrato per la prima volta che gli isotopi stabili dell’acqua di idratazione del gesso strutturale possono essere utilizzati per ricostruire il paleoclima[3].
Lo studio di una stalattite di gesso lunga 63 cm dalla Grotta Sima Blanca ha permesso di ricostruire la storia climatica della Spagna sud-orientale dall’800 a.C. circa all’800 d.C.[3].
I risultati indicano condizioni umide nella grotta e clima umido dal 200 a.C. circa al 100 d.C., durante l’apogeo dell’Impero Romano in Hispania.
Dal 100 d.C. circa al 600 d.C., l’evaporazione nella grotta è aumentata in risposta all’aridificazione regionale che ha raggiunto il picco intorno al 500-600 d.C., coincidendo approssimativamente con la transizione tra il Periodo Umido Romano Iberico e il Periodo delle Migrazioni[3].
Formazione Internazionale e Sviluppo della Ricerca Speleologica
Il settore degli studi paleoclimatici sugli speleotemi beneficia di iniziative formative internazionali.
La Summer School Speleothem Science (S4) rappresenta un’importante opportunità di formazione per studenti e ricercatori all’inizio della carriera[2].
Il programma, che si è svolto in precedenza a Heidelberg, Oxford e Burgos, ha incluso nel 2019 una sessione ospitata dall’Istituto di Speleologia “Emil Racovita” e dall’Università Babes-Bolyai a Cluj-Napoca, Romania[2].
Il corso copre aspetti fondamentali della scienza degli speleotemi, inclusi formazione, datazione, petrografia, isotopi stabili e geochimica degli elementi in traccia, oltre a nuove tecniche come l’analisi di isotopi raggruppati e l’integrazione dei record degli speleotemi con modelli climatici[2].
La formazione include anche escursioni pratiche per esplorare siti carsici di interesse mondiale.
Risorse Digitali e Collaborazione Scientifica Internazionale
Il Karst Information Portal rappresenta una risorsa fondamentale per la comunità scientifica che studia gli ambienti carsici e gli speleotemi[4].
Questa libreria digitale ad accesso libero, creata nel 2006, raccoglie decine di articoli scientifici, relazioni, studi ed esplorazioni che comprendono geologia, biodiversità, chimica e fisica del clima sotterraneo[4].
La collezione include studi recenti su isotopi di carbonio e ossigeno di sistemi attivi acqua-carbonato in ambienti carsici, analisi di speleotemi tropicali moderni e controlli dell’aria delle grotte sulla geochimica dell’acqua di stillicidio[4].
Questi studi contribuiscono alla comprensione dei processi di formazione degli speleotemi e alla loro applicazione nelle ricostruzioni paleoclimatiche.
La scienza degli speleotemi
La scienza degli speleotemi continua a evolversi come disciplina chiave per la comprensione dei cambiamenti climatici passati e futuri.
Le concrezioni calcaree delle grotte offrono archivi paleoclimatici unici, capaci di registrare variazioni climatiche con precisione annuale attraverso l’analisi degli isotopi dell’ossigeno e altri indicatori geochimici.
Le metodologie innovative e le collaborazioni internazionali stanno ampliando le possibilità applicative di questi depositi chimici, contribuendo a una migliore comprensione dei meccanismi climatici del passato e delle loro implicazioni per le previsioni future.
Glossario dei termini tecnici
Speleotemi
Formazioni minerali (come stalattiti e stalagmiti) che si sviluppano nelle grotte per precipitazione di minerali disciolti nell’acqua di stillicidio[1][2].
Concrezioni
Rocce depositate dall’acqua all’interno delle grotte, caratterizzate da lamine o bande sovrapposte che rappresentano i diversi stadi di crescita della formazione[2].
Depositi chimici
Accumuli minerali che si formano per precipitazione di sostanze disciolte nelle acque di grotta, comprendendo speleotemi e mineralizzazioni[2].
Mineralizzazioni
Depositi chimici cristallini di aspetto omogeneo e compatto, spesso macrocristallino, distinti dalle concrezioni per il grado di cristallinità[2].
Paleoclimatologia
Disciplina che studia i climi del passato attraverso l’analisi di indicatori naturali come gli speleotemi[1].
Isotopi dell’ossigeno
Varianti dell’atomo di ossigeno con diverso numero di neutroni, utilizzate nell’analisi degli speleotemi per ricostruire le variazioni climatiche antiche.
Stalagmite
Tipo di speleotema che si sviluppa dal pavimento della grotta verso l’alto, in relazione ai tassi di stillicidio e alla chimica dell’acqua[2].
Stalattite
Speleotema che si forma dal soffitto della grotta verso il basso per precipitazione di minerali dall’acqua gocciolante[2].
Laminazioni
Strati sottili e regolari che si formano durante la crescita degli speleotemi, spesso con periodicità annuale e utili per datazioni e ricostruzioni climatiche.
Inclusion fluidi
Piccole cavità all’interno degli speleotemi che intrappolano acqua e materia organica durante la crescita, conservando informazioni sulle condizioni ambientali al momento della formazione.
Geochimica isotopica
Branca della geochimica che studia la distribuzione e l’abbondanza degli isotopi stabili negli speleotemi per ricostruire condizioni ambientali passate[1].
Degassamento
Processo in cui l’anidride carbonica viene persa dall’acqua di stillicidio entrando nella grotta, favorendo la precipitazione di minerali e la crescita degli speleotemi.
Depositi di gesso
Formazioni minerali a base di solfato di calcio idrato che si trovano in alcune grotte e possono essere utilizzate per ricostruzioni paleoclimatiche[2].
Stillicidio
Fenomeno del gocciolamento lento e continuo dell’acqua nelle grotte, fondamentale per la formazione degli speleotemi[2].
Cronologia
Sequenza temporale ricostruita attraverso l’analisi delle laminazioni e degli isotopi negli speleotemi, utile per datare eventi climatici antichi.
Karst
Termine che indica un paesaggio caratterizzato dalla dissoluzione di rocce carbonatiche, tipico delle aree in cui si sviluppano grotte e speleotemi.
Petrografia
Studio delle caratteristiche mineralogiche e tessiturali delle rocce, applicato anche agli speleotemi per comprenderne la formazione.
Evaporazione
Processo di perdita di acqua dalle superfici delle grotte, che può influenzare la chimica delle concrezioni e la loro crescita.
Sincrotrone
Acceleratore di particelle utilizzato per analisi avanzate della struttura e della composizione degli speleotemi tramite radiazione di alta energia.
Ablazione laser
Tecnica di campionamento che utilizza un raggio laser per rimuovere piccole quantità di materiale dagli speleotemi per analisi chimiche e isotopiche.
Solubilizzazione
Processo chimico attraverso il quale una sostanza solida si scioglie in un liquido, formando una soluzione; nelle grotte riguarda la dissoluzione dei minerali da parte dell’acqua[1].
Sedimentazione
Deposizione di particelle solide trasportate dall’acqua o dall’aria, che si accumulano sul fondo delle cavità o su altre superfici interne delle grotte[1].
Speleogenesi
Processo di formazione e sviluppo delle grotte attraverso fenomeni chimici, fisici e biologici che modellano il paesaggio carsico[1].
Speleopoiesi
Termine che indica la trasformazione e l’evoluzione delle cavità sotterranee, successiva alla speleogenesi, dovuta a processi di riempimento e concrezionamento[1].
Vacui
Spazi vuoti o cavità all’interno delle rocce che possono essere ampliati o ridotti dai processi carsici[1].
Sospensione
Trasporto di particelle solide all’interno di un fluido senza che esse si depositino immediatamente, tipico di alcune fasi del ciclo carsico[1].
Guano
Accumulo di escrementi di pipistrelli o uccelli nelle grotte, utilizzato storicamente come fertilizzante[1].
Sostanze pigmentanti
Minerali o composti chimici estratti dalle grotte e usati per colorare materiali o superfici, come ossidi di ferro e manganese[1].
Salnitro
Nitrato di potassio, minerale raccolto nelle grotte e impiegato storicamente per la produzione di polvere da sparo e fertilizzanti[1].
Lepso mite
Minerale di solfato di magnesio idrato, noto anche come sale inglese, storicamente utilizzato come purgante[1].
Scagliola
Miscela a base di gesso utilizzata per realizzare stucchi e decorazioni, prodotta anche a partire da depositi di gesso di grotta[1].
Ossidi-idrossidi
Composti chimici a base di ossigeno e idrogeno combinati con metalli (come ferro e manganese), spesso responsabili della colorazione di alcune concrezioni[1].
Minerali di grotta
Qualsiasi minerale secondario che si forma all’interno di una grotta tramite processi chimici o biologici[1].
Sublimazione
Passaggio diretto di una sostanza dallo stato solido a quello gassoso senza passare per lo stato liquido, meccanismo che può portare alla formazione di specifici minerali nelle grotte vulcaniche[1].
Deposizione da aerosol e vapori
Formazione di minerali per condensazione di vapori o aerosol all’interno delle grotte, tipica degli ambienti vulcanici[1].
Filamenti anemolitici
Sottili strutture minerali che si formano per effetto di correnti d’aria e condensazione di vapori nelle grotte[1].
Mucoliti
Speleotemi di consistenza gelatinosa o mucosa, derivanti da attività microbica e ricchi di materiale organico[1].
Biomineralizzazione
Processo attraverso cui organismi viventi favoriscono la precipitazione di minerali, contribuendo alla formazione di concrezioni e depositi nelle grotte[1].
Ciclo dello zolfo
Insieme di processi chimici e biologici che coinvolgono la trasformazione dello zolfo in diverse forme, spesso sotto il controllo di microrganismi nelle grotte[1].
Minerogenesi
Studio dei processi che portano alla formazione di nuovi minerali, in particolare in ambienti specifici come le grotte[1].
Fumarole
Emissari di gas caldi e vapori provenienti da attività vulcanica, che possono influenzare la mineralizzazione nelle grotte vulcaniche[1].
[3] Glossario di speleologia – Wikipedia https://it.wikipedia.org/wiki/Glossario_di_speleologia
[4] PALEOCLIMA – INGV http://www.ingv.it/ricerca/temi-di-ricerca/ricerca-ambiente/paleoclima
Fonti
[1] Annually laminated speleothems in paleoclimate studies | PAGES https://pastglobalchanges.org/publications/pages-magazines/pages-magazine/7286
[2] Scuola estiva internazionale: Summer School Speleothem Science … https://www.scintilena.com/scuola-estiva-internazionale-summer-school-speleothem-science-2019-in-romania/12/19/
[3] The potential of gypsum speleothems for paleoclimatology: application to the Iberian Roman Human Period https://www.nature.com/articles/s41598-020-71679-3
[4] Una miniera di risorse nella libreria digitale di karst Information Portal https://www.scintilena.com/una-miniera-di-risorse-nella-libreria-digitale-di-karst-information-portal/04/14/
[5] [PDF] The speleothem oxygen record – a proxy for thermal or moisture … https://cp.copernicus.org/preprints/cp-2020-125/cp-2020-125-ATC3.pdf
[6] [PDF] Paleotemperatures from fluid inclusion liquid-vapor homogenization … https://pastglobalchanges.org/sites/default/files/download/docs/newsletter/2008-3/Special_section/science_highlight/Krueger_2008-3(13-14).pdf
[7] Drip Water Hydrology and Speleothems | Learn Science at Scitable https://www.nature.com/scitable/knowledge/library/drip-water-hydrology-and-speleothems-26394838/
[8] [PDF] Fluid Inclusion Microthermometry in Borneo stalagmites https://meetingorganizer.copernicus.org/EGU24/EGU24-18793.html?pdf
[9] Author Correction: The potential of gypsum speleothems for paleoclimatology: application to the Iberian Roman Humid Period https://www.nature.com/articles/s41598-020-74290-8
[10] An overview of the use of speleothems as archives of climate proxies https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data/speleothems-and-sisal-database-overview-use-speleothems-archives-climate-proxies
[11] [PDF] Climatic and environmental controls on speleothem oxygen-isotope … https://www.whoi.edu/cms/files/lachniet09qsr_217744.pdf
[12] Method | FluidMICS | UiB https://www.uib.no/en/fluidmics/161973/method
[13] [PDF] Morphologic and dimensional linkage between recently deposited … https://legacy.caves.org/pub/journal/JCKS/PDF/V63/v63n3-Baldini.pdf
[14] Integration of proxies in human–environmental systems: Paleoecology, paleoclimatology, and archaeology https://www.pastglobalchanges.org/publications/pages-magazines/pages-magazine/137229
[15] [PDF] Speleothem trace element signatures: A hydrologic geochemical … https://nationalmaglab.org/library/publications/NHMFL_Publication-6941.pdf
[16] Regime Shifts in Holocene Paleohydrology as Recorded by Asian Speleothems https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2024PA004974
[17] Deciphering Oxygen Isotope Records From Chinese Speleothems With an Isotope?Enabled Climate Model https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2019PA003741
[18] Precipitation records of the last century reconstructed from annual growth-rate parameters of two Ethiopian stalagmites https://www.pastglobalchanges.org/publications/pages-magazines/pages-magazine/12063
[19] Climatic and cave settings influence on drip water fluorescent organic matter with implications for fluorescent laminations in stalagmites https://www.cambridge.org/core/product/identifier/S0033589423000418/type/journal_article
[20] Lignin oxidation products as a vegetation proxy in stalagmite and drip water samples from the Herbstlabyrinth, Germany https://cp.copernicus.org/articles/15/1025/2019/cp-15-1025-2019-discussion.html
[21] Paleoclimatology: Speleothems : Feature Articles https://www.semanticscholar.org/paper/0d347cf6897242a6bfa77c9c25d268dfc86c2e46
[22] Paleoclimatology of the Levant from Zalmon Cave speleothems, the northern Jordan Valley, Israel https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0277379118307984
[23] Microstratigraphy of fluid inclusions in Pleisthocene speleothems from Cueva del Tortero (Valencia) and its application in paleoclimatology https://www.semanticscholar.org/paper/71796bf44c50fa95218056db48fdc3781eecd11b
[24] Validation of glacial-interglacial rainfall variations in southwest Sulawesi using Mg/Ca and ? 18 O in speleothems https://www.semanticscholar.org/paper/37728507ba0891021199bf2339141cabf3313581
[25] High-Resolution Paleoclimatology https://link.springer.com/10.1007/978-1-4020-5725-0_1
[26] Paleoclimatology: Speleothems – NASA Earth Observatory https://earthobservatory.nasa.gov/features/Paleoclimatology_Speleothems
[27] Speleothem | National Centers for Environmental Information (NCEI) https://www.ncei.noaa.gov/products/paleoclimatology/speleothem
[28] Paleoclimatic significance of water isotopes in speleothem fluid … https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012825224003544
[29] I?STAL, a model for interpretation of Mg/Ca, Sr/Ca and Ba/Ca variations in speleothems and its forward and inverse application on seasonal to millennial scales https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2012GC004183
[30] UNDERSTANDING CLIMATE TELECONNECTIONS AND THE IMPACT OF FIRE ON SOIL AND DRIP WATER CHEMISTRY THROUGH STALAGMITE RECORDS AND CAVE MONITORING IN NORTHERN WYOMING https://gsa.confex.com/gsa/2024AM/meetingapp.cgi/Paper/403132
[31] Interactive comment on “ Lignin oxidation products as a vegetation proxy in stalagmite and drip water samples from the Herbstlabyrinth , Germany ” by Inken Heidke et al . https://www.semanticscholar.org/paper/31f7ca73e68f58ec3a3ecac22a08fd051b3f5306
[32] Oxygen isotopic compositions of meteoric precipitation, drip water, and aragonitic stalagmite deposition from the Namjang cave in northwestern Thailand: implications for multi-proxy climate reconstruction https://link.springer.com/10.1007/s00704-020-03245-w
[33] Controls on water drop volume at speleothem drip sites https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022169408002886
[34] Drip flow variations under a stalactite of the Père Noël cave … https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022169498002352
[35] The Properties of Annually Laminated Stalagmites?A Global Synthesis https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2020RG000722
[36] Hydrogeochemical responses of cave drip water to the local climate … https://iwaponline.com/hr/article/53/7/945/89240/Hydrogeochemical-responses-of-cave-drip-water-to
[37] The Malagasy monsoon over the Holocene : A review from speleothem ? 18 O c records https://www.semanticscholar.org/paper/453bed25fdb4d9c6dfb90562b3fa203cd9b38ea3
[38] On the timing of the East Asian summer monsoon maximum during the Holocene—Does the speleothem oxygen isotope record reflect monsoon rainfall variability? http://link.springer.com/10.1007/s11430-015-5500-5
[39] Climate of the Past Discussions Interactive comment on “ Simulated oxygen isotopes in cave drip water and speleothem calcite in European caves ” by A . Wackerbarth et al https://www.semanticscholar.org/paper/e46d220ce0d0230ccbe227458868577d26b9d7b5
[40] Reply to Lu et al.: Robust Intertropical Convergence Zone variability reconstructed from Maritime Continent speleothem ?18O records https://pnas.org/doi/10.1073/pnas.2409163121
[41] Significance of active speleothem ?18O at annual-decadal timescale https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0883292721000056
[42] Climatic and environmental controls on speleothem oxygen-isotope … https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0277379108003119
[43] On the glacial-interglacial variability of the Asian monsoon … – Science https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aay8189
[44] Relationship of seasonal variations in drip water ?13CDIC, ?18O, and trace elements with surface and physical cave conditions of La Vallina cave, NW Spain https://hess.copernicus.org/articles/27/2227/2023/
[45] Lignin oxidation products as a potential proxy for vegetation and environmental changes in speleothems and cave drip water – a first record from the Herbstlabyrinth, central Germany https://cp.copernicus.org/articles/15/1025/2019/
[46] Quantification of lignin oxidation products as vegetation biomarkers in speleothems and cave drip water https://bg.copernicus.org/articles/15/5831/2018/
[47] Trace element partitioning controls on cave drip water compositions … https://www.nature.com/articles/s43247-024-01648-5
[48] Rapid growth of caves and speleothems: part 2—growth rate variables https://creation.com/speleothems-2
[49] The Asian Summer Monsoon: Teleconnections and Forcing Mechanisms—A Review from Chinese Speleothem ?18O Records https://www.mdpi.com/2571-550X/2/3/26
[50] The Indian Summer Monsoon from a Speleothem ?18O Perspective—A Review https://www.mdpi.com/2571-550X/1/3/29
[51] The Indian Summer Monsoon from a Speleothem d18O Perspective – a Review https://www.preprints.org/manuscript/201809.0380/v1
[52] The Potential of Speleothems from Western Europe as Recorders of Regional Climate: A Critical Assessment of the SISAL Database https://www.mdpi.com/2571-550X/1/3/30
[53] Local hydroclimate alters interpretation of speleothem ?18O records https://www.nature.com/articles/s41467-024-53422-y
[54] Holocene Variability of the Atlantic Multidecadal Oscillation and the Pacific Decadal Oscillation Inferred From Chinese Speleothem ?18O Records https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023PA004800
[55] Ubiquitous karst hydrological control on speleothem oxygen isotope … https://www.nature.com/articles/s43247-022-00347-3
[56] [PDF] A data–model approach to interpreting speleothem oxygen isotope … https://cp.copernicus.org/articles/17/1119/2021/cp-17-1119-2021.pdf
[57] [PDF] Tropical temperature evolution across two glacial cycles derived … https://egusphere.copernicus.org/preprints/2025/egusphere-2025-668/egusphere-2025-668.pdf