Mine Caves Grotte Di Miniera

REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA EUROSPELEO PROJECTS FSE-FSS-IIS ASSESSORATO DELLA DIFESA PROVINCIA DI COMUNE DI ISTITUTO ITALIANO DI SPELEOLOGIA DELL’AMBIENTE CARBONIA IGLESIAS IGLESIAS Mine Caves Grotte di Miniera

PROCEEDINGS / ATTI Second International Symposium on Mine Caves Secondo Simposio Internazionale sulle Grotte di Miniera

Edited by / A cura di JO DE WAELE, PAOLO FORTI & ANGELO NASEDDU

Memorie dell’Istituto Italiano di Speleologia Serie II vol. XXVIII 2013 Printed with the financial support of / Pubblicato con il contributo di: Regione Autonoma della Sardegna, Assessorato della Difesa dell’Ambiente Provincia di Carbonia-Iglesias Comune di Iglesias Parco Geominerario Storico Ambientale della Sardegna Federazione Speleologica Sarda Federazione Speleologica Europea

Cover / Prima di copertina: Right: general view of the mine workings in Masua (photo Angelo Naseddu); left: a complex mine cave pit (photo Angelo Naseddu) / A destra: panorama dei lavori minerari di Masua (foto Angelo Naseddu); a sinistra: un complesso pozzo di grotta di miniera (foto Angelo Naseddu).

Inner Sleeve / Terza di copertina: Images from Symposium / Immagini del Simposio.

Back Cover / Quarta di copertina: A plate from “Musaeum Metallicum” (1648) by Ulisse Aldrovandi /Incisione tratta dal “Musaeum Metallicum” (1648) di Ulisse Aldrovandi.

The photographs, if not specified otherwise, are from the authors. Le fotografie, ove non diversamente indicato sono degli Autori.

The responsibility of the statemens are those of the Authors. La responsabilità di quanto affermato nei testi è degli Autori.

The Italian translation, if not supplied by the Authors, was made by the Italian Institute of Speleology. La traduzione italiana, se non fornita direttamente dagli autori, è stata fatta dall’Istituto Italiano di Speleologia.

ISBN: 978-88-89897-09-6

Printed in June 2013 by GRAFICHE A&B – Bologna. Finito di stampare nel Giugno 2013 da GRAFICHE A&B – Bologna

Mine Caves Grotte di Miniera

Proceedings / Atti

Second International Symposium on Mine Caves Secondo Simposio Internazionale sulle Grotte di Miniera Iglesias 27-29/04/2012

Edited by / A cura di Jo De Waele, Paolo Forti & Angelo Naseddu

Memorie dell’Istituto Italiano di Speleologia Serie II vol. XXVIII

Bologna 2013 Honorary Commitee / Comitato d’onore

Ilio Salvadori (Organizer of the 1st Symposium on Mine Caves / Organizzatore 1° Simposio Grotte di Miniera) Andrew Eavis (President of the UIS /Presidente UIS) Giorgio Oppi (Councillor for Environment - Sardinian Government /Assessore Difesa Ambiente RAS) Salvatore Cherchi (President of the Carbonia-Iglesias Province / Presidente Provincia Carbonia Iglesias) Luigi Perseu (Mayor of Iglesias / Sindaco Iglesias) Antonio Granara (President of the Geomining Historical and Environmental Park of Sardinia / Commissario Parco Geominerario Storico Ambientale della Sardegna)

Scientific Commitee / Comitato Scientifico Philippe Audra (Polytech’Nice - Sophia, Université de Nice - Sophia Antipolis - Biot France) Penelope Boston (New Mexico Institute of Mining and Technology - Socorro USA) Josè Maria Calaforra (University of Almeria - Almeria Spain) Paolo Forti (Università di Bologna) Yuri Dublyansky (Leopold Franzens Universitat - Innsbruck Austria) Stein Erik Lauritzen (Bergen University - Bergen Norway) Joyce Lundberg (Carleton University - Ottawa Canada) Bogdan P. Onac (Univ. South Florida - Tampa USA) Franco Frau (Università di Cagliari) Giacomo Oggiano (Università di Sassari)

Organizing Commitee / Comitato Organizzatore Angelo Naseddu (Federazione Speleologica Sarda) Daniela Pani (Federazione Speleologica Sarda) Giovanni Lonis (Federazione Speleologica Sarda) Jo De Waele (Università di Bologna) Mauro Villani (Federazione Speleologica Sarda) Ughetta Bogliolo (Federazione Speleologica Sarda)

Secretaries / Segreteria Erika Portas Silvia Arrica

Webmaster Isacco Curreli List of Participants / Elenco dei Partecipanti in chronological order of inscription / in ordine cronologico di iscrizione

Luis Jorda Bordehore GEA (Roberto Piras) Laura Sanna Carlo Pusceddu Michael Brust GG Fluminese Fernando Gázquez Sánchez Soc Su Mannau Grotte Manuel Naranjo Morales SCD (Antonio Podda) Cristóbal González Betancor GGN (Francesco Murgia) Sonia Martín de Abreu GRS A. Martel (Giampaolo Merella) Marcos Andrés Hunt Ortiz Mauro Messina Barbara Wielander Bogdan Onac Silviu Constantin Tudor Tamas Andrei Filippov Stefano Furlani Michael Spilde Penelope Boston Arrigo Cigna Philippe Audra Franco Cucchi Joyce Lundberg Enrico Merlak Josè Maria Calaforra Angelo Naseddu Alberto Marini Bojan Otonicar Durrani Hayatullah Khan Yuri Dublyansky Stein-Erik Lauritzen Maria Pilar Orche Alexandrova Ekaterina Sergio García-Dils Natalia Filippova Alberto Muntoni Daniela Pani Mauro Villani Cèdric Duchene Paolo Forti Jo De Waele Antonio Vernier Erika Portas Oana Moldovan Sergio Pillai Maria Rita Melis (ProLoco Iglesias) Nicola Ibba Manuel Guerrer Manzano Ughetta Bogliolo Franco Frau Isacco Curreli Guglielmo Caddeo Francesco Usalla, Eleonora Baldoni Dir.Parco Geominerario Giovanni Badino Gianpaolo Atzei AMs Luca Buschettu Mauro Buosi igEa Piero Cera Pietro Angelo Algisi igEa Sergio Serra Fulvio Bordignon Prov. Carbonia-Iglesias Riccardo De Luca Vittorio Uras Prov. Carbonia-Iglesias Eleonora Serra Giovanni Tocco Prov. Carbonia-Iglesias Mariano Madeddu Salvatore Cherchi Prov. Carbonia-Iglesias CISSA (Giorgio Pusceddu) Emanuele Madeddu GASAU (Salvatore Cabras) Prov. Carbonia-Iglesias GSAS (Pierpaolo Dore) Gianfranca Mannu SCOR (Sandro Corona) Ass. Ambiente Comune Iglesias USC (Roberto Cossu) Carla Cicilloni Ass. Ambiente CAI (Ughetta Bogliolo) Prov. Carbonia-Iglesias GEA (Giorgio Ferdinando Marello) Giorgio Paolucci Servizio attività estrattive Salvatore Buschettu (SCOR) Ass. Reg. Industria Eleonora Dallocchio (GSAS) Sergio Milia Servizio attività estrattive Roberto Cogoni (USC) Ass. Reg. Industria

3 TABLE OF CONTENTS / INDICE

Preface / Prefazione...... pag. 7 Introduction / Presentazione ...... pag. 11 Symposium Program / Programma Simposio...... pag. 17

Forti P. Prof. Giuliano Perna: a pioneer in the research on Mine Caves / Prof. Giuliano Perna: un pioniere nella ricerca sulle grotte di miniera...... pag. 21

Scientific papers /comunicazioni scientifiche Boston P.J., Spilde M.N., Northup D.E. & McMillan C. Crunchy on the outside, tender on the inside: the persistence of microorganisms in geological materials / Croccante fuori, tenero dentro: la persistenza dei microorganismi nei materiali geologici...... pag. 27 Badino G. & Forti P. Naica caves: perhaps the most important mine caves of the world / Le grotte di Naica: probabilmente le grotte di miniera più importanti del mondo...... pag. 29 Audra Ph., Bigot J.-Y., Camus H., Gauchon C. & Wienin M. Hypogenic speleogenesis with ferruginous ore. The Piei mine-cave (Lagnes, Vaucluse, France) / Speleogenesi ipogenica in un giacimento di ferro. La grotta di miniera di Piéï (Lagnes, Vaucluse, Francia)...... pag. 41 Brust M.K. & Nash G. Mine caves on the south-eastern flank of the Harz Mountains (Saxony-Anhalt, Germany) / Le grotte di miniera del versante sud-orientale delle montagne dell’Harz (Sassonia-Anhalt, Germania)...... pag. 71 Wielander B., Herrmann E. & Knobloch G. Kaiser-Josephi-Mine and its natural caves at Schwarzenberg (Türnitz, lower Austria) / La miniera di Kaiser-Josephi e le sue grotte naturali di Schwar- zenberg (Türnitz, bassa Austria) ...... pag. 73 Otoničar B. Large calcite crystals from Cok Cave (abandoned iron mine), Jelovica Plateau, NW Slovenia / I grandi cristalli di calcite della Grotta di Cok (miniera di ferro abbandonata), plateau di Jelovica, Slovenia nord-occidentale...... pag. 75 Dublyansky Y. & Team Tyuya-Muyun ’89 Complex epigenetic/hypogene U-V ore bearing karst at Tyuya-Muyun, Kyrghyzstan / Il carso con rocce metallifere complesse epigenetiche/ipogenetiche contenenti uranio e vanadio di Tyuya-Muyun, Kirghizistan...... pag. 77 Filippov A. & Tsibanov V. Kan-i-Gut cave mine in Kyrgyzstan / La grotta miniera di Kan-i-Gut nel Kyrgyzstan...... pag. 79 Constantin S., Bojar A.-V. & Lauritzen S.-E. Speleothems from cave mine and their suitability as paleoclimate recorders. The case of a stalagmite from Pestera Fagului, Romania / Speleotemi delle grotte di miniera e la loro idoneità come registratori del paleoclima. Il caso di una stalagmite di Pestera Fagului, Romania...... pag. 97

4 Gàzquez F., Calaforra J.M., Ghaleb B., Sanna L., Lauritzen S.E. & Forti P. Palaeoflood events in El Soplao cave (Cantabria, Northern Spain) during the last 500 ka recorded by speleothems / Le paleoinondazioni della grotta di El Soplao (Cantabria, Spagna Settentrionale) degli ultimi 500 ka registrate dagli speleotemi...... pag. 99 Merlak E. Indirect dating of two speleothems in a field of pyritized bauxites (Mirna Val- ley-at Minjera - central Istria - Croatia) / Datazione indiretta di due speleotemi di un giacimento di bauxite piritizzata (Valle di Mirna, Minjera, Istria centrale Croazia)...... pag. 101 Hunt Ortiz M.A., García-Dils De La Vega S., Orche Amaré P. & Hurtado Pérez V. The Potosí Mine/San Francisco cave (Guadalcanal, province of Seville, Spain): speleological and archaeological-archaeometric research / La Miniera di Po- tosí/Grotta di San Francisco (Guadalcanal, Provincia di Siviglia, Spagna): Ricerca Archeologica-Archeometrica e Speleologica ...... pag. 109 Fernàndez O., Gonzàlez C., Martìn S. & Naranjo M. The pit of Cueva Grande: first description of a volcanic pit in a water mine of the Canary Islands / Il pozzo di Cueva Grande: la prima descrizione di un pozzo vulcanico in una miniera ricca di acqua delle Isole Canarie...... pag. 123 Onac B.P. The scientific relevance of mine, quarry and mined caves of Romania: a review / L’importanza scientifica delle Grotte di miniera, di cava e Grotte miniera di Romania: lo stato attuale delle conoscenze ...... pag. 135 Spilde M.N., Boston P.J., Northup D.E. & Melim L.A. Mines as anthropogenic caves: consequences for biomineral deposits / Miniere intese come grotte antropogeniche: effetti sui depositi di biominerali...... pag. 155 Caddeo G.A., De Waele J., Frau F. & Railsback L.B. Contrasting genesis and environmental significance of aragonite inferred from minor and trace element variation in speleothems / Genesi contrastante e rilevanza ambientale dell’aragonite dedotte dal confronto delle variazioni degli elementi minori ed in traccia negli speleotemi...... pag. 157 Dalmonte C., De Waele J., Fornaciari E., Pasini G., Vaiani S.C., Correale C. & Fabbri F. Intra-messinian palaeokarst phenomena revealed in Messinian gypsum quarries in Emilia Romagna (Italy) / Fenomeni di paleocarsismo intramessiniano in cave di gesso messiniane dell’Emilia Romagna (Italia)...... pag. 177 Argiolas S., Caddeo A.G., Casu L., Muntoni A. & Papinuto S. The San Paolo Mine tunnel at Sa Duchessa (Domusnovas, SW Sardinia): ten intercepted natural caves and first data on the composition of some speleothems / Galleria San Paolo nella miniera di Sa Duchessa (Domusnovas, Sardegna sud-occidentale): dieci grotte naturali intercettate e primi dati sulla composizione di alcuni speleotemi...... pag. 191 Furlani S. & Cucchi F. Mining activities in the Istrian peninsula: the extraction of “saldame” / Attivi- tà minerarie della penisola istriana: l’estrazione del “saldame”...... pag. 193 Vigna B., De Waele J. & Banzato C. The caves in the underground quarries of Moncalvo d’Asti – Piedmont (Italy) / Le grotte nelle cave sotterranee di Moncalvo d’Asti – Piemonte (Italia)...... pag. 195

5 Baldoni E., De Waele J., Galli E., Messina M., Onac B.P., Sanna L. Sauro F. & Villani M. Mineralogy and speleogenesis of the Corona ’e Sa Craba Quartzite Cave (Car- bonia, SW Sardinia) / Mineralogia e speleogenesi della grotta quarzitica di pag. 197 Corona ‘e sa Craba (Carbonia, Sardegna sud-occidentale)...... Cucchi F. & Guidi P. Mine Caves in the Classical Karst of Trieste / Grotte di miniera del Carso pag. 211 Classico di Trieste...... Day M & Reeder P. Lead mine caves in southwestern Wisconsin, USA / Grotte miniera di piombo pag. 213 del Wisconsin sud-occidentale, USA...... Dublyansky Y. & Spötl C. The Late Miocene mineralized hypogene karst at Bare Mountain, southern Nevada, USA / Il carso ipogenico mineralizzato del tardo Miocene del Bare pag. 229 Mountain, Nevada del sud, USA...... Gàzquez F., Calaforra J.M., Garcìa-Casco A., Sanna L. & Forti P. Strontium isotope ratios (87Sr/86Sr) in gypsum speleothems from the Nai- ca mine caves (Chihuahua, México): genetic implications / Gli isotopi dello Stronzio (87Sr/86Sr) negli speleotemi di gesso delle grotte di Naica (Chihuahua, pag. 231 Mexico)...... Gàzquez F., Calaforra J.M., Frìas Martìnez J. & Rull F. Gypsum speleothems of mine caves as potential Martian analogues / Gli speleotemi di gesso delle grotte di miniera visti come potenziali equivalenti pag. 243 di quelli di Marte...... Calaforra J.M. Problems of valorization and management of the giant geode of Pulpi (Alme- ria, SE Spain) / I problemi della valorizzazione e gestione del geode gigante di pag. 245 Pulpi (Almeria, Spagna sud-orientale)...... Pani D. & Cigna A.A. The paradox of cave mine conservation / Il paradosso della conservazione delle pag. 247 grotte di miniera...... Brescia M. & Presti P. pag. 263 The Giant “Garbere” of Cozzo Disi / Le Grandi “Garbere” di Cozzo Disi ...... Naseddu A., Ibba N. & Bogliolo U. Proposal for the modification of the tourist path in the Santa Barbara cave /pag. 265 Proposta di modifica del percorso turistico della grotta di Santa Barbara...... Naseddu A., Pani D., Villani M., Arrica S. & Melis G. New explorations in the Santa Barbara Cave / Nuove esplorazioni della grotta pag. 267 di Santa Barbara......

6 PREFACE / PREFAZIONE

For over 2000 years the whole of Sardin- Per oltre due millenni tutta la Sardegna ed ia and especially the Iglesiente area has in particolare l’area dell’Iglesiente, è stata been subjected to an intense mining activ- interessata da una intensa attività minera- ity that has made of this region one of the ria che la ha resa il distretto minerario più most important and rich mining districts importante e più ricco d’Europa, ma che of Europe. ne ha trasformato il paesaggio e anche, per These activities, however, have also trans- certi versi, il tessuto sociale in maniera pro- formed the landscape and, in a certain fonda e a volte definitiva. sense, the social fabric in a deep and often Queste peculiarità sono state riconosciute irreversible way. anche dall’UNESCO, che ha voluto creare These characteristics have been recog- il Parco Geominerario Storico e Archeolo- nised by UNESCO that has supported the gico della Sardegna perché, una volta che creation of the Geomining, Historical and le Miniere avevano finito la loro attività Environmental Park of Sardinia because, estrattiva, rimanesse traccia imperitura di once the mines have finished their extrac- questa cultura millenaria, che tanto aveva tive operations, the traces of this millenary segnato la nostra Isola. culture so important for Sardinia would re- Ma la chiusura della quasi totalità delle main for future generations. miniere, in un lasso di tempo davvero mo- But the closure of almost all the mines in desto, ha comportato problemi economici e a very short time span has brought enor- sociali estremamente gravi per tutto il no- mous economical and societal problems to stro territorio e oggettivamente di difficile the entire territory, mostly very difficult to soluzione, anche e soprattutto per la totale solve also and especially for the total lack mancanza di alternative industriali. of alternative industrial proposals. Inoltre il forte inquinamento ambientale Furthermore, the heavy environmen- dovuto all’accumulo delle scorie e dei mate- tal pollution due to the disposal of mine riali di risulta, conseguenza diretta dell’at- wastes and slugs, consequence of the min- tività mineraria, ha reso necessario la ing operations, has made an enormous re- predisposizione di un grande programma habilitation and renaturalisation project di disinquinamento e rinaturalizzazione, necessary, involving local enterprises and che ha visto impegnati gli Enti Territoria- authorities in the beginning of the third li in tutto questo inizio del terzo millennio, millennium. programma che è comunque ancora lungi These rehabilitation works are far from dall’essere completato anche e soprattutto being completed, also because of the enor- per le ingenti risorse finanziarie necessarie mous amount of finances needed to accom- alla sua realizzazione pratica. plish all these projects. E’ evidente che, alla luce anche delle attua- It is clear that, in this period of crisis, only li difficoltà economiche, solamente “valo- “valorising” the uniqueness of the mine rizzando” le peculiarità delle nostre minie- sites and recreating an important visi- re e ricreando quindi, attorno ad esse, un tor’s flow around them it will be possible importante flusso turistico sarà possibile to find the required resources not only for reperire le risorse necessarie, non solo al the complete rehabilitation of the mining completamento del programma di rinatu- areas, but also to create a solid base for the ralizzazione di tutta l’area mineraria, ma sustainable economic and cultural develop- alla creazione di una solida base di sosten-

7 ment of the local populations. tamento e di crescita economico-culturale In this light the natural caves intercepted per le popolazioni locali. during decennia by the underground min- In questo ambito le cavità naturali inter- ing works can and have to play a key role: cettate nei decenni dalle gallerie minerarie these caves are often unique treasures possono e debbono svolgere un ruolo di pri- that, once they are studied and described, mo piano: si tratta infatti di tesori unici al can become the main attractions around mondo che, una volta studiati e descritti, which the touristic and cultural activities potranno diventare il punto focale su cui for the relaunch of the entire region can be basare un parte non indifferente delle atti- woven. vità turistico-culturali per il rilancio della One of these caves, Santa Barbara inside regione. the San Giovanni mine, is without any Una di queste cavità, la Grotta di Santa doubt the most famous mine cave in the Barbara all’interno della Miniera di San world and its transformation into show Giovanni, è senza alcun dubbio la più fa- cave has already reached an important mosa grotta di miniera al mondo e la sua success among visitors, becoming one of trasformazione in grotta turistica ha già the main locations of the Geomining Park. oggi ottenuto un successo di pubblico ecce- But only one cave, even though unique in zionale, tanto da essere uno dei punti focali the world, is not enough to be able to cre- del Parco Geominerario. ate a sufficient interest on which to base a Ma una sola grotta, anche se unica nel suo widespread cultural movement, first, and genere al mondo, non è sufficiente per poter an ecosustainable tourism later. For this creare un interesse sufficiente su cui basare reason already in 2004 the First Interna- un ampio movimento culturale, prima, e di tional Symposium on Mine Caves organ- turismo ecosostenibile poi. Per questo già ised by the Sardinian Federation of Spe- nel 2004 a Iglesias si era tenuto il Primo leologists in collaboration with the Italian Simposio Internazionale sulle Grotte di Mi- Institute of Speleology and with the sup- niera, organizzato dalla Federazione Spele- port of several local authorities and bodies ologica Sarda in collaborazione con l’Istitu- has been held at Iglesias, with the main to Italiano di Speleologia e con il supporto aim of favoring the study and the explora- degli Enti Territoriali Sardi, allo scopo pri- tion of this special type of caves. mario di favorire lo studio e l’esplorazione The success of this first symposium and di questo particolare tipo di grotte. the studies that, consequently, have been Il successo di quella prima manifestazione carried out in Sardinia and in the rest of e gli studi, che, conseguentemente, si sono the world, have allowed a fast proliferation sviluppati in Sardegna e in tutto il resto del of new scientific know how in this special mondo, hanno fatto progredire moltissimo field of interest, located between mining le conoscenze scientifiche in questo partico- art and the natural karst phenomena. At lare campo di frontiera a cavallo tra attivi- eight years from this first meeting it was tà mineraria e fenomeno carsico naturale. about time to find out where the studies A 8 anni di distanza da quel primo simpo- on mine caves, their valorisation and safe- sio era giunto quindi il momento di porre guarding had arrived. un nuovo punto fermo nel campo dello stu- Once again the choice fell on Sardinia and dio, della salvaguardia e della valorizza- on Iglesiente, both for the history and its zione delle Grotte di Miniera. Ancora una natural caves, but also because the local volta la scelta non poteva che cadere sulla authorities had in the meanwhile prepared Sardegna e sull’Iglesiente sia per la sua sto- and finished several buildings and projects ria e le sue cavità naturali ma anche per- in the framework of rehabilitation of the ché le Autorità locali avevano nel frattempo territory and touristic development, such realizzato infrastrutture importanti per la as the Mining Museum of Carbonia, the riconversione turistica di alcune delle re- opening of the mine tunnels near Masua altà minerarie più interessanti dell’area, (Porto Flavia) and Buggerru (Galleria quali la realizzazione del Museo Minerario

8 Henry) etc. a Carbonia, la turisticizzazione di gallerie Among these realisations the Internation- minerarie di Masua e Buggerru etc…. Tra al Centre of Documentation on Mine Caves queste realizzazioni, poi, merita una men- “Giuliano Perna” deserves a special menzione speciale il Centro di Documentazione tion, wanted by the Sardinian Federation sulle Grotte di Miniera “Giuliano Perna” of Speleologists and hosted in the past fortemente voluto e costituito recentemente Palace where the Direction of the San Gio- dalla Federazione Speleologica Sarda nella vanni Mine was located, at only a couple ex Direzione della Miniera di San Giovan- of hundred metres from the Santa Barbara ni, a poche centinaia di metri dalla Grotta cave. di Santa Barbara. Considered the important number and Considerato il numero ed il valore degli value of the participating scientists, I am scienziati che vi partecipano, sono assolu- absolutely sure that the Second Interna- tamente certo che il Secondo Simposio In- tional Symposium on Mine Caves will have ternazionale sulle Grotte di Miniera avrà an even greater success respect to the first, un successo ancora superiore al primo e mi and I wish that the results of these days, auguro che i risultati di questi giorni, densi dense with talks and discussions also on di relazioni e discussioni anche sul terreno, the field, will help to speed up the started possano aiutare a velocizzare il processo, and irreversible process of the transforma- oramai avviato ed irreversibile, della tration of the mining activities, that although sformazione di una attività , come quella being and important productive have also mineraria che, seppure nobile ed indispen- modified and partially destroyed the envi- sabile era comunque distruttiva per l’am- ronment, in a completely ecosustainable biente, in un attività pienamente ecososte- activity that will bring economic benefits nibile e i cui benefici economici potrebbero that might become, in time, even more pro- risultare, con il tempo, anche molto supe- ductive for the entire Island. riori per tutta la nostra Isola.

Angelo Naseddu Presidente della Federazione Speleologica Sarda

9 Leaflet of the Symposium. /Locandina del Simposio.

10 INTRODUCTION / INTRODUZIONE

Jo De Waele1, Paolo Forti1 & Angelo Naseddu2

The first International Symposium on Mine Il Primo Simposio Internazionale sulle Caves was held at Iglesias from 1 to 5 De- Grotte di Miniera si tenne a Iglesias tra l’1 cember in 2004: in reality the exact title of e il 5 dicembre del 2004: in realtà il titolo that first symposium was “The Mine Caves esatto di quel Simposio non era esattamen- – between mining economy and touristic te questo, ma: “Le Grotte di Miniera – Tra economy”. This, however, was absolutely economia mineraria ed economia turistica”. the first meeting entirely dedicated to the Era comunque la prima riunione in assolu- natural caves with no connection with the to dedicata interamente alle cavità naturali outside and intercepted by mining works prive di connessione con l’esterno e intercet- (and not only mining works). tate dai lavori minerari (e non solo). At this meeting 52 researchers participat- A quell’evento parteciparono 52 studiosi, ed, most of them Italians: in fact, only three praticamente tutti italiani: infatti, solo 3 participants were foreigners and came only from two other European countries. Twen- ty three papers were presented during the symposium, and these were published a year later in the Proceedings, appeared as Memorie dell’Istituto Italiano di Speleolo- gia number 17 of the second series (Fig. 1). The success of this first symposium was great, and many researchers soon started asking for the organisation of a second symposium on this topic. Also this time the choice has fallen on Sardinia, especially for its rich mining history and the fact that caves intercepted by these mines have been studied since a long time. Furthermore, the important karst heritage, comprised in the “Geomining, Historical and Environmental Park of Sardinia” instituted by UNESCO, still needed to be studied and described in detail. Another reason that has influenced the choice of the Symposium location has been that at Iglesias, and in particular in the abandoned mine of San Giovanni, the In- ternational Centre on Documentation on Mine Caves has been set up, partly on re- Fig. 1 - Proceedings of the First Symposium on quest and following the first symposium. Mine Caves. / Atti del Primo Simposio sulle Grotte This Centre is already an important tool di Miniera.

1Istituto Italiano di Speleologia, Università di Bologna 2Federazione Speleologica Sarda

11 for the study on mine caves and is man- furono gli iscritti stranieri che proveniva- aged by the Sardinian Federation of Spe- no poi da solo due altri paesi europei. Al leologists. simposio vennero presentate 23 relazioni, So it was not so surprising that the organ- che l’anno seguente furono pubblicate negli isation of the Second Symposium on Mine Atti, che sono apparsi come volume 17, serie Caves was assigned to the same Feder- II, di questa stessa collana. ation. And Iglesias was again the ideal Il successo di questo primo Simposio fu place to host this Symposium, not only grande tanto che, ben presto, studiosi e ap- because its territory contains a lot of im- passionati di questo particolare campo di portant mine caves, but also because it can ricerca iniziarono a chiedere di organizzar- offer the right infrastructures to host an ne un secondo. International Meeting, having a Congress Anche questa volta la scelta è caduta sulla Room inside the local Association of the Sardegna, innanzitutto perché le sue minie- University of Sulcis Iglesiente (AUSI) in- re sono certamente state le prime in assolu- side the building that once hosted the Di- to in cui si sono sviluppati studi sistematici rector of the Monteponi Mine (Fig. 2). sulle cavità naturali incontrate dai lavori During the opening ceremony the town in galleria, ma anche perché l’enorme pa- of Buggerru has announced to confer the trimonio carsico, compreso all’interno del title of Honorary Citizen to Giuliano Per- “Parco Geominerario della Sardegna”, isti- na, passed away in 2009 and one of the tuito dall’UNESCO, è ancora in gran parte pioneers of scientific research on natural da descrivere e studiare compiutamente. caves intercepted by mining works, and Un altro motivo che ha indirizzato la scelta also great lover and connaisseur of Sardin- finale della sede per il Simposio è stato il ia, having worked here in several mines fatto che ad Iglesias ed esattamente nella for over thirty years. In the same occasion ex miniera di San Giovanni ha la sua sede the Sardinian Federation of Speleologists il Centro Internazionale di Documentazio- has also announced that the Documenta- ne sulle Grotte di Miniera, fondato proprio tion Centre on Mine Caves will be dedicat- a seguito su sollecitazione dei partecipanti ed to this important man. al Primo Simposio. Il centro rappresenta During the scientific sessions a simultane- già oggi un punto focale per le ricerche in ous translation (Italian-English and vice questo settore ed è gestito dalla Federazione versa) has been carried out and was very Speleologica Sarda (FSS). È stato quindi logico affidare ancora alla FSS l’organizzazione di questo Secondo Simposio Internazionale. E ancora Iglesias è stata la sua sede naturale, avendo, non solo un territorio ricchissimo di grotte di Miniera, ma potendo anche fornire un pre- stigioso e attrezzatissimo Centro Congressi nella sede dell’Associazione per l’Università del Sulcis Iglesiente (AUSI), all’interno del palazzo che un tempo era la direzione della Miniera di Monteponi (Fig. 2). Durante la seduta inaugurale è stato annunciato da parte del Comune di Buggerru il conferimento della cittadinanza onoraria a Giuliano Perna, scomparso nel 2009 e in- discusso pioniere della ricerca scientifica sulle cavità naturali intersecate dai lavori minerari e grande conoscitore ed amante Fig. 2 - The first session of the Symposium. / della Sardegna, alle cui miniere aveva de- La prima sessione del Simposio. dicato oltre 30 anni della sua vita. Nella

12 much appreciated by the audience, not medesima occasione la Federazione Spele- only during the presentation of the various ologica Sarda ha comunicato che il Centro works, but also and especially during the Internazionale di Documentazione sulle following discussions. Grotte di Miniera era stato a lui dedicato. In fact, differently from the first Sympo- Durante le sedute scientifiche ha funziona- sium, this second one was a real interna- to un’efficiente traduzione simultanea (Ita- tional symposium: over 90 people attended liano-Inglese e viceversa), che è stata par- the meeting, researchers, cavers and in- ticolarmente apprezzata e utilissima non terested people of which around one third solo durante la presentazione delle comuni- came from abroad: among these some of cazioni, ma anche e soprattutto durante la the most important world experts on mine discussione delle relazioni. cave studies. Of the 32 papers presented, Infatti, a differenza del Primo, questa volta 11 were dedicated to Italian case studies, il Simposio è risultato davvero “internazio- while 21 regarded mine cave studies car- nale”: infatti vi hanno partecipato global- ried out in 10 different countries repre- mente 90 studiosi, ricercatori e speleologi senting 3 continents. Their abstracts were di cui circa un terzo provenienti dall’estero: all included in the book of abstracts that tra di loro alcuni dei massimi esperti mon- was given to the symposium participants diali nello studio delle grotte di miniera. During the presentation days the talks Delle 32 relazioni presentate, 11 riguar- have dealt with mineralogy, biology, pro- davano l’Italia, mentre ben 21 trattavano tection of the cave environment and other aspetti di grotte di miniera in ben 10 diffe- topics regarding mine caves around the renti Paesi di 3 diversi Continenti. I loro world. riassunti sono, comunque, già stati pub- Alongside the Symposium a phantastic ex- blicati nel Libro degli Abstract, che è stato position has been realised by the La Venta consegnato a tutti i partecipanti al momen- Esplorazioni Geografiche Association, con- to della loro iscrizione al Simposio cerning mine caves from all over the world. Durante le due giornate di lavori, sono sta- During the Symposium the participants te presentate relazioni che hanno spaziato have had the opportunity of visiting the dalla biologia alla mineralogia, dalla pro- Associazione Mineraria Sarda, that has tezione alla valorizzazione del patrimonio given a set of books on mining activities rappresentato dalle grotte di miniera in in Sulcis Iglesiente to all the participants, tutto il mondo. and the Mining Institute at Iglesias, where A lato del Simposio è stata realizzata anche the school’s mine galleries, in which the una fantastica mostra fotografica (organiz- students learn practical things on mining zata dall’Associazione La Venta e centrata excavation, have been visited. su grotte di miniera in varie parti del mon- At the end of the Symposium an entire day do). of excursion has been organised, allow- Durante il Simposio i partecipanti hanno ing the participants to visit, thanks to the anche avuto modo di visitare l’Associazione guides of IGEA, the Santa Barbara cave Mineraria Sarda, ove sono stati omaggiati inside the San Giovanni Mine during the di importanti volumi relativi alle attività morning. This extraordinary cave has been minerarie nel Sulcis Iglesiente e l’Istituto very much appreciated by the visitors and Minerario dove hanno visitato le “gallerie most of them were a bit disappointed for minerarie” predisposte dagli studenti dello the too short time dedicated to this under- stesso nel quadro delle loro attività forma- ground treasure, in which many scientific tive. discussions had to be kept to a minimum. Al termine del Simposio si è avuta una in- Immediately after this visit the group has tera giornata di escursioni che ha permesso been brought to the home of the Sardinian a tutti i partecipanti in mattinata di visi- Federation of Speleologists and the Inter- tare, grazie alla collaborazione con l’IGEA, national Documentation Centre on Mine la famosissima Grotta di Santa Barbara Caves Giuliano Perna. (Fig. 3, 4) all’interno della Miniera di Monteponi.

13 L’ambiente di questa straordinaria cavità è stato talmente apprezzato dai partecipanti al Simposio, che al termine della visita si sono un po’ dispiaciuti perchè il tempo dedicato a questa grotta è sembrato loro un poco esiguo rispetto alle problematiche scientifiche che si sarebbero potute sviscera- re al suo interno. Subito dopo si è visitata brevemente la sede della Federazione Spe- leologica Sarda e il Centro Internazionale di Documentazione sulle grotte di Miniera. Nel pomeriggio, dopo una visita al museo realizzato all’interno della miniera di car- bone di Carbonia ed al Museo paleontologico della stessa città, si è potuta infine vi-

Fig. 3 - The participants to the Symposium at the entrance of the Mine Cave Documentation Cen- tre. / I partecipanti al Simposio all’ingresso del Centro di documentazione sulle Grotte di Miniera.

In the afternoon, after a visit to the Muse- um of the Serbariu Mine at Carbonia and its palaeontological collections, one of the most important show caves of the region has been visited thanks to the support of the Gruppo Grotte Fluminese: Su Mannau (Fig. 5). At the end of the Symposium six foreign researchers have stayed for further 5 days of excursions and field work inside some of the most interesting mine caves of Ig-

Fig. 4 - Visiting the library of the Speleological Federation of Sardinia. / Visita alla biblioteca della Federazione Speleologica Sarda.

sitare, grazie al Gruppo Grotte Fluminese, una delle grotte più importanti della regione: Su Mannau (Fig. 5). Al termine del Simposio 6 ospiti stranieri si sono trattenuti per altri 5 giorni di escursioni nelle principali grotte di miniera dell’I- glesiente per iniziare una ricerca scientifica multidisciplinare su queste cavità in cui la collaborazione di vari ricercatori italiani è fondamentale (Fig. 6, 7, 8, 9). In conclusione il Simposio è stato, senza ombra di dubbio, un successo sia di partecipazione che per il livello scientifico delle Fig. 5 - Along the tourist path of Su Mannau Cave (Fluminimaggiore). / Lungo il percorso tu- relazioni presentate, tanto che si può affer- ristico della Grotta di Su Mannau (Fluminimag- mare che è stata probabilmente la manife- giore). stazione speleologica del 2012 in Italia e

14 lesiente, in the framework of a multidisciplinary research program with the fundamental support of the Italian researchers. In conclusion the Symposium has been, without any doubt, a success in both par- ticipation and quality of the presented researches, representing the most important scientific speleological manifestation in It- aly in 2012, also sponsored by the Europe- an Speleological Federation (Fig. 6, 7, 8, 9). As promised the Proceedings of the Second International Symposium on Mine Caves sees the light at little more than one year after it took place and, as its predecessor, it appears in Volume 28 of the Memorie dell’Istituto Italiano di Speleologia. The publication in this Series is not a casual choice: this prestigeous collection, founded in 1927 at Postojna, after an interruption due to WWII, has resumed publication in 1982 with a Volume dedicated to the caves of Iglesiente, containing obviously also Fig. 6 - Perda Niedda: the participants to the post- some mine caves. After this first Volume Symposium trip. / Perda Niedda: i partecipanti others followed, some also dedicated to the all’escursione di post-Simposio.

Fig. 7 - Galleries of the Perda Niedda mine. / Gallerie della Miniera di Perda Niedda.

15 Fig. 8 - The giant room of the “Quarziti” cave, San Giovanni Mine. / L’enorme vuoto della Grotta delle quarziti nella Miniera di San Giovanni. caves of Sardinia. Considering the growing non solo. Come promesso gli Atti del Sim- interest in the world on hyperkarstic phe- posio vedono la luce a poco più di un anno nomena, that often characterise at least dalla sua conclusione, e, come quelli del part of the evolution of many mine caves, precedente Simposio, appaiono come volu- it is almost sure that also a Third Inter- me 28, serie II delle Memorie dell’Istituto national Symposium on Mine Caves will Italiano di Speleologia. La pubblicazione be held in a few years and, perhaps, it will nelle Memorie dell’IIS non è assolutamente still be organised at Iglesias where, in the casuale: infatti questa prestigiosa collana meantime, the International Documen- fondata a Postumia nel lontano 1927, dopo tation Centre on these special caves will un’interruzione dovuta a gli eventi bellici, have become, especially thanks to the ef- ha ripreso le pubblicazioni nel 1982 con un forts made by the Sardinian Federation of volume dedicato appunto alle grotte dell’I- Speleologists, a worldwide used resource. glesiente, tra cui molte ovviamente “di miniera”. Dopo quel primo volume altri sono seguiti sempre relativi alla Sardegna e al suo patrimonio carsico speleologico. Considerando poi il sempre crescente interesse mondiale per i meccanismi ipercarsi- ci, che quasi costantemente caratterizzano l’evoluzione delle grotte di miniera, è praticamente certo che un Terzo Simposio In- ternazionale sulle Grotte di Miniera sarà organizzato nel volgere di pochi anni e, forse, avrà ancora sede ad Iglesias, dove nel frattempo il Centro di Documentazione su Fig. 9 - The participants to the post-Symposium queste particolari grotte avrà assunto sicu- trip in an old gallery of the San Giovanni Mine ramente, grazie soprattutto all’attività di (Iglesias). / I partecipanti all’escursione di post- Simposio in una vecchia galleria della grotta di supporto della FSS, una importanza mon- San Giovanni (Iglesias). diale.

16 SYMPOSIUM PROGRAM / PROGRAMMA DEL SIMPOSIO

26-04-2012 Thursday / Giovedì 9:00-20:00 Conference’s guest and member arrival, transfer to Iglesias, sightseeing of the town and its historic and mining building / Arrivo degli ospiti ed iscritti, trasferi- mento ad Iglesias, visita della città e dei suoi edifici storici e minerari

27-04-2012 Friday / Venerdì 10:00 Registration / Registrazione. 11:00 Welcome and Greetings from the Authorities /Inaugurazione e saluti delle Autorità. 11:45 Honorary citizenship awarded to eng. Giuliano Perna by the City of Buggerru / Cittadinanza onoraria a Ing. Giuliano Perna da parte del Comune di Buggerru.

Invited Lectures / Comunicazioni ad invito 12:00 Boston P.J., Spilde M.N., Northup D.E. & McMillan C. Crunchy on the Outside, Tender on the Inside: the persistence of microorganisms in geological materials / Croccante fuori, tenero dentro: la persistenza dei microorganismi nei materiali geologici. 12:30 Badino G. & Forti P. Naica caves: perhaps the most important mine caves of the world / Le grotte di Naica: probabilmente le grotte di miniera più importanti del mondo. 13:00 Lunch /Pranzo.

Session « European Mine Caves » / Sessione «Grotte di Miniera Europee » 14:00 audra Ph., Bigot J.-Y., Nobecourt J.-C., Gauchon C. & Couturaud A. The Piéï mine-cave (Lagnes, Vaucluse, France), a hypogene iron ore paleokarst / La grotta di miniera di Piéï (Lagnes, Vaucluse, Francia), un paleocarso di minerale ferroso ipogenetico. 14:20 Brust M.K. & Nash G. Mine caves on the south-eastern flank of the Harz Moun- tains (Saxony-Anhalt, Germany) / Le grotte di miniera del versante sud-orientale delle montagne dell’Harz (Sassonia-Anhalt, Germania). 14:40 Wielander B., Herrmann E. & Knobloch G. Kaiser-Josephi-Mine and its natural caves at Schwarzenberg (Türnitz, lower Austria) / La miniera di Kaiser-Josephi e le sue grotte naturali di Schwarzenberg (Türnitz, bassa Austria). 15:00 otoničar B. Large calcite crystals from Cok Cave (abandoned iron mine), Jelovica Plateau, NW Slovenia / I grandi cristalli di calcite della Grotta di Cok (miniera di ferro abbandonata), plateau di Jelovica, Slovenia nord-occidentale. 15:20 Dublyansky Y. & Team Tyuya-Muyun ’89 Complex epigenetic/hypogene U-V ore bearing karst at Tyuya-Muyun, Kyrghyzstan / Il carso con rocce metallifere complesse epigenetiche/ipogenetiche contenenti uranio e vanadio di Tyuya-Muyun, Kirghizistan. 15:40 Filippov A. & Tsibanov V. Kan-i-Gut mined cave in Kyrgyzstan / La grotta di miniera di Kan-i-Gut nel Kirghizistan. 16:00 Coffee Break / Pausa caffè. 16:20 Constantin S., Bojar A.-V. & Lauritzen S.-E. Speleothems from mine caves and their suitability as paleoclimate recorders.The case of a stalagmite from Pestera Fagului, Romania / Speleotemi delle grotte di miniera e la loro idoneità come registratori del paleoclima. Il caso di una stalagmite di Pestera Fagului, Romania.

17 16:40 Gàzquez F., Calaforra J.M., Ghaleb B., Sanna L., Lauritzen S.E. & Forti P. Pa- laeoflood events in El Soplao cave (Cantabria, Northern Spain) during the last 500 ka recorded by speleothems / Le paleoinondazioni della grotta di El Soplao (Can- tabria, Spagna Settentrionale) degli ultimi 500 ka registrate dagli speleotemi. 17:00 Merlak E. Indirect dating of two speleothems in a field of pyritized bauxites (Mir- na Valley-at Minjera-central Istria - Croatia) / La datazione indiretta di due speleotemi di un giacimento di bauxite piritizzata (Valle di Mirna, Minjera, Croazia centrale). 17:20 hunt Ortiz M.A., García-Dils De La Vega S., Orche Amaré P. & Hurtado Pérez V. The Potosí Mine/San Francisco cave (Guadalcanal, province of Sevilla, SW Spain): speleological and archaeological-archaeometric research / La Miniera di Potosí/Grotta di San Francisco (Guadalcanal, Provincia di Siviglia, SpagnaSud- Occidentale): Ricerca Archeologica-Archeometrica e Speleologica. 17:40 Fernàndez O., Gonzàlez C., Martìn S. & Naranjo M. The pit of Cueva Grande: first description of a volcanic pit in a water mine from the Canary Islands /Il pozzo di Cueva Grande: la prima descrizione di un pozzo vulcanico in una miniera ricca di acqua delle Isole Canarie. 19:30 Dinner / Cena.

28-04-2012 Saturday / Sabato Invited Lectures / Comunicazioni ad Invito 9:00 onac B.P. Minerals in Mine Caves and Mined Caves of Romania / I Minerali delle Grotte di Miniera e delle Grotte Scavate della Romania. 9:30 spilde M.N., Boston P.J., Northup D.E. & Melim L.A. Mines as Anthropogenic Caves: Consequences for Biomineral Deposits / Miniere intese come Grotte Antro- pogeniche: Effetti sui Depositi di Biominerali.

Session « Italian Mine Caves » / Sessione «Grotte di Miniera Italiane» 10:00 Caddeo G.A., Railsback L.B., De Waele J. & Frau F. Contrasting genesis and environmental significance of aragonite inferred from comparison of minor and trace element variation in speleothems / Genesi contrastante e rilevanza ambientale dell’aragonite dedotta dal confronto della variazione degli elementi minori ed in traccia negli speleotemi. 10:20 dalmonte C., De Waele J., Fornaciari E., Pasini G., Vaiani S.C., Correale C & Fab- bri F. Intramessinian karst phenomena revealed in Messinian gypsum quarries in Emilia Romagna (Italy) /Fenomeni del palaeocarso intramessiniano in cave di gesso messiniane dell’Emilia Romagna (Italia). 10:40 argiolas S., Caddeo A.G., Casu L., Muntoni A. & Papinuto S. The San Paolo Mine tunnel at Sa Duchessa (Domusnovas, Sw Sardinia): ten intercepted natural caves and first data on the composition of some speleothems / Galleria San Paolo nella miniera di Sa Duchessa (Domusnovas, Sardegna sud-occidentale): dieci grotte naturali intercettate e primi dati sulla composizione di alcuni speleotemi. 11:00 Coffee Break / Pausa caffè.

Session « Italian Mine Caves » / Sessione «Grotte di Miniera Italiane» 11:20 Furlani S., & Cucchi F. Mining activities in the Istrian peninsula: the extraction of “saldame” / Attività minerarie della penisola istriana: l’estrazione del “saldame”. 11:40 vigna B., De Waele J. & Banzato C. The caves in the underground quarries of Mon- calvo d’Asti – Piedmont (Italy) /Le grotte nelle cave sotterranee di Moncalvo d’Asti – Piemonte (Italia). 12:00 Baldoni E., De Waele J., Galli E., Messina M., Sanna L. & Villani M. Mineralogy and speleogenesis of the Corona sa Craba quarzite cave (Carbonia, SW Sardinia) / Mineralogia e speleogenesi della grotta di quarzite Corona ‘e sa Craba (Carbonia, Sardegna sud-occidentale).

18 12:20 Cucchi F. & Guidi P. Mine Caves in the Classical Karst of Trieste / Grotte di miniera del Carso Classico di Trieste.

Session « extra-European Mine Caves » / Sessione « Grotte di Miniera extra-Europee» 12:40 day M & Reeder P. Lead mine caves in southwestern Wisconsin, USA /Grotte di miniera di piombo del Wisconsin sud-occidentale, USA. 13:00 Lunch / Pranzo. 14:00 dublyansky Y. & Spötl C. The Late Miocene mineralized hypogene karst at Bare Mountain, southern Nevada, USA / Il carso ipogenico mineralizzato del tardo miocene del Bare Mountain, Nevada del sud, USA. 14:20 Gàzquez F., Calaforra J.M., Garcìa-Casco A., Sanna L. & Forti P. Strontium isotopes (87Sr/86Sr) in gypsum speleothems from the Naica caves (Chihuahua, México) / Gli isotopi di Stronzio (87Sr/86Sr) degli speleotemi di gesso delle grotte di Naica (Chihuahua, Mexico). 14:40 Gàzquez F., Calaforra J.M., Frìas Martìnez J. & Rull F. Gypsum speleothems of mine caves as potential Martian analogues / Gli speleotemi di gesso delle grotte di miniera visti come potenziali equivalenti di quelli di Marte.

Invited Lecture / Comunicazione ad Invito 15:00 Calaforra J.M. Problems of valorization and management of the giant geode of Pulpi (Almeria, SE Spain) / I problemi della valorizzazione e gestione del geode gigante di Pulpi (Almeria, Spagna sud-orientale)

Session «Management of Mine Caves » / Sessione «Grotte di Miniera e Gestione» 15:30 Pani D. & Cigna A.A. The paradox of cave mine conservation / Il paradosso della conservazione delle grotte di miniera. 15:50 Brescia M. & Presti S. The “Grandi Garbere” of Cozzo Disi (Sicily) / Le “Grandi Garbere” di Cozzo Disi (Sicilia). 16:10 Naseddu A., Ibba N. & Bogliolo U. Proposal for the modification of the tourist path in the Santa Barbara cave / Proposta di modifica del percorso turistico della grotta di Santa Barbara. 16:30 Naseddu A.,Pani D., Villani M.., Arrica S. & Melis G. New explorations in the Santa Barbara Cave / Nuove esplorazioni della grotta di Santa Barbara. 16:50 Coffee Break / Pausa caffè. 17:10-19:00 Visit to a mine complex /Visita ad un Complesso minerario. 20:00 Social dinner / Cena sociale.

29-04-2012 Sunday / Domenica 8:00-13:00 Excursion to the San Giovanni Mine and to the Santa Barbara Cave / Escur- sione alla Miniera di San Giovanni ed alla Grotta di Santa Barbara. 13:00 Lunch / Pranzo. 14:00 - 19:00 Excursion to the Coast of Nebida-Buggerru / Escursione alla Costa di Nebi- da-Buggerru.

19 Sencond International Symposium on Mine caves: Abstract book and Program / Secondo Simposio internazionale sulla Grotte di Miniera: Programma e Riassunti delle Comunicazioni

20 Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 21-26

Prof. Giuliano Perna (1928-2009): a pioneer in the research on Mine Caves Prof. Giuliano Perna (1928-2009): un pioniere nella ricerca sulle grotte di miniera

Paolo Forti1

Giuliano Perna was born in Gorizia in 1928 Giuliano Perna nasce a Gorizia nel 1928 and first graduates in Mine Engineering e si laurea prima in Ingegneria Mineraria (1954), later in Geology (1957) at the Uni- (1954) e quindi in Geologia (1957) all’Uni- versity of Bologna, where he also teaches versità di Bologna, dove insegna anche per for some years. In 1962 he became Direc- alcuni anni. Dal 1962 ha diretto il Distretto tor of the Mining District of Trentino Alto Minerario del Trentino Alto Adige, carica Adige, position he will hold until he retires che ha mantenuto fino a quando non è an- (Forti, 2010). dato in pensione (Forti, 2010). Giuliano Perna has two passions: mining Due le sue grandi passioni: l’arte minera- art, of which he was one of the main ex- ria, di cui è stato uno dei più grandi esperti perts in the past century, and speleology, del secolo scorso e la speleologia, attività which he started when he was young and quest’ultima che ha iniziato nella sua gio- that brought him early to deal with speleo- vinezza e che presto lo ha portato ad occu- genesis and karst minerogenesis (Perna, parsi di speleogenesi e minerogenesi carsica 1952; Perna & Tommasi, 1954a,b). (Perna, 1952; Perna & Tommasi, 1954a,b). His passion for speleology was so great Il suo amore per la speleologia è stato tale that he became member of the Italian Spe- che lo ha portato, non solo a iscriversi pre- leological Society from the beginning, but stissimo alla Società Speleologica Italiana, also that he married in a very special loca- ma anche a volere una cerimonia nuziale tion: at the bottom of the Castellana cave’s assolutamente particolare: al fondo della vertical entrance. grave di Castellana. As a great researcher he participated in Grande ricercatore ha partecipato a con- congresses around the globe (Perna, 1977; gressi in tutto il mondo (Perna, 1977; Forti Forti et alii, 1981; Forti & Perna, 1986), et alii, 1981; Forti & Perna, 1986), pubbli- publishing over two hundred papers in na- cando oltre duecento lavori in riviste nazio- tional and international journals (Bini et nali ed internazionali (Bini et alii, 1988; alii, 1988; Civita et alii, 1982,1988). Unan- Civita et alii, 1982,1988). Unanimemente imously considered as one of the most bril- considerato come uno dei più brillanti stu- lant Italian researchers on karst in the 60- diosi italiani di carsismo degli anni ’60-’70

1 Istituto Italiano di speleologia, via Zamboni 67, 40125 Bologna: [email protected]

21 70s of last century, he was one of the 12 del secolo scorso, è stato uno dei 12 docenti teachers of the “Seminar on Speleogenesis” al “Seminario di Speleogenesi” (Varenna, (Varenna, 1972), a milestone in the evolu- 1972), pietra miliare per l’evoluzione di tion of new speleological researches in Ita- nuove ricerche speleologiche in Italia (Fig. ly (Fig. 1). 1). It was exactly in this occasion that Perna Proprio in quell’occasione Perna presentò il presented his first review paper on the re- primo lavoro di sintesi relativo al rapporto lationship between mineral deposits and esistente tra i giacimenti minerari e il car- karst (Perna, 1975): in practice this paper sismo (Perna, 1975): in pratica quel lavoro has become the cultural starting point of è servito da base culturale per tutti quelli

Fig. 1 - Giuliano Perna among the lecturers of the Seminar on Speleogenesis at Varenna (photo A, Piciocchi): Organisers and speakers of the Seminar: 1- Lamberto Laureti, 2- Alfred Boegli, 3- Franco Anelli, 4- Arrigo Cigna, 5- Giorgio Pasquini, 6- Henri Roques, 7- Giulia- no Perna, 8- Walter Maucci, 9- Mario Bertola- ni, 10- Giancarlo Pasini, 11- Giulio Cappa, 12 Giulio Badini, 13- Giuseppe Dematteis./ Giu- liano Perna tra i docenti del Seminario di Spe- leogenesi di Varenna (foto A. Piciocchi): Orga- nizzatori e relatori del Seminario: 1- Lamberto Laureti, 2- Alfred Boegli, 3- Franco Anelli, 4- Arrigo Cigna, 5- Giorgio Pasquini, 6- Henri successivi, non solo suoi, che hanno poi per- Roques, 7- Giuliano Perna, 8- Walter Maucci, 9- Mario Bertolani, 10- Giancarlo Pasini, 11- messo di capire le specificità delle grotte di Giulio Cappa, 12 Giulio Badini, 13- Giuseppe miniera e, nei decenni successivi, di svilup- Dematteis. pare un vero e proprio filone di ricerca su

22 all the later papers, not only his, that have questo particolare tipo di cavità. later allowed to understand the unique- Ma Giuliano Perna ha effettuato anche ness of the mine caves and, in the following importanti studi e le ricerche su molti al- decennia, to develop a true research line on tri aspetti del carsismo e della speleologia this special type of caves. dedicandosi in particolare alle morfologie But Giuliano Perna has also carried out esterne (Perna, 1974, 1996), con la realiz- important studies and researches on many zazione anche del primo e ancora insupe- other aspects of karst and speleology dedi- rato atlante delle forme carsiche superfi- cating time especially to the surface land- ciali (Sauro & Perna, 1978), e al concrezio- forms (Perna, 1974, 1996), realising also namento e alla minerogenesi in cavità sia the first and still extremely valid Atlas on naturali che artificiali P( erna 1957, 1959, surface karst morphologies (Sauro & Per- 1961; Forti & Perna 1982, 1983; Bini et na, 1978), and to the speleothem formation alii, 1986, Cadoni et alii, 1986). Perna era and minerogenesis in both natural and ar- anche un grande divulgatore (Forti et alii, tificial caves (Perna 1957, 1959, 1961; For- 1978), è infatti per buona parte suo il meri- ti & Perna 1982, 1983; Bini et alii, 1986, to della realizzazione del famoso Manuale Cadoni et alii, 1986). Perna also was a di Speleologia della Longanesi (SSI, 1978), great educator (Forti et alii, 1978), being che ha rappresentato un punto di svolta mostly his effort the realisation of the fa- epocale nella didattica speleologica in Ita- mous Manual on Speleology of Longanesi lia. (SSI, 1978), that represented a true turn- Ma, a mio avviso, il suo merito principa- ing point in the speleological education in le in ambito carsico è stato quello di aver Italy. inserito, per la prima volta in assoluto, la But, to me, his most important contribution ricerca speleologica in un grande progetto to karst studies has been the inclusion, for europeo: fu lui infatti, alla fine degli anni the first time ever, of speleological research ’70 del secolo scorso, a volere che nello stu- in a big European Project: it was him, in dio dell’Idrogeologia del Bacino Minerario quality of Project leader, in fact, towards dell’Iglesiente (Civita et alii, 1986), da lui the end of the 70s of last century, who had diretto, vi fosse un filone specificatamente the idea of having, inside the hydrogeolog- dedicato al carsismo e alla speleologia. In ical study of the Iglesiente Mining District questo modo era anche riuscito a coniugare (Civita et alii, 1986), a research line spele due sue grandi passioni: l’arte mineraria cifically dedicated to karst and speleology. e la speleologia, che in quel progetto erano In this way he also managed to put togeth- inscindibilmente connesse. er his two great passions: mining art and Fu un decennio assolutamente eccezionale speleology, which in that European Project in cui la collaborazione interdisciplinare were unmistakably connected. tra geologi, idrogeologi, carsologi e speleo- The 70s were an exceptional decennium logi, coordinati sapientemente da Giulino in which the interdisciplinary collabora- Perna, portò a risultati davvero notevoli tion between geologists, hydrogeologists, (Civita et alii, 1983a,b). In particolare mi karstologists and cavers, masterly coordi- piace ricordare che grazie a Perna e alla nated by Giuliano Perna, brought to really ricerca sull’Iglesiente fu possibile nel 1981 important results (Civita et alii, 1983a,b). far rinascere la collana delle Memorie In particular I like to recall that thanks to dell’Istituto Italiano di Speleologia (Forti Giuliano Perna and the researches carried & Perna 1982a) e, cosa ancora più impor- out in Iglesiente it was possibile, in 1981, to tante, mettere le prime basi serie per la rea- give a rebirth to the series of the “Memorie lizzazione di un Catasto Speleologico della dell’Istituto Italiano di Speleologia” (Forti Sardegna. & Perna 1982a) and, even more important- All’interno di quel progetto europeo, che ly, to plant the seed for the realisation of vide Giuliano Perna spendere ogni mese the Sardinian Cave Register. almeno 6-10 giorni in Sardegna, furono Inside this European Project, during which realizzate varie ricerche speleologico-car-

23 siche anche non direttamente collegate con il progetto stesso, ma che spesso erano specificatamente dedicate a particolarissime grotte di miniera, che si andavano progressivamente scoprendo nelle varie miniere dell’Iglesiente (Perna, 1994, 1995; Forti & Perna, 1982c, 1983a,b, 1986, 1988; Civita et alii, 1989; De Waele et alii, 2001) e con particolare riguardo alla loro salvaguardia e valorizzazione turistica (Forti & Perna, 1982a,b; Civita et alii, 1982, 1988; Perna, 1988, Chiesi et alii, 2003). Certamente in quegli anni si radicò in lui quell’amore sviscerato per la Sardegna, le sue miniere e, soprattutto, le sue Grotte di Miniera, tanto da fargli maturare la deci- sione di voler restare per sempre in questa isola una volta conclusa la sua esperienza terrena: desidero che grazie al Comune di Buggerru è stato esaudito recentemente. Fig. 2 - Giuliano Perna, on the left, in the early 80s La conclusione del progetto europeo prima during a tracing experiment inside the Monteponi e la successiva cessazione delle attività mi- mine. / Giuliano Perna, a sinistra, nei primi anni nerarie non impedirono certo a Giuliano ottanta mentre effettua una prova di colorazione Perna di frequentare ancora assiduamen- all’interno della Miniera di Monteponi. te la Sardegna e i suoi karst (Perna, 1999). L’ultima volta è stata nell’Aprile del 2007, in occasione del XX Congresso Nazionale di Giuliano Perna spent at least 6-10 days Speleologia organizzato dalla Federazio- in Sardinia each month, many speleologi- ne speleologica Sarda: anche allora la sua cal and karst researches not immediately non fu solamente una partecipazione come connected to the project were carried out, uditore, infatti presentò ben due lavori su often related to the study of very special aspetti minerari e carsici della Sardegna mine caves that were from time to time dis- (Cadoni & Perna, 2008a,b). covered in the different mines of Iglesiente Nonostante abbia sempre potuto far coinci- (Perna, 1994, 1995; Forti & Perna, 1982c, dere il suo lavoro professionale con le sue 1983a,b, 1986, 1988; Civita et alii, 1989; De passioni e i suoi interessi più profondi, in Waele et alii, 2001), with special attention realtà la vita non è stata certo tenera con to their safeguarding and touristic valori- Giuliano Perna: infatti ha dovuto superare sation (Forti & Perna, 1982a,b; Civita et prove molto dure quali la tragedia di Stava, alii, 1982, 1988; Perna, 1988, Chiesi et alii, di cui ha dovuto sopportare le conseguenze, 2003). anche dopo la morte, per responsabilità og- Certainly in those years his passionate love gettivamente non sue, e quindi la morte del- for Sardinia, its mines and mine caves, was la figlia a seguito di un terribile incidente strengthened, as much as to make him de- automobilistico. Nonostante tutto, ha sapu- sire to stay forever on the Island once he to sempre camminare a testa alta. would pass away: a desire that thanks to Il suo nome, comunque, rimarrà per sem- the village of Buggerru has ony recently pre indissolubilmente legato ai suoi due been accommodated. più grandi amori: le grotte di miniera e la The conclusion of the European Project Sardegna. In occasione del Secondo Simpo- first, and of the mines later, did not ham- sio Internazionale sulle Grotte di Miniera, per Giuliano Perna to continue visiting the infatti, la Federazione Speleologica Sarda island and its karst often (Perna, 1999). ha annunciato di aver intitolato a Giulia-

24 The last time he visited Sardinia was in April 2007, during the XXth National Con- gress on Speleology organised by the Sar- dinian Federation of Speleology: also that time he did not just come as a visitor, but he presented two papers on mining and karst aspects of the island (Cadoni & Per- na, 2008a,b). Although he had the fortune of combining most of the time his professional duties to his passions and personal scientific interests, in reality life has certainly not always been kind to him: he had to overcome some very difficult situations like the one related to the Stava tragedy, of which he also had to burden the consequences, also after his death, for the responsibility that was not directly his, and the death of his daughter Fig. 3 - San Giovanni Mine (Iglesias): the plate in a dreadful car accident. Despite these showing the location of the International Docu- facts, he always faced life proudly. mentation and Research Center on Mine Caves. His name will remain, however, strictly tied / Miniera di San Giovanni (Iglesias): la targa che to his two main passions: mine caves and indica la posizione del Centro Internazionale di Sardinia. During the Second International Documentazione e Ricerca sulle Grotte di Miniera. Symposium on Mine Caves the Sardinian Federation of Speleologists has officially no Perna il Centro Internazionale di Docu- entitled the International Centre of Docu- mentazione sulle Grotte di Miniera (Fig. 3) mentation on Mine Caves to Giuliano Per- appena realizzato nella restaurata villetta na (Fig. 3), very recently realised in the re- della Direzione della Miniera di San Gio- habilitated villa of the San Giovanni Mine vanni ad Iglesias. In questa struttura, a Direction at Iglesias. In this structure, in breve, troverà anche spazio la grande bi- a short time, the great thematic library on blioteca tematica sulle miniere e sulle grot- mines and caves that Giuliano Perna has te che Giuliano Perna aveva raccolto lungo gathered during his life time and that his tutto l’arco della sua vita e che la famiglia family has decided to leave as a heritage ha deciso di far rimanere patrimonio della to Speleology will be hosted. In this man- speleologia. In questo modo continuerà ad ner this resource will continue helping the aiutare i ricercatori e gli speleologi che vor- researchers and cavers that will dedicate ranno cimentarsi nell’esplorazione e nello their time to the study of the fascinating studio di quell’affascinante mondo sotter- subterranean world of the mine caves. raneo rappresentato dalle grotte di miniera.

References / Citazioni bibliografiche

Bini A., Cadoni E., Forti P. & Perna G., (1986), La me- Cadoni E. & Perna G., (2008), Ocre dell’Isola di San Pie- lanterite della miniera di Montevecchio (Sardegna tro, Sardegna, Atti XX Congresso Nazionale di Spele- sud-occidentale), Notiziario Mineralogico Paleontolo- ologia, Iglesias, Memoria Istituto Italiano di Speleo- gico 48, pp. 7-13. logia 2(21), pp. 226-230. Bini A., Cremaschi M., Forti P. & Perna G., (1988), Pa- Cadoni E. & Perna G., (2008), Fenomeni superficiali paleokarstic fills in Iglesiente (Sardinia, Italy): sedimen- racarsici della Sardegna, Atti XX Congresso Nazio- tary processes and age, Coll. Int. Sedim. Karst., Han nale di Speleologia, Iglesias, Memoria Istituto Italia- Sur Lesse 1987, Ann. Soc. Geologique Belgique 111 no di Speleologia 2(21), pp. 484-492. (1), pp.149-161. Chiesi M., Cigna A.A., Fadda A., Fancello L., Forti Cadoni E., Forti P. & Perna G., (1986), La Gaspeite ma- P., Grafitti G., Murgia F., Naseddu A. & Perna G., gnesifera della Miniera di San Benedetto, Rivista Ita- (2003), La Grotta delle Lumache di Buggerru (SA CA liana di Mineralogia 1986(2), pp. 62-67. 1827): risultati preliminari del monitoraggio ambien-

25 tale e delle ricerche scientifiche finalizzati alla defini- Forti P. & Perna G., (1988), Genesi della monteponite di zione del livello di fruibilità compatibile. In: De Waele Monteponi. Rivista Italiana di Mineralogia 1988(1), J. (Ed.), Il carsismo e la ricerca Speleologica in Sarde- pp.45-51 gna, Antheo 6, pp.143-160. Forti P., Perna G. & Burri E., (1988), Note illustrative Civita M., Forti P. & Perna G., (1986), The hyperkarst della carta dell’impatto dell’uomo sul Karst della Sar- phenomena with particular regard to the Iglesiente degna, Atti AIC L’Aquila 1987, pp.421-427. (SW Sardinia), IX Int. Spel. Congr. Barcellona, 1, pp. Forti P., Perna G. & Sauro U., (1978), Grotte e fenomeni 269-272. carsici. In: Società Speleologica Italiana, Manuale di Civita M., Cocozza T., Forti P., Perna G. & Cuccu L., Speleologia, ed. Longanesi, pp. 95-176. (1989), Evoluzione inversa di un karst: un esempio Forti P., Perna G. & Turi B., (1981), Genetical observa- nell’Iglesiente (Sardegna Sud-Occidentale), Atti XV tions on some natural caves in the Masua mine (SW Congr. Naz. Spel., Castellana, pp.301-318. Sardinia), Proc.VIII Int.Spel. Congr., Bowling Green, Civita M., Forti P., Perna G. & Turi B., (1988), Interac- pp. 779-781. tions between Pb and Zn Mine of Gutturu Pala and Perna G., (1952), La Grotta ai Gaggi sul Monte Gazza, local groundwater resources (Fluminese, Sardinia, Studi Trentini di Scienze Naturali 29(1/2), pp. 74-77. Italy), XXI Congr. IAH, Guilin, Cina, 2, pp.1083-1088. Perna G., (1957), Perle di grotta di alcune cavità meri- Civita M., Cocozza T., Forti P., Perna G. & Turi B., dionali, Studia Speleologica, pp. 1-3. (1982), Importanza degli studi speleologici per lo Perna G., (1959 Perle di grotta poliedriche della galleria sviluppo delle attività minerarie, sociali e turistiche ferroviaria di Bergeggi (Savona), Rassegna Speleolo- nell’area di Iglesias (Sardegna SO), Atti II° Symp. gica Italiana 16(1), pp. 18-20. Int. “Utilizzazione delle Aree Carsiche”, Bari, pp. 85- Perna G., (1961), Concrezioni in cavità artificiali Ras- 95. segna Speleologica, Italiana Memoria 5, pp. 225-234. Civita M., Cocozza T., Forti P., Perna G. & Turi B., Perna G., (1974), Il fitocarsismo nella formazione del- (1983a), Idrogeologia del bacino minerario dell’Igle- le kamenitze (vaschette di corrosione), Natura Alpina siente, Memorie Istituto Italiano di Speleologia, 2(2), 25(1), pp. 25-34. 138 p. Perna G., (1975), Fenomeni carsici e giacimenti minera- Civita M., Cocozza T., Forti P., Perna G. & Turi B., ri, Le Grotte d’Italia 4(4), pp.77-158. (1983b), Hydrogeology and geochemistry of ground- Perna G., (1977), Karst cycles and groundwater flow in water in the mining district of Iglesias (SW Sardinia) the Iglesiente Mining District (Sardinia, Italy) Proc. and its correlation with speleogenesis and cave miner- 7 International Congress of Speleology, Sheffield, pp. alizations, Proc. I° Europ. Spel. Conf., Sofia 1980, 2, 114-116. pp.467-474. Perna G., (1988), Carta d’impatto dell’uomo sul karst Civita M., Cocozza T., Forti P., Perna G. & Turi B., proposta di legenda, RDR 13, pp. 603-606. (1986), Identification of groundwater flow parameters Perna G., (1990), Carsismo e Giacimenti Minerari, of karstic aquifer in the mining district of Iglesiente Commissione Nazionale Scuole di Speleologia della (Sardinia-Italy), CEE “RESOURCES report EUR SSI, 12° Corso di Terzo Livello, Gonnosfanadiga, 22 p. 10572 EN, 56 p. Perna G., (1994), Il Carsismo Profondo nel Sulcis Igle- De Waele J., Forti P., Perna G., (2001), Hyperkarstic siente (Sardegna Sud Occidentale) e nel Trentino Ve- phenomena in the Iglesiente mining district (SW-Sar- neto (Alpi Sud Orientali Italiane). Carsismo Messi- dinia), In: Cidu R. (Ed.), Water-Rock Interaction 2001, niano: esempi, Annali Museo Civico Rovereto 10, pp. A.A.Balkema, Lisse, pp. 619-622. 327-377. Forti P., (2010), Giuliano Perna (1928-2009), Speleolo- Perna G., (1995), Il carsismo messiniano e la circolazio- gia 62, pp.86-87. ne profonda delle acque nel Sulcis-Igesiente (Sarde- Forti P. & Perna G., (1982), Le cavità naturali dell’Igle- gna Sud Occidentale), Memorie Associazione Minera- siente, Memoria Istituto Italiano di Speleologia 2(1), ria Sarda, 2(1), pp. 27-39. 230 p. Perna G., (1996), Evolution of karren in the alto Gar- Forti P. & Perna G., (1982), La turistizzazione della da area (Trentino, North Italy). In: Fornos J. & Ginés grotta di S. Barbara nella miniera di San Giovanni e A. (Eds.), Karren Landforms, Palma di Mallorca, pp. la creazione di un Museo Minerario ad essa connesso 381-396. (Iglesias, Sardegna Sud-Occidentale), Atti Conv. Int. Perna G., (1999), Vaschette di corrosione marina sulle sulle Grotte Turistiche, Borgio Verezzi, pp. 181-188. vulcaniti del Sulcis, Sardegna Speleologica 15, pp. Forti P. & Perna G., (1982), Orientazione dei cristalli di 43-47. calcite nelle crevasse della miniera di Nebida (Sarde- Perna G. & Tomasi G., (1954a), Problemi di Speleologia gna Sud Occidentale), Petr. Miner. Acta 51, pp. 155- nel Trentino-Alto Adige, Atti 6° Congresso Nazionale 180. di Speleologia, pp.30-33. Forti P. & Perna G., (1983a) Concrezioni e cristallizza- Perna G. & Tomasi G., (1954b), Studio di un complesso zioni nei karst dell’Iglesiente (Sardegna SW), Grotte carsico presso S. Giacomo in Val di Sole, Studi Tren- d’Italia 4(11), pp. 421-430. tini di Scienze Naturali 31(1/2), pp. 25-49. Forti P. & Perna G., (1983b), Studio morfologico e ge- Sauro U. & Perna G., (1978), Atlante delle microforme netico delle pisoliti di aragonite rinvenute in due gal- di dissoluzione carsica superficiale del Trentino e del lerie minerarie presso Iglesias, Grotte d’Italia 4(11), Veneto, Memorie del Museo Tridentino di Scienze Na- pp.407-419. turali 22, 176 p. Forti P. & Perna G., (1986c), L’ipercarsismo con parti- Società Speleologica Italiana, (1978), Manuale di spe- colare riguardo all’Iglesiente, Sardegna Sud Occiden- leologia. Longanesi, 582 p. tale, Natura Alpina 36(2-3), pp. 85-99.

26 Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 27-28

CRUNCHY ON THE OUTSIDE, TENDER ON THE INSIDE: THE PERSISTENCE OF MICROORGANISMS IN GEOLOGICAL MATERIALS CROCCANTE FUORI, TENERO DENTRO: LA PERSISTENZA DEI MICROORGANISMI NEI MATERIALI GEOLOGICI

Penelope J. Boston1,2, Michael N. Spilde3, Diana E. Northup4& Cameron McMillan5

Abstract Riassunto How long can microorganisms remain viable in Per quanto tempo i microorganismi possono so- sediments, fluid inclusions, rock fractures, ice, or pravvivere nei sedimenti, inclusioni fluide, frat- other geological materials? ture rocciose, ghiaccio o altri materiali geologici? This is a question for which we have little direct Per rispondere a questa domanda esistono poche evidence, but great interest. Reports of long du- prove dirette, tuttavia è un argomento che suscita ration microbial survival in salt crystals and oth- tanto interesse. Gli studi sulla lunga sopravviven- er materials have been greeted with skepticism za microbica nei cristalli di sale e in altri mate- because the standards of proof are so rigorous riali sono state accolti con scetticismo perché gli and materials like salt are subject to plastic de- standard richiesti sono molto rigidi e materiali formation and flow over geological time. come il sale sono soggetti a deformazione plasti- Any hint of surface contamination undermines ca nell’arco del tempo geologico. Qualsiasi traccia the ability to claim that recovered organisms are di contaminazione della superficie mette a rischio indeed survivors from past environments. la possibilità di sostenere che gli organismi recu- However, as such instances slowly mount up in perati siano effettivamente superstiti di ambienti the scientific literature, the plausibility, indeed passati. Tuttavia, mentre tali esempi si moltipli- probability, of extremely long term survival and cano nella letteratura scientifica, l’attendibilità, viability is strengthened. nonché la probabilità, di una sopravvivenza e una The giant calcium sulfate crystals in caves inter- vitalità di così lungo termine si rafforza. I cristalli sected by extensive mining at Naica, Chihuahua, giganti di gesso delle grotte di Naica, Chihuahua, Mexico provide a new look at the important ques- Messico, dove vi è anche un’intensa attività mi- tions about subsurface microorganisms growing neraria, forniscono una nuova prospettiva per le in extreme conditions and their potential long- importanti domande sui microorganismi del sot- term survival while trapped within geological tosuolo che si sviluppano in condizioni estreme e structures and materials. la loro potenziale sopravvivenza a lungo termine Our recent work on the living microorganisms mentre sono intrappolati all’interno di materiali and sequenceable DNA from fluid inclusions in e strutture geologiche. Il nostro recente studio sui the enormous Naica crystals, Fe oxide and clay microorganismi viventi e sul DNA sequenziabile

1 Earth & Environmental Sci. Dept. New Mexico Institute of Mining & Technology, Socorro, New Mexico, USA 2 National Cave & Karst Research Institute, Carlsbad, New Mexico, USA 3 Institute of Meteoritics, University of New Mexico, Albuquerque, New Mexico, USA 4 Dept. Biology, University of New Mexico, Albuquerque, New Mexico, USA 5 Northern Arizona University, Flagstaff, Arizona, USA

27 rich wall material, and black solid inclusions in estratti dalle inclusioni fluide degli enormi cri- crystals in a high temperature cave environment stalli di Naica, dal materiale di pareti ricche di is a new entry in the list of potential long-term argilla e ossido di ferro e da inclusioni solide nere survival of microorganisms in geological time dei cristalli di un ambiente sotterraneo ad alta capsules. temperatura costituisce una nuova prova a favo- Over 30 mixed cultures have been retrieved from re della potenziale sopravvivenza a lungo termine these materials in several caves intersected by dei microorganismi nelle capsule del tempo geo- extensive mining activities. logiche. Oltre 30 colture miste sono state estratte These cave chambers were drained of hot (>50° C) da questi materiali in diverse grotte intersecate hydrothermal water during mining of zinc, lead, da intense attività minerarie. Le grotte sono state minor silver and copper, thus allowing access to prosciugate dall’acqua calda idrotermale (>50°C) the chambers about a decade ago. durante l’estrazione di zinco, piombo, argento e Growth rates of the crystals and their maximum rame, permettendo l’accesso alle grotte solamente age (~500 ky) has been estimated by other col- una decina di anni fa. I tassi di accrescimento leagues. dei cristalli e la loro età massima (~500 ka) sono Using these values, we estimate the age of the stati determinati da altri colleghi. In base a que- fluid inclusions we sampled at approximately 50 sti valori, l’età delle inclusioni fluide esaminate è ky old. stimata intorno ai 50 ka. Le inclusioni solide del Manganese and iron solid inclusions in the crys- ferro e del manganese dei cristalli corrispondono tals mineralogically match the Fe/Mn deposits on da un punto di vista minerario ai depositi di Fe/ chamber walls. Mn delle pareti degli ambienti di grotta. Inoltre, Organisms from both have also been studied and dallo studio degli organismi prelevati da entram- reveal interesting patterns of genetic relation- bi sono emersi degli interessanti modelli di capa- ship and abilities to precipitate minerals when cità e rapporti genetici nel precipitare i minerali cultured in the laboratory. durante la coltura in laboratorio. In the case of the Naica system, a large magma Nel caso del sistema di Naica, una grande massa body ascending from great depth served to frac- di magma proveniente dalle profondità ha frattu- ture the parent limestone. rato la roccia calcarea madre. I gas e le acque ter- Ascending metal rich thermal waters and gases mali ascendenti ricche di ioni metallici sono filtra- percolated into the fractures, creating the caves te attraverso le fratture, creando le grotte e le rocce and the ores, and setting the stage for the spec- metallifere e preparando il terreno per gli spetta- tacular mineralogical developments and unusual colari sviluppi mineralogici e le insolite comunità microbial communities. microbiche. Ciò è un esempio straordinario delle This is an extraordinary example of the dramatic strabilianti influenze geochimiche e biologiche che geochemical and biological influences that man- i materiali derivati dal mantello terrestre possono tle-derived materials can ultimately have on avere sulla mineralogia e microbiologia di super- more shallow mineralogy and microbiology and ficie e anche un’opportunità perfetta per studiare i a perfect opportunity to study hyperthermophile microorganismi ipertermofili (in grado di resiste- (extreme heat tolerant) microorganisms and their re al caldo estremo) e la loro potenziale capacità potential for long term viability within crystals di sopravvivenza a lungo termine all’interno dei and mineral wall deposits. cristalli e dei depositi minerari delle pareti.

28 Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 29-40

Naica caves: perhaps the most important mine caves of the world Le Grotte di Naica: forse le grotte di miniera più importanti del mondo

Giovanni Badino1 & Paolo Forti2

Abstract Riassunto In 2005 La Venta Esplorazioni Geografiche to- Nel 2005 La Venta Esplorazioni Geografiche in- gether with C/Producciones of Mexico City and sieme a C/Producciones di Città del Messico e Peñoles Society started with the “Projecto Naica” Peñoles Society (concessionaria della miniera) de- a complex multidisciplinary project to explore, cisero di lanciare il Projecto Naica, un complesso document and study all the relevant aspects of progetto multidisciplinare, allo scopo di esplora- Naica caves. The project lasted about five years. re, documentare e studiare nel modo più esaurien- Thanks to the “Projecto Naica” it is now clear that te possibile tutti gli aspetti salienti delle Grotte di the Naica caves are presently the most important Naica: il progetto è durato circa cinque anni. mine caves of the world, not only from the aes- Grazie al “Projecto Naica” ora è chiaro che le grot- thetic point of view but also from the scientific te di Naica probabilmente sono le grotte di minie- one. But these cave will be likely destroyed in a ra più importanti del mondo, non solo dal punto short span of time and therefore La Venta Es- di vista estetico, ma anche da quello scientifico. plorazioni Geografiche is now working hard to try Ma le grotte di Naica probabilmente verranno per- to preserve for future generations not only the se per sempre nel giro di pochi anni. Per questo memory and the records (already achieved with motivo La Venta Esplorazioni Geografiche attual- the “Projecto Naica”), but also a significant part mente si sta adoperando per cercare di preservare of this incredible underground world. per le generazioni future non solo la memoria e le Keywords: mine caves, scientific research, Mex- testimonianze (scopo raggiunto grazie al “Projecto ico. Naica”), ma anche una parte significativa di questo incredibile mondo sotterraneo. Introduction Parole chiave: grotte di miniera, ricerca scientifica, Messico. In 2004, during the First International Symposium on Mine Caves, a preliminary report was presented on the caves discov- Introduzione ered a few years before inside the Naica Nel 2004, al Primo simposio Internazio- Mine, Chihuahua, Mexico (Badino & For- nale sulle Grotte di Miniera fu presentato ti, 2005). At that time the interest around un rapporto preliminare su delle grotte che these cavities was simply focused on the erano state scoperte pochi anni prima den- hosted gigantic gypsum crystals (the larg- tro la Miniera di Naica, Chihuahua, Me- est in the world) (Forti, 2006b; García Ruiz xico (Badino & Forti, 2005). A quel tempo

1Associazione La Venta, Università di Torino 2Associazione la Venta, Istituto Italiano di Speleologia , Università di Bologna

29 Fig. 1 - Structure of the Naica Project. / Struttura del Progetto Naica.

et alii, 2007) and on the difficulties to explore and to document these caves, due to their extreme climate (47°C and 100% of relative humidity) (Badino, 2006, 2007). A year later, La Venta Esplorazioni Geogra- fiche together with C/Producciones of Mex- ico City and Peñoles Society (the mine own- l’interesse per queste grotte si limitava sui er) decided to launch the “Projecto Naica” giganteschi cristalli di gesso che conteneva- (Fig. 1), a complex multidisciplinary proj- no, dato che erano i più grandi del mondo ect, with the aim to explore, document and (Forti, 2006b; García Ruiz et alii, 2007) e study in the most comprehensive manner inoltre si stava ancora cercando di risolvere all the relevant aspects of these mine caves il problema connesso all’esplorazione e alla (De Vivo, 2007; Bernabei et alii, 2009; For- documentazione di queste cavità a causa ti & Sanna, 2010). The necessity of such a del loro clima tremendo (47°C e 100% di project was essentially due to the fact that umidità relativa) (Badino, 2006, 2007). Un these natural wonders will not be accessi- anno dopo, La Venta Esplorazioni Geogra- ble anymore in a few couple of years. fiche assieme a C/Producciones di Città

Fig. 2 - Scientific panel of the Naica Project. / Gli scienziati del Progetto Naica

30 The “Projecto Naica” was joined by scien- del Messico e alla Compagnia Peñoles (con- tists from different universities and re- cessionaria della miniera) decisero di dare search centers of several Countries (Fig. 2). vita al “Projecto Naica” (Fig. 1), un com- The project lasted about five years during plesso progetto multidisciplinare per esplo- which all the caves were fully explored rare, documentare e studiare, nella manie- (Badino & Forti, 2007; Badino et alii, 2007, ra più esaustiva possibile, tutti i principali 2009; Beverly & Forti, 2010; Bernabei et aspetti di queste grotte di miniera (De Vivo, alii, 2011 in press) and documented by half 2007; Bernabei et alii, 2009; Forti & Sanna, a million of high resolution photos and hun- 2010). La necessità di un tale progetto era dreds of hours of movies (Bernabei, 2007), dovuta al fatto che queste meraviglie della shot by some of the most prestigious firms natura in un breve volgere di tempo non sa- (Discovery Channel, National Geografic rebbero state più accessibili. Scienziati da Channel etc...); one film was also shot by C/ molte università e centri di ricerca di dif- Producciones and presented in several Fes- ferenti paesi aderirono al “Projecto Naica” tivals in Mexico. (Fig. 2), che è durato circa 5 anni durante The research (Fig. 3) covered very differ- i quali tutte le grotte sono state esplorate ent topics: from physiology to engineering, (Badino & Forti, 2007; Badino et alii, 2007, from crystallography to biology, from hy- 2009; Beverly & Forti, 2010; Bernabei et drogeology to mineralogy, from meteorol- alii, 2011 in press) e documentate da cir- ogy to astrobiology, from speleogenesis to ca mezzo milione di fotografie B ( ernabei, paleo-environmental reconstruction, from 2007), e centinaia di ore di filmati realizzati da alcuni dei più importanti canali tematici (Discovery Channel, National Ge- ografic Channel etc...), con la realizzazione anche di un vero e proprio film da parte di C/Producciones, presentato con successo a vari festival in Messico. La ricerca (fig. 3) ha riguardato argomenti diversissimi tra loro: dalla fisiologia all’ingegneria, dalla cristallografia alla biologia, dalla idrogeologia alla mineralogia, dalla meteorologia all’astrobiologia, dalla speleogenesi alle ricostruzioni paleo-ambientali, dalla cli- matologia alla palinologia. Nel presente lavoro vengono riassunti brevemente i principali risultati ottenuti dal “Projecto Naica” e, alla fine, viene fornito l’elenco completo delle pubblicazioni realizzate.

La ricerca scientifica I giganteschi cristalli di gesso di Naica si sono formati perché, circa 1200 m al di sot- Fig. 3 - Sampling for microbiological analyses to il giacimento di argento ospitato nelle inside Cueva de los Cristales (photo: G. Badino - La Venta - C/productiones). / Campionamento formazioni carbonatiche del Cretacico, un microbiologico nella Grotta dei Cristalli (foto: G. “batolite” oligocenico ha causato la risalita Badino - La Venta - C/productiones). di fluidi caldi che hanno dapprima messo in posto il giacimento stesso e quindi hanno climatology to palinology. In the present reso possibile lo sviluppo dei cristalli (Bri- paper the achieved results within the Na- ceño-Prieto et alii, 2007; Giulivo et alii, ica project are shortly summarized and a 2007): ancora oggi la temperatura della full list of the publications they produced roccia al fondo della miniera di Naica è di is also given. circa 50-60°C. Nel 1910 fu scoperta la pri-

31 The scientific research ma grotta con grandi cristalli (La Cueva de The presence of giant gypsum crystals oc- las Espada 120 m al di sotto dell’ingresso curred in Naica because some 1200 m below della miniera. Poi nel 2000 quattro nuove the silver rich ore body hosted inside Cre- cavità sono state intersecate dalle gallerie taceous carbonate formations, a Oligocenic del livello -290 (Forti, 2006c), di cui però “batholith” was responsible for the rising non era stata fatta nessuna esplorazione of hot fluids allowing firstly the formation e/o studio sistematico a causa del loro cli- of the ore bodies and later the evolution of ma estremo (47°C e 100% di umidità relati- the giant crystals (Briceño-Prieto et alii, va), che richiedeva precauzioni e specifiche 2007; Giulivo et alii, 2007): rock tempera- attrezzature per evitare il rischio di morire ture deep inside Naica is still 50-60°C. durante l’esplorazione. Pertanto la prima The first cave with large crystal (Cueva de preoccupazione del “Projecto Naica” è stata las Espadas) was unveiled 120 m below the proprio relativa a questo specifico argomen- mine entrance in 1910. Only in 2000 four to su cui si sono concentrate gli studi di me- new cavities were intersected by the gal- teorologia, fisiologia e tecnologia. leries of the -290 level (Forti, 2006c), but practically no systematic exploration nor La ricerca micrometeorologica scientific research were performed inside Per conoscere in dettaglio il clima di queste them until 2005. This because their ex- cavità, la più grande (Cueva de los Crista- treme climatic conditions (47°C and 100% les) è stata attrezzata con acquisitori auto- of relative humidity) required peculiar matici che registravano la sua temperatura cautions and specific tools to avoid the risk con un errore inferiore ai 40 millesimi di of death during their exploration. Thus the grado (Badino, 2007, 2009), mentre misure first research planned and implemented by puntuali venivano fatte ogni volta che si vi- the “Projecto Naica” were related to this sitavano le altre grotte. In questa maniera specific topic and in particular to meteorol- è stato possibile studiare la sedimentazione ogy, physiology and technology. termica e i flussi d’aria, stimare il bilancio energetico e definire anche la velocità di raffreddamento indotto dalla eduzione e Micro-meteorological research dalla ventilazione mineraria. In order to know the climate of the caves Il risultato più importante è stato però quel- the largest of them (Cueva de los Cristales) lo di aver dimostrato che la parte nota della was equipped with automatic devices re- grotta è solo un frammento minuscolo di un cording its temperature with an error of più vasto sistema di grotte che si estende a less than 40 millidegrees (Badino, 2007, NE della grotta, del quale fa parte anche 2009), while spot measurements were l’Ojo de la Reina. Questo complesso di am- made in the other cavities every time they bienti ancora inesplorati è in collegamento were visited. aereo con altre zone della miniera sia con In this manner it has been possible, to l’esterno tramite l’infiltrazione di acque me- study internal thermal sedimentation and teoriche. air movements, to estimate the cave energy balance and to define also the rate of La ricerca sulla fisiologia their cooling down induced by mine educ- Non è ancora ben conosciuto l’effetto del tion and ventilation. riscaldamento sugli organismi viventi e However, the most important result has pertanto per evitare ogni possibile rischio, been the demonstration that the known già dalle prime esplorazioni, i principali parts of the cave are only an insignificant parametri fisiologici (temperatura, pressio- part of a much vaster system of caves that ne, pulsazioni cardiache etc. e altri) di ogni extends toward the NE of Cristales, includ- esploratore sono stati tenuti sotto controllo ing Ojo de la Reina. This system of still un- sia con misure puntuali che con registrazio- explored voids is in meteorological contact ne continua (Giovine, 2007; Giovine et alii, with other mining areas, and also with the 2009). Questa ricerca è stata fondamentale

32 outside air though infiltration of meteoric per definire, per ciascun esploratore, il tem- waters. po massimo di permanenza all’interno della grotta. Nello stesso periodo è stato anche Physiological Research effettuato uno studio sulla relazione tra i The effect of heating on living organisms cristalli di gesso e l’immunologia (Jirillo, was not well known and therefore to avoid 2007). any possible risk, since the beginning the main physiological parameters (tempera- La ricerca tecnologica ture, blood pressure, pulsations etc…) of Per aumentare in maniera sicura il tempo any explorer were taken under control di lavoro che gli esploratori potevano tra- by spot measurements and/or continuous scorrere all’interno delle grotte, sono stati recording (Giovine, 2007; Giovine et alii, progettati due nuovi attrezzi per creare una 2009). This research was fundamental to barriera termica tra l’ambiente e il corpo state the maximum lasting time inside the umano e facilitarne anche l’estrazione di cave for each of the explorers. calore. Sono stati realizzati in particolare In this period also a research was made una nuova tuta termica (chiamata “Tolo- on the existing relationship between the mea”) e un “respiratore ad aria fredda”: il gypsum crystals and immunology (Jirillo, funzionamento di ambedue questi appara- 2007). ti è basato sul calore latente di fusione del ghiaccio (Badino & Casagrande, 2007; Badi- Technological research no et alii, 2009) e grazie a loro è stato possi- In order to safety increase the working bile ampliare il tempo di stazionamento in time inside the cave, new specific devic- grotta da 10-15 minuti a oltre un’ora. Pur- es have been planned and implemented tuttavia tale intervallo di tempo rimaneva to create a thermal barrier against the comunque insufficiente per la realizzazione body heating and to extract heat from it. di documentari e/o film, pertanto C/Pro- A completely new thermic overall (named ducciones di Città del Messico ha progetta- “Tolomea”) and a “cold breathing” device to e realizzato dei nuovi robot specifici per were realized: both were based on heat of permettere di svolgere la gran parte del la- fusion of ice (Badino & Casagrande, 2007; voro di ripresa senza la presenza fisica di Badino et alii, 2009) and allowed to extend un operatore. the permanence inside the cave from 10- L’esplorazione delle grotte, la loro docu- 15 minutes to over 1 hour. Anyhow this in- mentazione e le varie ricerche scientifiche terval was not enough to allow to realize sono iniziate tutte simultaneamente non documentaries and films inside the caves, appena si è avuta certezza della sicurezza therefore C/Producciones of Mexico City degli esploratori. realized and successfully tested new ro- bots to perform must of the job without the Esplorazione, rilievo e documentazio- presence of a living operator. ne delle grotte The field exploration, documentation and L’esplorazione, la documentazione e il ri- research started simultaneously only once lievo di tutte le grotte conosciute è durato the safety of the explorers was achieved. 4 anni: in questo periodo si sono utilizzati anche strumenti specifici per ottenere la Cave exploration, documentation and maggior precisione possibile nei rilievi. In mapping particolare nella Grotta dei Cristalli è sta- Exploring, documenting and mapping the ta impiegata una tecnologia laser-scanner all the known caves took over 2 years and così da contenere l’errore di misura a po- specific tools were utilized to obtain the chi millimetri (Tedeschi, 2007; Canevese et highest possible precision in the cave maps. alii, 2008a,b; Canevese et alii, 2009a,b,c). In particular the Cueva de los Cristales Inoltre è stata realizzata una mappa spe- was surveyed with a laser scanner technol- cifica per posizionare esattamente nello ogy which allowed a precision of few milli- spazio tutti i giganteschi cristalli di gesso

33 metres (Tedeschi, 2007; Canevese et alii, (162) (Badino et alii, 2009): questa mappa 2008a,b; Canevese et alii, 2009a,b,c). More- diventerò una base fondamentale nel caso over a specific map was made in which all che si decida di ricostruire la grotta in una the giant gypsum (162) crystals were ex- differente posizione, una volta che i lavori actly located in space (Badino et alii, 2009): minerari saranno terminati (Calaforra et this map will be fundamental in case a alii, 2007). project to reconstruct the cave in a different location will be considered when the Studio sui cristalli di gesso mining activities will stop (Calaforra et I primi studi effettuati, e molti anche di alii, 2007). quelli successivi hanno riguardato i cristalli di gesso e la loro genesi. È stato trovato un Study on gypsum crystals meccanismo di formazione del tutto nuovo The first studies and most of the following (García Ruiz et alii, 2007, 2013), che si basa ones dealt with the giant gypsum and their sul disequilibrio di solubilità tra gesso e genesis: a completely new mechanism anidrite, che essendo in grado di mantenere (García Ruiz et alii, 2007,2013), based on costante un valore di bassissima sovrasatu- the gypsum-anhydrite solubility disequi- razione, ha permesso di svilupparsi a pochi librium was found, which was able to cristalli giganteschi invece che consentire maintain stable the extremely low gypsum la genesi di milioni di piccoli cristalli. Dopo supersaturation, thus allowing the evolu- questo primo lavoro molti altri ne hanno tion of giant crystals instead of the genesis non solo confermato la validità (Garofalo of a lot of new small crystals. et alii, 2007a,b,c; Lauritzen et alii, 2007; After this first paper many other con- Forti, 2007a), ma anche hanno definito gli firmed that mechanisms (Garofalo et alii, stadi attraverso cui i cristalli si erano svi- 2007a,b,c; Lauritzen et alii, 2007; Forti, luppati nelle differenti grotte (Bernabei et 2007a) and defined the steps by which alii, 2007; Scandale, 2007; Forti, 2010). the different crystals grew in the different Dal 2008 varie datazioni U/Th hanno caves (Bernabei et alii, 2007; Scandale, permesso di definire l’età di questi cristal- 2007; Forti, 2010). li (Delgado et alii, 2007; Lauritzen et alii, Since 2008 several U/Th measurements 2008; Sanna et alii, 2010, 2011). Sulla base were made to define the age of these crys- di quelle date, si è ricavato che i cristalli tals (Delgado et alii, 2007; Lauritzen et più grandi si sono sviluppati in una arco di alii, 2008; Sanna et alii, 2010, 2011). On tempo di 250.000 +/-50.000 y B.P. Per con- the basis of such dates, the biggest crystals fermare questi risultati si è anche realizza- may have required 250.000 +/-50.000 y to un laboratorio sperimentale sotterraneo B.P. to develop. al livello -530 (Forti & Lo Mastro, 2007, To confirm these result an experimental 2008), dove, per due anni, si sono fatti cre- laboratory was settled up inside the mine at scere microcristalli di gesso: l’esperimento -530 level (Forti & Lo Mastro, 2007, 2008) ha avuto successo e ha confermato i risul- where gypsum microcrystals were fed for 2 tati ottenuti sulla base dell’U/Th (Forti, years: the experiment was successful and 2010). validated the U/Th results (Forti, 2010). Mineralogia Mineralogy Nonostante che la quasi totalità delle pareti Despite the fact that most of the cave walls delle grotte siano ricoperte di gesso, la grotte roofs and floors are covered by gypsum, di Naica sono risultate essere tra i più inte- Naica caves proved to be among the most ressanti ambienti minerogenetici al mondo interesting minerogenetic environment in (Forti et alii, 2007b). Sono stati identifica- the world (Forti et alii, 2007b). ti infatti più di 40 minerali di neoforma- Over 40 different minerals, 6 of which new zione, 6 dei quali nuovi per l’ambiente di for the cavern environment, have been grotta (Forti et alii, 2007a,b, 2008,2009a,b; found (Forti et alii, 2007a,b, 2008,2009a,b; Panieri et alii, 2008), ed è stato dimostrato

34 Panieri et alii, 2008), and a lot of different che un elevato numero di meccanismi mi- minerogenetic mechanisms were proved to nerogenetici sono simultaneamente attivi al be simultaneously active therein (Forti, loro interno (Forti, 2007d, 2009a; Badino 2007d, 2009a; Badino et alii, 2011). et alii, 2011).

Paleoclimatology Paleoclimatologia Fluid inclusions trapped in the gypsum Le inclusioni fluide incapsulate nei cristal- crystals allowed to define the salinity and li di gesso hanno permesso di definire la the temperature of the feeding water at the salinità e la temperatura dell’acqua che li time of their deposition (Garofalo et alii, alimentava quando si stavano accrescen- 2007b), thus helping in the study of their do (Garofalo et alii, 2007b), fornendo dati genesis, but also giving some insight on the preziosi per lo studio della loro genesi e paleoenvironment and paleoclimate of the fornendo anche alcune indicazioni sul pa- Naica region (Garofalo et alii, 2007c). Any- leoambiente e il paleoclima della Regione how the best data were provided by the pol- di Naica (Garofalo et alii, 2007c). Comun- lens trapped in the crystal structure. This que i migliori dati sono venuti dai pollini was the very first time that pollen grains intrappolati all’interno dei cristalli (Mer- were found inside euhedral crystals (Mer- curi et alii, 2007; Holden, 2008), e sulla curi et alii, 2007; Holden, 2008) and on the base delle analisi effettuate su 60 granuli basis of the analyses performed over 60 of di polline. È stato infatti possibile stabi- them (Garofalo et alii, 2009) it was possi- lire che circa 30.000 anni fa il deserto di ble to state that some 30.000 y BP the des- Naica era ricoperto da una foresta umida ert of Naica was covered by a humid forest simile a quella che attualmente è presente like that actually present in the SW of the nel SW degli Stati Uniti. Altri studi paleo- United States. ambientali sono stati effettuati utilizzando Other paleoenvironmental studies were altri metodi quali le relazioni esistenti tra i performed utilizing different methods like depositi di gesso e di calcite/aragonite den- the relationships between gypsum and cal- tro la Cueva del las Espadas (Calaforra et cite/aragonite deposits inside the Cueva de alii, 2011, 2012, 2011 in press; Gázquez et la Espadas (Calaforra et alii, 2011, 2012, alii, 2011 in press, 2012a, b, c in press). 2011 in press,; Gázquez et alii, 2011 in press, 2012a, b, c in press). Astrobiologia All’interno dei cristalli di gesso sono stati Astrobiology trovati un grande numero di strutture bio- Inside the gypsum crystals were found a geniche fossili (a seguito della precipitazio- lot of fossilized (by the precipitation of Fe/ ne di ossidi-idrossidi di Fe/Mn), che ov- Mn oxides hydroxides) biogenic structures, viamente dovevano essere coeve ai cristalli which of course must be coeval with the (Forti, 2007b; Panieri et alii, 2008). D’altro crystals (Forti, 2007b; Panieri et alii, 2008). canto la presenza di grandi inclusioni flui- The presence of huge fluid inclusions sug- de suggeriva che organismi viventi potesse- gested that still living organisms may have ro essere sopravvissuti al loro interno. Per- survived trapped inside them. Therefore a tanto è stato messo a punto un programma research program was prepared to search per la loro ricerca (Boston, 2007). Alcune for them (Boston, 2007). Several big fluid grandi inclusioni fluide sono state e quin- inclusions where sampled and fed in a condi alimentate in atmosfera controllata per trolled atmosphere to try to obtain new or- tentare di ottenere materia organica. L’e- ganic matter. sperimento è continuato per oltre tre anni The experiment took over 3 years but e alla fine ha avuto successo: si è effettiva- it was successful: organic material was mente formato del materiale organico, da found, from which was possible later to ex- cui è stato poi possibile estrarre il DNA per tract DNA to recognize the kind of bacteria cercare di riconoscere il tipo di batteri in able to survive the extreme environmental grado di sopravvivere nelle condizioni am-

35 conditions of these Caves (Boston et alii, bientali estreme che caratterizzano queste 2012). The preliminary analyses put in ev- grotte (Boston et alii, 2012). Le analisi pre- idence that the bacteria living within the liminari hanno messo in evidenza che i bat- crystals are new organisms with certain teri che vivono all’interno dei cristalli sono similarities to some extremophiles living organismi del tutto nuovi con però certe so- in thermal springs or remote mines… miglianze con alcuni estremofili che vivono Thus, the idea that the Naica caves may be in sorgenti termali o miniere remote … similar to some extraterrestrial sites like Pertanto si è rafforzata l’idea che le grot- Mars (Forti, 2007b; Gázquez et alii, 2012b) te di Naica possano essere simili ad al- was strengthened and the logical conse- cuni ambienti extraterrestri come Marte quence was that NASA joined the project (Forti, 2007b; Gázquez et alii, 2012b) e la and started to test new instruments inside conseguenza logica è stata che la NASA si the caves to search organic matter trapped è affiancata al progetto per provare a Nai- within the rock: in the next future these ca nuovi strumenti per la ricerca di mate- instruments will fly directly to the Mars riale organico intrappolato nella roccia, surface. strumenti che nel prossimo futuro saranno In conclusion: from 2005 until now, over inviati su Marte. In conclusione dal 2005 70 papers have been printed on the Caves ad oggi sono stati pubblicati oltre 70 lavori of Naica, and some couples of researches, sulle grotte di Naica, mentre alcune ricer- mainly related to geochemistry (Gázquez che, essenzialmente quelle relative alla geo- et alii, 2012a, 2013), paleoenvironmental chimica (Gázquez et alii, 2012a, 2013), agli aspects (Calaforra et alii, 2011; Gázquez studi sui paleoambienti (Calaforra et alii, et alii, 2011) and Astrobiology (Gázquez et 2011; Gázquez et alii, 2011) e all’astrobiolo- alii, 2012b) are in press or just submitted, gia (Gázquez et alii, 2012b), sono in fase di and a few more will be prepared in the near stampa o appena inviate alle riviste, men- future due to the fact that some research is tre alcune altre sono ancora in corso. still in development. È pertanto evidente che, almeno attual- It is therefore evident that, at the moment, mente, le grotte di miniera di Naica sono the mine caves of Naica are, no doubt, the senza alcun dubbio quelle meglio studiate e best documented and studied from any documentate al mondo. point of view in the world. Conclusioni Final Remarks Grazie al “Projecto Naica”, le Grotte di Nai- It is now clear that, thanks to the “Projec- ca sono le più importanti grotte di miniera to Naica”, the Naica caves are perhaps the al mondo, non solo dal punto di vista este- most important mine caves of the world, tico ma anche da quello scientifico. Infatti, not only from the aesthetic point of view anche se inizialmente il loro principale (o but also from the scientific one. unico) interesse era rappresentato dall’esi- Even if at the beginning their major (or stenza dei cristalli di gesso giganti, adesso single) interest was represented by just the la loro importanza scientifica in un gran existence of the giant gypsum crystals, now numero di campi differenti è di gran lunga their scientific relevance in plenty of differ- maggiore e questo essenzialmente per il fat- ent fields is far more important and this to che queste grotte sono state sottoposte a was simply due to the fact that these caves un grande progetto internazionale di ricer- underwent a huge international multi-disca multidisciplinare. Purtroppo però questo ciplinary research project. fatto non le salverà dal loro destino: infatti But this fact will not preserve them from la grotte di Naica saranno probabilmente their destiny: in fact the Naica caves will distrutte in un futuro non lontano da even- be likely destroyed by natural and/or anti naturali e/o antropogenici (Calaforra et thropogenic processes in 5-10 years (Cala- alii, 2007). Il primo problema è il continuo forra et alii, 2007). raffreddamento della loro atmosfera; un The first problem is represented by the processo iniziato non appena le grotte sono

36 cooling down of their atmosphere: this pro- state prosciugate dall’acqua circa 30 anni cess started immediately after the caves fa, a seguito dell’estrazione di acqua calda were dewatered, some 30 years ago, due to (oltre 1 m3/s) e contemporanea immissio- the hot water eduction (over 1 m3/s) and si- ne di aria fredda nelle gallerie minerarie. multaneous cold air injection in the mine L’abbassamento della temperatura è stato galleries. monitorato all’interno della Cueva del los The decreasing of the temperature in the Cristales ed è risultato essere circa 0,5° C/ Cueva de los Cristales was monitored for anno. Pertanto nella più piccola grotta, several years and resulted to be about l’Ojo de la Reina, il punto di rugiada è sta- 0.5°C / year. In the smallest cave, Ojo de la to raggiunto nel 2008 e la dissoluzione per Reina, the dew point was reached in 2008 condensazione ha prodotto immediatamen- and the condensation dissolution already te evidenti danni ai cristalli di gesso, che si caused evident damages to the giant gyp- sono trasformati parzialmente in concrezio- sum crystals, which were partially trans- ni di calcite. Un anno dopo, durante le più formed into calcite speleothems. An year lunghe esplorazioni all’interno della Grotta later, during the longer explorations, a thin dei Cristalli si è osservata la formazione layer of condensation water developed also temporanea di un sottile velo di condensa- inside the Cueva de los Cristales: following zione sul gesso. Seguendo le indicazioni date the suggestions given by members of the dai ricercatori del “Naica Project”, tutte le “Naica Project” all the caves were locked grotte sono state chiuse con porte stagne per with watertight doors to stop or at least to cercare di arrestare, o almeno rallentare la slow down the temperature decrease. An- discesa della temperature. Un altro grave other hard problem is represented by the problema è rappresentato dall’attività il- illegal activities of the mineral hunters: in legale dei collezionisti di minerali, che a fact these collectors are often able to get volte riescono a superare le difese predispo- over the strong defences prepared by the ste dalla Miniera. Ma anche se le grotte di Mine. Naica dovessero sopravvivere a questi due But even the Naica caves will survive to pericoli, in pochi anni saranno del tutto these two hazards, in a few couple of years, sommerse dalla acque: infatti alla fine del- they will be flooded: in fact the end of min- le attività minerarie l’estrazione dell’acqua ing activities will stop the dewatering and dalla miniera si fermerà e l’acqua termale the thermal water will rise up to the orig- risalirà al livello originario sommergendo inal level sealing the caves under 170 m of le grotte sotto un battente di oltre 170 metri hot water. di acqua calda. Ma la fine della attività mi- When the Mine will stop the destiny not nerarie non segnerà solo il destino dei cri- only of the crystals, but also of the whole stalli giganteschi di gesso ma anche quello village of Naica is already written: it will del villaggio di Naica, che verrà totalmente disappear. abbandonato. Pertanto La Venta Esplora- Therefore La Venta Esplorazioni Geogra- zioni Geografiche sta cercando un modo per fiche is now working hard to try finda preservare alle future generazioni non solo way to preserve for future generations not la memoria e gli studi (già fatti all’inter- only the memory and the records (already no del “Projecto Naica”), ma anche almeno achieved with the “Projecto Naica”), but una parte signficativa di questo incredibile also a significant part of this incredible mondo sotterraneo, trasformandolo in un underground world, transforming it an im- importante poli di turismo internazionale portant international tourist target (Badi- (Badino & Forti, 2011, 2012). Alla fine di no & Forti, 2011, 2012). questo lavoro, vogliamo però sottolineare il At the end of this paper we want stress fatto che, anche se oggigiorno le grotte di that, even if Naica caves are presently Naica sono considerate le più importanti worldwide considered the most import- al mondo, è altamente probabile che molte ant mine caves, it is highly probable that altre cavità intercettate da miniere possano many other caves intersected by mines essere anche più interessanti dal punto di

37 may result even more important from the vista scientifico… Ma queste ultime devono scientific point of view… but they are still ancora iniziare ad essere studiate. Pertan- practically unstudied. Thus it is import- to è fondamentale che, nel prossimo futuro, ant that mine caves will become one of the le grotte di miniera diventino uno dei prin- principal research targets for cavers and cipali oggetti di ricerca per gli speleologi e scientists in the near future, and hopeful- gli scienziati, ed è auspicabile soprattutto ly the results obtained during the Naica che i risultati del Projecto Naica inducano Project will induce to launch a new phase a vararne una nuova fase che permetta di of research that will allow to enhance the approfondire la conoscenza di questo com- knowledge on this cave complex before all plesso di grotte prima che tutto venga som- will be submerged by the underground wa- merso dalle acque sotterranee, sparendo ters, becoming forever unaccessable to hu- per sempre dalla vista umana. man beings. Ringraziamenti Acknowledgments Non si sarebbe potuto realizzare il Projecto The Naica project would not be realized Naica senza la cooperazione della Compa- without the cooperation of Peñoles Compa- gnia Peñoles, che ha ospitato gli esplorato- ny which guested the explorers and scien- ri e gli scienziati all’interno della Miniera tists in the Naica Mine making their job as di Naica, facilitando il loro lavoro in ogni easy as possible. modo possibile

Bibliographic records of “Projecto Naica” to December 2012 / Lista delle pubblicazioni del “Progetto Naica” al dicembre 2012

2005 El proyecto Naica (Chihuahua, México), Memoras 1-Badino G. & Forti P., (2005), L’eccezionale ambiente VIII Congreso Nacional Mexicano de Espeleologia, della Cueva de los Cristales, Miniera di Naica, Messi- Puebla 2-5 Febrero 2007, pp.44-48. co: problemi genetici ed esplorativi Atti Simposio “Le 10- Bernabei T., (2007), Documentare le Grotte di Naica: grotte di miniera tra economia mineraria ed econo- le foto e i film in Forti P. (ed.), Le Grotte di Naica: mia turistica”, Iglesias 2004, Memorie dell’Istituto esplorazione, documentazione, ricerca, Abstract of Pa- Italiano di Speleologia XVII, s.2, pp.87-92. pers, Bologna, pp.25-27. 11- Bernabei T., Forti P. & Villasuso R., (2007), A new 2006 type of gypsum speleothems from Naica (Chihuahua, 2- Badino G., (2006), Naica: il rilievo infernale nel para- Mexico): the sails, International Journal of Speleolo- diso di Cristallo, Speleologia 55, p. 64. gy 36(1), pp. 23-30. 3- Forti P., (2006a), Quando i media ci guardano, Spe- 12- Boston P. J., (2007), Naica geobiology project de- leologia 54, p. 1. scription: in Forti P. (ed.), Le Grotte di Naica: esplo- 4- Forti P., (2006b), Una foresta di cristalli di gesso razione, documentazione, ricerca, Abstract of Papers, nel profondo della miniera di Naica, Geoitalia n.18, Bologna, pp.59-60. pp.25-30. 13- Briceño-Prieto S., Martínez-Serrano R.G. & Bernal 5- Forti P., (2006c), Le altre grotte di Naica, Speleologia J. P., (2007), The geochemistry of Naica waters and its 55, p. 70. links with the mineral assemblages, in Forti P. (ed.), Le Grotte di Naica: esplorazione, documentazione, ri- 2007 cerca, Abstract of Papers, Bologna, pp.35-36. 6- Badino G., (2007), Micro-meteorologia della cueva 14- Calaforra J.-M., Badino G., Forti P., Lauritzen S.-E. de los Cristales, Naica, in Forti P. (ed.), Le Grotte & Delgado A., (2007), ¿Cual puede ser el futuro de las di Naica: esplorazione, documentazione, ricerca, Ab- Cuevas de Naica? in Forti P. (ed.), Le Grotte di Naica: stract of Papers, Bologna, pp.33-34. esplorazione, documentazione, ricerca, Abstract of Pa- 7- Badino G. & Casagrande G., (2007), Il sistema di so- pers, Bologna, pp.61-63. pravvivenza nella Cueva de los Cristales, Naica, in 15- De Vivo A., (2007), The Naica Project, in Forti P. Forti P. (ed.), Le Grotte di Naica: esplorazione, do- (ed.), Le Grotte di Naica: esplorazione, documentazio- cumentazione, ricerca, Abstract of Papers, Bologna, ne, ricerca, Abstract of Papers, Bologna, pp.9-13. pp.23-24. 16- Delgado A., Calaforra J.-M., Lauritzen S.-E. & 8- Badino G. & Forti P., (2007), The Exploration of the Forti P., (2007), Estudio isotópico del yeso de Naica Caves of the Giant Crystals (Naica, Mexico), National (Chihuahua, Méjico), in Forti P. (ed.), Le Grotte di Speleological Society News 65(2), pp.12-18. Naica: esplorazione, documentazione, ricerca, Ab- 9- Badino G., Bernabei T., Davila A. & Forti P., (2007), stract of Papers, Bologna, pp.53-54.

38 17- Forti P., (2007a), Studio della struttura interna di Bologna, pp. 29-31. una stalagmite della Grotta delle Spade (Naica, Mes- sico), Grotte e Dintorni 6(13), pp. 3-20. 2008 18- Forti P., (2007b), Dal Messico a Marte, Oasis Lu- 35- Badino G., (2008a), Cristalli giganti nelle grotte di glio-Agosto 2007, pp.10-11. Naica, Tintoretto, Treviso, 47 p. 19- Forti P. (Ed.), (2007c) Le Grotte di Naica: esplora- 36- Badino G., (2008b), Gyant crystals in the caves of zione, documentazione, ricerca, Bologna, 64 p. Naica, Tintoretto, Treviso, 47 p. 20- Forti P., (2007d) Speleogenesi delle Grotte di Nai- 37- Canevese E.P., Tedeschi R. & Forti P., (2008a), ca, in Forti P. (ed.), Le Grotte di Naica: esplorazione, Laser scanner technology in estreme environments, documentazione, ricerca, Abstract of Papers, Bologna, Geoinformatics 8(11), pp. 6-11. pp. 37-38. 38- Canevese E.P., Tedeschi R., Forti P. & Mora P., 21- Forti P. & Lo Mastro F., (2007), Il laboratorio spe- (2008b), The use of Laser scanning techniques in rimentale a -590 nella Miniera di Naica, in Forti P. estreme contexts: the case of Naica Caves (Chihuahua, (ed.), Le Grotte di Naica: esplorazione, documenta- Mexico), Geologia Tecnica & Ambientale 8(2), pp. 19- zione, ricerca, Abstract of Papers, Bologna, pp. 47-48. 37. 22- Forti P., Rossi A. & Galli E., (2007a) Mineralogia 39- Forti P. & Lo Mastro F., (2008), Il laboratorio spe- delle Grotte di Naica in Forti P. (ed.), Le Grotte di rimentale di -590 nella Miniera di Naica (Messico), Naica: esplorazione, documentazione, ricerca, Ab- Mondo Sotterraneo 31(1-2), pp.11-26. stract of Papers, Bologna, pp. 39-41. 40- Forti P., Galli E. & Rossi A., (2008), Il sistema Ges- 23- Forti P., Galli E. & Rossi A., (2007b) The mineralo- so-Anidrite-Calcite: nuovi dati dalle concrezioni della gical study on the Cueva de las Velas (Naica, Mexico), miniera di Naica (Messico), Congresso Nazionale di Acta Carsologica 36(2), pp.75-85. Speleologia, Iglesias, Aprile 2007, Memorie Istituto 24- García-Ruiz, J.M., Villasuso, R., Ayora, C., Canals, Italiano di Speleologia, pp. 139-149. A. & Otálora, F., (2007), The Formation of Gypsum 41- Holden C., (2008), Life in Crystal, Science 319, p. Megacrystals, Geology 35(4), pp. 327-330. 391. 25- Garofalo P. S., Fricker M. & Detlef G., (2007a), 42- Lauritzen S. E., Constantin S. & Forti P., (2008), Fluid inclusion data from The Caves of Naica, in Forti Chronology and growth rate of the Naica giant gyp- P. (ed.), Le Grotte di Naica: esplorazione, documenta- sum crystals, 36th International Geological Congress, zione, ricerca, Abstract of Papers, Bologna, pp.51-52. Oslo, Abstract of Papers, p. 1. 26- Garofalo P.S., Forti P., Lauritzen S.-E. & Constan- 43- Panieri G., Forti P., Gasparotto G. & Soliani L., tin S., (2007b), The fluids that generated the giant (2008), Studio delle inclusioni solide della Grotta selenite crystals of Naica (Chihuahua, Mexico), Proc. delle Spade (Naica, Messico), Congresso Nazionale Congresso FIST Rimini Settembre 2007, p.1. di Speleologia, Iglesias Aprile 2007 Memorie Istituto 27- Garofalo P.S., Günter D., Forti P., Lauritzen S.-E & Italiano di Speleologia, pp.150-158. Constantin S., (2007c), The fluids of the giant selenite crystals of Naica (Chiuhahua, Mexico), ECROFI-XIX 2009 17-20 July 2007, Switzerland , Abstract of Paper, p.1. 44- Badino G., (2009), The Cueva de los Cristales micro- 28- Giovine G., (2007), L’organismo umano e le grotte meteorology, in White W.B. (ed.), Proceedings 15th In- di Naica, in Forti P. (ed.), Le Grotte di Naica: esplo- ternational Congress of Speleology, Kerrville, Texas, razione, documentazione, ricerca, Abstract of Papers, v. 3 , pp. 1407-1412. Bologna, pp. 15-17. 45- Badino G., Ferreira A., Forti P., Giovine G., Giulivo 29- Giulivo I., Mecchia M., Piccini L. & Sauro F., (2007) I., Infante, G., Lo Mastro F., Sanna L. & Tedeschi R., Geologia e idrogeologia di Naica, in Forti P. (ed.), Le (2009), The Naica caves survey, in White W.B. (ed.), Grotte di Naica: esplorazione, documentazione, ricer- Proceedings 15th International Congress of Speleolo- ca, Abstract of Papers, Bologna, pp. 19-21. gy, Kerrville, Texas, v. 3 , pp. 1980-1984. 30- Jirillo E., (2007) Crystals of Naica and Immuno- 46- Bernabei T., Casagrande G., Davila A., De Vivo A., logy, in Forti P. (ed.), Le Grotte di Naica: esplorazione, Ferreira A., Giovine G., Infante G. & Lo Mastro F., documentazione, ricerca, Abstract of Papers, Bologna, (2009), The Naica Project, in White W.B. (ed.), Pro- pp. 45-46. ceedings 15th International Congress of Speleology, 31- Lauritzen S. E., Constantin S. & Forti P., (2007) Kerrville, Texas, v. 1, pp. 283-288. Chronology and growth rate of the Naica Gypsum 47- Canevese E.P., Tedeschi R. & Forti P., (2009a), La- Crystals, in Forti P. (ed.), Le Grotte di Naica: esplo- ser scanning use in cave contexts: the cases of Castel- razione, documentazione, ricerca, Abstract of Papers, lana (Italy) and Naica (Mexico), in White W.B. (ed.), Bologna, pp. 49-50. Proceedings 15th International Congress of Speleolo- 32- Mercuri A.M., Loreti M. & Massamba N’siala I., gy, Kerrville, Texas, v.3, pp.2061-2067. (2007), Polline e spore di Cueva de Los Cristales e 48- Canevese E.P., Tedeschi R., & Forti P., (2009b), La- Cueva de Las Espadas, in Forti P. (ed.), Le Grotte ser scanner in extreme environments: the caves of Na- di Naica: esplorazione, documentazione, ricerca, Ab- ica, The American Surveyor February 2009, pp.3-10. stract of Papers, Bologna, pp. 55-58. 49- Canevese E., Tedeschi R., Forti P. & Uccelli F., 33- Scandale E., (2007), Difetti strutturali e storia di (2009c), Karst geomorphology and laser scanning crescita dei cristalli di gesso di Naica, in Forti P. (ed.), caves: three cases in Italy and Mexico, Geoitalia 2009, Le Grotte di Naica: esplorazione, documentazione, ri- Epitome 3, p. 77. cerca, Abstract of Papers, Bologna, pp. 43-44 50- Forti P., (2009a), Complex minerogenetic mecha- 34- Tedeschi T., (2007), Il rilievo con tecnologia laser nisms within hypogenic caves: the case of Naica (Chi- scanner, in Forti P. (ed.), Le Grotte di Naica: esplo- huahua, Mexico), Geoitalia 2009, Epitome 3, p. 78. razione, documentazione, ricerca, Abstract of Papers, 51- Forti P., (2009b), La foresta di cristalli, Guida al

39 Bologna Mineral Show 6-8 Marzo 2009, pp.18-19. 2012 52- Forti P., Galli E. & Rossi A., (2009a), Minerogene- 69- Badino G. & Forti P., (2012) Naica, Messico: Nel- sis in the Naica Caves (Chihuahua, Mexico), in White la foresta dei cristalli, e/v magazine Luglio 2012 n.4, W.B. (ed.), Proceedings 15th International Congress pp.44-66. of Speleology, Kerrville, Texas, v. 1, pp.300-305. 70- Boston P.J., Spilde M.N., Northup D.E. & McMil- 53- Forti P., Galli E. & Rossi A., (2009b), Le grotte di lan C., (2012), Crunchy on the outside, tender on the Naica: non solo giganteschi cristalli di gesso. Rivista inside: the persistence of microorganisms in geological Italiana di Mineralogia 3/2009, pp.180-196. materials, Second International Symposium on Mine 54- Garofalo P. S., Fricker M., Günther D., Forti P., Caves, Iglesias, Abstrac Book & Program, p.7. Mercuri A. M., Loreti M. & Capaccioni B., (2009), 71- Gázquez F., Calaforra J.M., Forti P., Rull F. & Climatic control on the formation of gigantic gypsum Martínez-Frías J., (2012), Gypsum-carbonate spe- crystals within hypogenic caves (Naica mine, Mexico)? leothems from Cueva de las Espadas (Naica mine, Earth & Planetary Science Letters 289 (3/4), pp. 260- Mexico): mineralogy and paleoenvironmental impli- 269. cations, International Journal of Speleology, 41(2), 55- Giovine G., Badino G., De Vivo A., Lo Mastro F., pp.210-220. Casagrande G., Davila A. & Hidalgo G., (2009), The Naica caves and physiology, in White W.B. (ed.), Pro- 2013 ceedings 15th International Congress of Speleology, 72- Forti P., (2013), Le Grotte di Naica: giganteschi cri- Kerrville, Texas, v. 3 , pp. 1980-1984. stalli e molto altro, Bollettino Museo di Reggio Emilia 2011, pp. 61-75. 2010 73- Krüger Y., García-Ruiz J.M., Canals A., Marti D., 56 - Beverly M. & Forti P., (2010), L’esplorazione della Frenz M. & Van Driessche A.E.S. (2013), Determi- Grotta Palacios nella miniera di Naica, Speleologia ning gypsum growth temperatures using monophase 63, pp. 46-49. fluid inclusions -Application to the giant gypsum crys- 57- Forti P. (2010), Genesis and evolution of the caves tals of Naica, Mexico, Geology, 41, pp.119-122 in the Naica Mine (Chihuahua, Mexico), Zeit.fur Geo- morf., n.54, sup., 2, pp. 285-306. In press or submitted for publication 58- Forti P. & Sanna L., (2010), The Naica Project: a 1- Calaforra J.M., Forti P., Gázquez F. & Sanna L., multidisciplinary study of the largest gypsum crystal (2011), La gradazione dei cristalli di gesso nella Cue- of the world, Episodes 33,1, pp. 1-10. va de las Espadas (Naica, Messico): un classico esem- 59- Sanna L., Saez F., Simonsen S., Costantin S. Cala- pio del controllo della sovrasaturazione sui processi forra J.M., Forti P. & Lauritzen S.E., (2010), Urani- di nucleazione, Congresso Nazionale di Speleologia, um-series dating of gypsum speleothems: methodology Trieste. and examples, International Journal of Speleology 2- Bernabei T., Davila A. & Forti P., (2011), Las cuevas 39(1), pp. 35-46. de Naica: exploraciones e investigaciones realizadas por el Grupo La Venta entre 2006 y 2010, Congresso 2011 Nazionale Messicano di Speleologia. 60- Badino G. & Forti P., (2011a), El Bosque de los Cri- 3- Gázquez F.,. Calaforra J. M, Stöll H., Sanna L., For- stales Gigantes, Investigacion y Ciencia, Octubre, pp. ti P., Lauritzen S.-E., Delgado-Huertas A., Rull F. 78-85. & Martínez-Frías J., (2011), Paleo-recharges changes 61- Badino G. & Forti P., (2011b), La foresta dei cristalli during the Late Glacial/Holocene boundary in North- giganti, Le Scienze 514, pp. 84-91. ern Mexico revealed by gypsum-carbonate speleothems 62- Badino G. & Forti P., (2011c), La foret des cristaux from Cueva de las Espadas (Naica Mine, Chihuahua), geantes, Pour la Science 410, Decembre, Earth & Planetary Science Letters. 63- Badino G., Calaforra Chordi J.M.,, Forti P., Garofa- 4- Gázquez F., Calaforra J.M., Garcia-Casco A., Sanna lo P. & Sanna L., (2011), The present day genesis and L. & Forti P., (2012a), Strontium isotopes (87Sr/86Sr) evolution of cave minerals inside the Ojo de la Reina in gypsum speleothems from the Naica caves cave (Naica Mine, Mexico), International Journal of (Chihuahua, Mexico), Proc. II Int. Symp. on Mine Ca- Speleology 40(2), pp. 125-131. ves, Iglesias. 64- [Forti P.], (2011a), Giganti di Cristallo, Arte e 5- Gázquez F., Calaforra J.M., Martinez-Frias J. & Rull Scienza in Pizza, Bologna 3-13 Febbraio 2011, pp.1-2. F., (2012b), Gypsum speleothems of mine caves as po- 65- [Forti P.], (2011b), La Mostra su Naica a Bologna, tential Martian analogues, Proc. II Int. Symp. On Kur 16, p.4. Mine Caves, Iglesias. 66- Gázquez F., Calaforra J. M., Sanna L. & Forti P., 6- Gázquez F., Calaforra J.M., Hodell D., Sanna L. & (2011), Espeleotemas de yeso: Un nuevo proxy paleo- Forti P., (2013), Isotopes of gypsum hydration water climático, Bol. Real Sociedad Espanola de Historia. in selenite crystals from the caves of the Naica mine Natural, Sec. Geol., 105 (1-4), pp. 15-24. (Chihuahua, Mexico,. Proc. Int. Spel. Congr. Brno. 67- Lo Mastro F., (2011) ... A proposito di Naica, Atti 7- Forti P., Lo Mastro F., (2013), A Naica (Messico) il del XIII Incontro di Speleologia Pugliese “SPELAION più profondo laboratorio sperimentale ipogeo del mon- 2008”, pp.28-38. do Congresso Grotta di Bossea 68- Sanna L., Forti P. & Lauritzen S.E., (2011), Pre- liminary U/Th dating and the evolution of gypsum crystals from Naica Caves (Mexico), Acta Carsologica 40,1, pp.17-28.

40 Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 41-70

HYPOGENIC SPELEOGENESIS WITH FERRUGINOUS ORE. THE PIEI MINE-CAVE (LAGNES, VAUCLUSE, FRANCE) SPELEOGENESI IPOGENICA IN UN GIACIMENTO DI FERRO. LA GROTTA MINIERA DI PIEI (LAGNES, VAUCLUSE, FRANCIA)

Philippe Audra1, Jean-Yves Bigot2, Hubert Camus3, Christophe Gauchon4 & MichelWienin5

Abstract Riassunto The Piei mine-cave (Lagnes, Vaucluse, France) La grotta di miniera di Piei (Lagnes, Vaucluse, locates at the contact of the Vaucluse Mounts and Francia), si trova al contatto tra le montagne del- the Carpentras basin, close to the Fontaine de la Vaucluse e la piana di Carpentras, vicino alla Vaucluse spring. It develops in Cretaceous lime- Fontana di Vaucluse. La grotta si è sviluppata stone (Urgonian facies), close to a main regional nel calcare Cretaceo (facies Urgoniana) ed è vicina lineament, the Salon-Cavaillon fault. The cave a un’importante faglia regionale. Le attività di was mined in the XIXth Century, giving access to estrazione all’interno della grotta cominciarono al passages previously filled with diverse neogene principio del XIX secolo, aprendo varchi preceden- sands and massive iron crusts. The exploitation temente riempiti da sabbie neogeniche e incrosta- mainly followed the natural passages. The origin zioni di ferro. Lo sfruttamento seguì principal- of the cave is related to hypogenic flow rising from mente i passaggi naturali. L’origine della grotta deep fissures or hydraulic breccias, with ferrugi- è collegata al flusso ipogenico proveniente dalle nous deposition at the contact or on top of the neo- profonde fenditure o brecce idrauliche che per- gene sands filling. Microbial activity was present misero il deposito di ferro nel contatto o in cima during the cave activity, associated to the ferrugi- alle sabbie neogeniche. L’attività microbica era nous deposits. This cave probably corresponds to presente durante il periodo di attività della grot- the Neogene period, when the Vaucluse plateau ta per via della sedimentazione del ferro. Questa was uplifted. The Piei mine-cave record the posi- attività probabilmente risale al Miocene, quando tion of the corresponding base level and thus the il plateau della Vaucluse si sollevò. La grotta regi- progressive tilting of the massive, together with a stra la posizione del livello di base corrispondente, range of similar caves located around the western così come la progressiva inclinazione del massic- edge of the Vaucluse Plateau cio, insieme a una gamma di grotte simili situate Keywords: iron ore, karst, speleogenesis, hy- intorno all’estremità occidentale del plateau della pogenic caves. Vaucluse. Parole chiave: giacimenti di ferro, carsismo, speleogenesi, grotte ipogeniche.

1 Polytech’Nice – Sophia & I’CiTy (IMREDD), Université de Nice - Sophia Antipolis, 930 route des Colles, 06903 Sophia-Antipo- lis, France, [email protected] 2 Association française de karstologie (AFK), 21 rue des Hospices, 34090 Montpellier, France, [email protected] 3 CENOTE, 1 chemin de Valdegour, 30900 Nîmes, France, [email protected] 4 EDYTEM, Université de Savoie, Bâtiment « Pôle Montagne », Campus scientifique, 73376 Le Bourget-du-Lac cedex, France [email protected] 5 Association française de karstologie (AFK), Société cévenole de spéléologie et de préhistoire (SCSP), Grand-rue, 30360 Vézé- nobres, France, [email protected]

41 Introduction Introduction Mine caves are karst caves or vugs inter- Le Grotte miniera sono cavità o fratture sected by mining activity. Their filling has carsiche intercettate da attività minerarie. often been partly or entirely cleaned away I loro riempimenti sono stati frequentemen- for its economical value. As a consequence, te in parte o totalmente asportati per il loro the mining activity has given access to nat- valore economico. Pertanto, l’attività mine- ural caves previously not accessible. Such raria ha permesso l’accesso a cavità natu- mine caves have peculiar characteristics rali di cui prima era impossibile l’accesso. owe to the presence of uncommon miner- Tali grotte-miniera hanno caratteristiche alizations (Forti, 2005), which in turn are peculiari a causa della presenza di mine- induced by a specific speleogenesis, often ralizzazioni non comuni (Forti, 2005), che hypogenic, i.e. originating from deep rising a loro volta sono state generate da meccani- water not indirectly connected to meteor- smi speleogenetici speciali, spesso ipogeni- ic recharge (Ford, 2006). Moreover, they ci, cioè generati dalla risalita di acque pro- harbor traces of old, historic or protohistor- fonde non direttamente connesse alla rica- ic, exploitations. And sometimes they can rica da parte delle acque meteoriche (Ford, be reinserted into a new economical cycle 2006). Inoltre spesso ospitano tracce degli through a touristic valorization (De Waele antichi metodi di estrazione, storica o addi- & Naseddu, 2005). rittura preistorica. Pertanto talvolta posso- Regarding the source of minerals, the de- no dare luogo ad un nuovo ciclo economico posits are divided in: 1/ autochthonous de- attraverso la loro valorizzazione turistica posits originating from the host rock; 2/ al- (De Waele & Naseddu, 2005). lochthonous deposits brought from outside; I minerali ospitati possono avere differen- and 3/ parautochthonous deposits which ti origini: 1/ autoctona, con i depositi che are foreign to the host rock but the same si sono formati direttamente dalla roccia as their close surrounding (Filippov, 2004). incassante; 2/ alloctona per cui i deposi- Autochthonous deposits can be related to ti in grotta si sono originati per trasporto interstratal deposits, such as French and del materiale dall’esterno; e 3/ parautocto- Luxembourg Aalenian “Minette”. Alloch- na con depositi di materiale estraneo alla thonous deposits are found in ferruginous roccia incassante ma proveniente da zone crusts or cuirasses. Erosional processes molto prossime (Filippov, 2004). Quelli au- may have fed karst depression fillings, toctoni possono essere correlabili a depositi where later concentration processes may di interstrato, come per esempio, la “Minet- have led to large economical deposits (Buf- te” aaleniana di Francia e Lussemburgo. fard, 1993). Ore deposits can also fall into Tipici depositi alloctoni sono rappresenta- the following categories according to their ti dalle croste e dai filoni di ossidi/idros- genesis: 1/ syngenetic deposits having sidi di ferro. Processi erosivi possono aver formed during the limestone deposition dato luogo a depositi in depressioni, dove and 2/ epigenetic deposits having formed successivamente processi di concentrazione after limestone lithification, often called possono aver portato allo sviluppo di gran- “hydrothermal deposits”. Most of this last di depositi di interesse economico (Buffard, category also falls in the parautochthonous 1993). I depositi minerari possono essere category. Fluid inclusions of associated anche suddivisi dal punto di vista genetico minerals have shown that most of these nelle seguenti categorie: 1/ depositi singe- ores originated from low-temperature hy- netici formatisi contemporaneamente alla drothermal solutions (Onac, 2005). This deposizione del calcare e 2/ depositi epi- last category is often in close relationship genetici, formatisi dopo la litificazione del to pre-existing or contemporaneous karst calcare, spesso chiamati “depositi idroter- voids. Accordingly, limestone provides a mali”. La grande maggioranza di questi host for deposits in […] fractures as replace- ultimi fa parte anche della categoria para- ment deposits – where limestone has been utoctona. Le inclusioni fluide dei minera- dissolved by the ore-forming fluids and the li che costituiscono questi depositi, infatti, porosity refilled – and as deposits in pre-ex- spesso mostrano come questi si siano for- isting karstic porosity (Bottrell, 2004), i.e., mati da soluzioni idrotermali di bassa tem- caves can predate or can develop simulta- peratura (Onac, 2005). Quest’ultima cate-

42 neously to the ore deposition. Such “hydro- goria è poi spesso in stretta correlazione con thermal” processes of simultaneous karst pre-esistenti o contemporanei vuoti carsici. development and ore-(re)filling gave origin Pertanto, il calcare fornisce aree per ospita- to some of the largest economical Pb-Zn ore re i depositi minerali in […] fratture come deposits in the world, the Mississippi Val- depositi di sostituzione – dove il calcare è ley Type (MVT) ore deposits. The “karstic stato sciolto dai fluidi che hanno indotto porosity”, consisting in enlarged fractures, la formazione dei depositi stessi e la sua breccia pipes, empty or sediment-filled porosità è stato successivamente riempita conduits, acted as preferential routes for – e come depositi in preesistenti porosità mineralizing fluid migrations (Dźunlyński carsiche (Bottrell, 2004), cioè, le grotte & Sass-Gutkiewicz, 1989). Eventually, the possono essere più antiche o possono anche mixing of solutions, especially with mete- svilupparsi simultaneamente ai depositi oric water, and the contact with limestone minerali. Tali processi “idrotermali” di svi- changes eH/pH conditions of fluids carry- luppo simultaneo del carsismo e di riempi- ing dissolved metals resulting in mineral mento di giacimenti minerari hanno dato deposition (Bottrell, 2004). Most of these origine ad alcuni dei più grandi giacimenti deposits occurred in deep-seated karst as al mondo di Pb-Zn, i cosiddetti depositi di sulfide metals in reduced environment; tipo Mississippi Valley (MVT). La “porosità they eventually reoxidized in shallower carsica” che è formata da fratture allarga- groundwater following progressive exhu- te, ammassi brecciate o condotti riempiti mation such as in the Guadalupe Moun- di sedimenti, agisce come via preferenziale tains (Hill, 2000). Less commonly, deposi- per la migrazione dei fluidi mineralizzan- tion directly occurred as oxidized ore close ti (Dźunlyński & Sass-Gutkiewicz, 1989). to the level of fluctuation of the regional Infine, la miscelazione delle soluzioni, so- water table, such as in the Forest of Dean, prattutto con l’acqua meteorica, ed il con- UK (Lowe, 2000). tatto con i calcari cambia il rapporto eH/ In addition to the Fontaine de Vaucluse, pH dei fluidi che trasportano i metalli in the Vaucluse Plateau is mainly known soluzione causando così la deposizione dei for its deep shafts, locally called “avens”. minerali (Bottrell, 2004). La maggior par- Vaucluse karst is mainly characterized by te di questi depositi si sono formati in carsi its deep phreatic (“vauclusian”) systems, profondi con sviluppo di solfuri metallici in mainly developed as a consequence of the ambiente riducente; alla fine questi depositi Messinian Salinity Crisis (Audra et alii., si possono essere riossidati in acquiferi più 2004). However, hypogenic or mineralized superficiali a seguito della progressiva esu- caves remained poorly known up to now. mazione delle formazioni come è successo The Piei mine cave harbors a parautoch- nelle Guadalupe Mountains (Hill, 2000). thonous epigenetic ferruginous ore deposit- Più raramente la deposizione è avvenuta ed by hypogenic flow close to the boundary direttamente come depositi di ossidati vici- between the karst aquifer and its upper no al livello di oscillazione della piezome- confinement. It has been mined during the trica locale, come nella Foresta di Dean, XIXth century for its ferruginous mineral- Gran Bretagna (Lowe, 2000). izations. The Piei mine cave appears to be a Oltre che per la Fontana di Vaucluse, l’alto- hypogenic cave, a paleokarst, an important piano omonimo è conosciuto essenzialmente site with mineralization containing traces per i profondi pozzi, localmente “avens”. Il of microbial activity related to the miner- karst di Vaucluse è essenzialmente carat- al deposition, a record of the geomorphic terizzato da i suoi profondi sistemi freatici evolution and tectonic activity, and a wit- (“valclusiani”), sviluppatisi a seguito del- ness of the proto-industrial mining activi- la crisi di salinità Messiniana (Audra et ty. This first speleokarstic study presents alii, 2004). Tuttavia, la grotte ipogeniche the topographic and structural setting, and o mineralizzate sono rimaste assolutamen- the paleogeographical evolution. Together, te poco conosciute fino ad ora. La Grotta- they are at the origin of hypogenic flows miniera di Piei ospita un deposito ferroso that produced ferruginous mineralizations epigenetico e parautoctono formatosi per il in numerous hypogenic caves located on flusso di acque profonde vicino al confine the periphery of the Vaucluse Plateau. In tra l’acquifero carsico e il suo confinamento

43 1830, the mining activity connected to the superiore. La grotta e il suo deposito ferroso traditional local metallurgy, resulted in sono stati oggetto di coltivazione mineraria the emptying of about 300 m of large cave durante il XIX secolo. La Grotta-miniera passages. di Piei è non solo una grotta ipogenica, un In this study, we neither investigated the paleokarst con importanti mineralizzazioni source of the mineral, their dissolution pro- che contengono tracce di attività microbica cesses, the transport by migrating fluids, nor correlate alla deposizione del minerale, ma the trapping of the minerals in response anche un luogo in cui si è registrata l’evo- to physical and chemical changes (Sharp luzione geomorfologica e tettonica dell’a- & Kyle, 1988). This preliminary investi- rea e infine anche un museo dell’attività gation focuses on the final stage, the ore mineraria proto-industriale. Questo primo deposition conditions, which are revealed studio speleo-carsico presenta la condizio- from the study of the mine cave morphol- ne topografica e strutturale e l’evoluzione ogy, from the mineralization facies, and paleogeografica di questa cavità. Evoluzio- from the identification of hypogenic flows ni che hanno determinato i flussi ipogenici fed by deep slots and breccia pipes. The che hanno dato luogo alle mineralizzazioni study allows establishing the characteris- ferruginose in molte grotte ipogeniche che tics of the cave dynamics, of the karst de- si trovano alla periferia dell’altopiano di velopment and mineralization processes, Vaucluse. Nel 1830, l’attività mineraria and of the corresponding paleogeograph- connessa alla locale tradizionale metallur- ical setting. The ferruginous caves of the gia ha svuotato circa 300 metri di grandi Vaucluse plateau allow opening the inves- ambienti di grotta. tigation to the characterization of the rates In questo studio noi non ci occuperemo né of uplifting and of the paleogeographical dell’origine del minerale, dei suoi processi evolution since the Miocene. dissolutivi e del meccanismo del suo trasporto da parte dei fluidi in movimento, Hydrogeologic setting and origin of né dell’intrappolamento dei minerali a se- hypogenic flow guito di variazioni chimico-fisiche S ( harp Topographic and structural setting & Kyle, 1988). Questo studio preliminare The Piei mine cave opens in the Lagnes infatti si focalizza sullo stadio finale, le old village, at 140 m asl., near the top of a condizioni di deposizione del giacimento, small limestone hill, about 50 m above the che si ricavano dallo studio della morfolo- Carpentras Plain (fig. 1). Its name comes gia della grotta-miniera, dalle facies della from puech in Occitan language, puèi or piè mineralizzazione stessa, e dall’identifica- in Rhodanian Provençal, podium in Latine, zione dei flussi ipogenici alimentati dalle which corresponds to a hill with a frequent profonde fratture e brecce. Questo studio ha defensive function. The hill of the Lagnes permesso di definire le caratteristiche della village locates 2 km to the south of the fa- dinamica in grotta, dello sviluppo carsico mous Fontaine de Vaucluse, at the SW cor- e dei processi mineralizzanti, permettendo ner of the Vaucluse Plateau. This plateau anche di stabilire la corrispondente situa- then rises to the north, up to the Mont Ven- zione paleogeografica. Le grotte ferrugino- toux, its highest point at 1909 m asl. se dell’altopiano di Vaucluse permettono The Vaucluse Plateau is a large undulated quindi di iniziare la quantizzazione della slab, with an E-W structure. It is constitut- sua velocità di sollevamento e di ricostruire ed by the Lower Cretaceous limestones of la sua evoluzione paleogeografica a partire Urgonian facies, with a thickness of 700 to dal Miocene. 1000 m. This undulated plateau reaches its height to the North along the Ventoux-Lure La situazione idrogeologica e l’origine crest that forms a north-facing barrier at del flusso ipogenico 1500-1900 m asl. It lowers to the South in Situazione topografica e strutturale the central part of the Plateau d’Albion at La grotto-miniera di Piei si apre all’inter- 700-1000 m asl., rises again at the Monts of no del vecchio villaggio di Lagnes, a 140 Vaucluse, then abruptly plunges towards m slm, vicino alla sommità di una piccolo the syncline trough of the Apt Basin, and collina calcarea, circa 50 m sopra la piana eventually rises to the South at the anti- di Carpentras (Fig. 1). Il suo nome deriva

44 south of the famous Fontaine de Vaucluse, at SW corner of the Vaucluse Plateau. This plateau then rises to the north, up to the Mont Ventoux the highest point at 1909 m asl.

Fig. 1 - Structural conditions of the Vaucluse plateau. The block is made of a thick Lower Cretaceous UrgonianFigure limestone.1 – Structural It is conditionsgently undulated of the Vaucluseand bounded plateau. to the The North block and is to made the Southof a thick by overthrusts Lower resultingCretaceous from urgonianthe alpine limestone. shortening. It Hypogenicis gently undulatedcaves locate and on bounded the periphery to the along north main and faultlinesto the (Geologysouth byafter overthrust Blavoux,s 2010resulting). / Condizioni from the strutturali alpine shortening. dell’altopiano Hypogenic di Vaucluse. caves Il bloccolocate èon costituito the da peripheryspesso calcare along Cretacico main faultlines Urgoniano, (Geology che è leggermente after BLAVOUX ondulato, 2010 e )bloccato verso Nord e Sud a seguito dei sovrascorrimenti dovuti all’accorciamento alpino. Le grotte ipogeniche si trovano alla periferia lungo le faglie principali (Geologia da Blavoux, 2010). The Vaucluse Plateau is a large undulated slab, with an E-W structure. It is constituted by the Lower Cretaceous limestones of Urgonian facies, with a thickness of 700 to 1000 m. This clineundulated chain plateauof the Luberon.reaches its Thisheight undulat to the north- da along un terminethe Ventoux occitano-Lure crestpuech, that puèiforms o a piè ednorth limestone-facing slabbarrier is atbound 1500 -to1900 the m North asl. It lowersby in to provenzalethe south in therodaniano, central part podium of the Plateauin latino, thed’Al Hauterivianbion at 700 - marly1000 m basement asl., rises becauseagain at theche Monts indica of Vaucluse,una basso then rilievo abruptly di importanza plunges of towards the structural the syncline rise; through otherwise, of the because Apt Basin, strategica and eventually difensiva. rises La to collina the south di Lagnesat the si of anticlinethe structural chain of plunging, the Luberon. the This limestone undulated limestoneposiziona slab a 2 kmis bound a Sud to della the northfamosa by Fonta the - boundaryHauterivian follows marly the basement outcrop because of the ofyoung the structural- na omonimo, rise; otherwise, nell’angolo because SOof the dell’altopiano structural er plunging,Paleogene the limestoneand Neogene boundary covers. follows This the outcropdi Vaucluse, of the younger che poi Paleogene si innalza and versoNeogene Nord confining boundary between the Urgonian fino al suo punto più alto, il Mont Ventoux aquifer and its cover gradually lowers from (1909 m slm). 4 the Alps side towards the Rhône valley, L’altopiano di Vaucluse e un blocco largo i.e. from the NE corner close to Sisteron e ondulato, con una struttura E-O. È costi- towards the SW corner towards Lagnes. tuito da calcari del Cretacico inferiore di Furthermore, the rigid Urgonian slate is facies Urgoniana, il cui spessore varia da intensively fractured by NE-SW and NW- 700 a 1000 m. Questo altopiano ondulato

45 SE faults and by N 30° Oligocene rifts. raggiunge la massima altezza verso Nord On the periphery, large faultlines have lungo la cresta Ventoux-Lure che forma accommodated the tightening of the block una barriera verso Nord tra i 1500-1900 during the successive tectonic motions, the m slm. L’altopiano scende verso Sud nella Pyreneo-provencale phases in the Eocene parte centrale del Plateau d’Albion at 700- and the main alpine phase in the Miocene. 1000 m slm. Risale di nuovo al Mont de Overthrusting structures with outward Vaucluse e quindi scende rapidamente ver- vergence bound the Ventoux-Lure crest to so la sinclinale attraverso il Bacino di Apt e the North and the Luberon to the South. finalmente risale a Sud sulla catena anti- To the East and to the West, the Vaucluse clinale del Luberon. Questo blocco calcareo limestone plateau is surrounded by region- ondulato è bloccato a Nord dal basamento al transcurrent faults: the Middle-Durance di marne Hauteriviane a causa del loro sol- fault to the East, the Salon-Cavaillon fault levamento strutturale; per il resto il contat- to the SE, and the Nîmes fault close to the to dei calcari segue l’affioramento delle più NE corner. The Salon-Cavaillon fault cross- giovani coperture del Paleogene e Neogene es Lagnes village and disappears North to a causa dell’abbassamento strutturale. Il the Fontaine de Vaucluse. Most of these limite di confinamento tra l’acquifero Ur- faults predate the Miocene, with notable goniano e la sua copertura si abbassa dal activity during the Oligocene. Some faults lato delle Alpi verso la valle del Rodano, are still active, such as the Middle-Du- cioè dall’angolo di NE vicino a Sisteron rance fault (Guignard et alii, 2005) and verso l’angolo di SO verso Lagnes. Inoltre possibly the Salon-Cavaillon fault (Sauret il rigido argilloscisto Urgoniano è intensa- & Terrier, 1990). To the East of the Lagnes mente fratturato da faglie NE-SO e NO-SE village, where the Urgonian limestone dips e da rifts Oligocenici N 30°. Alla periferia, down to the Carpentras Oligocene basin, grandi lineazioni di faglia hanno seguito il the Salon-Cavaillon fault line corresponds compattamento dei blocchi durante i movi- to a small rift (Fig. 19). The Urgonian lime- menti tettonici successivi, le fasi Pireneo- stones are onlapped by the grey-green Bur- Provenzale nell’Eocene a la principale fase digalian molasses. They are preserved in alpina nel Miocene. Sovrascorrimenti con the Lagnes Rift and thicken to the West vergenza esterna bloccano la Cresta Ven- towards the Carpentras basin, where they toux-Lure a Nord e il Luberon a Sud. A Est are in turn covered by Quaternary depos- e Ovest, l’altopiano calcareo di Vaucluse è its. The Piei Cave opens near the top of an circondato da faglie regionali trascorrenti: uplifted limestone block, in the vicinity of la faglia Middle-Durance ad Est, quella di the Salon-Cavaillon fault. Salon-Cavaillon a Sud-Est, e la faglia di Nîmes all’angolo di NE. La faglia di Sa- Paleo-hydrogeology lon-Cavaillon attraversa il villaggio di La- The inclination of the Urgonian limestone gnes a sparisce a Nord verso la Fontana di induces the convergence of the drainage Vaucluse. La maggior parte di queste faglie toward the lowest outcrop of the Urgonian sono antecedenti al Miocene, con notevole aquifer in the SW corner of the Vaucluse attività durante l’Oligocene. Alcune faglie plateau. Because of the presence of a deep sono ancora attive, come la Middle-Duran- pocket valley where Fontaine de Vaucluse ce (Guignard et alii, 2005) e possibilmente pours out, the current drainage emerges anche la Salon-Cavaillon (Sauret & Ter- some kilometers northward. The organiza- rier, 1990). Ad Est del villaggio di Lagnes, tion of this drainage structure dates back dove il calcare Urgoniano scende verso il to the Messinian incision which allowed bacino Oligocenico di Carpentras, la linea the collection of infiltration waters of a di faglia Salon-Cavaillon corrisponde a un large catchment thanks to the correspond- piccolo rift (Fig. 19). I calcari Urgoniani ing high gradient (Audra et alii, 2004). sono stati ricoperti dalle molasse grigio- From the Pliocene transgression onward, verdi del Burdigaliano. Essi si sono preser- the Fontaine de Vaucluse became the main vati nel rift di Lagnes e si sono ispessiti a emergence, which acted first as a coastal Ovest verso il bacino di Carpentras, dove spring (Gilli & Audra, 2004). After the re- sono poi stati ricoperti da depositi Quater- treat of the Pliocene sea, the Fontaine de nari. La grotta di Piei si apre vicino alla

Fig. 2 - Plan view of the Piei mine cave. The cave profile is shown on Fig. 17. / Pianta della grotta- Figureminiera 2di – Piei. Plan Il view profilo of thedella Piei cavità mine è riportato-cave. The in caveFig. 17. profile is shown on fig. 17.

TheVaucluse cave keptmorphology its position shows because typical of phreatic the sommità round sections di un blocco with calcareo some less sollevato frequent nei epiphreaticpersistence features. of the The Pliocene chimneys impermeable in the NW areapressi and della the fagliaGrande Salon-Cavaillon. Colonne correspond to phreaticcovers flowdownwards originating (M fromocochain paragenetic et alii ceiling., channels above the sand filling. Scallops in the2011 narrowest). Before parts the of Messinian, the Lower Series the drain indicate- Paleo-idrogeologiaa rising flow. The flow originated from the age was probably divided between smaller L’inclinazione del calcare Urgoniano ha Lowercatchments. Series Theand the Valescure E Gallery, Aven, converged locat- towardcausato the la Rudists convergenza Chamber, del drenaggioand eventually verso poureded above out the to Fontainethe surface de followingVaucluse theat thechimneys il punto in the di NW affioramento area. In the più vicinity basso ofdell’ac the-

8 47 Speleom- Alti- etry Hypogenic miner- Cave Location tude Fault Mining activity References (length / alizations (m) depth) Cleaning of the filling and Salon-Cavail- Massive FeOx, dykes, Piei Cave Lagnes 328 / ± 39 140 scratching out This paper lon crusts of the crusts (1832-35) Mining of the « ferruginous Salon-Cavail- Mega-poolfingers Morin et alii., Chat Aven Lagnes - 60 245 trunk » down lon FeOx, calcite coating 1996; to -40 (1835-36) Scratching out of Espérelles Salon-Cavail- Morin et alii., Lagnes 50 / - 12 170 FeOx the ferruginous Cave lon 1996; crusts and dikes Morin et alii., Sénanque Salon-Cavail- Gordes - 26 450 FeOx ? 1996; Gaubert & Aven-mine lon Lefalher, 1995 Sénanque Morin et alii., mine- Cave Salon-Cavail- Gordes 450 FeOx ? 1996; Gaubert & (or Ab- lon Lefalher, 1995 baye?) Vache d’Or Scratching of Fon- Morin et alii., Mine-Cave Salon-Cavail- FeOx (in the dumps the walls and taine-de-Vau- 33 / - 8 280 1996; Gaubert & (or Cabre lon below entrance) cleaning of the cluse Lefalher, 1995 d›Or) sediments Valette Scratching of Morin et alii., Fon- Aven (or Salon-Cavail- FeOx (in the dumps the walls and 1996; Gaubert & taine-de-Vau- 31 / -7 270 Sans nom lon below entrance) cleaning of the Lefalher, 1995; cluse Aven) sediments Gauchon, 1997 Scratching of Fon- Morin et alii., Salon-Cavail- FeOx (in the dumps the walls and Pin Aven taine-de-Vau- 15 / -5 220 1996; Gaubert & lon below entrance) cleaning of the cluse Lefalher, 1995 sediments Baume de Saint-Léger-du- Ventoux over- Under identifi- ≈ 50 1350 FeOx Gauchon, 1991 l’Or Ventoux thrusting cation Sulfur masses, FeOx Metallurgy using coating, calcite sca- surface ferrugi- Baume Simiane-la-Ro- Audra & Bigot, 100 638 Simiane rift lenoedrons (high tem- nous weathering Galinière tonde 2013 perature?), gypsum, deposits (not sulfuric speleogenesis from the cave) Vallon des Mines (or Directly above FeOx dyke in shafts, Couturaud d’Émines) Bédoin -8 ≈ 700 the Ventoux Mining shaft crusts in caves (unpubl.) shafts and overthrusting caves Chaire à Oppedette Oppedette Calcite spar coating n/a Martel, 1951 Prêcher fault Carrière Banon 760 Banon rift Calcite spar coating n/a Bigot, unpubl. Aven

Tab. 1 - Characteristics of the hypogenic caves of the Vaucluse plateau. All contain ferruginous mineralizations that have been mined, except the Chaire à Prêcher and the Aven de la Carrière covered with calcite spar and the Baume Galinière where iron mainly crops out as small sulfur masses. / Car- atteristiche delle grotte ipogeniche dell’altopiano di Vaucluse. Tutte contengono mineralizzazioni ferrose che sono state oggetto di coltivazione mineraria, eccetto la Chaire à Prêcher e l’Aven de la Carrière che hanno le pareti ricoperte di cristalli di calcite e la Baume Galinière dove il ferro affiora essenzialmente in masse solfuree.

48 contact of the molassic covers, acted as a quifero Urgoniano verso l’angolo di SO vauclusian spring from Upper Aquitanian dell’altopiano di Vaucluse. A causa del- to Lower Burdigalian (Couturaud, 1993; la presenza di una profonda valle chiusa Besson et alii, 2005a, 2005b; Parize et alii, dove si trova la sorgente della Fontana di 1997; Audra, 2007). The SW corner of the Vaucluse, il drenaggio attuale emerge so- Vaucluse Plateau acted as an emergence lamente alcuni chilometri più a nord. L’or- spot from the beginning of the Miocene till ganizzazione di questa struttura di drenag- now, thanks to its structural, topographic, gio si è evoluta con l’incisione Messiniana and consequently hydrogeologic location. che permise di raccoglie l’infiltrazione di Right now, during high water, additional un grande bacino di alimentazione grazie flows to the Fontaine de Vaucluse are lin- al corrispondente forte gradiente (Audra et ing the contact with the Carpentras basin. alii, 2004). Dalla trasgressione Pliocenica The Esclargades Aven, located west of La- in avanti, la Fontana di Vaucluse divenne gnes at the contact between the limestone la principale risorgente, inizialmente come aquifer and the molassic cover, is a small sorgente costiera (Gilli & Audra, 2004). abandoned vauclusian emergence, cor- Dopo che il mare Pliocenico si era ritirato, la responding to an aquifer overflow (Cou- Fontana di Vaucluse mantenne la sua posi- turaud, 1992). zione a causa della persistenza a valle delle coperture impermeabili Plioceniche (Moco- Hypogenic caves with ferruginous min- chain et alii, 2011). Prima del Messiniano, eralizations il drenaggio era probabilmente suddiviso The Vaucluse Plateau also harbors caves in bacini più piccoli. L’Aven di Valescure, with ferruginous mineralizations (fig. 1, posizionato sopra la Fontana di Vauclu- tab. 1). se al contatto con le coperture molassiche, They exclusively are located in the periph- ha funzionato come sorgente valclusiana ery, in the vicinity of the cover limits and at dall’Aquitaniano superiore al Burdiga- the intersection of the main regional faults liano inferiore (Couturaud, 1993; Besson (Salon-Cavaillon faults, Ventoux over- et alii, 2005a, 2005b; Parize et alii, 1997; thrusting, Simiane rift). The ferruginous Audra, 2007). L’angolo di SO dell’altopia- ores often correspond to dykes filling karst- no di Vaucluse ha funzionato come punto ified fissures (Émines site); sometimes, di risorgenza dall’inizio del Miocene sino they are present in caves with walls cov- ai giorni nostri, grazie alla sia posizione ered with ferruginous crusts (Espérelles, strutturale, topografica e conseguentemente Baume de l’Or, Valette, etc.), or less com- idrogeologica. Ancora oggi, nei periodi di monly as massive deposits (Piei). The Chat piena, oltre alla Fontana di Vaucluse sono Aven is a unique case of a “ferruginous presenti flussi idrici al contatto con il baci- trunk” made of agglomerated poolfingers. no di Carpentras. L’Aven di Esclargades, This trunk reaches 60 m high for about 1 posizionato a ovest di Lagnes al contatto m of diameter and fills a karstic chimney. tra l’acquifero calcareo e la copertura delle In the Baume Galinière, iron crusts come molasse, è una piccola risorgente valclusia- from the oxidation of sulfuric masses that na abbandonata, corrispondente a un trop- are at the origin of a sulfuric speleogene- po pieno dell’acquifero (Couturaud, 1992). sis (Audra & Bigot, 2013). All these caves are of hypogenic origin, as shown by their Grotte ipogeniche con mineralizzazio- location (confinement boundary, regional ni ferrose faults), their morphology (mazes, ascend- L’altopiano di Vaucluse ospita anche grotte ing flow evidences), and their deposits (fer- con mineralizzazioni ferrose (Fig. 1, Tab. ruginous masses, calcite spar coatings, and 1), che si trovano localizzate esclusivamente less commonly gypsum). alla periferia nelle vicinanze dei limiti della copertura o all’intersezione delle principali The Piei mine cave, a hypogenic cave faglie regionali (le faglie Salon-Cavaillon, The Piei mine cave is a small cave (328 m il sovrascorrimento del Ventoux, e il rift of length for a depth of 39 m; fig. 2). The di Simiane). Spesso le mineralizzazioni di entrance corresponds to a chimney cut by ferro corrispondono a dicchi che riempiono the surface that gives access to the Rudists fessure carsificate (per esempio a Émines;

49 Chamber at the main level. Several series a volte sono presenti in grotte che presen- converge to this chamber; they are approx- tano le pareti ricoperte da croste ferrose imately horizontal with rising passages (Espérelles, Baume de l’Or, Valette, etc.), o, or chimneys to the NW. The East Gallery più raramente come depositi massivi (Piei). progressively rises from the lower point, L’abisso Chat è un caso unico di un “cilin- crossing a large chimney, the « Grande Col- dro ferruginoso” costituito da un aggregato onne ». di poolfinger alto 60 metri con un diametro It ends as two parallel narrow passages. medio di 1, che riempie un camino carsico. The Lower Series are connected to the Nella Baume Galinière le croste di ferro de- Rudists Chamber by a 7 m deep shaft. The rivano dall’ossidazione di mineralizzazioni cave follows several parallel fractures (N di solfuri che si erano depositati nei primi 20-40°), clearly visible in the rift-like pas- stadi della speleogenesi solfurea (Audra & sages located in the peripheric areas. Orig- Bigot, 2013). Tutte queste grotte sono di inally, the cave was probably entirely filled origine ipogenica, come mostrato dalla loro with mineralized sand and the current localizzazione (limiti di confinamento, fa- open spaces correspond to diggings of the glie regionali), le loro morfologie (labirinti- sand fill together with some short artificial che, con evidenze di flussi ascensionali), e i research passages excavated in massive loro depositi (masse ferrose, croste di calcite rock along fissures. spatica, e, più raramente, gesso). The cave morphology shows typical phreatic round sections with some less frequent La grotta-miniera di Piei, una grotta epiphreatic features. ipogenica The chimneys in the NW area and the La grotta-miniera di Piei è una piccola cavi- Grande Colonne correspond to phreatic tà (328 m di lunghezza per una profondità flow originating from paragenetic ceiling di 39 m; Fig. 2). Il suo ingresso corrisponde channels above the sand filling. a un camino tagliato dalla superficie ester- Scallops in the narrowest parts of the Low- na e che permette l’accesso alla Sala delle er Series indicate a rising flow. Rudiste nel livello principale. Differenti The flow originated from the Lower Series livelli suborizzontali convergono in questa and the E Gallery, converged toward the sala, attraverso passaggi in risalita o pozzi Rudists Chamber, and eventually poured subverticali con direzione NW. La Galleria out to the surface following the chimneys Est risale progressivamente dal punto più in the NW area. basso, intersecando un largo camino, la In the vicinity of the Grande Colonne, some “Grande Colonne” e terminando infine con wall channel at the interface between the due stretti passaggi paralleli. I piani infe- rock and the sand filling also shows a ris- riori sono connessi con la Sala delle Rudi- ing flow fed by a feeder (Fig. 16). ste da un pozzo di 7 metri. La grotta segue Otherwise, numerous features point to- diverse fratture parallele (N 20-40°), chia- ward a late epiphreatic phase: several ramente visibili nei passaggi sviluppatisi notches and a paragenetic ceiling in the nelle parti periferiche del sistema. Origina- Rudists Chamber record the water-table riamente la grotta era probabilmente riem- level. pita di sabbia mineralizzata e i vuoti attua- Sediments are composed of the main fill- li corrispondono allo scavo dei riempimenti ing and wall coatings. The main filling is sabbiosi con poche e brevi gallerie artificiali composed of green sand corresponding to scavate nella roccia compatta lungo fessure the Burdigalian molasses which previously preesistenti. covered this area. La morfologia della grotta mostra tipiche Such a filling is either contemporaneous sezioni freatiche arrotondate con più rare to the Burdigalian transgression or corre- forme epifreatiche. I camini nell’area di sponds to a late reworking. Ferruginous NO e nella Grande Colonne corrispondono mineralizations remaining after mining a flussi freatici che si sono originati da con- are limited to wall coatings and masses in dotte paragenetiche sul soffitto al di sopra the lower series (infra). dei riempimenti sabbiosi. Gli scallops nelle However, the mine archives show that the parti più strette indicano che il flusso era mineralizations were developing as “veins ascendente. Il flusso originatosi delle Galle-

50 Grande Colonne, some wall channel at the interface between the rock and the sand filling, also show a rising flow fed by a feeder (fig. 16). Otherwise, numerous features point toward a late epiphreatic phase: several notches and a paragenetic ceiling in the Rudists Chamber recording the water-table level. Sediments are composed of the main filling and wall coatings. The main filling is composed of green sand corresponding to the Burdigalian molasses which previously covered this area. Such a filling is either contemporaneous to the Burdigalian transgression or corresponds to a late reworking. Ferruginous mineralizations remaining after mining are limited to wall coatings and masses in the lower series (infra). However, the mine archives show that the mineralizations were developing as “veins inside the rock” and as “masses in the filling”. The observation of remaining deposits suggests that the mineralizations were concentrated at the interface of wall and sediment, particularly on top and especially inside the cupolas. In the highest places close to the outflow, ferruginous crusts are coated with calcite spar which was smoothed by a later corrosion (fig. 3). This calcite point out toward a late phase, still phreatic, with degassing close to the water table allowing calcite deposition. The widespread smoothing of the calcite coating corresponds to a late phase, where the water table lowered of some meters and produced corrosion by aerosols in the dewatered upper level. Finally, some cupolas with flat ceiling, located at diverse depths, seem to be linked to gas trapping or to water convections at shallow depth. Altogether, these characteristic features of rising flow (phreatic morphology, cupolas, wall and ceiling channels, feeders) and the ferruginous mineralizations point toward a hypogenic speleogenesis, where the flow rising from the depth was not directly connected with meteoric recharge.

Fig. 3 - Ceiling of a cupola close to the entrance. Ferruginous crusts are coated with subaqueous calcite spar that was later smoothed by aggressive aerosols. Scale is 20 cm long (photo: J.-Y. Bigot). / Soffitto Figuredi una cupola 3 – Ceiling presso l’ingresso. of a cupola Le croste close ferruginose to the entrance. sono ricoperte Ferruginous da cristalli crusts di calcite are subacqueacoated with che subaqueousè stata successivamente calcite spar corrosa that wasda aereosol later smoothed aggressivi by (foto: aggressive J.-Y. Bigot). aerosols. Scale is 20 cm long (photo. J.-Y. Bigot). inside the rock” and as “masses in the fill- rie Inferiori e la Galleria E convergeva ver- ing”. The observation of remaining depos- so la Sala delle Rudiste e infine affiorava its suggests that the mineralizations were in superficie seguendo i camini nell’area 9di concentrated at the interface of wall and NO. Anche nei pressi della Grande Colonna sediment, particularly on top and especial- qualche canale lungo le pareti al contatto ly inside the cupolas. tra la roccia e il riempimento sabbioso mo- In the highest places close to the outflow, stra evidenze di un flusso ascendente pro- ferruginous crusts are coated with calcite veniente da un foro di alimentazione (Fig. spar which was smoothed by later corro- 16). Altrove varie forme indicano una fase sion (Fig. 3). This calcite testifies tardiva epifreatica: varie mensole e soffitti a late phase, still phreatic, with degassing paragenetici nella Sala delle Rudiste han- close to the water table allowing calcite no infatti registrato l’evoluzione del livello deposition. piezometrico. The widespread smoothing of the calcite I sedimenti sono costituiti dal riempimento coating corresponds to a late phase, where principale e da depositi parietali. Il riempi- the water table lowered for some meters mento principale è composto da sabbia ver- and produced corrosion by aerosols in the de corrispondente alle molasse Burdigalia- dewatered upper level. Finally, some cune che precedentemente coprivano quest’a- polas with flat ceiling, located at different rea. Tale riempimento è o contemporaneo heights, seem to be linked to gas trapping alla trasgressione Burdigaliana ovvero cor- or to water convections at shallow depth. risponde a un successivo rimaneggiamento. Altogether, these characteristic features of Le mineralizzazioni ferruginose rimaste rising flow (phreatic morphology, cupolas, dopo i lavori minerari sono limitate a veli wall and ceiling channels, feeders) and the parietali e a masse nelle gallerie inferiori ferruginous mineralizations point toward (infra). Tuttavia gli archivi della miniera a hypogenic speleogenesis, where the flow mostrano che le mineralizzazioni erano svi- rising from the depth was not directly con- luppate come “vene all’interno della roccia” nected with meteoric recharge. e come”masse all’interno dei riempimenti”.

51 Fig. 4 - Carte topographique de la concession de minerais de fer de la commune de Lagnes: 382 ha, aux termes de la concession du 9 août 1833 [topographic map of the iron mining claim in the commune of Lagnes: 382 ha, related to the terms of the claim of the 9th of August 1833]. Original scale is 1/10 000 (the letter N indicates the Piei Mine-Cave, X the Chat Aven) (Archives départe- mentales de Vaucluse, 1833). / Carte topographique de la concession de minerais de fer de la commune de Lagnes: 382 ha, aux termes de la concession du 9 août 1833 [carta topografica della richiesta per una miniera di ferro nel comune X di Lagnes: 382 ha, riferiti a quanto definite nella richiesta del 9 Agosto 1833]. La scala originale è 1/10 000 (la lettera N indica la grotta- miniera di N Piei, X l’Aven Chat) (Archives départementales de Vaucluse 1833).

L’osservazione diretta dei depositi residui suggerisce che le mineralizzazioni fossero concentrate all’interfaccia tra la parete e i sedimenti, particolarmente alla sommità e soprattutto nelle cupole. Nei posti più elevati vicino alla risorgenza, le croste ferrugi-

Figure 4 – Carte topographique de la concession de minerais de fer de la commune de nose sono ricoperte da calcite spatica, i cui Lagnes : 382 ha, aux Shorttermes de la mining concession du period 9 août 1833 [topographic after 1830 map of thenthe iron spigoli sono stati a loro volta arrotondati mining claim in the commune of Lagnes: 382 ha, related to the terms of the claim of the 9th of August 1833]. Originalprogressively scale is 1/10 000 (the letterforgotten N indicates the Piei Mine-Cave, X the da una successiva corrosione (Fig. 3). La Chat Aven) (ARCHIVES DÉPARTEMENTALES DE VAUCLUSE 1833). presenza di calcite indica un fase tardiva,

Historical metallurgy tradition 11 ancora freatica in cui il degassamento vici- Around Fontaine de Vaucluse, iron met- no alla superficie piezometrica permetteva allurgy is known at least since the Middle la deposizione di questo minerale. La dif- Age. In the second half of the XVth Century, fusa corrosione della crosta di cristalli di several contracts testify the activity of tilt calcite corrisponde ad un ulteriore fase in hammers along the Sorgue River pouring cui il livello delle acque si era abbassato ul- out of the Fontaine de Vaucluse. This met- teriormente di alcuni metri, permettendo la alwork was fed by local mines (Guigue & corrosione da parte di aerosol nella parte Girard, 1949, p. 27): iron ores occurred “in superiore svuotata dall’acqua. Infine, alcu- the villages of Lagnes, Vaucluse, Saumanes, ne cupole con il soffitto piatto, posizionate a Gordes, Saint-Saturnin, and more gener- differenti quote, sembrano indicare la for- ally all around the massif made of Upper mazione di trappole di gas e/o movimenti Neocomian, from the Fontaine de Vaucluse convettivi a bassa profondità. Tutte insie- and beyond Simiane” (Gras, 1862, p. 321). me, queste forme caratteristiche di flussi In addition, some ore could have been ex- ascendenti (morfologie freatiche, cupole, ploited on the northern slope of Mont Ven- canali di volta e fori di alimentazione) e di toux (Tab. 1). During field investigations, mineralizzazioni ferruginose indicano una cavers often found and documented these speleogenesi ipogenica, caratterizzata da caves and avens where iron ores were flussi risalenti dal basso non direttamente mined (especially J.-P. Viard, ACRC, cave connessi con la ricarica meteorica.

52 surveys in Gaubert & Lefalher, 1995). The Breve periodo minerario dopo il 1830 Piei mine cave, recently studied by arche- poi progressivamente dimenticato ologists (Morin et alii, 1997) and histori- ans (Locci, 1988), remained unknown for La tradizione metallurgica storica cavers or was only considered as a mine. Attorno alla Fontaine de Vaucluse, la me- Its identification as a karstic cave occurred tallurgia del ferro era nota almeno dal only recently (Rouzaud Fr., in Morin et Medio Evo. Nella seconda metà del XV se- alii., 1997); consequently this is the first colo, vari contratti testimoniano l’attività karstological study. dei martelli da forgia lungo il fiume Sor- gue che ha la sua origine dalla Fontana The short activity phase of the Piei di Vaucluse. Questa attività metallurgica Mine era alimentata da miniere locali (Guigue The few documents kept in the Departmen- & Girard, 1949, p. 27): giacimenti di ferro tal Archives of Vaucluse, together with the si trovavano “nei comuni di Lagnes, Vau- papers published from the XIXth Century, cluse, Saumanes, Gordes, Saint-Saturnin e attest that the Piei Mine exploitation was più in generale tutto attorno al massiccio never well organized. During its 3 years of del Neocomiano superiore, dalla Fontana activity it remained informal, hindering us di Vaucluse a oltre Simiane” (Gras 1862, p. in getting a precise idea of its organization. 321). Inoltre qualche giacimento potrebbe Already in 1894, a report stated that it was essere stato coltivato nel fianco a nord del impossible to get “the data related to the Mount Ventoux (Tab. 1). Durante il lavoro tonnage and to the value of the extracted di campagna, gli speleologi hanno spesso minerals, to the amount of employed work- trovato grotte e abissi in cui sono stati col- ers, and to the amount of the gross receipts, tivati i depositi di ferro (in particolare J.-P. expenses and net profit”. The discovering Viard, ACRC, rilievi di grotta in Gaubert of the mine itself was early disputed be- & Lefalher, 1995). La Grotta-miniera di tween several competitors (Locci, 1988). Piei, studiata recentemente da archeologi The royalties to the Lagnes commune, (Morin et alii, 1997) e storici (Locci, 1988), fixed by the 1833 mining claim, seem to rimase sconosciuta agli speleologi o forse fu have never been paid. The 1/1000 plans solo ritenuta una miniera. La sua identi- and profiles that the operators should have ficazione come grotta carsica fu fatta solo produced and provided each year to the di recente (Rouzaud, in Morin et alii, 1997), Prefecture, as explicitly referenced in the conseguentemente questo è il suo primo stu- mining claim specifications, were probably dio carsico. never surveyed; at least nothing was found in the archives… As usually, the most fre- La breve fase di attività della Grotta- quent archives related to the Piei Mine Miniera di Piei history correspond to quarrels: trade con- I pochi documenti presenti nell’Archivio flicts between Perre and Martin contrac- dipartimentale di Vaucluse, assieme con i tors; protest of an industrialist from the lavori pubblicati dal XIX secolo, attesta- neighboring Saumane commune worrying no che lo sfruttamento della miniera di Piei of being competed for the mineral supply; non è mai stata ben organizzata. Nel corso complaint of the Lagnes villagers fearing dei suoi 3 anni di attività era rimasta “in- of houses destabilization… These inciden- formale”, impedendo così a noi di avere una tal documents are fortunately completed precisa idea della sua organizzazione. Già by the descriptions of the geologist Scipion nel 1894 una relazione attestava che era Gras (1862), which are the most detailed impossibile avere “i dati relativi alle tonnel- and probably the most reliable. The mine late e al valore del minerale estratto, alla must have been discovered at the begin- quantità di minatori impiegati e a quella ning of the 1830s. The founder Gustave relativa ai guadagni lordi, spese e profitto Perre designed a mining project in order netto”. La scoperta stessa della miniera era to feed with mineral the blast furnace he stata oggetto di disputa tra diversi soggetti planned to build at Velleron. The Lagnes (Locci, 1988). Le royalty al comune di La- ore was too small to feed it durably, howev- gnes, fissate dalla dichiarazione mineraria er it was close (12 km). And the solicitation del 1833, sembrano non essere state mai

C. Mining conditions After the mines engineer H. de VILLENEUVE (1834), the mining should have started even before the official mining claim. Indeed, his report stated about two openings giving access to the mine, a horizontal one opened in 1830 that was maybe at the origin of the discovery and a 3m vertical one corresponding to a shaft made in 1832. The most informative document is a st manuscript detailing the mine specifications (A. A. 1833). The Article 1 provides valuable indications while distinguishing between places “where the mineral displays as veins or blocks in the sand” and where it “will appear as veins inside the rock where we could only mine while using powder”. Specifications detail the operating process concerning the dump lying out and the priority and systematical exploitation of “the back alleys and chimneys containing mineral” before to be refilled and closed with walls made of limestone blocs. It shows that the mine engineer was concerned about the optimization of the resource exploitation by minimizing the dump handling. The observation of the mine-cave, as it now displays, together with the results of archeological studies (MORIN et alii, 1997) show that the mineral must have been found as argillaceous masses, which exploitation did not left significant pickaxe traces. On the contrary, research passages opened in the massive rock produced large volumes of dump collected as lateral walls including notches up in the walls (fig. 5). Some pockets were emptied as inverted stopping extraction and walls built as one goes along the work moved upwards (fig. 3, 6).

pagate. Le mappe e i profili 1/1000 che i gestori avrebbero dovuto produrre e fornire ogni anno alla Prefettura, come chiaramente specificato nella dichiarazione mineraria, probabilmente non furono mai realizzati: o almeno nulla è stato trovato negli archivi… Come di norma, i documenti storici più frequenti riferibili alla storia della miniera di Piei sono quelli relativi a contenziosi: conflitti commerciali tra Perre e Martin, possessori della concessione; proteste di un industriale del vicino comune di Saumane che protestava per concorrenza sleale nell’approvvigionamento del minerale; proteste degli abitanti di Lagnes che paventavano la destabilizzazione delle loro case … Per fortuna questi documenti sono completati dalle descrizioni del geologo Scipion Gras (1862), che risultano essere le più dettagliate e affidabili. La miniera deve essere stata scoperta all’inizio del 1830. Lo scopritore Gustave Perre prepa- rò un progetto di estrazione per alimentare

con il minerale la fornace che aveva previ- Fig. 5 - Beyond the « Grande Colonne », staircases sto di costruire a Valleron. E la richiesta made of stone or cut in the clay help walking be- di altri vicini giacimenti può aver aiutato a tween the cave wall and the built dump wall. All far partire questa attività di12 produzione di is made to leave the largest space for miner traf- acciaio. Lui ha presentato una richiesta di fic and to limit the dump extraction (photo: J.-Y. attività mineraria alla fine del 1831, che è Bigot). / Aldilà della “ Grande Colonne”, gradini stata accettata nell’Agosto del 1933 (Fig. 4). di roccia o tagliati nell’argilla aiutano la progressione tra la parete della grotta e quella del muro costruito con lo scarto. Tutto è stato fatto per la- Condizioni minerarie sciare il massimo spazio possibile per il passaggio Secondo l’ingegnere minerario H. de Ville- dei minatori e per limitare l’estrazione dello steri- neuve (1834), l’attività dovrebbe essere ini- le (foto: J.-Y. Bigot). ziata anche prima che la richiesta ufficiale fosse presentata. Certamente il suo rendi- conto riporta due ingressi che davano acces- of additional neighboring ores could have so alla miniera, uno orizzontale aperto nel helped to start this steel activity. He ap- 1830 che probabilmente aveva portato alla plies for a mining claim during fall of 1831, scoperta e un pozzo verticale di 3 m fatto nel and permission was granted in August 1832. Il documento con più informazioni 1833 (Fig. 4). è un manoscritto che contiene le specifiche minerarie (A. A. 1833). Mining conditions Il primo articolo fornisce importanti noti- According to the mining engineer H. de zie distinguendo tra posti “dove il minerale Villeneuve (1834), the mining started even appare come vene o in blocchi nella sabbia” before the official mining claim. Indeed, e dove “appare come vene dentro la roccia his report mentions two openings giving da cui può essere estratto solo grazie agli access to the mine, a horizontal one dug esplosivi”. Vengono poi descritte dettaglia- in 1830 that was maybe at the origin of tamente i processi relativi alla discarica the discovery and a 3 m vertical one cor- esterna e all’iniziale sistematico svuota- responding to a shaft made in 1832. The mento delle “ strette fratture e camini con- most informative document is a manu- tenenti il minerale”, prima che venissero script detailing the mine specifications (A. riempiti di sterile e chiusi con blocchi di A. 1833). The article first provides valuable calcare. Questo dimostra come l’ingegne-

54 Figure 5 – Beyond the « Grande Colonne », staircases made of stone or cut in the clay help walking between the cave wall and the adroitly built dump wall. All is made to live the largest space for workers traffic and to limit the dump extraction (photo. J.-Y. Bigot).l

indications while distinguishing between places “where the mineral displays as veins or blocks in the sand” and where it “will appear as veins inside the rock where we could only mine it using powder”. Specifications detail the operating process concerning the outside dump and the priority and systematical exploitation of “the back alleys and chimneys containing mineral” before to be refilled and closed with walls made of limestone blocks. It shows that the mine engineer was concerned about the optimization of the resource exploitation by minimizing the dump handling. The observation of the mine cave, as it now displays, together with the results of archeological studies (Morin et alii, 1997) show that the mineral must have been found as argillaceous masses, which exploitation did not leave significant pickaxe traces. On the contrary, research passages opened in the massive rock produced large volumes of dump collected as lateral walls including notches up in the walls (Fig. 5). Some pockets were emptied Fig. 6 - Beyond the staircase, a log is pinned be- as inverted stoping extraction and walls tween the walls and one side is stabilized with built as one goes along the work moving a terraced stone wall. The inverted stoping ex- upwards (Fig. 3, 6). Figuretraction 6(Fig. – Beyond 2) allowed the emptyingstaircase, aa chimneylog is pinned from between the walls and one side is stabilized withthe bottom a terraced upwards stone (photo: wall. J.-Y.The Bigot).inverted / Aldilà stopping extraction (fig. 2) allowed emptying a Volume of extracted mineral chimneydei gradini from, un the tronco bottom d’albero upwards è incastrato(photo. J.- Y.tra Bigot ). What could be the extracted volume of such le pareti ed una parte è stata stabilizzata con un muro di pietre terrazzate. L’estrazione per gradi- a mine cave? In a report contemporaneous no inverso ripieno (Fig. 2) ha permesso di vuotare to the early beginning of the exploitation, D. Volume of extracted mineral Whatun camino could dalla be the sua activity base verso volume l’alto of (foto:such aJ.-Y. mine -cave? In a report contemporaneous of the the engineer Villeneuve estimated that “the Bigot). ore could probably provide 40 to 50 met- early beginning of the exploitation, Villeneuve engineer estimated that “the ore could ric quintals of mineral [per day]” whereas probably provide 40 to 50 metric quintals of mineral [per day]” whereas the stratiform ore in the stratiform ore in Velleron produced 26 Velleronre minerario produced si fosse 26 (preoccupatoVILLENEUVE 1833per l’ot). The- exploitation appears rentable and “the (Villeneuve, 1833). The exploitation ap- runningtimizzazione of the blastdell’estrazione furnace seems della to offersrisorsa some possible duration”. However, Villeneuve pears economically viable and “the running wasmineraria aware thatminimizzando the ore was la poorly gestione quantified dello and that its exploitation was obviously of the blast furnace seems to offer some pos- uncertain:scarto. “The Martin Company understood that the ore amount of Lagnes was something sible duration”. However, Villeneuve was uncertainL’osservazione where forecastdella grotta-miniera, could be erron eouscome”. Later on, Sc. GRAS (1862) is the only one aware that the ore was poorly quantified providingsi presenta an oggi,estimation assieme of exploitedai risultati volumes: degli between 1833 and 1835, « the produces and that its exploitation was obviously reachedstudi archeologici about 3.000 (metricMorin quintal,et alii, 1997)which mocost- price has been 1 Franc to 2.40 Francs per uncertain: “The Martin Company under- quintal,stra che not il mineraleincluded devethe costs essere of statopreliminary trova- and research works which have reached stood that the ore amount of Lagnes was considerableto sotto forma sums di ”.masse This argillose,estimation datowould che lead i to a volume approximation of extracted something uncertain where forecast could minerallavori estrattivito a minimum non hannoof 60 mlasciato3, the real signifi volume- probably being larger, according to the be erroneous”. Later on, Sc. Gras (1862) is impuritiescative tracce of extractions. di picconi. After 3 years of activity, the ore was considered as exhausted. The the only one providing an estimation of ex- Al contrario i passaggi esplorativi aperti ploited volumes: between 1833 and 1835, nella roccia compatta produssero grandi 13 volumi di scarti che sono stati accumulati « the production reached about 3.000 metric quintal, which cost price has been 1 Franc in nicchie nelle pareti laterali (Fig. 5). to 2.40 Francs per quintal, not including Alcune tasche furono svuotate con il metodo the costs of preliminary and research works della coltivazione a gradino inverso ripie- which have reached considerable sums”. no e dei muri furono costruiti di mano in This estimation would lead to a volume ap- mano che i lavori procedevano verso l’alto proximation of extracted mineral of a min- (Fig. 3, 6).

55 following year the work moved to the neighboring Chat Aven, then the discovery in Rustrel of a larger and more easily exploitable ore led to the moving of the activity toward Apt city. The short period of activity of the Piei Mine-cave is characteristic of the transition between the traditional metallurgy developed for centuries around Vaucluse and the subsumptions of the Industrial Revolution: the ore in a cave is similar to the karstic pocket that have been emptied for centuries in the area, however, the building of a blast furnace, the founding of a company, and the frame laid down by the Mine Code (1810) announce a new era. Managers, imum of 60 m3, the real volume probably Il volume del minerale estratto suchbeing larger,as Gustave according Perre to the andimpurities Michel of GaspardQuale potrà Martin essere stato did ilnot volume understood mobiliz- that this new period wouldextractions. need After much 3 years larger of activity,tonnages the andzato more in una favorable simile grotta-miniera? extraction conditions.In una In the same time, ore was considered exhausted. The follow- relazione contemporanea all’inizio delle at- anothering year theenterpriser work moved underwentto the neighbor a- sametività, disappointmentl’ingegnere Villeneuve with stimò a chesmall “il ore discovered and exploiteding Chat Aven, close then to the Bédoin discovery (G inRAS Rus -1862,giacimento p. 320 può). The probabilmente Piei Mine fornire-cave 40- and the Chat Aven must trel of a larger and more easily exploitable 50 quintali di minerale [al giorno]” mentre haveore led rapidly to the moving live ofthe the place activity to toward the Rustrel il giacimento ores, thenstratificato to the in large Villeron industrial ne pro- steel productions of th LeApt Creusot,city. The short Saint period-Étienne of activity… Laterof the on,duce and 26 (Villeneuvetill the beginning 1833). Lo sfruttamento of the XX Century, the cave is Piei mine cave is characteristic of the tran- sembra essere possibile e “l’attività della stillsition visited between by the some traditional visitors metallurgy who left fornace a mark sembra of their possa passage durare per in unthe certo Signature Gallery (fig. 2). th Then,developed it wentfor centuries overlooked around till Vaucluse the end periodo”.of the XX Tuttavia Century Villeneuve when era archeologists conscio began its study. and the onset of the Industrial Revolution: che il giacimento era poco quantificato e che the ore in a cave is similar to the karstic il suo sfruttamento era ovviamente incerto: pockets that have been emptied for centu- “La Compagnia Martin sa che la quantità ries in the area, however, the building of a del giacimento di Langes è abbastanza in- III.blast Study furnace, of the ferrugin founding oofus a company,mineralizations certa, per and cui lecharacteristics previsioni possono of essere the hypogenic flow and the frame laid down by the Mine Code errate”. Più tardi, Gras (1862) è l’unico a A.(1810) Ferruginous announce a mineralizationsnew era. Managers, and fornire facies una distribution stima dei volume prelevati; tra such as Gustave Perre and Michel Gaspard il 1833 e il 1835 “la produzione ha raggiun- Martin did not understand that this new to circa 3.000 quintali, il cui costo è stato 1.period Facies would of need the muchferruginous larger tonnages mineralizations tra 1 e 2,40 Franchi per quintale, non com- and more favorable extraction conditions. prendendo i costi preliminari e di ricerca e TheIn the samemining time, activityanother enterpriser has been got diabruptly attrezzamento, stopped, che sono livingstati abbastan witnesses- of ferruginous mineralizations,a similar disappointment as wall with acrusts small oreor asza largercostosi”. deposits Questa stima such porta as a blocsstabilire of more than 20 kg of discovered and exploited close to Bédoin approssimativamente un totale minimo di massive(Gras, 1862, iron p. 320).oxyhydroxides The Piei mine in cave the bottom60 m3 di of materiale the NE estratto, series .ma These il volume mineralizations display as threeand the main Chat faciesAven must located have rapidlyin definite left areasreale èof stato the probabilmentecave. maggiore, te- the place to the Rustrel ores, then to the nendo presente le impurezze presenti. Dopo large industrial steel productions of Le 3 anni di attività il giacimento venne consi- MassiveCreusot, Saint-Étienne… dyke facies Later(fig. on,7) and up derato esaurito. L’anno seguente i lavori si to the beginning of the XXth century, the spostarono nel vicino Aven Chat, quindi la Somecave was tiny still joints, visited withby some a widthpeople ofwho some scoperta millimeter in Rustrel to di 1 un-2 piùcm grande, are filled giaci- with massive ore, with aleft symmetric a mark of their fabric passage from in thewalls Signa that- mentooften e livepiù facilmente a void coltivabilein the central portò allo axis. These joints often ture Gallery (Fig. 2). Then, the cave was spostamento delle attività minerarie verso correspondforgotten until to the the end extreme of the XX thplaces century reached la città by di theApt. miners,Il breve periodo which di stopped attività their extraction while thewhen ore archeologists abruptly began went its thinner study. (extremitydella grotta-minieraof E and NE di Pieiseries). è caratteristico This facies corresponds to the del periodo di transizione tra la tradizio- poorlyStudy of evolved ferruginous joints, mineralizations which locate nalebelow metallurgia the enlarged sviluppata karstic nei secoli voids at- where larger deposits occur.and characteristics of the hypogenic torno a Vaucluse e le nuove tecniche della flow Rivoluzione Industriale: il giacimento in

FigureFig. 7 - Massive 7 – Massivedyke facies filling dyke joints facies in the filling deep zone joints of the cavein the (photo: deep Ph. zoneAudra). /ofFacies the a diccave- (image Ph. Audra) chi massivi che riempiono i giunti nella zona profonda della grotta (foto: Ph. Audra).

56 Mammilary and massive stratiform facies (fig. 8) In the bottom of NE series, ceiling cupolas are filled with massive ferruginous deposits up to 50 cm of thickness. Accumulations are made of massive deposits or of mammilaries fabrics

14 living vugs. EDAX analysis show extremely pure iron oxyhydroxides, probably an association of goethite-hematite with a small part of clay impurities (fig. 9, tabl. 2).

Fig. 8 - Massive mammillary facies located in the ceiling cupolas (photo: Ph. Audra). / Facies massiva mammellonare all’interno di una cupola (foto: Ph. Audra). Figure 8 – Massive mammilary facies located in the ceiling cupolas (image Ph. Audra) Ferruginous mineralizations and fauna grotta è simile alle tasche carsiche che cies distribution sono state svuotate in questa area, tuttavia ElemFacies ofW theeigh ferruginoust Atoms mineralizations la costruzione di una fornace, la creazio- entsThe mining% activity% has been abruptly ne di una Compagnia e l’elaborazione del stopped, leaving witnesses of ferruginous Codice Minerario (1810) annunciano una mineralizations,O 25.05 as53.02 wall crusts or as larg- nuova era. Manager, come Gustave Perre e erAl deposits 0.68 such as 0.86blocks of more than 20 Michel Gaspard Martin non capirono che kgSi of massive1.82 iron2.20 oxyhydroxides at the questo nuovo periodo avrebbe necessitato bottomFe of72.45 the NE series.43.93 These mineraliza- molto maggiori rese e molto più favorevo- Totaltions display100.00 as three100.00 main facies located li condizioni di estrazione. Nel medesimo in well defined areas of the cave. tempo, un altro industriale subì la stessa Massive dyke facies (Fig. 7) sorte con un piccolo giacimento scoperto e TableSome tiny2 – joints,EDAX with Quantification a width of some (Standardless) mil- coltivato of massive vicino airon. Bédoin It is( Galmostras, 1862, pure p. iron oxyhydroxideslimeter to 1-2, cm,with are clay filled traces with reveled massive by the320). presence La Grotta-miniera of some percents di Piei e ofl’Aven silica di and aluminiumore, with a. symmetric fabric from the walls Chat dovettero ben presto cedere il passo al that often leave a void in the central area. giacimento di Rustel, e quindi alla gran- These joints often correspond to the ex- de produzione industriale di acciaio di Le treme places reached by the miners, which Creusot, Saint-Étienne. Dopo, e fino all’ini- Spongistoppedous their and mucoli extractionform wherefacies on the microbial ore stand (fig. 9, 10) Inabruptly the main became horizontal thinner gallery, (extremity the highest of E parts should contain empty voids between the ceilingand NE and series). the sand This filling.facies correspondsSuch voids toare filled with ferruginous deposits (fig. 9). The mineralthe poorly displays evolved a joints,porous which facies: locate spongious be- texture, poolfingers, mucoliforms (biofilm peelinglow the off enlarged from thekarstic ceiling voids with where mucous larger-like shape), triangular pendants along the highest overhangingdeposits occur. walls, soft sheets accumulations (fig. 10). Such facies are typical of ferruginous precipitationMammilary ontoand microbialmassive stratiform stand, the facies hanging filaments produce poolfingers, the peeled off biofilms(Fig. 8) produce mucoliform concretions. When detaching, they piled up producing sheets accumulations.At the bottom of the NE series, ceiling cupolas are filled with massive ferruginous deposits up to 50 cm in thickness. Accu- mulations are made of massive deposits or of mammillary fabrics leaving vugs. EDAX analysis shows extremely pure iron Fig. 9 - Chimney with ferruginous crusts cover- oxyhydroxides, probably an association of Figureing wall 9 – Chimneyniches (photo: with ferruginous A. Couturaud). crusts covering/ Camini wall niches (photo. A. Couturaud). goethite-hematite with a small part of clay con croste ferruginose che ricoprono le nicchie impurities (fig. 9, Tab. 2). delle pareti (foto: A. Couturaud). 15

Figure 10 – Facies of the ferruginous deposits in the upper zone. 1/ poolfingers in a small ceiling cupola. 2/ mucoliform ferruginous concretion. 3/ Sheets accumulations (photo. J.-Y. Bigot, A. Couturaud).

2. Distribution of the ferruginous mineralizations according to flow conditions The mineralizations facies depend on their vertical distribution, according to the depth below the water table (fig. 11). At depth, solution and transport occur in reduced environment. Close to the water-table, and thanks to the mixing with oxygenated meteoric water, oxidation and precipitation are catalyzed by microbial activity, which is in turn are controlled by pH and/or eH conditions within the aqueous solution (ONAC, 2005). In the deep phreatic zone (here > 30-25 m), hypogenic flow occurs along tiny fissures, probably in an almost closed system. Corrosion widening of the fissures is limited, especially as the available space is partly filled with the thickening of ferruginous walls. In the intermediary zone (20-5 m), the mixing with the oxygenated meteoric water boosts the host rock solution and the enlarging of the fissures, together with oxidation reactions and precipitation of massive ferruginous mineralizations, mainly in cupolas and spots in elevated position. Close to the water table, and especially in the gaseous cupolas, oxidation at its maximum allows microbial development, which in turn catalyses ferruginous precipitation onto biofilms, making mucoliform formations and raft accumulations. The available space for such microbial development locates at the interface between the limestone ceiling and the top of the sand filling. 16

Elements Weight % Atoms % zio del XX secolo, la grotta fu ancora visitata da viaggiatori che lasciarono il segno O 25.05 53.02 nella Galleria delle Firme. Poi, la grotta Al 0.68 0.86 venne del tutto abbandonata finché gli archeologi cominciarono a studiarla alla fine Si 1.82 2.20 del XX secolo. Fe 72.45 43.93

Total 100.00 100.00 Studio delle mineralizzazioni ferrugi- Tab. 2 - EDAX Quantification (Standardless) nose e caratteristiche del flusso ipoge- of massive iron. They are almost pure iron nico oxyhydroxides, with clay traces revealed by the Le mineralizzazioni ferruginose e la presence of some percents of silica and aluminium. distribuzione delle facies / Quantificazione EDAX (senza l’uso di standard) Facies delle mineralizzazioni ferruginose del ferro massivo. Si tratta essenzialmente di L’attività mineraria fu interrotta improvvi- ossidi-idrossidi puri di ferro con piccole tracce di samente, lasciando tracce delle mineraliz- argilla, rivelata dalla presenza di qualche % di zazioni ferruginose come croste parietali o silice e alluminio. come più ampi depositi quali blocchi massivi di ossidi-idrossidi di ferro di oltre 20 kg sul fondo delle gallerie di NE. Queste Spongious and mucoliform facies on micro- mineralizzazioni mostrano tre differenti bial sand (Fig. 9, 10) facies localizzate in ben definite aree della In the main horizontal gallery, the high- grotta. est parts contained empty voids between Facies di dicchi massivi (Fig. 7) the ceiling and the sand filling. Such voids Alcuni sottili giunti di stratificazione, con were filled with ferruginous deposits (Fig. uno spessore da qualche millimetro a 1-2 9). The mineral displays a porous facies: centimetri, sono riempiti con depositi mas- spongious texture, poolfingers, mucoli- sivi a struttura simmetrica dalle parete, che forms (biofilm peeling off from the ceiling spesso lascia un vuoto nell’asse centrale. with mucous-like shape), triangular pen- Questi giunti spesso corrispondono ai pun- dants along the highest overhanging walls, ti terminali raggiunti dai minatori, che soft sheet accumulations (Fig. 10). Such fa- interruppero la coltivazione non appena il cies are typical of ferruginous precipitation giacimento diventava meno spesso (estre- onto microbial mats, the hanging filaments mità delle gallerie di E e NE). Questa facies produce poolfingers, the peeled off biofilms corrisponde a giunti scarsamente evoluti, produce mucoliform concretions. When de- che si trovano al di sotto dei grandi vuoti taching,Figure 9 they – Chimney pile up producing with ferruginous sheet accu crusts- carsici covering dove wall maggiori niches depositi (photo. si A. erano Couturaud). svi- mulations. luppati.

Fig. 10 - Facies of the ferruginous deposits in the upper zone. 1: poolfingers in a small ceiling cupola. 2: mucoliformFigure 10 ferruginous – Facies concretion.of the ferruginous 3: Sheet accumulations deposits in(photo: the J.-Y.upper Bigot, zone. A. Couturaud). 1/ poolfingers / Facies in a small deiceiling depositi cupola ferruginosi. 2/ mucol nella zonaiform superiore. ferruginous 1: poolfinger concretion in una . piccola3/ Sheets cupola a ccumulationsdel soffitto. 2: concre(photo.- J.-Y. zioneBigot, mucoliforme. A. Couturaud). 3: accumuli stratificati (foto: J.-Y. Bigot, A. Couturaud).

58 2. Distribution of the ferruginous mineralizations according to flow conditions The mineralizations facies depend on their vertical distribution, according to the depth below the water table (fig. 11). At depth, solution and transport occur in reduced environment. Close to the water-table, and thanks to the mixing with oxygenated meteoric water, oxidation and precipitation are catalyzed by microbial activity, which is in turn are controlled by pH and/or eH conditions within the aqueous solution (ONAC, 2005). In the deep phreatic zone (here > 30-25 m), hypogenic flow occurs along tiny fissures, probably in an almost closed system. Corrosion widening of the fissures is limited, especially as the available space is partly filled with the thickening of ferruginous walls. In the intermediary zone (20-5 m), the mixing with the oxygenated meteoric water boosts the host rock solution and the enlarging of the fissures, together with oxidation reactions and precipitation of massive ferruginous mineralizations, mainly in cupolas and spots in elevated position. Close to the water table, and especially in the gaseous cupolas, oxidation at its maximum allows microbial development, which in turn catalyses ferruginous precipitation onto biofilms, making mucoliform formations and raft accumulations. The available space for such microbial development locates at the interface between the limestone ceiling and the top of the sand filling. 16

The source of ferruginous masses is still to be determined with the help of isotopic method. However, the primary source for iron oxides and hydroxides minerals in caves is generally pyrite (ONAC, 2005; HILL & FORTI, 1997).

Facies massive mammellonari e stratifor- mi (Fig. 8) Al fondo delle gallerie di NE, le cupole del soffitto sono riempite da depositi ferruginosi massivi che raggiungono fino a 50 cm di spessore. Gli accumuli consistono di depositi massivi o di strutture mammellonari. Le analisi EDAX hanno evidenziato la presenza di ossidi-idrossidi di ferro estremamente puri, probabilmente una associazione di goethite-ematite con una piccola porzione di impurezze argillose (Fig. 9, Tab. 2)

Facies spongiforme e mucoliforme su un support microbico (Fig. 9,10) Nella principale galleria orizzontale, la parte più alta probabilmente conteneva vuoti tra il soffitto e il riempimento di sabbia. Tali vuoti sono stati riempiti da depositi ferruginosi (Fig. 9). Il minerale presenta una facies porosa; con una tessitura spugnosa, poolfinger, forme mucolitiche (biofilm appesi al soffitto con aspetto mu- colitico), pendenti triangolari lungo le pareti aggettanti più alte, accumuli di soffici laminazioni (Fig. 10). Tali morfologie sono tipiche di precipitazione dei minerali ferrosi su un substrato microbico, i filamenti pendenti danno luogo ai poolfinger, mentre i veli di biofilm producono concrezioni differenti, che quando si rompono e sedimen- Fig. 11 - Diagrammatic distribution of the ferruginous mineralization facies according to depth: dyke in fractures at depth, massive deposits in Figure 11the – firstDiagrammatic voids, spongious distribution and mucoliform of massesthe ferruginous mineralization facies according to depth: dikein thein drainingfractures voids andat betweendepth, wallmassive and se- deposits in the first voids, spongious and diment. / Schema della distribuzione delle facies mucoliformdelle in mineralizzaionithe drain voids di ferro and in between funzione dellawall and sediment. profondità: dicchi nelle fratture profonde, depositi massivi nei primi vuoti, materiale spongiforme e B. Brecciamucolitico of the Bignei vuoti Column privi di acquaChamber tra le pareti e 1. Descriptionil sedimento of the site The Big Column Chamber hosts a breccia zone, orientated N20-40°, also locally present in all passages parallel to this direction. Numerous indicators of hypogenic flow are present along the walls Distributionand in the sediment of the ferruginous fill of the miner galleries.- These morpho-sedimentary indicators are alizations according to flow conditions closely connectedThe mineralization to the ferruginous facies depend biomineralizations on their . These last concentrate at the contact vertical distribution, according to the depth Fig. 12 – Ferruginous concentration between wall between the sand filling and the carbonated host rockandFigure sand and 1 2filling. in– Ferruginousthe The voids ore also thatconcentration concentrates were not betweenin filledthe wall with and sand filling. The ore also below the water table (Fig. 11). At depth, voids located along wall notches and in ceiling sediments solution(fig. 17 and). These transport empty occur voids in a reduceddisplay specialconcentrates morphologies: in the voids located ceiling along cupolas wall notches (fig. and 9 in), ceiling cupolas. Scale is 20 cm cupolas.long. (photo. Scale H. is Camus). 20 cm long (photo: H. Camus). / horizontalenvironment. notches, and vertical wall channels (fig.Concentrazione 12, 13). ferruginose tra le pareti e i riem- Close to the water table, and thanks to the pimenti sabbiosi. Il giacimento si concentra anche mixing with oxygenated meteoric water, nei vuoti posizionati lungo le mensole delle pareti oxidation and precipitation are catalyzed e nelle cupole del soffitto. La scala è di 20 cm (foto: by microbial activity, which is in turn is H. Camus).

Figure 13 – Wall channel fed at its bottom by a feeder, indicating a rising hypogenic flow. Height of the image is about 2 m (photo. H. Camus)

The different indicators are in morphological and sedimentological sequence. Their distribution is controlled by the hypogenic flow, first rising from the breccia zone then along wall channels till they open in cupolas where ferruginous biomineralizations are developing in a plume-like shape. The flow path of the hypogenic flow is indicated in the sand filling that

Figure 12 – Ferruginous concentration between wall and sand filling. The ore also concentrates in the voids located along wall notches and in ceiling cupolas. Scale is 20 cm long. (photo. H. Camus).

controlled by pH and/or eH conditions within the aqueous solution (Onac, 2005). In the deep phreatic zone (here > 25-30 m), hypogenic flow occurs along tiny fissures, probably in an almost closed system. Cor- rosion widening of the fissures is limited, especially as the available space is partly filled with the thickening of ferruginous walls. In the intermediate zone (20-5 m), the mixing with the oxygenated meteoric water boosts the host rock dissolution and the enlarging of the fissures, together with oxidation reactions and precipitation of massive ferruginous mineralizations, mainly in cupolas and spots in elevated position. Close to the water table, and especially in the gaseous cupolas, oxidation at its maximum allows microbial development, which seals the breccia inelements turn catalyses (figure ferruginous 14 precipitation), the wall channels, the notches, and the vertical structures that developonto biofilms,across theproducing laminated mucoliform sand for- filling (figure 15). mations and raft accumulations. The avail- Fig. 13 - Wall channel fed at its bottom by a fee- able space for such microbial development der, indicating a rising hypogenic flow. Height of Figurethe image 1 3is about– Wall 2 m channel (photo: H. fed Camus). at its / Canabottom- by a feeder, indicating a rising hypogenic flow. locates at the interface between the lime- le parietale alimentato dalla base che evidenzia la stone ceiling and the top of the sand filling. Heightrisalita diof unthe flusso image ipogenico. is about 2L’altezza m (photo. dell’im H.- Camus) The source of ferruginous masses is still magine è circa 2 metri (foto: H. Camus).

Thetano sidifferent accumulano indicators producendo are inuna morphological strut- and sedimentological sequence. Their distributiontura laminata is controlledsoffice. by the hypogenic flow, first rising from the breccia zone then along wall channels till they open in cupolas where ferruginous biomineralizations are developing in aDistribuzione plume-like shape. delle The mineralizzazioni flow path of the hypogenic flow is indicated in the sand filling that in funzione delle condizioni di flusso La facies della mineralizzazione dipende dalla sua distribuzione verticale, in funzio- 18 ne della sua profondità rispetto alla superficie piezometrica (Fig. 11). In profondità ladissoluzione e il trasporto avvengono in un ambiente riducente. Vicino alla superficie piezometrica, e grazie alla la miscela con acque meteoriche ossigenate, l’ossidazione e la precipitazione sono catalizzate dall’attività microbica, che in compenso è controllata dal pH e/o eH delle soluzioni acquose (Onac, 2005). Nella zona freatica profonda (qui > 30-35 m), si ha un flusso ipogenico lungo sottili fessure, probabilmente in un sistema praticamente chiuso. L’ampliamento per corrosione delle fessure è limitato, specialmente quando lo spazio disponibile è riempito dall’ispessimento delle pareti ferruginose. Fig. 14 - Hydraulic breccia with sandy cement. Nella zona intermedia (20-5 m) la miscela Scale is 20 cm (photo: H. Camus). / Breccia idraulica con cemento sabbioso. La scala è di 20 cm con le acque meteoriche ossigenate inne- Figure 14 – Hydraulic(foto: H. brecciaCamus). with sandy cement.sta Scale la corrosione is 20 dellacm roccia(photo. incassante H. Camus). e

Figure 15 – Vertical sedimentary structure corresponding to a channel cutting the sand- hardened stratified filling (photo. H. Camus).

2. Morpho-sedimentary analysis Between the Rudists Chamber and the Big Column, the East Gallery displays morpho- sedimentary evidences that allow rendering the directions of hypogenic flows (figure 16). The breccia located at the bottom of the gallery show an allochthonous sand cement reworked from the laminated sand that fills most of the cave. These breccia develop around the fault zone and correspond to the propagation of a jointing aureole, made by the hypogenic flow across the fissures. This flow gradually increases the transmissivity of the breccia and

seals the breccia elements (figure 14), the wall channels, the notches, and the vertical structures that develop across the laminated sand filling (figure 15).

Figure 14 – Hydraulic breccia with sandy cement. Scale is 20 cm (photo. H. Camus).

to be determined with the help of isotopic methods. However, the primary source for iron oxides and hydroxide minerals in caves is generally pyrite (Onac, 2005; Hill & Forti, 1997).

Breccia of the Big Column Chamber Description of the site The Big Column Chamber hosts a breccia zone, orientated N20-40°, also locally present in all passages parallel to this direction. Numerous indicators of hypogenic flow are present along the walls and in the sediment fill of the galleries. These morpho-sedimen- Fig. 15 – Vertical sedimentary structure corre- tary indicators are closely connected to the sponding to a channel cutting the sand-hardened Figure 15 – Vertical sedimentary structure corresponding to a channel cutting the sand- ferruginous biomineralizations. stratified filling (photo: H. Camus). Struttura/ se- hardeneddimentaria stratified verticale filling che (photo. corrisponde H. Camus). ad un canale These last concentrate at the contact be- eventuallytween the their sand plugging. filling Suchand brecciathe carbonate are definedscavato as nel hydraulic riempimento breccia stratificato of karstic di sabbia origin ce- mentata (foto: H. Camus). (hostfigure rock 14). andThe inallochthonous the voids thatcement were shows not they are related to the organization of the karstic flow. 2. Morpho-sedimentary analysis filled with sediments (Fig. 17). These emp- Betweenil conseguente the Rudists allargamento Chamber and dellethe Big fessure, Column, the East Gallery displays morpho- ty voids display special morphologies: ceil- sedimentaryassieme alle evidences reazioni that allowdi ossidazione rendering the e directionspre- of hypogenic flows (figure 16). The ing cupolas (Fig. 9), horizontal notches, brecciacipitazione located di at mineralizzazionithe bottom of the gallery ferruginose show an allochthonous sand cement reworked from the laminated sand that fills most of the cave. These breccia develop around the fault zone and correspond to the propagation of a jointing aureole, made by the hypogenic flow across the fissures. This flow gradually increases the transmissivity of the breccia and

Fig. 16 - Relationships between morpho-sedimentary indicators in the East Gallery and reconstruction of the karstic flow inside the breccias and the sandy filling. The upflow rose across the brecciated zone, Figurewhich also 16 originated– Relationships from this between flow; it morphoeventually-sedimentary diffused across indicators the sandy in fillingthe East with Gallery simultaneous and reconstructionferruginous deposition of the inkarstic the residual flow inside voids betweenthe breccias wall and and filling the sandy (photo: filling. H. Camus). The upflow/ Rapporti rose tra acrossgli indicatori the brecciated morfo-sedimentari zone, which nella also Galleria originated Est e la from ricostruzione this flow; del it flusso eventually carsico diffused all’interno across delle brecce e il riempimento sabbioso. La risalita avvenne attorno alla zone brecciate, che si erano sviluppate thea seguito sandy di filling questo with flusso; simultaneous infine il movimento ferruginous si sviluppò deposition anche inall’interno the residual dei riempimenti voids between sabbiosi wall con andla concomitante filling (photos. deposizione H. Camus) di ferro. nei vuoti residuali tra la parete e i riempimenti (foto: H. Camus).

Above the hydraulic breccia zone the reworked sand plugs a vertical channel-like structure61 inside the sand filling itself (figure 15). This filling fills the horizontal notches, which indicates the proximity of the base level during the gallery development. Above this filling, corrosion features are developing such as ceiling channels and cupolas. According to these features and to the sand filling originating from the molasses, a paragenetic process of passage development is likely. Additionally, on top of the laminated sand sequence the reworked sand, which plug the hydraulic breccia and the vertical channel, and then shifts to ferruginous crusts and eventually to plumes of ferruginous biomineralizations filling the cupolas. A gaseous phase in isolated cupolas connected to the plume mineralizations is possible.

Fig. 17 - Distribution of hypogenic flow and ferruginous ore in the cave. Flow lifts up along breccia zonesFigure and 1 7fractures – Distribution and eventually of hypogenic concentrates flow in and the ferruginousdrain toward theore outflowin the cave.at the Flowentrance. lift s/Dis up- tribuzionealong breccia del flusso zones ipogenico and fractures e dei depositi and ferrosi eventually nella grotta.concentrates Il flusso risalein the lungo drain le zonatoward di breccia the eoutflow le fratture at thee infine entrance. si concentra nei dreni diretti verso la risorgenza all’entrata della grotta stessa. andIV. Discussionvertical wall channels (Fig. 12, 13). massive, essenzialmente nelle cupole o in TheA. Interpr differentetation indicators at the scaleare in of morphologi the Piei Mine- -posizioniCave comunque levate. Nei pressi della calThe and transgressions sedimentological of Miocene sequence. or Pliocene had confinedsuperficie a karst piezometrica, aquifer, previously e soprattutto karstified nelle Theirduring distribution the Miocene is pre controlled-transgressive by the low hy -levels.cupole Along con the presenza confining di faseedge gassosa, of the locallyl’ossi- pogeniccaptive aquifer flow, , mineralizedfirst rising hypogenic from theflows breccia wasdazione rising raggiungealong the faults il suo of massimo the small e permet Lagnes- zonerift (figure then 19), along and wallconsequently channels develop till theyed the Pieite lo Mine sviluppo-Cave. microbico, che a sua volta ca- openThe Piei in cupolas Cave level where corresponds ferruginous to the biomin altitude- oftalizza the pliocene la precipitazione shoreline, identified del ferro inat 100biofilm,-120 eralizationsm altitude (G areilli developing& Audra, 20 in04 a) .plume-like The notches andsviluppando the paragenetic così formazioni ceiling developing mucolitiche at the e shape.altitude The of 135 flow m matchpath of with the thishypogenic Pliocene flow period accumuli (figure 19)di .materiale In the neighborhood, flottante. aLo similar spazio disponibile per tale sviluppo microbico si isnotch indicated is present in in the the sand Espérelles filling Mine that-Cave seals at 155 m altitude; the elevation difference could the breccia elements (Fig. 14), the wall posiziona all’interfaccia tra il soffitto cal- channels,be explained the by notches,a relative motionand the of thevertical eastern compartmentcareo la sommità of the dei Lagnes riempimenti rift. In Piei sabbiosi. Mine- structuresCave, the thatferruginous develop deposit acrosss the concentr laminatated- atLa this fonte elevation per le massein turn ferrose indicate è ancoraa shallow da edphreatic sand fillingcontext, (Fig. close 15). to the water table, wheredeterminare rising hypogeniccon l’aiuto flowsdi metodi and isotopici.meteoric infiltrating water could mix (Audra & Hofmann, 2004Tuttavia) (figure la fonte 18). primaria per gli ossidi e Morpho-sedimentary analysis gli idrossidi di ferro in grotta è general- Between the Rudists Chamber and the mente la pirite (Onac, 2005; Hill & Forti, Big Column, the East Gallery displays 1997). morpho-sedimentary evidences that allow rendering the directions of hypogenic flows La breccia della Sala della Grande Co- (Fig. 16). lonna The breccias located at the bottom of the Descrizione del sito gallery shows an allochthonous sand ce- La sala della Grande Colonna ospita una ment reworked from the laminated sand zona di breccia, orientata N20-40°, che è that fills most of the cave. presente anche in tutti i passaggi orientati These breccia develop around the fault in questa direzione. Molti indicatori di flus- zone and correspond to the propagation of so ipogenico sono presenti lungo le pareti e a jointing aureole, made by the hypogenic nei riempimenti sedimentari delle gallerie. flow across the fissures. Questi indicatori morfo-sedimentari sono This flow gradually increases the trans- direttamente connessi alla biomineralizza- missivity of the breccia and eventually zione ferruginosa. Queste ultime si concen- their plugging. trano al contatto tra i riempimenti sabbiosi Such breccia are defined as hydraulic brec- e la roccia incassante carbonatica e nei vuo- cia of karstic origin (Fig. 14). The alloch- ti che non sono stati riempiti di sedimenti thonous cement shows they are related to (Fig. 17). Questi vuoti mostrano morfologie the organization of the karstic flow. particolari quali cupole (Fig. 9), mensole Above the hydraulic breccia zone the re- orizzontali a canali parietali subverticali worked sand plugs a vertical channel-like (Fig. 12-13). I differenti indicatori sono in structure inside the sand filling itself (Fig. sequenza morfologica e sedimentologica.

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15). This filling fills the horizontal notch- La loro distribuzione è controllata dal flus- Figure 17 – Distribution of hypogenic flow and ferruginous ore in the cave. Flow lifts up es, which indicates the proximity of the so ipogenico, che prima risale dalla zona along breccia zones and fractures and eventually concentrates in the drain toward the base level during the gallery development. di breccia quindi lungo i canali parietali outflow at the entrance. Above this filling, corrosion features are fino a che questi non si aprono a formare

le cupole dove le biomineralizzazioni ferru- IV. Discussiondeveloping such as ceiling channels and cupolas. ginose si sviluppano in forma di plume. Il A. Interpretation at the scale of the Piei Mine-Cave The transgressionsAccording of Miocene to these or Pliocenefeatures had and confined to the sanda karst aquiferpassaggio, previously del flusso karstified ipogenico è indicato nei riempimenti che sigillano gli elementi della during the Miocenefilling originatingpre-transgressive from lowthe levels.molasses, Along a parthe- confining edge of the locally captive aquiferagenetic, mineralized process hypogenic of passage flows wasdevelopment rising along thebreccia faults of (Fig. the small 14), iLagnes canali parietali, le mensole e le strutture verticali che si sviluppano rift (figure 19),is and likely. consequently Additionally, develop oned topthe Piei of theMine lam-Cave.- The Piei Caveinated level corresponds sand sequence to the altitude the reworked of the pliocene sand, shorelineattraverso, identified i riempimenti at 100-120 sabbiosi laminati which plugs the hydraulic breccia and the (Fig. 15). m altitude (Gilli & Audra, 2004). The notches and the paragenetic ceiling developing at the altitude of 135vertical m match channel, with this shifts Pliocene upwards period ( figureto ferru 19)-. In the neighborhood, a similar notch is presentginous in the crusts Espérelles and Mineeventually-Cave at to155 plumes m altitude of ; theAnalisi elevation morfo-sedimentarie difference could be explainedferruginous by a relative motion biomineralizations of the eastern compartment filling the of theTra Lagnes la Sala rift. delleIn Piei rudiste Mine- e la Grande Colon- Cave, the ferruginouscupolas. deposits concentrated at this elevation inna, turn la Galleriaindicate aEst shallow mostra evidenze morfo- phreatic context,A gaseous close to phase the water in isolated table, where cupolas rising con hypogenic- logiche flows che permettonoand meteoric di risalire alle dire- nected to the plume mineralizations is pos- zioni di flusso dei fluidi ipogenici (Fig. 16). infiltrating water could mix (Audra & Hofmann, 2004) (figure 18). sible. La breccia che si trova al fondo della galleria mostra un cemento sabbioso alloctono rimaneggiato dalla sabbia stratificata che riempie gran parte della grotta. Que- sta breccia si sviluppa attorno alla zona di faglia e corrisponde alla propagazione dell’aureola, creata dal flusso ipogenico lungo le fessure. Questo flusso gradualmente aumenta la trasmissività della breccia e alla fine la sua occlusione. Tali brecce sono definite brecce idrauliche di origine carsica (Fig. 14). Il cemento alloctono mette in evidenza che esse sono direttamente correlate al flusso carsico. Sopra la zona di brecce idrauliche la sabbia rimobilizzata ha creato una struttura simile ad un canale dentro il riempimento sabbioso stesso (Fig. 15). Questo deposito riempie le mensole orizzontali, che indicano la prossimità della superficie piezometrica durante lo sviluppo della galleria. Sopra questo riempimento si stanno sviluppando canali di volta e cupole. Sulla base di queste ultime21 forme e del fatto che i riempimenti sabbiosi derivano dalle Fig. 18 - Hypogenic speleogenesis. Hypogenic flow molasse, è molto probabile che questi ultimi rises along a fracture. The mixing with meteoric passaggi siano paragenetici. Inoltre, sulla water boosts dissolution and passage widening, sommità della sequenza sabbiosa stratifi- especially in a gallery close to the water table. cata la sabbia rimobilizzata, che riempie Ferruginous mineralizations concentrate in this la breccia idraulica e il canale verticale, si active mixing zone. / Speleogenesi ipogenica. Il trasforma poi in croste ferruginose e infine flusso ipogenico risale lungo una frattura. La mi- in plume di biomineralizzazioni ferrose che scela con l’acqua meteorica favorisce la dissolu- riempiono le cupole. Pertanto è possibile zione e il conseguente allargamento dei condotti, soprattutto in una galleria vicina alla superficie che sia esistita una fase aerata all’interno piezometrica. I depositi ferrosi si concentrano in delle cupole isolate in cui le plume si sono questa zona di miscela. sviluppate.

Figure 18 – Hypogenic speleogenesis. Hypogenic flow lifts up along a fracture. The mixing with meteoric water boosts dissolution and passage widening, especially in a gallery close to the water table. Ferruginous mineralizations concentrate in this active mixing zone.

However, all neighboring caves with ferruginous mineralization are located at a higher elevation, up to 450 m asl. (table 1, figure 1). And beyond, at the far reaches of the Vaucluse Plateau, their elevation reaches 700 m asl., up to 1350 m asl. for the most distant (baume de l’Or). Such elevations far above the pliocene base level obviously indicate older hypogenic processes. Otherwise, the burdigalian sand filling present in Piei and Chat Mine-Caves suggests either that both caves were already present when the Burdigalian transgression occurred, or that the sand had been subsequently reworked and injected in the cave during a continental erosion phase of the covers. Indeed, the eustatic oscillations, associated to large uplifts during the Miocene evidenced by entrenched then fossilized valleys (7 oscillations identified from Burdigalian to Tortonian, Besson, 2005), could also explain the development of Piei Mine-Cave level, together with the confinement of a captive aquifer able to maintain mineralized hypogenic flows.

Pending more precise chronological data, we can postulate that The Piei Mine-Cave could have develop at the beginning of the Miocene, then have been filled with sand during the Burdigalian transgression. The hypogenic activity could have been contemporaneous with the confinement linked to one or several miocene transgressions. The paragenetic features correlated to the Pliocene base level would show that the cave had been still active at this time, either with ongoing hypogenic flows or with only meteoric flows.

FigureFig. 19 - 20Distribution – Distribution of rising hypogenicof rising flows hypogenic according flowsto structural according and paleogeographic to structural setting. and Hypogenic flows (blue arrows) rise along the boundaries of a small Lagnes rift and mix with meteoric paleogeographicwater close to the watersetting. table, Hypogenic producing flowsphysical (blue and chemicalarrows) changeslift up allowingalong the the boundariesdeposition of theof a smallferruginous Lagnes ore. rift / Distribuzioneand mix with dei meteoric flussi ipogenici water inclose risalita to thein funzione water table,alle condizioni producing strutturali physical e andpaleogeografiche. chemical changes I flussi allowing ipogenici the (frecce deposition blu) risalgono of the ferruginouslungo i confini ore. di un piccolo rift di Lagnes e si . miscelano con le acque meteoriche vicino alla superficie piezometrica, inducendo così variazioni chimico-fisiche che comportano la deposizione del giacimento di ferro. 22

Discussion Discussione Interpretation at the scale of the Piei Interpretazione alla scala della Grot- mine cave ta-Miniera di Piei The transgressions of Miocene or Pliocene Le trasgressioni del Miocene e del Pliocene confined a karst aquifer, previously karst- hanno confinato un acquifero carsico, che, ified during the Miocene pre-transgressive durante il Miocene era stato precedente- low levels. Along the confining edge of the mente carsificato nel periodi di basso livel- locally captive aquifer, mineralized hypo- lo di base. Fluidi ipogenici mineralizzati genic flows were rising along the faults of risalendo lungo le faglie del piccolo rift di the small Lagnes rift (Fig. 19), and conse- Lagnes (Fig. 19) al bordo dell’acquifero lo- quently developed the Piei mine cave. calmente confinato hanno dato luogo alla The Piei Cave level corresponds to the alti- Grotta-miniera di Piei. Il livello della Grot- tude of the Pliocene shoreline, identified at ta miniera di Piei corrisponde all’altezza 100-120 m altitude (Gilli & Audra, 2004). della linea di riva Pliocenica, identificata a The notches and the paragenetic ceiling 100-120 m di altezza (Gilli & Audra, 2004). developing at the altitude of 135 m match Le mensole e le gallerie paragenetiche che with this Pliocene period (Fig. 19). si sviluppano a 135 m sono in accordo con In the neighborhood, a similar notch is questo periodo Pliocenico (Fig. 19). Nelle vi- present in the Espérelles Mine-Cave at 155 cinanze, una mensola simile è presente nel- m altitude; the elevation difference could la Grotta-miniera di Espérelles a 155 m di be explained by a relative motion of the altezza; questa differenza di quota potrebbe eastern compartment of the Lagnes rift. essere spiegata da un movimento relativo In the Piei mine cave, the ferruginous de- del compartimento a Est del rift di Lagnes. posits concentrated at this elevation in D’altra parte, nella Grotta-miniera di Piei turn indicate a shallow phreatic context, i depositi ferruginosi che concentrano a close to the water table, where rising hypo- questo livello indicano un contesto epifrea-

64 genic flows and meteoric infiltrating water tico, vicino al superficie piezometrica, dove could mix (Audra & Hofmann, 2004) (Fig. la risalita di flussi ipogenici e le acque di 18). infiltrazione meteorica potevano mescolarsi However, all neighboring caves with fer- (Audra & Hofmann, 2004) (Fig. 18). Tutta- ruginous mineralization are located at a via tutte le grotte con depositi ferrosi nelle higher elevation, up to 450 m asl. (Tab. 1, vicinanze si trovano a quote superiori, fino Fig. 1). a 450 m slm. (Tab. 1, Fig. 1) e più lontano, And beyond, at the far reaches of the Vau- quasi al bordo dell’altopiano di Vaucluse, cluse Plateau, their elevation reaches 700 la loro quota è attorno ai 700 m, raggiun- m asl., up to 1350 m asl. for the most dis- gendo i 1350 per quella più lontana (Bau- tant one (Baume de l’Or). me de l’Or). Ovviamente queste quote, ben Such elevations far above the Pliocene al di sopra del livello di base Pliocenico, in- base level obviously indicate older hypo- dicano l’esistenza di un processo ipogenico genic processes. Otherwise, the Burdiga- più vecchio. D’altro canto, il riempimento lian sand filling present in Piei and Chat sabbioso Burdigaliano delle grotte-miniera mine caves suggests either that both caves di Piei e di Chat suggerisce che ambedue were already present when the Burdiga- queste cavità dovessero già esistere quan- lian transgression occurred, or that the do si ebbe la trasgressione Burdigaliana sand has been subsequently reworked and o che la sabbia sia stata successivamente injected in the cave during a continental rielaborata e iniettata in queste grotte du- erosional phase of the covers. rante un periodo di erosione continentale Indeed, the eustatic oscillations, associat- delle coperture. Certo anche le oscillazioni ed to large uplifts during the Miocene and eustatiche, associate a grandi sollevamenti evidenced by entrenched then fossilized avvenuti durante il Miocene e testimoniati valleys (7 oscillations identified from Bur- da valli fossili sottoescavate (7 oscillazioni digalian to Tortonian, Besson, 2005), could sono state identificate dal Burdigaliano al also explain the development of the Piei Tortoniano, Besson, 2005) possono spiegare mine cave level, together with the confine- non solo lo sviluppo del livello della grotta- ment of a captive aquifer able to maintain miniera di Piei ma anche il confinamento mineralized hypogenic flows. di un acquifero capace di mantenere attivi Pending more precise chronological data, flussi ipogenici mineralizzati. In attesa di we can postulate that the Piei mine cave disporre di più precisi riferimenti cronolo- could have developed at the beginning of gici, noi possiamo supporre che la grotta- the Miocene, and later filled with sand miniera di Piei si possa essere sviluppata during the Burdigalian transgression. all’inizio del Miocene e poi sia stata riempi- The hypogenic activity could have been ta di sabbia durante la trasgressione Bur- contemporaneous with the confinement digaliana. L’attività ipogenica potrebbe linked to one or several Miocene transgres- essere stata contemporanea con il confina- sions. mento legato a una o più trasgressioni Mio- The paragenetic features correlated to the ceniche. Le forme paragenetiche correlate Pliocene base level would show that the al livello di base Pliocenico sembrerebbero cave was still active at this time, either indicare che la grotta era ancora attiva in with ongoing hypogenic flows or with only questo periodo, con flussi ipogenici attivi o meteoric flows. solamente con flussi di acqua meteorica

Interpretation of the hypogenic activity Interpretazione dell’attività ipoge- related to the paleogeography of the nica in relazione alla paleogeografia Vaucluse Plateau dell’altopiano di Vaucluse The hypogenic caves with ferruginous Le grotte ipogeniche con mineralizzazioni mineralization of the Vaucluse Plateau are di ferro dell’altopiano di Vaucluse si trova- located in peripheric areas, along major no nella sua periferia, lungo le faglie mag- faults, and at elevations increasing with giori, e a quote via via maggiori a partire distance with the SW corner, the lowest spot dell’angolo di SO, che corrisponde al punto of the massif where the present drainage più basso del massiccio dove converge at- converges. Since they are connected to tualmente il drenaggio attuale. Poiché le

Fig.Figure 20 - Conceptual 20 – Conceptual model of model hypogenic of hypogenic caves containing caves harboring ferruginous ferruginous ores, according ores, to according the uplifting to andthe tilting uplifting of the and Vaucluse tilting blockof the since Vaucluse the Miocene. block since The hypogenic the Miocene. caves The locate hypogenic at the topographic caves locate in- tersectionat the topographic between the intersectionkarst aquifer between and its cover. the karst The cavesaquifer record rand the its successive cover. The positions caves record of the base the levelsuccessive and the boundariespositions of of thecover base outcrops level duringand the their boundaries retreat. Since of covers the Miocene, outcrops the duringcave location their tends to lower and to shift toward the SW at the lowest point of the plateau. / Modello concettuale delle grotteretreat. ipogeniche Since theche Miocene,ospitano depositi the cave ferrosi location sulla tends base delto lowerssollevamento and to e shiftsinclinazione toward del the blocco SW atdi Vaucluselowest apoint partire of thedal plateauMiocene.. Le grotte ipogeniche si trovano nell’ intersezione topografica tra il bordo dell’acquifero carsico e la sua copertura. Le grotte hanno registrato le successive posizioni del livello di base ai confini tra le coperture durante il loro arretramento. Dal Miocene le grotte tendono ad abbassarsi di quota e a spostarsi verso SO dove si trova il punto più basso dell’altopiano. 24

66 the base level position, one can infer the cavità sono collegate al livello di base locale following deductions: si possono fare le seguenti deduzioni: - 1/ according to the topographic - 1/ dato che il gradiente topografico gradient lowering toward SW, remote degrada verso SO, le cavità che si trova- caves to the N or to the E locate at higher no alla periferia N o E devono trovarsi ad elevations than their contemporaneous un’altezza maggiore delle cavità coeve posi- equivalent located closer to the SW corner. zionate più vicino all’angolo di SO. Poiché Since the merging in a unique catchment, la confluenza in un unico sistema, quello depending on the Fontaine de Vaucluse, della Fontana di Vaucluse, avvenne pro- probably occurred only in the Messinian, babilmente solo nel Messiniano, è difficile it is difficult to establish chronological stabilire rapporti cronologici tra due grotte relationships between two distant caves, distanti tra loro, che quindi possono indif- which could be contemporaneous or of ferentemente avere la stessa età o no e che different age and which could have evolved possono essere evolute in una condizione di in different settings regarding their alimentazione, di risorgenza e del loro li- catchment, their outflow, and their base vello di base relativo. level position, respectively. - 2/ Tuttavia in una data area più - 2/ However, in a given area, the alta è la quota più antica dovrebbe essere higher the elevation is, the older the la grotta. Questo postulato, basato su un caves should be. Such a rule, based on trend continuo di sollevamento, deve essere the continuous uplifting trend, must valutato con molta cautela, anche in fun- however be carefully considered, because zione delle differenti quote raggiunte dalle of the various elevations reached by the successive trasgressioni Mioceniche, che ov- successive Miocene transgressions, which viamente hanno causato innalzamenti del have provoked base level rises. livello di base. - 3/ Their activity in the vicinity of - 3/ La loro evoluzione in prossimità the base level focuses their location close del livello di base mette in evidenza la loro to the topographic boundary between the localizzazione vicino ai confini topografici aquifer and its confinement, or at least tra l’acquifero e le formazioni che ne causa- under a shallow cover, which could have no il confinamento, dato che solo una sottile been crossed by hypogenic flows along some copertura di queste formazioni impermea- faults (Audra et alii., 2010). Consequently, bili potrebbe essere stata attraversata dei such hypogenic caves not only record the flussi ipogenici lungo alcune faglie (Audra base level positions contemporaneous et alii, 2010). Conseguentemente queste to their activity but also the limit of the grotte ipogeniche non solo hanno registrato contemporaneous outcrop of confining il livello di base al tempo del loro svilup- covers. po, ma anche il limite di affioramento delle Since the tectonic trend of the Vaucluse coperture impermeabili. Poichè il trend tet- Plateau is characterized by uplifting and tonico dell’altopiano di Vaucluse è caratte- tilting that accommodate the N-S then the rizzato da un sollevamento e una rotazione E-W shortening from Miocene onwards che spiega gli accorciamenti N-S e quindi, (Champion et alii, 2000; Le Pichon et alii, dal Miocene in avanti, E-O (Champion et 2010), one can infer that the uplifting alii, 2000; Le Pichon et alii, 2010), si può first concerned the Ventoux-Lure crest dedurre che il sollevamento ha interessato and then propagated to the south, with a prima la cresta Ventoux-Lure e quindi si è corresponding gradual withdrawal of the propagato verso Sud, con un corrisponden- covers (Fig. 20). te graduale arretramento delle coperture Each stage corresponding to a stop in (Fig. 20). Ogni stadio corrispondente a uno uplifting and its correlated base level stop nel sollevamento e conseguentemente stabilization and cover withdrawal, is la stabilizzazione del livello di base sono recorded by the presence of hypogenic puntualmente registrati dalla presenza di caves with ferruginous mineralizations. grotte ipogeniche con mineralizzazioni fer- However, the chronology of these successive rose. Tuttavia la cronologia di queste fasi phases still remains uncertain. successive è ancora incerta.

67 Conclusion Conclusioni The Piei mine cave owes its origin to hy- La grotta-miniera di Piei deve la sua genesi pogenic rising flows, focused along the Sa- a flussi ipogenici in risalita, essenzialmente lon-Cavaillon fault, at the boundary of the lungo la faglia Salon-Cavaillon, al confine upper confinement of the Urgonian aquifer. superiore del confinamento dell’acquifero Deep reduced water transporting iron rose Urgoniano. Acque riducenti profonde con- up along faults and karstified hydraulic tenenti ferro risalgono lungo le faglie e le breccia. brecce idrauliche carsificate. Poco al di sot- At shallow depth below the water table, to del livello piezometrico la miscela delle the mixing of hypogenic flow with meteoric acque ipogeniche con quelle di infiltrazione water caused the cave to develop and the meteorica ha causato sia un allargamento ferruginous sediments to deposit. della cavità sia la deposizione di sedimenti The role of microbial activity is evidenced ferruginosi. Il ruolo dell’azione microbica in the upper oxygenated zone with ferrugi- è evidente nella parte superiore ossigenata nous facies, such as poolfingers and mucol- con facies ferrose quali i poolfinger e le con- iform concretions. crezioni mucolitici. La cronologia dell’atti- The timing of Neogene hypogenic activity vità ipogenica nel Neogene necessita ancora requires some refining, but could roughly di essere meglio definita tra il Miocene e il be placed between Miocene and/or Plio- Pliocene. Più in generale, utilizzando anche cene. More generally, using other sites in altri siti periferici dell’altopiano di Vauclu- the periphery of the Vaucluse Plateau, one se, si può ricavare che la loro localizzazio- can infer that their location depends on hy- ne dipende dai flussi di risalita delle acque pogenic rising flows, which are systemat- ipogeniche, che si osservano sempre all’in- ically focused at the intersection between tersezione delle principali faglie e i limiti major faults and the aquifer’s upper con- superiori del confinamento dell’acquifero. finement limits. Such occurrence is also a Questo permette di fornire una guida per guide for investigation of hypogenic caves la ricerca di grotte ipogeniche sul terreno. in the field. L’identificazione delle grotte ipogeniche, The identification of such hypogenic caves, che corrispondono a livelli di base locali e a which record base level positions and aqui- limiti di confinamento sempre contempora- fer confinement limits, both contemporanei al loro sviluppo, è fondamentale sia per neous to their activity, is essential, on one la caratterizzazione delle ricostruzioni pa- hand for the characterization of paleogeo- leogeografiche sia per la definizione quanti- graphic reconstructions, and on the other tativa della velocità di sollevamento. hand for the quantification of the uplifting Il modo di datare queste grotte ipogeniche stages. è ancora allo studio. Inoltre, una analisi The way of dating these hypogenic caves dettagliata delle mineralizzazioni e delle is still under investigation. Moreover, a de- facies microbiche potrebbe permettere una tailed study of the mineralizations and of migliore caratterizzazione dell’ambiente the microbial facies would allow a better chimico-fisico, delle condizioni in cui la characterization of the physical and chem- speleogenesi si è sviluppata e del ruolo che ical environment, of the speleogenetic con- le associazione microbiche (semplicemen- ditions, and of the role of microbial com- te opportuniste o catalizzatori dei processi munities – simple opportunistic hosts or speleo genetici?). Infine la grotta-miniera catalysts of the speleogenetical processes? di Piei rappresenta anche un importante Finally, the Piei mine cave also represents esempio di patrimonio minerario del perio- a strong element of the proto-industrial do proto-industriale, integrato nella storia mining patrimony, integrated to the his- dell’industria regionale di trasformazione torical regional metal-working industry. dei metalli. Questa attività mineraria ha This mining activity often used places in utilizzato spesso aree di grotte carsiche, di karst caves, the Piei mine cave being the cui la grotta-miniera di Piei è la più im- most significant, by the extension of pas- portante, per la dimensione delle gallerie sages revealed by extraction, by the char- svuotate dallo scavo minerario, per le ca- acteristics of the still present mineraliza- ratteristiche delle mineralizzazioni ancora tions, and by the remnants of nicely visible presenti e per le tracce ancora ben visibili

68 crafty techniques. delle tecniche estrattive utilizzate.

Acknowledgements Ringraziamenti L. Bruxelles for the Vaucluse DEM; A. Si ringrazia L. Bruxelles per il DEM di Couturaud for having highlighted this as- Vaucluse; A. Couturaud per avere notato tonishing cave, for the common field work, questa straordinaria grotta, per il lavoro and for thorough remarks; J.-L. Guendon comune sul terreno, e per le utili discussio- for the detailed review of the text. ni; J.-L. Guendon per la revisione del testo.

References / Citazioni bibliografiche

Audra P. & Bigot J.-Y., (2013), Rare sulfate minerals Geodinamica Acta 13, pp. 67-85. (fibroferrite) and hypogene sulfuric speleogenesis in Couturaud A., (1992), Les cavités du Comtat venaissin Baume Galinière Cave (Alpes-de-Haute-Provence, (Vaucluse). Spelunca 45, pp. 25-32. France). 8th IAG - International Conference on Geo- Couturaud A., (1993), Hydrogéologie de la partie occi- morphology, Paris 2013 [Accepted] dentale du système karstique de Vaucluse (karstifica- Audra P. & Hofmann B. A., (2004), Les cavités hypo- tion et aquifère sous couverture). Thèse, Université gènes associées aux dépôts de sulfures métalliques d’Avignon, 161 p. (MVT). Le Grotte d’Italia 5, pp. 35-56. De Waele J. & Naseddu A., (a cura di) (2005), Le grotte Audra P., Mocochain L., Camus H., Gilli E., Clauzon di Miniera. Tra economica mineraria ed economica G. & Bigot J.-Y., (2004), The effect of the Messinian turistica. Memorie dell’Istituto Italiano di Speleolo- Deep Stage on karst development around the French gia, 2(17) (Convegno « Le grotte de miniera », Monte- Mediterranean. Geodinamica Acta 17 (6), pp. 27-38. poni 2004), 200 p. Audra P., Bigot J.-Y. & Nobécourt J.-C., (2010), Hy- Dźunlyński S. & Sass-Gutkiewicz M., (1989), Pb-Zn ores. pogenic caves in France. Speleogenesis and mor- In: Bosák P., Ford D.C., Glazek J. & Horácek J. (Ed.), phology of the cave systems. Bulletin de la Société Paleokarst: a systematic and regional review, Elsevi- géologique de France 181 (4), pp. 327-335. er, Amsterdam & New York, pp. 377-397. Besson D., (2005), Architecture du bassin rhodano-pro- Filippov A.G., (2004), Mineral deposits in karst. In: vençal miocène (Alpes, SE France). Relations entre Gunn J. (Ed.), Encyclopedia of Caves and Karst Sci- déformation, physiographie et sédimentation dans ence, Fitzroy Dearborn, London, pp. 514-515. un bassin molassique d’avant-pays. Thèse, École des Ford D.C., (2006), Karst geomorphology, caves and Mines, Paris, 357 p. cave deposits: A review of North American contribu- Besson D., Parize O., Rubino J.-L., Aguilar J.-P., Aubry tions during the past half century. In: Harmon R.S. & M.-P., Beaudoin B., Berggren W. A., Clauzon G., cru- Wicks C.W., (Eds.), Perspectives on karst geomorphol- meyrolle P., Dexcoté Y., Fiet N., Iaccarino J., Jimé- ogy, hydrology and geochemistry. GSA Spec. Paper nez-Moreno G., Laporte galaa C., Michaux J., von Sa- 404, Boulder, Colorado, pp. 1-14. lis K., Suc J.-P., Reynaud J.-Y. & Wernli R., (2005a), Forti P., (2005), L’importanza scientifica delle « grotte Un réseau fluviatile d’âge Burdigalien terminal dans di miniera ». Memorie dell’Istituto Italiano di Spele- le Sud-Est de la France: remplissage, extension, âge, ologia 2(17) (Convegno « Le grotte de miniera », Mon- implications. C. R. Geoscience 337, pp. 1045-1054. teposi 2004), pp. 15-22. Besson D., Borgovini R., Conesa G., Cornée J.-J., Demo- Gauchon C., (1991), Mise en valeur et exploitation tra- ry F., Dexcoté Y., Duvail C., Galloni F., Le Strat P., ditionnelles des ressources du karst souterrain dans le Münch P., Oudet J., Parize O., reynaud J.-Y. & Rubino Sud-Est de la France. Karstologia 17, pp. 11-18. J.-L., (2005b), Les systèmes oligo-miocènes carbonatés Gauchon C., (1997), Des cavernes et des hommes. Kars- et clastiques de Basse-Provence. Des témoins de l’évo- tologia Mémoires 7, 248 p. lution géodynamiques de la marge provençale et du Gilli É. & Audra P., (2004), Les lithophages pliocènes bassin d’avant-pays alpin. Livret-guide d’excursion de la fontaine de Vaucluse (Vaucluse, France). Un commune ASF – GDR « Marges Golfe du Lion ». argument pour une phase messinienne dans la ge- Blavoux B., (2010), Le karst de la fontaine de Vau- nèse du plus grand karst noyé de France. C. R. Geos- cluse. In: Audra Ph. (Ed.), Grottes et karsts de France. ciences 336 (16), pp. 1481-1489. Association Française de Karstologie, Karstologia Gaubert G. & Lefalher B., (1995), Les arcanes de Vau- Mémoires 19, pp. 232-233. cluse, Hydrologie et spéléologie des territoires alimen- Bottrell S., (2004), Sulfide minerals in karst. In: Gunn tant en eau la fontaine de Vaucluse, AREHPA 2, 338 J. (Ed.), Encyclopedia of Caves and Karst Science, p. Fitzroy Dearborn, London, pp. 713-714. Gras S. (1862), Description géologique du département Buffard R., (1993), Les gisements de fer de la région de de Vaucluse. Paris, Savy, 438 p. Kisanga (Shaba méridional, Zaïre), colmatages d›un Guignard P., Bellier O. & Chardon D., (2005), Geom- paléokarst du Protérozoïque supérieur. Karstologia etry and post-Oligocene kinematics of the Aix and 21, pp. 51-55. Moyenne Durance faults (Provence, France). Comptes Champion C., Choukroune P. & Clauzon G., (2000), La Rendus Geoscience, 337 (3), pp. 375-384. déformation post-Miocène en Provence occidentale. Guigue J. & Girard J., (1949), La Fontaine de Vaucluse.

69 Avignon, Rullière frères, 157 p. et de métallurgie du fer en PACA. Document final de Hill C., (2000), Overview of the geologic history of cave synthèse, Projet collectif de recherches. Vaucluse ; Sé- development in the Guadalupe Mountains, New Mex- rie Histoire des techniques, Service Régional de l’Ar- ico. Journal of Cave and Karst Studies 62 (2), pp. 60- chéologie - PNR Lubéron – ERMINA, 140 p. 71. Onac B. P., (2005), Minerals. In: Culver D & White W.B. Hill C. & Forti P., (1997), Cave minerals of the world, (Ed.), Encyclopedia of Caves, Academic Press, New National Speleological Society, Huntsville, 464 p. York, pp. 371-378. Le Pichon X., Rangin C., Hamon Y., Loget N., Ying Lin Parein R. & languille A., (1981), La Haute-Provence J., Andreani L. & Flotte N., (2010), Geodynamics of souterraine, Auto-édit, 422 p. the France Southeast Basin. Bulletin de la Société Parize O., Rubino J.-L. & Javaux C., (1997), Architecture géologique de France, 181 (6), pp. 477-501. et géométrie des corps tidaux bioclastiques comblant Locci J.-P., (1988), Fonderies et fondeurs, histoire des les paléovallées miocènes au sud-est du bassin de Car- établissements métallurgiques aux XIXe–XXe siècles, pentras. Publ. ASF 27 (6e Congrès ASF, Montpellier), Assoc. pour la sauvegarde et la promotion du patri- pp. 215-216. moine industriel en Vaucluse, Avignon, 238 p. Sauret B. & Terrier M., (1990), Place de la néotecto- Lowe D.J., (2000), Role of speleogenesis in the develop- nique dans l’évaluation de l’aléa sismique : exemple ment of hydrocarbon and mineral deposits. In: Klim- de la Provence (France). Géologie Alpine, Mémoire chouk A., Ford D. C., Palmer A. N. & Dreybrodt W. hors-série 15 (Risques naturels dans le Sud-Est de la (Ed.), Speleogenesis. Evolution of karst aquifers, Na- France - Colloque Association des géologues du Sud- tional Speleological Society, Huntsville, pp. 473-480. Est, Avignon 1989). Martel P., (1951), Les gorges du Calavon à Oppedette Sharp J.M. Jr. & Kyle J.R., (1988), The role of (Basses-Alpes). Annales des Basses-Alpes XXXII ground-water processes in the formation of ore depos- (187), Société scientifique et littéraire des Alpes-de- its. In: Back W., Rosenshein J.S. & Seaber P.R. (Eds.), Haute-Provence, Digne, pp. 21-28. Hydrogeology. The Geology of North America, Geolog- Mocochain L., Audra P. & Bigot J.-Y., (2011), Base lev- ical Society of America, Boulder, Colorado, O-2, pp. el rise and Per Ascensum Model of Speleogenesis 461-483. (PAMS). Interpretation of deep phreatic karsts, vau- Villeneuve H. de (1833), Rapport sur la demande en clusian springs and chimney-shafts. Bulletin de la permission d’un haut fourneau à Velleron (30 mai Société géologique de France, 182, pp. 87-93. 1833). Archives nationales, dossier F14/4489. Morin D., Rosenthal P. & Faivre A., (1997), Mines et Villeneuve H. de (1834), Rapport de l’ingénieur des métallurgie du fer de Provence et des Alpes du Sud. Mines (22 mai 1834). A. D. Vaucluse, série 8S23 Étude diachronique des vestiges d’exploitation minière (« Mines de fer »), pièce non numérotée.

70 Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 71-72

MINE CAVES ON THE SOUTH-EASTERN FLANK OF THE HARZ MOUNTAINS (SAXONY-ANHALT, GERMANY) LE GROTTE DI MINIERA DEL VERSANTE SUD-ORIENTALE DELLE MONTAGNE DELL’HARZ (SASSONIA-ANHALT, GERMANIA)

Michael K. Brust1 & Graham Nash2

Abstract Riassunto The historical copper shale mine excavations on Gli antichi scavi minerari di scisto ricco in rame the south-eastern flank of Harz Mountains have sul versante sud orientale delle montagne di Harz cut into numerous large caves in gypsum and an- hanno incontrato numerose grandi grotte di ges- hydrite. so e anidrite. Queste grotte sono conosciute come These caves are known as “Schlotten” (pl., sg. “Schlotten” (al plurale, singolare Schlotte). La Schlotte). parola deriva dal Tedesco Antico e indica le for- The word is derived from the Early New High mazioni interne cave che permettono il drenaggio German meaning internal hollow formations al- dell’acqua e compare per la prima volta nella let- lowing the drainage of water and already finds teratura del XVI secolo. mention in XVIth century literature. Tuttavia, queste grotte di gesso abbastanza spetta- However, these quite spectacular gypsum caves colari non hanno mai destato l’interesse del gran- have never aroused the interest of the wider pub- de pubblico. Essendo state scoperte grazie all’at- lic. tività di estrazione sono sempre state accessibili Discovered through mining, they have always soltanto attraverso i pozzi e le gallerie della minie- been only accessible via pit shafts and galleries ra e immancabilmente sono state considerate par- and invariably considered to be part of the mine. te di essa. Tuttavia, dal punto di vista scientifico But in a scientific sense they are deep phreatic sono delle profonde grotte freatiche e ipogenetiche and hypogene caves in a parent rock of anhydrite in una roccia madre di anidrite o gesso, allo stato or gypsum, in their natural state filled with water naturale piene d’acqua e senza un’entrata. Sono and without an entrance. elementi geologici unici dello Zechstein (Permia- They are unique geological outcrops in Zechstein no superiore), delle enormi grotte carsiche dalle (upper Permian), large karst caves of rare char- caratteristiche uniche e di particolare bellezza e acter and particular beauty as well as cultural sono anche le testimonianze culturali delle stori- witnesses to historical mining. che attività minerarie. The miners used the “Schlotten” for a long period I minatori usarono le “Schlotten” per un lungo of time to drain water from the mines (until the periodo di tempo per drenare l’acqua delle mi- XVIIIth century) and for economical reasons also niere (fino al XVIII secolo), ma anche per motivi to store unwanted spoil (until the XIXth century). economici e il deposito dei detriti superflui (fino As the mine workings reached deeper levels, sub- al XIX). Man mano che con l’attività estrattiva si

1 Rossschau 114, 06567 Steinthaleben, Thuringia, Germany 2 Bruehlstrasse 24, 73274 Notzingen, Baden-Wuerttemberg, Germania

71 sidence and flooding became more common and scendeva sempre più in profondità, la subsidenza the intensity of the karst dissolution process in- e gli allagamenti divennero più frequenti e l’inten- creased. Problems of catastrophic proportions sità del processo di dissoluzione carsica aumen- due to mine flooding were encountered in 1892 tò. Problemi di proporzioni catastrofiche dovuto near Eisleben and in 1988 near Sangerhausen. agli allagamenti si verificarono nel 1892 vicino a The hydrological problems that confronted the Eisleben e nel 1988 vicino a Sangerhausen. I pro- copper shale mine excavations in the south-east- blemi idrologici verificatisi negli scavi minerari di ern Harz region are of geogenic origin. The ex- scisto rameoso nella regione sud orientale di Harz ploitable seams, which on average slope between sono di origine geogenica. I filoni sfruttati, con 3º and 8º, are covered with a between 4 and 7 me- una pendenza media tra i 3° e gli 8°, sono ricoperti tre thick layer of limestone (Zechstein) with the da uno strato spesso 4-7 metri di calcare (Zech- characteristics of a karst aquifer. Above this a 60 stein) e presentano le caratteristiche di una falda m thick layer of anhydrite or gypsum is found, acquifera carsica. Sopra questi si trova uno strato in which the “Schlotten” are formed, notably on spesso 60 m di anidrite o gesso, dove si sono for- geological faults. mati le Schlotten, specialmente a livello su faglie. The relevance of the “Schlotten” as a natural phe- L’importanza delle Schlotten come fenomeno na- nomenon was first appreciated in depth by Jo- turale venne analizzata approfonditamente per la hann Carl Freiesleben (1774-1846). He described prima volta da Johann Carl Freiesleben (1774- them scientifically in 1809 and campaigned em- 1846). Le descrisse scientificamente nel 1809 e si phatically for their preservation. prodigò per la loro salvaguardia. Per questo mo- With regard to this, the “Wimmelburger Schlot- tivo, le “Wimmelburger Schlotten”, vicino a Eisle- ten” near Eisleben were surveyed and geological- ben, vennero studiate e mappate geologicamente ly mapped by Anton Erdmann (1782-1848). da Anton Erdmann (1782-1848). La pianta e la The plan and side elevation of the cave survey sezione della grotta vennero riprodotte su una la- were reproduced in copperplate and are consid- stra di rame ed è considerata la rappresentazione ered to be the oldest published depiction of a gyp- più antica di una grotta di gesso in Germania. A sum cave in Germany. partire dalla metà degli anni ‘70, le Schlotten di- From the mid 70s the “Schlotten” became sub- vennero oggetto di ricerca speleologica per un bre- ject of speleological research for a short period of ve periodo di tempo. I progetti abbandonati sono time. The abandoned projects have only recently stati ripresi solo di recente. Due di queste “Sch- been re-established. Two of the “Schlotten” are lotten” sono accessibili solamente dal Museo Mi- accessible via the Mining Museum Wettelrode: nerario di Wettelrode: la “Segen-Gottes-Schlotte” the “Segen-Gottes-Schlotte” and the “Elisabeth- e la “Elisabethschaechter Schlotte”, vicino a San- schaechter Schlotte” near Sangerhausen. The gerhausen. Le “Wimmelburger Schlotten”, vicino “Wimmelburger Schlotten” near Eisleben are the a Eisleben, sono le più grandi grotte di gesso della largest gypsum caves in Germany and to a cer- Germania e possono essere visitate solo per ricer- tain extent accessible for research. ca.

72 Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 73-74

KAISER-JOSEPHI-MINE AND ITS NATURAL CAVES AT SCHWARZENBERG (TÜRNITZ, LOWER AUSTRIA) LA MINIERA DI KAISER-JOSEPHI E LE SUE GROTTE NATURA- LI DI SCHWARZENBERG (TÜRNITZ, BASSA AUSTRIA)

Barbara Wielander1, Eckart Herrmann1& Gerald Knobloch1

Abstract Riassunto The mining plant was first documented in 1623. L’impianto minerario venne documentato per la It reached its climax towards the end of the XVIIth prima volta nel 1623. Raggiunse l’apice verso la century, when more than 56 000 kg of lead were fine del XVII secolo, quando vennero prodotti più produced. di 56.000 kg di piombo. A questo periodo produtti- This efficient period was followed by a longer pe- vo seguì un lungo periodo di inattività che terminò riod of idleness, which ended in 1776 when during nel 1776, quando, durante il regno dell’imperatri- the reign of Empress Maria Theresia lead and mi- ce Maria Teresa, vennero estratti piombo e piccole nor amounts of silver were extracted. Till 1805 quantità di argento. Fino al 1805 la miniera ven- the mine was considered cost-efficient, after a few ne considerata redditizia, ma dopo alcuni anni di years of loss-making work it was stopped in 1818. lavoro in perdita venne chiusa nel 1818. Il mine- The most important ore was galenite, but also rale più importante era la galena, ma vi erano e zinc-ores (sphalerite and zinc spar) and various potrebbero esserci ancora anche minerali da cui si secondary minerals (hemimorphite, smithsonite estrae lo zinco (sfalerite e smithsonite) e vari mi- and cerussite) could and can still be found. nerali secondari (emimorfite e cerussite) Il mine- The ore was mined along major fissures, in which rale veniva estratto lungo i filoni più importanti, notable naturals caves and pits could be found. dove si trovano dei pozzi e delle grotte naturali Rests of those natural caves can still be noticed considerevoli. I resti di quelle grotte naturali sono today. ancora visibili. In 2007 Kaiser-Josephi-Mine, which is the larg- Nel 2007, la miniera di Kaiser-Josephi, la più est of the three mining plants on Schwarzenberg, grande dei tre impianti minerari di Schwar- was surveyed by the Viennese Caving Society. zenberg, venne studiata dalla Società Speleologi- For the first time in history a complete map of ca Viennese. Per la prima volta nella storia venne this mine has been drawn. tracciata una mappa completa della miniera. La The total length of the mine is 1536 m; 54 m of lunghezza totale della miniera è di 1536 m; 54 m this length is composed of natural caves. The di questa lunghezza sono occupati da grotte natu- mine is orientated along two parallel fractures rali. La miniera è orientata lungo due fenditure (Josephikluft, Joachimikluft) and consists of two parallele (Josephikluft, Joachimikluft) e si svilup- main levels (max. difference in height: 54 m), pa su due livelli principali (differenza massima in which could be reached by two entrance galleries altezza: 54 m), ed è raggiungibile da due gallerie (the upper gallery is nowadays collapsed and no d’accesso (la galleria superiore è crollata e non è longer accessible). più accessibile). I due livelli sono collegati da dei

1 Landesverein für Höhlenkunde in Wien und Niederösterreich, Obere Donaustrasse 67/1/61, 1020 Wien, Austria

73 The two levels are connected by pits along the two pozzi lungo le due fratture principali; le grotte na- main fractures; the natural caves can be found turali si trovano principalmente lungo queste due mainly along those two galleries. In various plac- fenditure. In vari punti si trovano ancora degli es flowstone formations remain and it is likely speleotemi ed è probabile che in passato in questa that in former times larger caves of which today miniera si trovassero delle grotte più grandi di cui only rests can be seen could be found in this mine. oggi si osservano solo i resti. Oggigiorno è difficile Today it is hard to tell in which parts of the mine dire in quali parti della miniera vi fossero delle natural accessible caves existed and if they were grotte naturali accessibili e se fossero comunicanti connected and thus formed a larger cave-system. e formassero quindi un sistema di grotte più gran- The possibly largest natural room could be found de. La stanza ipoteticamente più grande si tro- in the western part of Joachimikluft (room height: vava nella parte occidentale della Joachimikluft approx. 20 m); also the lower parts of the pit-like (altezza stanza del vuoto: approssimativamente Josephikluft are seemingly of natural origin. In 20 m); inoltre, anche le parti inferiori del pozzo di the area of the mine five entirely natural caves Josephikluft sembrano essere di origine natura- are preserved. They can be found at the sides and le. Nell’area mineraria vengono preservate cinque on the ridge of galleries. grotte naturali integre che si sviluppano ai lati e The mine is not locked nowadays and is so acces- sul soffitto delle gallerie. sible for bats. Oggigiorno la miniera non è sbarrata e i pipistrel- Therefore it can be compared to a natural li possono entrarvi. Di conseguenza può essere pa- cave-system. In all parts of the mine various bats ragonata a un sistema di grotte naturali. In tutta (at least three species: Myotis myotis, Rhinol- la miniera si trovano diverse specie di pipistrelli ophus hipposideros and Barbastella barbastellus) (almeno tre specie: Myotis myotis, Rhinolophus could be found. hipposideros e Barbatella barbastellus).

74 Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 75-76

LARGE CALCITE CRYSTALS FROM COK CAVE (ABANDONED IRON MINE), JELOVICA PLATEAU, NW SLOVENIA I GRANDI CRISTALLI DI CALCITE DELLA GROTTA DI COK (MINIERA DI FERRO ABBANDONATA), PLATEAU DI JELOVICA, SLOVENIA NORD-OCCIDENTALE

1 Bojan Otoničar

Abstract Riassunto From medieval times till the end of XIXth centu- Dal Medio Evo fino alla fine del XIX secolo, il ry the Jelovica, alpine karstic plateau in NW Slo- plateau carsico alpino di Jelovica, nella Slovenia venia, was a site of numerous small iron mines nord-occidentale, ospitò numerose miniere di ferro where they were excavating karstic sediments di piccole dimensioni, dove vennero scavati sedi- that comprised ferruginous nodules. menti carsici comprendenti dei noduli ferruginosi. With the excavations, miners commonly reopened Durante gli scavi i minatori erano soliti riaprire filled caves and made them accessible. delle grotte bloccate e renderle accessibili. Le grot- Caves in Jelovica are developed in up to a few te di Jelovica si sviluppano su poche centinaia di hundred meters thick Middle and Upper Triassic metri di rocce calcaree del Triassico medio e supe- limestone originally sandwiched between under- riore, originariamente comprese tra dei carbonati lying carbonate and siliciclastic Middle Triassic e silicoclastici del Triassico medio e del Cretaceo and Cretaceous and overlying subsequently en- nella parte bassa, e nella parte alta dei depositi tirely eroded Oligocene deposits. dell’Oligocene, completamente erosi successiva- The caves exhibit complex polygenetic develop- mente. Le grotte mostrano uno sviluppo poligene- ment under variable hydrogeological and climatic tico complesso in condizioni climatiche e idrogeo- conditions. logiche variabili. La grotta studiata possiede dei The investigated cave contains some features tratti caratteristici della speleogenesi ipogenetica characteristic of hypogene speleogenesis (i.e. feed- (ad esempio, vene secondarie, passaggi trasversali ers, variable passage cross-section, dead-end pas- variabili, diverticoli ciechi, segni di flusso ascen- sages, rising wall and ceiling channels…). denti lungo le pareti e sulle volte). In seguito agli After the excavation, walls of the Cok Cave (en- scavi, le pareti della grotta di Cok (entrata: 1160 trance: 1160 m a.s.l.; lenght: 279 m; depth: 36 m) m s.l.m.; lunghezza: 279 m; profondità 36 m) han- revealed extended calcite crystal deposits. no riportato alla luce dei vasti depositi di cristalli They form up to 30 cm thick palisade linings on di calcite. Formano degli strati a palizzata con walls of dissolutionally enlarged joints or fill vugs uno spessore massimo di 30 cm sulle pareti o ri- up to a few meters in diameter. In the latter case, empiono dei geodi dal diametro massimo di un they may form a sequence of less than 20 cm thick metro. Nell’ultimo caso, possono formare una se- geopetally deposited laminated calcareous mi- quenza di calcare micritico laminato depositato

1 Karst Research Institute ZRC SAZU, Postojna, Slovenia

75 crite that alternates with palisade rhombohedral a struttura geopetale con uno spessore inferiore calcite crystals. The remaining voids are filled by ai 20 cm che si alterna con dei cristalli di calcite centripetally arranged coarse-grained (tens of cen- romboedrici a palizzata. I vuoti restanti sono ri- timeters) translucent and white non-transparent empiti da dei cristalli di calcite bianchi e traslu- calcite crystals that locally show scalenohedral cidi a grana grossa (spessi decine di centimetri) habit. disposti centripetalmente. According to oxygen and carbon isotope composi- In base alla composizione degli isotopi di carbonio e tion samples were divided in two groups: 1) Host dell’ossigeno i campioni sono stati suddivisi in due rock with related cements (n = 6): δ13C = 0.19 ‰ to gruppi: 1) roccia incassante con relativi cementi (n 3.44 ‰, average: 2.12 ‰, st. dev.: 1.34 ‰; δ18O = = 6): δ13C = 0.19 ‰ a 3.44 ‰, media: 2.12 ‰, de- - 7.96 ‰ to -2.04 ‰, average: -5.6 ‰, st. dev.: 2.16 viazione standard: 1.34 ‰; δ18O = - ‰ 7.96 a -2.04 ‰ and 2) Coarse calcite crystals and related sed- ‰, media: -5.6 ‰, deviazione standard: 2.16% e 2) iments (n = 21): δ13C = 0.03 ‰ to 2.74 ‰, average: Cristalli di calcite a grana grossa e relativi sedi- 1.91 ‰, st. dev.: 0.62 ‰; δ18O = -10.34 ‰ to -6.84 menti (n = 21): δ13C = 0.03 ‰ a 2.74‰, media: 1.91 ‰, average: - 8.18 ‰, st. dev.: 0.86 ‰. ‰, deviazione standard: 0.62 ‰; δ18O = ‰ -10.34 The highest value of the Upper Triassic marine a -6.84 ‰, media: - 8.18 ‰, deviazione standard: limestone falls within the range of Triassic ma- 0.86 ‰. Il valore più alto del calcare marino del rine calcitic isotope values while other limestone Triassico superiore rientra nella gamma dei valori samples comprise successively lower δ13C and es- degli isotopi calcitici marini del Triassico, mentre pecially δ18O values (Group 1). altri campioni di calcare includono valori inferiori Their lowest values are consistent with the high- a δ13C e, soprattutto, δ18O (Gruppo 1). I valori più est values of coarse grained calcite crystals and bassi sono coerenti ai valori più alti dei cristalli di related sediments (Group 2). calcite a grana grossa e relativi sedimenti (gruppo A more pronounced change in δ18O values com- 2). Il cambiamento più significativo nei valori di pared to that of δ13C in host rock suggests rela- δ18O confrontati a quelli di δ13C della roccia incas- tively low water/rock ratio during wall-rock alter- sante suggerisce un rapporto acqua/roccia relati- ation. vamente basso nell’alterarazione delle rocce della These alterations are supported also by progres- parete. Queste alterazioni sono testimoniate anche sively brighter cathodoluminescence, from non-lu- da una catodoluminescenza progressivamente più minescent host rock with the highest isotope val- brillante, dalla luminescenza nulla della roccia ues to patchy bright orange host rock with the madre con i valori isotopici più alti, all’arancio- lowest one. ne brillante a chiazze della roccia incassante coi The suggested more or less restricted hydrogeo- valori più bassi. Le condizioni idrogeologiche più logical conditions are consistent also with pro- o meno ristrette sono anche coerenti con i valori gressively lower δ18O values and more constant progressivamente più bassi di δ18O e con i valori but generally lower δ13C values of bright orange più costanti, ma generalmente più bassi, di δ13C luminescent calcite crystals. dei cristalli di calcite luminescenti, di color aran- Isotopic exchange between water and rock reser- cione brillante. Lo scambio isotopico tra i bacini voir may occur during long-lasting relative stable di acqua e la roccia può essere avvenuto in condi- conditions established in deep seated phreatic en- zioni relativamente stabili e di lunga durata e in vironment. un ambiente freatico. I valori isotopici misurati, le Measured isotope values, single-phase fluid in- inclusioni di fluidi in un’unica fase e la presenza clusions and occurrence of subthermal springs in di fonti subtermali ai piedi della Jelovica indica- the foothills of Jelovica suggest water tempera- no che la temperatura dell’acqua fosse inferiore ai tures below 30ºC. 30°C.

76 Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 77-78

COMPLEX EPIGENETIC/HYPOGENE U-V ORE BEARING KARST AT TYUYA-MUYUN, KYRGYZSTAN IL CARSO CON ROCCE METALLIFERE COMPLESSE EPIGENETICHE/IPOGENETICHE CONTENENTI URANIO E VANADIO DI TYUYA-MUYUN, KYRGYZSTAN

Yuri Dublyansky1 & TEAM Tyuya-Muyun’89

Abstract Riassunto The massif Tyuya-Muyun in Kyrgyzstan Il massiccio Tyuya-Muyun del Kyrgyzstan (N40.36°; E72.60°) is a near-vertical slab of Car- (N40.36°; E72.60°) è una lastra quasi verticale di boniferous limestone, 650 m-thick and ca. 6 km- calcare carbonifero, spessa 650 m e lunga circa long, striking EW and embedded into a suite of 6 km, incassata in una serie di scisti siluriani e Silurian schists and volcanic rocks. rocce vulcaniche. Le rocce paleozoiche, corrugate The folded, steeply-dipping Paleozoic rocks are e con un’inclinazione pronunciata, sono coperte overlain by the Cenozoic loesses and conglomer- da loess e conglomerati del Cenozoico. Il mas- ates. The massif is partly exhumed and dissected siccio è parzialmente esumato e segnato da una by the 300 m-deep gorge Dangi carved by Aravan gola profonda 300 m scavata dal fiume Aravam. river. Il massiccio di Tyuya-Muyun è povero per quan- The Tyuya-Muyun massif is poor in surficial to riguarda le morfologie carsiche, ma ospita una karst forms, but hosts a suite of caves, most of serie di grotte, la maggior parte delle quali mo- which show indications of either pure hypogene stra o caratteristiche di chiara origine ipogenica origin or complex relationships between epigene- o tracce dei rapporti complessi tra i processi car- tic and hypogene karst processes. sici ipogenici ed epigenici. La più grande grotta The largest cave in the massif, Fersmana, has the del massiccio, Fersmana, ha anche la storia più most complex history. complessa. Originariamente si formò una grotta A vertically extensive (>220 m) epigenetic cave epigenetica estesa verticalmente (>220 m) su cui has formed at an early stage; a suite of cave sed- si accumularono dei sedimenti e degli speleotemi. iments and flowstone deposits has accumulated Questo condotto venne in seguito sfruttato dalle in it. acque termali ascendenti (T>70°C); una nuova This mature cave conduit was later exploited by grotta, contenente il canale carsico originario (mo- the ascending thermal waters (T>70°C); a new dificato) e il canale ipogenico di nuova formazione cave, comprising the (modified) early-stage karst venne delineato e riempito dalla calcite idroter- channel and the newly formed hypogene solution male (T=60-65°C), dai minerali di rame, uranio e channel was subsequently lined/filled with hydro- vanadio e da diverse generazioni di barite. thermal calcite (T=60-65°C), U-, V-, and Cu-min- Il carso epigenetico ebbe degli effetti sul riempi- erals, and several generations of barite. mento della grotta, ma non ne alterò la morfolo- The post-ore epigenetic karst affected the cave in- gia generale. Durante le attività estrattive (tra il

1 Institut für Geologie und Paläontologie, Universität Innsbruck, Innsbruck, Austria

77 filling but did not alter the overall cave morphol- 1904 e il 1914 e il 1922-1928 venne sfruttata per ogy. In the course of mining operations (it was il radio, mentre nel 1948 per l’uranio), i minera- mined for Ra in 1904-1914 and 1922-1928, and li vennero rimossi e questo complesso giacimento for U in 1948) mineral filling was removed and carsico divenne nuovamente una grotta. this complex karstic ore body has become a cave La mineralogia delle rocce metallifere del Tyuya- again. Muyun è complessa. Quattro nuovi minerali: tan-

The mineralogy of the Tyuya-Muyun ores is com- geite (CaCu(VO4)(OH)), turanite (Cu5(VO4)2(OH)2), plex. Four new minerals: tangeite (CaCu(VO4) tyuyamunite (Ca(UO2)2V2O8⋅6H2O) e alaite

(OH)), turanite (Cu5(VO4)2(OH)2), tyuyamunite (V2O5⋅H2O) vennero scoperti qui tra il 1909 e il

(Ca(UO2)2V2O8⋅6H2O), and alaite (V2O5⋅H2O), 1926. Le rocce metallifere contenevano diverse have been discovered there in 1909-1926. Ores quantità di descloizite, vanadinite, carnotite e contained various amounts of descloizite, vana- uraninite. Nei livelli più bassi della miniera, sono dinite, carnotite, and uraninite. At lower levels stati trovati dei composti di quarzo-ematite e sol- of the mine, the quartz-hematite association and furi (calcocite, pirite, marcasite, sfalerite, galena, sulfides (chalcocite, pyrite, marcasite, sphaler- calcopirite e covellite). La ganga è formata princi- ite, galena, chalcopyrite, and covellite) have been palmente da calcite e barite, mostrando una vasta found. Gangue minerals are primarily calcite and gamma di morfologie e composizione dei cristalli. barite, exhibiting a wide variety of crystal mor- Oltre alla grotta di Fersmana, nel massiccio del phologies and textures. Tyuya-Muyun vi sono circa 50 cavità, mineraliz- Besides Fersmana cave, there are about 50 min- zate o meno, comprese cinque grotte: Academiche- eralized and non-mineralized tube-like, solution- skaya (54 m di profondità), Great Barite (lun- al cavities in the Tyuya-Muyun massif including ghezza 114 m, profondità 56 m), Chon-Chunkur five caves: Academicheskaya (depth 54 m), Great (60 m, 35 m), Ashadar-Unkur (80 m, 26 m) e Sur- Barite (length 114 m, depth 56 m), Chon-Chunkur prise (220 m, 80 m). (60 m, 35 m), Ashadar-Unkur (80 m, 26 m), and La distribuzione della mineralizzazione mostra Surprise (220 m, 80 m). alcune simmetrie: da Est a Ovest della grotta di The distribution of mineralization exhibits some Fersmana, il numero dei corpi mineralizzati e la symmetry: to the east and west of Fersmana cave ricchezza di minerali diminuisce e la mineralogia the number of mineralized bodies and the abun- del riempimento della grotta diventa più sempli- dance of minerals decrease, and the mineralogy ce. of cave infilling becomes simplier. Nella grotta di Fersmana e in alcune cavità vicine In Fersmana cave and some smaller cavities più piccole, i riempimenti di minerali includono nearby the mineral infilling comprises sever- diverse generazioni di calcite (sia speleotemiche al generations of calcite (both speleothemic and che idrotermali), minerali di rame, uranio e va- hydrothermal), U-, V-, and Cu-ore minerals, nadio, ematite-quarzo e due generazioni di barite. quartz-hematite, and two generations of barite. Nella parte terminale, scompaiono le rocce metal- Toward the periphery, ore minerals, quartz, he- lifere, il quarzo, l’ematite e una varietà di barite, matite and one variety of barite disappear, so pertanto le grotte più distanti contengono princi- that distal caves contain primarily calcite and palmente calcite e piccole quantità di barite. diminishing amounts of barite. The gray, coarse- Il marmo grigio e dai cristalli a grana grossa del- ly-crystalline “ore marble” in Fersmana cave and la grotta di Fersmana e i grandi cristalli scaleno- large (up to 30-50 cm-long) scalenohedral crys- edrici (lunghi 30-40 cm) di calcite delle grotte di tals of calcite in the Great Barite and the Sur- Great Barite e Surprise si depositarono a tempe- prise caves were deposited at temperatures not rature non superiori ai 65°C da acque saline (15- exceeding 65°C from saline water (15-19 mas.% 19 mas.% NaCl-equiv.). La barite gialla di più NaCl-equiv.). Younger yellow barite hosts only recente formazione include solamente inclusioni all-liquid primary inclusions, suggesting lower primarie di tutti i liquidi, indicando delle tempe- depositional temperatures. rature di sedimentazione più basse.

78 Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 79-95

KAN-I-GUT CAVE MINE IN KYRGYZSTAN LA GROTTA MINIERA DI KAN-I-GUT IN KYRGYZSTAN

A.G. Filippov1 & V.V. Tsibanov2

Abstract Riassunto The Kan-i-Gut cave mine is one of the most mys- La grotta-miniera di Kan-i-Gut è una delle più terious underground caverns in Central Asia. It misteriose caverne dell’Asia centrale. E’ stata ben has been well known for centuries, and was used nota per centinaia di anni ed era utilizzata come as a silver, lead and iron mine from the VIth to miniera di argento, piombio e ferro tra il VI e l’XI XIth centuries. The first handwritten story on the secolo dopo Cristo. La prima documentazione Kan-i-Gut cave is attributed to Avicenna, the scritta sulla grotta di Kan-i-Gut è attribuita ad great Persian polymath. The cave mine has been Avicenna, il grande scienziato persiano. Dal 1896 studied for over a century, since 1896, by archae- la grotta-miniera è stata studiata per oltre un ologists, geologists, mine engineers, radiologists, secolo da parte di archeologi, geologi, ingegneri biologists, paleontologists and cavers. Kan-i-Gut minerari, esperti in radiazioni, biologi, paleonto- occurs in Middle Devonian Givetian limestones logi e speleologi. La grotta di Kan-i-Gut si apre and dolostones, in a belt of tectonic mélange. nei calcari e nelle dolomia Givetiane del Devonia- The cave area is characterized by thin-skinned no medio. L’area della grotta è caratterizzata da thrusting. The Kan-i-Gut silver-lead-zinc depos- accavallamenti pellicolari. Il deposito di argento- it is defined as Mississippi Valley-type. Ores are piombo-zinco di Kan-i-Gut è di tipo Mississipi concentrated in the upper part of the carbonate Valley. Il giacimento è concentrato nella parte su- block. The upper limit of the deposit is controlled periore del blocco carbonatico. Il limite superiore by a plane of the Kan-i-Gut Thrust, and does not del deposito è definito da un piano di accavalla- spread above it. The lower part of the deposit mento di Kan-i-Gut, mentre la parte inferiore del- doesn’t have structural limitation. The cave itself lo stesso non ha un limite strutturale. La grotta is a highly complex three-dimensional labyrinth. è un labirinto tridimensionale molto complesso. The morphology of the cave rapidly changes as a La morfologia della grotto cambia rapidamente a result of widespread breakdown triggered by de- seguito di diffusi crolli indotti dal deterioramento terioration of the underground workings imple- dei lavori minierari effettuati tra il 1948 e il 1955 mented in 1948-1955 and numerous earthquakes ed anche per i numerosi terremoti che scuotono common for this area. questa area. Keywords: cave mine, Kan-i-Gut, Kyrgyzstan. Parole chiave: grotta-miniera, Kan-i-Gut, Kyr- gyzstan. Introduction Kan-i-Gut, the legendary cave mine in Introduzione Central Asia (Fig. 1), is situated at the Kan-i-Gut, la leggendaria grotta-miniera eastern end of the Maidan-Tau Mountains, in Asia centrale sia (Fig. 1), è situate all’e- in the northern piedmont of the Turkestan stremità Est delle montagne Maidan-Tau, Range, on the south-west edge of the Fer- nella porzione settentrionale dell’area pede-

1 Karst Research Inc., 752 Luxstone Sq SW, Airdrie, Alberta, Canada T4B 3L3, [email protected] 2 Speleological Club of Moscow State University, Build. 37, MGU, GSP-1, Leninskie Gory, Moscow, Russia 119991, [email protected]

79 montana della catena del Turkestan, sulla estremità di Sud-Est della valle di Ferga- na. In letteratura è anche citata come grotta e/o miniera di Kon-i-Gut, grotta di Ka- ni-Gut, grotta Kanigutskaya, Miniera della Morte, Miniera della Distruzione, Miniera della Scomparsa e Miniera del Condanna- to. Le coordinate geografiche della grotta-miniera sono 40° 00′ 46″ N e 70° 20′47″ E e l’altezza dei suoi ingressi variano da 1562 m a 1672 m slm., mentre lo spartiacque locale varia da 1770 a 2200 m slm. La grotta- miniera che si trova sul monte Kan-i-Gut (Fig. 2) è quella che ha il punto più alto a 1993 m slm. Fig. 1 - Location of the Kan-i-Gut Cave Mine. / L’area è caratterizzata da un clima conti- Localizzazione della Grotta miniera di Kan-i-Gut. nentale con estati calde e inverni freddi e ventosi, con poche precipitazioni (250-350 mm/anno) e una scarsa vegetazione che gana Valley. It is also known in literature consiste in erba e radi cespugli. I piccoli as the Kon-i-Gut Cave / Mine, Kani-Gut ruscelli sono secchi per la maggior parte Cave, Konigut Cave, Kanigutskaya Cave, dell’anno. Ci sono solo poche sorgenti con Mine of Death, Mine of Destruction, Mine portate di 0.3-2 l/s. of Disappearance, and the Mine of the Kan-i-Gut è una delle grotte –miniera me- Doomed. glio studiate di tutta l’Asia centrale. Mol- Geographical coordinates of the cave mine tissime pubblicazioni e report non pubbli- are 40°00′46″ N and 70°20′47″ E, and alti- cati di geologia, arte mineraria,carsismo e tudes of entrances range from 1562 m to esplorazione speleologica trattano infatti di 1672 m a. s. l. The altitudes of local moun- questa cavità (Filippov & Tsibanov, 2012). tain divides range from 1770 m to 2200 m Tuttavia, la maggioranza di questi studi, a. s. l. The cave mine is located in the Kan- soprattutto le prime (dalla fine del XIX alla i-Gut Mount (Fig. 2) having highest point metà del XX secolo) sono apparse in pubbli- at 1933 m a. s. l. cazioni locali e sono diventate rarità biblio- The surrounding area is characterized by grafiche di difficile reperimento. Le esplora- continental climate with hot summers and zioni geologiche e i rapporti minerari sono cold windy winters, with low precipitation dispersi negli archivi geologici di Russia, (250-350 mm per year) and poor vegetation Kyrgyzstan, Tajikistan and Uzbekistan. represented by grass and sparse shrubs. Inoltre i carsologi e gli speleologi non erano Local creeks are dry almost all year round. per nulla a conoscenza di molti importanti There are some springs with flow rate of lavori degli archeologi e dei geologi, o al- 0.3-2.0 litres per second. meno non si trova nessuna menzione di essi Kan-i-Gut is one of the best studied cave nei lavori di carsismo e speleologia riferiti mines of Central Asia. The cave mine data all’Asia centrale. has been documented in numerous publications and unpublished geological explora- Storia dell’attività mineraria, dello tion, mining, scientific and caver’s reports studio e dell’esplorazione (Filippov & Tsibanov, 2012). However, the Non esistono dati su quando è iniziata la majority of publications, specifically the coltivazione mineraria nella grotta di Kan- early ones (from the end of XIXth century to i-Gut: le prime tracce di abitati umani vi- the middle of the XXth century) were made cino alla grotta risalgono al II-III secolo in local journals. These items became bib- della nostra era, ma non è ancora chiaro se

80 Fig. 2 - Kan-i-Gut Mount and Main entrance of the cave mine (photo: A. Markov). / Il Monte Kan-i-Gut e l’ingresso principale della Grotta-miniera (foto: A. Markov). liographic rarities, hardly accessible to the la coltivazione mineraria era già in atto a public. Geological exploration and mining quel tempo (Masson, 1971). reports are spread out through the geolog- L’attività mineraria più estesa si sviluppò ical archives of Russia, Kyrgyzstan, Tajik- tra il VI e XI secolo: le evidenze di questo istan and Uzbekistan. Also noteworthy the sono date dai ritrovamenti in grotta di mo- fact, that karstologists and speleologists nete coniate nel IX e nel X secolo, dalle lam- were not aware of many important pub- pade ad olio da miniera in argilla (chirags) lished works written by ore geologists and dello stesso periodo,e, vicino alla grotta, di archaeologists; at least there were no refer- resti di agglomerati minerari medioevali e ences to these sources among karstological di discariche contenenti ceramiche dal VIII and speleological publications related to all’XI secolo. Central Asia. La prima storia scritta sulla grotta di Kan- i-Gut è scritta in Persiano con anche frasi History of mining, study and explora- in Arabo (Mallitsky, 1897) ed è attribuita tion ad Avicenna, il grande eclettico persiano There is no data when ore extraction start- (900-1037). ed in the Kan-i-Gut cave. The first traces Le rovine delle case in pietra dei minato- of human inhabitation near the cave date ri, costruite nei secoli XVII-XIX sono state from the IInd-IIIrd centuries. But it is still scoperte dagli archeologi molto vicino alla unclear if ore mining even existed in the grotta, pertanto M. Ploskikh (1977) conclu- cave at that time (Masson, 1971). se che il popolo Kokand aveva continuato The most extensive ore mining occurred a coltivare il giacimento fino alla fine del

81 from the VIth to the XIth centuries. Evidenc- XVIII secolo o all’inizio del XIX. es of it are in the findings of coins minted Nel 1850 un forte uomo Kokand assieme in the IXth and Xth centuries, clayey “chi- a pochi lavoratori visitò la grotta: vicino rags” – miner’s oil lamps – from the IXth-Xth all’ingresso essi osservarono una iscrizione centuries in the cave, remains of medieval in un linguaggio a loro sconosciuto e videro mining settlements and waste dumps con- i passaggi rinforzati con del legno simili a taining ceramics dating from the VIIIth to quelli utilizzati in altri posti per preveni- the beginning of the XIth centuries near the re il crollo delle volte (Vel’yaminov-Zernov, cave (Masson, 1971). 1856). The first handwritten tale on the Kan-i-Gut Secondo leggende orali, durante il regno di cave is attributed to Avicenna, the great Khudayar Khan (1845-1858 e 1865-1867) Persian polymath (980-1037). The story i criminali condannati a morte venivano was written in Persian with the inclusions mandati dentro la grotta-miniera e, se ri- of Arabic phrases (Mallitsky, 1897). tornavano all’esterno senza aver trovato al- The ruins of stone miner houses built in cun tesoro, venivano uccisi sul posto (Mas- the XVIIth-XIXth centuries were discovered son, 1934). by archaeologists in close proximity to the Nel 1876, dopo la conquista russa del Kha- cave. V.M. Ploskikh (1977) concluded that nate of Kokand, la grotta miniera fu visita- the Kokand people had continued to mine ta varie volte da europei. La prima visita ore through the end of the XVIIIth – begin- della grotta di cui si ha notizia, fu fatta da ning of the XIXth centuries CE. A.I. Vilkins nell’Agosto del 1880. Il 12 Gen- In 1850, a Kokand strongman with a few naio del 1881 lui fece una presentazione workers visited the cave. Near the entrance sulla grotta di Kan-i-Gut e su altre cavità they observed an inscription in a language del distretto di Isfara durante la riunione unknown to them and wood timbering in- annuale della sezione Turkmena della So- side the cave likely used for preventing roof cietà di Storia Naturale, Antropologia e Et- collapses in some places (Vel’yaminov-Zer- nografia (Lykoshin, 1896). nov, 1856). Il 26 Febbraio del 1896, in una riunione del According to oral legends, during the Khu- Circolo degli Entusiasti di Archeologia del dayar Khan rule (1845-1858 and 1865- Turkmenistan, A. S. Andreev mostrò una 1867), capitally punished criminals were copia della iscrizione araba fatta su una sent into the cave mine, and if they re- pietra vicino all’ingresso della grotta di turned without any evidence of treasure Kan-i-Gut (Davidovich & Litvinskiy, 1955). finds, they were killed on siteM ( asson, Su richiesta di questo Circolo, nel marzo del 1934). 1986, A.S. Andreev e N.G. Mallitsky esplo- After the Russian conquest of the Khan- rarono la grotta di Kan-i-Gut (Andreev, ate of Kokand in 1876, the cave mine was 1896; Mallitsky, 1897), e il primo Aprile repeatedly visited by Europeans. The first dello stesso anno presentarono i risultati known visit of the cave was made by A.I. del loro viaggio durante la Riunione del Vilkins in August, 1880. On January 12, Circolo (Castagné, 1915). Nel 1910 il geo- 1881, he made a presentation about the logo V.N. Veber (1934) studio alcuni parti Kan-i-Gut and other caves of Isfara district della grotta e ne realizzò il primo rilievo. at the annual meeting of the Turkestan Prima della prima guerra mondiale, Kan-i- Branch of Natural History, Anthropology Gut fu oggetto di visita da parte del geologo and Ethnography Society (Lykoshin, 1896). e industriale P.S. Nazaroff (Davidovich & On February 26, 1896, A.S. Andreev demon- Litvinsky, 1955). Lui concluse che la grot- strated a copy of the Arabic inscription on ta era una antica miniera, che produceva a stone near the entrance of the Kan-i-Gut ferro, argento e piombo (Castagné, 1915). cave at the meeting of the Turkestan Cir- Sfortunatamente non siamo stati capaci di cle of the Enthusiasts of Archaeology (Da- rintracciare le pubblicazioni di Nazaroff, in vidovich & Litvinskiy, 1955). By the order cui si dovrebbero trovare molti dettagli sui of the circle, A.S. Andreev and N.G. Mallit- suoi studi sulla Kan-i-Gut. Di questi studi è

82 sky explored the Kan-i-Gut cave on March stato possibile rintracciare solamente poche 1896 (Andreev, 1896; Mallitsky, 1897), informazioni nei suoi articoli sulla miniera and on April 1, 1896 at the meeting of the medioevale di argento di Kuh-i-Sim (Naza- circle, they made a presentation on results roff, 1914, 1929). of a trip (Castagné, 1915). Nel 1914, su iniziativa del Prof. V.I. Ver- In 1910, the geologist V.N. Veber (1934) nadsky, venne organizzata per la ricerca studied some passages of the cave and per- del Radio dalla Accademia delle Scienze formed the first mapping there. della Russia Imperiale una spedizione sot- Before World War 1, Kan-i-Gut was visit- to la supervisione del Prof. A.A. Chernov ed by geologist and industrialist P.S. Naz- (Shcherbakov, 1924; Masson, 1971). I.A. aroff (Davidovich & Litvinsky, 1955). He Preobrazhensky e D.I. Shcherbakov, che came to a conclusion that the cave was an facevano parte di quella spedizione, fecero ancient mine, which produced iron, silver osservazioni geologiche in prossimità della and lead ores (Castagné, 1915). Unfortu- grotta realizzando la prima carta geologica nately, we were unable to locate Nazaroff’s schematica con anche sezioni trasversali. A publications, where he would have written loro si deve anche la scoperta del sovrascor- thoroughly about his studies on Kan-i-Gut. rimento del calcare sopra un conglomerato Some minor information can be found in con, al contatto tea le due formazioni una his articles on the medieval Kuh-i-Sim sil- breccia di frizione formata da frammenti ver mine (Nazaroff, 1914, 1929). della breccia e del calcare (Preobrazhen- In 1914, by the initiative of Prof. V.I. Ver- sky, 1926). Inoltre descrissero la grotta e nadsky, the Radium Expedition of the Rus- campionarono la roccia incassante e i gia- sian Imperial Academy of Sciences was cimenti alla ricerca di minerali radioattivi. conducted under the supervision of Prof. Notarono anche che il gesso e una polvere A.A. Chernov (Shcherbakov, 1924; Masson, nera, formata da ossidi di manganese e 1971). Participants of the expedition, I.A. ferro, erano molto diffusi e comune era an- Preobrazhensky and D.I. Shcherbakov, che un composto bruno costituito da ossidi performed geological observations in the vi- di ferro e manganese. Furono campionate cinity of the cave, developed the first sche- concrezioni botroidali e colate di ossidati, matic geological map and cross-sections. aragonite coralloide, fiori di gesso e croste They also discovered limestone thrusting di gesso su blocchi caduti, cristalli di gesso over conglomerates with friction breccia in cavità della roccia, cristalli barite mar- between them, consisting of limestone ron, aggregati di ossidi di ferro e galena: and conglomerate clasts (Preobrazhensky, tutti questi campioni risultarono non ra- 1926). In addition to the geological descrip- dioattivi o al massimo con una radioatti- tion of the cave, samples of host rocks, ores vità molto bassa (Preobrazhensky, 1926; and veins were collected to detect radio- Shcherbakov, 1924). active minerals. Widespread gypsum and A.N Snesarev and A.N. Dement’ev, anche black dust, consisting of manganese and loro facenti parti della spedizione per la iron oxides, and the common presence of ricerca del Radio, tra il 28 e il 29 del Lu- brown ironstone with admixture of wad glio 1914 fecero osservazioni sperimentali were noted. Botryoidal wad flowstones and sulla conducibilità elettrica dell’atmosfera crusts, coralloid aragonite, convoluted gyp- nella “Prima grotta scura e nella settima e sum crystals, gypsum crusts on collapse ottava camera della grotta” utilizzando l’a- blocks, gypsum crystals in voids, brown spiratore Gerdien (Preobrazhensky, 1926; barite crystals, gypsum, ironstone and gale- Snesarev, 1926): scoprirono così un valore na aggregates were also found. All samples abnormemente alto di ionizzazione nell’at- collected turned out to be not radioactive or mosfera della grotta, ma la ragione di que- were only slightly radioactive (Shcherbak- sto fenomeno non potè essere spiegato dato ov, 1924; Preobrazhensky, 1926). che nessun minerale radioattivo era stato A.N Snesarev and A.N. Dement’ev, partic- scoperto (Snesarev, 1926). ipants in the Radium Expedition, carried Pertanto si ritenne che sostanze radioat-

83 out observations on the atmospheric elec- tive potessero essere presenti nelle zone trical conductivity in the “1st dark grotto, profonde, ancora inesplorate, della grotta 7th and 10th widenings of the cave” with the (Shcherbakov, 1924). help of the Gerdien aspirator on July 28 and D.I. Shcherbakov and S.P. Alexandrov rile- 29, 1914 (Preobrazhensky, 1926; Snesarev, varono anche la grotta dall’Ingresso Prin- 1926). They discovered abnormally high cipale fino al Secondo AbissoS ( osedko, ionization of the cave air but the reason for 1935). this phenomenon remained unsolved be- Nel Giugno del 1920 la Grande Spediziome cause no radioactive minerals were found a Kan-i-Gut fatta di scienziati (il geologo I.I. (Snesarev, 1926). It was stated that the Bezdeka, l’ingegnere I.G. Belov, l’archeolo- possibility for the presence of these radio- go B.E. von Egert, un chimico, uno zoologo e active substances could have been present un botanico), e militari sotto il comando di in the deeper unexplored layers (passages) G.I. Boky and E.S. Batenin studiò la grotta of the cave (Shcherbakov, 1924). miniera (Masson, 1971; Smirnov, 1970; So- D.I. Shcherbakov and S.P. Alexandrov sedko, 1935). Furono trovati molti reperti mapped the cave from the Main entrance archeologici (lampade da miniera in argil- to the Second Abyss (Sosedko, 1935). la del IX e X secolo, frammento di vasetti di In June 1920, the complex Kan-i-Gut Ex- argilla per il mercurio della stessa epoca, pedition consisting of specialists (geologist monete di rame del X secolo e altri oggetti I.I. Bezdeka, engineer I.G. Belov, archaeol- dei secoli successivi) e uno scheletro umano ogist B.E. von Egert, a chemist, a zoologist completo con ancora brandelli di pelle Tutti and a botanist) and soldiers under leader- questi reperti furono portati all’allora Mu- ship of G.I. Boky and E.S. Batenin studied seo dell’Asia Centrale a Tashkent (Masson, the cave mine (Sosedko, 1935; Smirnov, 1934). Bezdeka studiò le tracce lasciate dai 1970; Masson, 1971). Many archaeological picconi degli antichi minatori sulle pare- artifacts (clay miner lamps of the IXth-Xth ti formate da depositi di ossidi argentiferi centuries, fragments of clay vessels for (Fig. 3). Egli fece anche copie di cera delle mercury of the same epoch, copper coin of impronte prodotte dalle punte acuminate the Xth century, and items of later centu- dei picconi. Belov fece un rilievo planime- ries) and a full human skeleton with skin trico e una sezione della grotta che fu pub- remains were collected and transported blicata da M.G. Popov (1924). to the former Central Asian Museum in Nel 1928, M.E. Masson (1928) pubblicò Tashkent (Masson, 1934). Bezdeka studied una descrizione della moneta di rame che traces of pickaxe work left by ancient minera stata trovata alla base della seconda ers on the walls consisting of silver-bearing scala nella galleria centrale della grotta: la oxidized ores (Fig. 3). He made wax copies moneta era stata coniata durante il regno of marks imprinted with sharp points of di Nuh bin Nasr (943-954 CE). picks. A cave plan and profile was drawn Tra il 1928 e il 1931, il ricercatore A.V. up by Belov and published by M.G. Popov Moskvin dell’Istituto Petrografico di Mosca (1924). studiò i cumuli delle scorie ferrose di una In 1928, M.E. Masson (1928) published a antica attività metallurgica, che era stata description of the copper coin which was attiva in varie parti delle catene dell’Alai found at the base of the second ladder in e del Turkestan. Furono studiate petrogra- the central passage of the cave. The coin ficamente e chimicamente anche le scorie was minted during the rule of Nuh bin rinvenute vicino a Kan-i-Gut e Moskvin Nasr (943-954 a.C.). concluse che la miniera di Kan-i-Gut “era From 1928 to 1931, А.V. Мoskvin, a re- stata per un centro tempo un piccolo centro searcher from the Petrographic Institute per l’industri estrattiva del ferro (Moskvin, in Moscow, studied accumulations of fer- 1933). La costante presenza di manganese, ruginous slags representing traces of an che a volte raggiunge concentrazioni stra- ancient metallurgical activity in different namente molto alte, è una caratteristica parts of the Alai and Turkestan Ranges. delle scorie di Kan-i-Gut.

84 Petrography and chemical composition of slags discovered near Kan-i-Gut were also studied. Moskvin concluded that the Kan- i-Gut mine served “in due time as a small centre of an iron ore industry” (Moskvin, 1933). A permanent presence of manganese, of which the quantity sometimes reaches abnormally high levels, is a characteristic feature of the Kan-i-Gut’s slag. In 1933, the Geochemical Party of the Ta- jik-Pamir Expedition from the Academy of Sciences of the USSR under the leadership of geologist A.F. Sosedko was working in Fig. 3 - Marks of the ancient miners’s pickaxe the cave as a part of reconnaissance min- on the oxidized ore (photo: A. Dudashvili). / eral exploration for lead, beryl and tin in Impronte dei picconi degli antichi minatori sul the Turkestan Range. In contrast with the giacimenti ossidato (foto: A. Dudashvili). conclusions of D.I. Shcherbakov (1924) and I.A. Preobrazhensky (1926) that the cave Nel 1933 la Sezione Geochimica della Spe- was an ironstone mine and Kan-i-Gut had dizione Tajik-Pamir dell’Accademia delle no potential to be a minable ore deposit, Scienze dell’URRS, sotto la direzione del Sosedko came to an inference, that Kan-i- geologo A.F. Sosedko, lavorò nella grotta Gut was primarily a silver-lead mine and a nell’ambito di una ricerca di giacimen- still presently very promising one (Sosed- ti di piombo, berillio e zinco nella catena ko, 1934). del Turkestan. A differenza di quanto detto In 1934, the Ore Crew of the Tajik-Pamir da D.I. Shcherbakov (1924) and I.A. Pre- Expedition performed field work in the obrazhensky (1926), che avevano sostenuto cave under the leadership of Prof. V.M. che la grotta era una miniera di deposti fer- Kreiter (Smirnov, 1970). In the same year, rosi e che comunque Kan-i-Gut non aveva the Sredazgydrogeodezia Trust conducted la potenzialità per divenire un sito minera- a resource evaluation in the cave and a rio, Sosedko fu di parere diametralmente reconnaissance mineral exploration of the opposto. Sostenne infatti che Kan-i-Gut era surrounding area. Geology, tectonics, ore stata un tempo una miniera di argento e mineralization, and ore characterisation of piombo e presentava ancora caratteristiche separate cave passages and chambers were molto promettenti per una sua coltivazione studied (Dyugaev & Yazbutis, unpublished (Sosedko, 1934). report, 1935). Dyugaev concluded that the Nel 1934 il Gruppo Minerario della Spedi- ores of Kan-i-Gut were formed during the zione Tajik-Pamir fece degli studi all’inter- Upper Paleozoic (Radkevich, 1938). no della grotta sotto la direzione del Prof. In the same year, The New York Times V.M. Kreiter (Smirnov, 1970). Nello stesso published the article “Soviet Finds Ores in anno il gruppo finanziario Sredazgydroge- Huge Old Cave” where H. Denny (1934) de- odezia fece una valutazione sulla risorsa scribed old legends about the “Kon-i-Gut” della grotta e una indagine sulla possibile Cave, including one on famous Tamerlane coltivazione mineraria al suo intorno. Fu- library still hidden in one of the many rono così studiate la geologia, la tettonica, i caverns. He noted that preliminary explo- giacimenti minerari e le loro caratteristiche ration disclosed that Kan-i-Gut contains nei differenti passaggi della grotta (Dyu- lead ores of 5 to 10%, capable of producing gaev & Yazbutis, rapporto non pubblicato, 15000 tons of lead, 50 tons of pure silver 1935). Dyugaev concluse che i giacimenti di from ore assaying 450 grams per ton. Kan-i-Gut si erano formati durante il Pale- In the summer of 1943, paleontological ex- ozoico superiore (Radkevich, 1938). cavations in the cave were performed by Nello stesso anno il New York Times pub- a field crew from the Paleontological In- blicò l’articolo “I Russi hanno trovato un

85 stitute of the Academy of Sciences of the giacimento minerario in una grande e an- USSR, Moscow, under the leadership of tica cavità”, dove H. Denny (1934) descrive- N.I. Burchak-Abramovich (Bodylevskaya, va le antiche leggende relative alla Grotta 2008). di Kon-i-Gut, compresa quella biblioteca In 1946, the cave was visited by karstolo- di Tamerlano che sarebbe ancora nascosta gist N.A. Gvozdetsky during his studies of in una delle molte saloni di questa cavità. karst in Central Asia (Gvozdetsky, 1954). Denny notava anche che l’esplorazione pre- From 1948 to 1950, the Kon-i-Gutskaya liminare aveva mostrato che Kon-i-Gut ave- Geological Exploration Party of the Sre- va giacimenti di piombo tra il 5 e il 10% in dazmetrazvedka Trust (Tashkent, Uzbek grado di produrre 1500 tonnellate di piom- SSR) implemented geological exploration bo e 50 tonnellate di argento, con una resa work on the main field under the super- di 450 grammi per tonnellata. vision of geologist V.N. Petrov. Adits and Nell’estate del 1943, furono effettuati nella drifts with a total length of 462 m were grotta scavi paleontologici da un gruppo driven into the cave, where underground dell’Istituto Paleontologico dell’Accademia mapping was done. The geological survey delle Scienze dell’URSS, sotto la direzione was completed over an area of 5 km2 at a di N.I. Burchak-Abramovich (Bodylevska- 1:5000 scale and over an area of 0.6 km2 ya, 2008). at a 1:1000 scale. Ore resource evaluation Nel 1946 la grotta fu visitata dal carsologo and reserve definition were also completed N.A. Gvozdetsky mentre stava effettuando (Petrov, unpublished report, 1951). uno studio generale sul carsimo in Asia From 1951 to 1955 industrial ore extrac- Centrale (Gvozdetsky, 1954). tion was conducted in the Kan-i-Gut mine. Dal 1948 al 1950 il Gruppo di Esplorazio- Geological exploration work was continued ne Geologica del Sredazmetrazvedka Trust on the deposit and reconnaissance explora- (Tashkent, Uzbek SSR) fece nuove ricerche tion was done on the surrounding territory geologiche nella grotta, sotto la supervisio- (Filippov & Tsibanov, 2012). ne di V.N. Petrov. Vennero scoperti nuovi In 1952, a vessel of the Kushan Empire passaggi per un totale di 462 m, di cui ven- (I-III centuries) was found near the cave ne anche fatto il rilievo topografico. Il rilie- (Masson, 1971). vo geologico fu completato su un’area di 5 In the summer of 1955, the crew from the km2 alla scala di 1:5000 e per un’area di 0,6 Geological Institute of the Academy of 5 km2 alla scala di 1:1000. Si completaro- Sciences of the USSR carried out studies no anche la valutazione anche quantitativa on the topic of «The history and origin of dei giacimenti (Petrov, report non pubbli- development of geological knowledge in cato, 1951). Central Asia in ancient times and Middle Dal 1951 al 1955 all’interno della miniera Ages». One of the results was a large col- di Kan-i-Gut vennero coltivati i giacimenti, lection of mine tools and other objects of contemporaneamente furono fatte esplora- material culture, numbering around 1000 zioni minerarie e valutazioni delle poten- items. Among other medieval mining sites, zialità dei giacimenti nelle zone limitrofe the Kan-i-Gut cave mine was also studied. (Filippov & Tsibanov, 2012). (Islamov, 1960). Nel 1952 è stato ritrovato vicino alla grotta In February of 1956, the Kan-i-Gut Mine un vaso dell’Impero Kushan (I-III secolo) was abandoned because of flooding in the (Masson, 1971). lower horizon. Nell’estate del 1952 un gruppo dell’Istitu- In 1957, geochemist N.A. Ozerova from to Geologico dell’Accademia delle Scienze the Institute of Geology of Ore Deposits dell’URSS effettuò studi sulla “Storia e ori- (IGEM) of the Academy of Sciences of the gine dello sviluppo delle conoscenze geolo- USSR, Moscow, studied geochemistry of giche in Asia Centrale in epoca antica e nel the Kan-i-Gut ores. According to her data, Medio Evo”. Une dei risultati fu la raccol- tin is sporadically present in ores and min- ta di oltre 100 tra attrezzi minerari e altri erals. Some ore samples contain n×0.01% oggetti comunque relativi alla stessa atti-

86 tin, sphalerite samples have up to 0.1% tin vità. Anche la grotta-miniera di Kan-i-Gut (Ozerova, 1960). fu studiata tra i siti minerari medioevali In 1965, archaeologists G.Ya. Dresvyan- (Islamov, 1960). skaya and E.V. Pruger studied traces of Nel febbraio del 1956, a causa di una alla- medieval mining activities in Kan-i-Gut. gamento del livello più basso la miniera di They found remains of unroasted ore Kan-i-Gut fu abbandonata. dumps and also ceramic fragments of the Nel 1957 la geochimica N.A. Ozerova dell’I- IInd-IIId centuries (Masson, 1971). stituto di Geologia dei Giacimenti Minera- K.K. Kurmanaliev (1968; 1972), a mineral- ri (IGEM) della Accademia delle Scienze ogist from the Institute of Geology of the dell’URSS a Mosca studiò la geochimica Academy of Sciences of Kirghiz SSR, stud- dei giacimenti minerari: trovando che lo ied geochemistry of mercury and rare ele- stagno è saltuariamente presente nei giaci- ments in sulphide minerals of Kan-i-Gut. menti e nei minerali. Alcuni campioni con- From 1972 to 1974, cave mine mapping and tengono lo 0.01% di stagno, mentre la sfa- studies were done by the speleological crew lerite ne presenta fino allo 0.1% (Ozerova, from the Geological Survey of the Kirghiz 1960). SSR, (V.E. Reis personal communication, Nel 1965 gli archeologi G.Ya. Dresvyanska- 2012). Surveyed length of the cave mine at ya e E.V. Pruger studiarono le tracce di at- that time was about 5 km (Reis, 1980). tività mineraria medioevale in Kan-i-Gut, In 1976, archaeologist V.M. Ploskikh, with trovando depositi minerali non ancora ar- colleagues, visited the cave and surround- rostiti e anche frammenti ceramici del II e ing area as a part of preparation for the III secolo (Masson, 1971). archaeological map of Kirgizia (Ploskikh, Il minerologo K.K. Kurmanaliev (1968; 1977). 1972) dell’Istituto di Geologia dell’Accade- In 1977, an archaeologist and numisma- mia delle Scienze del Kirghiz SSR studiò tist E.A. Davidovich published the descrip- la geochimica del mercurio e degli elementi tion of the Samanid copper coin which was in traccia nei minerali solfurei della Kan- found in one of the chambers of the Kan-i- i-Gut. Gut cave mine. The coin was minted dur- Dal 1972 al 1974 un gruppo speleologico del ing the rule of Akmat bin Asad in the Akh- Servizio Geologico del Kirghiz SSR fece un sikath city in 277th year AH or 890-891st dettagliato studio e rilevamento della grot- year a.C. (Davidovich, 1977). ta-miniera (V.E. Reis comunicazione perso- In the seventies, the bats and their ecto- nale, 2012), che a quel tempo ave raggiunto parasites from Kan-i-Gut were studied by lo sviluppo di circa 5 km (Reis, 1980). S.N. Rybin (1977; 1980). Nel 1976 l’archeologo V.M. Ploskikh assie- From 1981 to 1985, the Geophysical Par- me a suoi colleghi visitò la grotta e le aree ty of the Central Asian Geological Explo- circostanti per preparare una mappa ar- ration Enterprise from Kansai, Tajikistan cheologica della Kirgizia (Ploskikh, 1977). conducted the audit appraisal work in the Nel 1977 l’archeologo e numismatico E.A. Kan-i-Gut area, accompanied by electrical Davidovich pubblicò la descrizione della profiling above the cave, detailed sampling moneta samaride di rame che era stata tro- of the cave walls for creating a model of ver- vata in una delle sale della grotta miniera tical geochemical variability and erosional di Kan-i-Gut. La moneta era stata coniata truncation evaluation of the deposit (A.D. durante il regno di Akmat bin Asad nella Sterlin, personal communication, 2012). città di Akhsikath nell’anno 277 dall’Egira In July 1987, the bats were studied in Kan- o nel 890-891 dell’Era cristiana (Davido- i-Gut by parasitologist S.N. Rybin from vich, 1977). Osh city, Kirgizia and biologists I. Horáćek Negli anni settanta sempre del secolo scor- and J. Červenỳ from Praha, Czechoslova- so i pipistrelli della Kan-i-Gut e i loro ecto- kia (Rybin et alii, 1989). parassiti sono stati studiati da S.N. Rybin In 1988, the Alai Geophysical Party, Pul- (1977; 1980). gon, Kirgizia, performed Vertical Electri- Dal 1981 al 1985, la Sezione Geofisica del-

87 cal Sounding across the Kan-i-Gut deposit la Spedizione Geologica in Centro Asia da with the AB length of 8 km (V.I. Belousov, Kansai, Tajikistan, un lavoro di revisione personal communication, 2013). nell’area di Kan-i-Gut, durante la quale fu On May 17-18, 1990, skeletal remnants effettuato un profilo elettrico sopra la grotta originating from eagle owl pellets were col- e inoltre furono presi molti campioni dal- lected and studied from a daytime roosting le pareti della grotta per creare un modello location within a cave 5-10 m away from verticale di variabilità geochimica e valu- the entrance (Obuch & Rybin, 1993). tare il troncamento dovuto all’erosione del The most comprehensive study of the de- giacimento (A.D. Sterlin, comunicazione posit was conducted by the Khaidarkan personale, 2012). Geological Exploration Party of the South Nel luglio del 1987, i pipistrelli di Kan-i- Kirgiz Geological Enterprise from Osh, Gut sono stati studiati dal parassitologo Kirgizia from 1989 to 1992 (Machulin, un- S.N. Rybin di Osh, Kirggizia e dai biologi published report, 1992). I. Horáćek e J. Červenỳ di Praha, Czecho- In 2004, a web site devoted to the Kan-i- slovakia (Rybin et alii, 1989). Nel 1988 la Gut cave mine was created by V.V. Tsib- spedizione Geofisica sugli Alai da Pulgon, anov (2004). Kirgizia, fece un sondaggio elettrico verticale del deposito di Kan-i-Gut con una stesa Cave morphology AB di 8 km (V.I. Belousov, comunicazione The cave itself is a highly complex three-di- personale, 2013). mensional labyrinth (fig. 4). One part of the Il 17-18 maggio del 1990 sono stati raccolti cave, so called the “Giant Three-Dimen- e studiati i resti ossi di boli di un aquila sional Labyrinth”, has extensively devel- da una postazione diurna dentro una grot- oped near-vertical spongework mazes with ta circa a 5-10 metri dall’ingresso (Obuch passages up to 1.5 m in diameter. There & Rybin, 1993). Comunque lo studio più were numerous attempts to survey it but completo del giacimento minerario fu fatto all failed, and not one single map of it has dalla Spedizione Geologica del Kaidarkan ever been completed. fatta nel periodo dal 1989 al 1992 dall’In- Another part consists of two large exten- dustria Geologica del Sud Kirgiz con sede sively irregular caverns (“abysses” having a Osh, Kirgizia, (Machulin, rapporto non 43×49×19 m and 68×29×80 m in size) and pubblicato, 1992). numerous smaller chambers and pits cha- Infine nel 2004 fu realizzato da V.V. Tsiba- otically interconnected by inclined irregu- nov (2004) un sito web dedicato alla grotta- lar passages. miniera di Kan-i-Gut A.F. Sosedko (1935) noted that in spite of the complex planimetry of the cave, it is Morfologia della grotta clearly traceable on a map that numerous La grotta è un labirinto tridimensionale passages and large caverns are distributed molto complesso (Fig. 4). Una parte della naturally and can be determined to be con- grotta, quella il “Grande Labirinto tridi- fined to fissure systems of longitudinal and mensionale”, ha un struttura labirintico- sub-latitudinal axes. spugnosa subverticale molto sviluppata con Three-dimensional plotting of the cave ac- passaggi di diametro fino a 1,5 metri. Sono complished with the help of the Cortona 3d stati fatti molti tentativi di rilevare que- Program, demonstrates that passages and sta area ma sono tutti falliti, pertanto non chambers of Kan-i-Gut are aligned along esiste alcun rilievo di questa sezione della one inclined plane dipping at about 35° to grotta. the NE (Fig. 4, 5). Un’altra parte è fatta da due grandi sa- The morphology of the cave rapidly chang- loni irregolari (“abissi” di 43×49×19 m e es (Tsibanov et alii, 2013), as a result of 68×29×80 m) con un grande numero di sale widespread breakdown triggered by de- più piccole e pozzi caoticamente connessi terioration of the underground workings tra loro da passaggi inclinati irregolari. implemented in 1948-1955 and numerous A.F. Sosedko (1935) osservò che nonostante

88 moderate and strong earthquakes common la planimetria estremamente complessa, è for this area. assolutamente evidente da questa che molte delle sale e delle condotte hanno una distri- Geology of the cave mine area buzione controllata da sistemi di fratture The cave mine area consists of Paleozoic longitudinali e latitudinali. formations, from Middle Cambrian to Mid- La restituzione tridimensionale del rilievo dle Carboniferous. Red sediments of the della grotta, ottenuta grazie al program- Lower Jurassic crop out in the vicinity of ma Cortona 3d, ha permesso di evidenzia- the Sagul dry channel. Middle Cambrian re come il sistema di Kan-i-Gut si sviluppa sediments are represented by shale, sili- lungo un piano inclinato immergente circa ceous schist, sandstones and volcanogenic 35° NE ( Fig. 4-5). La morfologia della grot- rocks (spilites and diabases). Lenses and ta cambia rapidamente da punto a punto remnants of black bituminous limestone (Tsibanov et alii, 2013), in conseguenza dei with rich Cambrian fauna occur frequently diffusi crolli causati essenzialmente sia dal among sandy-shale strata. Silurian shales degrado dei lavori minerari condotti tra il and black cherts have limited appearance 1948 e il 1955 e dai frequenti moderati e/o as a narrow belt inside a field of effusive forti terremoti che scuotono questa area. rocks at a foothill of the Sarytag Mountain. The area is characterized by complex Geologia dell’area della grotta- sheet-blocky structure and thin-skinned miniera thrusting. As a result, sediments of differ- L’area della grotta è costituita da formazio- ent ages are situated at the same altitude. ni paleozoiche, dal Cambrico medio al Car- Rocky block dispositions took place along bonifero medio. Sedimenti rossi del Giuras- numerous faults. sico inferiore si trovano vicino al canale

Fig. 4 - General view of a 3-D model of the Kan-i-Gut Cave Mine from North. / Modello generale in 3D della Grotta-miniera di Kan-i-Gut da Nord.

89 Fig. 5 - Plan view of a 3-D model of the Kan-i-Gut Cave Mine, without underground workings made from 1948 to 1955. / Pianta del modello in 3D della Grotta-miniera di Kan-i-Gut, senza i lavori minerari fatti tra il 1948 e il 1955.

The Kan-i-Gut cave mine is located in a secco di Sagul. I sedimenti del Cambrico tectonic package of Middle Devonian (Give- medio sono rappresentati da argilliti, scisti tian) limestone and dolostone, in a belt of silicei, arenarie e rocce vulcaniche (spiliti e tectonic mélange (Abdullaev et alii, 1972). diabase). Lenti e frammenti di calcari neri The package is embedded in terrigenous bituminosi con una ricca fauna cambriana flysh formations of Silurian and Carbonif- si trovano frequentemente nello strato sab- erous age (Voitovich & Donets, 1985). An bioso-argilloso. Le argilliti e le selci nere, alternative point of view exists stating that poco comuni, formano un sottile letto all’in- the Kan-i-Gut carbonate package is an ol- terno di un campo di rocce effusive alla istoplate, embodied in the Middle Carbon- base della montagna di Sarytag. iferous mélange matrix (Belousov, 1998). L’area è caratterizzata da un complessa According to the Vertical Electrical Sound- struttura a strati e blocchi e di accavalla- ing and core wells, the carbonate package menti pellicolari, Conseguentemente sedi- is monoclinally dipping at 20°-30° to the menti di età differenti si trovano alla stessa East. quota. La disposizione dei blocchi rocciosi It is deformed by local folds and an infre- segue l’allineamento delle numerose faglie quent network of variously oriented steep- presenti nell’area. ly dipping faults with relative vertical La grotta-mimiera di Kan-i-Gut si trova in shifting ranging up from 100 m to 150 m. un pacco tettonico di calcari e dolomie del There is a narrow bundle of steeply dipping Devoniano medio (Givetiano) (Abdullaev et faults on the west side of a cave block. They alii, 1972). Quest’ultimo è incapsulato nel- are spread to the East and disappear in the le formazioni flyscioidi del Siluriano e del overlying siliceous strata. Carbonifero (Voitovich & Donets, 1985).

90 Ores Esiste però anche un’altra ipotesi che dice The Kan-i-Gut silver-lead-zinc deposit is che le formazioni carbonatiche di sono una defined as belonging to the Mississippi Val- olistoplacca entro un mélange del Carboni- ley-type. Ores are concentrated in the up- fero medio (Belousov, 1998). per part of the carbonate block. The upper Secondo i dati di carotaggio e quelli del limit of the deposit is controlled by a plane sondaggio elettrico verticale il pacco carbo- of the Kan-i-Gut Thrust, and does not de- natico, una monoclinale che immerge verso velop above it. The lower part of the depos- 20°-30° Est, è deformato da pieghe loca- it doesn’t have structural limitation. The li e da rari sistemi di faglie semi verticali thickness of the metalliferous carbonate variamente orientate con dislocazioni che rocks is 40-50 m. Mineralization is located vanno da 100 a 150 metri. Vi è anche uno within three nearby areas: Southern, Cen- stretto pacchetto di faglie subverticali nella tral and Northern. The Central area is the parte destra del blocco della grotta, che si only one that is minable. Two varieties of allarga verso Est e scompare nei sovrastan- ores, sulfide and oxidized, were identified. ti strati silicei. Sulfide ore bodies, usually blind, were discovered in the north-east part of the Giacimenti Central area. The closest sulfide ore body Il deposito di argento-piombo e zinco di to the surface is intersected by the Main Kan-i-Gut è del tipo Mississippi Valley. entrance of Kan-i-Gut cave at the east end I giacimenti sono concentrati nella par- of the Zangur Mount. Sulfide ore bodies of te superiore del blocco carbonatico. Il loro the Central part are lense-like, sometimes limite superiore è controllato dal piano di having complex shapes concordant with compressione di Kan-i-Gut, che non supe- lamination or intersecting it. Cross-cutting ra mai. La parte inferiore del giacimento, vein-like ore bodies of Ag-Pb-Zn composi- invece, non ha un limite strutturale. Lo tion also occur. Some ore lenses are local- spessore del calcare metallifero è di circa ized along the contact of carbonate rocks 40-50 m. La mineralizzazione è localizzata and siliceous schists. Ore bodies range in tre aree adiacenti: la porzione Sud, quel- from 10 to 140 m in size along the bedding la Centrale e la porzione nord, ma quella strike, are from 0.5 to 10-12 m in thick- Centrale è l’unica che può essere coltivata. ness, and reach 100 m in length along the Sono stati riconosciuti due differenti tipi di dip. They were traced to a depth of 270 m depositi: quello a solfuri e quello a ossidati. by core wells. Underground workings in- I giacimenti a solfuri, normalmente isola- tersected these ore bodies to a depth of 100 ti, sono stati scoperti nella parte di NE del m (Machulin, unpublished report, 1992). giacimento centrale. Il giacimento a solfu- On the basis of quantitative ratio of main ri più vicino all’esterno è stato intersecato ore minerals and textural ore features K.K. dall’ingresso della grotta di Kan-i-Gut al Kurmanaliev (1968) recognized seven ore margine Est del Monte Zangur. I giacimen- types composing different parts of ore bod- ti a solfuri della zona centrale sono lentifor- ies: 1) massive galena-marcasite, 2) gale- mi, a volte con forme complesse concordanti na, 3) galena-pyrite, 4) pyrite-marcasite, 5) con la laminazione e/o perpendicolari alla impregnated veinlet galena-sphalerite ore stessa. Sono presenti anche depositi allun- in silicified limestone, 6) band-crenulated gati di Ag-Pb-Zn che intersecano le lenti a galena, 7) marcasite. solfuri, infine alcune lenti sono localizzate The average grade of lead ranges from 2.4 al contatto tra la roccia carbonatica e gli to 3.6 %, zinc from 1.6 to 1.8%, silver from scisti silicei. I giacimenti minerari hanno 185.0 to 370.5 gram per ton (Petrov, un- una lunghezza che varia tra i 10 e i 140 m published report, 1951). lungo i piani di stratificazione, uno spesso- Oxidized ores are exposed on the surface re da 0,5 a 10-12 m, e si sviluppano lungo la at the southwestern flank of the Central direzione l’immersione per 100 m. I deposti area. They are interchanged to sulfide ores sono stati seguiti attraverso carotaggi fino at the northeast and are separated by the ad una profondità di 270, mentre la colti-

91 sub-latitudinal upthrust. Sulfide ores oc- vazione mineraria ha intersecato questi de- cur on the same level with oxidized ores. posti a una profondità di 100 m (Machulin, They make up the lower parts of single rapporto inedito, 1992). tube-shaped ore bearing zones elongating Sulla base dei rapporti quantitativi dei from the SW to the NE. This zone is dip- principali minerali presenti nel giacimento ping 30-50° to the NE. The areal width of e alla struttura e tessitura dello stesso K.K. the zone ranges from 100 to 300 m, and the Kurmanaliev (1968) ha suddiviso il deposto thickness reaches 100 m, the length is no in 7 differenti parti: 1) galena e marcasite less than 1 km. massive; 2) galena; 3) galena e pirite; 4) pi- Sulfide ores are represented by dolomitized rite e marcasite; 5) vene di galena e sfalerite limestone with banded impregnation, vein- in calcare parzialmente silicizzato; 6) gale- lets and nests of sulphide minerals. A full na concrezionaria; 7) marcasite. list of hypogene ore minerals includes ga- Nel giacimento il tenore di piombo varia da lena, sphalerite, wurtzite, chalcopyrite, 2,4 a 3,6%, quello dello zinco tra 1,6 e 1,8% pyrite, marcasite, boulangerite, aikinite, e quello dell’argento tra 185,0 e 370 g/ton jamesonite, tetrahedrite, other minerals (Petrov, rapporto non pubblicato, 1951). I from the tetrahedrite group, stibnite, po- giacimenti degli ossidati sono esposti nel lybasite, pyrargyrite, argentite, acanthite fianco di SW dell’area centrale, si alternano and native silver (Sosedko, 1935; Kurmana- ai giacimenti a solfuri nella zona di SE da liev, 1972; Potapov, 2006). Non-metallic cui sono separati da una accavallamento impurities of sulfide ore include dolomite, sub-orizzontale. Gli ossidati costituiscono manganoankerite, manganosiderite, cal- la parte inferiore di una zona mineralizza- cite, barite and quartz. ta tubolare allungata da SO a NE che im- According to K.K. Kurmanaliev (1972), merge 30-50° a NE, che ha una larghezza there were three stages of hypogene sul- tra i 100 e i 300 m e raggiunge uno spessore phide ore mineralization including: 1) ga- di 100 m allungandosi per almeno un chi- lena, sphalerite, chalcopyrite, pyrite, ai- lometro. kinite and tetrahedrite group minerals; 2) Il giacimento a solfuri è costituito da cal- sphalerite, pyrite, marcasite and boulan- cari dolomitizzati con impregnazione lami- gerite; 3) sphalerite, marcasite and zinken- nare, vene e inclusi di minerali solfurei. I ite. minerali osservati sono: sfalerite, wurtzite, Oxidized ores have dark brown to yellow calcopirite, pirite, marcasite, boulangerite, brown color, and earthy to compact compo- aikinite, jamesonite, tetraedrite,con altri sition. minerali del gruppo della tetraedrite stibni- They comprise the following supergene te, polibasite, pirargirite, argentite, acan- minerals: hematite, goethite, hydromagne- tite e argento nativo (Kurmanaliev, 1972; site, pyrolusite, psilomelane, manganite, Potapov, 2006; Sosedko, 1935). Impurità polianite, jarosite, plumbojarosite, chal- non metalliche del giacimento includono cocite, covellite, anglesite, cerussite, mala- dolomite, manganoankerite, manganoside- chite, azurite, anhydrite, gypsum, iron sul- rite, calcite, barite e quarzo. Secondo K.K. fates and alum. Minor quantities of calcite, Kurmanaliev (1972), ci sono stati tre stadi quartz, pyrite, galena, smithsonite, barite di mineralizzazione ipogenica a solfuri: 1) and thin dendritic wires of native silver galena, sfalerite, calcopirite, pirite, aikinite are also present in oxidized ores (Sosedko, e minerali del gruppo della tetraedrite; 2) 1934, 1935; Kreiter & Smirnov, 1937; Oz- sfalerite, pirite, marcasite e boulangerite; 3) erova, 1960; Kurmanaliev, 1972). sfalerite, marcasite e zinkenite. Vein minerals comprise quartz, calcite, do- Gli ossidati hanno un colore da bruno scu- lomite, ankerite, manganoankerite, man- ro a bruno giallastro e unqa consistenza ganocalcite, manganosiderite, aragonite, terrosa compatta e comprendono i seguenti chalcedony, barite, plagioclase, zeolites, minerali secondari: ematite, goethite, idro- gypsum, cerussite, and smitsonite (Sosed- magnetite, pirolusite, psilomelane, man- ko, 1935; Kurmanaliev, 1972). ganite, polianite, jarosite, plumbojarosite,

92 Speleothems chalcocite, covellina, anglesite, cerussite, There was no special study on cave forma- malachite, azzurrite, anidrite, gesso, solfati tions in Kan-i-Gut. Speleothems are not di ferro e allume. abundant there. They are concentrated In minore quantità negli ossidati sono pre- in the middle part (by depth) of the cave, senti anche calcite, quarzo, pirite, galena, absent in the lower part and very rare in smithsonite, barite e fibre di argento nati- the upper part where only small carbonate ve (Kreiter & Smirnov, 1937; Kurmanaliev, stalactites and thin flowstones were found. 1972; Ozerova, 1960; Sosedko, 1934, 1935). Calcite and aragonite flowstones occur I minerali delle vene comprendono quarzo, mainly in the passages close to the Main calcite, dolomite, ankerite, manganoan- entrance. Snow-white aragonite helictites kerite, manganocalcite, manganosiderite, are rare. Green aragonite helictites grow- aragonite, calcedonio, barite, plagioclasio, ing on sulfide ore survive in only one place zeoliti, gesso, cerussite, e smithsonite (Kur- (Maksimov, 1999). manaliev, 1972; Sosedko, 1935). White gypsum anthodites up to 15 cm long could be found in larger areas but many of Il concrezionamento them were vandalized by visitors. Gypsum Non è stato fatto alcun studio specifico sul crusts ranging from a few millimeters up concrezionamento, anche perché gli speleo- to 20 cm in thickness are the most common temi non sono abbondanti nella Kan-i-Gut in the cave. Gypsum hair-like aggregates e sono concentrate nella sua parte mediana (Fig. 6) and fringes consisting of the finest (in profondità), mentre sono totalmente as- gypsum needles grow in some blind passag- senti nella parte inferiore e molto rari nella es where there is no strong air movement. parte superiore dove si trovano solo piccole stalattiti carbonatiche e sottili colate. Conclusions Colate di calcite e aragonite sono presenti Numerous passages of natural limestone solo nei passaggi vicino alla entrata princi- cave made access to Ag-Pb-Zn-Fe ore bod- pale, mentre le eccentriche bianche di ara- ies from different sides at essential dis- gonite sono rare. tance and to the depth more than 200 m Vi è un solo posto in cui si sono conservate possible. Silver-bearing oxidized ore is not eccentriche di aragonite verde sviluppate hard and readily minable with simple in- sopra i depositi minerali (Maksimov, 1999). struments like pickaxes. That is why the Antoditi di gesso bianco fino a 15 cm di cave attracted attention of ancient miners. lunghezza possono essere osservate in vari According to archaeological finds the ma- posti ma la maggioranza sono state vanda- jor mining activity in Kan-i-Gut took place lizzate. from the VIth to XIth centuries. Croste di gesso da pochi millimetri a 20 cm This activity extensively modified the mor- di spessore sono molto comuni nella grotta. phology of the cave by creating numerous Aggregati di fibre allungate di gesso (Fig. short blind passages and chambers within 6) e frange di sottilissimi aciculari crescono the oxidized ore body. Most likely the huge in alcuni passaggi a fondo cieco dove non vi size of the First and Second Abysses is è una forte corrente d’aria. also the result of ore extraction in ancient times. Insignificant mining continued spo- Conclusioni radically up to the beginning of the XIXth Molte gallerie dei una cavità naturali nel century. The period from the end of the XIth calcare ha permesso l’accesso da varei parti to the beginning of the XVIIth centuries is distanti tra loro e a differenti profondità a poorly documented from the archaeological un giacimento di Ag-Pb-Zn-Fe fino a una point of view. profondità maggiore di 200 m. Il deposito The most recent mining operations were di ossidati ricchi in argento non è molto te- conducted from 1951 to 1955. Adits and nace e quindi è facilmente coltivabile con shafts intersected numerous cave passages semplici strumenti quali un piccone: questo and abysses, also blocked and filled many spiega perché la grotta ha attirato l’atten-

93 zione degli antichi minatori. Sulla base dei ritrovamenti archeologici si è stabilito che la principale attività mineraria a Kan-i-Gut si è sviluppata tra il VI e l’XI secolo. Questa attività ha modificato in gran parte la morfologia originale della grotta creando molte gallerie cieche a camere dove vi era il corpo degli ossidati. E’ molto probabile che la grande ampiezza del Primo e Secondo Abisso siano in buona parte il risultato degli antichi lavori minerari. Una attività mineraria minima conti- nuò sporadicamente fino al XIX secolo, ma del periodo tra l’XI e il XVII secolo ci sono scarsissimi reperti archeologici. L’ultima attività mineraria fu fatta dal Fig. 6 - Aggregate of hair-like gypsum crystals 1951 al 1955: le gallerie e i pozzi minera- (photo: A. Tsibanov). / Aggregato di lunghi ri hanno intersecato molte gallerie e sale di cristalli aciculari di gesso (foto: A. Tsibanov). grotta, ma hanno anche portato al tomba- mento di vuoti naturali e antiche gallerie natural voids and ancient workings with minerarie con il materiale di risulta. waste rock. The deposit still hosts moder- Ancora oggi il giacimento contiene alcune ate ore resources. piccole risorse non coltivate.

References / Citazioni bibliografiche

Andreev M., (1896), Places of interest in Turkestan with Times: History and Culture, Moscow, Science, pp. respect to archaeology, Protocols of the Turkestan Cir- 112-125. (In Russian). cle of the Enthusiasts of Archaeology, Tashkent, pp. Denny H., (1934), Soviet finds ores in huge old cave,The 11-13. (In Russian). New York Times, July 8, Section Editorial, p. E3. Abdullaev R.N., Akhmedzhanov M.A., Borisov O.M. & Filippov A.G. & Tsibanov V.V., (2012), Preliminary out- Kadyrov M.H., (1972), Age of volcanogenic “Cambri- line of the history of study of the Kan-i-Gut mined an” formations of Madygen – Shodymir area, Uzbek cave, Speleology and Spelestology, Naberezhnye Geological Journal 6, pp. 36-39. (In Russian). Chelny, pp. 43-49. (In Russian). Belousov V.I., (1998), Role of olistostromes and over- Gvozdetsky N.A., (1954), Karst, Moscow, Geografgiz thrust sheets in geology of Turkestan-Alai (Southern Press, pp. 146-147. (In Russian). Tian-Shan), 2nd Paper, Proceedings of Higher Edu- Islamov O.I., (1955), From history of mining and geo- cational Establishments, Geology and Exploration 6, logical ideas of Central Asia peoples from antiquity pp. 33-45 (In Russian). to XVIIIth century, Outlines on History of Geological Bodylevskaya I.V., (2008), Academician A.A. Borissyak Knowledge, 4, Moscow, AN USSR Press, pp. 42-68. and the Paleontological Institute in the war years (In Russian). (1941-1943), Moscow, PIN RAN Press, 126 p. (In Rus- Islamov O.I., (1960), Study of mining sites in the repub- sian). lics of Central Asia, Proceedings of the Institute of Castagné J.-A., (1915), Modern advances in speleology History of Natural Sciences and Technology, 33, Mos- and my speleological voyages in Turkestan, Trans- cow, AN SSSR Press, pp.192-200. (In Russian). actions of Turkestan Branch of Imperial Russian Kreiter V.M. & Smirnov V.I., (1937), Polymetallic base Geographical Society, Tashkent 11(2/2), pp. 3-51. (In of Central Asia, Proceedings of Tajik-Pamir Expedi- Russian). tion, 83, Energy and Mineral Resources, Moscow-Len- Davidovich E.A. & Litvinsky B.A., (1955), Archaeolog- ingrad, AN USSR Press, pp. 69-73. (In Russian). ical outline of Isfara district, Proceedings of the In- Kurmanaliev K.K., (1968), Impurity elements in sulfides stitute of History, Archaeology and Ethnography, 35, of Kanigut deposit, Proceedings of the Academy of Stalinabad, AN Tajik SSR Press, 220 p. Sciences of Kirgiz SSR, 2, pp. 58-61. (In Russian). Davidovich E.A., (1977), New data on Samanids history Kurmanaliev K.K., (1972), Some peculiarities of lead (finding of copper coins IX-X centuries from Samar- and antimony geochemistry in ores of the Kan-i-Gut kand). In: Central Asia in Antiquity and Medieval deposit, Geology and Geochemistry of Mercury and

94 Antimony of Kirgizia, Frunze, Ilim Press, pp. 165- the Institute of Geological Sciences, AN USSR Press, 168. (In Russian). Series of Ore Deposits, Moscow 1(1), p. 75. (In Rus- Lykoshin N.S., (1896), Outline of archaeological pioneer- sian). ing in Turkestan province before the establishment of Reis V.E., (1980), Karst and caves in Kirgizia, Devel- the Turkestan Circle of the Enthusiasts of Archaeolo- opment of Geographical Sciences in Kirgizia, Frunze, gy, Central Asian Newsletter, Tashkent, 7, 9, p. 27. Ilim Press, pp. 108-114. (In Russian). (In Russian). Rybin S.N., (1977), Fauna of bats and their ectopara- Maksimov G.M., (1999), Kan-i-Gut – myths and reality, sites in Southern Kirgizia, Rare Species of Mammals Spelestological Yearly Periodical of ROSI, Moscow, and their Protection, Moscow, Science Press, pp. 60- pp. 81-90. (In Russian). 62. (In Russian). Mallitsky N.G., (1897), The Mine of Death (Kan-i-Gut Rybin S.N., (1980), Chiropterans in Southern Kirgizia, cave), Protocols of Turkestan Circle of the Enthusi- Chiroptera. Questions on Teriology, Moscow, Science asts of Archaeology, Second year, (Supplement to the Press, pp. 87-95. (In Russian). Protocol dated December 11, 1896), Tashkent, pp. Rybin S.N., Horáćek I. & Červený J., (1989), Bats of 1-18. (In Russian). Southern Kirghizia: Distribution and Faunal Status, Masson M.E., (1928), Coin findings in Central Asia European Bat Research 1987, Charles Univ. Press, during 1917-1927, Proceedings of the Central Asian Praha, pp. 421-441. Committee on Museums, Preservation of Monuments Shcherbakov D.I., (1924), Deposits of radioactive of Antiquity, Art and Nature 3, Tashkent, pp. 280- ores and minerals in Fergana and challenges of 293. (In Russian). their further study, Materials for Study of Natural Masson M.E., (1934), History of the mining industry of Productive Forces in Russia 47, Leningrad, 59 p. (In Tajikistan. Former mining of natural resources, Len- Russian). ingrad, AN USSR Press, 105 p. (In Russian). Smirnov V.I., (1970), In geological expeditions, Science Masson M.E., (1971), The Mine of Death, Frunze, Kyr- and Life 12, pp. 69-79. (In Russian). gyzstan Press, 48 p. (In Russian). Snesarev A.N., (1926), Materials on radioactivity dis- Moskvin A.V., (1933), Tephroite from ancient slags, tribution in western part of Fergana Oblast, Trans- Transactions of the Petrographic Institute, 4, pp. 45- actions on Radium Study, 2, Leningrad, pp. 121-200. 52. (In Russian). (In Russian). Nazaroff P., (1929), Kuh-i-Sim: the treasure of Turkes- Sosedko A.F., (1934), Mineral resources of Turkestan tan, Blackwood’s Magazine 226, pp. 184-196. Range, Tajik-Pamir Expedition, year 1933, Lenin- Nazarov P.S., (1914), Ancient silver mine Kuh-i-Sim, grad, Geokhimizdat Press, pp. 53-66. (In Russian). Turkestan News 12, Tashkent, p. 2. (In Russian). Sosedko A.F., (1935), Kon-i-Gut, Socialist Science and Obuch J. & Rybin S.N., (1993), Food of the eagle owl Technology 12, Tashkent, pp. 17-24. (In Russian). (Bubo bubo zaissanensis Chachlov) in Southern Kir- Tsibanov V.V., (2004), Kan-i-Gut, Main page , Accessed 2013 Jan 12. Ozerova N.A., (1960), On the genesis of mercury and an- Tsibanov V.V., Filippov A.G. & Dudashvili A.S., (2013), timony deposits in the South Fergana, Geochemistry Morphology and 3D images of the Kan-i-Gut mined 3, pp. 251-260. (In Russian). cave, Speleology and Karstology 10, Simferopol, Ploskikh V.M., (1977), Kirgiz people and the Kokand pp. 5-15, , Ac- Popov M.G., (1924), Kon-i-Gut Cave in the Fergana cessed 2013 Jan 30. (In Russian). mountains, Transactions of the Turkestan Branch Veber V.N., (1934), Geological map of Central Asia. of Russian Geographical Society 17, pp. 179-184. (In Sheet VII-6 (Isfara), northern part, Transactions of Russian). the All-Union Geological Exploration Trust PCHI Potapov S.S., (2006), Medieval cave mine Kon-i-Gut USSR, 194, Leningrad-Moscow-Novosibirsk, 277 p. (Kyrgyzstan), Geoarchaeological studies in the Ti- (In Russian). man-North Ural region, Syktyvkar, pp. 81-85. (In Vel’yaminov-Zernov V.V., (1856), Information about the Russian). Kokand khanate, Newsletter of the Imperial Russian Preobrazhensky I.A., (1926), Deposits of radioactive Geographical Society 18 (5), St. Petersburg, pp. 107- minerals in Western Fergana, Proceedings on Radium 153. (In Russian). Study, 2, Leningrad, pp.73-120. (In Russian). Voitovich V.S. & Donets A.I., (1985), Southern Fergana Radkevich E.A., (1938), Lyakan polymetallic deposit in tectonic zone and its metallogeny, Soviet Geology 1, the South Fergana and its genesis, Transactions of pp. 86-95.

Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 97-98

SPELEOTHEMS FROM MINE CAVES AND THEIR SUITABILITY AS PALEOCLIMATE RECORDERS. THE CASE OF A STALAGMITE FROM PEŞTERA FAGULUI, ROMANIA SPELEOTEMI DELLE GROTTE DI MINIERA E LA LORO IDONEITÀ COME REGISTRATORI DEL PALEOCLIMA. IL CASO DI UNA STALAGMITE DI PEŞTERA FAGULUI, ROMANIA

Silviu Constantin1, Ana-Voica Bojar2 & Stein-Erik Lauritzen3

Abstract Riassunto New caves were often discovered in the mining Spesso sono state scoperte nuove grotte negli im- works from the karst of Romania. pianti di estrazione mineraria del carso della Ro- In most instances, exploration mine galleries ex- mania. Nella maggior parte dei casi, le gallerie cavated in search of thermal-contact ores inter- della miniera, scavate mentre si cercavano le roc- cepted caves passages from the nearby limestone ce metallifere di contatto termale, intercettavano formations. dei passaggi delle grotte delle formazioni calca- Often such caves host not only classical calcite ree adiacenti. Di frequente tali caverne ospitano speleothems but also rare cave minerals formed non solo classici speleotemi di calcite, ma anche on behalf of the accessory minerals from the ther- dei rari minerali formatisi da minerali secondari mal-contact zone. della zona di contatto termale. Gli speleotemi di Calcite speleothems formed in caves discovered calcite formatisi nelle grotte scoperte grazie all’at- by mining works hold the potential of paleocli- tività estrattiva sono delle testimonianze poten- matically-significant records since the caves are zialmente significative dal punto di vista paleocli- often sealed from the surface thus offering the matico poiché le grotte sono spesso sigillate dalla best conditions for calcite to precipitate at isoto- superficie e pertanto offrono alla calcite le migliori pic equilibrium with the percolating water. condizioni per precipitare all’equilibrio isotopico In this paper we review several cases of mine- con l’acqua percolante. In questo studio verran- caves discovered in the karst of Romania and no esaminati diversi casi di grotte di miniera sco- discuss the PF1 stalagmite collected from the perte nel carso della Romania e verrà analizzata Peştera Fagului, Northwestern Carpathians. la stalagmite PF1 raccolta a Peştera Fagului, a Peştera Fagului was discovered in a prospection nord-ovest dei Carpazi. Peştera Fagului venne mine gallery, in 1973, and it was sadly vandal- scoperta in una galleria di una miniera nel 1973, ized for its unique aragonite speleothems shortly ma poco dopo venne distrutta dai vandali per via after. dei suoi speleotemi eccezionali di aragonite. La The stalagmite PF1 was retrieved in 2001 and stalagmite PF1 venne raccolta nel 2001 ed è stata has been dated by 10 high-resolution 230Th datata utilizzando dieci sottocampioni misurati TIMS-measured subsamples. con la spettrometria di massa con ionizzazione

1 “Emil Racoviţă” Institute of Speleology, Bucharest, Romania 2 University of Salzburg, Dept. of Geography and Geology, Salzburg, Austria 3 University of Bergen, Dept. of Earth Sciences, Bergen, Norway

97 The basal part of the stalagmite formed as early termica (TIMS) ad alta risoluzione con Torio 230. as ~246 ka and grew at a very slow rate, includ- La base della stalagmite risale a circa 246 mila ing several hiatuses marked by aragonite lami- anni fa e si è formata molto lentamente, compresi nae until ca. 90 ka BP. dei periodi di stasi contrassegnati dalle lamine di The stalagmite resumed its growth between ~12 aragonite, fino a circa 90 ka BP. La stalagmite ka and ~4 ka BP when calcite deposited with an riprese a crescere tra circa 12 e 4 ka BP, quando apparently steady rate and no discernable hiatus. la calcite si depositò a un ritmo apparentemente A total of 125 oxygen and carbon stable isotope costante, con nessun periodo di stasi rilevabile. samples were measured along its longitudinal Lungo il suo asse longitudinale sono stati misu- axis. rati 125 campioni di isotopi di carbonio e ossigeno They yield a fragmentary stable isotope record for stabili. Rappresentano una testimonianza isotopi- the MIS7 and MIS5 and a theoretically continu- ca stabile frammentaria del MIS7 e MIS5 e una ous isotope record for the ~8000 years following ipotetica testimonianza isotopica continua per i the Bölling-Allerød Interstadial. circa 8000 anni successivi al periodo interstadiale The record suggests that in this region: (a) the di Bölling-Allerød. I dati raccolti indicano che in calcite deposition was especially favored by colder questa regione: (a) il deposito della calcite è stato periods; (b) aragonite layers seemed to be prefer- favorito particolarmente nei periodi più freddi; (b) entially at the onset of warmer periods; (c) known gli strati di aragonite sembrano risalire ai periodi cold events such as the Younger Dryas or the 8.2 più caldi; (c) i periodi di clima freddo conosciu- ka event are, yet again, not clearly discernable in ti, quali il Dryas recente, non risultano rilevabi- the isotope record of speleothems from Romania. li dalle testimonianze isotopiche degli speleotemi della Romania.

98 Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 99-100

PALAEOFLOOD EVENTS IN EL SOPLAO CAVE (CANTABRIA, NORTHERN SPAIN) DURING THE LAST 500 KA RECORDED BY SPELEOTHEMS LE PALEOINONDAZIONI DELLA GROTTA DI EL SOPLAO (CANTABRIA, SPAGNA SETTENTRIONALE) DEGLI ULTIMI 500 KA REGISTRATE DAGLI SPELEOTEMI

Fernando Gàzquez1,2, José-Marìa Calaforra1, Bassam Ghaleb3, Laura Sanna1, Stein-Erik Lauritzen3 & Paolo Forti4

Abstract Riassunto El Soplao cave (Cantabria, northern Spain) was La grotta di El Soplao (Cantabria, Spagna setten- discovered in the mid-nineteenth century as re- trionale) venne scoperta nella metà del XIX seco- sult of mining activity in La Florida mine. lo in seguito all’attività estrattiva nella miniera Spectacular helictites, anthodites and huge va- di La Florida. Eccentriche spettacolari, antoditi dose speleothems are the most relevant aesthetic ed enormi speleotemi vadosi sono le caratteristi- features of this show mine-cave. che estetiche più importanti di queste fantastiche In some of its karst conduits there are also sever- grotte di miniera. In alcuni dei suoi condotti car- al evidences of palaeofloods that have introduced sici vi sono anche diverse testimonianze di pale- fine-grained detrital materials into the cave. oinondazioni che introdussero materiali detritici Flowstones composed by aragonite laminas inter- a grana fine all’interno della grotta. Speleotemi layered within successive thin strata of cemented composti da lamine di aragonite inserite tra degli silt and clay show clear evidences of these differ- strati sottili di limo e argilla cementati sono una ent events. prova inconfutabile di questi avvenimenti. Strati Discontinuos aragonite layers, formed under qui- di aragonite discontinui formatisi in condizioni et vadose conditions by laminar flow on the de- vadose dovute al flusso laminare nei materiali trital materials, are alternated with alluvial de- detritici si alternano a depositi alluvionali carat- posits looped with a decrease of clastic material terizzati da un decremento del materiale clastico upwards and marked by sharp erosional surfaces. nella parte superiore e contraddistinti da superfi- Close to the top of the flowstones, Fe-Mn oxide ci erosive aguzze. Vicino alla parte superiore degli precipitation also occurred. speleotemi, si sono verificate delle precipitazioni Results from U-Th dating of the lowest aragonite di ossido di ferro e manganese. I risultati della layer reveals that the early flood epoch is older datazione U/Th dello strato più in basso dell’a- than 500 ka BP (the first-formed carbonate lami- ragonite rivela che l’epoca delle prime inondazio- nae is out of the U-Th age-limit). ni risale a più di 500 ka BP (la prima lamina di Since 420 +69/-43 ka BP (Marine Isotope Stage carbonato ad essersi formata è superiore al limite 11) flowstones have kept intermittently growing massimo della datazione U/Th). Da 420 +69/-43

1 Water Resources and Environmental Geology Research Group, University of Almerìa, Spain 2 Centre de Recherche en Géochimie et Géodynamique, McGill University Montreal, Canada 3 Department of Geology, University of Bergen, Norway 4 Italian Institute of Speleology, University of Bologna, Italy

99 until at least 32 ± 0.3 ka BP. In addition, during ka BP (Stadio Isotopico Marino 11) gli speleotemi the period spanning from 400 +66/-42 to 32 ± 0.3 hanno continuato a crescere in maniera intermit- ka BP, three layers of Fe-Mn oxide precipitated, tente fino ad almeno 32 ± 0.3 ka BP. Inoltre, nel but Mn-Fe pavements also appear in other cave periodo compreso tra 400 +66/-42 e 32 ± 0.3 ka galleries at the bottom of stalagmites older than BP, precipitarono tre strati di ossido di Mn-Fe, 1 Ma. ma i pavimenti di Mn-Fe sono presenti anche in Furthermore, carbonate precipitation continued altre gallerie della grotta, alla base di stalagmi- during the Holocene, as shown by dating of a ti risalenti a più di 1 Ma di anni fa. Inoltre, le stalagmite from El Bosque Chamber (3.3 - 5.2 ka precipitazioni di carbonato proseguirono duran- BP, at the top and the bottom of it, respectively). te l’Olocene, come dimostrato dalla datazione di Later, some speleothems were covered with mud una stalagmite prelevata dalla stanza di El Bo- that point to recent floods occurred during the sque (3.3 - 5.2 Ka BP, nella parte superiore e nella Late Holocene. parte inferiore, rispettivamente). Successivamen- On some of those spelothems, hydromagnesite te, alcuni speleotemi vennero ricoperti dal fango moonmilk has been identified and suggests aeri- e ciò riconduce alle recenti inondazioni del tardo al conditions that could easily be related to the Olocene. Su alcuni di questi, è stato individuato opening of the mine. moonmilk di idromagnesite che fa supporre delle On the basis of these data, El Soplao cave seems condizioni aerate che possono essere ricondotte fa- to have been hydrodynamically active during at cilmente all’apertura della miniera. Sulla base di least the last million years with a complex multi- questi dati, la grotta di El Soplao sembra essere stage evolution. rimasta attiva da un punto di vista idrodinamico per almeno l’ultimo milione di anni con un’evolu- Acknowledgements zione multistadio complessa. Financial support for this work was made available through the “PALEOGYP” International Ringraziamenti Collaboration Project (CGL2006-01707/BTE Min- Il contributo finanziario per questo lavoro è stato istry of Science and Innovation, Spain and FED- fornito dal progetto di cooperazione internazio- ER funds of EU), the Spanish Science grant AP- nale “PALEOGYP” (CGL2006-01707/BTE Mini- 2007-02799 and the GLOCHARID Project of the stero della Scienza e dell’Innovazione, Spagna e Junta de Andalucia Regional Government. fondi FESR dell’UE), dalla sovvenzione spagnola per la scienza AP-2007-02799 ed il progetto GLO- CHARID del governo autonomo dell’Andalusia.

100 Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 101-108

INDIRECT DATING OF TWO SPELEOTHEMS IN A FIELD OF PYRITIZED BAUXITES (MIRNA VALLEY - AT MINJERA- CENTRAL ISTRIA - CROATIA). DATAZIONE INDIRETTA DI DUE SPELEOTEMI IN UN GIACIMENTO DI BAUXITI PIRITIZZATE (VALLE DELLA MIRNA-LOCALITÀ MINJERA - ISTRIA CENTRALE - CROAZIA).

Enrico Merlak1

Abstract Riassunto During a research on bauxites in the Classical Durante le ricerche condotte sulle bauxiti carsiche Karst (Istria, northern Dalmatia), a detailed presenti nel territorio carsico della regione (Carso study of the central Istrian deposits of pyritized classico, Istria, Dalmazia settentrionale), è stato bauxites (Croatia) was performed to verify the eseguito uno studio in dettaglio sui giacimenti di relationships between the mineralization pro- bauxiti piritizzate dell’Istria centrale per verifi- cesses and the present karstic phenomenon. care i rapporti che intercorrono tra i processi di The research focused on two contiguous and in- mineralizzazione ed il fenomeno carsico presente. terconnecting ore deposits in the area of Minjera La ricerca si è concentrata su due giacimenti arti- near Buzet (Pinguente) in the Quieto Valley (Mir- ficiali contigui ed intercomunicanti nella località na). The study was carried out through the deter- Minjera presso Buzet (Pinguente), nella Valle del mination of: Quieto (Mirna). Lo studio è stato eseguito attra- - spatial distribution of the deposits, local stra- verso la determinazione di: tigraphy and tectonic deformations; -assetto spaziale dei giacimenti, della stratigrafia - verification of the relationship between the min- locale e delle deformazioni tettoniche, qui molto eralizations, bauxites and speleothems; intense - characterization of percolation waters in the -verifica dei rapporti tra mineralizzazioni della field and petrography. roccia, bauxiti e speleotemi rinvenuti e misurati The studied sites, registered with the numbers -caratterizzazione delle acque di percolazione pre- d15 and d16, are contiguous and communicating senti nel giacimento e analisi delle rocce. with each other, with two separate entrances at I siti studiati, registrati con i numeri d15 e d16, different altitudes, and therefore affected by a sono contigui e comunicanti tra loro, con due en- high and constant air circulation. trate separate e a quote diverse, e quindi interes- The entirely artificial caves, are dug in lamel- sati da una forte e costante circolazione d’aria. lar, friable and spathic, highly mineralized lime- I giacimenti, interamente artificiali, sono scavati stones of the Paleocene. in calcari lamellari del Paleocene, friabili e sfal- The deepest part of the tunnels and of the cavern- dabili, fortemente mineralizzati. ous rooms is covered with digging debris and is Il fondo delle gallerie e dei vani cavernosi è coper- barely explorable. to da detriti di scavo ed è difficilmente esplorabile. 1) In the mineralized deposit d15 beautiful and 1) Nel giacimento d15 è stata individuata una for-

1 Geologist. E-mail [email protected] . Commissione Grotte “E. Boegan”, Società Alpina delle Giulie- C.A.I., via di Donota 2, Trieste: E-mail [email protected]

101 mazione di bellissimi e minuti cristalli di gesso, aghiformi e bianchissimi. La formazione è discen- dente dal soffitto della caverna artificiale. L’esame accurato delle pareti non rivela la presenza di vani preesistenti di origine carsica. L’origine di questa formazione, rarissima per tutta l’area, è attribuibile alla presenza in superficie di concentrazione di solfuri contenuti nelle bauxiti e trasformati in solfati che, attraverso la percolazione e l’intensa ventilazione, consentono la precipitazione e la veloce cristallizzazione. La presenza, anomale per il territorio, di questa co-

lata di gesso, è riconducibile al sistema S-H2O in cui intervengono sia gli equilibri acido-base sia gli equilibri ossido-riduttivi. 2) Nel giacimento d16 è stata individuata una formazione di calcite del peso stimato in 3 tonnellate generatasi successivamente allo scavo della galleria, nella quale non si rinvengono altre manifestazioni carsiche. Per questi speleotemi l’età non può essere superiore ai 400 anni essendo questi sviluppati successivamente allo scavo dei minatori in giacimenti interamente artificiali nei quali non sono stati intercettati preesistenti vani carsici. Questa scoperta è un esempio di datazione indiretta e fa capire come la comprensione esatta Fig. 1 - Survey of spatial structures of faults and dell’accrescimento di speleotemi, nel suo aspetto main fractures in the contacts between limestone quantitativo, possa richiedere una revisione di al- and bauxites in d16 mine (tunnel) of Minjera. / cuni parametri. Misure di assetto spaziale delle faglie e delle Parole chiave: bauxite carsiche, concrezioni, fratture principali al contatto tra i calcari e le bauxiti, piritizzate, gesso. bauxite nel giacimento d16 di Minjera. Introduzione Nel corso degli studi mirati ad interpretare i rapporti intercorrenti tra bauxiti, calca- minute needle-shaped and pure white gypsum ri e fenomeni carsici del territorio è stata crystals are present. These formations occur on condotta una ricerca specifica su alcuni the ceiling of the artificial cavern. The examina- giacimenti e depositi di bauxiti presenti tion of the walls does not reveal the presence of preexisting karstic rooms. nell’Istria centrale (Croazia). La ricerca si The origin of this formation, very uncommon è concentrata su due giacimenti tra loro co- for the area and for the whole region, is attrib- municanti, descritti come d15 e d16, in lo- utable to the presence at the surface of sulfides calità Minjera presso Buzet nella valle del contained in the bauxites and transformed into fiume Mirna M( erlak, 2011) sulfates that, through percolation and intense Sul terreno sono stati determinati: ventilation, allow the precipitation and the quick -assetto spaziale e geologico delle rocce e dei crystallization of gypsum. The presence of gyp- depositi bauxitici (Fig. 1) sum is ascribable to S-H2O system in which both acid-base equilibria and oxidation and reduction -rapporti strutturali tra calcari e bauxiti equilibria are involved. (Fig. 2) 2) In the mineralized deposit d16 a formation of -studio degli speleotemi presenti calcite, formed after the digging of the tunnel and -caratterizzazione delle acque di percolazio- estimated to weigh 3 tons, was found. The age of ne this speleothem is less than the age of the tunnel, i.e. younger than 400 years, since the tunnel does -studio litologico delle bauxiti presenti. not intercept natural caves. I principali litotipi bauxitici di Minjera Keywords: karst bauxites, speleothems, py- sono caratterizzati dalla presenza di piri- ritized bauxites, gypsum. te, associata a marcasite, anatasio, torma-

102 Fig. 2 - Heavily mineralized Paleocene limestones in the layer d15 of Minjera: marcasite, pyrite, alluminium oxides and hydroxides (gibbsite and boehmite), gypsum speleothems, goethite, hematite. / Calcari Paleocenici fortemente mineralizzati nel giacimento d15 di Minjera: marcasite, pirite, concrezioni di gesso, ossidi ed idrossidi di alluminio, goethite, ematite.

Introduction lina e zircone (Šinkovec B. et alii, 1994). In the course of the studies aimed to in- Le bauxiti piritizzate di Minjera hanno un terpret the relationship between bauxites, contenuto medio di solfuri del 5,5 % (Gabrič limestones and karstic phenomena of the et alii, 1995). E’ stata accertata anche la area, a specific research was conducted on presenza di radionucleidi quali 40K, 226Ra, 228 238 137 some layers and deposits of pyritized baux- Ra, U, Cs (Gabric & Prohič, 1995). ite present in central Istria (Croatia). The Le bauxiti presentano un colore da rosso a research is focused on two communicating rosso-bruno, talvolta giallastro; questi lito- tunnels, described as d15 and d16, at Min- tipi si associano a litotipi bianco-grigiastri. jera near Buzet in the valley of the river Le pareti calcaree dei giacimenti risultano Mirna (Merlak, 2011). in alcuni punti intensamente mineralizzate In the field the following characteristics a pirite, marcasite, gesso, boehmite e gibb- were determined: site, ematite e goethite (Fig.2). -spatial and geological structure of the Le bauxiti non rivelano tracce di stratifica- rocks and of the pyritized bauxite depos- zione, si presentano in strutture simili a fi- its (Fig. 1) loni o in masse anomale, mai in depositi di -structural relationships between lime- rilevante volume. stones and bauxites (Fig. 2) Il contatto con i calcari è sempre netto, con- -study of the present speleothems dizionato da faglie, ben distinguibile, tal- -characterization of percolating waters volta misurabile in dettaglio.

103 A Minjera le bauxiti si rinvengono in corrispondenza dei calcari Paleocenici ed alla base dei calcari ad Alveoline e Nummuliti, e solamente in corrispondenza di rilevanti deformazioni tettoniche. Per quanto riguarda la genesi dei depositi, le opinioni sono discordanti. Natura, origine, e rapporti tra bauxiti Istriane e calcari incassanti costituiscono argomento di dibattito che investe anche la “terra rossa”. Questo dibattito interessa anche gli studiosi di carsismo.

I giacimenti d15 e d16 di Minjera. I due giacimenti sono intercomunicanti con due separate aperture esposte rispettivamente a Nord e ad Est. Ne consegue una costante circolazione d’aria con una variazione di temperatura legata alle variazioni climatiche stagionali. L’esame in dettaglio delle pareti e dei vani Fig. 3 - Speleothems of calcite (about 6.000 Kg in dei giacimenti non rivela assolutamente weight) in the layer d16, near the connection with vuoti di origine carsica preesistenti allo the d15. / Colata calcitica (circa 6000 Kg.) nel scavo ed eventualmente intercettati dal- giacimento d16, in prossimità del collegamento lo scavo stesso. Risulta invece eccezionale, con il giacimento d15. per contrasto, l’esistenza di due speleotemi accresciuti dopo l’apertura artificiale delle -lithological study of the present bauxites. gallerie, speleotemi che, all’esame, si sono The main bauxite lithotypes of Minjera are rivelati di sorprendente interesse. characterized by the presence of pyrite, associated with marcasite, anatase, tour- Giacimento d15: età della scavo della galle- maline and zircon (Šinkovec et alii, 1994). ria circa 400 anni the pyritized bauxites of Minjera have an Nel giacimento d15, in prossimità dell’en- average content of sulfur of 5.5% (Gabrič et trata, è stata rinvenuta una colata di stu- alii, 1995). pende concrezioni gessose, aghiformi, mi- The presence of radionuclides such as 40K, nute, bianchissime, molto ben conservate. 226Ra, 228Ra, 238U, 137Cs was also ascertained La colata ha un fronte della larghezza di (Gabrič & Prohič, 1995). circa 70 cm ed una altezza di 150 cm, con The bauxites show a color from red to red- uno spessore medio di pochi centimetri (Fig. brown, sometimes yellowish; these rocks 4). L’origine è attribuibile alla presenza are associated with grey-white lithotypes. originaria, in superficie, di concentrazioni The limestone walls of the deposits are, importanti di solfuri trasformati in solfati in some spots, intensely mineralized with che attraverso un sistema di percolazione e pyrite, marcasite, gypsum, boehmite and ventilazione, consentono la precipitazione e gibbsite, hematite and goethite (Fig. 2). la cristallizzazione veloce del gesso. The bauxites do not reveal traces of strati- La presenza di colate di gesso è riconduci- fication, they appear as structures similar bile al sistema S-H2O in cui intervengono to veins or to abnormal masses, never in sia gli equilibri acido - base sia gli equilibri layers of considerable volume. ossido - riduttivi. Nel caso esaminato una The contact with the limestones is always spiegazione possibile è che la concrezione clear, conditioned by faults, quite distin- –2 gessosa derivi da un eccesso di ioni SO4 guishable, sometimes measurable in detail. nelle acque di percolazione.

104 At Minjera, the bauxites are found in cor- Lo ione solfato proviene dall’ossidazione, respondence of Paleocene limestones and da parte dell’ossigeno, dei solfuri origina- limestones containing Alveolines and Num- riamente presenti in superficie, 5 metri so- mulites (Eocene), and only in correspond- pra il giacimento, e concentrati in alcune ence of relevant tectonic deformations. masse bauxitiche sovrastanti. With regard to the genesis of the deposits, La posizione particolare della colata, pros- the opinions are divided. Nature, origin sima all’ingresso ed in una cavità che inter- and relations between Istrian bauxites and cetta una seconda, ha garantito una venti- embedding limestones are a matter of de- lazione costante e favorito una veloce preci- bate which also involves the “terra rossa”. pitazione del gesso in cristalli minutissimi. This debate is also interesting to scholars E’ un caso raro nella regione, Carso classico of karstification. compreso. La colata dei cristalli di gesso si è originata The mineralized deposits d15 e d16 at tra la volta e la parete Ovest della galleria, Minjera. in corrispondenza di un piccolo sistema di The two mine tunnels are interconnected fratture, su una superficie calcarea scavata with two separate openings facing North artificialmente (Fig. 5). and East. This enables the presence of a L’età delle concrezioni non può essere supe- constant air circulation with a tempera- riore all’età della galleria (circa 400 anni). ture variation linked to seasonal weather changes. The study in detail of the walls Giacimento d16: età della scavo della galle- and rooms of the tunnels does not reveal ria circa 400 anni pre-existing karstic voids intercepted by Il giacimento d16 è collegato al preceden-

Fig. 4 - Gypsum crystals in the layer d15. / Concrezioni di cristalli di gesso nel giacimento d15.

105 the excavation itself. te ed in posizione superiore. In prossimità The existence of two speleothems, grown dell’ingresso è presente un potente deposito after the artificial opening of the tunnels, di calcite. is rather exceptional. Si tratta di una colata generatasi per effetto di intensa percolazione d’acqua successiva- Mineralized deposit d15: age of the tunnel mente allo scavo della galleria attraverso la excavation about 400 years presenza, tra parete e soffitto, di una zona In the adit d15, near the entrance, a flow- intensamente percorsa da microfratture stone of beautiful needle-shaped, minute, (Fig. 3). La colata calcitica ha già raggiun- pure white, very well preserved gypsum to un volume di quasi 3 metri cubi. concretions, was found. The flowstone has In tutta la galleria artificiale non si rinven- a front of about 70 cm in width and 150 cm gono altre manifestazioni carsiche, né spe- in height, with an average thickness of a leotemi. few centimeters (Fig. 4) Alla colata calcitica (circa 6 tonnellate di Its origin is attributable to the originary peso) non può essere attribuita un’età supe- presence, on the surface, of important con- riore all’età della galleria (circa 400 anni) centrations of sulfides that turned into (Marusic et alii, 1993, 1995). sulfates that, through a system of percolation and ventilation, allowed for the pre- Discussione e conclusioni cipitation and the quick crystallization of Lo sfruttamento della bauxiti piritizzate di gypsum. The presence of gypsum is ascrib- Minjera, nella valle della Mirna, risale al able to the S-H2O system, in which both sedicesimo secolo. Per il contenuto in piri- acid-base equilibria and oxidation and rete e marcasite, furono sfruttate soprattutto duction equilibria are involved. In the ex- per la produzione di vetriolo ed allume. amined case, a possible explanation is that Il primo lavoro moderno e completo sulle the gypsum concretion is the result of an bauxiti piritizzate di Minjera è attribuibile -2 inkovec excess of SO4 ions in percolation waters. a Š B. et alii (1994). Una accura- The sulfate ion comes from the oxidation of ta descrizione dei giacimenti si trova nel- the sulfides originally present at the sur- l’”Excursion Guide Book” del I Congresso face, 5 meters above the layer, and concen- geologico Croato del 1995 (Gabrič et alii, trated in some overlying bauxite masses. 1995). The peculiar position of the flow, near the Per le valutazioni del problema riguardan- entrance and in a cavity that intersects a ti gli assetti strutturali delle bauxiti ed i second one, has ensured a constant venti- rapporti intercorrenti con i calcari circo- lation and a quick precipitation of gypsum stanti ed incassanti, è necessario rilevare into very tiny crystals. che nell’area i terreni ed i percorsi sono ma- It’s a rare occurrence in the region, includ- lagevoli con forti asperità e folta vegetazio- ing the classical Karst. ne che rallenta le operazioni topografiche. The cascade of gypsum crystals has origi- Le deformazione tettoniche sono intense e nated between the vault and the west wall complesse, non sono visibili in superficie of the gallery, just next to a system of small cavità carsiche ed i giacimenti bauxitici fractures, on an artificially excavated lime- sono dispersi un po’ dapertutto. stone surface (Fig. 5). Gli scavi non hanno intercettato alcun vano The concretions can not be older than the carsico ipogeo preesistente né alcuna for- tunnel (about 400 years). mazione concrezionaria di riempimento ma sono stati eseguiti nella roccia compatta e Mineralized deposit d16: age of the tunnel senza vuoti. excavation about 400 years I filoni bauxitici e le masse mineralizzate The adit d16 is connected to the previous presenti sono venuti alla luce attraverso lo one and is in an upper position. Near the scavo. Nel complesso le indagini non rivela- entrance there is a mighty deposit of cal- no connessioni tra carsismo e depositi resi- cite. It is a flowstone that is produced as duali bauxitici.

106 a result of intense percolation of water between wall and ceiling in a highly fractured area (Fig. 3). The flowstone is younger than the excavation of the tunnel. The flowstone has already reached a volume of 3 cubic meters. Throughout the artificial tunnel no other karstic phenomena, neither speleothems are found. The flowstone (about 6 tons) must be less than 400 years old (Marusič et alii, 1993, 1995).

Discussion and conclusions The exploitation of pyritized bauxites of Minjera, in the valley of the Mirna, dates back to the sixteenth century. For their pyrite and marcasite content, these bauxites were mainly exploited for the production of vitriol and alum. The first modern and complete work on pyritized bauxites of Minjera is attributable to Šinkovec and co-authors (Šinkovec B. et alii., 1994). An accurate description of the deposits is found in ‘”Excursion Guide Book” of the Croatian Geological Congress of 1995 (Gabrič et alii, 1995). For the evaluation of the problem concerning the structures of the bauxites and their relationships with the surrounding embedding limestones, we must remember that, in the area, the surface and the paths are of difficult access and thick vegetation slows down the topographic operations. The tectonic deformations are intense and Fig. 5 - Separation fault between bauxite complex, not visible at the surface; karstic sediment and Paleocene limestones at the cavities and bauxite layers are scattered entrance of the adit d15. / Faglia di separazione tra bauxite e calcari del Paleocene all’ingresso everywhere. del giacimento d15. The excavations have not intercepted any pre-existing natural cave or any filling con- cretionary formation but were carried out in the solid rock. The bauxite veins and the mineralized masses there present have Unici testimoni evidenti di speleotemi come to light thanks to the excavation. sono rappresentati dalle due concrezioni On the whole, the surveys do not reveal sopra descritte. connections between karstification and re- I due sistemi si sono generati successiva- sidual bauxite deposits. The speleothems mente allo scavo delle gallerie, e quindi formed after the excavation of the tunnels, dopo il sedicesimo secolo. and thus after the sixteenth century. This L’indagine è un esempio di datazione in- survey is an example of indirect dating and diretta e suggerisce come la comprensione suggests how the understanding of the ac- dell’accrescimento di speleotemi, nel suo cretion of speleothems, in its chronological aspetto cronologico e quantitativo, possa and quantitative aspect, may request a re- richiedere una revisione di alcuni para- view of some parameters. metri.

107 References / Citazioni bibliografiche

Gabrić A., Galović I., Sakać K. & Hvala M., (1995), 5, pp. 15-20. Mineral deposits of Istria – Some deposits of Bauxite, Marusič R, Sakač K. & Vujec S., (1995), The World’s Building Stones and Quartz “Sand”. Hrvatski Geološ- oldest bauxite mining. Travaux ICSOBA 22, pp. 81- ki Kongres, First Croatian Geological Congress, Ex- 98. cursion Guide Book 1, pp. 111-137. Merlak E., (2011), Speleotemi in due giacimenti di bau- Gabrić A. & Prohič E., (1995), Povišeni sadržaj radio- xiti piritizzate (Valle della Mirna - località Minjera aktivnosti u nekim ležištima boksita i uglijena u Istri. -Istria centrale - Croazia). Progressione 57, pp. 122- Hrvatski Geološki Kongres, First Croatian Geologi- 128. cal Congress 1, pp. 173-175. Šinkoveć B., Sacać K. & Durn G., (1994), Pyritized baux- Marusič R, Sakač K. & Vujec S., (1993), Four century ites from Minjera, Istria, Croatia. Natura Croatica 3, of bauxite mining. Rudarsko-Geološko-nafti Zbornik pp. 41-65.

108 Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 109-122

THE POTOSÍ MINE/SAN FRANCISCO CAVE (GUADALCANAL, PROVINCE OF SEVILLE, SPAIN): SPELEOLOGICAL AND ARCHAEOLOGICAL-ARCHAEOMETRIC RESEARCH LA MINIERA DI POTOSÍ/GROTTA DI SAN FRANCISCO (GUADALCANAL, PROVINCIA DI SIVIGLIA, SPAGNA: RICERCA ARCHEOLOGICA-ARCHEOMETRICA E SPELEOLOGICA

Mark A. Hunt Ortiz1,3, Sergio García-Dils de la Vega1, Pilar Orche Amaré 2,3 & Víctor Hurtado Pérez 1

Abstract Riassunto The Potosi mine (mina de Potosí) is located within La miniera di Potosí (mina de Potosí) si trova the Geopark “Sierra Norte de Sevilla” (member of all’interno del Geoparco “Sierra Norte de Sevilla” the Global Network of National Geoparks, created (membro della Rete Globale dei Geoparchi Nazio- under the aegis of UNESCO), in the municipali- nali, creato sotto l’egida dell’UNESCO), nel comu- ty of Guadalcanal (province of Seville, Andalusia, ne di Guadalcanal (provincia di Siviglia, Andalu- SW Spain), set in the geological lutitic-carbonate sia, SW Spagna), nella serie geologica argillitica- series of the Cambrian. It is also locally known as carbonata del Cambriano. È anche conosciuta lo- San Francisco cave (Cueva de San Francisco) and calmente come la Grotta di San Francesco (Cueva combines its natural formation in a karst massif de San Francisco) e combina la sua formazione with extensive alteration by the action of mining naturale in un massiccio carsico con grande alte- activity carried out during different periods, since razione per l’azione delle attività minerarie svolte Prehistory. in diversi periodi dalla preistoria. The mine cave was identified and located, due La miniera-grotta è stata identificata per infor- to archive information, during the realization of mazione archivistiche e fu trovata durante la rea- archaeological surveys related to the Historical lizzazione del progetto archeologico relativo al Pa- Mining Heritage in Andalusia project. Using spe- trimonio Storico Minerario dell’Andalusia. Utiliz- leological methods, the underground cavities and zando metodi speleologiche, la cavità sotterranea e surface topography have been recently mapped, la topografia di superficie sono state recentemente realizing the importance of geological agents in mappate, confermando l’importanza degli agenti its formation and identifying the different sectors geologici nella sua formazione e identificando i di- and stages of mining exploitation of the vein and versi settori e fasi di sfruttamento minerario dal the associated archaeological register. This reg- filone e il registro archeologico associato. Questo ister includes mining remains found in situ such registro include resti di miniera trovati in situ, as works with characteristic typology and tool come le opere con tipologia caratteristica e im-

1 Grupo de Investigación ATLAS, Departamento de Prehistoria y Arqueología. Universidad de Sevilla. Calle Doña María de Padilla s/n. 41005-Sevilla. [email protected]; [email protected]; [email protected] 2 Delegación de Sevilla, Consejería de Economía, Innovación y Ciencia. Junta de Andalucía. Calle Graham Bell, 5 - Edificio Rubén Darío II-6ª planta. 41010-Sevilla. [email protected] 3Member of the SEDPGYM (Sociedad Española para la Defensa del Patrimonio Geológico y Minero)

109 marks, grooved stone hammers, pottery, etc., and pronte dell’utensile, martelli di pietra scanalati, mineral fragments and slags, indicating the exis- ceramiche, ecc, e frammenti di minerali e scorie tence of, at least, 3 main exploitation phases: Pre- che indicano l’esistenza di almeno 3 fasi principa- historic (Late Chalcolithic / Early Bronze Age), li di sfruttamento: preistorica (tardo Calcolitico / Roman and XIXth century AD. Prima Età del Bronzo), romana e del XIX°. Mineral and other archaeometallurgical samples Minerali ed altre campioni archeometallurgici have been selected and analyzed by different sono stati selezionati e analizzati con diversi me- methods (XRF, SEM) in order to have a prelim- todi (XRF, SEM) per avere un approccio prelimi- inary approach to their composition and the pro- nare alla loro composizione e le attività produttive ductive activities carried out. svolte. Keywords: archaeology, mine cave, ancient min- Parole chiave: archeologia, miniera/grotta, arte ing, Guadalcanal (Seville, Spain), Geopark. mineraria antica, Guadalcanal (Siviglia, Spa- gna), Geoparchi.

Introduction The name of the town of Guadalcanal, lo- Introduzione cated in the North of the province of Se- Storicamente il nome della città di Guadal- ville (Andalusia, Southwest Spain), within canal, all’interno del Parco naturale “Sier- the Natural Park “Sierra Norte de Sevilla”, ra Norte de Sevilla”, inserito nel settembre incorporated in September 2011 in the Eu- nel 2011 nella Rete dei Geoparchi Europei, ropean Geoparks Network, is historically nel Nord della provincia di Siviglia, Anda- associated with mining activities, mainly lusia, SO della Spagna, è legato alle atti- because the discovery in the mid-sixteenth vità minerarie, essenzialmente a causa del- century AD of the famous Pozo Rico silver la scoperta, avvenuta nella metà del XVI mine (Sánchez Gomez, 1990). secolo, della famosa miniera d’argento di However, this is not the only existing min- Pozo Rico (Sánchez Gomez, 1990). eralization in the area and diverse min- Tuttavia, questa non è il solo giacimento mi- eral deposits have been documented with nerario dell’area e diversi altri depositi sono evidence of workings, from Prehistory to stati documentati con evidenza di resti di contemporary times. One of these mines is attività minerarie dalla preistoria ai giorni named Potos Mine, located a few hundred nostri. meters West of the town of Guadalcanal Una di queste miniere è appunto quella di and recently surveyed and archaeologically Potosí, localizzata a poche centinaia di me- studied. This mine has proven to be linked tri ad Ovest della città di Guadalcanal, che to a natural cave known as Cueva de San è stata recentemente rilevata e studiata dal Francisco (San Francisco Cave). In addi- punto di vista archeologico. tion to its geological characteristics typical E’ stato dimostrato che questa miniera è col- of a cave developed in a karst massif, the legata ad una grotta naturale conosciuta col existence of a chalcopyrite mineralization, nome di Cueva de San Francisco (Grotta di exploited in different periods, from Prehis- San Francesco). tory to the XIXth century AD is worth men- Oltre alle sue caratteristiche tipiche di una tioning. These mining phases have result- grotta sviluppata in un massiccio carsico, è ed in the reshaping of the original natural importante ricordare l’esistenza al suo in- cavity and have been dated through both terno di una mineralizzazione a calcopirite, the different types of documented mining coltivata in periodi differenti, dalla preisto- works and the archaeological remains re- ria al XIX secolo. covered. Queste fasi minerarie successive hanno mo- Thus, for its unique features, both geologi- dificato la forma originale della cavità e cal and archaeological, the Potosí cave mine sono state datate sia sulla base delle tracce on which this research study is centered is dei lavori minerari sia dei reperti archeolo- an additional geosite in the Geopark and gici recuperati. reinforces the importance of mining activi- Pertanto, per le sue peculiarità geologiche ty in the region since Prehistoric times. e archeologiche messe in luce dal presente

110 Geographical location studio, la grotta miniera di Potosí deve es- At the beginning of our archaeometallurgi- sere considerata un nuovo geosito all’interno cal research carried out in the municipali- del Geoparco e inoltre rafforza l’importanza ty of Guadalcanal, the bibliographical data delle attività minerarie nella regione sin dal- on Potosí mine were revised, most of them la preistoria. previously studied by Prof. Claude Domer- gue, who located it to the Northeast of the Localizzazione geografica town of Guadalcanal (Domergue, 1987). The All’inizio della nostra ricerca archeo-metal- revision of the original sources, published in lurgica nella municipalità di Guadalcanal mid XIXth century AD, and the study of place sono state controllate le fonti bibliografiche names and historical data on Guadalcanal relativi alla miniera di Potosí, la maggior allowed the precise location of the mine parte di queste erano state precedentemen- (Hunt Ortiz, 2003). Indeed, in a brief review te studiate dal Prof. Claude Domergue, che published in the Boletín Oficial de Minas in aveva localizzato la miniera a Nord-Est di 1844 (Anonymous, 1844) a description was Guadalcanal (Domergue, 1987). made regarding the discovery of a gallery, La revisione delle fonti originali, pubblica- mentioning it was found during the blast- te alla metà del XIX secolo, lo studio della ing of a shaft in the orchards of Guadalcanal toponomastica e dei dati storici su Guadal- and San Francisco mount, to exploit a cop- canal permisero di arrivare all’esatta loca- per vein found at four feet deep. It was also lizzazione della miniera (Hunt Ortiz, 2003). stated that the gallery was directed towards Bisogna però ammettere che, in una breve the monastry of San Francisco. citazione pubblicata nel Boletín Oficial de In August 1845 the famous Spanish mining Minas in 1844 (Anonimo,1844), veniva già engineer Joaquín Ezquerra del Bayo visited riportata la descrizione della scoperta in un the mining exploitation (baptized “with the frutteto nel Monte di Guadalcanal e di San pompous name of Potosí”), stating it was lo- Francisco di una galleria a seguito dello sca- cated “close to the dwellings of the town of vo con esplosivo di un pozzo per lo sfrutta- Guadalcanal” (Ezquerra Del Bayo, 1850). mento di una vena di rame trovata a 4 piedi These references, together with the fact di profondità. that the Franciscan Monastry of La Piedad Vi era anche detto che la direzione della gal- in Guadalcanal (destroyed after its secular- leria era verso il convento di San Francisco. ization a few years after Ezquerra’s visit) Nell’Agosto del 1845 il famoso ingegnere mi- occupied the area of the present cemetery nerario spagnolo Joaquín Ezquerra del Bayo (Guía De Guadalcanal, 1989), northwest of visitò le coltivazioni minerarie (indicate “con the town, lead to the survey of the zone and il pomposo nome di Potosí”), stabilendo che finally to the discovery of the remains of the si trovavano “vicino alle case della città di old mine of Potosí. Guadalcanal (Ezquerra Del Bayo, 1850). Thus, as referred, the mine of Potosí is lo- Questa citazione, insieme al fatto che il Con- cated in the municipality of Guadalcanal, vento Francescano de la Piedad in Guadal- about 600 m to the West of the town, on the canal (distrutto dopo la sua secolarizzazio- hill called San Francisco, which was the ne pochi anni dopo la visita di Ezquerra) name given locally to the cave located there occupava l’area che attualmente è occupata (Fig. 1). dal cimitero a NE della città (Guía De Gua- dalcanal, 1989), permise di effettuare un ri- Geological context lievo dettagliato della zona e finalmente di The Cave of San Francisco-Potosí Mine is trovare i resti dell’antica miniera di Potosí. located within the Ossa-Morena geological Pertanto, come già detto, la miniera di Po- zone, which is named after the Portuguese tosí è situata nel territorio di Guadalcanal, mountain range of Ossa and the Spanish Si- circa 600 m ad Ovest della città, sulla colli- erra Morena. Currently this geological zone na di San Francesco, che era anche il nome is divided in several domains and units, dato dai locali alla grotta che si trovava in considered more or less provisional. One of quel posto (Fig. 1).

111 Fig. 1 - View of the town of Guadalcanal from Potosí cave mine. / Vista della città di Guadalcanal dalla grotta-miniera di Potosí. these is the Zafra-Alanis geological domain, Contesto geologico in which the terrains belonging to the mu- La grotta di San Francisco-Miniera di Po- nicipality of Guadalcanal are enclosed. tosí si trova all’interno della zona geologica Specifically, the cave mine is located in the di Ossa-Morena, il cui nome deriva da quel- Cambrian Lutitic-Carbonate series, in con- lo della catena montuosa portoghese di Ossa tact with the Loma del Aire Precambrian e da quello della spagnola Sierra Morena. formation, with the limit passing through Attualmente questa zona è suddivisa in vari the Guadalcanal town (IGME, 1980) (Fig. domini e unità, che sono comunque ancora 2). Lithologically, the mine is placed in the provvisorie. Una di queste è il dominio geolo- contact between high-grade metamorphic gico di Zafra-Alanis, che comprende appunto rocks to the North and limestone marble to i terreni della municipalità di Guadalcanal. the South. In dettaglio, la grotta-miniera si trova nella serie argillosa-carbonatica del Cambrico al Historical references and archaeologi- contatto con la formazione Precambrica del- cal register la Loma del Aire, il cui limite passa attra- As mentioned, the historical references re- verso la città di Guadalcanal (IGME, 1980) lated to the exploitation of Potosí mine are (Fig. 2). Litologicamente, la miniera è al con- dated to the middle of the XIXth century AD tatto tra le rocce di alto grado metamorfico a and are directly related to the discovery of Nord e i marmi a Sud. “an ancient gallery of 70 varas (just over 58 m)”, which was considered quite old be- Riferimenti storici e archeologici cause of “being open by picks and for the Come accennato, i riferimenti storici datano jars with inscriptions that have not been la coltivazione della miniera di Potosí alla able to be read and were found inside the metà del secolo XIX e sono direttamente col- mine”(Anonymous, 1844). Thanks to the vis- legati alla scoperta di “una antica galleria di

112 70 “varas” (poco più di 58 m), che fu considerata molto antica perché “era stata scavata con dei picconi e aveva al suo interno vasi con iscrizioni che non fu possibile decifrare” (Anonimo, 1844). Grazie alla visita effettuata da Ezquerra del Bayo pochi mesi dopo la scoperta, altri dati si resero disponibili: infatti furono trovati 17 scheletri umani che fecero supporre che i lavori minerari fossero stati abbandonati dopo un improvviso collasso della volta della miniera. Inoltre vennero anche trovati “una porzione di utensile, una pinza e un martello di ferro, molte asce di pietra, rozzi contenitori di terraglia e tibia di pecora affilati in punta e alcune monete dell’imperatore Massimino (235-238 AD). Ezquerra del Bayo datò quindi al periodo Romano quei lavori minerari e alcuni degli attrezzi, mentre i reperti più antichi datava- no al Paleolitico (Ezquerra Del Bayo, 1850: 491). Fig. 2 - Lithological map of the Sierra Norte de Alla fine del XIX secolo nella municipalità Sevilla (after Moreno et alii, 2008). / Mappa lito- di Guadalcanal erano menzionate due cavi- logica della Sierra Norte de Sevilla (da Moreno et alii, 2008) tà con lo stesso nome di San Francisco. Una di queste, che è poi quella di cui si tratta in questo lavoro, è descritta brevemente come it by Ezquerra del Bayo a few months af- “Grotta di San Francisco (vecchia miniera ter the discovery, some additional data are a NE della città), municipalità di Guadal- available: at the time of his visit 17 human canal, calcari Cambrici e grovacche (Puig Y skeletons were found, deducing that the Larraz, 1897: 55). workings were abandoned after a sudden La ricerca di archeologia metallurgica che è collapse of the roof of the mine. Besides, “a stata condotta pochi anni addietro, oltre a portion of utensils, an iron tongs and a ham- produrre una mappa preliminare delle evi- mer, many stone axes, rough pottery vessels denze di coltivazione mineraria sia in super- and sheep tibiae sharpened in their tip”, ficie che sottoterra H( unt Ortiz, 2000; 2003), and some coins of the emperor Maximinus ha documentato resti archeologici, essenzial- (235-238 AD) were also recovered. Ezquer- mente recuperati nelle discariche minerarie ra del Bayo dated to that Roman period the esterne, che sono stati messi in relazione con mining works found and some of the tools, le differenti fasi di coltivazione della minie- and to the “Paleolithic” the oldest recovered ra: vasellame fatto a mano e al tornio, at- remains (Ezquerra Del Bayo, 1850: 491). trezzi minerari in pietra con incavo centrale In the late XIXth century two caves are men- (Fig. 3), minerali e scarse scorie metallurgi- tioned with the same name of San Francisco che. in the municipality of Guadalcanal, one of I nuovi rinvenimenti che hanno permes- them, which is the one now dealing with, is so la maggiore precisione nella datazione described briefly as “Cave of San Francisco sono stati i frammenti del vasellame (Fig. (old mine to the NE of the town), munici- 4). Quelli fatti a mano sono stati datati alla pality of Guadalcanal, Cambrian limestone transizione dal Calcolitico all’Età del Bronzo and greywackes” (Puig Y Larraz, 1897: 55). (ca. 2000 BC). Il vasellame di epoca storica The archaeometallurgical research carried fatto al tornio comprendeva frammenti colo- out in the past few years, besides produc- rati, decorati in bande, e di Terra sigillata ing a preliminary map of the underground africana con finiture rosse lisciate, che sono

113 and surface mining evidence (Hunt Ortiz, 2000; 2003), documented archaeological remains, mainly recovered in the exterior mining dump, that have been correlated with different mining phases of the deposit: hand-made and wheel-made pottery, mining stone tools with central groove (Fig. 3), minerals and scarce metallurgical slags. The recovered remains giving more precise chronological data were the pottery fragments (Fig. 4). The hand-made fragments were dated to the transition from the Chal- colithic to the Bronze Age (ca. 2000 BC). The wheel-made historical pottery found included painted shreds, decorated in bands, Afri- can Red Slip Terra Sigillata, dated respectively to the Turdetan period/early Roman and to the late Roman empire, IIIrd century AD. This last Roman phase would agree with the mentioned coins recovered in the XIXth century. Fig. 3 - Grooved stone hammer fragment from Thus, in general, it was considered that the Potosí mine cave. / Frammento di un martello di mine was opened in a natural limestone pietra con incavo della grotta-miniera di Potosí. karst formation, reshaped by the various phases of mining operations. Based on the historical and archaeological evidence 3 state attribuite rispettivamente al periodo main phases of mining activity are proposed: Turdetano-Romano iniziale e al tardo Impe- -Late Chalcolithic/Early Bronze Age, with ro Romano, III secolo. Quest’ultimo periodo use of grooved stone hammers and bone è concordante con l’età delle monete raccolte tools. nel XIX secolo. -Roman, with two different periods: early Pertanto, in generale, si è considerato che la Republican Roman and a later Imperial Ro- miniera sia stata scavata nella formazione man phase, with use of iron tools. carbonatica carsificata e che il suo aspetto

-Modern, carried out in the XIXth century. è stato modificato dalle varie fasi estrattive. Fig. 4 left

Fig. 4 right Fig. Fig. 4 4 left - Hand-made (left) and wheel-made pottery from Potosí mine cave. / Vasellame fatto a mano (a Figure 4. Hand-made (left) and wheel-made pottery from Potosí Mine/Cave sinistra) e fatto al tornio (a destra) della grotta-miniera di Potosí.

114

Fig. 4 right

Figure 4. Hand-made (left) and wheel-made pottery from Potosí Mine/Cave

Fig. 5 - Plan of Potosí mine cave. / Pianta della grotta-miniera di Potosí.

Plan and general description Figure 5. Plan of of Potosí the Mine/CSullaave. base delle evidenze storiche e archeolo- cave mine giche si propongono tre principali periodi di The different periods of exploitation deter- attività mineraria: mined by the archaeological remains were -Tardo Calcolitico / Bronzo antico, con l’u- confirmed partially by the morphologies tilizzo di martelli di pietra e attrezzi d’osso. of the mining works and the marks left by -Romano, con due fasi differenti: una Re- the different extraction techniques used. pubblicana antica e una successiva imperia- The recent survey of the cavity (Fig. 5), le, con l’uso di attrezzi di ferro. -Moderna, nel XIX secolo.

Pianta e descrizione generale della grotta / miniera I differenti periodi di attività mineraria de- sunti dai resti archeologici sono stati anche confermati in parte dalle forme dei lavori minerari e dalle impronte lasciate sulle pareti dalle diverse tecniche di scavo. Il recente rilievo della cavità (Fig. 5), basato sulle attuali normali tecniche speleologiche, ha permesso di aver un migliore approccio per valutare l’importanza dei vari fattori geologici sulla sua evoluzione e per stabilire in via preliminare i settori in cui si sono sviluppate le differenti diverse fasi di coltivazione della grotta-miniera di Potosí. Brevemente, all’esterno, verso Est nell’ultima fase della coltivazione mineraria (XIX secolo) è stata aperta una trincea di 40 m di lunghezza e una larghezza media di 2,5 m con direzione Est-Ovest (che seguiva la disposizione del filone minerale) (Fig. 6). Fig. 6 - Mining trench (view from the East). / La La trincea è stata aperta con l’uso di esplo- trincea mineraria (vista da Est). sivi come si deduce dai resti dei fori per la

115 applying the methodology commonly used in speleology, has allowed to get a better approach to assess the importance of the geological factors in its formation and to establish preliminary sectors of the different phases of exploitation of the Potosí cave mine. Briefly, on the outside, to the East, a trench was opened with an E-W direction (following the setting of the mineral vein) (Fig. 6), c.orresponding to the last phase of mining works (XIXth century AD) with 40 m in length and an average width of 2.5 m. The trench was opened using explosives, of which the blast holes in its walls are the Fig. 7 - Main chamber. / La sala principale. preserved evidence. Originally the length was probably greater, because the eastern part of the trench, lo- dinamite sulle sue pareti. In origine, pro- cated in an olive tree plantation, was filled babilmente la lunghezza della trincea era to level the ground surface. maggiore, dato che la parte più ad Est, che In the Western part of the trench, a narrow attualmente si trova in una piantagione di natural cavity was sectioned and partially olivi è stata totalmente riempita di terra. destroyed before cutting through to the main Nella parte a Ovest la trincea ha sezionato chamber of the cave mine. To the Northwest e parzialmente distrutto una stretta cavità of the trench, a vertical shaft (about 2 m in naturale prima di intersecare la sala princi- diameter) was located and, a few meters to pale della grotta-miniera. the West, another shaft, filled up with rub- Nella parte di NE della trincea si è indivi- bish, with similar characteristics. Both are duato un pozzo verticale (circa 2 metri di dated also to the modern mining exploita- diametro) e pochi metri più a Ovest un altro tion period. pozzo, riempito di spazzatura con caratteri- As mentioned, the Western end of the stiche simili. Ambedue questi pozzi risalgo- trench connects with the main chamber no al periodo moderno di coltivazione. of the cavity (ca. 20 m major axis) (Fig. 7), Come detto prima la parte terminale dello which also can be entered through the el- scavo verso Ovest si connette alla sala princi- liptical opening (ca. 6.5 m major axis) pro- pale della grotta (circa 20 metri di asse mag- duced by the partial collapse of the roof of giore) (Fig. 7), entro cui si può entrare anche the chamber. In the dump formed by the da un foro ellittico (circa 6,5 m di asse mag- collapsed material, some archaeological re- giore) che si è formato per il parziale collasso mains were found. del tetto della sala. Nell’accumulo di detriti The main chamber was shaped mainly by che si erano formati a seguito del crollo sono karst processes, although altered by min- stati rinvenuti alcuni resti archeologici. ing works. From the main chamber two La forma della sala principale, anche se galleries radiate West into the limestone: alterata dai lavori minerari, è stata model- -The Southern one is a natural formed lata essenzialmente da processi carsici. Da karst gallery enlarged by mining works. questa sala si diramano verso Ovest due Its access from the main chamber was gallerie scavate nel calcare: originally clogged with reddish sediments - Quella più a Sud è una galleria natu- and reopened with pickwork, of which the rale carsica, parzialmente allargata dai marks are clear in the side walls. The fill- lavori minerari. ing of the gallery was also mined, lowering Il suo accesso dalla grande sala era ori- the calcareous floor formed in the cavity. ginariamente ostruito da sedimenti rossi -The Northern gallery, shorter, is also e fu riaperta con l’aiuto di picconi, di cui

116 sono chiari i segni sulle pareti attorno. Anche il riempimento della galleria è stato oggetto di coltivazione mineraria con l’asportazione di parte del pavimento calcareo che si era formato nella cavità. - La galleria a Nord, più corta, è anch’essa naturale e termina su un profondo pozzo non ancora esplorato. Questa parte della grotta sembra non essere stata interessata dalla coltivazione mineraria. Anche nella parte Sud della sala principale due brevi e anguste gallerie permettono di raggiungere una sala più piccola. Questa seconda sala con evidenti segni dei lavori minerari effettuati per accedervi (pavimen- to scavato e concrezioni rotte) è quella in cui si vede più chiaramente la vena quarzosa con la mineralizzazione a calcopirite (Fig. 8) con il calcare attorno colorato di verde. Nella sala più piccola al di sopra di fori nel- Fig. 8 - Chalcopyrite mineralization and speleo- le pareti sono state osservate chiazze di ne- thems in the smaller chamber. / Mineralizzazione rofumo, prodotte dalle lampade ad olio (lu- a calcopirite e concrezioni nella sala più piccola. cernae) (Fig. 9). Queste lampade fornivano la luce ai minatori romani, che, utilizzando natural, ending in a deep shaft, not yet explored. This part of the cave seemed not to have been transformed by mining works. Also, from the southern part of the main chamber two short and narrow galleries give way to a much smaller chamber. This second chamber, showing signs of the mining works done to get access (broken floor and speleothems), is where the vein type quartz-bearing chalcopyrite mineralization (Fig. 8), with the surrounding calcite tinted with a green color was most clearly seen. In the smaller chamber, located on top of holes in the walls, black tinted areas were identified, produced by the smoke of oil lamps (lucernae) (Fig. 9). These lamps gave light to the miners that, using sharp-point- ed picks (Fig. 10), excavated the Southern- most gallery of the mine (in an East-West direction as deduced by the pick-marks), of trapezoidal section (Fig. 11), probably during Roman times. It is important to mention that on the outside of the underground works, to the South of the trench, a mining dump was identified, sectioned by the leveling of the Fig. 9 - Black stained speleothem. / Concrezioni olive tree plantation (Fig. 12), containing nere.

117 Fig.10 - Detail of pick marks. / Dettaglio delle impronte dei picconi. remains of mineralogical (chalcopyrite and copper carbonates) and archaeological character (fragments of grooved stone hammers, pottery fragments and just 4 tapped slag fragments).

Archaeometric study: results A selection of the copper mineral samples Fig. 11 - Trapezoidal mining gallery. / Galleria collected in Potosí mine, mainly carbon- mineraria trapezoidale. picconi ben appuntiti (Fig. 10), scavarono la galleria di sezione trapezoidale (Fig. 11) più a sud della miniera (in direzione Est Ovest come si può dedurre dalle incisioni lasciate dai picconi stessi). E’ importante notare che all’esterno dei lavori minerari verso la parte Sud della trincea è stata identificata una discarica, che è stata in parte sezionata per livellare una piantagione di olive (Fig. 12). Questa discarica contiene sia residui dell’estrazione mineraria (calcopirite e carbonati di rame), sia materiali archeologici (frammenti di martelli di pietra con incavo, frammenti di vasellame e 4 frammenti di scoria di fusione).

Risultati degli studi archeometrici Una parte dei campioni minerali di rame (carbonati: malachite/azzurrite) raccolti nella miniera di Potosí (Fig. 13, Tab. 1), sono stati analizzati per Fluorescenza ai Fig. 12 - Mining dump sectioned by the olive Raggi X (XRF) (Tab. 1). Anche un campione tree plantation. / Discarica mineraria sezionata di scoria di fusione (Fig. 13) è stato analiz- da una piantagione di olive. zato con XRF (Tab. 1, Campione 6c) e quin-

118 Fig. 13 - Selected mineral samples (left) and tapped slag. / Campioni di minerale selezionato (a sinistra) e scorie di fusione.

XRF (Wt%) Type Al Si K Ca Mn Fe Co Cu Normalised 100% Sample 1C Malachite + 70,80 0,9 0,15 0,17 28,04 quartz Sample 1C-2 dark area 83,58 0,5 0,16 15,59

Sample 2C Malachite + 63,15 0,34 0,20 36,31 quartz Sample 2C-2 black area 7,69 46,30 1,7 0,76 3,9 5,50 3,40 30,52

Sample 3C Malachite + 2,47 18,69 0,48 0,01 0,90 77,39 quartz Sample 3C-2 black area 41,74 0,58 0,07 1,22 56,38

Sample 4C Azurite + quartz 11,02 0,62 0,21 1,72 86,43

Sample 4C-2 black area 6,23 0,77 0,24 9,67 83,09

Sample 5C Malachite + 2,50 0,41 97,09 quartz

Sample 6C Slag (tapped) 4,08 13,94 1,18 3,98 0,34 76,47

Tab. 1 - XRF analytical results. / Risultati analitici XRF.

Slag 6c

Element Weight %

C 13.52 O 13.79 Al 1.12

Si 4.77

K 0.80 Fig. 14 - SEM image: Ca 2.03 analyzed area and results. / Immagine SEM: Fe 63.97 area analizzata e risultati (normalizzati al Totals 100.00 100%).

Figure 14. SEM: analysed area and results 119

Slag 6c

Element Weight %

C 30.36 O 31.69

Al 4.24

Si 16.60 K 0.94 Fig. 15 - SEM image: analyzed area and Fe 16.17 results. / Immagine SEM: area analizza-

ta e risultati (norma- Totals 100.00 lizzati al 100%).

ates (malachite/ azurite) (Fig. 13, Tab. 1), di con il microscopio elettronico a scansione has been analysed by X Ray FluorescenceFigure 15. SEM: analysed(SEM) area and (H resultsunt Ortiz, 2003: 14-15, per la de- (XRF) (Tab. 1). Additionally, a sample of scrizione dei metodi analitici utilizzati). Le the tapped slag (Fig. 13) recovered in the analisi XRF hanno dato i risultati riporta- mining dump area was also analysed by ti in Tab. 1. Due campioni di carbonato di XRF (Tab. 1, Sample 6c), also including rame, hanno evidenziato un relativamen- studies by Scanning Electron Microscopy te alto tenore in rame, con tracce di ferro (SEM) (Hunt Ortiz, 2003: 14-15, for the e in un caso anche di antimonio: azzurrite analytical methods used). (PA7552) 0,06% Sb; 2,56% Fe; 97,15% Cu The XRF analyses gave the following re- e malachite (PA7552) 0,83% Fe; 99 % Cu (i sults: valori sono stati normalizzati al 100%). E’ Two copper carbonate samples, previous- stata analizzata anche una scoria di fusio- ly analysed (also normalized to 100%) and ne, che, per le sue caratteristiche, può essere published, were also quite high in copper datata al tempo dei Romani o poco dopo: content, with some iron and antimony as sorprendentemente l’analisi XRF non ha a secondary element in one case: Azurite evidenziato la presenza di rame, mentre le (PA7552) 0,06% Sb; 2,56% Fe; 97,15% Cu analisi al SEM (Fig. 14 e 15) hanno portato and Malachite (PA7552) 0,83% Fe; 99 % ai risultati riportati nelle due figure e che Cu. sono mediati su differenti punti di analisi. The slag, a tapped slag that technolog- I risultati del SEM hanno anche permesso ically has to be dated to Roman times or di stabilire che la scoria era un residuo di later (with surprisingly no copper content fusione di ferro. detected in the XRF analysis), was also analysed by SEM (Fig. 14-15), giving the fol- Conclusioni lowing results (elements, also normalized La grotta-miniera di Potosí, che si apre to 100%), representative of a large series of all’interno del Geoparco della Sierra Norte analyses carried out on the different min- de Sevilla si è formata a seguito di processi eral phases; that showed that the samples carsici ed è stata quindi parzialmente mo- correspond to an iron smelting slags. dificata a seguito delle coltivazioni minerarie che hanno interessato una vena quar- Conclusions zosa mineralizzata a calcopirite, che si era The cave mine of Potosí, located within quindi alterata dando luogo alla formazio- the Geopark Sierra Norte de Sevilla, was ne di minerali secondari, essenzialmente di formed by karst processes, and altered and rame (malachite e azzurrite). partially transformed by mining works Il rilievo speleologico, che è ancora in corso, exploiting a quartz vein mineralized with ha permesso di evidenziare come la grotta- chalcopyrite, weathered to its secondary miniera sia una complessa cavità carsi-

120 minerals, mainly copper carbonates (mal- ca caratterizzata da una concamerazione achite and azurite). principale da cui si dipartono radialmente The speleological survey carried out, not delle gallerie, alcune delle quali sono state yet fully completed, showed a complex allargate dai lavori minerari. karst cavity with a main chamber and ra- Nella grotta-miniera si sono succedute tre diating galleries, some of them reshaped or successive fasi di coltivazione mineraria opened by the mining works. come dimostrano i reperti archeologici rin- Three main, successive, phases of mineral venuti e la tipologia dei lavori minerari: exploitation have been established through il primo nel tardo Calcolitico (circa 2000 the recovered archaeological register and anni avanti Cristo) utilizzando martelli di the typology of the mining works: late pietra; il secondo in almeno due differenti Chalcolithic/Bronze Age (around 2000 BC), epoche romane (Repubblicana e Imperia- with grooved stone hammers; Roman, with le), con l’utilizzo di picconi di ferro per lo at least two different periods of mining scavo delle gallerie trapezoidali e lampade (Republican and Imperial), with the use ad olio per l’illuminazione e infine il terzo, of iron picks for the making of trapezoidal contemporaneo caratterizzato dall’utilizzo galleries and oil lamps for illumination, di esplosivi per creare la trincea e i pozzi and finally, a Contemporary phase, char- verticali. La disposizione e le direzioni dei acterized by the use of explosives for the lavori minerari indicano che la sala princi- work in the trench, and vertical shafts. pale della grotta, oggi con il soffitto parzial- The layout and directions of the mining mente collassato, era totalmente sotterra- works show that the main chamber, today nea, senza alcuna connessione diretta con with the roof partially collapsed, was total- l’esterno almeno sino a tempi molto recenti, ly underground, without connection with come dimostrato dalla posizione dei due the surface until very recently, as shown pozzi verticali. Probabilmente il crollo della by the location of the contemporary verti- volta è avvenuto a seguito delle esplosioni cal shafts. Probably the collapse of the roof durante lo scavo della trincea. of the main cavity was a consequence of the Lo studio archeometrico dei campioni ar- use of explosives in the trench’s works. cheometallurgici analizzati ha dimostra- The archaeometric study of the selected to che i minerali coltivati, essenzialmente archaeometallurgical samples showed that carbonato di rame, contenevano, a parte il the exploited mineral species, copper car- rame e la ganga quarzosa, ferro in concen- bonates contained, together with high Cu trazioni differenti e, a volta, anche altri me- and Si -the gange is quartz-, various pro- talli. Invece in nessuno dei campioni è stata portions of Fe and, occasionally, other el- riscontrata la presenza di arsenico (As). La ements. miniera di Potosí è così una delle pochis- On the contrary, no arsenic (As) was de- sime miniere di rame coltivate nell’anti- tected in any of the samples. Potosí mine chità in Spagna che non contiene arsenico. has proved to be one of the few SW Iberian Questo deve essere messo in relazione con il Peninsula copper deposits exploited in an- fatto che nel Calcolitico e nell’Età del Bron- tiquity containing no arsenic. zo sono presenti sia oggetti in rame che in This fact has to be put in connection with rame e arsenico: alcuni autori infatti riten- the presence during the Chalcolithic and gono che questa lega fosse un prodotto non the Bronze Age of metal objects made of intenzionale ma che si formava a causa del copper, simultaneously with objects made contenuto in Arsenico presente nel rame che of arsenical copper, an alloy considered by veniva fuso (Hunt Ortiz, 2003). some authors to be unintentionally pro- La scoria di fusione, che, come detto prima, duced due to the original As content in the è stata datata al periodo Romano o succes- smelted mineral (Hunt Ortiz, 2003). sivo, è un residuo di fusione del ferro, pro- The tapped slag that, as mentioned, has to dotto durante il processo di riduzione del be dated technologically to Roman times minerale a ferro metallico. La presenza di or later, is an iron smelting slag, produced pochi frammenti di scorie trovati a Potosí,

121 as a byproduct during the reduction of iron può essere ricondotta alla coltivazione, pro- minerals to metal. The presence of the few babilmente avvenuta al tempo dei Romani, slag fragments recovered in Potosí, could di una vicina miniera di ematite (oligisto be linked with the exploitation of a nearby o ferro speculare, Fe2O3, che oggi è la fonte iron mine of hematite (oligist or specular principale per il ferro). iron ore, Fe2O3, nowadays the main ore of La Miniera di Potosí - Grotta di San Fran- iron) probably in Roman times. The mine cisco con un agevole accesso a poca distan- of Potosí/ San Francisco cave, with an easy za dal villaggio di Guadalcanal presenta access and at short distance from the vil- contemporaneamente interessi geologici, lage of Guadalcanal, combines geological, mineralogici e archeologici (dalla Preisto- mineralogical and archaeological features ria ai giorni nostri) che devono essere as- (from Prehistory to Contemporary times) solutamente preservati a ancora studiati e that make up a unique site that has to be infine possibilmente attrezzati per visite tu- preserved and further studied, and even ristiche, divenendo così un importante fat- prepared for public visits, as an important tore di arricchimento storico-culturale per enriching factor for the recently declared il Geoparco Sierra Norte de Sevilla appena Sierra Norte de Sevilla Geopark. istituito.

References / Citazioni Bibliografiche

Anonymous, (1844), Descubrimiento de trabajos antiguos Metallurgy in South-West Iberian Peninsula. BAR en Guadalcanal. Boletín Oficial de Minas, Madrid, International Series, S-1118. Archaeopress. Oxford. pp.47-48. IGME, (1980), Síntesis de los indicios Mineros en la Zona Domergue C., (1987), Catalogue des mines et des fonderies Llerena-Alanís (Badajoz-Sevilla), Diciembre. Archivo antiques de la Penínsule Iberique. Publications de la Instituto Geológico Minero de España, Madrid. Casa de Velázquez, Madrid Vols. 2. Moreno C., Sáez R. & González F., (2008), Guía Ge- Ezquerra Del Bayo J., (1850), Sobre los escoriales de ológica e Itinerarios. Parque Natural Sierra Norte de fundiciones antiguas, y en particular de las de Rio Sevilla, Consejería de Medio Ambiente, Junta de An- Tinto y Cartagena, Boletín Oficial del Ministerio de dalucía. Sevilla Comercio, Industria y Obras Públicas 9, pp. 489-504. Puig Y Larraz G. (1897), Catálogo Geográfico y Geológi- Guia De Guadalcanal, (1989), Ayuntamiento de co de las Cavidades Naturales y Minas Primordiales Guadalcanal. de España, Anales de Historia Natural, 2 (6) (XXVI). Hunt Ortiz M.A., (2000), El área minera de Guadalcanal Sanchez Gomez J. (1990), De Minería, Metalurgia y Co- (Sevilla): de la explotación Prehistórica a la Moderna, mercio de Metales. La Minería no férrica en el reino Temas Geológico Mineros 31, pp. 379-389. de Castilla (1450-1610), Universidad de Salamanca- Hunt Ortiz M.A., (2003), Prehistoric Mining and IGME.

122 Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 123-133

THE PIT OF CUEVA GRANDE: FIRST DESCRIPTION OF A VOLCANIC PIT IN A WATER MINE OF THE CANARY ISLANDS IL POZZO DI CUEVA GRANDE: LA PRIMA DESCRIZIONE DI UN POZZO VULCANICO IN UNA MINIERA RICCA DI ACQUA DELLE ISOLE CANARIE

O. Fernández 1, M. Naranjo1 , C. González1, & S. Martín1,2

Abstract Riassunto A description and speleological survey of a new- In questo lavoro si presenta una topografia e una ly re-discovered volcanic chamber found during descrizione speleologica di una camera vulcanica mine excavations for water extraction in Gran recentemente “riscoperta” in seguito agli scavi mi- Canaria is reported in this paper. A few theories nerari realizzati in Gran Canaria per l’estrazione regarding its speleogenesis and lack of troglobitic dell’acqua. Nell’articolo, sono incluse alcune teo- fauna are also included. rie circa la sua speleogenesi e la spiegazione della Keywords: volcanic chamber, water mine, water mancanza di una fauna troglobia. reservoir, Gran Canaria, Canary Islands. Parole chiave: camera vulcanica, miniera di acqua, serbatoio d’acqua, Gran Canaria, Isole Ca- Introduction narie. Due to the lack of water in the Canary Is- lands, where there are no rivers and where Introduzione natural springs are very scarce, a large A causa della mancanza d’acqua nelle Isole number of wells and mines have been exca- Canarie, dove non ci sono fiumi e dove le vated to access subterranean water sources sorgenti sono molto scarse, sono stati sca- (Suárez, 2009). Because volcanic strata are vati un grande numero di pozzi e di gallerie not only sub-horizontal but also vertical per avere accesso alle risorse idriche sotter- (e.g. volcanic dikes potentially containing ranee (Suárez, 2009). A causa del fatto che stored water) horizontal mine workings gli strati vulcanici non sono solo suboriz- can intercept significant reserves of clean zontali ma anche verticali (anche i dicchi water, providing a valuable resource to the vulcanici possono potenzialmente contenere local people. The figures are impressive: acqua) le gallerie suborizzontali possono over 10,950 wells and adits (Hoyos et alii, intercettare anche notevoli riserve di acqua 1987) achieve a combined length in excess non inquinata, che può risultare una riser- of 2,400 km (equivalent to a tunnel linking va importante di acqua potabile per le po-

1 Grupo de Espeleología Tebexcorade – La Palma. Camino El Risco, 4, 38710, Breña Alta. La Palma (Canary Islands). email: [email protected] 2 Sociedad Entomológica Canaria Melansis. C/ Guaydil, 3, 1º A, 35016, Las Palmas de Gran Canaria (Canary Islands). email: [email protected]

123 our archipelago with Sardinia, the location polazioni indigene. I numeri sono davvero of this symposium). impressionanti: più di 10.950 pozzi e gal- The lava caves of the Canary Islands are lerie (Hoyos et alii, 1987) raggiungono una internationally significant R( osales, 1996) lunghezza cumulata di più di 2400 chilo- and their number continues to increase metri (equivalenti ad un tunnel sotterraneo with further discoveries by both local and che unisce l’arcipelago delle Canarie con la foreign cavers. There are over 250 cavities Sardegna, sede di questo simposio). (Delgado, 2002) and the authors believe Le grotte in lava delle Isole Canarie sono that currently there must be over 300 (250 ben conosciute in tutto il mondo (Rosales, lava tubes and 50 chambers). However, 1996) e il loro numero continua ad aumen- only a few natural cavities have been in- tare per le nuove scoperte fatte sia da spe- tercepted by adits and the Cueva Grande leologi locali che da forestieri. Attualmente chamber is a particularly interesting sono note più di 250 cavità (Delgado, 2002) example, for the following reasons: ma noi crediamo che al giorno d’oggi sia- • Lava caves in Gran Canaria are rare no più di 300 (250 tubi di lava e 50 am- (due to the relative old age of the island) bienti isolati più o meno grandi). Tuttavia, (AA.VV., 1990). solo una piccola parte di queste sono state • Before this recent discovery only one intercettate da lavori minerarie la Cueva other known chamber existed on the Grande, un ambiente isolato, è un esempio island (Sima de Jinámar GC/TD-01) particolarmente interessante per le seguenti (Fernández & Naranjo, 2011). ragioni: • This site is the only recorded interception of a chamber by an adit in the whole • Le grotte laviche sono rare nella Canaria archipelago. The other known examples (a causa delle relative antichità dell’iso- of adits encountering voids are all lava la) (AA.VV., 1990). tubes (AA.VV., 1995; Dumpiérrez et alii, • Prima di questa recente scoperta nell’i- 2000). sola si conosceva solo un’altra camera (Il • According to differing reports from local Pozzo di Jinámar GC/TD-01) (Fernán- sources, the chamber was flooded (ei- dez & Naranjo, 2011). ther fully or partially) at its discovery • Questa grotta è l’unico caso a tutt’oggi di and there remain visible evidences of una camera raggiunta da una galleria water levels that confirm these reports. mineraria in tutto l’Arcipelago. Gli altri The internal volume of the chamber has esempi di gallerie che hanno incontrato been calculated at approximately 3,400 dei vuoti si riferiscono sempre a tubi di m3. Unfortunately no water remained lava (Dumpiérrez et alii, 2000). inside by the time cavers explored the • Secondo vari rapporti da fonti differenti, chamber so no samples could be taken la camera era allagata (del tutto o solo in for analysis (which we believe would parte) e a conferma di questo al suo in- have shown it to be a very ancient natu- terno sono ancora visibili i livelli stabili ral reservoir). dell’acqua. E’ stato calcolato che il volume interno della camera è di approssi- Description of the chamber mativamente 3400 m3. Sfortunatamente During fieldwork undertaken for the proj- al suo interno non è rimasto nemmeno ect “Fauna invertebrada de las cuevas de una goccia d’acqua e pertanto non è sta- Gran Canaria: valoración y conservación”, to possibile prendere dei campioni per the main results of which were subsequent- analizzarli (noi supponiamo che la cavi- ly published in the book “Fauna caverníco- tà fosse in realtà una cisterna naturale la de Gran Canaria. Secretos del mundo molto antica). subterráneo” (Naranjo et alii, 2009), this new volcanic chamber was re-discovered Descrizione della camera inside an abandoned water extraction mine Durante lo svolgimento del progetto “Fau- (adit) located in Cueva Grande in the mu- na invertebrada de las cuevas de Gran

124 Fig. 1 - Location of the Canary Islands, the Island of Gran Canaria and the municipality of Vega de San Mateo. / Le Isole Canarie, L’Isola della Gran Canaria e il territorio di Vega de San Mateo. nicipality of Vega de San Mateo (Fig. 1-2). Canaria: valoración y conservación”, i cui The chamber, which is a natural void ap- principali risultati sono stati pubblicati nel proximately 75 m in length and with a ver- libro “Fauna cavernícola de Gran Canaria. tical depth of 34 m, is only accessible via a Secretos del mundo subterráneo” (Naranjo

Fig. 2 - Location of the Mine of Cueva Grande. / Posizione della Miniera di Cueva Grande.

125 Fig. 3 - Chamber of Cueva Grande survey. / Rilievo della Cueva Grande.

126 single portal about 160 m away from the mine entrance (Fig. 3). UTM coordinates for the tunnel entrance are (WGS84, 28R) X=443.266 Y=3.095.464 Z=1.560 m. The chamber is now designated with the code GC/VSM-01 (Fernández & Naranjo, 2011). The mined tunnel is effectively almost a straight line with a positive inclination of about on degree from its entry to the junc- tion with the chamber. The dimensions of the passage vary but are approximately 0.8 m wide by about 2 m high. A concrete pipe is located in the floor and probably served to pump out water from the natural reservoir found inside the chamber. Fig. 4 - Ramp continuing downwards from the 2nd The first few meters of the chamber are rebelay (photo: O. Fernández). / La discesa dopo steep and uneven but with numerous ledges il secondo frazionamento (foto: O. Fernández). that aid the descent; the average height of this section of the chamber is about 1.7 m et alii, 2009), fu riscoperta questa nuova (Fig. 4). The SRT anchors used to safely de- camera vulcanica all’interno di un galle- scend the chamber from the mine were a ria mineraria abbandonata, realizzata per combination of two in-situ rock anchorages l’estrazione di acqua nella Cueva Grande, (first belay) and then 8 m further down our municipalità di Vega de San Mateo (Fig. newly installed M8 spits forming a rebelay 1-2). where the chamber increases in width and La camera, un vuoto naturale di circa 75 height and better quality rock facilitated m di lunghezza e un’altezza 34, è accessi- their installation. bile esclusivamente da un solo accesso che Continuing downwards from the rebelay si trova a circa 160 m dall’ingresso della is a ramp (with a gradient of about 35 de- galleria mineraria. Le coordinate UTM grees) approximately 8 m wide and the roof dell’ingresso del tunnel sono (WGS84, 28R) about 3.5 m high; it has two noteworthy X=443.266 Y=3.095.464 Z= 1.560 m. La camera è ora indicata con il codice GC/ VSM-01 (Fernández & Naranjo, 2011). Il tunnel minerario è praticamente rettilineo con una inclinazione positiva di circa un grado dall’esterno fino all’ingresso della camera. Le dimensioni della galleria variano ma sono approssimativamente 0,8 metri di larghezza e circa 2 metri in altezza. Un tubo di cemento si trova sul pavimento e probabilmente serviva per pompare fuori l’acqua dal serbatoio naturale rappresenta- to dalla camera. I primi pochi metri del salone sono molto inclinati e irregolari, ma con molte sporgenze che aiutano la discesa; l’altezza media di questa sezione della camera è di circa 1,7 metri. Gli ancoraggi utilizzati per una sicura discesa con la tecnica della sola corda Fig. 5 - Earlier hand-made anchor (photo: O. sono stati due anelli (primo ancoraggio) e González). / Antico ancoraggio fatto a mano (foto: poi, 8 m più in basso spit M8, piantati da O. González). noi per un frazionamento in una zona in

127 Fig. 6 - View of the debris heap taken from the bottom of the chamber (photo: O. Fernández). / Visione d’insieme dell’accumulo di detriti dal fondo della sala (foto: O. Fernández). characteristics – first, a central channel cui le caratteristiche della roccia rendeva- or gully on the floor which was probably no più facile il loro posizionamento e dove formed by rolling debris into the chamber la cavità aumentava in ampiezza e altezza. from the adit – this is supported by the Continuando verso il basso dal secondo an- presence of a spoil heap which appears to coraggio si trova una galleria inclinata (con have been created after the water in the un gradiente di 35°) che ha una larghezza chamber was pumped out; second, several di 8 m e il soffitto è circa a 3,5 m. basaltic or trachitic subhorizontal strata Questa galleria ha due caratteristiche prin- can be seen while descending the slope and cipali: 1) un canale o doccia al centro del the authors believe these provide a key to pavimento che probabilmente si era forma- the speleogenesis of the chamber although ta a causa dell’erosione indotta dai detriti precisely what the sequence of events was che rotolavano dentro alla camera dal suo presently remains unclear. ingresso (questa ipotesi è suffragata dal- At no stage is the chamber fully vertical la presenza di un accumulo di materiale, but after 25 m of angled descent there is an che sembra si sia formato dopo che l’acqua increase in gradient with a step of about 7 della camera era stata pompata fuori; 2) la m where another M8 anchor rebelay aids presenza di diversi strati basaltici e/o tra- progress. An earlier hand-made anchor chitici sub-orizzontali che possono essere in the upper part of this step was proba- osservati scendendo lungo la galleria incli- bly nailed into place during the original nata e che gli autori ritengono possano for- pumping works in order to attach ladders nire la chiave interpretativa per la genesi or hosepipes. So as to avoid confusion and della camera anche se attualmente ancora aid safety for future visits we removed it non è possibile fornire una cronologia esat- after taking a photographic record (Fig. 5). ta degli eventi. At the base of the shaft the rope is no lon- In nessun punto la camera ha le pareti per- ger required and the rest of the chamber fettamente verticali, ma dopo 25 m di di- can be negotiated cautiously on foot as the scesa lungo un piano inclinato si ha un au- first few meters of this lower part are still mento della verticalità con un salto di circa pretty steep. On the left hand side of the 7 metri dove un nuovo ancoraggio con un chamber there is a debris heap comprising M8 rende più agevole la discesa. similar sized rocks believed to have been Nella parte alta di questo salto si è osser- extracted and dumped during the engi- vato un vecchio ancoraggio, probabilmen-

128 neering works while excavating the tunnel te messo in quel posto durante i lavori per (Fig. 6); using the chamber for spoil stor- prelevare l’acqua al fine di attaccarvici le age instead of bringing it to daylight, some scale e i tubi per l’eduzione. Dopo averne 200 m further, seems a reasonable suppo- fatta una foto (Fig. 5), per evitare confusio- sition. Some much larger boulders rest on ni e rendere più sicure le visite successive, top of the debris pile and must have come abbiamo rimosso questo antico ancoraggio. to rest after the majority of the smaller Alla base di questo pozzetto la corda non è debris had been deposited down the slope; più necessaria ed il rimanente della came- the authors believe these huge boulders ra può essere esplorato con attenzione sen- were not placed on the debris pile but in- za alcun attrezzo anche se i primi metri di stead may have fallen after explosives had questa porzione di grotta sono ancora molto to be used elsewhere in the inner parts of ripidi. the adit when phonolitic-like rocks were Nella parte sinistra della cavità si trova un encountered, as they are hard to drill con- accumulo di detriti di dimensione simile ventionally (Fig. 7). a quelli che si suppone siano stati prodot- The debris slope at the base of the 7 m step ti e scaricati durante i lavori minerari per ends after about 12 m and the original clay lo scavo del tunnel di accesso: infatti l’uti- floor of the chamber can be seen (Fig. 8); at lizzazione della camera per l’accumulo del the end of the chamber there is a crack in materiale di discarica invece che portarlo the clay beside the east wall which is prob- all’aperto circa 200 metri distante, ci pare ably a result of desiccation and contraction una supposizione ragionevole. of the sediment after the water was ex- Alcuni blocchi molto più grandi si trovano sulla sommità della discarica e evidentemente debbono essere arrivati lì dopo che tutti i frammenti più piccoli si erano già depositati. Noi riteniamo che questi grandi blocchi non sono stati posizionati sulla sommità della discarica ma ci siano caduti sopra a seguito delle esplosioni fatte all’interno dell’accesso alla grotta dove erano state incontrate rocce di tipo fonolitico, quindi difficili da perforare in maniera convenzionale (Fig. 7). L’accumulo di detriti alla base del pozzet- to da 7 finisce dopo circa 12 m e, da quel punto è esposto il pavimento originale della camera, fatto di argilla; alla fine della camera davanti alla parete ovest vi è una fes- sura nell’argilla (Fig. 8) che è probabilmente dovuta al disseccamento e alla perdita di volume del sedimento una volta che l’acqua era stata estratta tutta e conseguentemente il pavimento si era essiccato. La frattura nell’argilla sembra essere profonda almeno 2 metri e al suo interno sono Fig. 7 - Explosives had to be used elsewhere in state osservate ossa di cane. the inner parts of the adit when phonolitic-like Le pareti nella parte più bassa della cavità rocks were encountered, as they are hard to drill sono ricoperte di fango (Fig. 9). conventionally (photo: D. Gómez). / Si sono dovuti utilizzare esplosivi in varie parti del giacimento Il fatto che la cavità si sia formata all’inter- quando si incontravano rocce fonolitiche, difficili no di rocce molto compatte e che le sue pare- da perforare in maniera convenzionale (foto: D. ti siano completamente ricoperte di argilla, Gómez). sigillando anche le eventuali fratture e in-

129 fine la sua notevole distanza dalla superficie (circa 55 m), potrebbe spiegare la totale assenza di fauna troglobia (Novak et alii, 2012; Sendra & Reboleira, 2012; Oromí, 2009). Niente è stato trovato fino ad adesso e probabilmente non c’è nulla da trovare: in questo caso la cavità sarebbe di esclusivo interesse geologico. Il tetto della parte più profonda risulta essere il più alto, raggiungendo circa gli 8,5 metri (Fig. 10). Sul soffitto ci sono chiaramente visibili i punti da cui sono caduti i grandi blocchi che si sono adagiati sull’accumulo di detriti; anche sulle pareti e sul soffitto stesso ci Fig. 8 - Debris slope at the base of the 7 m step sono poi aree scure che nella maggioranza (photo: O. Fernández). / Accumulo di detriti alla dei casi corrispondono a placche di fango, base del pozzo di 7 m (foto: O. Fernández). piuttosto che roccia come si potrebbe credere a prima vista. tracted from the chamber and the chamber In conclusione, sulla base delle evidenze floor subsequently dried out. Looking down geologiche appena riportate, questa è la se- into the crack the clay layer can be seen to quenza degli eventi che sono avvenuti per be around 2 m thick; there are also some l’intercettazione della cavità da parte della skeletal remains of a dog here. The walls galleria mineraria (Fig. 11): at the lower part of the chamber are coat- • Durante lo scavo della galleria è stata, ed with mud (Fig. 9). These characteris- per puro caso e non per calcolo ingegne- ristico, intercettata una cavità naturale parzialmente o totalmente riempita di acqua. • Un tubo di cemento è stato posizionato lungo tutta la galleria fino al punto di accesso alla cavità naturale. • L’acqua è stata pompata fuori fin tanto- chè la cavità è stata completamente vuo- tata. Qualunque pozzanghera o laghetto residuo è quindi evaporato e quindi la cavità si è seccata completamente. • Lo scavo di accesso fu portato comunque avanti con la speranza di trovare altra acqua. • Detriti derivanti dallo scavo sono stati depositati nella cavità che ha funziona- to come un efficiente discarica, evitando così la fatica ed i costi accessori del trasporto degli stessi per oltre 200 m fino all’esterno. Il volume della discarica interna è di circa 400 m3. L’utilizzazione di esplosivi nei lavori profondi ha causa- to il distacco e la caduta dal soffitto di Fig. 9 - Plenty of mud that coats and seals the cracks (photo: O. Fernández). / Accumuli di grandi blocchi che si sono fermati sulla fango che ricopre e sigillano le fratture (foto: O. sommità della discarica interna. Fernández). • Il mancato ritrovamento di risorse idri-

130 tics, namely a cavity dug within compacted rocks containing plenty of mud which also coats and seals the cracks, combined with its significant distance from the surface (about 55 m) probably explains the complete lack of troglobitic fauna (Novak et alii, 2012; Sendra et alii, 2012; Oromí, 2009); no cave dwelling species have been found so far and it may be that they are completely lacking, in which case the chamber is sole- ly of geological, rather than biological, interest. The ceiling is highest at the lowest part of the chamber, attaining a height of approximately 8.5 m (Fig. 10). There are clearly discernible impressions or imprints in the ceiling which correspond to the huge boulders that have fallen onto the debris pile; also on the walls and ceiling there are many dark areas which are in most cases mud, rather than rocks which they appear at first instance to be. In summary, then, this is the sequence of events which resulted in the adit intercepting the chamber and the geological features noted above (Fig. 11): • During excavation of the adit the chamber was intercepted and found to be partially or completely flooded; the authors’ assumption is that this was luck, and not the result of planned engineering. • A concrete pipe was installed from the adit entrance to the interception point of the chamber. • The water was pumped out until the chamber was drained. Any remaining pools or puddles subsequently evapo- rated and the chamber became totally dry. • Excavation of the main adit continued presumably in order to find additional Fig. 10 - Lowest part of the chamber (photo: O. sources of water. Fernández). / La parte inferiore del salone (foto: • Debris from the continuing excavation O. Fernández). were deposited into the chamber which served as a convenient waste deposit, thereby saving the effort, time and cost che addizionali ha causato l’interruzio- of transporting it over 200 m to daylight. ne dei lavori minerari e l’abbandono del The volume of the resultant spoil heap is sito. approximately 400 m3. The use of explosives in the deeper workings triggered huge boulders to fall from the ceiling Teorie speleogenetiche e suggerimenti and rest on top of the debris pile. Come detto precedentemente, questo tipo di • When additional sources of water were cavità è raro e la sua speleogenesi non ben

131 Fig. 11 - Sequence of events which resulted in the adit intercepting the chamber (drawing: O. Fernández). / Sequenza degli eventi che hanno portato il giacimento ad intercettare la sala (disegno: O. Fernández).

not located in the mine, work stopped definita, tuttavia ci sono alcuni indizi os- and the site was abandoned. servati dagli autori che sono: • La camera sembra essere una cavità Speleogenetic theories and sugges- tra uno strato di un non ben definito tions conglomerato vulcanico che funge da As previously stated above, this type of soffitto attuale, e vari strati di basalto chamber is rare and the speleogenesis is o trachite nel pavimento, con ulteriori uncertain; however, there are a few clues di questi strati presenti in alcune parti which the authors have observed, namely: della parte bassa della camera. • The chamber appears to be a cavity • La sezione superiore della cavità sem- between a layer of undefined volcanic bra far parte di un dicco vuoto con evi- conglomerate on the present ceiling, denti tracce di flusso idrico verso l’inter- and several layers of basalt or trachite no, che, a parere degli autori, è stata la on the floor, with further layers visible maggior fonte per l’accumulo di acqua along the sides of the chamber. nella camera. • The upper section of the chamber seems • Gli autori credono che la camera si sia to be part of a hollow dyke with evidence allagata molto dopo la sua genesi, che of water flowing in; this is believed to be non è assolutamente relazionata all’ar- the main source for filling the chamber. rivo dell’acqua; tuttavia essa è stata la • The authors believe that the chamber responsabile per tutto il fango che rico- was flooded long after its formation, and pre il pavimento e le pareti della parte was not formed, per se, by the water it- inferiore della cavità stessa. self; however, the water was the mecha- Pur non disponendo attualmente di una te-

132 nism by which the lower walls became oria speleogenetica generale che possa spie- coated with mud. gare la genesi di questa cavità, è evidente Despite any absolute theory which can ex- che si tratta di una grotta vulcanica dav- plain the genesis of this chamber, it stands vero inusuale e quindi di notevole interesse out as a very unusual type of volcanic cave geologico, che se ben programmata potreb- and has high geological interest as a result. be a pieno titolo entrare, in un prossimo fu- With future good planning it could perhaps turo, in un percorso geoturistico. form part of a geotourist attraction. Future Le prossime visite alla galleria e alla cavità trips into the mine and chamber should in- dovranno includere la realizzazione di un clude surveying to a higher accuracy using rilievo accurato utilizzando un DistoX e do- DistoX devices and searches for addition- vranno anche riguardare essenzialmente la al evidence to help explain and unveil the ricerca di ulteriori evidenze utili per defini- mysterious speleogenesis of Cueva Grande re la ancora misteriosa speleogenesi della Chamber. Cueva Grande.

Acknowledgements Ringraziamenti The authors wish to thank J. Cedrés (from Gli autori vogliono ringraziare J. Cedrés the former GELPA caving club) who helped (del passato Gruppo Speleologico GELPA) with the rediscovery of this site in 2007; per l’aiuto fornito nella riscoperta di questo also to our friends at GE Tebexcorade – La sito nel 2007; si ringraziano anche i nostri Palma: A. Brito, F. Dumpiérrez, D. Gómez amici del Gruppo speleologico Tebexcora- & M Muñoz who worked tirelessly gathe- de – La Palma: A. Brito, F. Dumpiérrez, D. ring survey data for the adit and chamber Gómez & M. Muñoz, che hanno lavorato in- illustrations. Finally, thanks are extended stancabilmente accumulando i dati di rilie- to A. M. Fernández & C. Binding (Univer- vo e per le illustrazioni dell’accesso e delle sity of Bristol Spelaeological Society) for camere. Infine si ringrazia A. M. Fernández reading and commenting on the original & C. Binding (University of Bristol Spelae- English manuscript, and to F. Ristuccia for ological Society) per aver letto criticamente her help with the Italian translation. il manoscritto originale, e F. Ristuccia per il suo aiuto con la traduzione italiana.

References / Citazioni bibliografiche

AA.VV., (1990), Mapa geológico de España. Escala Urbanismo, 62 p. 1-25000. Segunda serie-Primera edición. Madrid, In- Naranjo M., Oromí P., Pérez A.J., González C., Fernán- stituto Geológico y Minero de España. dez O., López H.D. & Martín, S., (2009), Fauna ca- AA.VV., (1995), Catálogo espeleólogico de Tenerife. Ed. vernícola de Gran Canaria. Secretos del mundo Organismo Autónomo de Museos y Centros, Cabildo subterráneo. Ed. SEC Melansis, Las Palmas de Gran di Temerife, 168 p. Canaria, 106 p. Delgado G., (2002), Cavidades volcánicas de Canarias, Novak T., Matjaz P., Lipovsek S. & Janzekovic F. (2012), Consejería de Política Territorial y Medio Ambiente, Duality of terrestrial subterranean fauna. Internatio- Gobierno de Canarias, 127 p. nal Journal of Speleology 41(2), pp. 181-188. Dumpiérrez F., Fernández M., Fernández O., García R., Oromí P., (2009), La fauna subterránea de Canarias: González A.J., González E., Govantes F., Hernández un viaje desde las lavas hasta las cuevas. Actas de V J.M., Martín M. & Mata M., (2000), las cavidades Semana Científica Telesforo Bravo- Instituto de Estu- volcánicas de los municipios de Breña Alta y S/C de dios Hispánicos de Canarias. La Palma (La Palma, Islas Canarias). Vulcania, 4, Rosales M., (1996), Historia de la espeleología en Ca- pp. 1-45. narias. Proceedings 7th International Symposium on Fernández O. & Naranjo M., (2011), Catálogo de Cavi- Vulcanospeleology, S/C de La Palma, 1994, pp. 101- dades de la isla de Gran Canaria (Islas Canarias), 108. Vulcania 9, pp. 43-47. Sendra A., Ortuñio V.M., Reboleira A.S.P.S., Gilgado Hoyos-Limón A., Braojos J.J. & Puga L., (1987), El agua J. D. & Terwel S. (2012), Colonizatión of hypogenic en Canarias. Consejería de Obras Públicas del Go- caves by terrestial arthropods. Consequences in the bierno de Canarias – Ministerio de Obras Pública y biodiversity patterns of subterranean species. Pro-

133 ceedings 21st Int. Conf. Subterr, Biol., Slovakia, pp. tegias y prócedimentos didácticos. Ed. Bienmesabe, 99-100. 56 p. Suárez F. (2009), El agua in Canarias. Historias, estra- Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 135-154

THE SCIENTIFIC RELEVANCE OF MINE, QUARRY, AND MINED CAVES OF ROMANIA: A REVIEW L’IMPORTANZA SCIENTIFICA DELLE GROTTE DI MINIERA, DI CAVA E GROTTE-MINIERA DI ROMANIA: LO STATO DELLE CONOSCENZE

Bogdan P. Onac1,2

In the memory of Paul Erik DAMM who dedicated part of his karst science to mine caves. I memoria di Paul Erik DAMM che ha dedicato parte della sua scienza carsica alle grotte di miniera.

Abstract Riassunto Evidences show humans must have entered caves Le evidenze indicano che gli esseri umani devono in Romania prior to 65,000 years ago. Their in- essere entrati nelle grotte in Romania oltre 65.000 terest in mining activities came, however, much anni fa. Il loro interesse per le attività minerarie later, with the first documented signs pre-dating venne, però, molto più tardi, con i primi segni do- the arrival of Romans in Dacia (present-day Ro- cumentati che pre-datano l’arrivo dei romani in mania), in the 2nd century BC. Although writings Dacia (l’attuale Romania), nel II secolo A.C. An- about minerals in Romanian caves date back to che se scritti su minerali in grotte rumeni risalgo- the 18th and 19th century, the first scientific texts no al XVIII e XIX secolo, i primi testi scientifici sui on minerals found in caves discovered during minerali che si trovano in grotte scoperte durante mining and quarrying activities only appeared le attività di estrazione di minerali è apparsa sol- after 1850s. From a mineralogical point of view, tanto dopo 1850. Da un punto di vista mineralo- two distinct categories are recognizable: 1) caves gico, due distinte categorie sono riconoscibili: 1) displaying speleothems of monotonous carbonate grotte con solo speleotemi carbonatici e 2) grotte mineralogy and 2) caves with unusual mineral con paragenesi minerale insolita. Quest’ultimo paragenesis. The latter group could further be gruppo può essere ulteriormente suddiviso in: i) subdivided into: i) cavities located near or with- cavità localizzate in prossimità o all’interno di de- in nonmetalliferous or polymetallic ore fields, ii) positi non metalliferi o in giacimenti di minerali skarn-hosted caves, and iii) caves in which H2S- polimetallici, ii) grotte nello skarn, e iii) grotte in rich thermo-mineral waters discharge. The study cui fluiscono acque termominerali ricche in H2S. of these caves resulted in the discovery of min- Lo studio di queste grotte ha portato alla scoper- erals, either new for science (ardealite) or to the ta di minerali, sia nuovi per la scienza (ardealite) cave environment (anhydrite, burbankite, fogg- che per l’ambiente grotta (anidrite, burbankite, ite, ikaite, konyaite, etc.). However, the scientific foggite, ikaite, konyaite, ecc.). Tuttavia, la rilevan- relevance of mine, quarry, and mined caves is not za scientifica della grotte di miniera/cava e delle restricted to mineralogy but also encompasses grotte miniera non è limitata alla mineralogia, ma

1 Department of Geology, University of South Florida, 4202 E. Fowler Ave., SCA 528 Tampa, FL 33620, USA ([email protected]) 2 “Emil Racoviță” Institute of Speleology, Clinicilor 5, 400006 Cluj Napoca, Romania

135 anthropology, archeology, Quaternary geology, comprende anche l’antropologia, l’archeologia, la biospeleology, karst science (speleothems, speleo- geologia del Quaternario, la biospeleologia, il car- genesis, etc.), and tourism. sismo (speleotemi, speleogenesi, ecc), e il turismo. Keywords: mine caves, mined caves, quarrying, Parole chiave: grotte di miniera, grotte miniera, science, Romania. attività estrattive, scienza, Romania.

Introduction Introduzione Early human footprints are rare in the fos- Sono rare le impronte di uomini primitivi sil record. Evidences indicate that Homo fossilizzate, ma vi sono chiare evidenze che neanderthalensis have entered caves in l’ Homo neanderthalensis ha visitato alcu- Romania prior to 65,000 years ago (Onac ne grotte della Romania addirittura prima et alii, 2005a). Other archaeological and di 65000 anni fa (Onac et alii, 2005a). Altri anthropological findings indicate that the ritrovamenti archeologici e antropologici early modern humans had a more constant indicano che l’uomo moderno ha frequen- presence in the Romanian caves (Trinkhaus tato assiduamente le grotte rumene (Trin- et alii, 2003; Soficaru et alii, 2007; Olar- khaus et alii, 2003; Soficaru et alii, 2007; iu et alii, 2005) However, their interest in Olariu et alii, 2005), tuttavia il loro inte- mining activities came much later, with resse per le attività minerarie iniziò molto the first documented signs pre-dating più tardi: le prime tracce di una tale attivi- the arrival of the Romans in Dacia (pres- tà risalgono infatti a prima che i Romani ent-day Romania), in the 2nd century BC arrivassero in Dacia (l’odierna Romania) (Cauuet, 2002). Over the last 150 years, nel secondo secolo prima di Cristo (Cauuet, a significant number of cavities were ac- 2002).

Fig. 1 - The karst regions of Romania with the location of the most important mine/quarry caves. / Le regioni carsiche della Romania con la localizzazione delle più importanti grotte di miniera/cava.

136 cidentally intercepted during mining and Negli ultimi 150 anni, un notevole nume- quarrying activities, especially in the karst ro di cavità naturali sono state accidental- regions of central and north-western Ro- mente intercettate durante i lavori di cave mania. Fewer, but nevertheless important e/o miniere, questo soprattutto nella regio- mine caves are also known from the East- ne carsica nella Romania centrale e di NO. ern and Southern Carpathians as well as Un numero minore di grotte di miniera, ma from Dobrogea (Fig. 1). The main driving non per questo meno importanti, sono an- forces behind these discoveries was the che note nella zona a Est e Sud dei Carpazi, exploration and exploitation of limestone, come anche dalla Dobrogea (Fig. 1). bauxite, and sulfur in quarries or mining La motivazione principale che ha spinto for polymetallic ore deposits, bauxite, salt, alla ricerca di queste scoperte è stata l’e- guano-phosphates, or saltpeter. Prospects strazione della bauxite e dello zolfo nelle for water, road constructions, and geotech- cave o i lavori minerari per la ricerca di nical studies also contributed to some spec- depositi polimetallici, bauxite, salgemma, tacular discoveries. guano-fosfati o nitrati. Anche ricerche d’ac- The scientific relevance of these cavities is qua, costruzioni di strade e studi geotecnici multifold (see Tab. 1). After a brief presen- hanno contribuito ad alcuni spettacolari ri- tation of the Romanian karst, the main ar- trovamenti. eas of scientific interest concerning mine/ La rilevanza scientifica di queste cavità quarry and mined caves are assembled in dipende da molti fattori (Tab. 1). Nel pre- several groups then discussed and exem- sente lavoro, dopo un breve introduzione plified. sul karst della Romania, le principali aree di interesse scientifico delle grotte di cava Geographic and geologic settings e/ miniera e delle grotte-miniera sono stati Less than 2% of the land surface of Ro- accorpati per gruppi omogenei e quindi di- mania (237.500 km2) consists of soluble, scussi sulla base di esempi classici. karst-forming rocks (Onac & Cocean, 1996; Onac & Constantin, 2003)(Fig. 1). The most Situazione geologica e geografica important are the Mesozoic limestones Meno del 2% del territorio della Romania (mainly belonging to the Jurassic-Creta- (237.500 km2) è formato da rocce solubili, ceous sedimentary cycle), which outcrop quindi carsificabili (Onac & Cocean, 1996; abundantly in the Western and Southern Onac & Constantin, 2003) (Fig. 1), tra cui Carpathians. Paleogene and Neogene car- le più importanti sono i calcari mesozoici bonate rocks outcrop on restricted area (essenzialmente appartenenti al ciclo sedi- in the north-western part of the country mentario Giurassico-Cretacico), che affio- (Someș Plateau, Rodnei Mountains) with rano comunemente nei Carpazi Sud-Occi- the later ones covering most of the south- dentali. ern Dobrogea. In addition, caves formed in Rocce carbonatiche del Paleogene e del dolomites, marbles, calcic skarns, evapo- Neogene affiorano in una piccola zona del rites, conglomerates, and sandstones are Nord-Ovest del paese (L’altopiano Someș scattered across the country. Plateau, sui monti Rodnei), mentre le ulti- The Romanian Cave Database managed by me costituiscono la maggioranza del Sud the “Emil Racoviță” Institute of Speleology della Dobrogea. Inoltre grotte formate nella (ERIS) includes over 13.000 caves; a very dolomia, nei marmi, nello skarn carbonati- small fraction of them (less than 100) are co, nelle evaporiti, nei conglomerati e nelle mine or quarry caves. For the purpose of arenarie si trovano sparse per tutto il paese. this presentation, apart from the typical Il Catasto Speleologico Rumeno, gestito mine/quarry caves we also included com- dall’Istituto di Speleologia “Emil Racoviță” mon caves with known natural entrances (ISER), attualmente contiene oltre 13000 but which were targeted by humans for grotte: solo una frazione minima di que- mining out a variety of economically (more ste (meno di 100) sono grotte di miniera o or less) valuable substances (ore deposits, di cava. Per questo lavoro, oltre alle clas-

137 Geographic Unit Cave Relevance Reference Baia lui Schneider M, ME, SG Iștvan & Tămaș (1996) Rodnei Mountains Rodna Veche M, ME, SG Mârza & Silvestru (1988) Luana (Palatul de Cioco- M, SG, SP Naum & Butnaru (1967); Balintoni Căliman Mountains lată) (1968) AR Vădeanu & Done (1981); Cârciumaru Someș Plateau Cuciulat (1983) Albioara SP, SG Damm & Mitrofan (1998) Aurica SP Vălenaș (1981)

Jurcsák & Kessler (1991); Benton et Cornet P alii. (1997); Dyke et alii. (2011). Pădurea Craiului Mountains Crystals (Farcu Mine) S, T Damm et alii. (2003) C, S, QG Vremir (1994); Lauritzen & Onac Lithophagus (1999) Subpiatră P Venczel (1991) 1J2 (Mina Jofi 117) S, SG Lascu (2005) Fagului M, SP Diaconu et alii. (1977) P, QG, SP, T Jurcsák et alii. (1980); Onac et alii. Urșilor (Bears) (2002a); Diedrich (2011); Robu et alii. Bihor Mountains (2011). M, ME, SG Pósepný (1874); Stoici (1983); Onac Băița Bihor skarn karst (2002) M, ME, SG Nedopaca (1986); Zaharia et alii. Metaliferi Mountains Trestia Băița (2003) AR, P Paunesco et alii. (1982); Rădulesco et Ciucului Mountains Sândominic alii. (1998) AR, AN, C, Roska (1923); Schadler (1932); M, ME, P, Marincea et alii. (2002); Onac et alii. Șureanu Mountains Cioclovina SG, (2002b, 2007); Olariu et alii. (2005); Soficaru et alii. (2007) Siriu Mountains Slănic Salt Mine M, ME, T Povară et alii. (1982) Dognecea Mountains Ocna de Fier M, SG Mârza et alii. (1995) M, ME, SG Diaconu & Lascu (1999); Pușcaș et Sălitrari alii. (2010) C, H, M, SG Povară et alii. (1972); Diaconu Cerna Mountains Diana (1974); Diaconu & Medeșan (1975); Onac et alii. (2009b) Hercules H, M, SG Povară & Marin (1984) B, SG Diaconu & Morar (1993); Sârbu et Dobrogea Movile alii. (1996);

Tab. 1 - The most important mine/quarry and mined caves of Romania, their scientific relevance, and bibliographic references (AN: anthropology; AR: archeology; B: biospeleology; C: crystallography; H: hydrology; M: minerals; ME: mining exploitation; P: paleontology; QG: Quaternary Geology; SG: speleogenesis; SP: speleothems; T: touristic). / Le più important grotte di miniera/cava e grotte-miniera della Romania, la loro importanza scentifica e relative citazioni bibliografiche (AN: antropologia; AR: archeologia; B: biospeleologia; C: cristallografia; H: idrologia; M: minerali; ME: coltivazione mineraria; P: paleontologia; QG: geologia del Quaternario; SG: speleogenesi; SP: speleotemi; T: turismo).

138 phosphate or nitrate sediments, salt, or siche grotte di miniera e/o cava sono state thermal water). In the process of excava- incluse anche quelle grotte normali, con un tion and extraction, some meaningful pale- ingresso naturale ben conosciuto, che però ontological and anthropological sites were sono state prese in considerazione dall’uo- discovered. Furthermore, these activities mo per l’estrazione di una grande varietà provided scientists with good exposures of di sostanze con un certo (maggiore o mino- the sediment sequence or visual access to re) valore economico (giacimenti minerali, cave morphological features, thus allowing sedimenti di fosfati o nitrati, salgemma, o for detailed paleontological, mineralogical, anche acqua termale). Durante il processo or speleogenetic studies. This last group di coltivazione si sono fatte anche splendide is discussed in a dedicated chapter titled scoperte paleontologiche e archeologiche. E Mined caves. ancora, queste attività hanno permesso agli scienziati di analizzare una sequenza di se- Caves with mineralogical relevance dimenti ben esposta o la visione di forme This section discusses mine caves that con- della grotta altrimenti obliterate, permet- tain unique speleothems from a genetic/ tendo così dettagliati studi paleontologici, morphologic, mineralogical, and crystal- mineralogici e speleogenetici: quest’ultimo lographic point of view. Also included are gruppo è discusso nel paragrafo dedicato caves hosting sediments from which inter- alle Grotte-miniera. esting mineral associations were described. Monographs and geological documents/re- Grotte con importanza mineralogica ports confirm that in Romania it has been In questo paragrafo vengono discusse sia le a continuous interest for mineralogical in- grotte di miniera che contengono speleo-te- vestigations in caves since the mid-18th cen- mi unici dal punto di vista genetico/morfo- tury (Fridvaldszky, 1767; Pósepný, 1874; logico, e mineralogico e cristallografico, sia Bielz, 1884; Koch, 1886) up to present time le grotte che ospitano sedimenti con interes- (Schadler, 1932; Nedopaca, 1982; Diaconu, santi associazioni minerali. 1985; Onac, 2003). The first checklist of the Le monografie, i documenti e i rapporti geo- Romanian cave minerals was published logici confermano che in Romania vi è stato by Nedopaca (1982) and contained 29 spe- un continuo interesse per la ricerca mine- cies precipitated under various cave set- ralogicala all’interno delle grotte a partire tings. Six other minerals (three of them dalla metà del secolo XVII (Fridvaldszky, from mine caves) were added by Diaconu 1767; Pósepný, 1874; Bielz, 1884; Koch, (1985) who updated this cave minerals list. 1886) sino ai giorni nostri (Schadler, 1932; In 2003, the number of minerals compiled Nedopaca, 1982; Diaconu, 1985; Onac, by Onac increased to 104, with more than 2003). La prima lista dei minerali di grot- 25 described from mine or mined caves. ta rumeni, pubblicata da Nedopaca (1982), Since this checklist was published, howev- conteneva 29 specie che si erano formate er, more than 15 new minerals were added, in differenti condizioni della cavità. Altri all collected from caves discovered during 6 minerali (di cui tre da grotte di miniera) mining activities. furono aggiunti a questa lista da Diaconu From a mineralogical point of view, two (1985). Nel 2003 il numero dei minerali distinct categories are recognizable: 1) elencati da Onac arrivò a 104, di cui oltre caves displaying speleothems of monoto- 25 scoperti in grotte di miniera o grotte-mi- nous carbonate mineralogy (only calcite niera. Dopo che questa lista è stata pub- or aragonite, rarely, hydromagnesite and blicata, altri 15 minerali si sono aggiunti, huntite (Fagului, Urșilor, Lithophagus, tutti raccolti in grotte scoperte a seguito Aurica, 1J2), and 2) caves with unusual dell’attività mineraria. mineral assemblages. The latter group is Dal punto di vista mineralogico si possono further subdivided into: i) cavities located distinguere due categorie differenti: 1) le near or within nonmetalliferous or polyme- grotte che hanno solo speleotemi riferibili tallic ore fields, ii) skarn-hosted caves, and alla mineralogia dei carbonati (solo calci-

139 iii) caves in which H2S-rich thermo-min- te, aragonite, e raramente idromagnesite eral waters discharge. Provided below are e huntite) (Fagului, Urșilor, Lithophagus, some supplemental information on each of Aurica, 1J2), e 2) grotte con un insieme di these sub-categories. minerali non comuni. E’ possibile poi sud- i) The exotic minerals associated with the dividere ulteriormente quest’ultimo gruppo polymetallic mine caves (e.g., Rodna Veche, in: i) cavità posizionate vicino o addirittu- Valea Vinului, Ocna de Fier, and Tres- ra dentro giacimenti nonmetalliferi o poli- tia-Băița regions) are all related to process- metallici, ii) grotte sviluppatesi dentro lo es of oxidation and/or hydration of hydro- skarn, e iii) grotte in cui affiorano acque edopaca ârza thermal sulfides N( , 1986; M & termominerali ricche in H2S. Queste tre Silvestru, 1988; Mârza et alii., 1995; Iștvan categorie sono meglio esplicitate qui di se- & Tămaș, 1996; Vișan, 2011). As expected, guito. the most common secondary cave minerals i) I rari minerali presenti nelle grotte di are sulfates, (gypsum, halotrichite-group, miniera polimetalliche (come per esempio barite, serpierite), some carbonates (mal- quelle nelle regioni: Rodna Veche, Valea achite, azurite), and oxides (quartz, mag- Vinului, Ocna de Fier, e le regioni Trestia- netite, goethite, hematite). Typically, these Băița) sono tutte interessate da processi minerals form crusts, efflorescences, min- di ossidazione e/o idratazione dei solfuri ute crystals, and aggregates. idrotermali (Nedopaca, 1986; Mârza & Sil- ii) In the Băița Bihor skarn district, many vestru, 1988; Mârza et alii, 1995; Iștvan cavities were intercepted by adit and & Tămaș, 1996; Vișan, 2011). Conseguente- shafts (Stoici, 1983; Onac & Damm, 2002). mente i minerali di grotta più comuni sono The minerogenic processes and their asso- i solfati (gesso, alotrichite, barite, serpieri- ciated products (recorded in brackets) de- te), alcuni carbonati (malachite e azzurrite) scribed by Onac (2002) are: a) hydrother- e ossidi (quarzo, magnetite, goethite, emati- mal (wittichenite, luzonite, quartz, and te), che formano in generale croste, infiore- possibly some of the calcite), b) hydration scenze, piccoli cristalli ed aggregati. or weathering of hydrothermal minerals ii) Nello skarn del distretto di Băița Bihor or primarily igneous rocks constituents molte grotte sono state intercettate da gal- to form malachite, aurichalcite, rosasite, lerie e pozzi (Stoici, 1983; Onac & Damm, azurite, glaukosphaerite, chalcanthite, 2002). I processi minerogenetici che le han- goethite, and natrolite, and c) precipi- no interessate e i prodotti che si sono formati tation in low-temperature environment (riportati tra parentesi) sono stati descritti (calcite, aragonite, hydromagnesite, and da Onac (2002) e sono: a) idrotermale (wit- norsethite). These minerals form crusts, tichenite, luzonite, quarzo, e forse anche un coralloids, aggregates, and earthy masses poco di calcite), b) idratazione e alterazione (Onac, 2002). di minerali idrotermali o di costituenti di iii) The caves along Cerna Valley (SW Ro- rocce ignee (malachite, auricalcite, rosasite, mania) are the exponents for the 3rd group, azzurrite, glaukosfaerite, calcantite, goethi- which is characterized by the presence of te, e natrolite) e c) precipitazione in un am- hot steam or/and thermal waters (<57°C), biente di bassa temperatura (calcite, ara- which either pool or flow along cave pas- gonite, idromagnesite, e norsethite). Questi sages reacting with the limestone/cave minerali danno luogo a croste, coralloidi, sediments to precipitate native sulfur, gyp- aggregati e masse terrose (Onac, 2002). sum, anhydrite, or other sulfate minerals iii) Le grotte lungo la valle del Cerna (SW in the form of aggregates, crystals, rafts, Romania) appartengono al terzo gruppo, and wall crusts (Povară et alii, 1972; Di- che è caratterizzato dalla presenza di vapo- aconu, 1974; Diaconu & Medeșan, 1975; ri caldi e/o acque termali (<57°C), che ve- Onac et alii, 2009b) (Fig. 2a). Also, efflo- nendo alla luce o fluendo nei condotti della rescences of tamarugite and halotrich- grotta reagiscono con il calcare e i sedimen- ite-group minerals are the main products ti di grotta facendo precipitare zolfo nati- of the bedrock weathering by acid sulfate vo, gesso, anidrite o altri minerali solfatici

140 Fig. 2 - a) Sulfate-rich mineral association in Diana Cave (Cerna Valley); b) Deposits of clastic sediments capped by phosphates and nitrate deposits in Great Șălitrari Cave. / a) associazione di solfati nella Grotta Diana (Valle del Cerna); b) depositi di sedimenti clastici coperti da fosfati e nitrati nella Grotta Grande Șălitrari. condensate (Pușcaș et alii, 2013). sotto forma di aggregati cristallini, cristalli A particular mineralogical case site is that singoli, minerali flottanti e croste parietali of the Great Șălitrari Cave (Cerna Valley), (Povară et alii, 1972; Diaconu, 1974; Diaco- where clastic sediments mixed or capped by nu & Medeșan, 1975; Onac et alii, 2009b) abundant guano deposits interacted with (Fig. 2a). the H2S-rich hot steam emerging in the In queste grotte sono anche presenti infiore- cave to form a layered deposit with distinct scenze di tamarugite e minerali del gruppo phosphate/sulfate/nitrate horizons (Fig. della alotrichite come principali prodotti 2b) (Diaconu & Lascu, 1999; Onac et alii, dell’alterazione della roccia incassante in 2009; Pușcaș et alii, 2010). Twelve minerals conseguenza della condensazione di acido (calcite, aluminite, alunite, gypsum, fluo- solforico (Pușcaș et alii, 2013). rapatite, hydroxylapatite,ardealite, brush- Un sito particolarmente interessante dal ite, taranakite, variscite) were identified in punto di vista mineralogico è quello della these sediments mined for saltpeter (dara- grotta Grande Șălitrari nella valle del Cer- pskite and nitratine) between 1850 and the na, dove si trovano elementi clastici mesco- beginning of the 20th century. lati o inglobati a grandi depositi di guano, che reagiscono con i vapori caldi ricchi di

Cave with significance in Quaternary H2S che fuoriescono nella grotta dando luo- and deep-time paleobiology studies go a un deposito stratificato con orizzon- The first known written report on Roma- ti distinti di fosfati, solfati e nitrati (Fig. nian’s cave paleontology belong to Petrus 2b) (Diaconu & Lascu, 1999; Onac et alii, th Ranzanus (XVI century) who explained 2009b; Pușcaș et alii, 2010). Ben 12 minera- the massive accumulations of cave bears li (calcite, aluminite, alunite, gesso, fluora- remains using Noah’s biblical flood. Con- patite, hydroxylapatite, ardealite, brushite, centrated paleontological investigations taranakite, variscite) sono stati osservati were carried out during the XIXth and ear- in questi depositi che sono stati oggetto di ly XXth century, and especially in the 2nd coltivazione mineraria per il salnitro (da- part of the XXth century when scientists rapskite e nitratine) tra il 1850 e l’inizio del from “Emil Racoviță” Institute of Speleolo- XX secolo. gy, “Țării Crișurilor” Museum, and Depart- ment of Geology at Babeș-Bolyai University Grotte importanti per gli studi sul in Cluj Napoca made important discover- Quaternario e la paleobiologia antica ies and studies in both ordinary and mine/ Il primo rapporti scritto sulla paleontolo- quarry caves (see Table 1 for mine cave ref- gia della Romania è di Petrus Ranzanus erences only). (XVI secolo), che spiegò l’accumulo di resti

141 Two major sites were discovered in the di orsi delle caverne sulla base del Bibbia Pădurea Craiului (King Forest) Moun- e del diluvio. Profonde ricerche paleontolo- tains of NW Romania. One is related with giche sono state fatte nei secoli XIX e XX e the Cornet mining district, where in 1978 soprattutto nella seconda parte di quest’ul a gallery intercepted a lens of bauxite in timo, quando gli scienziati dell’Istituto which were concentrated huge amounts of di Speleologia “Emil Racoviță”, il Museo well-preserved dinosaur, rare pterosaur, “Țării Crișurilor” e il Dipartimento di Geo- and bird fauna remains (Jurcsák & Kes- logia della Università Babeș-Bolyai a Cluj sler, 1991; Posmoșanu, 2003; Dyke et alii, Napoca fecero importanti scoperte e studi 2011). Based on the morphology of the sia in grotte normali che in grotte di cava bauxite lens and the condition of the bones e/o miniera (in Tab. 1 i riferimenti solo per surface (signs of abrasion, thus transport le grotte di miniera). involved prior to deposition) it has been in- Due siti principali sono stati scoperti nel- ferred that the fossil remains of Early Cre- la Montagne Pădurea Craiului (Foresta taceous age accumulated in large sinkholes del Re) nel NW della Romania. Uno è in formed on islands of the Tethys Ocean at relazione con il Distretto Minerario di Cor- the end of Jurassic. The insular environ- net, dove nel 1978 una galleria ha interse- ment was deduced based on adaptations cato una lente di bauxite in cui erano con- recognized while studying the fossil re- centrati una grande quantità di resti ben mains (Benton et alii, 1997; Posmoșanu & conservati di un dinosauro, un raro ptero- Cook, 2000). sauro, assieme a resti di uccelli (Jurcsák The geographic and paleontological signifi- & Kessler, 1991; Posmoșanu, 2003; Dyke cance of this site lies in the fact that the di- et alii, 2011). Sulla base della morfologia nosaur species discovered at Cornet share delle lenti di bauxite e del fatto che la su- some common features with those from perficie delle ossa presentavano segni di western Europe and Asia (Benton et alii, abrasione (pertanto di trasporto prima del- 1997). la deposizione) si è desunto che i resti fossili The second discovery took place in 1989 in del Cretacico inferiore si erano accumulati a limestone quarry near the village of Sub- in grandi doline che, alla fine del Giurassi- piatră (Bihor County, Pădurea Craiului co, si erano sviluppate su isole dell’Oceano Mountains). At this location, the blasting Tetide. L’ambiente isolano è stato dedotto activities exposed in the quarry’s wall a sulla base degli adattamenti riconosciuti shaft completely filled with sediments and durante lo studio dei resti fossili (Benton a very rich fossil assemblage that include et alii, 1997; Posmoșanu & Cook, 2000). large-size herbivores, omnivores, carni- L’importanza geografica e paleontologica vores, and various species of amphibians, di questo sito sta nel fatto che le specie di reptiles, insects, and rodents. Based on dinosauri scoperte a Cornet hanno carat- the fauna composition (mainly aquatic and teristiche comuni a quelle dell’Europa oc- semi-aquatic) several lines of evidence in- cidentale e dell’Asia (Benton et alii, 1997). dicate that the karst region must have had La seconda scoperta venne fatta nel 1989 lakes, swamps, and widely forested ter- in una cava di calcare vicino al villaggio rains. The age of this fossil assemblage is di Subpiatră (nella provincia di Bihor sul- Early Pleistocene (Venczel, 1991). la montagne Pădurea Craiului). In questo Ever since its discovery, the Urșilor (Bears) sito le esplosioni portarono alla luce sulla Cave impressed by the huge amount of parete di cava un pozzo completamente ri- cave bears remains (Terzea, 1978; Jurcsák empito di sedimenti particolarmente ricco et alii, 1981). Two distinct areas are of di resti fossili, che includevano erbivori di interest to paleontologists: the Bone Gal- grande taglia, onnivori, carnivori e varie lery (through which the tourists access specie di anfibi, rettili e roditori. Sulla base the cave) and the Scientific Reserve, in the della composizione faunistica (essenzial- lower level of the cave (Fig. 3). This section mente acquatica e semiacquatica) si è po- of the cave is gated and access is restrict- tuto stabilire che la regione carsica doveva

142 Fig. 3 - Urșilor Cave, Bihor Mountains: a) bones and skulls along the touristic path; b) a cave bear skeleton in anatomic connection. / Grotta Urșilor, Monti Bihor: a) ossa e teschi lungo il camminamento turistico; b) uno scheletro di orso delle caverne in connessione anatomica. ed to scientific research only. It is this part avere avuto laghi, paludi e grandi foreste. that preserves not only traces of cave bear L’età di questo deposito è risultata essere life (pes and foot prints, scratch marks, Pleistocene inferiore (Venczel, 1991). stomach fur imprints, hibernation beds, Immediatamente dalla sua scoperta la grot- etc.) but also three skeletons in anatomic ta Urșilor (degli Orsi) ha impressionato per connection and a rich assemblage of cave l’enorme quantità dei resti di orso delle ca- bears, lions, and hyenas (Diedrich, 2011). verne (Terzea, 1978; Jurcsák et alii, 1981). Surprisingly, although the Urșilor Cave is In questa cavità due sono le aree di inte- such an impressive den, the paleontologi- resse paleontologico: la Galleria delle Ossa cal investigations resumed only in 2007 (attraverso cui vi è l’accesso turistico alla and continued ever since with very de- grotta) e la Riserva Scientifica, nel livello tailed ichnological and ethological studies, inferiore (Fig. 3). Quest’ultima sezione del- supported by thorough sediment analyses, la cavità è chiusa con un cancello e l’accesso methodical excavations, and LIDAR map- è consentito solamente per scopi di ricerca. ping of the Scientific Reserve. The most In questa parte si sono conservate non solo thorough study so far belongs to Diedrich tracce della vita degli orsi (impronte delle (2011) who abundantly documents all zampe, graffiature, impronte della pelliccia tracks and traces, illustrating the complete dello stomaco, letti di ibernazione etc.) ma life cycle (before, during, and after hiberna- anche tre scheletri completi in connessione tion) of the Upper Pleistocene cave bears. anatomica e inoltre un ricco insieme di ossa di orsi delle caverne, leoni e iene (Diedrich, Anthropology & Archeology 2011). Romania has numerous caves, mines, and Sorprendentemente, nonostante la grot- quarries from which significant archeologi- ta Urșilor sia una tana impressionante, le cal and anthropological vestiges were docu- ricerche paleontologiche sono riprese solo mented (Boroneanț, 2000). However, most nel 2007 e sono continuate da allora senza of these sites are either caves with natu- interruzione con studi icnologici e etologici ral entrances or regular, prehistoric mine molto dettagliati, che si sono basati anche galleries or small quarries of local interest. sulle analisi dei sedimenti, scavi metodici Two sites that fit the topic of this paper de- e un rilievo LIDAR di tutto il sito. Fino ad serve further attention, i.e., Cuciulat and ora lo studio più omnicomprensivo è quel- Cioclovina caves. lo di Diedrich (2011), che ha documentato Cuciulat Cave has been discovered in 1978 in dettaglio tutte le impronte e le tracce, il- in a limestone quarry outside the village lustrando quindi il ciclo vitale (prima, du- of Cuciulat (Sălaj County). A blast in the rante e dopo l’ibernazione) degli orsi delle quarry face exposed a void that was ex- caverne nel Pleistocene superiore.

143 Fig. 4 - Prehistoric paintings in Cuciulat Cave, Someș Plateau; a) horse; b) feline (source: http://www. romania-natura.ro/node/464). / Pitture rupestri nella Grotta Cuciulat, altopiano di Someș: a) un cavallo; b) un felino (fonte: http://www.romania-natura.ro/node/464). plored and mapped (1,707 m) by members Antropologia e Archeologia of the “Emil Racoviță” Speleo Club in Bu- La Romania ha molte grotte, miniere e cave charest (Vădeanu & Done, 1981; Done, in cui sono stati rivenuti importanti reper- 1983). During the survey they cavers noti archeologici (Boroneanț, 2000). Tuttavia ticed some prehistoric paintings on the la grande maggioranza di questi siti sono o walls, which were later studied by Cârciu- grotte con ingressi naturali o gallerie mine- maru (1983). On a subsequent visit, a horse rarie preistoriche o piccole cave di interesse silhouette, the figures of a feline and a bird locale. Comunque vi sono due siti che corri- (this one in a side passage), as well as oth- spondono all’argomento di questo lavoro e er colored spots without clear outline were richiedono una attenzione specifica: le grot- also identified (Fig. 4). Although the work te Cuciulat e Cioclovina. in the surrounding of the Cuciulat Cave La Grotta Cuciulat è stata scoperta nel was stopped and the cave gated for conser- 1978 all’interno di una cava di calcare vation, the blasting in other parts of the fuori dal villaggio di Cuciulat (Provincia quarry did eventually cause the collapse of di Sălaj). Un’esplosione sul fronte di cava the cave entrance, therefore now, the cave infatti espose un vuoto che fu esplorato e ri- is sealed and certainly well preserved. levato (1707 m) dai membri del Speleo Club In the very early stage (prior to 1911) of “Emil Racoviță” di Bucharest (Vădeanu & guano-phosphate mining activities in Ci- Done, 1981; Done, 1983). Durante le ope- oclovina Cave, seemingly a human skull razioni di rilievo gli speleologi notarono was discovered within the exploited sedi- alcune pitture preistoriche sulle pareti, che ment along with some cave bear remains furono successivamente studiate da Cârciu- and three lithic artifacts. The skull, how- maru (1983). In una visita successiva ven- ever, was never found but definitely mo- nero identificate una silhouette di un caval- tivated archeologists to begin some very lo, le rappresentazioni di un felino e di un meticulous excavations, during which ar- uccello (quest’ultimo in una galleria latera- tifacts of Mousterian and Aurignacian age le) assieme ad altre macchie colorate senza were recuperated (Roska, 1923). Some- un chiaro significato (Fig. 4). Nonostante la times before 1942, another partial human coltivazione mineraria fosse interrotta at- skull was recovered from a silty clay sedi- torno alla grotta Cuciulat e la stessa chiusa ment from a depth of ca. 2 m, where it was con un cancello, le esplosioni in altre parti found along with Ursus spelaeus skulls and della cava finirono per causare il crollo del bones and some artifacts (Rainer & Simio- suo ingresso, pertanto adesso la grotta è si- nescu, 1942; Alexandrescu et alii, 2010). gillata e quindi certamente ben protetta. The exact stratigraphic context, however, Nel primissimo stadio (prima del 1911) di remains unclear, mainly because the dis- estrazione mineraria dei fosfati dalla Grot-

144 covery and all fossil materials were handle ta Cioclovina, si dice che fu scoperto un te- by the miners, which provided contradict- schio umano nei sedimenti coltivati assie- ing information. Nevertheless, the first di- me ad alcuni resti di orso delle caverne e a rect AMS 14C dating of the Cioclovina skull tre manufatti in pietra. In realtà il teschio yielded an age of 29,000±700 years (Olar- non è mai stato recuperato ma la sua sup- iu et alii, 2005). Two years later, another posta esistenza motivò gli archeologi che attempt was made to radiocarbon date the cominciarono alcune accurate campagne same skull using a newly developed sample di scavo, durante le quali furono recuperati preparation technique. The age obtained manufatti del Musteriano e dell’Aurigna- was very similar, but with a much lower ziano (Roska, 1923). Un altro teschio in- error (28,510±170 years; Soficaru et alii, completo fu trovato, qualche tempo prima 2007). Both ages indicate the Cioclovina del 1942, in un deposito siltoso-argilloso skull belongs to one of the earliest modern ad una profondità di circa 2 m; nello stes- humans in Europe. Geometric morphomet- so luogo furono recuperate anche teschi di rics studies undertaken by Harvati et alii Ursus Spelaeus e alcuni manufatti (Rainer (2007) confirm that the skull is typical for & Simionescu, 1942; Alexandrescu et alii, a fully modern human with no indications 2010). Comunque rimane non chiaro l’esat- that it may be a Neanderthal-early mod- to contesto stratigrafico di questa scoperta, ern human hybrid as suggested by previ- essenzialmente perché il ritrovamento e la ous studies. raccolta dei materiali fossili è stata fatta dai minatori, che hanno poi fornito in- Caves with relevance for speleogene- formazioni contraddittorie. Comunque le sis studies datazioni AMS 14C del teschio hanno dato Among mine caves, probably the most in- 29000±700 anni BP (Olariu et alii, 2005). teresting ones, i.e., from a speleogenetic Due anni più tardi fu fatta una nuova da- point of view, are those discovered in min- tazione sempre con il carbonio ma utilizing area of Rodnei, Bihor, Metaliferi, and zando questa volta una nuova tecnica per Dognecea mountains. The size of cavities preparare il campione: l’età che si è ottenu- intercepted is ranging from geodes of less ta è molto simile alla precedente, ma con than a meter in diameter to more than one un errore molto inferiore (28510±170 anni; kilometer long cave passages. The later Soficaru et alii, 2007). Ambedue le date in- ones went through a metasomatic/hydro- dicano che il teschio della Cioclovina è uno thermal stage before phreatic and vadose dei più antichi esseri umani moderni in Eu- processes shaped the caves to their present ropa. Gli studi morfometrici fatti da Harva- day morphology. ti et alii (2007) confermano che il teschio The work by Mârza and Silvestru (1988) è tipico di un uomo moderno con nessuna discusses in detail the assumption that indicazione che possa trattarsi di un ibrido the karst voids intercepted in the Rodna Neandertaliano-uomo moderno, come inve- Veche mining area were generated in an ce suggerito dagli studi precedenti. early post-magmatic stage via corrosion exerted by acidic hydrothermal solutions Grotte importanti dal punto di vista rising along faults, joins and other tectonic speleogenetico features. The karst cavities walls formed Probabilmente le grotte di miniera più in- by hydrothermal-metasomatic weathering teressanti dal punto di vista speleogeneti- were afterwards covered by micro-granular co sono quelle scoperte nelle aree minerarie aggregates of pyrite, marcasite, marma- delle montagne Rodnei, Bihor, Metaliferi, tite, grosular, and quartz, as well as barite e Dognecea. La dimensione delle cavità in- and calcite crusts. Based on the mineral tercettate varia da geodi di meno di 1 m di precipitation sequence, the hydrothermal diametro a oltre un chilometro di gallerie arguments supporting this speleogenetic di grotta. Queste ultime si sono sviluppate mechanism are convincing. A few years attraverso uno stadio metasomatico/idro- later, Mârza et alii (1995) described anoth- termale, prima che processi freatici e quin-

145 er hydrothermal karst in the Ocna de Fier di vadosi facessero assumere alle grotte l’a- mining district. At this location crusts and spetto attuale. stalactites composed of magnetite cover Il lavoro di Mârza e Silvestru (1988) di- the walls of a small cavity in the carbonate scute in dettaglio l’ipotesi che i vuoti carsici bedrock. nell’area di Rodna Veche si siano formati A particular three-stage cave development in un periodo immediatamente successivo setting was documented in the Băița Bihor ad un evento magmatico a seguito della skarn mining district where the earliest risalita di soluzioni idrotermali acide lun- part of the speleogenesis is considered to go faglie, giunti di stratificazione e altre have been a metasomatic one (Onac, 2002). strutture tettoniche. Le pareti delle cavità The first stage is a deep-seated one, during formatesi dalla corrosione idrotermale- which contact metamorphism of limestones metasomatica si sono successivamente rico- causes decarbonation; the liberated CO2 in- perte di aggregati microgranulari di pirite, creases the acidity of the fluids escaping the marcasite, marmatite, grossularia e quarzo system, and hence the dissolution capaci- ed anche di croste di barite e calcite. Sulla ty of them is enhanced. At this stage, the base della sequenza di deposizione di que- circulation of hot metasomatic fluids may sti minerali, si rafforza l’ipotesi del mec- be responsible for some primitive dissolu- canismo speleogenetico idrotermale. Alcu- tion-induced cavities within the skarn bod- ni anni dopo, Mârza et alii (1995) hanno ies or following bedding planes, faults, or descritto un altro carso idrotermale nel di- geological boundaries (see Fig. 7a in Onac, stretto minerario di Ocna de Fier, dove sono 2002). Subsequent phreatic and/or vadose presenti croste e stalattiti di magnetite che processes likely obliterated the original rivestono le pareti di una piccola cavità in morphology of these voids. In stage two roccia calcarea. (shallow setting), caves may have formed Un particolare sviluppo su tre stadi suc- following two different processes: a) up- cessivi è stato documentato nello skarn del ward flow of hydrothermal fluid, at which distretto minerario di Băița Bihor, dove point the flow velocity was relatively high l’inizio del processo speleogenetico si sup- and dissolution outpaced deposition or re- pone sia stato metasomatico (Onac, 2002). placement of the carbonate host-rocks, and Il primo stadio, profondo, è stato caratte- b) vigorous dissolution caused by mixing of rizzato dal metamorfismo di contatto dei ascending hydrothermal fluids with more calcari con conseguente decarbonatazione; oxygenated descending waters. During la CO2 così liberata ha aumentato l’acidità the last speleogenetic stage, the caves in dei fluidi che fuoriuscivano dal sistema e the Băița Bihor skarn were modeled under pertanto ha aumentato la loro capacità dis- phreatic and/or vadose conditions to their solutiva. In questo stadio, la circolazione di present appearance. fluidi caldi metasomatici può essere stata Mineralogical and isotope geochemistry responsabile per lo sviluppo di cavità da studies on three mined caves (Șălitrari, dissoluzione primarie sia all’interno dello Hercules, Diana) known along the Cerna skarn o lungo i piani di stratificazione, le Valley (SW Romania) strongly support the faglie e/o i limiti geologici (vedi Fig. 7a in hypothesis that sulfuric acid speleogene- Onac, 2002). Fasi successive in ambiente sis was the driving force behind their (and freatico e/o vadoso hanno probabilmente others) origin. Along this line, Movile Cave mascherato completamente la forma ori- (Dobrogea) discovered while digging a ginale di questi vuoti. Nel secondo stadio prospection shaft, is not only a paradise for (epifreatico) le grotte si possono essere ul- biologists and ecologists (see the discussion teriormente sviluppate attraverso due dif- under Cave with significance in Quaterna- ferenti processi: a) un flusso ascendente di ry and deep-time paleobiology studies en- fluidi idrotermali con una velocità di flusso try) but also a key location to understand sufficientemente elevata da rendere la dis- past speleogenetic processes acting in an soluzione prevalente rispetto alla deposizio- environment that was until recently in ne o la sostituzione della roccia carbonatica

146 completely isolation from the surface (For- incassante, e 2) forte dissoluzione dovuta la ti et alii., 2002). miscela tra i fluidi termali in risalita e le acque meteoriche ossigenate in discesa. In- Touristic caves fine durante il terzo stadio speleogenetico le Only two caves fall in this category. Urșilor grotte nello skarn di Băița Bihor sono state Cave was discovered in 1975 after a blast rimodellate in ambiente freatico e/o vadoso in the Chișcău marble quarry (western Bi- fino a raggiungere l’aspetto attuale. hor Mountains). Immediately after the dis- Gli studi mineralogici, isotopici e geochi- covery the work in the quarry ceased and mici su tre grotte di miniera (Șălitrari, a decision was taken by the Bihor Coun- Hercules, Diana) della Valle Cerna (SW ty Council to study and prepare the cave Romania) sono fortemente a favore dell’ipo- for touristic exploitation. It took almost 5 tesi che una speleogenesi solfurea sia sta- years to complete the cave survey and plan ta la causa principale per il loro sviluppo the access path and electric lightning. In e probabilmente anche per quello di molte parallel, the ERIS and scientists from the altre cavità. In questo senso la grotta Movi- “Țării Crișurilor” Museum in Oradea con- le (Dobrogea), scoperta mentre si stava per- ducted a detailed biospeleological, clima- forando un pozzo, non è solo un paradiso tological, and paleontological study. The per i biologi e gli ecologisti (vedi paragrafo cave was included in the touristic circuit in relativo alla biospeleologia), ma anche una the summer of 1980 (Rusu, 1981). località chiave per comprendere i processi The major attractions for the visitors are speleogenetici attivi in passato in un am- the abundant fossil remains of Ursus spe- biente che è stato fino a poco tempo addie- laeus (skulls and various bones; Fig. 3a) tro completamente isolato dalla superficie exposed along the entrance gallery and esterna (Forti et alii, 2002). the highly calcite-decorated cave passages (Fig. 5a). The candle-type stalagmites are Grotte Turistiche of particular interest due to their size and Solo due grotte ricadono in questa catego- high density/m2. For paleontologists the ria. La Grotta Urșilor fu scoperta nel 1975 cave is a gold mine as its sediments con- a seguito di una esplosione nella cava di serves thousands of bones and hibernation marmo di Chișcău (Monti Bihor occidenta- beds (Diedrich, 2011), whereas for Quater- li). Immediatamente dopo la sua scoperta nary geology scientists the candle stalag- l’attività della cava si interruppe e il Con- mites provides means to characterize the siglio Comunale di Bihor decise di studiare Holocene climate changes (Onac et alii, la grotta e di predisporla per un utilizzo tu- 2002a). ristico.Ci sono voluti praticamente cinque The Cave with Crystals from Farcu Mine anni per completare il rilievo della grotta (Bihor County) was intercepted in 1987 e per progettare i camminamenti e l’illumi-

Fig. 5 - a) The “Emil Racoviță” Gallery in Urșilor Cave; b) calcite speleothems in the Cave with Crystals from Farcu Mine (photo: A. Posmoșanu). / a) La galleria “Emil Racoviță” nella Grotta Urșilor; b) concrezioni di calcite nella Grotta dei Cristalli nella miniera Farcu (foto: A. Posmoșanu).

147 during bauxite mining activities (Damm et nazione. In parallelo, l’ISER e gli scienziati alii, 2003). It is a short (<300 m in length) del Museo “Țării Crișurilor” di Oradea han- and very nicely decorated geode-type cav- no effettuato un dettagliato studio biospe- ity (Fig. 5b). Unfortunately, miners van- leologico, climatologico e paleontologico. La dalized part of the speleothems before it grotta divenne turistica nell’estate del 1980 was gated and protected. Even so, the cave (Rusu, 1981). remained attractive enough to be open for Le maggiori attrazioni per il turista sono tourists. rappresentate dagli abbondanti resti fossili di Ursus spelaeus (crani e varie ossa; Fig. Biospeleology 3a) che si trovano lungo la galleria di acces- In 1986, a shaft dug for geotechnical in- so e i passaggi interni molto concrezionati vestigations in the proximity of Mangalia, con formazioni di calcite (Fig. 5a). south Dobrogea (Fig. 1), intersected a nat- Le stalagmiti “a candela” sono di particola- ural cave passage at a depth of 18 m (Con- re interesse a causa della loro dimensione e stantinescu, 1989). Movile Cave consists of alta densità/m2. Per i paleontologi la grot- a 200-m long dry passage and a 40-m long ta è stata una vera miniera d’oro dato che submerged level. The later one is flooded i suoi sedimenti conservavano migliaia di by thermo-mineral groundwater ascend- ossa e letti d’ibernazione (Diedrich, 2011), ing from an aquifer located at a depth of mentre per i geologi del Quaternario le sta- ~200 m. The completely anoxic water has lagmiti a candela sono servite per caratte- a temperature of 21°C and contains high rizzare i cambi climatici occorsi nell’Oloce- amounts of ammonia, methane, and hydro- ne (Onac et alii, 2002a). gen sulfide S( ârbu et alii, 1996). At ~25 m La Grotta dei Cristalli nella miniera di below surface, a perched aquifer was in- Farcu (provincia di Bihor) è stata inter- tercepted in a small lake through which cettata durante attività di scavo di bauxiti the divers accessed the flooded passages of (Damm et alii, 2003). E’ una piccola (<300 m Movile Cave. The air pockets found along di lunghezza) cavità-geode molto ben deco- the water passages are poor in oxygen rata (Fig. 5b). Sfortunatamente i minatori (7–10%), rich in carbon dioxide (2–3.5%), hanno in parte vandalizzato gli speleotemi and contain 1–2% methane (Sârbu et alii, presenti prima che la grotta venisse chiu- 1996). The cave is famous for its rich eco- sa con un cancello e quindi protetta. Nono- system based on chemosynthesis, mean- stante questo la grotta è rimasta sufficien- ing the energy supporting the life in this temente bella da essere aperta al turismo. unique environment comes from the oxidation of hydrogen sulfide dissolved in the Biospeleologia thermo-mineral. The unusual invertebrate Nel 1986 un pozzo scavato per studi geo- fauna (apparently isolated from the surface tecnici in prossimità di Mangalia nel Sud for millions of years) from Movile Cave in- della Dobrogea (Fig. 1), intersecò una gal- cludes 49 species of leeches, spiders, scor- leria di grotta a una profondità di 18 m pions, and insects with 33 of them new for (Constantinescu, 1989). La Grotta Movile science (http://www.gesslab.org and refer- è costituita da una galleria asciutta di 200 ences cited therein). metri e da un sifone di 40 m di lunghezza a una profondità di 18 m. Quest’ultimo è Mined caves riempito di acqua termominerale che risale In contrast to the mine/quarry caves dis- da un acquifero posizionato a una profon- cussed above, Romania has a number of dità di circa 200 m. L’acqua che è comple- mined caves. The most significant ones are tamente anossica ha una temperatura di highlighted below. 21°C e contiene un’alta concentrazione di Cioclovina Cave is renowned for its mas- ammoniaca, metano e di acido solfidrico sive amount (>30,000 m3) of phosphate-rich (Sârbu et alii, 1996). A circa 25 metri sotto sediments (~30% P2O5) accumulated along la superficie esterna è stato intercettato un its Main Gallery (Fig. 6a). Between World acquifero sospeso che formava un piccolo

148 Fig. 6 - a) A passage in the Cioclovina Cave showing the guano-phosphate deposit; b) close up view of the highly phosphatized limestones and clastic sediments, host for a rich mineral assemblage. / a) Un passaggio della Grotta Cioclovina con depositi di guano-fosfati; b) particolare di un calcare fortemente fosfatizzato e sedimenti clastici che ospitano un notevole insieme di minerali.

War I and II, Cioclovina Cave was sub- lago da cui i subacquei sono riusciti a pene- jected to extensive exploitation aiming to trare alle parti sommerse della Grotta Mo- mine out the guano-phosphate sediments vile. L’aria intrappolata lungo i passaggi as well as thousands of cave bears bones allagati è scarsa in ossigeno (7–10%), ricca that were milled and used as fertilizers. in anidride carbonica (2–3.5%), e contiene This activity led to the discovery of a new l’1-2% di metano (Sârbu et alii, 1996). La mineral, ardealite (Schadler, 1932), and to grotta è famosa per il suo ricco ecosistema some other common phosphate and sulfate tutto basato sulla chemiosintesi, che signi- species (brushite, gypsum etc.) (Fig. 6b). fica che l’energia, che permette lo sviluppo Over the last decade, a significant number della vita in questo ecosistema unico al of studies identified and described a total mondo, deriva dalla reazione di ossidazio- of 29 species (Tab. 2). This assemblage inne dell’acido solfidrico disciolto nell’acqua cludes rare, high-temperature minerals termominerale. (berlinite and hydroxylellestadite) formed La Grotta Movile ospita una inusuale fau- during in situ guano combustion (Onac & na invertebrata (probabilmente isolata White, 2003; Onac et alii, 2006; Onac & Ef- dall’ambiente esterno da milioni di anni) fenberger, 2007) as well as other common che comprende 49 specie di sanguisughe, and exotic cave minerals, among which 15 ragni, scorpioni e insetti di cui 33 nuove phosphates (Marincea et alii, 2002; Onac per la scienza (http://www.gesslab.org e le et alii, 2002b, 2005b, 2009a,b, 2011; Dumi- sue referenze biliografiche). traș, 2008). Another mined cave is Sălitrari from which Grotte miniera saltpeter had been exploited to manufac- Oltre che le grotte di cava/miniera descrit- ture gunpowder in the second part of the te prima, la Romania ha anche un certo nu- 19th century. The nitrates accumulated in mero di grotte-miniera: le più interessanti the so-called Nitrate Passage (ca. 30 m in della quali verranno brevemente descritte length) situated along the Main Gallery. qui di seguito. Here, the upper part of a ~5 m thick sed- La Grotta Cioclovina è famosa per l’enor- iment deposit (Fig. 2b) was documented me quantità di sedimenti (>30,000 m3) fo- to have a high concentration of nitrates sfatici (~30% P2O5) che si sono accumulati (darapskite and nitratine). This is the only nella sua Galleria Principale (Fig. 6a). Tra cave in Romania where nitrate minerals la prima e la seconda guerra mondiale la were identified D ( iaconu & Lascu, 1999). Grotta Cioclovina è stata oggetto di esten- Apparently, their presence is related to the siva coltivazione dei sedimenti fosfatici

149 Chemical Minerals Chemical Formula derivati dal guano come anche per l’estra- class zione di migliaia di ossa di orso che sono

Calcite CaCO3 state polverizzate e quindi utilizzate come Carbonates Aragonite CaCO 3 fertilizzanti. Burbankite (Na,Ca) (Sr,Ba,Ce) (CO ) 3 3 3 5 Questa attività ha portato anche a scoprire Bassanite CaSO ·0.5H O 4 2 un nuovo minerale, l’ardealite (Schadler, Sulfates Kröhnkite Na2Cu(SO4)·2H2O Gypsum CaSO ·2H O 1932), associata al altri fosfati e solfa- 4 2 ti comuni (brushite, gesso, etc.) (Fig. 6b). Hydroxylellestadite Ca10(SiO4)3(SO4)3(OH)2 Illite-group minerals* (K,H O)Al (Si Al)O (H O,OH) Nell’ultimo decennio, un certo numero di Silicates 3 2 3 10 2 2 Kaolinite* Al2Si2O5(OH)4 studi hanno permesso di identificare e de-

Quartz SiO2 scrivere un totale di ben 29 specie minerali Oxides Goethite FeO(OH) (Tab.2). Questo insieme include anche rari and Romànechite (Ba,H O) (Mn4+,Mn3+) O 2 2 5 10 minerali di alta temperatura (berlinite e Hydroxides Todorokite (Na,Ca,K,Ba,Sr)1-x(Mn,Mg,Al)6O12·3-4H2O 2+ idrossiellestadite) che si sono formati in Halides Atacamite Cu2 Cl(OH)3 situ per l’autocombustione del guano (Onac Ardealite Ca2(PO3OH)(SO4)·4H2O & White, 2003; Onac et alii, 2006; Onac Berlinite AlPO4 & Effenberger, 2007) e altri più o meno Brushite Ca(PO3OH)·2H2O

Churchite-(Y) YPO4·2H2O rari minerali, tra cui 15 fosfati (Marincea

Collinsite Ca2Mg(PO4)2·2H2O et alii, 2002; Onac et alii, 2002b, 2005b, Crandallite CaAl (PO )(PO OH)(OH) 3 4 3 6 2009a, 2011; Dumitraș, 2008). Fluorapatite Ca (PO ) F 5 4 3 Un’altra grotta-miniera è Sălitrari, da cui Phosphates Foggite CaAlPO (OH) ·H O 4 2 2 è stato estratto il salnitro per la produzione Hydroxylapatite Ca5(PO4)3(OH) Leucophosphite K(Fe3+) (PO ) (OH)·2H O della polvere da sparo nella seconda metà 2 4 2 2 del XIX secolo. I nitrati si erano accumu- Monetite Ca(PO3OH) lati per una lunghezza di oltre 30 metri nel Sampleite NaCaCu5(PO4)4Cl·5H2O

Taranakite K3Al5(PO3OH)6(PO4)2·18H2O cosiddetto Passaggio dei Nitrati lungo la Tinsleyite KAl (PO ) (OH)·2H O 2 4 2 2 Galleria Principale. Qui la parte superiore Variscite AlPO ·2H O 4 2 del sedimento spesso ~5 m (Fig. 2b) aveva Tab. 2 - Minerals identified in the Cioclovina Cave. una particolarmente alta concentrazione di All minerals in bold are first documented from a nitrati (darapskite and nitratine). cave environment worldwide (chemical formula Questa grotta è l’unica della Romania in from Nickel & Nichols, 2009) (* not true cave min- cui siano stati identificati nitrati (Diaconu erals). / Minerali identificati nella Cioclovina Cave. & Lascu, 1999). Titti i minerali in grassetto sono stati segnalati Apparentemente la loro presenza è da ascri- qui per la prima volta in grotta (formula chimica versi al clima temperato sub-mediterraneo da Nickel & Nichols, 2009) (*non veri minerali di grotta) di questa regione ed in particolare al mi- croclima del Passaggio dei Nitrati dove l’umidità relativa è inferiore al 75% tutto mild sub-mediterranean climate of this re- l’anno e la temperatura è abbastanza eleva- gion and in particular to the topoclimate of ta (~11.7°C) se confrontata con quella del the Nitrate Passage in which the relative resto della grotta (~7ºC), parametri che evi- humidity is below 75% year around and dentemente hanno favorito lo sviluppo e la the temperature is rather high (~11.7°C) conservazione dei nitrati. compare to the rest of the cave (~7ºC), thus Queste condizioni si sono conservate alme- favoring a stable environment for nitrate no per gli ultimi 125 anni, dato che fram- minerals. menti del legname utilizzato dai Turchi per These conditions prevailed at least over estrarre il salnitro si sono ben conservati in the last 125 years as wood fragments used questa sezione della grotta. by the Turkish while mining the saltpeter Una davvero inusuale presenza di concre- sediments are well preserved in this sec- zioni di goethite è stata descritta nella Grot- tion of the cave. ta Luana (conosciuta anche come Palazzo An exceptional occurrence of goethite spedi Cioccolata) sulle montagne Călimani nei

150 leothems was described from Luana Cave Carpazi orientali (Naum & Butnaru, 1966; (also known as Chocolate Palace) in Călima- Hill & Forti, 1997). La grotta Luana as- ni Mountains, Eastern Carpathians (Naum sieme ad altre piccole cavità è stata scoper- & Butnaru, 1966; Hill & Forti, 1997). Lua- ta in una cava gigantesca per la coltiva- na along with few other small cavities was zione dello zolfo nativo. Dopo la scoperta, discovered in a giant quarry extracting na- Naum & Butnaru (1966) suggerirono che le tive sulfur. After the finding, Naum & But- grotte formate per la dissoluzione dei de- naru (1966) proposed that caves formed by positi vulcanoclastici venissero chiamate dissolution of volcanoclastic deposits to be vulcanocarsiche. Sfortunatamente la vita called volcanokarst. Unfortunately, the life di queste grotte è stata molto breve dato che of these cavities was short as the commu- l’economia comunista aveva un gran biso- nist economy was in great need for sulfur gno di zolfo per produrre acido solforico per in order to produce sulfuric acid for fertil- i fertilizzanti, e pertanto alla fine l’intera izers, and therefore the entire mountain montagna (Negoiu Românesc) con tutte le (Negoiu Românesc) with its cavities was sue grotte fu distrutta. Le cavità si erano eventually complete destroyed. The caves formate nel tufo piroclastico per alterazione formed in tuff pyroclastites by weathering dei costituenti vulcanici. Un interessante of the volcanic constituents. An interesting lavoro che discute le relazioni esistenti tra contribution that examines the relation- queste grotte e la genesi dei depositi di zolfo ship between the presence of these cavities è stato pubblicato da Balintoni nel 1968. and the genesis of the sulfur deposit was published by Balintoni in 1968. Ringraziamenti Voglio ringraziare i Dr. Povară, T. Tămaș, Acknowledgements. I wish to thank Drs. e E. Posmoșanu per aver messo a disposi- I. Povară, T. Tămaș, and E. Posmoșanu for zione l’imponente bibliografia sulle grotte sharing relevant references to the mine/ di miniera e grotte-miniera e anche i molti quarry caves topic and also to many col- colleghi dell’Istituto di Speleologia “Emil leagues in the “Emil Racoviță” Institute of Racoviță” che insieme a studenti e speleolo- Speleology, students, and cavers for their gi hanno condiviso con me il lavoro di cam- fieldwork support over the last 20 years. pagna.

References /Citazioni bibliografiche

Alexandrescu E., Olariu A., Skog G., Stenström K. & mania), Report 2002. Available online at: http:// Hellborg R., (2010), Os fossiles humains des grottes www.rosiamontana.ro/img_upload/472936e3bca2b- Muierii et Cioclovina, Roumanie, L’Anthropologie 14, c61045730fbb1869240/Report_2002_English_Ver- pp. 341-353. sion.pdf Balintoni I., (1968), The relationship between volca- Cârciumaru M., (1983), Peintures rupestres de la grotte no-karst and epigenesis in Călimani sulfur deposits, Cuciulat (Roumanie), Bulletin de la Société Préhisto- Dări de Seamă ale Ședințelor Institutului Geologic 56, rique française 80(3), pp. 827-834. pp. 5-11 (in Romanian). Constantinescu T., (1989), Considération sur la zone Benton M.J., Cook E., Grigorescu D., Popa E. & Tallódi karstique de “La Movile” (Mangalia, Dobrogea du E., (1997), Dinosaurs and other tetrapods in an Early sud, Roumanie), Miscellanea Speologica Romanica 1, Cretaceous bauxite-filled fissure, northwestern Roma- pp. 7-12. nia, Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecol- Damm P. & Mitrofan H., (1998), Contributions in under- ogy 130, pp. 275-292. standing the endokarst of the Jofi-Răcaş-Sclavu Pleş Bielz E.A., (1884), Beitrag zur Höhlenkunde Sie- Plateau, Speomond 3, pp. 30-31 (in Romanian). benbürgens, Jahrbuch des Siebenbürgischen Kar- Damm P., Mărcuș O. & Bruncsák T., (2003), The karst of pathen-Vereins 4, pp. 1-66. Farcu area (Șteazelor Valley Basin, Pădurea Craiului Boroneanț V., (2000), The archeology of the Romanian’s Mountains), Speomond 7-8, pp. 33-38 (in Romanian). caves and mines, cIMeC, Bucharest, 327 p. (in Roma- Diaconu G., (1974), Quelques considérations sur la nian). présence de l’anhydrite dans la grotte “Pestera Diana” Cauuet B., (2002), Ancient gold mines of Dacia. (Baile Herculane-Roumanie), Travaux de l’Institute Roșia Montană District (Apuseni Mountains, Ro- de Spéologie “Emile Racovitza” 13, pp. 191-194.

151 Diaconu G., (1985), Liste des minéraux constitutifs des phy of a last interglacial stalagmite from northwest- spéléothèmes, Theoretical and Applied Karstology 2, ern Romania: correlation with the deep-sea record pp. 11-24. and northern-latitude speleothems, Journal of Cave Diaconu G. & Lascu C., (1999), Preliminary data about and Karst Studies 61, pp. 22-30. nitrates in “Peștera Mare de la Sălitrari”, Cerna Marincea Ș., Dumitraș D. & Gibert R., (2002), Tinsleyite Mountains, Romania, Theoretical and Applied Kar- in the “dry” Cioclovina Cave (Șureanu Mountains, Ro- stology 11-12, pp. 47-52. mania): the second occurrence, European Journal of Diaconu G. & Medeșan A., (1975), Sur la présence du Mineralogy 14, pp. 157-164. pickeringite dans la grotte de Diana (Băile Herculane, Mârza I. & Silvestru E., (1988), First mention of the hy- Roumanie), Proceedings of the 6th International Con- drothermal karst phenomenon in Romania, associat- gress of Speleology, Olomouc, pp. 231-239. ed to the neogene metasomatic sulphide ore deposits Diaconu G. & Morar M., (1993), La grotte de la Movi- from Rodna Veche, Studia UBB Geologia 33(1), pp. le (Dobroudja, Roumanie) Analyses minéralogiques, 77-81. Karstologia 22(2), pp. 15-20. Mârza I., Nicolescu Ș. & Gruescu C., (1995), La mag- Diaconu G., Medeșan A. & Viehmann I., (1977), Une nou- nétite - draperie stalactitique (Formation de karst velle paragenäse minéralogique dans la grotte “Peștera hydrothermal) du gisement de Ocna de Fier (Banat), Fagului”, Département de Bihor (huntite, hydroma- Romanian Journal of Mineralogy 76, pp. 101-103. gnesite, aragonite, calcite). Travaux de l’Institute de Naum T. & Butnaru E., (1967), Le volcano-karst des Cali- Spéologie “Emile Racovitza” 16, pp. 203-210. mani (Carpathes Roumaines), Annales de Spéléologie Diedrich C.G., (2011), An overview of the ichnologi- 22, pp. 727-755. cal and ethological studies in the Cave Bear Den in Nedopaca M., (1982), Contributions to the knowledge of Urşilor Cave (Western Carpathians, Romania), Ich- speleothems mineralogy in Romania, Bul. Speol. FR- nos 18, pp. 9-26. TA-CCSS, 6, pp. 67-75 (in Romanian). Done A., (1983), The cave from the Cuciulat Quarry, Nedopaca M., (1986), Mineralized karst in Metaliferi Buletinul Clubului de Speologie “Emil Racoviță” 8, pp. Mountains, Bul. Speol. FRTA-CCSS 10, pp. 66-72 (in 82-89 (in Romanian). Romanian). Dumitraș D.-G., (2008), Mineralogical associations in Nickel E.H. & Nichols M.C., (2009), IMA/CNMNC list the sediments from Cioclovina Uscată Cave, Unpubl. of mineral names (http://www.ima-mineralogy.org). PhD Thesis, University of Bucharest (in Romanian). Olariu A., Skog G., Hellborg R., Stenström K., Dyke G.J., Benton M.J., Posmoșanu E. & Naish D., Faarinen M., Persson P. & Alexandrescu E., (2005), (2011). Early Cretaceous (Berriasian) birds and ptero- Dating of two Paleolithic human fossil bones from Ro- saurs from the Cornet bauxite mine, Romania, Palae- mania by accelerator mass spectrometry, In: Olariu ontology 54, pp. 79-95. A., Stenström K. & Hellborg R. (eds.), Applications Forti P., Galdenzi S. & Sârbu S.M., (2002), The hypo- of high-precision atomic and nuclear methods, Ed. genic caves: a powerful tool for the study of seeps and Academiei Romaine, Bucharest, pp. 222-226. their environmental effects, Continental Shelf Re- Onac B.P., (2002), Caves formed within Upper Creta- search 22, pp. 2373-2386. ceous skarns at Băița (Bihor county): mineral deposi- Fridvaldszky J., (1767), Mineralogia Magni Principatus tion and speleogenesis, Canadian Mineralogist 40(6), Transylvaniae, Claudiopoli, Typis Academicis Soci- pp. 1551-1561. etatis Jesu, 206 p (in Latin). Onac B.P., (2003), Checklist of the Romanian cave min- Harvati K., Gunz P. & Grigorescu D., (2007), Cioclovi- erals, Theoretical and Applied Karstology 16, pp. 83- na (Romania): affinities of an early modern European, 89. Journal of Human Evolution 53, pp. 732-746. Onac B.P. & Cocean P., (1996), Un vue globale sur le Hill C.A. & Forti P., (1997), Cave minerals of the world, karst romain, Kras i speleologia 8(XVII), pp. 105-112. National Speleological Society, Huntsville, Alabama, Onac B.P. & Constantin S., (2003), Europe, Balkans 464 p. and Carpathians, In: Gunn J. (ed.), Encyclopedia Iștvan D. & Tămaș I., (1996), Data on the Dealul Popii of Caves and Karst Science, Fitzroy Dearborn, New karst (Valea Vinului, M. Rodnei), Cercetări Speologi- York, pp. 328-331. ce 4, pp. 5-8 (in Romanian). Onac B.P. & Damm P., (2002), Preliminary data on the Jurcsák T. & Kessler E., (1991), The Lower Cretaceous mineralogy of limestone and skarn-hosted caves from paleo-fauna from Cornet, Bihor County, Romania. Băița (Bihor County, Romania), Studia UBB Geologia Nymphaea 21, pp. 5-32. 47(1), pp. 93-104. Jurcsák T., Polis R., Ignat D., Șerban M. & Popa E., Onac B.P. & Effenberger H.S., (2007), Re-examination

(1981), Data concerning the fossil fauna of Bears Cave of berlinite (AlPO4) from the Cioclovina Cave, Roma- (Bihor Mountains), Nymphaea 8-9, pp. 161-257 (in nia, American Mineralogist 92, pp. 1998-2001. Romanian). Onac B.P. & White W.B., (2003), First reported sedimen- och K A., (1886) Mineralogical studies in Transylvania, tary occurrence of berlinite (AlPO4) in phosphate-bear- Orvos-Természe dományi Értesito 11, pp. 211-226 (in ing sediments from Cioclovina Cave, Romania, Amer- Hungarian). ican Mineralogist 88, pp. 1395-1397. Lascu V.T., (2005), The cave from 1J2 Jofi Mine, Speo- Onac B.P., Bernhardt H.-J. & Effenberger H.S., (2009a), mond 9-10, pp. 23-24 (in Romanian). Authigenic burbankite in the Cioclovina Cave sedi- Lauritzen S.E. & Onac B.P., (1999), Isotopic stratigra- ments (Romania), European Journal of Mineralogy 21,

152 pp. 507- 514. gie “Emile Racovitza” 21, pp. 87-93. Onac B.P., Effenberger H.S. & Breban R.C., (2007), Pósepný F., (1874), Geologisch-montanishe Studie der High-temperature and “exotic” minerals from the Cio- Erzlagerstattenlehre von Rézbánya, Budapest, Hun- clovina Cave, Romania: a review, Studia UBB Geolo- gary. gia 52, pp. 3-10. Puscaş C.M., Onac B.P. & Tămaş T., (2010), The mineral Onac B.P., Constantin S., Lundberg J. & Lauritzen S.E., assemblage of caves within Şălitrari Mountain (Cerna (2002a), Isotopic climate record in a Holocene stalag- Valley, SW Romania): depositional environment and mite from Urșilor Cave (Romania), Journal of Quater- speleogenetic implications, Carbonates and Evapo- nary Science 17, pp. 319-327. rites 25(2), pp. 107-115. Onac B.P., Breban R., Kearns J. & Tămaș T., (2002b), Puscaş C.M., Onac B.P., Effenberger H.S. & Povară I., Unusual minerals related to phosphate deposits in Ci- (2013), Tamarugite-bearing paragenesis formed by oclovina Cave, Șureanu Mts. (Romania). Theoretical sulphate acid alteration in Diana Cave, Romania, Eu- and Applied Karstology 15, pp. 27-34. ropean Journal of Mineralogy 25(2) doi: 10:1127/0935 Onac B.P., Effenberger H.S., Ettinger K. & Cîntă-Pân- - 1221 / 20123 / 0025-2294. zaru S., (2006), Hydroxylellestadite from Cioclovina Rainer F. & Simionescu I., (1942), Sur le premier crâne Cave (Romania): Microanalytical, structural, and vi- d’homme paléolithique trouvé en Roumanie, Analele brational spectroscopy data, American Mineralogist Academiei Române 3(17), pp. 489-507. 91, pp. 1927-1931. Rădulesco C., Samson P.M. & Știucă E., (1998), Cadre Onac B.P., Ettinger K., Kearns J. & Balasz I.I., (2005b), biostratigraphique au Paléolithique inférieur en Rou- A modern, guano-related occurrence of foggite, CaAl manie, Quaternaire 9(4), pp. 283-290. obu etculescu anaiotu öppes laicu (PO4)(OH)2·H2O and churchite-(Y), YPO4·2H2O in Ci- R M., P A., P C., D D., V oclovina Cave, Romania, Mineralogy and Petrology M., Drăgușin V., Kenesz M., Moldovan O.T. & Con- 85, pp. 291-302. stantin S., (2011), New insights on the cave bear pop- Onac B.P., Effenberger H.S., Collins N., Kearns J. & ulation from the Urșilor Cave, Romania, Quaternaire Breban R., (2011), Revisiting three minerals from Cio- 4, pp. 107-116. clovina Cave (Romania), International Journal of Spe- Roska M., (1923), Archeological research in Hunedoarei leology 40, pp. 99-108. Mountains/Excavations in the Cioclovina Cave, Pub- Onac B.P., Viehmann I., Lundberg J., Lauritzen S.E., licațiile Comisiunii Monumentelor Istorice, Secțiunea Stringer C. & Popiţă V., (2005a), U-Th ages con- pentru Transilvania 2, pp. 27-55 (in Romanian). straining the Neanderthal footprint at Vârtop Cave, Rusu T., (1981), La grotte des ours de Chișcău (Monts Romania, Quaternary Science Reviews 24(10/11), pp. Apuseni). Revue Roumaine de Géologie, Géophysique 1151-1157. et Géographie, Géographie 25(2), pp. 193-204. Onac B.P., Sumrall J.G., Tămaș T., Povară I., Kearns Sârbu S.M., Kane T.C. & Kinkle B.K., (1996), A chemo- J., Dârmiceanu V., Vereș D.Ș. & Lascu, C., (2009b), autotrophically based cave ecosystem, Science 272,

The relationship between cave minerals and H2S-rich pp. 1953-1955. thermal waters along the Cerna Valley (SW Roma- Schadler J., (1932), Ardealit, ein neues Mineral CaH- nia), Acta Carsologica 38, pp. 67-79. PO CaSO +4H O, Zentral-bl. Miner., A, pp. 40-41. 4 4 2 Paunesco A., Rădulesco C. & Samson P., (1982), Décou- Soficaru A., Petrea C., Doboş A. & Trinkaus E., (2007), vertes du paléolitique inferieur en Roumanie, Travaux The human cranium from the Peştera Cioclovina Us- de l’Institut de Spéologie “Emile Racovitza” 21, pp. catǎ, Romania: Context, age, taphonomy, morphology 53-62. and paleopathology, Current Anthropology 48, pp. Păunescu A., (2001), Le paléolithique et le mésolithique 611-619. de la région de la Transylvanie, Ed. AGIR, Bucharest Stoici S.D., (1983), Districtul metalogenetic Băița Biho- (in Romanian). rului, Ed. Academiei RSR, București. Posmoșanu E., (2003), Iguanodontian dinosaurs from the Trinkaus E., Moldovan O., Milota S., Bâlgar A., Sar- Lower Cretaceous bauxite site from Romania, Acta Pa- cina L., Athreya S., Bailey S.E., Rodrigo R., Ghera- laeontologica Romaniae 4, pp. 431-439. se M., Higham T., Ramsey C.B. & Van Der Plicht J., Posmoșanu E. & Cook E., (2000), Vertebrate taphonomy (2003), An early modern human from the Pestera cu and dinosaur paleopathology from a Lower Cretaceous Oase, Romania, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100(20), bauxite lens, North West Romania, Oryctos 3, pp. 39-51. pp. 11231-11236. Povară I. & Marin C., (1984), Hercule thermomineral Terzea E., (1978), Dépôts de remplissage et mammifères spring. Hydrogeological and hydrochemical consid- quaternaires de “Peștera Urșilor” de Chișcău, départe- erations, Theoretical and Applied Karstology 1, pp. ment de Bihor (note préliminaire), Travaux de l’Insti- 183-193. tut de Spéologie “Emile Racovitza” 17, pp. 139-144. Povară I., Diaconu G. & Goran C., (1972), Observa- Vădeanu T. & Done A., (1981), The cave from Cuciulat tions préliminaires sur les grottes influencées par les Quarry. Prehistoric art activities, Studii și Cercetări eaux thermo-minérales de la zone Băile-Herculane, de Speologie 1, pp. 67-70 (in Romanian). Travaux de l’Institute de Spéologie “Emile Racovitza” Vălenaș L., (1981), Aurica Cave (Pădurea Craiului 11, pp. 355-365. Mountains), Buletin Speologic 5, pp. 53-60 (in Roma- Povară I., Cosma R., Lascu C. & Bulgăreanu V.A., (1982), nian). Un cas particulier de karst dans les dépots de sel (Slănic Venczel M., (1991), New contributions to the fossil her- Prahova, Roumanie), Travaux de l’Institut de Spéolo- petofauna of Subpiatră (Bihor County, Romania),

153 Nymphaea 21, pp. 81-88. Craiului), Ardealul Speologic 4, pp. 30-57 (in Roma- Vișan I., (2011), Mineralogy of selected caves from south- nian) ern Rodnei Mountains, Unpublished Master thesis, Zaharia L., Tămaș T. & Suciu-Krausz, E., (2003), Min- Universitatea Babeș-Bolyai, Facultatea de Biolo- eralogy of Cave No. 4 from Runcului Hill (Metaliferi gie-Geologie, 44 p. (in Romanian). Mts., Romania), Theoretical and Applied Karstology Vremir M., (1994), Caves discovered by mining activities 16, pp. 41-46. in the middle basin of the Iadei Valley (M. Pădurea

154 Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 155-156

MINES AS ANTHROPOGENIC CAVES: CONSEQUENCES FOR BIOMINERAL DEPOSITS MINIERE INTESE COME GROTTE ANTROPOGENICHE: EFFETTI SUI DEPOSITI DI BIOMINERALI

Michael N. Spilde1, Penelope J. Boston2,3, Diana E. Northup4& Leslie A. Melim5

Abstract Riassunto In some ways, mines can be considered as anthro- Per certi aspetti, le miniere possono essere consi- pogenically-created caves. derate delle grotte create antropogenicamente. Le Mines that have been abandoned and have miniere che sono state abbandonate e che hanno reached some state of geochemical and microbio- raggiunto un certo equilibrio geochimico e micro- logical equilibrium are of particular interest be- biologico ricoprono particolare interesse perché cause they may begin to exhibit certain features potrebbero presentare delle caratteristiche tipiche of natural caves, especially secondary mineralogy delle grotte naturali, soprattutto per quanto ri- and geomicrobiology. guarda la mineralogia secondaria e la geomicro- Other aspects of mines can be unique, for exam- biologia. Anche altri aspetti delle miniere possono ple the opportunity to gain access to the subsur- essere considerati unici, ad esempio la possibili- face of a rock type that may never give rise to tà di poter accedere alla parte sotto il livello del natural caves. suolo di un tipo di roccia che non potrebbe mai When mining activities intersect natural cavities, dar origine a delle grotte naturali. Quando le especially those with no natural openings, addi- attività di estrazione intersecano le cavità natu- tional examples can be studied. rali, soprattutto quelle senza accessi naturali, si The key to understanding all of these cases is to ha la possibilità di analizzare ulteriori esempi. compare similar mineral types, e.g. Fe oxides, La chiave per comprendere tutti questi casi è di where they may occur in all of these different cir- mettere a confronto varietà di minerali simili, cumstances. We have studied iron, manganese, come, ad esempio, gli ossidi di ferro, che possono copper, sulfur, and carbonate dominated miner- essere presenti nelle diverse circostanze. Abbiamo alogies that are influenced by microbial process- analizzato le mineralogie dominate da carbona- es in a number of mine caves, natural caves, and ti, ferro, manganese, rame e zolfo che subiscono non-cave mines. l’influenza dei processi microbici in diverse grotte We now know that a lot of biomass and huge mi- di miniera, grotte naturali e miniere. Sappiamo crobial biodiversity exists in the Earth’s subsur- che al di sotto della superficie terrestre si trovano face. grosse quantità di biomassa ed enormi biodiver- Many of these microorganisms are originally de- sità microbiche. Molti di questi microorganismi rived from surface species that are able to adapt derivano originariamente da delle specie che vi-

1 Institute of Meteoritics, University of New Mexico, Albuquerque, New Mexico, USA 2 National Cave & Karst Research Institute, Carlsbad, New Mexico, USA 3 Earth & Environmental Sci. Dept. New Mexico Institute of Mining & Technology, Socorro, USA 4 Dept. Biology, University of New Mexico, Albuquerque, New Mexico, USA 5 Dept. Geology, Western Illinois University, Macomb, Illinois, USA

155 and thrive in the underground. But others appear vevano in superficie che si sono adattate a vivere e to be specialized to making their living by oxida- svilupparsi nel sottosuolo. Ma altri sembrano es- tion of reduced metals present in minerals. sersi specializzati nel trarre i propri mezzi di sus- The metabolic processes that allow organisms to sistenza dall’ossidazione dei metalli ridotti pre- derive energy from oxidation reactions of reduced senti nei minerali. Questi processi metabolici che species to more oxidized species act as major permettono agli organismi di trarre energia dalle transformers of minerals in the subsurface. reazioni di ossidazione di specie ridotte a specie Manganese and iron oxidizing microorganisms maggiormente ossidate fungono da principali tra- are abundant in many caves and mines. sformatori di minerali sulla superficie. I micro- The microorganisms often are intimately associ- organismi che ossidano ferro e manganese sono ated Fe- and Mn-oxides (ferromanganese depos- molto comuni nelle miniere e nelle grotte. I micro- its) found on the walls, ceilings and floors of some organismi spesso vengono associati agli ossidi di caves. ferro e manganese (depositi di ferro-manganese) We call such materials “speleosols,” or cave de- che si trovano sulle pareti, soffitti e pavimenti del- rived soils. le stesse grotte. Questi materiali vengono chiamati The types of oxides in these deposits, e.g. the “speleosols,” o terreni derivati dalle grotte. I tipi Mn-oxide todorokite, can alone be indicative of di ossidi presenti in questi depositi, ad esempio, microbial activity. la todorokite (ossido di manganese), sono da soli Indeed, the mere presence of these metal oxides, indicativi dell’attività microbica. Indubbiamente, out of chemical equilibrium with the surrounding la mera presenza di questi ossidi, per via dell’e- environment, may be enough to suggest microbial quilibrio chimico con l’ambiente circostante, può deposition. essere sufficiente per individuare il deposito mi- Copper sulfides in lavatubes, mines, and mine crobico. I solfuri di rame dei tunnel di lava, delle caves also appear to be microbially oxidized to miniere e delle grotte di miniera sembrano essere copper oxides, possibly with energy production ossidati microbicamente fino a diventare ossidi di for the organisms. rame, probabilmente con produzione di energia Distinctive green and blue soft or gooey speleo- da parte degli organismi. Caratteristici speleote- thems, often packed with microorganisms, have mi verdi e blu, duttili e appiccicosi, spesso pieni di been found in all of these settings and appear microorganismi, sono stati trovati in tutti questi even on copper sulfides in mineral museum col- luoghi e sono presenti perfino nei solfuri di rame lections. delle collezioni di minerali dei musei. In alcuni In some cases, there is a marked contrast in sim- casi, vi è un forte contrasto tra depositi simili do- ilar deposits influenced by mine conditions com- vuti alle condizioni della miniera rispetto a quel- pared to those in natural caves. le delle grotte naturali. Tali depositi possono o Such deposits may or may not be microbially in- meno essere influenzati dai microbi. Ad esempio, fluenced. For example, in a mine in Illinois, USA, in una miniera dell’Illinois, USA, le perle di grot- cave pearls are forming at an extraordinarily ta si stanno formando a una velocità sorprenden- high rate. temente alta. In questo caso, i processi microbici Microbial processes seem not to be playing a role sembrano non avere nessun ruolo, sebbene abbia- here, although we have hypothesized that they mo ipotizzato che possano avere un ruolo nel depo- may be playing a role in pearl deposition in nat- sito delle perle nelle grotte naturali. Le condizioni ural caves. della miniera che differiscono significativamente Mine conditions that differ significantly from rispetto alle condizioni delle grotte naturali, ad natural cave conditions, e.g. ventilation, may be esempio, la ventilazione, potrebbero essere in par- partly responsible for the high production rates. te responsabili degli elevati ritmi di produzione. In summary, study of biomineral deposits in Per concludere, lo studio dei depositi di biomi- mine caves, caves, and mines can provide invalu- nerali all’interno delle grotte di miniera, grotte e able opportunities for comparing different envi- miniere può fornire delle preziose opportunità per ronmental parameters that control differences confrontare diversi parametri ambientali che re- in deposition in these different types of under- golano le differenze nel deposito in questi diversi ground spaces. tipi di spazi sotterranei.

156 Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 157-175

CONTRASTING GENESIS AND ENVIRONMENTAL SIGNIFICANCE OF ARAGONITE INFERRED FROM MINOR AND TRACE ELEMENT VARIATION IN SPELEOTHEMS GENESI CONTRASTANTE E RILEVANZA AMBIENTALE DELL’ARAGONITE DEDOTTE DAL CONFRONTO DELLA VARIAZIONE DEGLI ELEMENTI MINORI ED IN TRACCE NEGLI SPELEOTEMI

Guglielmo A. Caddeo1, Jo De Waele2, Franco Frau1 & L. Bruce Railsback3

Abstract Riassunto This study compares minor and trace element In questo studio vengono messe a confronto le va- variation in two speleothems from two caves of riazioni degli elementi minori e in tracce in due southwestern Sardinia (Italy), in order to verify speleotemi provenienti da due cavità della Sarde- the role of some elements in calcite growth inhi- gna sud-occidentale (Italia). Nei due casi la com- bition and aragonite precipitation. parsa di aragonite sembra assumere un differente The first sample is a drapery from a cave hosted significato ambientale e sembra legata all’inibi- in dolostones. The second is a flowstone from a zione della formazione di calcite a causa di ioni natural cave intercepted by a gallery of a mixed diversi. sulphide mine. In the first sample, Mg concen- Il primo campione è parte di una vela proveniente tration in the calcite layer is high just above the da una grotta sviluppata in dolomie. Il secondo underlying aragonite, it shows a minimum in the è rappresentativo di una colata, originatasi in middle of the calcite, and it increases to a maxi- una grotta di miniera a rocce incassanti calcaree mum just below the overlying aragonite. The Mg contenenti mineralizzazioni a solfuri misti. Nel variation in this depositional sequence suggests primo campione lo strato di calcite, interposto a that aragonite forms when calcite growth is in- due strati di aragonite, presenta le maggiori con- hibited by Mg because of a greater Mg/Ca ratio centrazioni in Mg all’estremo inferiore e superiore, in solution. We infer that climatic conditions vicino all’aragonite sottostante e a quella sopra- evolved from drier to wetter for the transition stante. Il Mg tende a decrescere dagli estremi ver- aragonite-calcite, and then from wetter to drier so la zona intermedia dello strato, dove raggiunge for the transition calcite-aragonite. This hypoth- un minimo. Queste variazioni lungo la sequenza esis is supported by inverse correlation of P with deposizionale suggeriscono che l’aragonite preci- Mg in the calcite layer. pita quando la formazione di calcite è inibita dal In the second sample from a mine cave, the in- Mg, per via dell’elevato rapporto Mg/Ca in solu- hibitory effect of Mg on calcite deposition cannot zione. Se ne può dedurre che le condizioni clima- explain the appearance of aragonite, because Mg tiche si siano evolute da più secco a più umido per concentration is small in the calcite layer and la transizione aragonite-calcite e da più umido a

1 Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche, Università di Cagliari, Italy 2 Dipartimento di Scienze della Biologiche, Geologiche e Ambientali, Università di Bologna, Italy 3 Department of Geology, University of Georgia, Athens (GA), USA

157 even decreases in the upper part, nearest the più secco per la transizione calcite-aragonite. Que- overlying aragonite. Zinc concentration, which sta ipotesi è avvalorata dalla correlazione inversa is greater than that of Mg, increases abruptly in tra P e Mg nello strato di calcite. calcite toward the aragonite layer, reaching its Nel secondo campione, proveniente da una grotta maximum just below the aragonite. Thus, in this di miniera, la precipitazione dell’aragonite non case, calcite inhibition seems to be induced by Zn. può essere spiegata tramite un effetto inibitore del An increase of the Zn/Ca ratio in calcite can be Mg sulla deposizione della calcite. Infatti la con- simply explained by an increase of dissolved Zn centrazione del Mg è bassa nello strato di calcite in the fresh (not residual) feeding water, due to e addirittura diminuisce nella parte superiore, greater oxidation of sulphides in wetter periods. in prossimità della transizione alla soprastante This hypothesis is supported by positive correla- aragonite. La concentrazione dello Zn, che risulta tion of Zn with P, Pb and Cd. If the presence of maggiore rispetto a quella del Mg, aumenta in- aragonite in the mine cave is truly controlled by vece bruscamente nella calcite verso l’aragonite e the Zn/Ca ratio rather than the Mg/Ca ratio, ara- raggiunge il massimo valore proprio sotto l’aragonite could reflect wetter conditions rather than gonite. Quindi, in questo caso, l’inibizione della drier ones, counter to conventional understand- calcite sembra essere indotta dallo Zn. Un au- ings from caves where Zn is less abundant. mento del rapporto Zn/Ca nella calcite può essere Keywords: mine cave, speleothems, role of trace semplicemente spiegato da un incremento di Zn in elements, calcite inhibition, aragonite, environ- soluzione nelle acque di infiltrazione, legato a sua mental reconstruction. volta ad una maggiore ossidazione dei solfuri in condizioni climatiche più umide. Questa ipotesi è Introduction confortata dalla correlazione positiva tra Zn, Pb, Caves hosted in the Lower Cambrian lime- Cd e P. Se la presenza di aragonite nella grotta di miniera è veramente controllata dal rapporto Zn/ stones and dolostones of Sulcis-Iglesiente Ca piuttosto che dal rapporto Mg/Ca, l’aragonite (SW Sardinia, Italy) show a wide variety potrebbe testimoniare un cambiamento climatico of speleothems, both from a morphological verso condizioni più umide invece che più aride, a and mineralogical point of view. Many of differenza di quello che avviene nelle grotte in cui these caves were discovered through their la presenza di Zn è molto minore. natural entrances, but many others were Parole chiave: grotte di miniera; speleotemi, ruo- intercepted by the mine tunnels during ex- lo di elementi in tracce, inibizione della crescita di calcite, aragonite, ricostruzione peleoambientale. cavations of mixed sulphide ores, especially of Pb and Zn (Pagliara et alii, 2010). Introduzione In this region most speleothems are com- Le grotte formate nei calcari e nelle dolo- posed of calcite and aragonite, but they also mie del Cambriano inferiore del Sulcis- contain uncommon minerals such as hemi- Iglesiente (Sardegna sud-occidentale) con- morphite, hydrozincite, barite, cerussite tengono un’ampia varietà di speleotemi, and so on (De Waele et alii, 2013). In ad- sia dal punto di vista morfologico sia da dition, aragonite is usually more abundant quello mineralogico. Molte di queste grotte in this region than in normal karstic set- hanno degli ingressi naturali, ma altre, le tings. Probably this is partially due to the cosiddette grotte di miniera, sono raggiun- extensive presence of bedrock consisting of gibili soltanto attraverso gallerie minera- dolomitic limestones or dolostones which rie, spesso finalizzate allo sfruttamento dei provide Mg2+ to the solutions in caves. giacimenti a solfuri di Pb e Zn (Pagliara et Actually, many authors agree that arago- alii, 2010). nite precipitation in caves especially de- In questa regione gli speleotemi sono preva- pend on the calcite inhibition by Mg2+ (Hill lentemente composti da calcite ed aragoni- & Forti, 1997) provided to the feeding solu- te, ma sono state anche rinvenute fasi mine- tions because of the dolomitic bedrock dis- ralogiche meno frequenti, come emimorfite, solution. idrozincite, barite, cerussite ecc. (De Waele The inhibitory effect of Mg increases with et alii, 2013). Inoltre, gli speleotemi di ara- increase in the Mg/Ca ratio in solution gonite sono più frequenti nel Sulcis-Igle- (De Choudens-Sanchez & Gonzalez, 2009). siente rispetto ad altre aree carsiche della Solution Mg/Ca increases, in turn, with Sardegna. Questo è probabilmente dovuto, the amount of the upstream precipitation almeno parzialmente, all’estesa presenza

158 of calcite or aragonite (Bar-Matthews et di rocce dolomitiche o calcari dolomitici, la alii, 1991; Verheyden, 2004). This because cui dissoluzione fornisce lo ione Mg2+ alle the partition coefficient of Mg is less than acque di percolazione. 1 both in calcite and in aragonite. Thus, Infatti, allo stato attuale, molti autori con- when calcium carbonate precipitates from cordano nel ritenere che la formazione di a solution, Mg/Ca ratio increases in the aragonite in grotta sia dovuta all’inibizione residual solution, promoting aragonite della crescita di calcite da parte del Mg pre- precipitation. Assuming that a calcite-ara- sente nelle acque percolanti (Hill & Forti, gonite transition is due to an increase of 1997). Mg/Ca ratio in the feeding solution with L’effetto inibitore del Mg aumenta con l’au- more upstream precipitation during dri- mento del rapporto Mg/Ca nella soluzione er conditions (Fischbeck, 1976; Gonzales (De Choudens-Sanchez & Gonzalez, 2009). & Lohmann, 1988), at the same time wa- Il rapporto Mg/Ca aumenta a sua volta ter flow rate decreases on the speleothem, con l’aumento della precipitazione di calci- and the solution moves more slowly and te o aragonite (Bar-Matthews et alii, 1991; evolves more on the speleothem surface. Verheyden, 2004). Questo perchè il coeffi- Thus calcite-aragonite transitions can be ciente di ripartizione del Mg è inferiore ad considered a consequence of a drier evolu- 1 sia per la calcite che per l’aragonite. Ne tion, whereas aragonite-calcite transitions consegue che quando il carbonato di calcio are believed to be a consequence of water precipita dalla soluzione, il rapporto Mg/ flow rate increase R( ailsback et alii, 1994). Ca aumenta nella soluzione residuale, pro- Despite these generalizations, in the Sul- muovendo la precipitazione di aragonite. cis-Iglesiente area aragonite is found both Possiamo quindi presumere che la transi- in caves hosted in dolostones and in many zione calcite-aragonite sia dovuta all’au- caves hosted in limestones, and especially mento del rapporto Mg/Ca nella soluzione, in caves intercepted by the mine galleries, in seguito ad una maggiore precipitazione known as “mine caves”. This fact encour- a monte durante condizioni più aride (Fi- aged us to take advantage of this partic- schbeck, 1976; Gonzales & Lohmann, 1988). ular geological context to elucidate some Possiamo infatti supporre che, allo stesso additional causes for the aragonite appear- tempo, la portata dell’acqua diminuisca e ance in the stability field of calcite. sulla superficie dello speleotema la soluzio- The paradigm that we employ here utilizes ne si muova più lentamente, evolvendosi geochemical trends through calcite layers più a lungo. Quindi le transizioni calcite- that underlie and/or overlie aragonite lay- aragonite possono essere considerate la con- ers. A trend in the direction of the aragonite seguenza di un’evoluzione verso condizioni presumably reflects a trend to environmen- più aride, mentre transizioni aragonite-cal- tal conditions that caused aragonite precip- cite, al contrario, starebbero ad indicare un itation. The reliability of this approach can aumento della portata d’acqua (Railsback be tested, for example, on the calcite-ara- et alii, 1994). gonite transitions of speleothems from Malgrado queste generalizzazioni, nell’a- a common cave hosted in dolostones to rea del Sulcis-Iglesiente l’aragonite è demonstrate the expected role of Mg in the comunemente rinvenuta sia nelle cavità a aragonite appearance. This is because in a rocce incassanti dolomitiche sia in “grotte growing layer of calcite the spatial varia- di miniera” che si aprono nei calcari. Que- tion of the incorporated Mg is related to the sto fatto ci ha incoraggiato ad approfittare temporal change of the Mg/Ca ratio in the del contesto geologico molto particolare per solutions (De Choudens-Sanchez & Gonza- chiarire alcune cause ulteriori circa la for- lez, 2009). If this approach works for Mg, mazione di aragonite nel campo di stabilità it can also be useful to point out a possible della calcite. role of some other elements in calcite in- Il paradigma che applichiamo fa uso dei hibition and consequently in aragonite for- trend geochimici visibili nelle bande di mation. For example, in a previous study calcite che sottostanno o si sovrappongono

159 Fig. 1 - Geologic map of Southwestern Sardinia and location of Sixth Sister Cave and Spaghetto Cave (modified from Carmignani et alii, 2001). / Carta geologica della Sardegna Sudoccidentale e posizione della Grotta Sesta Sorella e della Grotta Spaghetto (modificato da Carmignaniet alii, 2001).

on a flowstone from the Crovassa Azzur- a bande di aragonite. Un trend nella di- ra of the S.Giovanni mine (Caddeo et alii, rezione dell’aragonite presumibilmente ri- 2011) we showed some variation trends of flette un trend verso condizioni ambientali Zn concentration in calcite which seem to che causano la precipitazione di aragonite. be related with calcite inhibition and ara- L’affidabilità di questo approccio può es- gonite appearance. sere testata, per esempio, sulle transizioni Thus, the goal of this study is to contribute calcite-aragonite in speleotemi che proven- in improving the knowledge about the cal- gono da una grotta ospitata in dolomie, per cite-aragonite problem, investigating some dimostrare il ruolo consueto del Mg sulla relationship between the calcite-aragonite comparsa dell’aragonite. Questo perchè in transitions and the minor or trace elements uno strato di calcite la variazione spazia- variation in speleothems from caves in un- le del Mg incorporato è in stretta relazione mineralized and mineralized rocks. con il cambiamento temporale del rapporto The alternating layers of primary calcite Mg/Ca nella soluzione (De Choudens-San-

160 and aragonite in speleothems are often chez & Gonzalez, 2009). Se questo approc- related to environmental or paleoclimatic cio funziona per il Mg, esso potrebbe essere changes (Railsback et alii, 1994; Frisia et usato per dimostrare il possibile ruolo di alii, 2002; McMillan et alii, 2005). Demon- altri elementi nell’inibizione della calcite e, strating other causes for aragonite forma- di conseguenza, nella precipitazione dell’a- tion would necessitate re-evaluation of the ragonite. In uno studio precedente, realiz- traditional environmental and paleocli- zato su una colata della Crovassa Azzurra matic interpretations of this matter. nella Miniera di San Giovanni (Caddeo et alii, 2011), abbiamo evidenziato alcune va- Study area riazioni della concentrazione in Zn nella In this work we have compared two spele- calcite, che potrebbero essere messe in rela- othems from two different caves of south zione con l’inibizione della calcite e la con- western Sardinia (Italy). Both caves lie in seguente precipitazione di aragonite. the Lower Cambrian carbonatic rocks of Lo scopo di questo studio è quindi quello di the San Giovanni Formation (Bechstadt contribuire a migliorare la conoscenza del & Boni, 1996), which consists of both lime- problema calcite-aragonite negli speleote- stones and dolostones (Fig. 1). mi, facendo emergere relazioni tra le alter- The first one is a small natural cave named nanze dei due polimorfi e le variazioni degli “Spaghetto Cave”, hosted in the Monte elementi minori o in tracce. Meana hill (near Santadi village) made up Inoltre le alternanze fra bande di calcite ed of a dolomitized portion of the S. Giovan- aragonite comunemente osservate negli spe- ni Formation. The cave is still not well ex- leotemi sono spesso messe in relazione con plored and only about 100 m are known. cambiamenti ambientali o paleoclimatici The cave develops by a succession of small (Railsback et alii, 1994; Frisia et alii, 2002; rooms and narrow natural tunnels gener- McMillan et alii, 2005). Mettere in luce al- ated along tectonic directories in the dolo- tre cause per la formazione di aragonite po- stones, and it is probably connected with trebbe quindi richiedere una rivalutazione the near and more famous Is Zuddas Cave delle interpretazioni ambientali e paleocli- through some unexplored passages. The matiche tradizionali basate su queste tran- Spaghetto Cave shows a wide variety of sizioni. speleothems including flowstones, stalactites, stalagmites, draperies, cave rafts Area di studio and helictites. The most common mineral In questo lavoro abbiamo messo a confron- phases are aragonite, Mg-calcite, huntite to due speleotemi provenienti da due grotte and hydromagnesite. differenti della Sardegna sud-occidentale The second cave is a natural cave, named (Italia). Ambedue le grotte sono ospitate “Sixth Sister”, discovered by miners be- nelle rocce carbonatiche del Cambriano in- cause it was intercepted by a gallery at Sa feriore della Formazione di San Giovanni Duchessa mine (near Domusnovas village). (Bechstadt & Boni, 1996), che consiste sia This mine exploited mixed sulphide ores, di calcari che dolomie (Fig. 1). especially sphalerite (ZnS), until 1971. The La prima grotta è una piccola cavità na- mine tunnel is named S. Paolo gallery and turale chiamata “Grotta dello Spaghetto”, recently it has been explored for around situata nel Monte Meana (presso Santadi), 700 meters. Ten natural caves have been in una porzione dolomitizzata della For- discovered along it, with development mazione di San Giovanni. La grotta ha ranging between 10 and 250 meters and uno sviluppo di circa 100 m e si compone depths from 15 to over 160 meters. The so- di una serie di piccole sale e strette gallerie named “Sixth Sister” is just the sixth natu- sviluppate lungo alcune direttrici tettoni- ral cave intercepted by the S. Paolo gallery. che, e probabilmente risulta connessa at- In the Sixth Sister Cave, speleothems con- traverso alcuni passaggi inesplorati con la sist mainly of flowstones, stalactites and vicina e ben nota Grotta di Is Zuddas. La stalagmites, but also helictites were found Grotta dello Spaghetto contiene un’ampia

161 in the deeper zones. Many speleothems varietà di speleotemi come colate, stalattiti, consist of calcite and/or aragonite, but oth- stalagmiti, vele, aragonite flottante ed ec- ers are composed of some exotic minerals, centriche. Le fasi minerali più comuni sono such as hemimorphite. aragonite, calcite magnesifera, huntite ed Finally, the most important difference be- idromagnesite. tween the two above described caves are La seconda è una grotta naturale nei calca- that the Sixth Sister Cave is a mine cave ri, nota come “Sesta Sorella” e scoperta da in limestones hosting mixed sulphide ores minatori perchè intercettata da una galle- (especially sphalerite), whereas the Spa- ria artificiale della Miniera di Sa Duches- ghetto Cave opens in unmineralized dolo- sa (presso Domusnovas). Questa miniera stones. sfruttava solfuri misti, in particolare blenda (ZnS) fino al 1971. La galleria minera- Sampling and methods ria, detta galleria San Paolo, è stata solo di The first sample is the fragment of a drap- recente esplorata per circa 700 metri. Dieci ery collected from the Spaghetto Cave and grotte naturali sono state scoperte lungo il named SPD (for Spaghetto Drapery). The suo percorso, con sviluppi spaziali compresi second sample is a portion of a flowstone tra 10 e 250 metri e profondità tra 15 e 160 collected from the Sixth Sister Cave and metri. La cosiddetta “Sesta Sorella” è ap- named SDF (for Sa Duchessa Flowstone). punto la sesta grotta naturale intercettata Both samples were first cut by a diamond dalla galleria San Paolo. In questa grotta band saw perpendicular to their growth si trovano diverse tipologie di speleotemi layers, longitudinally to their growth di- tra cui principalmente colate, stalattiti e rection. Then some powders were sampled stalagmiti. Molte concrezioni sono compo- by a dental drill from single layers and an- ste da calcite e/o aragonite, ma alcune sono alysed to distinguish the different phases. costituite anche da minerali esotici come The mineral phases have been determined emimorfite. using a Panalytical X’Pert Pro X-ray dif- In definitiva, la principale differenza tra le fractometer (Cu Kα1 radiation, operating due grotte sopra descritte consiste nel fatto at 40 mA and 40 kV) at the Department che la Sesta Sorella è una grotta di minie- of Chemical and Geological Sciences of the ra ospitata dentro i calcari mineralizzati a University of Cagliari (Sardinia, Italy). solfuri misti (soprattutto blenda), mentre la After the determination of the mineralogi- Grotta dello Spaghetto si apre in dolomie cal phases, some further sections were ob- non mineralizzate. tained from the first samples. Thus these sub-samples were polished and mapped, Campionamento e metodi fixing some transects on them at the cal- Il primo campione è una porzione di vela cite-aragonite transitions in order to study proveniente dalla Grotta dello Spaghetto ed the minor and trace elements variation. All è chiamato SPD (da Spaghetto Drapery). Il transects were marked along the growth secondo campione è un frammento di cola- direction of the speleothems, perpendicu- ta preso nella Sesta Sorella e denominato lar to its growth layers, especially across SDF (da Sa Duchessa Flowstone). the calcite layers between layers of arago- Ambedue i campioni sono stati prima ta- nite. gliati in modo perpendicolare alle bande di The study of seven elements (Mg, P, Zn, crescita, tramite una sega diamantata. In Sr, Cd, Ba and Pb) was carried out at the seguito attraverso un trapano da dentista Department of Chemical and Geological alcune polveri sono state prelevate da sin- Sciences in Cagliari, using a Perkin El- goli strati ed analizzate per distinguere le mer Elan DRC ICP-MS, coupled with a fasi mineralogiche presenti. I minerali sono New Wave Research Nd:YAG Laser Sys- stati determinati utilizzando un Diffrat- tem, working at a wavelength of 213 nm. tometro a raggi X Panalytical X’Pert Pro All the analyses have been acquired using (Radiazione Cu Kα1, condizioni operative a repetition rate of 10 Hz, a laser output 40 mA e 40 kV) nel Dipartimento di Scien-

162 energy of 0.28 mJ and a spot size of 50 ze Chimiche e Geologiche dell’Università di μm. Some linear analyses were performed Cagliari (Sardegna, Italia). moving the laser cursor along the selected Dopo aver determinato le fasi mineralo- transects with a speed of 1 or 4 mm per sec- giche, alcune ulteriori sezioni sono state ond in order to determine continuously the ottenute dai primi campioni. Questi sot- concentration variation. Others analyses tocampioni sono stati lucidati e mappati were performed point by point along the realizzando alcuni transetti attraverso le transect. Concentration was determined transizioni calcite-aragonite, in modo da for each point by a calibration strategy us- studiare l’andamento di alcuni elemen- ing sythetic glasses (NIST 612 and NIST ti minori e in tracce. Tutti i transetti sono 610) as standard reference materials and stati marcati lungo la direzione di crescita 43Ca as internal standard. The weight con- degli speleotemi, perpendicolarmente alla centrations of the internal standard were stratificazione. determined in the Department of Geology Lo studio di sette elementi (Mg, P, Zn, Sr, of the University of Georgia (Athens, USA) Cd, Ba e Pb) è stato effettuato presso il Di- by a wavelength dispersive system of a partimento di Scienze Chimiche e Geolo- JEOL JXA 8600 electron microprobe. Data giche dell’Università di Cagliari con l’uso elaboration has been performed using the di un ICP-MS Perkin Elmer Elan DRC ac- software GLITTER (Van Achterbergh et coppiato con un Sistema Laser New Wave alii, 2001). Research Nd:YAG che lavora ad una lun- Quality control of the data was monitored ghezza d’onda di 213 nm. Tutte le analisi by repeated analyses of a natural glass sono state acquisite con una frequenza di (BCR-2). Precision (% RSD) was within 10Hz, un’energia laser di 0.28 mJ ed uno 10% for all the investigated elements and spot di 50 μm. Alcune analisi lineari sono better than 3% for some of them (Mg, Ba state realizzate spostando il puntatore la- and Sr). The detection limit was 1 ppm for ser lungo i transetti selezionati ad una ve- all investigated elements, with the excep- locità di 1 o 4 μm al secondo, così da de- tion of P (7 ppm). terminare in modo continuo la variazione di concentrazione degli elementi analizzati. Results and discussion Altre analisi sono state effettuate punto per Sample SPD punto lungo il transetto. La concentrazione The SPD sample consists of alternating lay- è stata determinata per ogni punto di ana- ers of calcite and aragonite (Fig. 2) showing lisi attraverso una strategia di calibrazione different colours which vary from white to che utilizza dei vetri sintetici (NIST 612 e pale-grey to dark-brown. Aragonite layers NIST 610) come standard esterni e l’isotopo are fibrous and usually white. Calcite lay- 43Ca come standard interno. Le concentra- ers are columnar and often display brown zioni in peso dello standard interno sono colours, probably because of some impuri- state determinate nel Dipartimento di Geo- ties, but some cleaner pale-grey calcite lay- logia dell’Università della Georgia (Athens, ers are present too. USA) attraverso una Microsonda Elettroni- On the sample SPD, two traverses were ca con Sistema a Dispersione d’Onda JEOL performed by Laser Ablation-ICPMS. The JXA 8600. L’elaborazione dei dati acquisi- first one, named Tr-1, was 3 mm long and ti con il sistema di ablazione laser è stata was performed across a layer of calcite be- eseguita con il software GLITTER (Van tween two layers of aragonite. In this case Achterbergh et alii, 2001). data were acquired by 16 aligned analysed Il controllo di qualità dei dati è stato mo- points, spaced at regular intervals of 200 nitorato da analisi ripetute sullo standard mm. Minor and trace element concentra- naturale BCR-2. La precisione (% RSD) si tions were determined for each point, but è mantenuta entro il 10 % per tutti gli ele- the patterns were not continuous. Points menti analizzati ed è risultata migliore del from 2 to 15 are inside the calcite layer, 3 % per alcuni tra questi (Mg, Ba e Sr). Il the remainders (1 and 16) are respective- limite di rivelabilità è risultato pari ad 1

163 ppm per tutti gli elementi, tranne che per il fosforo (7 ppm).

Risultati e discussione Campione SPD Il campione SPD consiste in un’alternanza di strati di calcite e di aragonite (Fig. 2) che mostrano colori variabili tra il bianco, il grigio ed il marrone scuro. Gli strati di aragonite sono fibrosi e generalmente bianchi. Gli strati di calcite sono colonnari e spesso colorati di marrone, probabilmente per la presenza di impurità, ma ci sono anche strati grigiastri più puliti. Su questo campione sono stati eseguiti due transetti tramite Laser Ablation-ICPMS. Il primo, denominato Tr-1, è lungo 3 mm e ta- Fig. 2 - Sample SPD. Red lines indicate the tran- glia uno strato di calcite compreso tra due sects Tr-1 and Tr-2. Positions of the 16 analysed di aragonite. In questo caso i dati sono stati points along Tr-1 are indicated by the small seg- ottenuti attraverso 16 analisi su altrettanti ments, spaced 200 mm. A = aragonite; C = calcite. punti allineati lungo il transetto e distan- / Campione SPD. La linea rossa indica i transetti Tr-1 e Tr-2. La posizione dei 16 punti analizzati ziati tra loro di 200 μm. La concentrazio- lungo Tr-1 sono indicati dai segmenti brevi, dine degli elementi minori e in tracce è stata stanti tra loro 200 mm. A = aragonite; C = calcite. determinata per ciascun punto, ma ovviamente gli andamenti non sono continui lungo la traversa. I punti da 2 a 15 sono dentro lo strato di calcite, mentre i punti ly located in the underlying and overlying rimanenti (1 e 16) ricadono rispettivamen- layers of aragonite. te nello strato sottostante e soprastante di The second traverse is named Tr-2, is 400 aragonite. mm long, and was performed at the tran- Il secondo transetto, chiamato Tr-2, è lungo sition between the layer of calcite and the 400 μm, ed è stato realizzato alla transizio- overlying layer of aragonite in order to get ne tra lo strato di calcite ed il soprastan- a greater resolution of the elements varia- te strato di aragonite, in modo da ottenere tion. In this case qualitative data were ac- una maggiore risoluzione nella variazione quired by a single linear analysis, moving degli elementi. In questo caso i dati sono the laser along the transect with a speed of qualitativi ed ottenuti attraverso un’anali- 1 mm per second. si lineare singola, spostando il raggio laser Magnesium is the most abundant minor lungo il transetto con una velocità di 1 μm element in calcite (up to 5 mole % MgCO3), al secondo. coming from dissolution of the overlying L’elemento minore più abbondante nella dolostones. In contrast, the most abundant calcite è il Mg (quasi fino al 5 % in moli di minor elements in aragonite are Sr and Ba MgCO3), il quale deriva dalla dissoluzione (respectively 510 ppm and 370 ppm) which delle dolomie. Al contrario, gli elementi mi- are incorporated more easily in aragonite nori più abbondanti nell’aragonite sono Sr than in calcite with respect to Mg because e Ba (rispettivamente 510 ppm e 370 ppm) of their greater ionic radius (Fig. 4a). Con- che rispetto al Mg sono più facilmente in- centrations of Zn, Pb and Cd are very low globati nell’aragonite invece che nella cal- in both the polymorphs (data not shown) cite, grazie al loro maggiore raggio ionico since in this case the dolostones do not con- (Fig. 4a). Le concentrazioni di Zn, Pb e Cd tain any sulphides. sono molto basse in tutti e due i polimorfi Transect Tr-2 can be subdivided into three (dati non illustrati) perchè in questo caso le

164 dolomie non sono mineralizzate e non contengono solfuri. Il transetto Tr-2 può essere suddiviso in tre zone. La prima rappresenta lo strato di calcite, la terza quello di aragonite, mentre la seconda è una zona di transizione in cui ambedue i minerali sembrano essere presenti (Fig. 4b). È normale che alla transizione tra calcite ed aragonite la concentrazione in Mg diminuisca drasticamente, considerato che il Mg non è incorporato nell’aragonite, questo nonostante la soluzione originale sia ricca in Mg. Tale zonazione mineralogica è anche confermata dagli andamenti di Sr e Ba, perchè le loro concentrazioni aumentano improv- visamente quando precipita aragonite, ma poi non variano ulteriormente quando questa è l’unica fase presente. Variazioni im- provvise delle concentrazioni in Sr, Ba e Mg sono quindi attese alla transizione calcite- aragonite, ed aiutano ad identificare con maggiore dettaglio dove esattamente questa transizione avviene. In modo da comprendere meglio l’evoluzione della soluzione madre, occorre iden- Fig. 4a - Patterns of Mg, P, Sr and Ba along the tificare qualche trend in una singola fase. transect Tr-1 of the sample SPD. A = aragonite; C A questo proposito è significativo che la = calcite. / Andamento di Mg, P, Sr e Ba lungo il concentrazione di Mg aumenta nella parte transetto Tr-1 del campione SPD. A = aragonite; superiore dello strato di calcite verso la so- C = calcite. prastante aragonite, raggiungendo proprio il suo massimo valore quando l’aragonite zones. The first represents the calcite lay- inizia a precipitare. Poi il Mg scende im- er, the third represents the aragonite layer, provvisamente ma soltanto perchè viene and the second is a transitional zone where scarsamente incorporato nell’aragonite e both minerals seem to be present (Fig. 4b). non perchè il rapporto Mg/Ca nella solu- In fact, it is normal that at the transition zione sia diminuito. from calcite to aragonite Mg concentration Al contrario, possiamo assumere che se la decreases abruptly, because Mg is not in- calcite diventa più ricca in Mg nel tempo, corporated in the aragonite, despite the anche la soluzione da cui precipita ha ac- fact that the original solution was rich in quisito un rapporto Mg/Ca maggiore nel Mg. tempo. Inoltre non c’è motivo di credere che This mineralogic zonation is also confirmed questo trend cambi a causa della deposizio- by the Sr and Ba patterns, because Sr and ne di aragonite. Al contrario, la formazione Ba concentrations increase abruptly when di aragonite è ritenuta la conseguenza di aragonite appears but they do not change questo trend nella soluzione madre, quan- further very much when aragonite is the do il rapporto Mg/Ca in soluzione supera only phase present. These abrupt changes un valore limite oltre il quale la calcite non in Sr, Ba and Mg are expected and nor- precipita più perchè inibita dal Mg. Questo mal at the transition calcite-aragonite, meccanismo è ampiamente documentato in and they help to identify with more detail letteratura (Murray, 1954; Curl, 1962; Ro- where that transition takes place. ques, 1965; Bischoff, 1968; Berner, 1975;

165 In order to understand the evolution of the feeding solution, one needs to identify some trend within a single phase. In this regard, it is significant that Mg concentration increases in the upper part of the calcite layer toward the overlying layer of aragonite, until it reaches a maximum value just when aragonite begins to form. Then, Mg abruptly decreases but just because it is scarcely incorporated in aragonite, not because the Mg/Ca ratio in the solution also decreased. On the contrary, we can assume that if calcite becomes richer in Mg over the time it is because the original solution had acquired a greater Mg/Ca ratio over the time. We have no reason to think that this trend changes in premonition of the deposition of aragonite. On the contrary, the formation of aragonite is supposed to be a consequence of this trend in the feeding solution, when the Mg/Ca ratio in solution exceeds a threshold beyond which calcite inhibition by Mg occurs. This explanation is widely supported by the literature (Murray, 1954; Curl, 1962; Roques, 1965; Bischoff, 1968; Fig. 4b - Patterns of Mg, P, Sr and Ba along the Berner, 1975; Morse, 1983; Mucci, 1986; transect Tr-2 of the sample SPD. A = aragonite; C Fernandez-Diaz et alii, 1996; Davis et alii, = calcite. / Andamento di Mg, P, Sr e Ba lungo il 2000; De Choudens-Sanchez & Gonzalez, transetto Tr-2 del campione SPD. A = aragonite; 2009). Also in the transect Tr-1 Mg con- C = calcite. centration shows an increasing pattern towards the overlying aragonite layer, reaching a maximum of 4.9 mole % MgCO3 Morse, 1983; Mucci, 1986; Fernandez-Diaz at point 15 (Fig.4a). Thus, about 5 mole et alii, 1996; Davis et alii, 2000; De Chou-

% MgCO3 seems to be here the greatest dens-Sanchez & Gonzalez, 2009). tolerated value of Mg in calcite before ap- Anche nel transetto Tr-1 la concentrazio- pearing of aragonite. Tr-1 also shows a de- ne in Mg mostra un andamento in cresci- crease of Mg from the lower part (4.6 mole ta verso lo strato di aragonite soprastante,

% MgCO3) to the middle part of the calcite raggiungendo un massimo del 4.9 % in layer (3.4 mole % MgCO ). We can assume 3 moli di MgCO3 al punto 15 (Fig. 4a). Quin- that this pattern in calcite depends on a di, una concentrazione pari a circa il 5 % in similar pattern of Mg/Ca ratio variation in moli di MgCO3 sembra rappresentare il va- the original feeding solutions. Projecting lore massimo di Mg tollerato prima che la this trend backwards in time toward the formazione di aragonite sia avvantaggiata underlying aragonite layer, it shows that rispetto alla formazione di calcite. Il tran- the underlying aragonite layer in sample setto Tr-1 mostra anche una diminuzione SPD, as well as the overlying layer, formed di Mg dalla parte inferiore (4.6 % in moli from solutions having greater Mg/Ca ratio di MgCO3) verso la parte mediana (3.4 % than solutions from which most of the cal- in moli di MgCO3). Possiamo assumere che cite layer formed. questo andamento nella calcite dipenda da The depositional sequence aragonite-cal- un andamento simile della variazione del cite-aragonite suggests that climatic condi- rapporto Mg/Ca nei fluidi depositanti. Pro-

166 tions evolved from drier to wetter for the iettando questo trend all’indietro nel tem- first transition aragonite-calcite, and then po verso lo strato di aragonite sottostante, from wetter to drier for the second transi- emerge quindi che anche questa aragonite, tion calcite-aragonite. Thus, the wettest pe- così come l’aragonite soprastante la calcite, riod should correspond to the precipitation si sia formata da soluzioni aventi un rap- of the middle part of the calcite layer. This porto Mg/Ca più elevato rispetto alle solu- hypothesis seems to be supported by the zioni dalle quali si depositava la calcite. inverse correlation of P with Mg. Accord- La sequenza deposizionale aragonite-cal- ing to Huang et alii (2001), concentration of cite-aragonite suggerirebbe quindi che le P decreases in drier periods, when Mg in- condizioni climatiche si evolvano da più creases, and vice-versa. In calcite of SPD, arido a più umido per la prima transizione maximum concentration of P (322 ppm) aragonite-calcite, e poi da più umido nuo- is reached just in the middle of the calcite vamente a più arido per la seconda tran- layer, where Mg shows its lowest values. sizione calcite-aragonite. Quindi il periodo In contrast, the lowest P values (100-150 più umido corrisponderebbe alla parte me- ppm) are detected at the extremities of the diana dello strato di calcite. Questa ipotesi transect Tr-1, where Mg concentration is sembra essere confermata dalla correlazio- greatest. Finally, according to the litera- ne inversa tra P e Mg. Secondo Huang et ture (e.g., Railsback et alii, 1994) these Mg/ alii (2001), la concentrazione in P diminu- Ca data confirm that calcite growth inhibi- isce durante periodi secchi, quando il Mg tion in sample SPD resulted from chang- aumenta, e viceversa. Nella calcite di SPD ing climate because of an increased Mg/Ca la massima concentrazione in P (322 ppm) ratio in the feeding solutions due to a drier viene raggiunta proprio a metà dello strato evolution. di calcite, dove il Mg raggiunge le concen- On the contrary, aragonite-calcite transi- trazioni più basse. Al contrario, i valori più tion takes place because of a decrease of bassi in P (100-150 ppm) sono stati osser- Mg/Ca ratio in solution as a consequence vati alle estremità del transetto Tr-1, dove of a greater water flow due to a wetter evo- la concentrazione in Mg raggiunge il suo lution. massimo (Fig. 4a). Per concludere, in accordo con la letteratura (p.e. Railsback et alii, Sample SDF 1994), questi dati confermano l’inibizione The SDF sample consists of some layers of della crescita di calcite nel campione SPD columnar pale-grey or brown primary cal- a causa di una fase di inaridimento che ha cite which alternate with thicker layers of comportato un aumento del rapporto Mg/ white and fibrous primary aragonite (Fig. Ca nelle soluzioni madre. Al contrario, la 3). transizione aragonite-calcite avviene a cau- In this sample two traverses were per- sa di una diminuzione del rapporto Mg/Ca formed across a calcite layer and an over- nella soluzione in seguito ad un aumento lying aragonite layer. The transect Tr-3 is della portata d’acqua, ovvero ad un cam- 18.5 mm long and consists of 38 aligned biamento climatico verso condizioni più points spaced by equal intervals of 500 mm. umide. All points from 1 to 35 are inside the calcite layers, and the last three points are locat- Campione SDF ed in the subsequent aragonite layer. The Il campione SDF consiste in alcuni strati di other transect, named Tr-4, is 2 mm long calcite primaria, colonnare e di colore gri- and it was performed by a single continu- giastro o marrone che si alternano con stra- ous linear analysis, moving the laser with ti più spessi, bianchi e fibrosi di aragonite a speed of 4 mm per second across the upper primaria (Fig. 3). part of the calcite layer and the lower part In questo campione sono stati eseguiti due of the aragonite one. transetti attraverso lo strato di calcite e lo The most abundant minor elements in cal- strato di aragonite soprastante. Il transetto cite of SDF are Mg and Zn. Magnesium Tr-3 è lungo 18.5 mm e consiste in 38 punti

167 analisi allineati e distanziati tra loro di 500 mm. Tutti i punti da 1 a 35 sono dentro lo strato di calcite, mentre gli ultimi tre punti ricadono nello strato di aragonite. L’altro transetto, chiamato Tr-4, è lungo 2 mm ed è stato realizzato tramite un’unica analisi lineare continua, spostando il raggio laser con una velocità di 4 mm al secondo attraverso la parte superiore dello strato di calcite e la parte bassa di quello di aragonite seguente. Gli elementi minori maggiormente presenti nella calcite di SDF sono Mg e Zn. Il magnesio varia tra 340 e 1800 ppm, ri- manendo sempre ben al di sotto della concentrazione mostrata dalla calcite di SPD, probabilmente perchè le rocce incassanti Fig. 3 - Sample SDF. Red lines indicate the tran- della Sesta Sorella sono calcari a scarso sects Tr-3 and Tr-4. Positions of the 38 analysed contenuto in dolomite. Lo zinco nella calci- points along Tr-3 are indicated by the small seg- te varia tra 161 e più di 12000 ppm, valo- ments, spaced 500 mm. A = aragonite; C = calcite. / Campione SDF. Le linee rosse indicano i transetti ri ben al di sopra di quelli medi registrati Tr-3 e Tr-4. La posizione dei 38 punti analizzati nelle calciti di speleotemi normali (Hill & lungo Tr-3 sono indicati dai segmenti brevi, di- Forti, 1997). Questo è sicuramente dovuto stanti tra loro 500 mm. A = aragonite; C = calcite. alla presenza di blenda (ZnS) nei calcari della Sesta Sorella. Anche la concentrazione in Ba del campione SDF è maggiore ri- ranges from 340 to 1800 ppm on different spetto al campione SPD, dato che la barite spots, and therefore it remains always well nel Sulcis-Iglesiente è spesso associata a under the Mg content of calcite in SPD, mineralizzazioni a solfuri misti. Il bario è il presumably because the bedrocks of the principale elemento minore nell’aragonite Sixth Sister Cave are limestones having di SDF, raggiungendo valori anche di 2000 a scarce amount of dolomite. Zinc ranges ppm rispetto ai 400 di Sr. Nell’aragonite la from 161 ppm to more than 12000 ppm concentrazione in Zn (400-500 ppm) è stra- in calcite, and therefore it is always well namente comparabile o maggiore rispetto above the Zn average in calcite of common alla concentrazione in Sr ed è largamente speleothems (Hill & Forti, 1997). This is superiore a quella in Pb (20 ppm). Consi- certainly due to the presence of sphalerite derando che lo Zn è scarsamente inglobato (ZnS) in the limestones of the Sixth Sister nell’aragonite, specialmente rispetto allo Cave. Also the concentration of Ba in SDF Sr, questo suggerisce che l’acqua da cui pre- is greater than that in SPD, as barite is of- cipitava il minerale aveva un rapporto Zn/ ten associated to sulphide mineralizations Sr molto elevato. in Sulcis-Iglesiente. L’osservazione dettagliata della variazione Barium is the main minor element in ara- spaziale degli elementi lungo il transetto gonite of SDF, where it can reach up to Tr-4 (Fig. 5b) rivela tre zone mineralogiche: about 2000 ppm against 400 ppm of Sr. In una zona di sola calcite, una zona transi- the aragonite, the Zn concentration (400- zionale, ed una di sola aragonite. La defi- 500 ppm) is strangely comparable or great- nizione corretta di queste tre zone è facil- er to that of Sr and overcomes considerably mente suggerita dal tipico comportamento the Pb concentration (20 ppm). Consid- di Mg, Sr e Ba nella zona di transizione ering that Zn is scarcely incorporated in calcite-aragonite, caratterizzata da una si- aragonite with respect to Sr, this suggests gnificativa diminuzione di Mg contempora- that the water from which aragonite pre- neamente agli incrementi di Sr e Ba.

168 cipitated had a very high Zn/Sr ratio. La differenza molto interessante rispetto Detailed examination of spatial variation a SPD è che in SDF la concentrazione in of elements along Tr-4 (Fig. 5b) reveals Mg diminuisce anche nella parte superio- three mineralogical zones: a zone of only re della calcite, verso lo strato di aragoni- calcite, a transitional zone, and a zone of te. Quindi, sulla base degli stessi principi only aragonite. applicati nel caso di SPD, in SDF la for- The correct definition of these three zones mazione di aragonite è difficile da spiegare is easily suggested by the typical behaviour attraverso l’inibizione della calcite a segui- of Mg, Sr and Ba at the calcite-aragonite to di un incremento in Mg. Probabilmente transition characterized by a significant in questo campione l’aragonite si è formata decrease in Mg contemporary with abrupt per qualche altra causa. increases in Sr and Ba. Una possibile spiegazione della formazione The very interesting difference with re- di aragonite è suggerita dagli andamenti spect to SPD is that in SDF Mg concentra- dello Zn (Fig. 5b). Come il Mg, lo Zn non tion decreases also in the upper part of the viene facilmente incorporato nella strut- calcite layer toward the aragonite layer. tura dell’aragonite, in quanto il coefficien- Thus, on the basis of the same principle te di ripartizione è minore di 1 (Kitano et applied to SPD, in SDF it is difficult to ex- alii, 1971). Questa è la ragione per la quale plain the aragonite formation by calcite in- lo Zn comincia a decrescere rapidamente hibition because of Mg increase. Aragonite quando l’aragonite inizia a precipitare e in

Fig. 5a - Patterns of Mg, Zn, Sr and Ba along the Fig. 5b - Patterns of Mg, Zn, Sr and Ba along the transect Tr-3 of the sample SDF. A = aragonite; C transect Tr-4 of the sample SDF. A = aragonite; C = calcite. / Andamento di Mg, Zn, Sr e Ba lungo il = calcite. / Andamento di Mg, Zn, Sr e Ba lungo il transetto Tr-3 del campione SDF. A = aragonite; C transetto Tr-4 del campione SDF. A = aragonite; = calcite. C = calcite.

169 media nella zona aragonitica lo Zn è relativamente più basso che nella calcite. Ma questo non significa che il rapporto Zn/Ca fosse più basso nelle soluzioni dalle quali l’aragonite precipitava. In realtà, nella parte superiore della calcite lo Zn aumenta velocemente verso lo strato di aragonite e raggiunge il suo massimo valore proprio sotto tale strato. Quindi, proiettando questo trend verso l’aragonite, è ragionevole assumere che, quando l’aragonite si formava, il rapporto Zn/Ca nella soluzione madre fosse maggiore rispetto alla soluzione dalla quale precipitava calcite. Un andamento simile dello Zn è mostrato anche nel transetto Tr-3 (Fig. 5a), dove la concentrazione più elevata di Zn nella cal-

cite (1.8 % in moli di ZnCO3) è stata misurata proprio nel punto 35, quello più vicino allo strato di aragonite. La concentrazione in Mg nella calcite rimane sempre al di sot-

to del 1 % in moli di MgCO3 (tra 0.2 e 0.8), valore ben lontano da quello che sarebbe necessario per promuovere l’inibizione della calcite. Inoltre, analogamente alla traversa

Fig. 6a - Patterns of Zn, P, Pb and Cd along the transect Tr-3 of the sample SDF. A = aragonite; C = calcite. / Andamento di Zn, P, Pb e Cd lungo il transetto Tr-3 del campione SDF. A = aragonite; C = calcite. probably formed for some other reason in this sample. A possible explanation of aragonite formation is suggested by the pattern of Zn (Fig. 5b). Like Mg, Zn is not easily incorporated in aragonite, since the partition coefficient is less than 1 (Kitano et alii, 1971). This is the reason why Zn begins to decrease abruptly when aragonite begins to form, and in the aragonite zone Zn is relatively lower than in calcite, on average. But this

Fig. 6b - Patterns of Zn, P, Pb and Cd along the transect Tr-4 of the sample SDF. A = aragonite; C = calcite. / Andamento di Zn, P, Pb e Cd lungo il transetto Tr-4 del campione SDF. A = aragonite; C = calcite.

170 does not mean that the Zn/Ca ratio was Tr-4, si nota una diminuzione della concen- lower in the solutions from which arago- trazione in Mg verso lo strato di aragonite. nite precipitated. Actually, in the upper Come il Mg nella calcite di SPD, è probabile calcite Zn increases abruptly toward the che l’aumento nel tempo di Zn incorporato aragonite layer, reaching its greatest value nella calcite sia indotto dall’aumento tem- just below the aragonite. porale del rapporto Zn/Ca nella soluzione Thus, projecting this trend toward the madre. Se questa tendenza continua, si rag- aragonite, it is reasonable to assume that, giunge un valore limite del rapporto Zn/Ca when aragonite formed, the Zn/Ca ratio in oltre il quale l’aragonite dovrebbe formarsi the depositing solution was greater than per inibizione della crescita di calcite doin the solution from which most calcite vuta allo Zn. La stessa conclusione è stata formed. raggiunta in un lavoro precedente (Caddeo A similar pattern of Zn is shown also along et alii, 2011) su una colata proveniente da the transect Tr-3 (Fig. 5a), where the great- un’altra grotta di miniera (Crovassa Azzur- er Zn concentration in calcite (1.8 mole % ra della Miniera di San Giovanni).

ZnCO3) was measured just on point 35, La letteratura sull’inibizione della calcite the one nearest to the overlying aragonite. da parte dello Zn è molto scarsa, soprattut- Magnesium concentration in calcite always to se paragonata a quella relativa al Mg. stays lower than 1 mole % MgCO3 (rang- Comunque l’inibizione della calcite per la ing from 0.2 to 0.8), which does not seem presenza di Zn è stata confermata da alcu- sufficient to promote calcite inhibition. In ni studi sperimentali (Meyer, 1984; Rouff addition, similarly to Tr-4, a decreasing et alii, 2005, Elzinga et alii, 2006). Da no- trend of Mg toward the aragonite layer is tare che, a differenza del Mg, lo Zn sembra present. inibire la formazione di calcite a partire da

Like Mg in SPD calcite, it is likely that the concentrazioni del 2 % in moli di ZnCO3. increase in Zn over time is because the Zn Questa osservazione è in accordo sia con concentration in the original solution also i dati della Crovassa Azzurra (Caddeo et increased over time. If this trend contin- alii, 2011) sia con il lavoro sperimentale di ues, it reaches a threshold of Zn/Ca ratio in Meyer (1984), il quale ha mostrato che, a solution at which aragonite should appear parità di altre condizioni, l’inibizione del- because of calcite inhibition by Zn. The la formazione di calcite da parte dello Zn same conclusion was reached in our previ- risulta più efficace rispetto a quella dovuta ous work (Caddeo et alii, 2011) studying a al Mg. flowstone from another mine cave (Crovas- Se la comparsa dell’aragonite non può esse- sa Azzurra of S. Giovanni Mine). re spiegata con l’aumento del rapporto Mg/ Literature reporting the inhibition of cal- Ca nella soluzione concrezionante, anche cite by Zn is scarce, especially in compar- il cambiamento climatico verso condizioni ison to that concerning Mg. However, the più aride può probabilmente essere escluso. inhibition of calcite by Zn has been sup- Infatti, non sarebbe ragionevole assumere ported by some experimental studies (Mey- che un aumento dello Zn nella calcite sia er, 1984; Rouff et alii, 2005, Elzinga et alii, dovuto ad una evoluzione verso condizio- 2006). Note that, unlike Mg, Zn seems to ni più aride. A differenza del Mg, il coeffi- inhibit calcite at concentrations of only ciente di ripartizione dello Zn nella calcite about 2 mole % of ZnCO3. This observation è maggiore di 1 e quindi il rapporto Zn/ is in agreement both with data on Crovas- Ca tende ad essere maggiore nel solido che sa Azzurra (Caddeo et alii, 2011) and with nella soluzione. Ne consegue che, quando la the experimental work of Meyer (1984) calcite precipita, il rapporto Zn/Ca dovreb- showing that, other conditions being equal, be diminuire nella soluzione residuale. Un calcite inhibition by Zn is even more effi- aumento del rapporto Zn/Ca nella calcite cient than by Mg. può invece essere facilmente spiegato da un If the appearance of aragonite in SDF aumento dello Zn in soluzione nelle nuove cannot be explained by increasing Mg/ acque di infiltrazione (non residuali), gra-

171 Ca in the feeding solution, also a climatic zie alla maggiore ossidazione dei solfuri in change toward drier conditions can prob- condizioni più calde ed umide. Per esempio, ably be excluded. In fact, it is not reason- nell’area mineraria della Sardegna sud- able to assume that an increase of Zn in occidentale Cidu & Frau (2009) hanno tro- calcite is due to a drier evolution. Unlike vato più elevate concentrazioni di Pb, Zn e Mg, the partition coefficient of Zn in calcite Cd nelle acque superficiali durante periodi is greater than 1 and thus the Zn/Ca ratio di maggiore portata. L’ipotesi di maggio- tends to be greater in the solid than in the re ossidazione dei solfuri in condizioni più solution. Thus, when calcite precipitates, umide è supportata dagli andamenti di Zn, the Zn/Ca ratio should decrease in the re- Cd, Pb e P nel transetto Tr-3 (Fig. 6a). C’è sidual solution. infatti una forte correlazione tra tutti questi An increase of the Zn/Ca ratio in calcite elementi, che suggerisce una loro contempo- can be simply explained by an increase ranea mobilizzazione per la più efficace os- of dissolved Zn in the fresh (not residual) sidazione dei solfuri (che favorisce l’incre- feeding water, due to greater oxidation of mento di Zn, Cd e Pb in soluzione) durante sulphides in wetter and warmer periods. i periodi più umidi (che favoriscono anche For example, in the mining area of south- l’incremento del P). western Sardinia Cidu & Frau (2009) have Anche il transetto Tr-4 mostra una correla- shown greater concentrations of Pb, Zn, zione tra P, Zn, Cd e Pb (Fig. 6b), ed un’an- and Cd in the surface waters during peri- ti-correlazione di questi elementi rispetto al ods of greater flow rate. Mg (Fig. 5b e 6b), suggerendo ulteriormente The hypothesis of greater sulphides oxida- che condizioni più umide favoriscono l’ossi- tion in wetter conditions is supported by dazione dei solfuri. In particolare, il trend the patterns of Zn, Cd, Pb and P in transect del P mostra due massimi, probabilmente Tr-3 (Fig. 6a). There is a strong correlation dovuti ad oscillazioni climatiche. Zinco e among all these elements, suggesting that Cd sono fortemente correlati a causa della they are mobilized together because of loro grande affinità geochimica e medesima more extensive oxidation of sulphides (for provenienza dalla dissoluzione della blen- Zn, Cd and Pb) during wetter conditions da. Siccome il Pb difficilmente entra nella (for P). struttura della calcite, il picco anomalo del Transect Tr-4 (Figs. 5b and 6b) likewise Pb in corrispondenza del primo massimo demonstrates correlation of P with Zn, Cd del P potrebbe essere messo in relazione con and Pb, and an anti-correlation of Mg with un periodo di elevata portata d’acqua, du- Zn, Cd, Pb and P, further suggesting that rante il quale l’ossidazione della galena ha wetter conditions favour sulphide oxida- rilasciato Pb nell’acqua. Il Pb, adsorbito su tion. particelle di argilla e/o colloidi di idrossidi In particular, the P trend shows two max- di Fe(III), è stato in questa forma incorpo- ima, probably due to climatic oscillations. rato nella calcite. Zn and Cd are strongly correlated because Al contrario lo Zn ed il Cd hanno i loro they have great geochemical affinity and massimi in corrispondenza del secondo pic- derive from dissolution of sphalerite. co del P perchè sono più mobili e meno af- Since Pb hardly enters the calcite lattice, fetti da adsorbimento rispetto al Pb in con- the anomalous peak of Pb in calcite in cor- dizioni di pH vicine alla neutralità. respondence with the first maximum of P Questi risultati sono significativi perchè se could be due to a period of high water flow la crescita di aragonite è dovuta all’inibi- rate during which galena oxidation released zione della calcite a causa dello Zn, questa Pb to water, Pb was sorbed onto very fine aragonite potrebbe precipitare da una solu- particles of clays and/or Fe(III)-hydroxide zione fresca piuttosto che da una residua- colloids, and in this form it was incorporat- le. Quindi l’aragonite in grotte di miniera ed in calcite. potrebbe indicare condizioni più umide ed On the contrary, Zn and Cd show their assumere un opposto significato ambientale maxima in correspondence with the sec- e paleoclimatico rispetto a quanto osservato

172 ond maximum of P because they are much in grotte comuni, dove l’aragonite sta ad in- more mobile and less affected by sorption dicare condizioni più aride. than Pb at near-neutral pH conditions. These findings are significant because, if Conclusioni aragonite growth is due to inhibition of cal- Questo studio si serve delle tendenze che cite by Zn, this aragonite could precipitate caratterizzano la geochimica della calcite from a fresh solution instead from a resid- negli speleotemi allo scopo di comprendere ual one. le cause della precipitazione episodica di Thus, aragonite appearance in mine caves aragonite con cui la calcite si alterna. L’in- could indicate wetter conditions and rep- tento è quello di migliorare le conoscenze resent an opposite environmental and cli- sulle condizioni ambientali che controllano matic significance with respect to its im- la formazione di calcite e di aragonite in plications for drier conditions in more com- grotta. Le analisi sono state effettuate tra- mon caves. mite LA-ICPMS lungo transetti sia in uno speleotema di una grotta ordinaria, ubica- Conclusions ta in rocce dolomitiche, sia in uno speleote- This study has used trends in the trace ma proveniente da una grotta di miniera, element chemistry of speleothem calcite avente rocce incassanti calcaree contenen- layers to understand the causes of pre- ti mineralizzazioni a solfuri di Zn e Pb. Il cipitation of underlying or overlying ara- primo campione mostra che il Mg aumenta gonite layers, with the goal of improving negli strati di calcite nella direzione della our understanding of the environmental sottostante e soprastante aragonite, rag- conditions controlling calcite and arago- giungendo concentrazioni quasi pari al 5 % nite deposition in caves. LA-ICPMS anal- in moli di MgCO3. Questo risultato è in ac- ysis along transects in a speleothem from cordo con l’ipotesi che la calcite sia inibita a common cave hosted by dolostones shows dallo ione Mg2+, inducendo la precipitazio- that Mg increases through calcite layers in ne di aragonite. Considerazioni sull’evolu- the direction of the aragonite and reaches zione delle acque di percolazione in grotta concentrations of almost 5 mole % MgCO3. suggeriscono che l’arricchimento in Mg è This result is consistent with the hypoth- il risultato di condizioni più aride, come esis that inhibition of calcite precipitation viene spesso assunto nelle interpretazioni by Mg2+ allowed precipitation of aragonite paleoclimatiche della mineralogia e del- instead. Consideration of the evolution of la geochimica degli speleotemi. Il secondo spelean waters suggests that such Mg en- campione rivela che le concentrazioni in Mg richment is the result of drier conditions, sono basse (meno di 1 % in moli di MgCO3) as is commonly assumed in paleoclimato- e diminuiscono verso l’aragonite. I dati del logical interpretation of speleothem min- secondo campione quindi non sono in linea eralogy and geochemistry. On the other con il modello dell’inibizione della crescita hand, LA-ICPMS analysis along transects di calcite, e la conseguente precipitazione di in a speleothem from a mine cave in lime- aragonite per presenza di Mg. Al contrario, stones containing Zn sulphide ores reveals nella calcite di questo campione è significa- that Mg concentrations are low (less than 1 tiva la concentrazione in Zn che aumenta mole % MgCO3) and decrease toward over- velocemente nella direzione dell’aragonite, lying and underlying aragonite, inconsis- raggiungendo un massimo di quasi 2 % in tent with a model of Mg inhibition of cal- moli di ZnCO3 proprio nella calcite più vi- cite to give aragonite. Instead, Zn concen- cina all’aragonite. Questi dati suggeriscono tration in these calcites is considerable and che la precipitazione di calcite possa essere increases abruptly in the direction of over- inibita per la presenza dello ione Zn2+ in so- lying and underlying aragonite, reaching a luzione, in accordo con quanto sporadica- maximum of almost 2 mole % ZnCO3 in the mente riportato nella letteratura geochimi- calcite nearest to the aragonite. These data ca. Da un punto di vista geochimico questi suggest inhibition of calcite precipitation risultati suggeriscono inoltre che l’effetto

173 by the presence of Zn2+ in solution, which is inibitore dello Zn sulla crescita della cal- consistent with observations from the geo- cite sia addirittura superiore a quello gene- chemical literature. From a geochemical rato dal Mg, dato che l’inibizione avrebbe standpoint, these results suggest that the luogo già al 2 % in moli di ZnCO3 laddove 2+ inhibitory effect of Zn on calcite growth occorrerebbe il 5 % in moli di MgCO3. Da seems to be even greater than that of Mg2+, un punto di vista paleoclimatico questi ri- with inhibition at 2 mole % ZnCO3 rather sultati illustrano un’alternativa all’assun- than 5 mole % MgCO3. From a paleoclimat- zione comune che un cambiamento deposi- ic point of view, the results illustrate an al- zionale da calcite ad aragonite rappresenti ternative to the common assumption that a un trend verso condizioni più aride. Infatti, depositional change from calcite to arago- quando le rocce incassanti delle grotte con- nite represents a trend to drier conditions. tengono solfuri di Zn, la precipitazione di Instead, when the host rocks of a cave con- aragonite può essere il risultato di condi- tain Zn sulphides, aragonite deposition can zioni più umide, che favoriscono l’alterazio- result from wetter conditions that allow ne di ZnS e l’inibizione della formazione di enhanced weathering of ZnS, with calcite calcite da parte dello ione Zn2+ nella solu- deposition inhibited by the presence of Zn2+ zione concrezionante. Quando l’aragonite in solution. inizia a formarsi questo effetto è ulterior- When aragonite starts to form this effect is mente amplificato dall’aumento del rappor- enhanced by increased Zn/Ca ratios in re- to Zn/Ca nelle soluzioni residuali, a causa sidual solutions as the result of upstream della precipitazione di aragonite a monte, precipitation of aragonite, which preferen- che lascia più Zn2+ in soluzione rispetto al tially leaves Zn2+ in solution as Ca2+ is in- Ca2+, preferenzialmente incorporato nel so- corporated into the solid. lido. Questi risultati sono in sintonia con These findings are in accordance with re- quelli ottenuti in un precedente studio su sults of a previous comparison of speleo- un campione di una grotta di miniera (Cad- thems from a common cave and a mine deo et alii, 2011). Ulteriori confronti tra cave (Caddeo et alii, 2011). Comparison of speleotemi sono tuttavia necessari per valu- more speleothems is needed to more fully tare questa ipotesi più compiutamente. In evaluate the hypothesis above. Howev- ogni caso, questi risultati illustrano l’utili- er, these results illustrate the usefulness tà dello studio degli speleotemi in grotte di of studying speleothems from mine caves, miniera, perchè queste rappresentano dei because they represent a natural labora- laboratori naturali per studi di tipo pale- tory for paleoclimatic-paleoenvironmental oclimatico e paleoambientale, fornendo più studies, offering more geochemical-miner- strumenti geochimici e mineralogici rispet- alogical tools than coeval speleothems from to agli speleotemi delle grotte comuni. common caves. Ringraziamenti Acknowledgements Gl autori ringraziano Chris Fleisher e The authors would like to acknowledge Francesca Podda per la loro assistenza Chris Fleisher and Francesca Podda for nell’uso rispettivamente del SEM/WDS e their valuable assistance in using SEM/ del LA-ICP-MS. Un grazie anche a Carlo WDS and LA-ICP-MS, respectively. We Sulas e Silvestro Papinuto per il loro aiu- also thank Carlo Sulas and Silvestro Pa- to durante le esplorazioni delle grotte ed pinuto for helping us during cave explora- il campionamento degli speleotemi. Infine tion and collection of some samples. Final- ringraziamo Giovanni Zanchetta (Univer- ly, we are grateful to Giovanni Zanchetta sità di Pisa, Italia) per i suoi suggerimenti (University of Pisa, Italy) for some sugges- che hanno consentito di migliorare il lavoro tions which have improved this work. nel suo complesso.

174 References / Citazioni bibliografiche

Bar-Matthews M., Matthews A. & Ayalon A., (1991), En- Clamouse, France): environment, fabrics and carbonate geo- vironmental controls of speleothem mineralogy in a karstic chemistry, Journal of Sedimentary Research 72, pp. 687-699. dolomitic terrain (Soreq Cave, Israel), Journal of Geology Gonzales L.A. & Lohmann K.C., (1988), Controls on mineral- 99(2), pp. 189-207. ogy and composition of spelean carbonates: Carlsbad Cav- Bechstadt T. & Boni M., (1996), Sedimentological, stratigraph- erns, New Mexico. In: James N.P. & Choquette P.W. (eds.), ical and ore deposits field guide of the autochtonous Cam- Paleokarst, Springer-Verlag, New York, pp. 81-101 bro-Ordovician of Southwestern Sardinia, Memorie descrit- Hill C.A. & Forti P., (1997), Cave minerals of the world, Na- tive della Carta Geologica d’Italia 48, pp. 1-390. tional Speleological Society, Huntsville, Alabama, USA, 463 p. Berner R.A., (1975), The role of magnesium in the crystal Huang H.M., Fairchild I.J., Borsato A., Frisia S., Cassidy N.J., growth of calcite and aragonite from sea water, Geochimica McDermott F. & Hawkesworth C.J., (2001), Seasonal varia- et Cosmochimica Acta 39, pp. 489-504. tions in Sr, Mg and P in modern speleothems (Grotta di Ernes- Bischoff J.L., (1968), Kinetics of calcite nucleation: magnesium to, Italy), Chemical Geology 175(3-4), pp. 429-448. ion inhibition and ionic strength catalysis. Journal of Geo- Kitano Y., Kanamori N., & Oomori T., (1971), Measurements physical Research 73, pp. 3315-3322. of distribution coefficients of strontium and barium between Caddeo G.A., De Waele J., Frau F. & Railsback L.B., (2011), carbonate precipitate and solution - Abnormally high values Trace element and stable isotope data from a flowstone in a of distribution coefficients measured at early stages of car- natural cave of the mining district of SW Sardinia (Italy): ev- bonate formation, Geochemical Journal 4, pp. 183-206. idence for Zn2+-induced aragonite precipitation in compara- McMillan E. A., Fairchild I. J., Frisia S., Borsato A. & Mc- tively wet climatic conditions, International Journal of Spele- Dermott F., (2005), Annual trace element cycles in cal- ology 40 (2), pp. 181-190. cite-aragonite speleothems: evidence of drought in the west- Carmignani L., Oggiano G., Barca S., Conti P., Salvadori I., ern Mediterranean 1200–1100 yr BP, Journal of Quaternary Eltrudis A., Funedda A. & Pasci S., (2001), Geologia della Sciences 20, pp. 423-433. Sardegna. Note illustrative della Carta Geologica della Sar- Meyer H.G., (1984), The influence of impurities on the growth degna a scala 1:200.000, Memorie Descrittive della Carta rate of calcite, Journal of Crystal Growth 66, pp. 639-646. Geologica d’Italia Roma 60, pp. 1-283. Morse J.W., (1983), The kinetics of calcium carbonate disso- Cidu R. & Frau F., (2009), Distribution of trace elements in fil- lution and precipitation. In: Reeder R.J. (ed.), Carbonates: tered and non filtered aqueous fractions: insights from rivers mineralogy and chemistry, Mineralogical Society of America, and streams of Sardinia (Italy), Applied Geochemistry 24(4), Reviews in Mineralogy, pp. 227-264. pp. 611-623. Mucci A., (1986), Growth kinetics and composition of magne- Curl R.L., (1962), The aragonite-calcite problem, NSS Bulletin sian calcite overgrowths precipitated from seawater: quanti- 24, pp. 57-73. tative influence of orthophosphate ions, Geochimica et Cos- Davis K.J., Dove P.M. & De Yoreo J.J., (2000), The role of mochimica Acta 50, pp. 2255-2265. Mg2+as an impurity in calcite growth, Science 290, pp. 1134- Murray J.W., (1954), The deposition of calcite and aragonite in 1137. caves, Journal of Geology 62, pp. 481-492. De Choudens-Sanchez V. & Gonzalez L.A., (2009), Calcite Pagliara A., De Waele J., Forti P., Galli E. & Rossi A., (2010), and aragonite precipitation under controlled instantaneous Speleothems and speleogenesis of the hypogenic Santa Bar-

supersaturation: elucidating the role of CaCO3 saturation bara cave system (South-West Sardinia, Italy), Acta Carsolog- state and Mg/Ca ratio on Calcium Carbonate polymorphism, ica 39(3), pp. 551-564. Journal of Sedimentary Research 79(5-6), pp. 363-376. Railsback L.B., Brook G.A., Chen J., Kalin R. & Fleisher C.J., De Waele J., Forti P. & Naseddu A., (2013), Speleogenesis of (1994), Environmental controls on the petrology of a Late Ho- an exhumed hydrothermal sulphuric acid karst in Cambrian locene speleothem from Botswana with snnual layers of ara- carbonates (Mount San Giovanni, Sardinia). Earth Surface gonite and calcite, Journal of Sedimentary Research 64(1), Processes and Landforms, DOI: 10.1002/esp.3375 pp. 147-155. Elzinga E. J., Rouff A.A. & Reeder R. J., (2006), The long term Roques H., (1965), Sur la genèse des formations aragonitiques fate of Cu2+, Zn2+, and Pb2+adsorption complexes at the cal- naturelles, Annales de Spéléologie 20, pp. 47-54. cite surface; an X-ray absorption spectroscopy study, Geo- Rouff A.A., Elzinga E. J., Reeder R. J. & Fisher N. S., (2005), chimica et Cosmochimica Acta 70, pp. 2715-2725. The influence of pH on the kinetics, reversibility and mecha- Fernandez-Diaz L., Putnis A., Prieto M. & Putnis C.V., (1996), nisms of Pb(II) sorption at the calcite-water interface, Geo- The role of magnesium in the crystallization of calcite and chimica et Cosmochimica Acta 69, pp. 5173-5186. aragonite in a porous medium, Journal of Sedimentary Re- Van Achterbergh E., Ryan C.G., Jackson S.E. & Griffin W.L., search 66(3), pp. 482-491. (2001), Data reduction software for LA-ICP-MS. In: Sylves- Fischbeck R., (1976), Mineralogie und Geochemie carbon- ter P. (ed.), Laser-ablation ICPMS in the earth sciences: prin- atischer Ablagerungen in europäischen Höhlen - ein Beitrag ciples and applications, Mineralogical Association of Cana- zur Bildung und Diagenese von Speleothemen, Neues Jahr- da, pp. 239-243. buch fur Mineralogie Abhandlungen 126, pp. 269-291. Verheyden S., (2004), Trace elements in speleothems: a short Frisia S., Borsato A., Fairchild I.J. & McDermott F., (2002), review of the state of the art, International Journal of Speleol- Aragonite-calcite relationships in speleothems (Grotte de ogy 33, pp. 95-101.

175

Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 177-189

INTRA-MESSINIAN PALAEOKARST PHENOMENA REVEALED IN MESSINIAN GYPSUM QUARRIES IN EMILIA-ROMAGNA (ITALY) FENOMENI DI PALEOCARSISMO INTRAMESSINIANO IN CAVE DI GESSO MESSINIANE DELL’EMILIA ROMAGNA (ITALIA)

Claudio Dalmonte1, Jo De Waele1, Eliana Fornaciari2, Giancarlo Pasini1, Stefano Vaiani1, Carlo Correale3 & Francesco Fabbri3

Abstract Riassunto Karst in Emilia Romagna region (N-Italy) is Il carsismo in Emilia-Romagna è principalmen- mainly developed in Messinian gypsum rocks te sviluppato in rocce gessose messiniane, che af- that outcrop on less than 1% of the regional ter- fiorano su meno dell’1% del territorio regionale. ritory. Si ritiene che le numerose grotte epigenetiche che The numerous epigenic caves that have been sono state scoperte in tali rocce si siano formate discovered in these rocks are believed to have nelle ultime decine di migliaia di anni, e che al- formed in the last ten thousands of years, with cune abbiano iniziato a sviluppasi prima dell’Ul- some having started developing before the LGM. timo Massimo Glaciale. Resti del ciclo carsico Remnants of the intra-Messinian karst cycle intra-messiniano sono stati scoperti sia in cave a have been found in both open pit and under- cielo aperto che in gallerie di cava, rispettivamen- ground quarries, at Monticino (Vena del Gesso) te a Monticino (Vena del Gesso) ed a Zola Predosa and Zola Predosa (West of Bologna) respectively. (ad Ovest di Bologna). A Monticino fessure car- At Monticino quarry karstified fissures are filled sificate sono riempite da sedimenti del Messinia- with Upper Messinian sediments containing a no Superiore contenenti una ricca associazione rich association of vertebrates. di vertebrati terrestri tardo-messiniani. Questi These animals lived on the emerged and karsti- animali vivevano su affioramenti gessosi emersi fied gypsum outcrops. At Zola Predosa, instead, e carsificati. A Zola Predosa invece un sistema a rather extensive cave system, now completely di grotte abbastanza esteso, ora completamente filled with sediments, confirms that this karst cy- riempito da sedimenti, conferma che il suddetto cle has lasted long enough to enable the formation ciclo carsico è durato abbastanza a lungo da con- of well-developed underground karst networks. sentire la formazione di reticoli carsici sotterranei The Intra-Messinian karst cycle was active be- ben sviluppati. Il ciclo carsico intra-messiniano fore the major tectonic events that have brought fu attivo prima dei maggiori eventi tettonici che the gypsum ridges of Zola Predosa to incline for hanno fatto inclinare la dorsale gessosa di Zola over 40º. Predosa di oltre 40°. Keywords: speleogenesis in gypsum, karst cycle, Parole chiave: speleogenesi nel gesso, ciclo carsi- evaporites, mine caves. co, evaporiti, grotte di cava.

1 Italian Institute of Speleology, Department of Biological Geological and Environmental Sciences, Bologna University, Italy 2 Dipartimento di Geoscienze, Padova University, Italy 3 Gruppo Speleologico Bolognese-Unione Speleologica Bolognese, Bologna, Italy

177 Introduction Introduzione Emilia Romagna region (N-Italy) is widely La Regione Emilia - Romagna è ampia- known for its epigenic caves developed in mente conosciuta per le sue grotte epigeneti- Messinian gypsum rocks. che scavate nelle rocce gessose messiniane. These evaporites outcrop along the border Queste evaporiti affiorano lungo il bordo of the northern Apennines occupying less dell’Appennino Settentrionale, occupan- than 1% of the regional territory, and are do meno dell’1% del territorio regionale, e intensely karstified, their typical karstic sono intensamente carsificate; le loro tipi- morphologies being studied for almost a che morfologie carsiche sono state studiate century (Marinelli, 1917). da quasi un secolo (Marinelli, 1917). Quasi Almost 900 caves have been registered in 900 grotte sono state registrate nel catalogo the Emilia-Romagna regional cave cata- regionale delle grotte emiliano-romagnole, logue, for a total development of around 90 per uno sviluppo totale di circa 90 km (Luc- km of passages (Lucci & Rossi, 2011). ci & Rossi, 2011). La grande maggioranza The great majority of surface and under- delle forme carsiche superficiali e sotterra- ground karstic forms are related to the nee sono dovute all’attuale ciclo carsico, che present-day karst cycle, that most probably molto probabilmente iniziò alcune decine di started some ten thousands of years ago. migliaia di anni fa. Until the 80s several gypsum areas were Fino agli anni ’80 numerose aree gessose fu- extensively mined in open pit quarries and rono intensivamente sfruttate da cave, sia underground. a cielo aperto che sotterranee. Quasi tutte Almost all these activities have stopped queste attività estrattive sono cessate, in se- following the protests of environmental guito alle proteste di gruppi ambientali ed activity groups and the pressure of large alla pressione di ampie parti della popola- parts of the population. zione. La maggior parte di tali aree è ora Most areas are now included in Regional inclusa in Parchi Regionali e sono spesso Parks and are often designed as Special designate come Zone di Protezione Speciale Protection Zones or Sites of Communitary o Siti di Interesse Comunitario a causa del- Interest because of their high biodiversity. la loro elevata biodiversità. In several of these artificial outcrops, signs Tracce di cicli carsici più antichi sono state of older karst cycles have been discovered. scoperte in diversi affioramenti artificiali Excavations in the filling of a fossil shaft generati da cave. Scavi nel riempimento di intersected by a gypsum quarry immedi- un pozzo carsico fossile intersecato da una ately South of Bologna (Cava a Filo, area cava di gesso immediatamente a Sud di Bo- 3 in Fig.1) (Pasini, 1970) brought to the logna (Cava a Filo, area 3 in Fig.1) (Pasini, discovery of a Pleistocene mammal fauna 1970) hanno portato alla scoperta di una of the Last Glacial (ca. 20 ky, MIS 2), as fauna a mammiferi pleistocenica dell’Ulti- confirmed by C14 datings (Pasini, 1968). mo Glaciale (20 ka ca., MIS 2), come con- This karst cycle extended back at least fermato da datazioni al C14 (Pasini, 1968). to the penultimate glacial period (MIS 6; Questo ciclo carsico ebbe probabilmente ini- Pasini, 2012). Excavation of gypsum from zio durante il Penultimo Glaciale (MIS 6, the top of the ridges down to the river level Pasini, 2012). has also allowed to reveal the complexity of Escavazioni del gesso dai crinali fino al li- some of the major cave systems, developed vello dei fiumi hanno permesso di rivelare over a series of horizontal levels in an alti- la complessità di alcuni dei maggiori si- tudinal range of more than 200 metres (e.g. stemi di grotte, sviluppati in serie di livelli Re Tiberio cave complex, Vena del Gesso, orizzontali in un intervallo altitudinale di area 5 in Fig. 1). più di 200 m (ad es. il complesso di grotte di The relationship between these cave levels Re Tiberio, Vena del Gesso, area 5 in Fig. and nearby river terraces confirms their 1). Le relazioni altimetriche tra questi livel- age to be older than LGM, maybe as old as li di grotte ed i vicini terrazzi fluviali con- 100 ky. fermano che la loro età è più antica dell’Ul-

178 Fig. 1 - Triassic (1) and Messinian gypsum outcrops (2 to 6) in Emilia Romagna Region (N-Italy). / Af- fioramenti gessosi triassici (1) e messiniani (2 - 6) in Emilia-Romagna.

But gypsum quarries have also revealed an timo Massimo Glaciale, e che forse è di 100 even older karst cycle, of intra-Messinian ka. Ma le cave di gesso hanno anche rivela- age. This paper describes these oldest pa- to un ciclo carsico ancor più antico, di età laeokarsts, one of which can truly be clas- intra-messiniana. Questo articolo descrive sified as a “mine cave”. tale paleocarso intra-messiniano, una delle cui manifestazioni può senza dubbio essere Geological background classificata come “grotta di miniera”. The Messinian Salinity Crisis (MSC) is one of the world’s most studied catastroph- Inquadramento geologico ic geological events (Clauzon et alii, 1996; La Crisi di Salinità Messiniana (MSC) è Krijgsman et alii, 1999). uno degli eventi geologici catastrofici più The MSC is subdivided in: a preevaporit- studiati del mondo (Clauzon et alii, 1996; ic phase (7.251-5.96 Ma), with typical eu- Krijgsman et alii, 1999). La MSC è suddi- xinic organic-rich deposits; shallow water visa in: una fase preevaporitica (7.251-5.96 evaporites known as the Lower Evaporites Ma), con tipici depositi eusinici ricchi di (5.96-5.60 Ma); post-evaporitic non-marine materia organica; evaporiti di acque poco deposits, the Upper Evaporites (5.60-5.33 profonde, note come Lower Evaporites Ma) also known as Lago Mare (Roveri & (5.96-5.60 Ma); depositi post-evaporitici Manzi, 2006). The Lower Evaporites, also non marini, le Upper Evaporites (5.60- known as Primary Lower Gypsum (Lugli 5.33 Ma), note anche come depositi di Lago et alii, 2010), are characterised by an alter- Mare (Roveri & Manzi, 2006). Le Lower nation of gypsum beds and marls. Evaporites, note anche come Primary Lo- They are well represented in the Emil- wer Gypsum (Lugli et alii, 2010), sono ca- ia-Romagna region (N-Italy), and crop out ratterizzate da un’alternanza di strati ges- in several more or less small fragments sosi e marnosi, sono ben rappresentate in

179 along the northern border of the Apennines Emilia-Romagna, ed affiorano in diversi (Fig. 1). frammenti più o meno piccoli lungo il margine settentrionale dell’Appennino (Fig. 1). Monticino Quarry In the Monticino Quarry (area 5 in Fig. 1) La Cava di Monticino the most important sedimentary forma- Nella Cava di Monticino (area 5 in Fig. tions of the western Romagna region crop 1) affiorano le più importanti Formazioni out, from bottom to top: the Marnoso-Aren- sedimentarie della Romagna occidentale, acea Fm. (Langhian-Tortonian), the Ghioli dal basso verso l’alto: la Formazione Mar- di Letto (Tortonian-Lower Messinian), the noso-Arenacea (Langhiano-Tortoniano), la Gessoso-Solfifera Fm. (Messinian), the Co- Formazione dei Ghioli di Letto (Tortonia- lombacci Fm. (Upper Messinian), and the no - Messiniano inferiore), la Formazione Argille Azzurre Fm. (Pliocene-Lower Pleis- Gessoso-Solfifera (Messiniano), la Forma- tocene) (Marabini & Vai, 1989). zione a Colombacci (Messiniano superiore) The Gessoso-Solfifera Fm. is composed of e la Formazione delle Argille Azzurre (Plio- the typical macrocrystalline gypsum beds cene-Pleistocene inferiore) (Marabini & Vai, belonging to the Lower Evaporites (Lugli 1989). et alii, 2010). La Formazione Gessoso-Solfifera è costitu- Immediately after the deposition of these ita dai tipici strati gessosi macrocristallini Lower Evaporites, an Intra-Messinian tec- appartenenti alle Lower Evaporites (Lugli tonic phase folded and uplifted these gyp- et alii, 2010). Immediatamente dopo la de- sum beds that were exposed for around 100 posizione di queste rocce una fase tettonica ky to the atmosphere. This short exposure intra-messiniana piegò e sollevò questi stra- was long enough to allow dissolution of the ti gessosi, che perciò rimasero esposti agli gypsum rocks and the formation of wid- agenti atmosferici per circa 100 ka. Questa ened cracks. breve esposizione fu lunga abbastanza da These karst features where then filled with consentire l’allargamento per dissoluzione the Colombacci Fm. sediments. di fratture delle rocce gessose. Tali forme carsiche furono poi riempite dai sedimenti Zola Predosa della Formazione a Colombacci. At Zola Predosa (area 4 in Fig.1) Messini- an gypsum beds (Primary Lower Gypsum, La Cava di Zola Predosa Lugli et alii, 2010) crop out over a length A Zola Predosa (area 4 in Fig. 1) affiora- of 1.5 kilometres, reaching their maximum no strati gessosi messiniani (Primary Lo- thickness of 300 metres in the central part wer Gypsum, Lugli et alii, 2010) per una of the outcrop. The evaporites are com- lunghezza di 1,5 km, raggiungendo il loro posed of mostly thick selenite layers inter- massimo spessore (300 m ca.) nella par- bedded with more or less thin marly sed- te centrale dell’affioramento. Le evaporiti iments. They cover Miocene fine-grained sono costituite da strati selenitici prevalen- sediments ranging in age from Langhian temente spessi, intercalati da strati marno- to Lower Messinian. The evaporitic se- si più o meno sottili. Questi strati ricopro- quence is overlain by Upper Messinian and no sedimenti miocenici a grana fine, aventi Pliocene clays and marls (Martelli et alii, un’età che va dal Langhiano al Messiniano 2008). inferiore. La sequenza evaporitica è sovra- The gypsum beds have a general ENE- stata da argille e marne del Messiniano WSW orientation dipping more or less superiore e del Pliocene (Martelli et alii, regularly to the NNW, with angles rang- 2008). ing between 40o and 47º (Martelli et alii, Gli strati gessosi hanno generalmente dire- 2008). There are three main fault systems zione ENE-OSO e immergono più o meno in the area: N-S and NW-SE faults (an- regolarmente verso NNO, con pendenze ti-apennine faults) and extensional E-W tra i 40° ed i 47° (Martelli et alii, 2008). faults (apennine faults). As for the Vena In quest’area ci sono tre principali sistemi

180 Fig. 2 - Karst fissures in Monticino quarry (near Brisighella, Ravenna) filled with Colombacci Fm. fine sediments. / Piccole cavità carsiche nella Cava Monticino (presso Brisighella, Ravenna) riempite da sedimenti fini della Formazione a Colombacci.

del Gesso area (area 5 in Fig.1), the most important tectonic phases are believed to be two: Late-Messinian (first major tilting phase) and Middle to Late Pliocene - Qua- ternary (transversal faults and second tilting) (Marabini & Vai, 1985).

Intra-Messinian palaeokarsts Monticino Quarry Until recently the only witness of a karst cycle much older than the ones formed in the last thousand years in Emilia Ro- magna was the one discovered in 1985 in a gypsum quarry near Brisighella (Monti- di faglie: faglie con direzione N-S, NO-SE cino Quarry, Vena del Gesso Romagnola), (faglie anti-appenniniche) e faglie di di- around 45 km SE of Bologna. Excavations stensione con direzione E-O (faglie appen- revealed many small widened fissures filled niniche). Per quanto concerne la Vena del with sediments that contained a rich asso- Gesso (area 5 in Fig.1), si ritiene che le fasi ciation of Late-Messinian terrestrial verte- tettoniche più importanti siano state due: brates (Costa et alii, 1986) (Fig. 2). Over una fase tardo-messiniana (prima e più 60 species of animals have been described importante fase di tilting), ed una secon- from this exceptional paleontological site, da fase che va dal Pliocene medio al Tardo comprising rhinoceros, monkeys, hyena, Pliocene-Quaternario (faglie trasversali e antilopes, snakes, anteater and other spe- secondo tilting) (Marabini & Vai, 1985). cies typical of the present African savana environment. These large mammals lived Paleocarso Intra-Messiniano here during the final phases of the Messin- Cava Monticino ian. These small karst voids are thus what Fino a poco tempo fa la sola testimonian- is left of an intra-Messinian continental za di un ciclo carsico molto più antico di period, during which some parts of the gyp- quelli sviluppatisi nelle ultime migliaia di sum rocks were exposed to the atmosphere, anni in Emilia-Romagna era quello scoper- enabling the formation of caves. However, to nel 1985 in una cava di gesso vicino a in this case no real cave system has been Brisighella (Cava Monticino, Vena del Ges- found, but only metric fissures and cracks so Romagnola), circa 45 km a SE di Bolo- widened by dissolution, resembling a sort gna. I lavori di cava lì effettuati misero alla of karstic palaeo-surface. luce molte piccole fessure nei gessi allargate dalla dissoluzione carsica; tali fessure era- Zola Predosa no riempite da sedimenti che contenevano In 2010 signs of this intra-Messinian karst una ricca associazione di vertebrati terre- phase have been discovered also 10 km stri tardo-messiniani (Costa et alii, 1986) West of Bologna (Zola Predosa) (Dalmon- (Fig. 2). Sono state descritte oltre 60 specie te et alii, 2012; De Waele & Pasini, 2013). di animali provenienti da questo ecceziona- In the gypsum outcrop near Zola Predosa le sito paleontologico, tra cui rinoceronti, an active (Holocene) cave system with a scimmie, iene, antilopi, formichieri, serpen-

181 length of over 2 kilometres is known since ti ed altre forme tipiche dell’attuale sava- the early 30s (Bertolani & Rossi, 1972). na africana. Questi mammiferi vivevano This cave, the “Grotta Michele Gortani”, - ovviamente in condizioni subaeree - nella develops in an ENE-WSW direction, fol- zona della Cava Monticino durante la fase lowing the strike of the gypsum strata terminale del Messiniano. Le piccole fessu- and paralleling a nearby quarry tunnel. re carsificate suddette sono perciò anch’esse The Grotta Michele Gortani is composed of la testimonianza di un periodo continentale more or less horizontal vadose passages, intra-messiniano, durante il quale alcuni developed along several superimposed lev- lembi dei gessi furono esposti all’atmosfera, els and characterised by both coarse and consentendo lo sviluppo di fenomeni carsi- fine grained sediments of recent origin. At ci. Comunque alla Cava Monticino non è the moment there is no physical connec- stato rinvenuto nessun sistema di grotte, tion between the active cave and the quar- ma - come si è detto - solo fessure di dimen- ry tunnel, although they are separated by sioni metriche allargate dalla dissoluzione only a few metres (Fig. 3). fisica, che individuano una sorta di paleo- The active cave has also no signs whatso- superficie carsica. ever of palaeokarstic conduits filled with more or less lithified sediments. Zola Predosa Inside the quarry tunnel, instead, sever- Tracce della fase carsica intra-messiniana al karstic conduits, completely filled with sono state scoperte pochi anni fa anche 10 sediments, have been discovered only a km ca. ad Ovest di Bologna (Zola Predosa)

Fig. 3 - Location sketch of the Grotta Michele Gortani (red) and the Monte Rocca underground gypsum quarry that intercepted the “Grotta di Monte Rocca” (see Figure 5 for details). / Schizzo dell’ubicazione della Grotta Michele Gortani (in rosso) e della cava sotterranea di Monte Rocca (in nero), che ha intercettato la Grotta di Monte Rocca (per ulteriori dettagli v. Fig. 5).

182 Fig. 4 - Palaeokarstic phreatic conduit, called (Dalmonte et alii, 2012; De Waele & Pasi- “Galleria dei Quattro”, intercepted in the final ni, 2013). Fin dai primi anni ’30 (Bertola- part of the Monte Rocca quarry’s tunnel (D-E in ni & Rossi, 1972) nell’affioramento gessoso Fig. 5). A. Portion of the elliptical conduit exposed presso Zola Predosa è noto un sistema di on the western wall (D in Fig. 5); left a diamicton layer, about 1.7 m thick, is visible; B. Filling of grotte olocenico, attivo, avente una lunghez- the larger portion of the same conduit displayed za di oltre 2 km. Questo sistema ipogeo, la along the eastern wall (E in Fig. 5). Red dots show “Grotta Michele Gortani”, si sviluppa in sampling sites for nannoplankton and foramin- direzione ENE-OSO, parallelamente alla ifera analyses. Person for scale. / Condotto freati- direzione degli strati gessosi ed a quella di co paleocarsico, denominato Galleria dei Quattro, un adiacente tunnel di cava. La Grotta Mi- intersecato dal tunnel della cava di Monte Rocca nel suo tratto terminale (D-E in Fig. 5). A. Porzio- chele Gortani è costituita da gallerie vado- ne del condotto a sezione trasversale ellittica espose più o meno orizzontali, sviluppate in di- sto nella parete occidentale del tunnel (D in Fig. versi livelli sovrapposti e caratterizzate da 5); a sinistra è visibile uno strato di diamicton, sedimenti di origine recente, sia grossolani dello spessore di 1,7 m ca.; B. Riempimento della che fini. Attualmente non c’è alcun collega- porzione più ampia dello stesso condotto, visibile mento tra la grotta attiva ed il tunnel della nella parete orientale del tunnel (E in Fig. 5). I cava, benché essi siano distanti solo pochi punti rossi sono quelli da cui sono stati prelevati i campioni per lo studio dei foraminiferi e del nan- metri (Fig. 3). La grotta attiva non mostra noplancton. alcuna traccia di condotti paleocarsici riempiti da sedimenti più o meno litificati. few years ago. The most important of these All’interno del tunnel di cava, invece, sono conduits, and also the first that has been stati scoperti nel 2010 diversi condotti car- discovered, is located at the end of the sici completamente riempiti da sedimenti. quarry tunnel, where an elliptical, 4 x 5 I più ampi di questi condotti sono ubicati metres wide tube is completely filled with presso l’estremità occidentale del tunnel di indurated sediments (Fig. 4). cava, dove si trova una galleria freatica a This fragment of cave has been called sezione trasversale ellittica delle dimensio- “Galleria dei Quattro”. Other canyon-like ni di 4 x 5 metri, completamente riempita passages, up to 1 metre wide, can be seen da sedimenti litificati (Fig. 4); questa galle- along the quarry tunnel, and most of these ria (la prima che fu scoperta) è stata chia- are filled with similar sediments. mata “Galleria dei Quattro”. Altre gallerie, These fragments of filled cave are what is simili a canyon, larghe fino ad 1 metro, left of an extensive and well-developed cave si possono osservare lungo il tunnel della system with a mixture of both phreatic and cava di gesso, e quasi tutte sono riempite da vadose morphologies, now completely fos- sedimenti simili. Questi tratti di grotta oc- silised. This cave system has been called clusa da sedimenti sono ciò che resta di un

183 Fig. 5 - Part of the Monte Rocca underground gypsum quarry and the intercepted palaeokarst speleo- forms, all belonging to the “Grotta di Monte Rocca” palaeocave. / Parte della cava sotterranea di gesso di Monte Rocca (Zola Predosa, Bologna); sono indicate le speleoforme paleocarsiche intersecate dalla cava, tutte appartenenti alla paleogrotta di Monte Rocca.

“Grotta di Monte Rocca”. Today around 80 esteso e ben sviluppato sistema ipogeo con metres of filled conduits can be seen along condotti freatici e vadosi, ora completamen- the quarry walls, and it is easy to estimate te fossilizzati. Questo sistema ipogeo è stato the total cave length in several hundreds of chiamato “Grotta di Monte Rocca”. Attual- metres (Fig. 5). mente si possono vedere lungo le pareti del The sediment fill is mostly characterised tunnel di cava circa 80 metri di condotti by an alternation of more or less lithified riempiti, ed è presumibile che lo sviluppo clays, silts and gypsum sands. The dispo- totale della Grotta di Monte Rocca fosse di sition of the layers, with lenses of coarse diverse centinaia di metri (Fig. 5). sands interfingered with finer grained sed- Il riempimento sedimentario è prevalente- iments, allows to identify them as a cave mente caratterizzato da un’alternanza di stream deposit. argille, silt e sabbie gessose, più o meno li- This fill sometimes englobes blocks of gyp- tificati. Gli strati presentano lenti di sab- sum or other sediments, probably brought bie grossolane interdigitate a sedimenti a into the cave by collapses and/or mass grana più fine, e ciò consente di identificar- movements. li come depositi di un torrente sotterraneo. One of the present authors (V.S.C.) studied Questo riempimento ingloba talora blocchi the foraminifera of some samples (ASS 100 di gesso e di altri rocce sedimentarie, pro- - 107) collected from fine sediments of the babilmente introdotti nella grotta da crolli fill: they are reworked Langhian and Ser- e/o da movimenti di massa. ravallian microfossils. Uno degli autori (V.S.C.) ha studiato i fo- Another of the present authors (F.E.) stud- raminiferi di alcuni campioni (ASS 100 ied the calcareous nannoplankton of other - 107) raccolti dai sedimenti fini del riem- samples of the fill(ASS 1, 2, 3. 4, 7. 8), which pimento: essi sono microfossili Langhia- results to be reworked as well: we have to ni e Serravalliani rimaneggiati. Un altro do with nannofossils Serravallian - Low- autore (F.E.) ha studiato il nannoplancton er Tortonian in age. The source origin of calcareo di altri campioni del riempimento these sediments can easily be explained by (ASS 1, 2, 3, 4, 7, 8: i nanofossili sono di età local outcroppings of Middle Miocene and Serravalliana-Tortoniana inferiore, e sono Tortonian rocks at the surface. The layers anch’essi rimaneggiati). L’origine di questi

184 of the cave sediments have an inclination micro- e nannofossili può essere facilmen- ranging between 35º and 45º towards the te spiegata dalla presenza di affioramenti NE, while the Messinian gypsum beds are locali di rocce del Miocene medio e del Tor- slightly steeper and immerge in the same toniano. direction. Gli strati dei sedimenti di grotta (riempi- This observation suggests the idea that the mento) hanno una pendenza che va da 35° cave sediments were originally sub-hor- a 45° verso NE, mentre gli strati gessosi izontal, and were deposited prior to the messiniani sono leggermente più ripidi ed steep inclination of the whole Messinian immergono nella stessa direzione. Questa gypsum sequence. osservazione suggerisce l’idea che i sedi- They were almost certainly deposited menti di grotta fossero originariamente during the final stage of the Messinian, be- sub-orizzontali, e che si siano deposti prima fore the Pliocene-Quaternary uplift. This della forte inclinazione dell’intera sequen- would give this palaeokarst a Late Messin- za gessosa messiniana. Essi si depositarono ian age. quasi sicuramente durante la fase termina- A stretch of the Grotta di Monte Rocca near le del Messiniano, prima del sollevamento its western end (point G in Fig. 5) is free of Pliocenico-Quaternario. Ciò assegnerebbe sediments: the filling was removed by the al paleocarso in questione un’età tardo- quarry works. messiniana. This stretch reveals a well-developed ceil- Un tratto della Grotta di Monte Rocca in ing channel with flat roof, classified as a prossimità della sua estremità occidentale post-antigravitative ceiling channel (Pasi- (punto G in Fig. 5) è libero da sedimenti: il ni, 2012, p. 24) formed after the end of the riempimento è stato rimosso dai lavori di antigravitative erosion process (or “ para- cava. In questo tratto è visibile un canale genesis”: Farrant & Smart, 2011; Pasini, di volta ben sviluppato con soffitto piatto, 2009). classificabile comepost-antigravitative cei- This speleoform had originally a subhori- ling channel (Pasini, 2012, p. 24), formatosi zontal roof (Pasini, 2012, p. 24). dopo la cessazione del processo di “erosione Yet the flat roof of theGrotta di Monte Roc- antigravitativa” (o “ paragenesi”: Farrant ca ceiling channel is now not sub-horizon- & Smart, 2011; Pasini, 2009). Questa spe- tal, but has an inclination of 42° toward leoforma aveva in origine un soffitto neces- the NNW, similar to the one of the nearby sariamente sub-orizzontale (Pasini, 2012, p. gypsum beds, that have an inclination of 24). Tuttavia il soffitto piatto del canale di around 40° in the same direction (Fig. 6a). volta della Grotta di Monte Rocca ora non The post-antigravitative ceiling channel è sub-orizzontale, ma ha un’inclinazione di was thus formed after the end of the depo- 42° verso NNO, simile a quella degli strati sition of the Primary Lower Gypsum beds, gessosi contigui (che hanno un’inclinazione dated at 5.61 Ma BP (Lugli et alii, 2010), di circa 40° nella stessa direzione; Fig. 6a). and before the Middle Pliocene-Late Plio- Il post-antigravitative ceiling channel si cene-Quaternary tectonic phase. formò perciò dopo la fine della deposizione Closeby there are also pendants separated degli strati del Primary Lower Gypsum - by decimetre wide anastomoses (point F in datata a 5,61 Ma BP (Lugli et alii, 2010) -, Fig. 5), with their axes forming angles of e prima della fase tettonica che va dal Plio- about 25° with the vertical line (Fig. 6b); cene medio al Tardo Pliocene-Quaternario. the plane perpendicular to the pendants In prossimità del ceiling channel ci sono axes is inclined nearly 25° toward NW. anche pendenti - separati da anastomosi This means that these pendants under- larghe circa un decimetro (punto F in Fig. went a rotation of about 25°, which is 15°- 5) -, con assi di allungamento formanti an- 18° less than the one which involved the goli di circa 25° con la verticale (Fig. 6b); il gypsum layers, the filling of the “Galleria piano perpendicolare agli assi di allunga- dei Quattro” and the post-antigravitative mento dei pendenti è inclinato di circa 25° ceiling channel. verso NO. Ciò significa che questi pendenti

185 These pendants appear thus to be younger Fig. 6 - Palaeokarstic morphologies of the Grotta than the “Galleria dei Quattro”, its filling di Monte Rocca, visible where the filling has been removed by the quarry works. A. Ceiling channel and the ceiling channel, and they formed (G in Fig. 5) with flat roof dipping 42º towards the when the “Grotta di Monte Rocca” was al- NNW and roughly parallel to the gypsum bedding ready inclined by the tectonic movements measured nearby; B. Pendants, whose axes form of 15°- 18°. This also means that in the angles of about 25° with the vertical line (F in “Grotta di Monte Rocca” at least two phases Fig. 5), the plane perpendicular to the pendants of antigravitative erosion, separated by a axes is inclined nearly 25° toward NW. Person for scale. / Speleoforme paleocarsiche della Grotta di long time interval, took place. Monte Rocca, visibili solo dove il riempimento è stato rimosso dai lavori di cava. A. Canale di vol- Discussion and Conclusions ta con soffitto piatto avente un’inclinazione di 42° In 1985 excavations in the Monticino Quar- verso NNO (G in Fig. 5), molto prossima a quella ry (Brisighella, Ravenna) revealed for the degli strati gessosi contigui (inclinati di circa 40° first time an intra-Messinian karst phase, nella stessa direzione). B. Pendenti, i cui assi di evidenced by small dissolution cracks and allungamento formano angoli di circa 25° con la verticale (F in Fig. 5); il piano perpendicolare agli pockets completely filled with fine sedi- assi dei pendenti è inclinato di circa 25° verso NO. ments of the Colombacci Fm. Le dimensioni delle speleoforme sono ricavabili da Based on their rich content in Late Messin- quelle dei due speleologi. ian terrestrial vertebrates, this emersion took place at the end of the Messinian (ca. subirono una rotazione di circa 25°, che è 5.5 Ma) and lasted for less than 100 ky. 15° - 18° minore di quella che coinvolse gli This discovery clearly evidences the in- strati gessosi, il riempimento della Galleria tra-Messinian tectonic uplift phase, during dei Quattro ed il post-antigravitative cei- which the gypsum deposits were tilted. ling channel. Questi pendenti sono perciò This short emersion, accompanied by karst- più recenti della Galleria dei Quattro, del ic phenomena, has also been documented suo riempimento e del ceiling channel, e si in other N-Italian areas (e.g. Moncucco formarono quando la Grotta di Monte Roc- Quarry, Piedmont) (Fioraso et alii, 2004; ca era già stata inclinata dai movimenti Fioraso & Boano, 2002) and elsewhere (e.g. tettonici di 15°-18°. Ciò significa anche che Sorbas, SE Spain, Martin & Braga, 1996), nella Grotta di Monte Rocca si verificarono and present-day caves forming by rising almeno due fasi di erosione antigravitativa, fluids (hypogenic caves) appear to be pro- separate da un lungo intervallo di tempo. pitiated upon these intra-Messinian karst voids (Vigna et alii, 2010). Discussione e conclusioni This intra-Messinian erosion surface is of- Nel 1985 escavazioni nella Cava Montici- ten believed to have developed in response no (Brisighella, Ravenna) rivelarono per

186 Fig. 7 - Scheme showing the formation of the “Grot- la prima volta una fase carsica intra-mes- ta di Monte Rocca” and “Grotta Michele Gortani” siniana, sviluppatasi ovviamente durante cave systems. un’emersione dei gessi. Tale fase è eviden- A. Deposition of the Lower Evaporites; B. Emersion ziata da piccole fessure e cavità carsificate of the gypsum rocks and surface erosion, caused by sea level lowering and very probably also by uplift e completamente riempite da sedimenti fini due to the intra-Messinian tectonic phase; C. For- della Formazione a Colombacci. In base al mation of the older cave system (“Grotta di Monte loro ricco contenuto in vertebrati terrestri Rocca”), with phreatic conduits (till 4 x 5 metres del Tardo Messiniano fu possibile stabilire wide) and vadose passages; D. Total infilling of the che l’emersione suddetta si verificò verso la older cave system, and formation of antigravitati- fine del Messiniano (5,5 My ca.) e durò per ve and post-antigravitative morphologies and end meno di 100 ky. Questa scoperta evidenziò of the first karst cycle; E. New submersion of the area; F. Last emersion - caused by the Middle to chiaramente la fase tettonica di solleva- Late Pliocene-Quaternary tectonic phase -, and mento intra-messiniana, durante la quale recent formation of the “Grotta Michele Gortani” gli strati gessosi furono inclinati. and present-day situation. / Schema illustrante la Questa breve emersione, accompagnata da formazione dei sistemi sotterranei “Grotta di Monte fenomeni carsici, è stata documentata an- Rocca” e “Grotta Michele Gortani”. che in altre aree dell’Italia settentrionale A. Deposizione delle Lower Evaporites; B. Emersio- (ad es. Cava Moncucco, Piemonte) (Fioraso ne degli strati gessosi ed erosione superficiale, causata da un abbassamento del livello marino e mol- et alii, 2004; Fioraso & Boano, 2002) ed al- to probabilmente anche da un sollevamento dovuto trove (ad es. Sorbas, Spagna sud-orientale, alla fase tettonica intra-messiniana; C. Formazio- Martin & Braga, 1996). Alcune grotte at- ne del sistema ipogeo più antico (Grotta di Monte tuali nel Monferratese (Piemonte) che si for- Rocca), con tubi freatici (fino a 4 x 5 metri in sezio- mano per risalita di fluidi (grotte ipogeni- ne trasversale) e gallerie vadose; D. Riempimento che) risultano favorite nel loro sviluppo da totale della Grotta di Monte Rocca e formazione di morfologie antigravitative e post-antigravitative; interstizi carsici intra-messiniani (Vigna et fine del 1° ciclo carsico; E. Nuova sommersione alii., 2010). Molti autori ritengono che que- dell’area; F. Ultima emersione dell’area - causata sta superficie di erosione intra-messiniana dalla fase tettonica che durò dal Pliocene Medio al si sia sviluppata in risposta ad una fase Tardo Pliocene-Quaternario -, formazione recente tettonica intra-messiniana (Fioraso et alii, della Grotta Michele Gortani e situazione attuale. 2004; Lugli et alii, 2010), accompagnata da un forte abbassamento del livello marino (Krijgsman et alii, 1999). Questo evento

187 to an intra-Messinian tectonic phase (Fio- tettonico intra-messiniano, ben documen- raso et alii, 2004; Lugli et alii., 2010), ac- tato ad esempio nel bacino della Vena del companied also by a dramatic sea level Gesso, è connesso con l’evoluzione del cuneo drop (Krijgsman et alii, 1999). orogenico appenninico e con la migrazione This intra-Messinian tectonic event, del fronte compressivo e dell’associato ba- well-documented for example in the Vena cino di avanfossa verso Nord (cioè verso la del Gesso basin, is connected to the evolu- Pianura Padana) (Roveri et alii, 2003). tion of the Apenninic orogenic wedge and Anche la formazione della Grotta di Monte the migration of the compressive front and Rocca - una grotta gessosa paleocarsica ben associated foredeep basin toward the North sviluppata, scoperta solo nel 2010 in una (i.e. the Po Plain) (Roveri et alii, 2003). cava vicino a Zola Predosa (BO) - deve esse- A well-developed gypsum palaeokarstic re attribuita a questo periodo continentale cave, the Grotta di Monte Rocca, discovered intra-messiniano. Questa grotta è comple- only a few years ago in a quarry close to tamente riempita da sedimenti continentali Zola Predosa (Bologna), can also be related e presenta alcune speleoforme antigravita- to this intra-Messinian continental period. tive e post-antigravitative. I banchi gessosi, This cave is completely filled with sedi- la grotta e gli strati del suo riempimento ments and also hosts some post-antigrav- erano originariamente sub-orizzontali; poi itative morphologies. essi furono inclinati fino alla loro attuale Both the gypsum layers, the cave and its pendenza di circa 40°-45° verso NNO. La bedded fillings were originally sub-hori- probabile evoluzione speleogenetica dei zontal; then they were tilted to their pres- sistemi di grotte presso Zola Predosa è il- ent inclination of about 40º-45º towards lustrata nella Fig. 7. Se paragoniamo le NNW. The probable speleogenetic evolu- dimensioni della Grotta di Monte Rocca tion of the cave systems near Zola Predosa con quelle dei sistemi di grotte gessose at- is shown in Figure 7. Compared to the size tualmente in via di formazione, possiamo of the present-day gypsum cave systems, affermare che la Grotta di Monte Rocca this cave might have formed in some ten dovrebbe essersi formata in alcune decine thousands of years. di migliaia di anni. Questa grande grotta This big palaeokarstic cave demonstrates paleocarsica dimostra che la speleogenesi that the intra-Messinian speleogenesis, intra-messiniana, nota in altre località at- known from other locations around the torno al Mediterraneo, fu particolarmente Mediterranean, was very active in the Zola attiva nella zona di Zola Predosa. Predosa area.

References / Citazioni bibliografiche

Bertolani M. & Rossi A., (1972), Osservazioni sui pro- ni carsici tardo-Messiniani, In: Demaria D., Forti P., cessi di formazione e di sviluppo della Grotta del Far- Grimandi P. & Agolini G. (eds.), Le Grotte Bolognesi, neto (Bologna), Atti del VII Convegno Speleologico GSB/USB, Bologna, pp. 218-219. dell’Emilia Romagna e del Simposio di Studi sulla De Waele J. & Pasini G., (2013), Intra-messinian gyp- Grotta del Farneto, San Lazzaro in Savena-Bologna, sum palaeokarst in the Northern Apennines and its pp. 127-136. palaeogeographic implications, Terra Nova, 25 (3), Clauzon G., Suc J. P., Gautier F., Berger A. & Loutre pp. 199-205. Doi: 10.1111/ter.12021, M. F., (1996), Alternate interpretation of the Messin- Farrant A. R. & Smart P. L., (2011), Role of sediment ian salinity crisis: Controversy resolved?, Geology in speleogenesis; sedimentation and paragenesis, Geo- 24(4), pp. 363-366. morphology 134(1-2), pp. 79-93. Costa G., Colalongo M. L., De Giuli C., Marabini S., Fioraso G., Bicchi E., Irace A. & Boano P., (2004), Ma- Masini F., Torre D. & Vai G. B., (1986), Latest Messi- nifestazioni carsiche nelle evaporiti messiniane del nian vertebrate fauna preserved in a Paleokarst-nep- Monferrato e della Collina di Torino (Italia Nord-Oc- tunian dike setting, Le Grotte d’Italia 12, pp. 221-235. cidentale): analisi dei meccanismi genetici nel quadro Dalmonte C., De Waele J., Fornaciari E., Pasini G., Va- dell’evoluzione pliocenico-quaternaria del bacino Ter- iani S. C., Correale C. & Fabbri F., (2012), Fenome- ziario Piemontese, Il Quaternario 17(2), pp. 453-476.

188 Fioraso G. & Boano P., (2002), Cavità di dissoluzione e lia Romagna, Bologna, 124 p. fenomeni di sprofondamento nei gessi del Monferrato Martin J. M. & Braga J. C., (1996), Tectonic signals in settentrionale: meccanismi genetici ed effetti sulla sta- the Messinian stratigraphy of the Sorbas basin (Alme- bilità dei versanti, GEAM 107, pp. 19-26. ria, SE Spain), In: Friend P. F. & Dabrio C. J. (eds.), Krijgsman W., Hilgen F. J., Raffi I., Sierro F. J. & Wil- Tertiary basins of Spain: the stratigraphic record of son D. S., (1999), Chronology, causes and progression crustal kinematics, World and Regional Geology Se- of the Messinian salinity crisis, Nature 400, pp. 652- ries, Cambridge University Press, New York, pp. 387- 655. 391. Lourens L. J., Hilgen F. J., Laskar J., Shackleton N. Pasini G., (1969), Fauna a mammiferi del Pleistocene J. & Wilson D., (2004), Appendix 2. Orbital tuning Superiore in un paleoinghiottitoio carsico presso Mon- calibrations and conversions for the Neogene period, te Croara (Bologna), Le Grotte d’Italia II (4), pp. 1- 46. In: Gradstein F., Ogg J. & Smith A. (eds.), A Geologic Pasini G., (1970), Contributo alla conoscenza del tardo Time Scale 2004, Cambridge University Press, Cam- Würmiano e del post-Würmiano nei dintorni di Bo- bridge, pp. 469-484. logna (Italia), Giornale di Geologia 36, pp. 687-700. Lucci P. & Rossi A., (2011), Speleologia e geositi carsici Pasini G., (2009), A terminological matter: paragenesis, in Emilia-Romagna [Speleology and Karst Geosites in antigravitative erosion or antigravitational erosion ?, Emilia-Romagna], Pendragon, Bologna, 447 p. International Journal of Speleology 38(2), pp. 129- Lugli S., Manzi V., Roveri M. & Schreiber B. C., (2010), 138. The Primary Lower Gypsum in the Mediterranean: A Pasini G., (2012), Speleogenesis of the “Buco dei Vinchi” new facies interpretation for the first stage of the Mes- inactive swallow hole (Monte Croara karst sub-area, sinian salinity crisis, Palaeogeography Palaeoclima- Bologna, Italy), an outstanding example of antigrav- tology Palaeoecology 297, pp. 83-99. itative erosion (or “paragenesis”) in selenitic gypsum. Marabini S. & Vai G. B., (1985), Analisi di facies e ma- An outline of the “post- antigravitative erosion”, Acta crotettonica della Vena del Gesso in Romagna, Bollet- Carsologica 41(1), pp. 15-34. tino Società Geologica Italiana 104, pp. 21-42. Roveri M. & Manzi V., (2006), The Messinian salinity Marabini S. & Vai G. B., (1989), Geology of the Monticino crisis: Looking for a new paradigm?, Palaeogeogra- Quarry, Brisighella, Italy. Stratigraphic implications phy Palaeoclimatology Palaeoecology 238(1-4), pp. of its late Messinian mammal fauna, Bolletino della 386-398. Società Paleontologica Italiana 28(2-3), pp. 369-382. Roveri M., Manzi V., Lucchi F. R. & Rogledi S., (2003), Marinelli O., (1917), Materiali per lo studio dei fenome- Sedimentary and tectonic evolution of the Vena del ni carsici III. Fenomeni carsici nelle regioni gessose Gesso basin (Northern Apennines, Italy): Implications d’Italia, Memorie della Rivista Geografica Italiana for the onset of the Messinian salinity crisis, Geolog- 34, pp. 263-416. ical Society of America Bulletin 115(4), pp. 387-405. Martelli L., Benini A., De Nardo M. T. & Severi P., Vigna B., Fioraso G., Banzato C. & De Waele J., (2010), (2008), Note illustrative della Carta Geologica d’Ita- Evolution of karst in Messinian gypsum (Monferrato, lia, Foglio 220, Casalecchio di Reno, Scale 1:50,000, Northern Italy), Geodinamica Acta 23(1-3), pp. 29-40. Servizio Geologico, Sismico e dei Suoli, Regione Emi-

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Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 191-192

THE SAN PAOLO MINE TUNNEL AT SA DUCHESSA (DOMUS- NOVAS, SW SARDINIA): TEN INTERCEPTED NATURAL CAVES AND FIRST DATA ON THE COMPOSITION OF SOME SPELEOTHEMS GALLERIA SAN PAOLO DELLA MINIERA DI SA DUCHES- SA (DOMUSNOVAS, SARDEGNA SUD-OCCIDENTALE): DIECI GROTTE NATURALI INTERCETTATE E PRIMI DATI SULLA COMPOSIZIONE DI ALCUNI SPELEOTEMI

Simone Argiolas1, Guglielmo Angelo Caddeo2, Lucilla Casu3, Alberto Muntoni1 & Silvestro Papinuto1

Abstract Riassunto Since many years cavers from different caving Da molti anni speleologi di diversi gruppi speleo- teams are carrying out a systematic study on the logici stanno portando avanti uno studio siste- caves of Sulcis-Iglesiente, including geomorpho- matico sulle grotte del Sulcis-Iglesiente, compresi logical studies. studi geomorfologici. Negli ultimi anni sono state Over thirty natural caves have been explored, esplorate, censite e registrate più di trenta grotte surveyed and registered in the past few years, naturali e oltre la metà di queste sono state rese and over half of these have been made accessi- accessibili dalle gallerie delle miniere. Tra questi ble by mine galleries. Among these are worth to vale la pena di menzionare le “Tre Sorelle” di Do- be mentioned the “Tre Sorelle” of Domusnovas: musnovas: si tratta di tre grotte di miniera inter- these are three mine caves intercepted by the San cettate dalla galleria San Paolo della miniera di Paolo mine tunnel. Sa Duchessa. Questa galleria, il cui ingresso crol- This tunnel, whose collapsed entrance has been lato è stato riaperto dopo una lunga campagna di reopened after a long digging campaign, has been scavo, è stata esplorata e studiata per circa 700 explored and surveyed for around 700 meters. A metri. Un totale di 10 grotte naturali, per lo più total of 10 natural caves, mostly developed along sviluppate lungo fratture, sono state esplorate e fractures, have been explored and mapped, with mappate, con sviluppi che variano tra i 10 e i 250 developments ranging between 10 and 250 me- metri e da 15 a oltre 160 metri di profondità. Solo ters and depths from 15 to over 160 meters. Only due di queste grotte erano già presenti nel Catasto two of these caves were previously known in the Regionale delle Grotte. Regional Cave Register. Nella maggior parte delle grotte, gli speleote- In most of the caves, speleothems consist main- mi sono costituiti principalmente da concrezio- ly of flowstones, some of which are clear or usu- ni stalagmitiche, alcuni dei quali sono di solito ally white, others are dark-brown or tending to trasparenti o bianchi, altri sono marrone scuro

1 Centro Speleologico Cagliaritano, Italy 2 Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche, Università di Cagliari, Italy 3 Via Lepanto 76, Cagliari, Italy

191 black. Some samples of the first and the second o tendente al nero. Alcuni campioni del primo e flowstone types were collected respectively from del secondo tipo di concrezioni sono stati raccolti the “Sesta Sorella” and “Seconda Sorella” Caves. rispettivamente dalle Grotte “Sesta Sorella” e “Se- The powders of these samples were analysed by conda Sorella”. Le polveri di questi campioni sono an X-ray diffractometer. state analizzate con un diffrattometro a raggi X. The first type consists of thicker layers of white Il primo tipo è costituito da spessi strati di ara- and fibrous aragonite, which sometimes alternate gonite bianca e fibrosa, che talvolta si alternano with thinner layers of grey columnar calcite. In a strati più sottili di calcite colonnare grigia. In some samples, however, calcite interlayers were alcuni campioni, tuttavia, gli interstrati di calcite absent and just aragonite was found. The second erano assenti ed è stato trovata solo aragonite. Il type is composed of alternating layers of dark- secondo tipo è costituito da strati alternati di emi- brown hemimorphite. morfite marrone scuro. Some additional analyses were performed on Questi campioni sono stati analizzati ulterior- these samples by Laser Ablation ICP-MS to de- mente mediante ablazione laser ICP-MS per determine the concentration of minor and trace el- terminare la concentrazione di elementi minori e ements in the different layers and mineralogical tracce nei diversi strati e nelle diverse fasi mi- phases. The most abundant minor elements in neralogiche. Gli elementi minori più abbondanti calcite layers are Mg and Zn. Magnesium is about negli strati di calcite sono Mg e Zn. Il magnesio è constant (~ 2000 ppm) on different spots and re- costante (~ 2000 ppm), su punti diversi e rimane mains under the average Mg content of the cave sotto la media del contenuto di Mg della calcite calcite in this region, whereas Zn ranges from 103 in questa regione, mentre lo Zn varia da 103-104 to 104 ppm and is well above the Zn average in ppm ed è ben al di sopra della media di Zn nelle calcite of caves in the world. Barium concentra- calciti di grotta del mondo. La concentrazione di tion is about 80 ppm and more abundant than bario è di circa 80 ppm ed è maggiore rispetto al Pb (20 ppm) and Sr (10 ppm). Barium is also the Pb (20 ppm) e allo Sr (10 ppm). Il Bario è anche main minor element in aragonite, where it can l’elemento minore principale nell’aragonite, dove reach almost 2000 ppm. può raggiungere quasi 2000 ppm. La concentra- The Zn concentration is very high even in ara- zione di Zn è molto elevata anche nell’ aragonite gonite and is comparable to that of Sr (400-500 ed è paragonabile a quella di Sr (ppm 400-500), ppm), overcoming considerably the Pb concentra- superando notevolmente la concentrazione di Pb tion (20 ppm). In hemimorphite, the most abun- (20 ppm). Negli emimorfiti, gli elementi minori dant minor elements are Al and Fe (about 104 più abbondanti sono Al e Fe (circa 104 ppm). Tut- ppm). However, it was not quantified how much tavia, non si sa quanti di questi siano nel retico- of these are in the hemimorphite lattice or come lo degli emimorfiti o provengano da impurità. In from some impurities. Actually, we notice that realtà, notiamo che la concentrazione di Fe e Al concentration of Fe and Al in the black layers of negli strati neri di emimorfite è maggiore rispetto hemimorphite is an order of magnitude greater a quelli marroni. Inoltre, gli strati neri mostrano than in the brown ones. In addition, the black lay- un brusco aumento della concentrazione di Mn, ers show an abrupt increase of Mn concentration, che supera Fe e Al. which overcomes Fe and Al. L’evoluzione di queste concrezioni è più probabil- The evolution of these flowstones is most proba- mente correlata alla circolazione dei fluidi colle- bly related to the circulation of fluids connected gati all’ossidazione di solfuri, in particolare della to the oxidation of sulphides, specially sphalerite. sfalerite.

192 Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, p. 193

MINING ACTIVITIES IN THE ISTRIAN PENINSULA: THE EXTRACTION OF “SALDAME” ATTIVITÀ MINERARIE DELLA PENISOLA ISTRIANA: L’ESTRAZIONE DEL “SALDAME

Stefano Furlani1 & Franco Cucchi1

Abstract Riassunto Mining activity in Istria was very important for L’attività mineraria in Istria è stata molto im- local economy aswell as for the for Italian econ- portante sia per l’economia locale che per quella omy, mainly during the Second World War, be- italiana, soprattutto durante la Seconda Guerra cause of the large demand of raw materials. Mondiale, per via della grande richiesta di mate- In Istria different kinds of raw materials occur: rie prime. In Istria si trovano diversi tipi di ma- fossil carbon, near Albona-Labin, in layers dat- terie prime: carbon fossile, nei pressi di Albona- ed back to the K-T boundary, bauxite, mainly Labin, in strati risalenti al limite KT, bauxite, located in dolines, limestone quarries and the so- situata principalmente in doline, cave calcaree e called “saldame”. il cosiddetto “saldame”. Discutiamo l’origine del We discuss the origin of saldame following the saldame seguendo le idee sviluppate nel secolo ideas developed in the last century and questions scorso e le questioni sollevate sulla sua estrazione. arising regarding its extraction. Il saldame (o “var”) era una formazione di quar- The saldame (or “var”) was a quartz formation, zo, chiamato anche Rego (quando è litoide), affio- also called Rego (when it is lithoid), outcropping rante in forma di strati di quarzo sabbioso-limosi in form of yellow/white quartz sandy-silty layers, giallo-bianchi con spessore massimo di 6-7 m. È with maximum thick of 6-7 m. It was used for the stato usato per la produzione di vetro a Venezia production of glass in Venice (Murano) and in (Murano) e in Boemia, come mattoni refrattari o Bohemia, as refractory fairbricks or to clean pots. per pulire pentole. È stato estratto in particolare It was extracted in particular in correspondence in corrispondenza di calcari mesozoici del setto- of Mesozoic limestones in the sector between Pula re tra Pula e Kanfanar e ha dato lavoro a molte and Kanfanar and gave work to many families. famiglie. Attualmente, gli anziani del luogo ri- Nowadays, local old people remember many as- cordano molti fatti e persone coinvolte in questa pects and people involved in this production. produzione. Regarding its origin, it was debated, even if today Per quanto riguarda la sua origine, se ne è discus- it is not extracted anymore. It was in fact alter- so, anche se oggi non si estrae più. È stato, infatti, natively considered endogenic (hydrothermal), alternativamente, considerata endogena (idroter- alluvial or residual. male), alluvionale o residuale.

1 Department of Mathematics and Geosciences, University of Trieste, Trieste, Italy

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Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 195-196

THE CAVES IN THE UNDERGROUND QUARRIES OF MONCALVO D’ASTI – PIEDMONT (ITALY) LE GROTTE NELLE CAVE SOTTERRANEE DI MONCALVO D’ASTI – PIEMONTE (ITALIA)

Bartolomeo Vigna1, Jo De Waele2 & Cinzia Banzato1

Abstract Riassunto Many quarries for the extraction of gypsum are Ci sono numerose cave per l’estrazione del gesso located in the hills of the Monferrato area (cen- nelle colline del Monferrato (Piemonte centro- tral eastern Piedmont). Close to the village of orientale). Vicino al villaggio di Moncalvo, pro- Moncalvo, Asti Province, a subterranean quarry vincia di Asti, vi è una cava sotterranea lunga of more than 20 km long is present. During the oltre 20 km. Nel 2005, durante gli scavi è stata excavations a fracture from which water gushed trovata una frattura da cui sgorgava l’acqua ad at a pressure of 3 atm has been intercepted in una pressione di 3 atm. Le opere sotterranee sono 2005. The underground works have been sus- state sospese immediatamente e, dopo solo poche pended immediately and, after only a few hours a ore, un flusso d’acqua compreso tra 3000 e 4000 water flow comprised between 3000 and 4000 Ls-1 Ls-1 ha inondato le gallerie della cava riempiendo- has flooded the quarry tunnels filling a volume of le di fango per un volume di oltre 60.000 m³. Dopo over 60,000 m3. più di un mese di pompaggio, le aree inondate After more than one month of pumping the flood- sono state rese di nuovo accessibili, rivelando un ed areas have been made accessible again, re- sottile diaframma roccioso che separava il tunnel vealing a thin rock diaphragm that separated the della cava da una grotta naturale che ha ceduto quarry tunnel from a natural cave, which failed sotto l’alta pressione idraulica. Attraverso questo under the high hydraulic pressure. Through this piccolo spazio è stato possibile accedere a una va- small gap it has been possible to access an exten- sta rete carsica che in precedenza era completa- sive karst network that previously was complete- mente sommersa. Durante i successivi lavori nella ly submerged. cava è stata trovata una seconda grotta naturale, During the following quarry operations a second appartenente allo stesso sistema, ma fisicamente natural cave has been encountered, belonging to separata dalla prima grotta da alcuni metri di se- the same system but physically divided from the dimenti fisici. Lo sviluppo totale di questo sistema first cave by some metres of sediments. Theto- di grotte è di circa 1 km. L’esplorazione di queste tal development of this cave system is around 1 grotte ha permesso di raccogliere un’interessante km. The exploration of these caves has allowed serie di osservazioni che hanno contribuito a ela- to gather an interesting set of observations that borare un modello speleogenetico. La prima in- have contributed to elaborating a speleogenetic formazione riguarda la quantità impressionante model. di snottiti presenti lungo le pareti delle grotte e

1 Dipartimento di Ingegneria dell’Ambiente, del territorio e delle Infrastrutture, Torino, Italy 2 Dipartimento Biologiche, Geologiche e Ambientali -Università di Bologna Alma Mater Studiorum, Bologna, Italy

195 The first information regards the impressive lo spessore complessivo della roccia di gesso sot- amount of snottites present along the walls of toposta agli agenti atmosferici che raggiunge an- the caves, and the overall thickness of gypsum che i 30 cm. Ci sono tante morfologie che dimo- rock subdued to weathering, reaching up to 30 strano chiaramente che le grotte si sono formate cm. There are many morphologies that clearly in condizioni freatiche, come pendenti e cupole di demonstrate the caves being formed in phreatic corrosione, ma anche soffitti piatti e sezioni tra- conditions, such as pendants and corrosion cu- sversali a forma di V, che testimoniano ulterior- pola, but also flat corrosion bevels and V-shaped mente la formazione in condizioni di saturazione. cross-sections, further evidences of formation in La situazione stratigrafica della zona ha sicura- saturate conditions. mente giocato un ruolo fondamentale nella for- The stratigraphic asset of the area surely has mazione di questi sistemi carsici. Dal basso verso played a fundamental role in the formation of l’alto vi è una fitta sequenza di argilliti e un sottile these karst systems. From bottom to top there is letto discontinuo e molto ben carsificato di calca- a thick shale sequence, and a thin discontinuous ri marnosi che sembrava aver aumentato il flusso and extremely well karstified marly limestone idrologico nel suddetto strato di gesso. I sistemi bed that seemed to have enhanced the hydro- di grotte principali sono formati tra il primo e il logical flow in the above lying gypsum beds. The secondo banco di gesso, lungo un interstrato sci- principal cave systems are formed in between stoso finemente stratificato ricco di materiale or- the first and second bed of gypsum, along a shaly ganico. Nel piano del passaggio principale ci sono finely stratified interbed rich in organic material. molti condotti subverticali piuttosto piccoli che si On the floor of the main passage there are many sviluppano fino al sottostante letto di calcare fa- rather small subvertical conduits that develop up vorendo così il movimento verso l’alto dell’acqua to the underlying limestone bed thus favoring the e la dissoluzione delle rocce di gesso. Gli scavi upward movement of water and the dissolution of sotterranei hanno anche permesso di trovare altre the gypsum rocks. The subterranean excavations grotte, la maggior parte delle quali di dimensioni also have intercepted other caves, most of them molto più ridotte che raggiungono spesso alcuni of much smaller size, often reaching some cubic metri cubi di dimensione e che sono parzialmente metres in size and partially filled with large gyp- riempite da grandi cristalli di gesso, cresciuti gra- sum crystals, grown by the continuous but slow zie al lento ma continuo lavoro delle acque legger- feeding of slightly supersaturated waters. mente soprasature.

196 Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 197-210

MINERALOGY AND SPELEOGENESIS OF THE CORONA ‘E SA CRABA QUARTZITE CAVE (CARBONIA, SW SARDINIA) MINERALOGIA E SPELEOGENESI NELLA GROTTA QUARZITICA DI CORONA ‘E SA CRABA (CARBONIA, SARDEGNA SUDOCCIDENTALE)

Eleonora Baldoni1, Jo De Waele1, Ermanno Galli2, Mauro Messina3, Bogdan P. Onac4, Laura Sanna5, Francesco Sauro1 & Mauro Villani6

Abstract Riassunto Corona ‘e sa Craba Cave (Barbusi, Carbonia, La grotta di Corona ‘e sa Craba è situata circa 1 Southwest Sardinia) is a natural cave entirely km a Sudest di Barbusi (Carbonia) ad un’altitu- developed within a quartzite vein. Its natural dine di 260 m s.l.m. La cavità si sviluppa per oltre entrance, enlarged during mining operations, 200 m in direzione SE. Fu scoperta nel 1971 da opens at 260 m asl. It is composed of an over 200 speleologi del Gruppo Ricerche Speleologiche E.A. m long and 20 m wide gallery developed in a NW- Martel di Carbonia e, per il suo interesse minera- SE direction. The cave was discovered in 1971 by logico, fu immediatamente depredata da collezio- cavers of the Gruppo Ricerche Speleologiche E.A. nisti e rivenditori di minerali. Purtroppo, il lavoro Martel of Carbonia and, because of its mineralog- di questi “tagliatori” di minerali ne compromise ical interest, became immediately the prey of rock enormemente la naturale bellezza, distruggendo hounds and mineral vendors. Unfortunately, this parzialmente questo tesoro scientifico. “plundering” enormously compromised the natu- L’intera grotta si sviluppa nella quarzite, con ral beauty of this cave, partly destroying a true passaggi molto larghi ed evidenti segni di disso- scientific treasure. luzione ad opera di acidi forti. Questi acidi pro- The entire cave is characterized by large passages babilmente derivavano dall’ossidazione dei corpi and clear signs of dissolution by acid solutions in mineralizzati a solfuri che sono presenti nella subaerial conditions. These might have derived zona, o da risalita di fluidi idrotermali legati ad from the oxidation of sulfide ore bodies present attività vulcanica. L’area di Corona ‘e sa Craba, in the neighbourhood or by rising of hydrother- infatti, fu esplorata per Pb, Zn e Ba all’inizio degli mal fluids. The Corona ‘e sa Craba area, in fact, anni 30 del secolo scorso, e le “coltivazioni” dura- was explored for Pb, Zn and Ba ores in the early rono poco più di 30 anni a partire dagli anni 50. 1930s, and economic exploitation went on for a Malgrado le numerosissime visite dei ricercatori little more than 30 years after 1950. di minerali, che durarono per oltre 20 anni, solo 5

1 Dipartimento di Scienze Biologiche, Geologiche ed Ambientali, Università di Bologna, Via Zamboni 67, 40126 Bologna, Italia, [email protected] 2 Dipartimento di Scienze chimiche e geologiche, Università di Modena e Reggio Emilia, Largo S. Eufemia 19, 41121 Modena, Italia, [email protected] 3 Speleo Club Domusnovas, Italy 4 Dipartimento di Geologia, Università di Florida del Sud, 4202 E. Fowler Ave., SCA 528, Tampa, FL 33620, USA, bonac@usf. edu 5 Dipartimento di Scienze della Natura e del Territorio, Università di Sassari, Via Piandanna 4, 07100 Sassari, Italy, speleoki- [email protected] 6 Gruppo Ricerche Speleologiche E.A. Martel Carbonia, Italy

197 Despite over 20 years of high interest for miner- minerali erano noti in questa località: Barite (in al collectors in this cave, only five minerals were bellissimi cristalli che diventano bluastri all’espo- known from this locality: barite (in gorgeous crys- sizione alla luce del sole), calcite, dolomite, quarzo tals turning bluish when exposed to light), cal- ed aragonite. Durante le nostre ricerche sono stati cite, quartz, dolomite, and aragonite. prelevati 50 piccoli campioni di croste, polveri e During our surveys we collected over 50 small cristallini da tutti gli ambienti della grotta. Su samples of crusts, coatings and spars from all questi campioni sono state effettuate analisi dif- over the cave, on which we performed X-ray dif- frattometriche ai raggi-X per il riconoscimento dei fraction analysis in order to understand the spe- minerali. I campioni avevano colori che variavano leogenetic pathway. These samples ranged in dal giallo al rosso, porpora, bruno, grigio, bianco, color from yellow to red, purple, brownish, grey, bluastro e nero. Oltre a quelli già noti, i seguenti white, pinkish, bluish and black. Besides the al- minerali sono stati scoperti in questa cavità per la ready known minerals, the following have been prima volta: i solfati alunite, natroalunite, basa- discovered for the first time within this cavity: luminite, walthierite e gesso, i fosfati taranakite, sulfide: cinnabar; sulfates: alunite, natroalunite, spheniscidite, robertsite, Al-strengite, idrossia- basaluminite, walthierite and gypsum; phos- patite, vashegyite ed un Pb-Mo ossidofosfato sco- phates: taranakite, spheniscidite, robertsite, Al- nosciuto, i silicati halloysite e lizardite (oltrechè rich strengite, hydroxylapatite, vashegyite and minerali argillosi dei gruppi di illite e smectite), an unnamed Pb-Mo oxide phosphate; silicates: gli ossidi-idrossidi ematite, goethite, pirolusite e halloysite, lizardite and clay minerals of the il- todorokite, ed il solfuro cinabro. La presenza di lite and smectite group; oxyhydroxides: hematite, una grande colonia di pipistrelli, l’inusuale roccia goethite, pyrolusite and todorokite. quarzitica in cui si sviluppa la grotta e la presen- The presence of a large colony of bats, the unusu- za di solfuri e stillicidio ricco in carbonati hanno al quartzite bedrock in which the cave is devel- fatto di questa cavità un ambiente mineralogico oped, and the combined presence of sulfides and unico e di grande interesse. carbonate-rich drip water, have made of this cave Parole chiave: grotta quarzitica, minerali di a unique mineralogical environment of great sci- grotta, minerogenesi, corrosione-condensazione. entific interest. Keywords: quartzite cave, cave minerals, min- Introduzione erogenesis, condensation-corrosion. Hill & Forti (1997) definiscono un minera- Introduction le di grotta come “un deposito di minera- Hill & Forti (1997) give the following defi- le secondari che si è formato all’interno di nition for cave mineral: “a secondary min- una cavità esplorabile dall’uomo”. In altre eral deposit formed inside a cave accessible parole, un minerale di grotta è un minerale to Man”. In other words, a cave mineral is secondario che si forma attraverso processi a secondary mineral formed by chemical chimico-fisici a partire da un minerale pri- and physical processes starting from a pri- mario contenuto nella roccia incassante o mary mineral present in the host rock or in un deposito fisico presente nella grotta. in a physical deposit present in the cave. Attualmente si conoscono oltre 350 minerali Currently there are over 350 minerals that che si formano in ambienti sotterranei na- form in subterranean natural environ- turali (Onac & Forti, 2011). Generalmente ments (Onac & Forti, 2011). Generally the la genesi di questi minerali non ha quasi genesis of these minerals often has nothing mai una relazione diretta con la formazio- to do with the formation of the caves them- ne della grotta stessa. Tuttavia, le grotte selves. However, caves can be very special possono costituire ambienti minerogenetici minerogenetic environments, and in some molto particolari, ed in alcuni casi lo stu- cases the study of the minerals that form dio dei minerali presenti possono aiutare a in caves can help understanding the gene- capire la genesi della grotta stessa (Hill & sis of the caves (Hill & Forti, 1997). This Forti, 1997). Questo in particolare accade is especially true for hypogenic caves pro- soprattutto per cavità “ipogenetiche” produced by sulfuric acid, in which the pres- dotte da acido solforico, in cui la presenza ence of sulfates and other “exotic” miner- di solfati e di altri minerali “esotici”, tipici als, typical of extremely acid conditions, di ambienti estremamente acidi, possono can reveal the processes that are behind rivelare i processi che stanno alla base del- the formation of the karst voids (sulfuric la formazione dei vuoti (sulphuric acid spe-

198 acid speleogenesis or SAS, Morehouse, 1968; Onac et alii, 2009). The Corona ‘e sa Craba Cave, differently from the normal sulfuric acid ones formed in a carbonatic context, is entirely developed in quartzites. Speleogenesis in quartzite rocks is known and well studied in completely different environments from the one described here, normally in prevail- ing basic, neutral or slaghtly acid typical epigenic conditions (Wray, 1997). Corona ‘e sa Craba Cave instead represents the first example in the world of a hypogenic cave in quartzite rocks. The cave hosts a wide variety of minerals formed by the interaction between the host rock, an important deposit of bat guano, H2S deriving from the oxidation of closeby sulfides, rising of hydrothermal fluids and normal percolation Fig. 1 - Geographic situation of the Corona ’e sa waters. This paper describes the morpholo- Craba Cave. / Localizzazione geografica della Grotta di Corona ’e sa Craba. gy of the cave, its mineralogy, and proposes a speleogenetic model for its formation.

Description of the cave leogenesis ovvero SAS (Morehouse, 1968; Corona ‘e sa Craba Cave opens at an alti- Onac et alii, 2009). tude of 260 m a.s.l., a little Southeast of La grotta di Corona ‘e sa Craba, a differen- the village of Barbusi (Carbonia, SW Sar- za delle classiche cavità ipogeniche, forma- dinia, Italy) (Fig. 1). The entrance was en- tesi in un contesto carbonatico, si sviluppa larged by mining operations at the base of interamente nelle quarziti. La speleogenesi an important quartzite vein in the early 70s nelle quarziti è conosciuta e studiata per (Fig. 2). The presence of very beautiful crys- ambienti molto diversi da quelli qui de- tals of bluish barite immediately attracted scritti, in condizioni prevalentemente basi- many mineral hunters that started to vis- che neutre o a bassa acidità e tipicamente it the cave taking away mineral samples epigeniche (Wray, 1997). Corona ‘e sa Cra- for their collections or for sale. Already in ba rappresenta il primo evidente esempio 1971 the local caving association Gruppo di speleogenesi ipogenica nelle quarziti Ricerche Speleologiche E.A. Martel of Car- descritto al mondo. La grotta ospita una bonia explored the cave, reporting that the grande varietà di minerali formati dall’in- devastation mentioned above had already terazione tra roccia incassante, un ampio irreversibly damaged the beauty of the en- deposito di guano di pipistrelli, H2S deri- vironment and its original scientific poten- vante dall’ossidazione dei solfuri presenti tial. Some years later another caving club, nelle vicinanze, risalita di fluidi idroterma- the Speleo Club Cagliari, carried out a li e normali acque di percolazione. Questo complete cave survey, measurements that lavoro descrive la morfologia della grotta, were later also performed by the cavers of la mineralogia, e propone un modello spele- Carbonia (Fig. 3). ogenetico per la sua formazione. The cave is composed of a series of rooms entirely developed inside the quartzite Descrizione della cavità rocks. The host rock appears dark, greyish La Grotta di Corona ‘e sa Craba si apre ad to brownish. Carbonate speleothems, typ- una quota di 260 m s.l.m., poco ad Southest ical of caves carved in limestones and do- dell’abitato di Barbusi (Carbonia, Sarde- lostones, are missing. The entrance room gna SO, Italia) (Fig. 1). L’ingresso fu allar-

199 gato da scavi minerari alla base di un’importante vena di quarzite nei primi anni ’70 (Fig. 2). La presenza di bellissimi cristalli di barite bluastra attirò l’interesse di molti collezionisti di minerali che iniziarono a visitare la cavità e a saccheggiarla. Già nel 1971 il Gruppo Ricerche Speleologiche E.A. Martel di Carbonia esplorò la grotta, constatandone la devastazione che ha com- promesso irrimediabilmente la bellezza degli ambienti e il potenziale scientifico originario. Alcuni anni dopo fu lo Speleo Club Cagliari ad effettuarne il rilievo completo, seguito poco dopo da un altro rilievo effettuato dagli stessi speleologi di Carbonia (Fig. 3). La grotta è costituita di una serie di sale interamente sviluppate nella roccia quarzitica. La roccia incassante appare scura, grigiastra o marroncina. Mancano del tutto gli speleotemi tipici delle grotte scavate nei calcari e nelle dolomie. La sala d’entrata ha una pianta semi-circolare ed è separata dal resto della grotta da una grande e pericolo- sa frana. Il pavimento è cosparso di fram- Fig. 2 - Entrance of the cave greatly modified by menti di roccia, in particolare nei primi 50 excavations of the mineral collectors (photo: Vit- torio Crobu). / L’ingresso della cavità profonda- metri, probabilmente costituiti dagli scarti mente modificato dai ricercatori di minerali (foto: degli scavi effettuati clandestinamente dai Vittorio Crobu). collezionisti e venditori di minerali. Una volta superata la frana, l’ambiente di grotta has a semi-circular plan form and is sepa- diventa molto grande dando accesso a una rated from the rest of the cave by a big and galleria, alta 20 metri e larga altrettanto, dangerous rockfall. The floor is covered che si sviluppa per 80 m in direzione sudest with rock fragments, especially in the first (Fig. 4). Il centro di questa galleria è occu- 50 metres, probably the rock wastes pro- pato da un grande deposito di guano, produced by the illegal excavations carried out dotto da una colonia di chirotteri che qui during the year by mineral collectors and staziona durante la primavera e l’estate. vendors. Once the rockfall is passed, the Nella parte più bassa della grotta la galle- cave void becomes much bigger giving ac- ria prosegue più stretta, larga circa 8 metri, cess to a big 20 metre high and 20 m wide ma sempre alta, probabilmente sviluppata passage that develops in a SW direction for lungo una frattura subverticale. Quaranta about 80 m (Fig. 4). The central part of this metri più avanti la frattura diventa troppo passage is occupied by a large heap of bat stretta per permettere il passaggio. Lo svi- guano, produced by an important bat col- luppo totale rilevato della cavità è di circa ony that stays in the cave from spring to 250 metri. late summer. In the lower part of the cave Dal punto di vista morfologico, di partico- the passage continues horizontally narrow- lare interesse sono le numerose forme di cor- ing gradually, being around 8 m wide, but rosione che si trovano lungo le pareti della much higher, probably developing along a grotta (Fig. 5). In alcuni angoli sono pre- close to vertical fracture. Forty metres fur- senti vene di colore marrone scuro o nera- ther this fracture becomes too narrow to stro (boxwork) che protrudono dalla parete

200 Fig. 3 - Surveys of Corona ’e sa Craba Cave: A. First sketch of the GRS of Carbonia in 1971; B. Cave map of the Speleo Club Cagliari from 1975; C. last survey from the GRS Carbonia in 1995. / Rilievo della Grotta di Corona ’e sa Craba: A. primo rilievo del GRS di Carbonia del 1971; B. rilievo dello Spe- leo Club di Cagliari del 1975; C. ultimo rilievo del GRS di Carbonia del 1995.

da vari decimetri fino ad oltre un metro. La roccia incassante è composta da quarzite microcristallina, mentre le vene sono fatte da cristalli di quarzo più grandi. In mezzo alle vene si trova una poltiglia nerastra e fine, composta da ossidi di ferro e manganese poco cristallini.

Campionamento e metodi di analisi Durante una serie di visite alla cavità sono stati raccolti numerosi campioni di minerali di varie dimensioni, spesso costituiti da croste e materiale di rivestimento delle pareti. In seguito sono state sommariamente descritte le caratteristiche macroscopiche e Fig. 4 - The vaste passage formed along a frac- i siti di provenienza. ture that characterises the cave (photo: Vittorio Crobu). / Il grande ambiente impostato lungo una I campioni sono stati quindi analizzati al faglia che caratterizza la cavità. (foto: Vittorio microscopio binoculare per distinguere le Crobu). diverse fasi mineralogiche e separarle: si è proceduto a questa prima suddivisione sul- allow any passable continuation. The total la base della morfologia, ovvero per le ca- development of the cave is around 250 me- ratteristiche di abito, lucentezza, colore ed tres. in alcuni casi anche durezza, dei minerali From a morphological point of view the presenti.

201 Fig. 5 - Quartz veins boxwork protruding from the bedrock for over half a metre (photo: Riccardo De Luca). / Boxwork di vene di quarzo che protrudono dalla roccia per oltre mezzo metro (foto: Ric- cardo De Luca). many types of corrosion forms that can be Il riconoscimento di tutte le fasi separate found along the walls of the cave are of spe- è stato fatto mediante la combinazione di cial interest (Fig. 5). In some corners dark analisi röntgenografiche con analisi chimi- brown to blackish veins (boxwork) sticking che semiquantitative. Per le analisi Rx ese- out as blades from the walls for over a me- guite presso il Dipartimento di Scienze del- tre can be seen. The host rock is composed la Terra dell’Università di Modena e Reggio of a microcrystalline quartzite, while the Emilia si è utilizzato un diffrattometro per veins are made of quartz in larger crys- polveri Philips PW1050/25 quando il ma- tals. In between these blades there is a teriale separato era quantitativamente suf- fine black soft material, composed of poorly ficiente ed omogeneo o Camere Gandolfi (Ø crystallised iron and manganese oxides. 114.6 mm, pose di 24/48 hrs) quando il materiale era scarso o difficile da separare. In Sampling and analytical methods entrambi i casi le condizioni sperimentali During a series of visits to the cave many sono state: 40Kv, 20mA, radiazione CuKα mineral samples of different size have been Ni filtrata,λ = 1.5418 A). Su tutti i campio- taken, often composed of crusts and coat- ni, in particolare sui frammentini usati per ings on the walls. The macroscopic char- le Camere Gandolfi, sono state effettuate acteristics of these samples have been de- analisi chimiche semiquantitative e riprese scribed and their exact location in the cave immagini ad alta risoluzione con uno dei signed on a map. The samples have then microscopi elettronici a scansione (ESEM been analysed under a binocular micro- Philips XL40) equipaggiato con microson- scope to distinguish and separate the dif- da (EDS – EDAX 9900) del Centro Interdi- ferent mineral phases: this first subdivision partimentale Grandi Strumenti (G.I.G.S.) of samples was based on the morphology of dell’Università di Modena e Reggio Emilia. the mineral grains, the visible mineral hab- Ulteriori analisi sono state eseguite presso itus, their luster, colour and in some cases la University of South Florida su un Diffrat- also hardness. The recognition of all the tometro Bruker Analytical X-Ray System, separated phases has been done through ed un Inc. D8 Endeavor X-Ray diffracto- the combination of the X-ray analyses and meter (XRD). L’intervallo di acquisizione è

202 the semi-quantitative chemical analyses. stato da 5º a 75º 2θ con una frequenza di For the X-ray analyses, carried out at the scatto di 0.02º, ed una velocità di scansione Department of Chemical and Geological di 0.5 s/step (condizioni analitiche uguali Sciences of Modena and Reggio Emilia allo strumento di Modena). L’identificazio- University, a Philips PW1050/25 Diffrac- ne dei minerali e la loro concentrazione è tometer has been used when the separated avvenuta in modo semi-quantitativo attra- material was sufficient and homeogeneous verso analisi dei picchi utilizzando il sof- enough to be analysed, otherwise, when tware DIFFRACPlus EVA V.8.0. the material was minimal or too difficult to separate, a Gandolfi Camera (Ø 114.6 mm, Mineralogia working time 24/48 h) was used. In both Solo cinque minerali erano conosciuti pre- cases the experimental conditions were: cedentemente nella grotta di Corona ‘e sa 40Kv, 20mA, Ni-filtered CuKα radiation, Craba (barite, calcite, aragonite, dolomite λ = 1.5418 Å). Semi-quantitative chemi- e quarzo), mentre con questo studio ne sono cal analyses have been carried out on all stati trovati altri diciannove. Tra questi, la samples, especially on the small fragments spheniscidite non era stata mai documen- used in the Gandolfi Camera, together tata in grotta, mentre la lizardite e la ro- with high resolution photographs with one bertsite risultano essere estremamente rari, of the SEMs (ESEM Philips XL40) equi- riportati fino ad oggi esclusivamente dalla ped with an electron dispersive microprobe Cupp-Couttun Cave in Turkmenistan e dal (EDS – EDAX 9900) at the Centro Interdi- St. Paul’s Underground River Cave System partimentale Grandi Strumenti (C.I.G.S.) nell’isola di Palawan (Filippine) (Maltsev, of Modena and Reggio Emilia University. 1997; Billi et alii, 2012). Dovrebbe essere Further analyses have been carried out presente anche la berlinite ma per confer- at the University of South Florida using a mare la presenza di questo minerale di alta Bruker Analytical X-Ray System diffrac- temperatura servirebbero ulteriori indagi- tometer, and an Inc. D8 Endeavor X-Ray ni. L’elenco dei minerali trovati a Corona ‘e diffractometer (XRD). Samples have been sa Craba è riportato in Tabella 1. scannerised from 5º to 75º 2θ with a step frequency of 0.02º, and a scanning speed of Silicati 0.5 s/step (the same analytical conditions of Oltre al quarzo e ad alcuni minerali argil- Modena). The identification of the miner- losi abbastanza comuni come la smectite e als and their concentrations were obtained l’illite, due altri silicati meritano di essere semi-quantitatively using the height of the citati per le loro caratteristiche genetiche. peaks analysed with the DIFFRACPlus EVA La halloysite è un minerale indicatore di V.8.0 software. attività idrotermale in un ambiente molto acido (Polyak & Güven, 1996; Perruchot Mineralogy et alii, 1997; Melka et alii, 2000; De Waele Only five minerals were previously known et alii, 2008). La lizardite (Fig. 6A), invece, from Corona ‘e sa Craba Cave (barite, cal- è un minerale che si forma per alterazione cite, aragonite, dolomite and quartz), while idrotermale (serpentinizzazione) di minera- in this study other 19 minerals have been li ricchi in magnesio come l’olivina. Prima discovered. Among these, spheniscidite was del nostro ritrovamento era stata segnalata never reported from a cave, while lizardite soltanto nella Cupp Couttun Cave in Tur- and robertsite are extremely rare, report- kmenistan (Maltsev, 1997). ed up to now only from the Cupp-Couttun Cave in Turkmenistan and from St. Paul’s Carbonati Underground River Cave System on the Is- Calcite e aragonite sono i più comuni mi- land of Palawan (Philippines) respectively nerali di grotta, mentre la dolomite è più (Maltsev, 1997; Billi et alii, 2012). Ber- rara, tranne nel caso in cui la roccia in- linite might be present, but to confirm the cassante sia costituita da dolomia (Onac, presence of this high temperature mineral 2012). Nel caso di Corona ‘e sa Craba, tut-

203 Mineral Formula Mineral Formula

Cinnabar HgS Walthierite Ba0.5Al3(SO4)2(OH)6

Hematite Fe2O3 Gypsum CaSO4·2H2O

Pyrolusite MnO2 Spheniscidite (NH4,K)(Fe,Al)2(PO4)2(OH)·2H2O

Goethite FeO(OH) Taranakite K3 (Al, Fe)3(HPO4)6(PO4)2·18H2O Todorokite Robertsite Ca Mn (PO ) O ·3H O (Mn, Ca, Hg) Mn3 O7·H2O 2 3 4 3 2 2 3+ Calcite CaCO3 Strengite Fe PO4·2H2O

Aragonite CaCO3 Hydroxylapatite Ca5(PO4)3(OH)

Dolomite CaMg(CO3)2 Vashegyite Al11(PO4)9(OH)6·38H2O

Barite BaSO4 Berlinite (?) AlPO4

Basaluminite Al4SO4(OH)10·5H2O Quartz SiO2

Alunite Kal3 (SO4)2(OH)6 Lizardite Mg3Si2O5(OH)4

Natroalunite NaAl3(SO4)2(OH)6 Halloysite Al2Si2O5(OH)4

Tab. 1 - List of minerals discovered in Corona ‘e sa Craba Cave. / Elenco dei minerali individuati nella grotta di Corona ‘e sa Craba. further investigations are needed. The list tavia, proprio per le caratteristiche quarzi- of the minerals found in Corona ‘e Sa Cra- tiche dell’ammasso roccioso, questi minera- ba Cave is reported in Tab. 1. li sono di origine recente, formati da acque di percolazione, e quindi fredde, che hanno Silicates attraversato le rocce carbonatiche cambria- Besides quartz and some common clay ne (dolomie e calcari) adiacenti. In realtà minerals of the smectite and illite groups, questi minerali non formano classici spe- two other silicates are worth mentioning leotemi quali stalattiti e stalagmiti, ma si for their genetic characteristics. Halloysite presentano come croste o polveri sui pavi- is a mineral indicative of hydrothermal ac- menti, sempre in quantità molto ridotta. tivity in a highly acid environment (Polyak & Gven, 1996; Perruchot et alii, 1997; Ossidi e Idrossidi Melka et alii, 2000; De Waele et alii, 2008). Le analisi hanno evidenziato la presenza di Lizardite (Fig. 6 A), instead, is a mineral quattro ossidi-idrossidi: ematite, pirolusite, formed by hydrothermal alteration (ser- goethite e todorokite. Si tratta generalmen- pentinization) of Mg-rich minerals such te di patine e croste molto scure o nere che as olivine. Before our discovery this min- coprono le pareti della grotta. Sono tutti eral was known only from one other cave, minerali abbastanza comuni, legati all’os- Cupp-Couttun in Turkmenistan (Maltsev, sidazione di solfuri che probabilmente si 1997). trovano disseminati nella roccia madre. Carbonates Calcite and aragonite are the most com- Solfuri mon cave minerals in the world, while do- La presenza di galena e blenda è nota nei lomite is less regularly found, unless cases giacimenti di solfuri nelle vicinanze di Co- in which the host rock is a dolostone (Onac, rona ‘e sa Craba, ma non sono mai statie- 2012).In the case of Corona ‘e sa Craba, trovatie in questa cavità. Tuttavia potreb- however, because of the quartzitic charac- bero trovarsi diffusi nella roccia incassante ter of the host rock, these minerals are of e pertanto non facilmente individuabili. Il recent origin, formed by cold drip waters cinabro rappresenta l’unico solfuro docu- that have come in contact with the neigh- mentato nella grotta, presente sotto forma bouring Cambrian carbonate rocks (dolos- di una patina rosso mattone che ricopre le tones and limestones). zone inferiori delle pareti e dei grossi massi, In reality these minerals do not form the sempre in prossimità del pavimento (Fig.

204 Fig. 6 - In situ pictures, SEM images, and diffractograms of some of Corona ‘e sa Craba Cave minerals: A. Lizardite; B-C. Cinnabar; D. Alunite; E-F-G. Spheniscidite; H. quartz boxwork bordered by iron and manganese oxides; I. Robertsite. / Immagini in situ, al SEM, al microscopio elettronico e diffrattogrammi di alcuni minerali di Corona ‘e sa Craba: A. Lizardite; B-C. Cinabro; D. Alunite; E-F-G. Sphenisci- dite; H. boxwork di quarzite circondato da ossidi di ferro e manganese; I. Robertsite. classical speleothems such as stalactites 6B-C; Fig. 7). L’origine di questo minerale and stalagmites, but are present under the è probabilmente da mettere in relazione con form of crusts or powders on the floor, and la risalita di vapori idrotermali. Ulteriori always in small quantities. analisi sono necessarie, in particolare degli isotopi stabili dello zolfo, per confermare Oxides and Hydroxides questa origine vulcanica e ipogenica. The analyses have revealed the presence of four oxides-hydroxides: hematite, py- Solfati rolusite, goethite and todorokite. In gen- I solfati costituiscono il gruppo di minera- eral these minerals form coatings or dark li più abbondanti nella grotta di Corona ‘e to black crusts that cover the walls of the sa Craba. Oltre alla barite, che qui forma cave. All these minerals are rather com- bei cristalli rossastri, giallastri, verdastri mon in caves, related to the oxidation of e bluastri, soprattutto questi ultimi mol- sulfides that were probably disseminated to apprezzati dai collezionisti, sono stati in the host rock. trovati il gesso, la basaluminite, l’alunite (Fig. 6D), la natroalunite, e la walthierite. Sulfides Quest’ultimo è un solfato di bario ed allu- The presence of galena and sphalerite is minio abbastanza raro, spesso associato reported in the mineralised bodies close all’alunite. Si forma generalmente dall’in-

205 Fig. 7 - Patches of cinnabar on a barite vein close to the floor of the cave (photo: Vittorio Crobu). / Patine di cinabro su vene di barite in prossimità del pavimento della grotta (foto: Vittorio Crobu).

to the Corona ‘e sa Craba area, but have never been found in the cave itself. These minerals might however be present in the host rock in a very diffuse way, and may maybe be hard to find. Cinnabar is the only sulfide found in the cave, and presents itself as reddish coatings that cover the lower parts of big boulders or the walls of the cave, mostly on overhanging edges (Fig. 6 B-C; Fig. 7). The origin of this mineral can be put in relation to the rising of hydrothermal vapors. Further investigations are required, especially regarding the stable S isotopes, to confirm or deny a volcanic and hypogenic origin.

Sulfates Sulfates compose the most abundant group of minerals in Corona ‘e sa Craba Cave. Besides barite, that is found in the form terazione della barite con acque termali of reddish, yellowish, greenish and bluish ricche in solfati (Li et alii, 1992). Gli altri centimetre long crystals, especially these quattro solfati sono tipici di grotte generate last ones extremely appreciated by miner- da acque ricche in acido solforico, in partial collectors, also gypsum, basaluminite, colare dall’interazione tra H2S e minerali alunite (Fig. 6D), natroalunite, and walth- ricchi in alluminio. Questi minerali sono ierite have been identified. This last min- considerati indicatori di speleogenesi di eral is a rather uncommon sulfate of bar- tipo SAS e sono stati descritti in letteratu- ium and aluminium, often associated with ra per numerose grotte sulfuree (Polyak & alunite. This mineral forms by the inter- Güven, 1996). action of barite with thermal sulfate-rich waters (Li et alii, 1992). The other four Fosfati sulfates are typical of caves formed by flu- Anche il gruppo dei fosfati è ampiamen- ids enriched in sulfuric acid, in particolar te rappresentato nella grotta di Corona ‘e through the interaction between H2S and sa Craba, con ben 6-7 specie minerali dif- aluminium-rich minerals. These minerals ferenti. Taranakite e idrossiapatite sono are considered indicators of a SAS type of minerali di grotta molto comuni, mentre speleogenesis and have been described in la Al-strengite e la vashegyite sono meno literature from a wide variety of sulfuric presenti (Onac et alii, 1995, 2006; Forti et acid caves (Polyak & Güven, 1996). alii, 2000). La robertsite (Fig. 6I) invece è un fosfato di grotta molto raro, scoperto sol- Phosphates tanto molto recentemente nella Lion’s Cave Also the phosphate group of minerals is nel St. Paul’s Underground River National widely represented in the Corona ‘e sa Cra- Park in Palawan, Filippine (Billi et alii, ba Cave, with 6-7 different mineral species. 2012). La spheniscidite (Fig. 6 E-F-G) è un Taranakite and hydroxylapatite are rather fosfato idrato che appartiene al gruppo del-

206 common cave minerals, while Al-strengite la leucofosfite, insieme al leucofosfato e alla and vashegyite are far less common (Onac tinsleyite, e rappresenta la prima segna- et alii, 1995, 2006; Forti et alii, 2000). Rob- lazione in assoluto della spheniscidite in ertsite (Fig. 6,I) instead, is an extremely ambiente di grotta. Il leucofosfato, invece, rare cave phosphate, discovered only very è stato descritto in diverse grotte, mentre la recently in a cave, Lion’s Cave in the St. tinsleyite è stata descritta in sole due cavi- Paul’s Underground River National Park tà (Marincea et alii, 2002). Il minerale è da in Palawan, in the Philippines (Billi et mettere in relazione a reazioni tra l’acido alii, 2012). Spheniscidite (Fig. 6E-F-G) is fosforico del guano di pipistrello fresco, che a hydrated phosphate that belongs to the contiene ancora molto ammonio, e la roccia leucophosphite group, together with leu- sottostante e/o circostante. Sono state an- cophosphite and tinsleyite, and represents che riscontrate nei diffrattogrammi XRD the first report of this mineral in a cave en- probabili tracce di berlinite (Onac & Whi- vironment. te, 2003). Per la formazione di questo mi- Leucophosphite, instead, has been report- nerale, tuttavia, sono richieste temperatu- ed from several caves, while tinsleyite is re molto alte (Onac & Effenberger, 2007), known only from two caves (Marincea et condizioni che sembra improbabile siano alii, 2002). Spheniscidite is formed by the state raggiunti nella cavità. Per poter con- reaction between phosphoric acid present fermare con certezza la presenza di questo in fresh bat guano, still rich in ammonium, raro fosfato di alluminio sonbo necessarie and the surrounding or underlying rocks. ulteriori approfondite indagini. Infine, le In some of the diffractograms, moreover, analisi hanno individuato anche un ossido possible traces for the presence of berlin- fosfato di piombo e molibdeno non ancora ite have been encountered (Onac & White, classificato e tutt’ora oggetto di studio. 2003). The formation of this mineral, however, Discussione: rapporti tra minerogene- requires very high temperatures (Onac & si e speleogenesi Effenberger, 2007), conditions that prob- L’associazione mineralogica della grot- ably have never been encountered in this ta di Corona ‘e sa Craba rappresenta due cave. Further more detailed analyses are ambienti minerogenetici differenti: la spe- needed to be able to ascertain the presence leogenesi da acido solforico per la quale si of this rare aluminium phosphate. Final- è formata la cavità (SAS) e il recente de- ly, the analyses have also discovered a still posito di guano. L’origine dei minerali di unidentified oxide phosphate of lead and guano è molto semplice da spiegare, anche molybdenium that requires further inves- se la presenza di spheniscidite, robertsite, tigations. vashegyite, e forse berlinite testimonia che l’ambiente di grotta è stato soggetto nel Discussion: relationships between tempo a modificazioni ambientali assai im- minerogenesis and speleogenesis portanti (umidità relativa, pH, temperatu- The mineralogical association in the Coro- ra). L’acido solforico, invece, può avere due na ‘e sa Craba Cave can be subdivided and principali origini: l’ossidazione di solfuri ascribed to two completely different min- presenti nella roccia incassante o circostan- erogenetic environments: sulfuric acid spe- te (mineralizzazioni del tipo Mississippi leogenesis environment, also responsible Valley) oppure la risalita di acque ricche di for the formation of the void itself, and the H2S dal basso (idrotermali e/o vulcaniche). recent deposits of fresh guano. Lo studio degli isotopi stabili dello zolfo po- The origin of the phosphate minerals is trebbe discriminare tra questi due possibili rather easy to explain, although the pres- fonti, geochimicamente assai diverse. Oltre ence of spheniscidite, robertsite, vashegy- a questi parametri, la composizione petro- ite, and probably berlinite demonstrates grafica della roccia incassante, con la qua- that the cave environment has been sub- si totale assenza di calcio e carbonati, ha jected to very important changes (relative avuto un ruolo certamente importante nel-

207 Fig. 8 - Corrosion morphologies in the form of deep channels that isolate quartzite columns in the deep parts of the great internal room (photo: Vittorio Crobu). / Forme di corrosione in forma di profonde scannellature che isolano colonne di quarzite nelle zone più profonde del grande salone interno (foto: Vittorio Crobu).

humidity, pH, temperature). The sulfuric acid, instead, can have two possible origins: oxidation of sulfides present in the host rock (mineralisation of Mis- sissippi Valley Type) or the rising of fluids rich in H2S (hydrothermal and/or volcanic). The study of stable isotopes of S may help to discriminate between these two hypoth- eses, since they are characterised by very different geochemical signatures. Besides these parameters, the petrographic composition of the host rock, with the alla genesi di una così ricca associazione di most total absence of calcium and carbon- fosfati. La grande abbondanza di minerali ates, has surely had a great importance in indicatori di un ambiente molto acido por- the formation of such a rich association of tano ad ipotizzare che la grotta si sia svi- phosphates and sulfates. luppata in condizioni di pH estremamente The great abundance of minerals typical basso, tali da permettere una significativa of extremely low pH conditions might in- dissoluzione del quarzo (pH inferiori a 2, dicate that dissolution of quartz probably Doerr, 1999). La presenza in vari angoli occurred (pH below 2, Doerr, 1999). della grotta di boxworks estremamente ben The presence in various parts of the cave sviluppati e di spettacolari forme di corro- of extremely well-developed boxworks and sione (Fig. 8), d’altro canto, dimostra che la spectacular corrosion forms (Fig. 8), on the dissoluzione è avvenuta in condizioni suba- other hand, demonstrates that dissolution eree, per opera di correnti d’aria e processi occurred in subaerial conditions, by air di condensazione-corrosione, forse legati currents and condensation-corrosion pro- a esalazioni gassose a loro volta ricche di cesses, maybe related to the gaseous exha- zolfo. Attualmente tali processi non sono lations rich in sulfur. più attivi. La presenza del cinabro esclusi- Today all these processes are no longer ac- vamente nelle parti più basse della grotta tive. The presence of cinnabar exclusive- sembra indicare che i fluidi che lo hanno ly in the lower parts of the cave seems to generato venivano dal basso, come vapori indicate the provenance of the fluids that idrotermali. Queste condizioni potevano generated this mineral to have come from esistere durante i periodi caratterizzati da below, like hydrothermal vapors. intensa attività vulcanica (Oligo-Miocene), These conditions might have existed la quale ha imperversato in questa par- during periods of intense volcanic activi- te della Sardegna per circa 20 milioni di ty (Oligo-Miocene), that characterised this anni. Le croste di cinabro, tuttavia, hanno part of Sardinia for over 20 million years. un aspetto molto recente, contrastando con The coatings of cinnabar, however, appear questa genesi remota. Studi sugli isotopi to be very recent, contrasting with this re- stabili dello zolfo potrebbero chiarire questi mote genesis. aspetti.

208 The study of stable isotopes of S might help Conclusioni in clarifying these aspects. La grotta di Corona ‘e sa Craba si è rilevata essere una cavità naturale di notevole inte- Conclusions resse scientifico, non solo perché formatasi The Corona ‘e sa Craba Cave has con- nella quarzite, ma anche per la sua ricca firmed to be of exceptional scientific inter- associazione mineralogica. est, not only because it is a quartzite cave, I minerali secondari, indicano che la spele- but also for its extremely rich mineralogy. ogenesi è stata controllata da acque e vapori Its secondary cave minerals indicate it to altamente acidi. Malgrado l’apparente fre- be formed by highly acid fluids and vapors. schezza di alcune morfologie parietali, pro- Despite the apparently fresh appearance of babilmente legate ad alterazioni più recen- its wall morphologies, probably due also to ti, è probabile che la cavità si sia formata recent weathering processes, it is probable durante i periodi caratterizzati da intensa that the cave initially formed during peri- attività vulcanica, quindi nell’Oligo-Mioce- ods characterised by intense volcanic activ- ne, tra 32 e 12 milioni di anni fa. Questa ity, during the Oligo-Miocene, between 32 grotta nella quarzite fornisce un emblema- and 12 million years ago. tico esempio di speleogenesi in rocce silica- This quartzite cave constitutes an emblem- tiche avvenuta in condizioni subaeree a pH atic example of speleogenesis in silicate estremamente bassi probabilmente minori rocks in subaerial conditions at extremely di 2 diversamente da quanto accade in allow pH, differently from what happens in tre aree carsiche quarzitiche del mondo, per other quartzite karst areas of the world, esempio le grotte nei Tepui in Venezuela, like the tepuis in Venezuela and Brasil, or Sud Africa o Brasile (Corrêa Neto, 2000; the quartzite karsts of South Africa (Cor- Martini, 2000), dove le grotte si formano rêa Neto, 2000; Martini, 2000), where caves principalmente per lenta dissoluzione del form mainly by the slow dissolution of the cemento e dei granuli di quarzo (areniz- quartz cement and of the quartz grains zazione) principalmente in ambiente a pH (arenisation process) in environments at meno acido con successiva e/o contempora- less acid pH and a following erosion of the nea erosione da parte di grandi fiumi sot- loose sands by underground water flows. terranei.

Acknowledgements Ringraziamenti The pictures of the minerals in situ have Le fotografie in situ dei minerali sono state been made by Laura Sanna. A special realizzate da Laura Sanna. Un sentito rin- thanks to Dr. Massimo Tonelli of the graziamento va a Dr. Massimo Tonelli del C.I.G.S. for his assistance at the SEM. C.I.G.S. per l’assistenza all’ESEM

References / Citazioni bibliografiche

Billi S., Forti P., Galli E. & Rossi A., (2012), Robertsite: De Waele J., Frau F., Muntoni A. & Cannas C., (2008), un nuovo fosfato scoperto nella Tagusan Cave (Pala- Ritrovamento di Halloysite nella Grotta Eraldo (Ba- wan – Filippine), Atti del XXI Congresso Nazionale di rega, Iglesias, Sardegna sud-occidentale), Atti del XX Speleologia, Trieste, pp. 196-199. Congresso Nazionale di Speleologia, Iglesias, pp. 245- Corrêa Neto A.V., (2000), Speleogenesis in quartzite in 254. Southeastern Minas Gerais, Brazil. In: Klimchouk Doerr S. H., (1999), Karst-like landforms and A.B., Dreybrodt W., Ford D.C. & Palmer A.N. (eds.), hydrology in quartzites of the Venezuelan Guyana Speleogenesis. Evolution of Karst Aquifers, National shield: Pseudokarst or “real” karst? Zeitschrift fur Speleological Society, Huntsville, pp. 452-457. Geomorphologie 43, pp. 1-17.

209 Forti P., Galli E. & Rossi A., (2000), Minerali ic Press, pp. 499-508. geneticamente correlati al guano in una grotta Onac B.P. & Effenberger H.S., (2007), Re-examination

naturale dell’Albania. Primo contributo, Le Grotte of berlinite (AlPO4) from the Cioclovina Cave (Roma- d’Italia 1, pp. 45-59. nia), American Mineralogist 92, pp. 1998-2001. Hill C. & Forti P., (1997), Cave minerals of the world, Onac B.P. & Forti P., (2011), State of the art and chal- second edition, National Speleological Society, lenges in Cave minerals study. Studia UBB Geologia Huntsville, 463 p. 56, pp. 33-42. Li G., Peacor D.R., Esene E.J., Brosnahan D.R. & Beane Onac B.P. & White W.B., 2003. First reported sedimen-

R.E., (1992), Walthierite, Ba0.5X0.5Al3(SO4)2(OH)6, and tary occurrence of berlinite (AlPO4) in the phosphate

Huangite, Ca0.5X0.5Al3(SO4)2)(OH)6, two new minerals bearing sediments from Cioclovina Cave (Romania), of the alunite group from the Coquimbo region, Chile, American Mineralogist 88, pp. 1395-1397. American Mineralogist 77, pp. 1275-1284. Onac B.P., Bengeanu M., Botez M. & Zih J., (1995), Maltsev V., (1997), Cupp-Coutunn Cave, Turkmeni- Preliminary report on the mineralogy of Pestera din stan. In: Hill C.A. & Forti P. (eds.), Cave minerals of Valea Rea (Bihor Mountains, Romania), Theoretical the world, Huntsville, National Speleological Society, and Applied Karstology 8, pp. 75-79. pp. 323-328. Onac B.P., Zaharia L., Kearns J. & Veress D., (2006), Marincea S., Dumitras D. & Gibert R., (2002), Tinsley- Vashegyite from Gaura cu Muscă Cave (Locvei Moun- ite in the ‘’dry’’ Cioclovina Cave (Sureanu Mountains, tains, Romania): a new and rare phosphate occur- Romania): the second occurrence. European Journal rence, International Journal of Speleology 35(2), pp. of Mineralogy 14, pp. 157-164. 67-73 Martini J.E.J., (2000), Quartzite caves in southern Af- Onac B.P., Sumrall J., Tămaş T., Povarâ I., Kearns J., rica. In: Klimchouk A.B., Dreybrodt W., Ford D.C. & Dârmiceanu V., Veress D. & Lascu C., (2009), The re-

Palmer A.N. (eds.), Speleogenesis. Evolution of Karst lationship between cave minerals and H2S-rich ther- Aquifers, National Speleological Society, Huntsville, mal waters along the Cerna Valley (SW Romania), pp. 458-461. Acta Carsologica 38(1), pp. 27-39. Melka K., Suchy V., Zeman A., Bosak P. & Langrovà A., Perruchot A., Dupuis C., Brouard E., Nicaise D. & Er- (2000), Halloysite from karst sediments of the Kone- tus E.T.R., (1997), L’halloysites karstique: comparai- prusy area: evidence for acid hydrothermal speleo- son des gisements types de Wallonie (Belgique) et du genesis in the Bohemian karst, Czech Republic, Acta Perigord (France), Clay Minerals 32(2), pp. 271-287. Universitatis Carolinae, Geologica, 44(2-4), pp. 117- Polyak V.J. & Guven N., (1996), Alunite, natroal- 124. unite and hydrated halloysite in Carlsbad Cavern Morehouse D.F., (1968), Cave development via the sul- and Lechuguilla Cave, New Mexico, Clays and Clay furic acid reaction, National Speleological Society Minerals 44(6), pp. 843-850. Bulletin 30(1), pp. 1-10. Wray R.A.L., (1997), A global review of solutional Onac B.P., (2012), Minerals. In: White W.B. & Culver weathering forms on quartz sandstone. Earth Science D.C. (eds.), Encyclopedia of Caves, Chennai, Academ- Reviews. 42, pp.137-160.

210 Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, p. 211

Mine caves in the Classical Karst of Trieste Grotte di miniera del Carso Classico di Trieste

Franco Cucchi1 & Pino Guidi2

Abstract Riassunto If “mine cave” means “a natural cave discovered Se per “grotta di miniera” si intende “una grotta during the excavation of artificial underground naturale, scoperta durante lo scavo di strutture structures such as mines and road or train tun- sotterranee artificiali, come le miniere e gallerie nels”, then there are many of these mine caves in stradali o ferroviarie”, allora ci sono molte di que- the Classical Karst of Trieste. ste grotte di miniera nel Carso classico di Trieste. Over a thousand of caves have been opened by Oltre un migliaio di grotte sono state aperte con digging and sometimes impressive rock removal degli scavi e, talvolta, con eccezionali operazioni operations: most of the time these digging opera- di rimozione della roccia: il più delle volte queste tions lasted only a few hours; for some other caves operazioni di scavo sono durate solo poche ore, per opened in this way the excavations have lasted alcune altre grotte aperte in questo modo gli scavi weeks, months or even years. The most typical sono durati settimane, mesi o addirittura anni. example of such caves is the Abisso Trebiciano, L’esempio più tipico di queste grotte è l’Abisso Tre- a cave that became the deepest in the world in biciano, una grotta che divenne la più profonda al 1841, enabling the “grottenarbeiter” to reach the mondo nel 1841, permettendo ai “grottenarbeiter” Timavo river, many kilometres from where it di raggiungere il fiume Timavo, a molti chilome- sinks in Skocjanske Jama. Also the Grotta Im- tri da dove sparisce nella Jama Skocjanske. possibile (Impossible Cave) has become worlwide Anche la Grotta Impossibile è diventata famosa famous, encountered in 2000 during the construc- in tutto il mondo, scoperta nel 2000 durante la tion of the two highway tunnels of the so-called costruzione dei due tunnel autostradali della co- “Great Road network of Trieste”, the fast connec- siddetta “Grande Rete stradale di Trieste”, il col- tion between the karst plateau and the harbour. legamento veloce tra l’altopiano carsico e il porto. Many caves, rapidly explored and often closed Molte grotte, rapidamente esplorate e spesso chiu- afterwards, have also been discovered during the se in seguito, sono state scoperte durante gli sca- excavation of the railway connection to Trieste in vi per il collegamento ferroviario con Trieste nel 1860, and the construction of the sewer tunnel 1860, e la costruzione dei condotti fognari dall’al- from the karst plateau to the city in 1960. topiano carsico alla città nel 1960.

1 Department of Mathematics and Geosciences, University of Trieste, Trieste, Italy 2 Commissione Grotte E. Boegan, Trieste

211

Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 213-228

LEAD MINE CAVES IN SOUTHWESTERN WISCONSIN, USA GROTTE MINIERE DI ZINCO E PIOMBO NEL SUD-OVEST DEL WISCONSIN, USA

Mick Day1 & Phil Reeder2

Abstract Riassunto Lead ores were mined extensively in the Drift- Durante il XIX secolo, giacimenti di piombo sono less Area of southwestern Wisconsin during the stati intensamente coltivati nella Driftless Area middle of the XIXth century, when the Upper nel S-E Wisconsin, quando il Distretto del Piom- Mississippi Valley Lead District was one of the bo della Parte superiore della Valle del Mississip- major lead-producing regions in the world. Much pi era una delle regioni a maggior produzione di of the ore was removed from caves that were ini- piombo al mondo. Molta parte del giacimento è tially entered directly from the surface or later stato estratto da grotte che inizialmente avevano intersected by vertical shafts or near-horizontal un accesso diretto all’esterno e poi sono state in- adits. Lead ore mining began around 1815, and tersecate da pozzi verticali e/o gallerie semi oriz- was most prevalent between 1825 and 1870, with zontali. La coltivazione dei giacimenti di piombo peak production in the 1840s and an almost unin- iniziò attorno al 1815 e raggiunse il suo massimo terrupted decline in production after 1850. tra il 1825 e il 1870, con il picco di produzione Ores were extracted from at least ten prominent negli anni 1840 seguito da un progressivo declino mine caves in dolostones in the Platteville and dopo il 1850. Galena Formations South of the Wisconsin Riv- La coltivazione ha interessato almeno 10 grotte- er, and the mine caves in total represent perhaps miniere importanti nelle dolomie delle Formazio- 50% of the local cave population. Among the more ni di Platteville e Galena del fiume Wisconsin: le significant lead mine caves are the St. John Mine grotte di miniera rappresentano ancora oggi pro- (Snake Cave), Dudley Cave, the Arthur and Com- babilmente il 50% di tutte le grotte dell’area. Tra pany Mine Cave, the Brown and Turley Mine and le più importanti grotte nelle miniere di piombo the Atkinson Mine Cave. Caves North of the Wis- devono essere ricordate la Miniera di St. John consin River in the Prairie du Chien Formation (Grotta dei Serpenti), la grotta Dudley, la grotta dolostones apparently yielded insignificant vol- delle miniere Arthur and Company Mine, Brown umes of ore. and Turley Mine e Atkinson Mine. Le grotte che si Mining has altered the original caves consider- aprono nella dolomia della formazione Prairie du ably, and there remains considerable evidence Chien a Nord del fiume Wisconsin, sono tra le più of the mining, including excavated and modified significative grotte di miniera di piombo anche se passages up to 15 meters wide with rooms and apparentemente fornirono volumi non significati- pillars, drill holes and mining tools. Outside the vi di minerale. caves there are extensive spoil piles, together L’attività mineraria ha alterato in maniera note- with the remains of ore smelters and abandoned vole l’aspetto originario delle grotte, lasciando al- settlements. Although none of the lead mine caves tresì notevoli tracce della coltivazione, tra cui pas- remain active industrially, they remain import- saggi scavati e/o alterati fino a 15 m di larghezza,

1 Department of Geography, University of Wisconsin-Milwaukee, Milwaukee, Wisconsin, USA. E-mail [email protected] 2 Department of Geography, Environment and Planning, University of South Florida, Tampa, Florida, USA. E-mail preeder@ usf.edu

213 ant in several contexts: they provide information sale con pilastri, perforazioni nelle pareti e attrez- about regional speleogenesis; they played a pivot- zi minerari. Fuori dalle grotte vi sono estese disca- al role in early European and African American riche insieme a scorie di fusione e villaggi abban- settlement of Wisconsin; they were economically donati. Anche se nessuno delle miniere di piombo of great significance during the XIXth century; è ancora in attività, esse sono ancora importanti and they are important now as bat hibernacula, per vari motivi: innanzitutto forniscono informa- as caving sites and in regional tourism. zioni relative alla speleogenesi regionale; hanno Keywords: lead, mines, caves, Wisconsin. giocato un ruolo essenziale nella realizzazione dei primi insediamenti Europei e Afro-Americani in Wisconsin; sono state di notevole importanza eco- Introduction nomica durante il XIX secolo; e sono importanti Lead ores were mined extensively in the oggigiorno come luogo di ibernazione per i pipistrelli e come luoghi per esplorazioni speleologiche Driftless Area of southwestern Wisconsin e turismo regionale (and adjacent portions of Minnesota, Iowa Parole Chiave: piombo, miniere, grotte, Wiscon- and Illinois) during the middle of the XIXth sin. century, when the 8000 km2 Upper Mis- sissippi Valley Lead District (Fig. 1) was Introduzione one of the major lead-producing regions Durante la metà del XIX secolo, giacimenti in the world (Smith, 1929; Schafer, 1932). di piombo sono stati intensamente coltivati Much of the ore was removed from caves in tutta la Driftless Area del SO del Wiscon- that were initially entered directly from sin (e delle adiacenti porzioni del Minneso- the surface, sometimes via springs, or later ta, Iowa e Illinois). In quel tempo gli 8000 intersected by vertical shafts or near-hor- km2 del Distretto del Piombo della Upper izontal adits. Meaningful lead ore mining Mississippi Valley (Fig. 1) era uno delle re- by Europeans began around 1815, pursu- gioni al mondo con maggiore produzione di ant to local negotiations with Native Amer- piombo (Schafer, 1932; Smith, 1929). ican inhabitants, but lead mining boomed Molta parte del minerale era estratta da grotte, che inizialmente si aprivano direttamente all’esterno, talvolta come sorgenti, o che, più tardi, furono intersecate da pozzi verticali o gallerie suborizzontali. Una certa attività di estrazione del piombo fu iniziata dagli Europei attorno al 1815, a seguito di trattati locali con i Nativi Ame- ricani, ma la coltivazione dei giacimenti di piombo “esplose” attorno al 1927, a seguito della sconfitta militare patita dalle tribù ribelli dei Nativi. L’attività mineraria si è sviluppata essenzialmente tra il 1825 e il 1870, con un picco nella produzione negli anni 1840 seguito da un progressivo declino dopo il 1850. (Smith, 1929; Schafer, 1932). Nel 1940 il SO del Wisconsin era responsabile per oltre il 50% della produzione di Pb di tutti gli Stati Uniti ed in quel tempo il distretto minerario aveva oltre il 50% della popolazione di tutto lo stato (Schafer, 1932). Il principale utilizzo del piombo era la pro- Fig. 1 - Location of the Upper Mississippi Val- duzione della vernice bianca, anche se ve- ley Lead Mining District (Reeder & Day, 1989) / niva utilizzato per altri scopi, comprese le Localizzazione del distretto minerario del piombo cartucce da caccia, le pallottole, i tubi e la nella Upper Mississippi Valley (Reeder & Day, 1989) lastre di piombo, le batterie, pesi da bilan-

214 around 1827, following the military defeat cia, la produzione del peltro, vasellame e of resistant Native American tribes. Min- caratteri da stampa (Merrill, 1912; Clark, ing was most prevalent between 1825 and 1976; Anonimo, 1996). Strategicamente il 1870, with peak production in the 1840s Distretto del Piombo della Upper Mississip- and an almost uninterrupted decline in pi Valley era la prima fonte nazionale per production after 1850 (Smith, 1929; Scha- questo minerale fondamentale, riducendo fer, 1932). Southwestern Wisconsin was la necessità di importarlo dalla Gran Bre- responsible for more than 50% of all US tagna (Conzen, 1997). lead production in 1840, by which time Anche se è stata da tempo riconosciuta l’im- the district also accounted for more than portanza storica, economica e sociale delle 50% of the territorial population (Schafer, miniere di piombo del Wisconsin (Chamber- 1932). lin, 1882; Strong, 1883; Grant, 1906; Mer- The primary use for the lead was the man- rill, 1912; Paul & Paul, 1977; Roe, 1991; ufacture of white paint, although it was Conzen, 1997; Nesbit & Thompson, 2004), also used for other purposes, including the nella letteratura spleologica è stato finora production of lead shot, bullets, lead piping poco considerato il ruolo giocato dalle grot- and sheeting, lead-acid batteries, weights te nella estrazione mineraria e la oggettiva and measures, pewter, pottery glazes and convergenza tra miniere e cavità naturali, printing type (Merrill, 1912; Clark, 1976; tanto da renderle in alcuni casi indistin- Anonymous, 1996). Significantly, the Up- guibili (Reeder & Day, 1989, 1990). per Mississippi Valley Lead District was America’s first domestic source of the stra- Situazione geologica tegic mineral, lessening its dependence on Le grotte del SO del Wisconsin sono essen- imports from Britain (Conzen, 1997). zialmente piccole e non forniscono quindi Although the historical economic and so- particolari interessi sportivi, anche se pre- cial significance of Wisconsin lead mining sentano rischi come in tutte le altre grotte has long been recognized (Chamberlin, (Day & Kueny, 1990), ma sono invece di un 1882; Strong, 1883; Grant, 1906; Mer- certo interesse scientifico D ( ay, 1986a,b,c, rill, 1912; Paul & Paul, 1977; Roe, 1991; 1988, 2001, 2009; Day et alii, 1989; Mueller Conzen, 1997; Nesbit & Thompson, 2004), & Day, 1997; Terlau & Day, 1997; Swayne the role that caves played in mining and et alii, 2004; Pipes & Day, 2006). Essenzial- the convergence between caves and mines, mente le grotte del SO del Wisnonsin hanno almost to the point that the two became in- giocato un ruolo fondamentale, anche se a distinguishable, has received only limited tutt’oggi poco riconosciuto, nella storia ini- attention in speleological outlets (Reeder ziale degli Europei focalizzati sulla estra- & Day, 1989, 1990). zione del piombo, che ha caratterizzato da un lato lo sviluppo economico e dall’altro la Geological Setting creazione di comunità permanenti di Euro- Caves in southwestern Wisconsin are pei. mostly of limited dimensions and pose only La roccia incassante è essenzialmente co- minor recreational challenges, although stituita da carbonati delle formazioni Plat- they are not without scientific interest teville, Decorah e Galena dell’Ordoviciano (Day, 1986a,b,c, 1988, 2001, 2009; Day et medio, spesso aggregate come Gruppo Sin- alii, 1989; Mueller & Day, 1997; Terlau nipee, e contiene giacimenti di tipo Misssis- & Day, 1997; Swayne et alii, 2004; Pipes & sippi Valley a solfuri di piombo (galena) e Day, 2006) and they pose similar hazards di zinco (sfalerite), che si sono formati per to caves elsewhere (Day & Kueny, 1990). la risalita di fluidi idrotermali lungo di- More significantly, however, southwestern scontinuità della roccia durante la parage- Wisconsin caves played a critical yet poorly nesi carsica (Heyl et alii, 1959, 1970). acknowledged role in the early European Lo spessore totale del Gruppo Sinnipee è di history of the state as the focus of lead ore oltre 100 m, con la Formazione Platteville mining, which catalyzed economic devel- di circa 25 m di spessore, costituita preva-

215 opment and permanent European settle- lentemente da dolomie a tessitura da fine a ment. media, di colore da grigio a camoscio, e la The host rocks, primarily Middle Ordovi- Formazione Galena di 80 m circa di dolo- cian-aged carbonates of the Platteville, mie scistose granulari, cristalline e a gra- Decorah and Galena Formations, often ag- nulosità grossolana con giacitura variabile glomerated as the Sinnipee Group, contain e di color camoscio (Day et alii, 1989). Studi Mississippi Valley type lead sulfide (gale- precedenti descrivono le dolomie come mol- na) and zinc sulfide (sphalerite) ores which to porose e alterate a formare forme scabrose were emplaced hydrothermally along bed- irregolari (Grant, 1906). Queste formazioni rock discontinuities during cave paragene- sono state intensamente fratturate durante sis (Heyl et alii, 1959, 1970). The Sinnipee la deformazione tettonica che ha interessato Group has a cumulative thickness in excess la regione e che ha portato alla formazione of 100 m, with the Platteville Formation dell’anticlinale del Wisconsin Arch duran- being dominantly fine to medium-textured, te il Paleozoico, e si sono sviluppati grandi grey to buff dolostones about 25 m in thick- giunti sia verticali che a basso angolo con ness, and the Galena Formation consisting estensione di per anche 3 km in orizzontale of some 80 m of variably bedded, buff, shal- e 90 metri in verticale (Agnew, 1963; Holst, ey dolostones (Day et alii, 1989). Earlier ac- 1982). Le faglie e i giunti furono poi allar- counts describe the dolostones generally as gati per dissoluzione e scivolamento di stra- granular, crystalline, coarse-grained, po- ti sia prima che durante la messa in posto rous and weathering into rough, irregular dei giacimenti (Agnew, 1963). Le dolomie forms (Grant, 1906). They were extensive- sono state sottoposte a vasta e complessa ly fractured during regional tectonic de- diagenesi (Smith & Simo, 1997), con conse- formation and formation of the anticlinal guente messa in posto di un ben sviluppato Wisconsin Arch during the Paleozoic, and paeokarst (Mai & Dott, 1985; Smith et alii, well-developed vertical and inclined joints 1993, 1996). have been traced for up to three kilometers Il giacimento di piombo e zinco fu proba- horizontally and ninety meters vertical- bilmente messo in posto da brine connate, ly (Agnew, 1963; Holst, 1982). Joints and bacinali, ricche in minerali, che risalivano faults were subsequently accentuated by a seguito di una precedente fase aggressiva dissolution and slumping of beds both be- di speleogenesi idrotermale (Hedges & Ale- fore and during emplacement of the ore de- xander, 1985). posits (Agnew, 1963). The dolostones have Queste brine possono aver migrato anche undergone extensive and complex diagene- centinaia di chilometri verso Nord attra- sis (Smith & Simo, 1997) and there is a con- verso il Bacino dell’Illinois e sul fianco siderable paleokarstic legacy (Mai & Dott, ovest dell’anticlinale del Wisconsin Arch a 1985; Smith et alii, 1993, 1996). seguito dell’attività tettonica nella regione The lead-zinc ores were probably deposit- del Tennessee-Arkansas durante il Trias ed by ascending mineral-rich connate ba- inferiore e il Perm superiore (Kutz & Spry, sinal brine solutions, possibly following 1989; Dott & Attig, 2004). Le brine risa- aggressive pre-ore phases of hydrothermal lendo e raffreddandosi sono diventate so- speleogenesis (Hedges & Alexander, 1985). vrasature causando la precipitazione dei The brines may have migrated hundreds of minerali a profondità inferiori ai 300 m e kilometers northward through the Illinois a temperature di 95-150oC (Dott & Attig, Basin and up the western flank of the an- 2004). La copertura impermeabile di sci- ticlinal Wisconsin Arch following tectonic sti Maquoketa ha impedito una ulteriore activity in the Tennessee-Arkansas region migrazione verso l’alto del fluido minera- during the early Triassic or late Permian lizzante, concentrando così la deposizione (Kutz & Spry, 1989; Dott & Attig, 2004). dei giacimenti nella parte sommitale delle Ascending and cooling brines became su- dolomie, piuttosto che a grande profondità. persaturated, prompting ore precipitation Successivamente, soprattutto dove gli scisti at depths less than about 300 m and at sovrastanti erano stati fratturati dall’ero-

216 Fig. 2 - The historical Upper Mississippi Valley Lead Min- ing District (Chandler, 1829). / L’area storica del distretto minerario del piombo nella Upper Mississippi Valley (Chandler, 1989).

temperatures of 95-150oC (Dott & Attig, sione, l’acqua di infiltrazione meteorica ha 2004). The overlying, impermeable Maquo- ulteriormente modificato le grotte e inol- keta shale inhibited further upward mi- tre ha diluito le soluzioni termominerali e gration of the ore fluid, concentrating ore finalmente ha scaricato fuori le brine, la- deposition in the upper dolostones, rather sciando in posto i depositi minerari resi- than at greater depth. Particularly where duali (Heyl et alii, 1959, 1970). the overlying shale was breached by subse- Il punto focale dell’attività mineraria si è quent erosion, the caves were further mod- avuto essenzialmente nella Grant County a ified by meteoric water, which was drawn Sud del Fiume Wisconsin, con espansioni into the system from the surface, diluting anche nelle aree vicine degli stati dell’Il- the mineral-rich solutions and eventually linois, Iowa e Minnesota (Fig. 1 & 2). In flushing out the concentrated brines, leav- ogni caso, però queste località adiacenti, ing the residual ores (Heyl et alii, 1959, che occuparono un’aree minore di quella 1970). in Wisconsin, erano caratterizzate da un The principal mining focus in Wisconsin contesto geologico analogo e le loro grotte was South of the Wisconsin River, partic- miniera di piombo era altrettanto impor- ularly in Grant County, with the industry tanti dal punto di vista della coltivazione extending also to neighboring portions of mineraria (Reeder & Day, 1989, 1990). Fu- the states of Illinois, Iowa and Minneso- rono fatte anche prospezioni a Nord del fiu- ta (Fig. 1 & 2). Although these adjacent me Wisconsin, ma le grotte qui sviluppatesi locales were of smaller area than that in nella vecchia formazione della Prairie du Wisconsin, their geologic context is analo- Chien avevano al loro interno insignifican- gous and lead mine caves there were also ti quantitativi di piombo, pur contenendo important ore producers (Reeder & Day, un poco di zinco e di rame (Paull & Paull, 1989, 1990). Some prospecting in Wiscon- 1977, 1988). sin occurred North of the Wisconsin River, La stretta correlazione esistente tra il carso but caves there, formed in the older Prai- e le grotte del SE Wisconsin, i giacimenti di rie du Chien Formation apparently yielded piombo e le grotte piò risultare ovvia agli insignificant volumes of lead ore, although speleologi e fu chiaramente compresa an- containing some zinc and copper (Paull & che dai minatori e dai rilevatori dell’epoca Paull, 1977, 1988). (Owen, 1844; Whitney, 1854), ma sicura- The explicit relationship between the mente non è stata sufficientemente enfatiz- southwestern Wisconsin karst and caves, zata nei report storici e quindi scarsamente

217 lead ores and mines may be obvious to a compresa da un pubblico più generale. In speleological audience and was clearly un- parte questo è accaduto perché non era sta- derstood by the miners themselves and by to completamente capito il meccanismo di contemporaneous surveyors (Owen, 1844; sostituzione alla base della formazione del Whitney, 1854), but it has been inade- giacimento, ma soprattutto perché in gene- quately emphasized in historical accounts, rale prevale un concetto errato di cosa sia and is subsequently poorly understood by in effetti una grotta, a prescindere dalle sue broader audiences. In part this results from dimensioni. incomplete understanding of the ore em- Fondamentalmente le grotte sono delle ca- placement mechanism, but it also reflects a vità nella roccia incassante, senza relazione general misconception of what constitutes alla loro dimensione o meccanismo geneti- a cave, particularly with respect to size. co, di cui la categoria carsica (numerica- Fundamentally, caves are natural under- mente dominante) è caratterizzata da per- ground bedrock cavities, regardless of di- corsi idrologici associati alla dissoluzione mensions or formative mechanisms, those della roccia carbonatica e all’aumento della within the (numerically dominant) karstic permeabilità secondaria e terziaria (Ford & category being hydrological pathways asso- Williams, 2007). Pertanto, l’aspetto e la di- ciated with carbonate rock dissolution and mensione relativamente al possibile accesso increasing secondary and tertiary permea- umano è irrilevante, pertanto i giacimenti bility (Ford & Williams, 2007). As such, as- di piombo sia nelle cavità transitabili sia pect and size in respect to human ingress nelle fessure, fratture e piani di strato più are irrelevant, so the lead ores both in the piccoli debbono essere considerati giaci- enterable passages and in the smaller fis- menti di grotta e la loro coltivazione è stata sures, fractures and bedding planes con- effettuata attraverso lo scavo di complesse stituted cave ores, and their exploitation grotte-miniera in parte costituite da am- was accomplished through the excavation bienti naturali (grotte) e in parte da am- of cave-mine complexes that were partly bienti antropogenici (miniere). Inutilmente natural (caves) and partly anthropogenic Calvin & Bain (1899) hanno classificato le (mines). Calvin & Bain (1899) unhelpful- masse mineralizzate a piombo in 5 differen- ly classified the lead ore bodies into five ti categorie, compreso una, la principale, categories, including a discrete, although chiamata deposti di grotta (Fig. 3). Ma da major type termed cave deposits (Fig. 3), un punto di vista scientifico, piuttosto che but from a scientific rather than practical pratico, tutti i depositi sono effettivamente perspective all the ores were effectively dei giacimenti di grotta, senza dover tener cave deposits, regardless of cavity size or presente la dimensione della cavità o se le whether the ores partially or completely mineralizzazioni riempivano parzialmen- filled cavities, and whether they existed as te o totalmente le cavità stesse, ovvero se sheets, larger masses or were mixed with stratificate, grandi masse o ancora mesco- clastic fills. More recent classifications do late con riempimenti clastici. Le classifica- not recognize caves explicitly, but classify zioni più moderne ancora non riconoscono ore bodies according to their association esplicitamente le grotte, ma suddividono i with vertical joints (gash-vein deposits), giacimenti sulla base del loro rapporto con inclined fractures (pitches), bedding planes le diaclasi verticali (depositi di vena irre- (flats) or as disseminated depositsE ( vans golare), fratture inclinate (deposti di stra- & Cieslik, 1985). Other typologies recog- to inclinato) o con piani di stratificazione ( nize clearly speleogenic categories such as depositi piani), o ancora siano disseminati vug linings, solution-collapse breccias and nella roccia (Evans & Cieslik, 1985). Al- paleokarst replacement bodies (Kutz & tre tipologie si riferiscono chiaramente a Spry, 1989). categorie speleogenetiche come per esempio concrezionamenti di vuoti, brecce di dis- Mining and Caves soluzione-collasso, e masse da sostituzioni Native Americans excavated lead ore in paleocarsiche (Kutz & Spry, 1989).

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Attività Mineraria e Grotte I Nativi Americani coltivarono in piccole quantità i giacimenti di piombo in depositi di superficie fessure, nelle valli dove i “frammenti isolati” erano stati erosi dalle fessure della roccia incassante e nelle grotte di facile accesso (Thwaites, 1894, 1895; Paull & Paull, 1977, 1988; Roe, 1991). Tecniche simili di coltivazione furono im- piegate anche dai primi minatori Europei alla fine del 1600 e all’inizio del 1700, con l’utilizzo in particolare di “scavi” in superficie o molto vicino alla superficie, che hanno dato luogo a pozzi simili a doline (Fig. 4), e con la rimozione del minerale da sorgenti, ingressi di grotta e gallerie sotterranee più o meno orizzontali lungo i piani di stratificazione (Owen, 1844; Meeker, 1872; Bain, 1906; Wright, 1915; Merrill, 1912; Grosh, Fig. 3 - Idealized Cross-Section of an Ore-Bea- 1960). Questi passaggi sono stati in segui- ring Zone in Galena Dolostone (Calvin & Bain, 1899). / Sezione trasversale teorica di un’area con to allargati da ingressi e tunnel minerari, mineralizzazione a galena nella dolomia (Calvin alcuni dei quali partivano da passaggi na- & Bain, 1899). turali di grotta o da sorgenti, ma ve ne sono anche altri scavati su fessure un tempo small quantities from surface deposits in impenetrabili, soprattutto sui fianchi del- crevices, in valleys where “floats” had been le valli, nella speranza di raggiungere più eroded from bedrock fissures, and in acces- ampi giacimenti all’interno di grotte impo- sible caves (Thwaites, 1894, 1895; Paull & state sui piani di stratificazione ma prive di Paull, 1977, 1988; Roe, 1991). Similar ex- accessi naturali (Roe, 1991). Col progredire cavation techniques were employed by the delle tecniche minerarie, ai passaggi oriz- earliest European miners in the late 1600s zontali delle grotte e le gallerie artificia- and early 1700s, with an emphasis on sur- li inclinate si aggiunsero i pozzi verticali, face and near-surface “diggings”, which produced pits similar to dolines (Fig. 4), and on removal of ore from springs, cave entrances and accessible, more-or-less horizontal cave passages formed along bedding planes (Owen, 1844; Meeker, 1872; Bain, 1906; Merrill, 1912; Wright, 1915; Grosh, 1960). These passages were subsequently augmented by sloping mined tunnels or adits, some diverging from known cave passages or commencing at springs but others bored into previously unpene- trable fissures, particularly in valley sides, which it was hoped would lead to larger ore bodies within bedding-plane caves Fig. 4 - Valley-side lead diggings (Originally from without natural entrances (Roe, 1991). As Harper’s Magazine, 1861; Nesbit & Thompson, mining technology advanced, horizontal 2004). / Scavi per la ricerca del piombo nel fianco cave passages and sloping adits were fur- vallivo (originariamente da Harper’s Magazine, ther complemented by excavated vertical 1861; Nesbit & Thompson, 2004).

219 shafts via which ores within vertical joints and faults or from lower lateral workings could be accessed and removed (Fig. 5). En- terable caves, smaller fissures, pits, adits and shafts eventually became amalgamat- ed into extensive, multi-faceted mine cave complexes involving labyrinths of active faces, horizontal and vertical extraction networks and, in some cases, seasonal (winter) dwellings (Schafer, 1932). Most of the lead mining operations were in near-surface locations, with few sections of mines at depths exceeding 30 m. Most of the mines were essentially dry, although some coincided with springs and others intersected water-filled fissures and occasionally larger conduits from which, if the ore deposits were deemed worthwhile, water was drained via inclined troughs from the working faces to the valley-side mine entrances. Steam-driven pumps were employed only in limited circumstances, beginning in the mid 1800s, although this be- Fig. 5 - Cross-Section of a Lead Mine Cave (Owen, 1844). / Sezione trasversale di una grotta miniera came more common in the 1900s when ore pimbifera (Owen, 1844). bodies (mostly zinc) of significant volume were mined below the water table. da cui era possibile raggiungere e coltivare Mine Caves giacimenti lungo le diaclasi e faglie verti- Most mine cave operations were small- cali o raggiungere lavori laterali da cui il scale, often involving only a few self-em- minerale potesse essere portato all’esterno ployed miners, but increasingly larger lead (Fig. 5). Le grotte accessibili, le piccole fes- cave mines, operated by companies that sure, i pozzi minerari, le gallerie e i vuoti hired workers on a more-or-less regular naturali furono alla fine amalgamati tra basis came into existence, and it is these loro per dar luogo a multiformi complessi that have left the most visible evidence of di miniera-grotta comprendenti parti atti- the lead mining boom. Lead (and subse- ve, lavori di estrazione verticali e/o oriz- quently zinc) ores were extracted from at zontali e anche, in alcuni casi abitazioni least ten prominent mine caves in south- stagionali (invernali) (Schafer, 1932). La western Wisconsin South of the Wisconsin quasi totalità dell’estrazione del piombo si River, and the mine caves in total repre- sviluppava in aree poco profonde, con po- sent perhaps 50% of the local cave popu- che sezioni di miniera più profonde di 30 lation. Among the more significant lead m. Quasi tutte le miniere erano asciutte, mine caves are the St. John Mine (former- anche se alcune coincidevano con sorgenti ly known as Snake Cave), part of which e altre avevano intersecato fessure riempite is now a tourist attraction located in the d’acqua. Solo occasionalmente erano stati town of Potosi (Fig. 6), and the mine caves incontrati dreni maggiori da cui, se il giaci- of the Beetown District. Snake Cave was mento era considerato interessante, l’acqua probably that visited by the French explor- era drenata per mezzo di canalette inclina- er Pierre-Charles Le Sueur in 1700, and te dal fronte di escavazione fino all’entrata was renamed the St. John Mine after lead delle miniere sul fianco della valle. Pompe prospector Willis St. John in 1831 (Reeder a vapore sono state utilizzate solamente & Day, 1990). It is probably the most ac- in poche occasioni, a partire da metà del

220 cessible of the former lead mine caves in 1800, tecnica questa che è diventata invece southwestern Wisconsin, and shows clear più comune nel 1900 quando importanti evidence of mining in numerous galleries, giacimenti (essenzialmente di zinco) furono most in about 300 m of three parallel pas- coltivati sotto il livello piezometrico. sages at a single level oriented ESE-WNW (Fig. 6). Grotte di Miniera Other important mine caves include those All’inizio quasi tutte le attività minerarie grouped in an area formerly known as the in grotta erano a piccola scala, spesso coin- Muscalunge Diggings after a now aban- volgendo solo pochi minatori autonomi, più doned eponymous settlement. These in- tardi nacquero miniere più grandi, gestite clude Dudley Cave, the Arthur and Com- da Compagnie che assumevano regolar- pany Mine Cave, the Brown and Turley mente lavoratori in maniera più regolare, Mine and the Atkinson Mine Cave (Fig. 7) e sono proprio queste ultime che hanno la- (Peterson, 1969), from which some 40,000 sciato le maggiori tracce del boom mine- tonnes of ore were removed between its rario del piombo. Il piombo (e successiva- discovery in 1856 and 1880. The Atkinson mente lo zinco) furono estratti da almeno Mine Cave was initially entered via a 20 10 maggiore miniere nel SO Wisconsin a m shaft, which was followed by three more Sud del fiume omonimo, e le grotte di mi- shafts and an adit as the extent of the ore niera rappresentano almeno il 50% di quel- body was recognized. The adit remains the le attualmente conosciute: Tra le più im- principal entrance to the workings, which portanti grotte-miniera di piombo ci sono consist of over 3 km of passage typically 1-5 la St. John Mine (prima nota come Snake m in height and extending over several lev- Cave), che è diventata oggigiorno un’attra- zione turistica della città di Potosì (Fig. 6), e le grotte miniera del Distretto di Beetown. Probabilmente, nel 1700, la Snake Cave fu visitata dal famoso esploratore francese Pierre-Charles Le Sueur e fu quindi rino- minata St. John Mine in onore del cercato- re di piombo Willis St. John in 1831 (Ree- der & Day, 1990). Questa è probabilmente la più facilmente accessibile tra le antiche grotte-miniera di piombo del SO Wisconsin e mostra chiare evidenze di lavori minerari in molte gallerie, la maggioranza delle quali si trovano in circa 300 m di tre passaggi paralleli in un singolo livello orientato ESE-ONO (Fig. 6). Altre grotte importanti sono raggruppate in un’area anticamente conosciuta come Scavi Muscalunge da un omonimo insediamen- to oggi abbandonato. Tra queste le grotte più famose sono la Dudley Cave, Arthur and Company Mine Cave, Brown and Tur- ley Mine e la Atkinson Mine Cave (Fig. 7) (Peterson, 1969), da cui sono state estratte circa 40.000 tonnellate di minerale nel periodo tra la sua scoperta nel 1856 e il 1880. Inizialmente l’accesso alla Atkinson Mine Fig. 6 - Map of the St. John’s Mine (Snake Cave), Cave avveniva attraverso un pozzo di 20 Potosi, Grant County. / Mappa della St. John’s metri, a cui poi si aggiunsero altri tre pozzi Mine (Grotta dei serpenti), Potosi, Grant County. e una galleria di accesso, quando fu chia-

221 Fig. 7 - Map of the Atkinson Mine Cave, Grant County (Peterson, 1969). / Mappa della Atkinson Mine Cave, Grant County (Peterson, 1969). els in primarily northeast-southwest and ra l’estensione del giacimento. La galleria east-west directions (Fig. 7). Elsewhere, è ancora oggi l’accesso principale ai lavori other significant deposits were removed minerari, che consistono in oltre 3 km di from the Brown-Thomas mine cave, Buster passaggi, normalmente alti 1-5 metri e che mine cave and the Shullsburg mine caves si estendono su vari livelli essenzialmente (Cronon, 1971). in direzione NO-SE e E-O (Fig. 7). Altrove Many of the mine caves were of limited di- grandi depositi di minerale furono aspor- mensions both before and after mining, with tati dalle grotte- miniera Brown-Thomas, many being large enough to accommodate Buster e Shullsburg (Cronon, 1971). only one or two miners at the working face, Molte delle grotte-miniera erano di picco- with perhaps one or two others transport- le dimensioni sia prima che dopo l’attività ing the ore to windlass-equipped removal mineraria: infatti molte erano larghe sola- shafts or other exits (Fig. 8 & 9). Neverthe- mente quanto bastava per ospitare uno o less, in both small and larger mines mining due minatori sul luogo dello scavo, con al has altered the original caves considerably, massimo altri uno o due per trasportare il and in many locations there remains con- minerale ai pozzi di sollevamento, equipag- siderable evidence of the mining activity, giati con un verricello, o fuori dalla galleria including excavated and modified passages di accesso (Fig. 8 & 9). Tuttavia sia nelle up to fifteen meters wide with rooms and piccole che nelle grandi miniere le grotte pillars, rock spoil, drill holes and mining sono state fortemente modificate e in mol- tools. Ore deposits ranged from thin wall te località è possibile vedere chiaramente and ceiling sheets a few centimeters in gli effetti dell’attività estrattiva, come pas- thickness to dense accumulations exceed- saggi allargati o scavati fino a 15 metri di ing 0.5 m in width or depth, with the most larghezza, sale con pilastri, perforazioni profuse deposits associated with wide ver- nelle pareti e attrezzi minerari. Le minera- tical fissures, which in some cases reached lizzazioni potevano essere rappresentate da 15 m in width (Lapham, 1846). In some croste di pochi centimetri che ricoprivano il instances lead ore was obscured by sub- soffitto e le pareti o grossi accumuli fino a

222 Fig. 8 - Cave lead miners at work (Nesbit & Thompson, 2004). / Minatori di piombo al lavoro (Nesbit & Thompson, 2004).

sequent speleothem formation, in others 0,5 m di spessore; i più comuni depositi era- ore was intermixed with clastic deposits, no poi associati con larghe fessure subver- particularly autochthonous cave clays and ticali, che in alcuni casi raggiungevano la allochthonous loess (Day, 1988). larghezza di 15 m (Lapham, 1846). A volte Most mine caves have both lateral and ver- il minerale di piombo era nascosto sotto tical components, reflecting the emplace- speleotemi più giovani, mentre in altri casi ment of ores along a variety of disconti- era mescolato con depositi clastici, in par- nuities such as joints, faults and bedding ticolare argilla autoctona e loess alloctono planes. Lateral mine passages essentially (Day, 1988). La maggioranza delle grotte di represent excavation along bedding planes, miniera presentano uno sviluppo sia verti- while vertical shafts may be the result of cale che orizzontale, in concordanza con la ore digging along vertical fissures or may disposizione del minerale lungo varie di- reflect vertical connections between differ- scontinuità come diaclasi, faglie e piani di ent horizontal mine levels. Some vertical stratificazione. Le parti suborizzontali del- shafts were primarily used for removal of le miniere seguono essenzialmente i piani ore from underlying lateral mine tunnels, di stratificazione, mentre i pozzi verticali and others provided ventilation to lower possono essere la conseguenza dello scavo working levels. Predictably, the largest del minerale lungo fratture verticali o possono essere invece connessioni artificiali tra differenti livelli orizzontali. Alcuni pozzi verticali furono usati essenzialmente per la rimozione del minerale da sottostanti passaggi suborizzontali laterali, mentre altri servivano per la ventilazione dei piani sottostanti. Logicamente i vuoti minerari maggiori sono quelli delle mineralizzazioni di interstrato e nelle diaclasi subverticali, che poi sono i posti in cui ci si sarebbe aspettato il massimo di dissoluzione e quindi lo sviluppo di grotte. Evidenza dell’atti- vità mineraria abbondano nelle zone di coltivazione abbandonate, soprattutto come frammenti di roccia lungo le gallerie e perforazioni nelle pareti. I passaggi modificati dalla coltivazione mineraria spesso eviden-

Fig. 9 - Lead ore ready for removal from a cave (Nesbit & Thompson, 2004). / Minerale di piombo pronto per essere asportato da una grotta (Nesbit & Thompson, 2004).

223 mined passages appear to be where both ziano sezioni molto più rettangolari di quel- ore-bearing bedding planes and ore-filled le dei passaggi non interessati dai lavori e vertical fissures (joints) intersected, which inoltre evidenziano pilastri e gallerie subo- is also where one would expect rock disso- rizzontali, che generalmente sono inclinate lution and cave development to occur. verso i fianchi delle valli. Fuori dalle grotte Evidence of the mining activity abounds miniera ci sono estese discariche, assieme in the abandoned workings, particular- a residui di fusione e insediamenti abban- ly in the form of rock spoil along passage donati come English Hollow, Muscalunge e perimeters and drill holes in remaining Gratiot’s Grove (Kimmerer, 1989; Nesbit & bedrock. Mined passages are often nota- Thompson, 2004; Palmer, 2008). bly more rectangular in cross-section than non-mined passages, with obvious rem- Eredità delle Grotte Miniera di Piom- nant pillars, and adits generally slope to- bo wards valley sides, where most natural Anche se oggigiorno in nessuna grotta-mi- passages are near-horizontal. Outside the niera di piombo vi è un’attività industriale, cave mines there are extensive spoil piles, loro rimangono importanti in vari contesti. together with the remains of ore smelters Primo: contengono un insieme di minera- and abandoned settlements such as En- li di grotta assolutamente peculiare per la glish Hollow, Muscalunge and Gratiot’s regione, che fornisce anche informazione Grove (Kimmerer, 1989; Nesbit & Thomp- sull’evoluzione speleogenetica locale (Pipes son, 2004; Palmer, 2008). & Day, 2006). Tradizionalmente le grotte del SW Wisconsin sono state considera- Lead Mine Cave Legacies te prodotti della “normale” dissoluzione Although none of the lead mine caves re- del carbonato ad opera di acque aggressi- main active industrially, they remain im- ve di infiltrazione meteorica (Bretz, 1938; portant in several contexts. First, they con- Day, 2009), ma i loro depositi di solfuri di tain a regionally distinctive suite of cave piombo e zinco e la presenza di altri solfu- minerals, and they provide information ri di grotta quali marcasite, pirite, barite about regional speleogenesis (Pipes & Day, (Evans & Cieslik, 1985) suggeriscono che i 2006). Southwest Wisconsin caves have processi idrotermali debbono aver giocato traditionally been considered to be the un ruolo importante nella loro formazione. product of “normal” carbonate dissolution Come altre grotte idrotermali queste sono by aggressive meteoric solutions (Bretz, state sottoposte a forti gradienti di tempe- 1938; Day, 2009), but their lead-zinc sulfide ratura, alti flussi idrici in entrata e usci- ore deposits and the presence of sulfur-rich ta, ossidazione dei solfuri, e miscela di ac- cave minerals such as marcasite, pyrite que di differente chimismo: tutto questo ha and barite (Evans & Cieslik, 1985) suggest causato una dissoluzione accelerata che ha that hydrothermal processes may have contribuito a causare collassi e la forma- played a significant role in their formation. zione di brecce (Dublyansky, 2000a, 200b). Like other hydrothermal caves, they have La corrosione da acido solfidrico può anche experienced elevated temperature gra- aver giocato un ruolo nello sviluppo di que- dients, elevated rates of water input and ste grotte dato che l’acido solforico deriva discharge, oxidation of hydrogen sulfide, normalmente dall’ossidazione dell’acido and the mixing of waters of contrasting solfidrico o dei solfuri di ferro presenti nei chemistry, resulting in enhanced dissolu- bacini sedimentari (Palmer, 1991). Infine tion, collapse and brecciation (Dublyansky, è stato anche suggerito (Mylroie, 1991) che 2000a,b). Sulfuric acid dissolution may la formazione delle grotte possa essere av- also have played a role in their develop- venuta a seguito della miscelazione di brine ment since sulfuric acid is formed usual- bacinali con acque di infiltrazione meteori- ly by the oxidation of hydrogen sulfides or ca e questo tipo di scenario si adatta benis- iron sulfide derived from sedimentary ba- simo al SW Wisconsin (Day, 2009; Panno & sins (Palmer, 1991). Finally, continental Bourcier, 1990; Pipes & Day, 2006; Smith

224 interior cave formation through mixing of & Simo, 1997). basinal brines with fresh shallow phreatic Secondo: l’attività estrattiva del piombo ha water has also been postulated (Mylroie, giocato un ruolo centrale nella creazione 1991) and such a scenario could well per- dei primi insediamenti di Europei e Afro- tain to southwestern Wisconsin (Panno & Americani in Wisconsin, e le miniere furono Bourcier, 1990; Smith & Simo, 1997; Pipes di una grande importanza economica per & Day, 2006; Day, 2009). tutto il XIX secolo (Merrill, 1912; Nesbit Secondly, the lead mining played a piv- & Thompson, 2004). Gli insediamenti Eu- otal role in early European and African ropei nella regione, iniziati attorno al 1815, American settlement of Wisconsin, and the furono incentivati dalle prospettive della mines were economically of great signifi- coltivazione mineraria del piombo, con un cance during the XIXth century (Merrill, incremento della popolazione che è passata 1912; Nesbit & Thompson, 2004). European dai 20 del 1922 ai 10.000 del 1928 (Trewar- settlement of the region, beginning around tha, 1940). 1815, was stimulated by the lead mining Questo fatto ha poi innescato una cate- potential, with the population estimated na di eventi che ha portato all’istituzione to have increased from around 20 in 1822 del Territorio del Wisconsin nel 1936 con to 10,000 by 1828 (Trewartha, 1940). This la sua prima capitale nell’arrea dei gia- started a chain of events that resulted in cimenti di piombo a Belmont (Meeker, the formation of the Wisconsin Territory 1872; Smith, 1973; Conzen, 1997; Nesbit & in 1836 with its first territorial capital in Thompson, 2004; ). Il primo insediamento the lead region at Belmont (Meeker, 1872; Europeo permanente in quello che oggi è il Smith, 1973; Conzen, 1997; Nesbit & Thomp- Wisconsin era presso le miniere di piombo son, 2004). The first permanent European di Hardscrabble (ora Hazel Green) e New settlements in what is now Wisconsin were Diggings, e il primo stemma del Wisconsin at the lead mine sites of Hardscrabble (now conteneva un piccone da miniera e un accu- Hazel Green) and New Diggings, and the mulo di minerale di piombo (Palmer, 1998 first territorial seal of Wisconsin depicted Nesbit & Thompson, 2004). Attualmente a lead mining pick and a pile of lead ore molte delle grotte-miniera sono utilizzate (Palmer, 1998; Nesbit & Thompson, 2004). per gite speleologiche, anche se presentano Currently many of the mine caves serve as potenziali rischi, tra cui pozzi verticali e locations for recreational caving, although abissi, rocce instabili e armature in legno they harbor hazards including vertical pits marcescenti (Day & Kueny, 1990). and shafts, loose rock and decaying tim- Molte sono importanti sedi per il letargo dei bers (Day & Kueny, 1990). Several are im- pipistrelli (Tuttle & Taylor, 1998), mentre portant bat hibernacula (Tuttle & Taylor, altre lo sono per il turismo storico regio- 1998) and others play a historical role in nale. Una parte della Bevans Mine, nella regional tourism. Part of the Bevans Mine, città di Platteville, è ora aperta al pubblico in the town of Platteville, is now open to come parte del Museo Minerario di Plat- the public as a component of the Platteville terville; un analogo adattamento si trova Mining Museum, and there is a similar fa- nella Miniera abbandonata di Badger in cility at the former Badger Mine in Shull- Shullsburg. La St. John Mine Cave è at- sburg. The St. John Mine Cave is current- tualmente chiusa al turismo ma gli speleo- ly closed to tourism, although cavers and logi e i ricercatori possono entravi una vol- scientists can gain entry with permission ta ottenuto il permesso dal padrone. Come from the owner. in ogni altra parte del mondo, l’attività As elsewhere, Wisconsin lead mining re- mineraria nel Wisconsin ha causato vasti sulted in widespread environmental dis- danni ambientali (Conzen, 1997; Brown, ruption (Conzen, 1997; Brown, 2009) and 2009) e in particolare le grotte-miniera ci the mine caves in particular have be- hanno lasciato in eredità una contamina- queathed an unfortunate legacy of surface zione sia in superficie che dell’acquifero and groundwater contamination, particu- con elevate concentrazioni di solfati, ferro,

225 larly with elevated levels of sulfate, iron, manganese, calcio, magnesio e solidi totali manganese, calcium, magnesium and total disciolti (Evans et alii, 1983; Evans & Cie- dissolved solids (Evans et alii, 1983; Evans slik, 1985; Toran, 1987). Si suppone anche & Cieslik, 1985; Toran, 1987). Interesting- che queste elevate concentrazioni possano ly, these concentrations have been postu- derivare da una rinnovata speleogenesi che lated to result from renewed speleogenesis comporta l’ossidazione dei solfuri, la for- involving oxidation of sulfide minerals, formazione di solfati solubili, “…. Crolli della mation of soluble sulfate mineral phases, roccia carbonatica incassante a causa degli “…breakdown of carbonate host rocks by acidi prodotti durante l’ossidazione dei sol- acid produced during sulfide oxidation, and furi e la solubilizzazione dei composti solu- dissolution of soluble materials by ground- bili da parte dell’acqua all’interno di strati water within rock strata that was previ- che precedentemente erano stati prosciuga- ously dewatered during active mining.” ti durante l’attività mineraria.” (Evans & (Evans & Cieslik, 1985, p. 1). Cieslik, 1985, p. 1).

References / Citazioni bibliografiche

Agnew A.F., (1963), Geology of the Platteville Quadran- consin: Implications and importance. The Wisconsin gle, Wisconsin. US Geological Survey Bulletin 1123- Speleologist 19(3), pp. 1-21. E, pp. 245-277. Day M.J., (1986c), Caves in the Driftless Area of south- Anonymous, (1996), Getting the lead out. Wisconsin western Wisconsin. The Wisconsin Geographer 2, pp. State Historical Society Museum Memo, January 42-51. 1996, pp. 1-3. Day M.J., (1988), The origin of cave sediments in south- Bain H.F., (1906), Zinc and Lead Deposits of the Up- western Wisconsin. Geo2 15, pp. 8-9. per Mississippi Valley. Government Printing Office, Day M.J., (2001), Sandstone caves in Wisconsin. Pro- Washington, D.C., 155 p. ceedings 13th International Congress of Speleology 1, Bretz J.H., (1938), Caves of the Galena Formation. pp. 89-92. Reprinted in The Wisconsin Speleologist Journal of Geology 46(6), pp. 828-841. 25(1), pp. 18-22 (2002). Brown B.A., (2009), The Upper Mississippi Valley Lead- Day M.J., (2009), Wisconsin. In: Palmer A.N. & Palm- Zinc District revisited: mining history, geology, recla- er M.V. (eds.), Caves and Karst of the USA, National mation, and environmental issues thirty years after Speleological Society, pp. 143-145. the last mine closed. Illinois State Geological Survey, Day M.J. & Kueny J.A., (1990), Some Wisconsin caving Champaign, 19 p. hazards. The Wisconsin Speleologist 21(1), pp. 3-19. Calvin T.C. & Bain H.F., (1899), Geology of Dubuque Day M.J., Reeder P.P. & Oh J., (1989), Dolostone karst County. Iowa Geological Survey Annual Report 10, in southwestern Wisconsin. The Wisconsin Geogra- pp. 385-651. pher 5, pp. 29-40. Chamberlin T.C., (1882), The ore deposits of southwest- Dott R.H. & Attig J.W., (2004), Roadside Geology of ern Wisconsin. In: Wisconsin, Chief Geologist (ed.), Wisconsin. Mountain Press, Missoula, 345 p. Geology of Wisconsin 4, pp. 368-571. Dublyansky Y.V., (2000a), Dissolution of carbonates Chandler R.W., (1829), Map of the United States Lead by geothermal waters. In: Klimchouk A., Ford D.C., Mines on the Upper Mississippi River. R.W. Chandler, Palmer A.N. & Dreybrodt W. (eds.), Speleogenesis: Galena. Evolution of Karst Aquifers. National Speleological Clark J.I., (1976), Life on Wisconsin’s Lead Mining Society, Huntsville, pp. 158-159. Frontier. The State Historical Society of Wisconsin, Dublyansky Y.V., (2000b), Hydrothermal speleogenesis Madison, 26 p. - its settings and peculiar features. In: Klimchouk A., Conzen M.P., (1997), The European settling and trans- Ford D.C., Palmer A.N. & Dreybrodt W. (eds.), Spe- formation of the upper Mississippi Valley lead region. leogenesis: Evolution of Karst Aquifers. National Spe- In: Ostergren R.C. & Vale T.R. (eds.), Wisconsin Land leological Society, Huntsville, pp. 292-297. and Life, University of Wisconsin Press, Madison, pp. Evans T.J. & Cieslik M.J., (1985), Impact on Groundwa- 163-196. ter from Closure of an Underground Zinc-Lead Mine Cronon W., (1971), Wisconsin cave survey, the view from in Southwestern Wisconsin. Wisconsin Geological and here. The Wisconsin Speleologist 10, pp. 77-88. Natural History Survey Miscellaneous Paper 85-1, 16 Day M.J., (1986a), Caves of southwestern Wisconsin, p. USA. Proceedings 10th International Congress of Evans T.J., Cieslik M.J. & Hennings R.J., (1983), In- Speleology 1, pp. 155-157. vestigation of the Effects of Recent Mine Closings on Day M.J., (1986b), Cave studies in southwestern Wis- Ground-Water Quality and Quantity in the Shulls-

226 burg Area. Wisconsin Geological and Natural History ment Printing Office, Washington D.C., 191 p. Surevey Open-File Report 83-1, 36 p. Palmer A.N., (1991), Origin and morphology of lime- Ford D.C. & Williams P.W., (2007), Karst Hydrogeology stone caves. Geological Society of America Bulletin and Geomorphology. Wiley, New York, 562 p. 103, pp. 1-21. Grant U.S., (1906), Report on the Lead and Zinc Depos- Palmer H.A., (1998), The History of Early Lead Min- its of Wisconsin. Wisconsin Geological and Natural ing and Smelting. Wisconsin State University Press, History Survey Bulletin 14, 100 p. Platteville, 154 p. Grosh W.A., (1960), Shallow lead diggings, Grant and Panno S.V. & Bourcier W.L., (1990), Glaciation and Lafayette Counties, Wisconsin. US Department of the saline-freshwater mixing as a possible cause of cave Interior, Bureau of Mines, Report of Investigations formation in the eastern mid-continent region of the 5694, 59 p. United States: A conceptual model. Geology 18, pp. Hedges J. & Alexander E.C., (1985), Karst-related fea- 769-772. tures of the Upper Mississippi Valley region. Studies Paull R.K. & Paull R.A., (1977), Geology of Wisconsin in Speleology 6, pp. 41-49. and Upper Michigan. Kendall & Hunt, Dubuque, 232 Heyl A.V., Agnew A.F., Lyons E.J. & Behre C.H., p. (1959), The Geology of the Upper Mississippi Valley Paull R.K. & Paull R.A., (1988), Devils Lake Region, Zinc-Lead District. US Geological Survey Profession- Door County, Kettle Moraine Country and Zinc-Lead al Paper 309, 310 p. District of Wisconsin. Alpha Editions, Minneapolis, Heyl A.V., Broughton W.A. & West W.S., (1970), 168 p. Guidebook to the Upper Mississippi Valley Base-Met- Peterson G., (1969), Historical background on the At- al District. Wisconsin Geological and Natural History kinson Lead Mine, Grant County, Wisconsin. The Survey Information Circular 16, Madison, Wisconsin, Wisconsin Speleologist 8(3), pp. 54-77. 49 p. Pipes T. & Day M.J., (2006), Some alternative hypoth- Holst T.B., (1982), Regional jointing in the northern eses of cave formation in southwest Wisconsin. The Michigan basin. Geology 10, pp. 273-277. Wisconsin Geographer 21, pp. 82-94. Kimmerer R.W., (1989), Environmental determinants Reeder P.P. & Day M.J., (1989), Lead mining of caves in of spatial pattern in the vegetation of Pb-Zn mines in the Driftless Area of southwest Wisconsin and north- southwestern Wisconsin. The American Midland Nat- west Illinois, U.S.A. Proceedings 10th International uralist 121, pp. 134-143. Congress of Speleology 1, pp. 137-139. Kutz K.B. & Spry P.G., (1989), The genetic relationship Reeder P.P. & Day M.J., (1990), Lead mining from the between Upper Mississippi Valley District lead-zinc caves in the Upper Mississippi Valley: A historical mineralization and minor base metal mineralization perspective. The Journal of Spelean History 24(1), pp. in Iowa, Wisconsin and Illinois. Economic Geology 14-22. 84, pp. 2139-2154. Roe L.A., (1991), Wisconsin Mining: A History. Roeco, Lapham I.A., (1846), Wisconsin: its Geography and To- Madison, 113 p. pography, History, Geology and Mineralogy: together Schafer J., (1932), The Wisconsin Lead Region. The with brief sketches of its antiquities, natural history, State Historical Society of Wisconsin, Madison, 341 p. soil, productions, population, and government. I.A. Smith A.E., (1973), The History of Wisconsin: From Hopkins, Milwaukee, 208 p. Exploration to Statehood. State Historical Society of Mai H. & Dott R.H., (1985), A subsurface study of the Wisconsin, Madison, 768 p. St. Peter sandstone in southern and eastern Wiscon- Smith G.L., Byers C.W & Dott R.H., (1993), Sequence sin. Wisconsin Geological and Natural History Sur- stratigraphy of the Lower Ordovician Prairie du vey Information Circular 47, 26 p. Chien Group on the Wisconsin Arch and in the Michi- Meeker M., (1872), Early History of the Lead Region of gan Basin. American Association of Petroleum Geolo- Wisconsin. State Historical Society of Wisconsin Re- gists Bulletin 77, pp. 49-67. ports and Collections 6, pp. 271-296. Smith G.L., Byers C.W & Dott R.H., (1996), Sequence Merrill J.A., (1912), Industrial Geography of Wiscon- stratigraphy of the Prairie du Chien Group, Low- sin. Laurel Book Co., Chicago, 182 p. er Ordovician, Midcontinent, USA. In: Witzke B.J., Mueller R.J. & Day M.J., (1997), Daily atmospheric Ludvigson G.A. and Day J. (eds.), Paleozoic Sequence variation within caves in southwestern Wisconsin, Stratigraphy: Views from the North American Craton. U.S.A. Proceedings 12th International Congress of Geological Society of America Special Paper 306, pp. Speleology 1, pp. 215-217. 23-33. Mylroie J.E., (1991), Cave development in the glaciat- Smith G.L. & Simo J.A., (1997), Carbonate diagenesis ed Appalachian karst of New York: Surface-coupled and dolomitization of the Lower Ordovician Prairie or saline-freshwater mixing hydrology? In: Kastning du Chien Group. Geoscience Wisconsin 16, pp. 1-16. E.H. & Kastning K.M. (eds.), Appalachian Karst Smith L.A., (1929), Summarized Data of Lead Produc- Symposium Proceedings. National Speleological Soci- tion Showing the Relation of Production in the United ety, Huntsville, pp. 85-90. States to that of the World. US Department of Com- Nesbit R.C. & Thompson W.F., (2004), Wisconsin: A His- merce tory. University of Wisconsin Press, Madison, 599 p. Strong M., (1883), Lead and zinc ores. In: Wisconsin, Owen D.D., (1844), Report of a Geological Exploration Chief Geologist (ed.), Geology of Wisconsin 1, pp. 637- of Part of Iowa, Wisconsin and Illinois. U.S. Govern- 655.

227 Swayne H., Day M.J. & Wetzel M.J., (2004), Limnodri- from a carbonate-hosted mine. Journal of Contami- lus hoffmeisteri (Annelida: Oligochaeta: Tubificidae) nant Hydrology 2(1), pp. 1-29. in Pop’s Cave, Wisconsin, USA. The Journal of Cave Trewartha G.T., (1940), A second epoch of destructive and Karst Studies 66(1), pp. 28-31. occupance in the driftless hill land (1760-1832: period Terlau C.A. & Day M.J., (1997), A comparison of the of British, Spanish and early American control). An- orientation of cave passages and surface tributary nals of the Association of American Geographers 30, valleys in the karst of southwestern Wisconsin, U.S.A. pp. 109-142. Proceedings 12th International Congress of Speleolo- Tuttle M.D. & Taylor D.A.R., (1998), Bats and Mines. gy 1, pp. 133-136. Bat Conservation International, Austin, 50 p. Thwaites R.G., (1894), Early Lead Mining in Illinois Whitney J.D., (1854), Metallic Wealth of the United and Wisconsin. American Historical Association An- States. Arno Publishers, New York, 510 p. nual Report for 1893, pp. 189-196. Wright C.A., (1915), Mining and Milling of Lead and Thwaites R.G., (1895), Notes on Early Lead Mining in Zinc Ores in the Wisconsin District. US Bureau of the Fever (or Galena) Region. Collections of the State Mines, Technical Paper 95. Government Printing Of- Historical Society of Wisconsin 13, pp. 271-292. fice, Washington, D.C., 39 p. Toran L., (1987), Sulfate contamination in groundwater

228 Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 229-230

THE LATE MIOCENE MINERALIZED HYPOGENE KARST AT BARE MOUNTAIN, SOUTHERN NEVADA, USA IL CARSO IPOGENICO MINERALIZZATO DEL TARDO MIOCENE DEL BARE MOUNTAIN, NEVADA DEL SUD, USA

Yuri Dublyansky1 & Christoph Spötl1

Abstract Riassunto Bare Mountain is an isolated complex of moun- Il Bare Mountain è un complesso isolato di cime tain peaks Southeast of the town of Beatty in a Sud-est della città di Beatty nel Nevada del southern Nevada. This small mountain range is Sud. Questa piccola catena montuosa si trova located between the alluvial basins of Crater Flat tra i bacini alluvionali del cratere piatto a Est e to the East and the northern Amargosa Desert to il deserto Amargosa settentrionale a Sud-ovest. the Southwest. The range is built of a folded and La catena è costituita da una sequenza piega- complexly faulted, generally northward-dipping ta di faglie, e da rocce marine moderatamente sequence of weakly to moderately metamorphosed metamorfizzate del Proterozoico superiore e del upper Proterozoic and Paleozoic marine rocks. Paleozoico. Lungo i margini orientali e settentrio- Along the eastern and northern margins of Bare nali del Bare Mountain ci sono quattro gruppi Mountain there are four clusters of Ag-Hg-fluo- di depositi di fluorite Ag-Hg. Uno di questi de- rite deposits from which pipe-like breccia bodies positi, il Diamond Queen Mine (conosciuto an- have been reported in the literature. che come Goldspar Mine; 36 ° 50,4 ‘N, 116 ° 38,3’ One of these deposits, the Diamond Queen Mine W) è stato scavato per l’estrazione dell’oro e della (aka Goldspar Mine; 36°50.4’ N, 116°38.3’ W) fluorite. L’età della mineralizzazione è nferiore a was prospected for gold and mined for fluorspar. 12,9 ± 0,4 Ma (secondo date K/Ar di adularia). The age of the mineralization is younger than Durante la nostra visita nel 2010 abbiamo osser- 12.9±0.4 Ma (according to K/Ar dates of replace- vato cavità nelle opere a cielo aperto della miniera ment adularia). scavata nella dolomia della Formazione Nopah During our visit in 2010 we observed solutional del Cambriano. Le cavità hanno dimensioni che cavities in the open-pit works of the mine carved vanno da pochi metri a decine di metri. Le loro in the dolomite of the Cambrian Nopah Forma- superfici interne sono lisce e secche. La morfologia tion. The cavities have dimensions of a few me- delle cavità suggerisce la dissoluzione in condi- ters to tens of meters. Their inner surfaces are zioni freatiche. smooth and barren. The morphology of the cavi- Le cavità sono riempite con materiale argilloso co- ties strongly suggests dissolution under phreatic lor camoscio contenenti bande di nero tendenti al conditions. viola scuro al giallo-verde con fluorite incolore. In- Cavities are filled with buff-colored clay material clusioni fluide nella fluorite del Diamond Queen containing bands of black to dark-violet to yel- hanno prodotto temperature di omogeneizzazione low-green to colorless fluorite. Fluid inclusions di ca. 130 ° C. Abbiamo misurato la δ D dell’ac-

1 Institut für Geologie und Paläontologie, Universität Innsbruck, Innsbruck, Austria

229 in the Diamond Queen fluorite yielded homoge- qua delle inclusioni fluide della fluorite e abbiamo nization temperatures of ca. 130°C. We measured confrontato i valori con quelli di δD della calcite the δD of the fluid inclusion water in this fluorite scalenoedroica della miniera di Sterling (Au) si- and compared them to δD values measured in tuata 1,5 km a nord. I valori isotopici sono molto scalenohedral calcite from the Sterling Mine (Au) simili: δD = -100 ± 2 ‰ (n = 6). located 1.5 km to the north. Isotopic values are Nonostante il fatto che l’acqua analizzata derivi remarkably similar: δD = -100±2 ‰ (n = 6). da minerali idrotermali ipogenici, questi valori Despite the fact that the analyzed water was isotopici hanno un significato paleoclimatologico. derived from hypogene, hydrothermal minerals Questo perché secondo il modello attualmente these isotopic values bear a paleoclimatological accettato, i depositi di fluorite Au-Hg del Bare significance. This is because according to the Mountain devono la loro esistenza alla circolazio- currently accepted model, the Au-Hg-fluorite de- ne delle acque meteoriche dovuta alla presenza di posits at Bare Mountain owe their existence to una camera magmatica silicica sotto la Mountain- the circulation of meteoric water triggered by em- Timber Oasis Valley, circa 15 km a nord. placement of the silicic magma chamber under L’acqua meteorico-idrotermale del tardo Miocene the Timber Mountain-Oasis Valley caldera some è simile dal punto di vista isotopico alle attuali 15 km to the north. The Late Miocene meteor- precipitazioni (-106 a -92 ‰). Tra ca. 1,5 e 2,5 Ma, ic-hydrothermal water is isotopically similar to i valori δD delle acque meteoriche nella zona era- the modern-day precipitation (-106 to -92 ‰). Be- no sostanzialmente meno negativi (-70 a -50 ‰) e tween ca. 1.5 and 2.5 Ma the δD values of meteor- poi sono gradualmente scesi a valori moderni. ic water in the area were substantially less nega- Le conoscenze relative al carso ipogenetico asso- tive (-70 to -50 ‰) and then gradually decreased ciato ai giacimenti epitermali del Nevada sono to modern values. limitate. Knowledge regarding hypogene karst associated Nel Nevada centro-settentrionale, la dissoluzione with the epithermal ore deposits in Nevada is ipogenica post-minerale, la brecciazione e la mi- limited. In north-central Nevada, post-ore hypo- neralizzazione si sono verificate in alcuni dei de- gene dissolution, brecciation and mineralization positi di Carlin Trend a ca. 2 Ma. occurred at some of the Carlin Trend deposits at Al contrario, il carso ipogenico è stato un processo ca. 2 Ma. In contrast, hypogene karst was a pre- pre-minerale nella Diamond Queen, contribuendo ore process at Diamond Queen; it has played a alla creazione della struttura che ospita i depositi role in creating the ore-bearing structure. minerari.

230 Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 231-241

STRONTIUM ISOTOPE RATIOS (87SR/86SR) IN GYPSUM SPELEOTHEMS FROM THE NAICA MINE CAVES (CHIHUAHUA, MEXICO): GENETIC IMPLICATIONS GLI ISOTOPI DELLO STRONZIO (87SR/86SR) NEGLI SPELEOTEMI DI GESSO DELLE GROTTE DI NAICA (CHIHUAHUA, MESSICO)

Fernando Gázquez1,2, José Maria Calaforra2, Antonio García-Casco3, Laura Sanna4 & Paolo Forti5

Abstract Riassunto The 87Sr/86Sr ratio of several gypsum speleothems Con l’obiettivo di svelare l’origine delle soluzioni from the caves of the Naica Mine (Chihuahua, idrotermali da cui precipitarono gli speleotemi di Mexico) has been determined in order to evalu- gesso presenti nelle grotte della miniera di Naica ate the origin of the saline solution from which (Chihuahua, Messico), è stato determinato in essi they precipitated. The 87Sr/86Sr ratios of the huge il rapporto isotopico di 87Sr/86Sr. Tale relazione, selenite crystals from the Cristales Cave (-290 m analizzata per i cristalli giganti della Cueva de Level) and of the gypsum core of the “espadas” los Cristales (Livello -290 m) e per gli speleotemi speleothems from the Espadas Cave (-120 m gessiferi della Cueva de las Espadas (Livello -120 Level) are 0.707337 and 0.708343, respectively. m), è pari a 0,707337 e 0,708343, rispettivamente. These values are slightly higher than that of the Questi valori sono leggermente superiori a quel- carbonate host rock (0.7072) as well as that of li della roccia carbonatica incassante (0,7072) e the Tertiary felsic dikes emplaced in the carbon- sono nell’intervallo dei rapporti misurati per i fi- ate sequence (0.7080). They are also lower than loni mafici terziari messi in posto nella sequenza those expected for crystallization from seepage carbonatica (0,708). La relazione 87Sr/86Sr in que- water solutions (>0.7090). Therefore, the 87Sr/86Sr sti gessi risulta invece inferiore a quanto aspettato values determined for the speleothems at Naica nel caso di cristallizzazione a partire da acque di suggest that gypsum in these caves precipitated origine superficiale (>0,709), pertanto i rapporti from a mixture of infiltration water and thermal isotopici ottenuti per questi cristalli suggeriscono water. The 87Sr/86Sr ratio of gypsum speleothems che essi precipitarono da un miscuglio di acqua is regarded as a useful indicator to infer the rela- costituita da apporti di origine meteorica e sala-

1 Unidad Asociada UVA-CSIC al Centro de Astrobiología, University of Valladolid, Parque tecnológico Boecillo, 47151, Valladolid, Spain, [email protected] 2 Grupo de Recursos Hídricos y Geología Ambiental. Dpto. de Hidrogeología y Química Analítica. Universidad de Almería. La Cañada de San Urbano, Ctra. de Sacramento s/n 04120 Almería, [email protected] 3 Dpto. de Mineralogía y Petrología. Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra. Universidad de Granada-CSIC, Fuentenueva s/n. 18002, Granada, [email protected] 4 Dipartimentpo di Scienze della Natura e del Territorio. Università degli Studi di Sassari, Via Piandanna 4, 07100 Sassari, Italia. [email protected] 5 Instituto Italiano di Speleologia.Università di Bologna. Via Zamboni, 67, 40126 Bologna, Italia, [email protected]

231 tive contribution of meteoric deep thermal water moie saline di derivazione idrotermale relazionate solutions during the genesis of the Naica’s gyp- con la risalita del acquifero di Naica. Il rapporto sum speleothems. 87Sr/86Sr potrebbe quindi essere utilizzato per va- Keywords: strontium isotopes, gypsum speleo- lutare il contributo dell’apporto meteorico rispetto thems, meteoric water, hydrothermal water, Na- a quello delle soluzioni di origine profonda, du- ica. rante la genesi degli speleotemi di gesso di Naica. Parole chiave: isotopi dello stronzio, speleotemi Introduction di gesso, acque meteoriche e idrotermali, Naica. The caves of the Naica Mine (Chihuahua, Mexico) host some of the largest hydrothermal gypsum speleothems worldwide Introduzione (García-Ruiz et alii, 2007; Forti, 2010; Ga- Le cavità della miniera di Naica rofalo et alii, 2010). In the Cueva de los (Chihuahua, Messico) ospitano gli speleo- Cristales (“Crystals Cave”), 290 m below temi gessiferi di maggior dimensione cono- the mine entrance huge selenite crystals sciuti a scala mondiale (García-Ruiz et alii, up to 11 m in length are found (Forti, 2007; Forti, 2010; Garofalo et alii, 2010). 2010; Forti & Sanna, 2010). Besides, Cue- La Cueva de los Cristales (Grotta dei Cri- va de las Espadas (“Sword Cave”) at 120 stalli, Livello -290 m), scoperta nel 2000, m belowmine entrance was discovered at contiene cristalli di gesso selenitico fino a 11 the beginning of the XXth century (Foshag, m di lunghezza (Forti, 2010; Forti & San- 1927; Rickwood, 1981; Forti, 2010). na, 2010). La scoperta della prima cavità a This small cave is home of the “espada” Naica però risale agli inizi del XX secolo, speleothems, consisting of prismatic sele- quando le gallerie minerarie intercettarono nite crystals covered by several layers of la Cueva de las Espadas (Grotta delle Spa- carbonate (aragonite and calcite) and gyp- de, Livello -120 m; Foshag, 1927; Rickwood, sum (Forti, 2010; Gázquez et alii, 2012). 1981; Forti, 2010). In questa grotta furono Over the past decade, the mineralogy and individuati speleotemi di gesso fino a 2 me- some geochemical characteristics of these tri, e altri più ridotti nelle dimensioni ma striking speleothems have been studied costituiti da un nucleo di selenite ricoperto (García-Ruiz et alii, 2007; Forti, 2010; Ga- posteriormente da strati successivi di car- rofalo et alii, 2010; Sanna et alii, 2010; bonato (aragonite e calcite) e gesso (Forti, Gázquez et alii, 2011; 2012; 2013; Gázquez, 2010; Gázquez et alii, 2012). Negli ultimi 2012), as well as their mechanism of forma- 10 anni sono state studiate la mineralogia tion (García-Ruiz et alii, 2007; Forti, 2010). e alcune carattersitiche geochimiche di que- In some of this work, the speleothems of sti impressionanti speleotemi (García-Ruiz Naica mine caves have been proposed as et alii, 2007; Forti, 2010). Gli impressio- palaeoclimate indicators (Garofalo et alii, nanti speleotemi di queste grotte sono stati 2010; Gázquez et alii, 2011; 2012; 2013; studiati da un punto di vista minerogene- Gázquez, 2012). tico (García-Ruiz et alii, 2007; Forti, 2010; Nevertheless, some questions remain Garofalo et alii, 2010; Sanna et alii, 2010; about the characteristics of the hydrother- Gázquez, 2012; Gázquez et alii, 2011, 2012, mal water that gave rise to gypsum speleo- 2013) come anche il loro meccanismo di for- thems precipitation in the Naica system. In mazione (García-Ruiz et alii, 2007; Forti, fact, there are several unknowns about the 2010). In alcuni lavori, poi, gli speleotemi geochemical nature of these speleothems, di Naica sono stati proposti come indica- for instance, some aspects related to their tori paleoclimatici (Garofalo et alii, 2010; isotopic composition. In the current work, Gázquez, 2012; Gázquez et alii, 2011, 2012, we present the first results of 87Sr/86Sr ra- 2013). Tuttavia rimangono ancora aperte tios obtained in the speleothems from the alcune questioni relative alle caratteristi- Naica mine, in particular from Cueva de che dell’acqua idrotermale che ha permesso las Espadas and Cueva de los Cristales. lo sviluppo dei gessi di Naica. Infatti esi- Our main aim has been to determine the stono ulteriori lacune riguardo la natura di precedence of the aqueous solution (shal- questi speleotemi.

232 Fig. 1 - Location of the main caves in the Naica Mine in which gypsum speleothems have been studied as part of this study (Cueva de las Espadas and Cueva de los Cristales) / Localizzazione e sezione schematica del complesso di grotte della miniera di Naica, con l’ubicazione delle cavità che ospitano gli speleotemi gessiferi (Cueva de los Cristales e Cueva de las Espadas) studiati in questo lavoro. lower vs. deeper) from which gypsum pre- Nel presente studio si presentano i primi cipitated. risultati sulla relazione 87Sr/86Sr negli speleotemi di gesso della Grotta dei Cristalli e Geological setting della Grotta delle Spade con l’obiettivo di The Naica mining district, located in Chi- determinare l’origine dell’acqua (meteorica huahua State, Northern Mexico, has been o profonda) da cui segregarono. one of the most important areas for lead and silver production in the world since Inquadramento Geologico the middle of the XXth century (Fig. 1). At Il Distretto Minerario di Naica localiz- the Naica Mine, the mining activities are zato nel settore centrale dello Stato di centered around extracting zinc and lead Chihuahua, nel nord del Messico (Fig. 1) è sulphides enriched in silver (Ruiz et alii, stato una delle più importanti aree al mon- 1985). Up to 1 million tons of material are do per la produzione di piombo e argento extracted each year from the mine result- fino dalla metà del secolo diciannovesimo. ing in 150 tons of silver and 50,000 tons of Fino ad un milione di tonnellate di mate- lead (Giulivo et alii, 2007). riale sono estratte ogni anno fornendo 150

233 The entrance to the mine lies at 1385 m tonnellate di argento e 50.000 tonnellate di a.s.l. on the southern face of an anticline piombo (Giulivo et alii, 2007). structure called Sierra de Naica. The cur- L’ ingresso principale si trova a 1385 m s.l.m. rent climate of the Naica region is typical nel versante sud della Sierra di Naica, una of the Chihuahua desert with tempera- struttura ad anticlinale. Il clima attuale di tures greater than 35-50 ºC in summer but Naica è tipico del deserto di Chihuahua con slightly colder than in the neighbouring temperature superiori ai 35-50°C in estate, deserts of Sonora and Mojave. Annual pre- ma leggermente inferiori di quelle dei vicini cipitation is less than 250 mm with most deserti di Sonora e Mojave. Le precipitazio- rainfall occurring in the monsoon season ni annuali sono inferiori ai 250 mm con la during late summer (Hoy & Gross, 1982). grande maggioranza delle piogge che cade The regional stratigraphy comprises lime- nella stagione monsonica alla fine dell’esta- stone and dolostone with interbedded te (Hoy & Gross, 1982). clays and silts (Albian and Cenomanian) La stratigrafia regionale comprende cal- (Stone, 1959; Franco-Rubio, 1978). Intru- cari e dolomie con intervallate argille a sive magmatic activity during the Tertiary silt (Albiano-Cenomaniano) (Stone, 1959; is evidenced by felsic dikes in the carbon- Franco-Rubio, 1978). Una attività magma- ate series (Alva-Valdivia et alii, 2003) (Fig. tica intrusiva durante il Terziario è eviden- 1A). The contact between the groundwater ziatada dicchi mafici all’interno della serie and these igneous bodies created a hydro- carbonatica (Alva-Valdivia et alii, 2003) thermal system containing brines, which (Fig. 1A). Il contatto tra l’acqua freatica e flowed along lines of weakness that follow il corpi ignei diede luogo a un sistema idro- the alignment of the dikes and faults (Ruiz termale di brine, che fluirono lungo linee di et alii, 1985). These brines interacted with debolezza che seguono l’allineamento dei felsic materials and limestone, giving rise dicchi e delle faglie (Ruiz et alii, 1985). Que- to new minerals (Megaw et alii, 1988). In ste brine interagirono con i materiali felsici fact, the development of the natural cav- e con il calcare, dando luogo a nuovi mine- ities in the Sierra de Naica Mountain is rali (Megaw et alii, 1988). Anche lo sviluppo closely related to the main faults in this delle cavità naturali nella Sierra di Naica è system, the Naica Fault and the Montaña direttamente correlata alle principali faglie Fault (Fig. 1) (Forti, 2010). dell’area e, in particolare, alle faglie Naica The gradual cooling of the aquifer water re- e Montana (Fig. 1)(Forti, 2010). sulted in precipitation of low-temperature Il progressivo raffreddamento di queste so- hydrothermal minerals such as quartz, cal- luzioni negli ultimi stadi diede origine alla cite, aragonite, anhydrite, and eventually precipitazione dei minerali idrotermali di gypsum (Erwood et alii, 1979). Oxidation of bassa temperatura come il quarzo, la calci- metal sulphides enriched the groundwater te, l’aragonite, l’anidrite e, alla fine, il gesso in sulphates and led to precipitation of an- (Ertwood et alii, 1959). L’ossidazione dei hydrite at high temperature. Later, gradu- solfuri metallici arricchì l’acqua in solfati al cooling of the system caused dissolution e permise quindi la precipitazione di ani- of anhydrite, slightly supersaturating the drite, ad alta temperatura, causando infine water in gypsum below 58 ºC (García-Ruiz una leggera sovrasaturazione in gesso sotto et alii, 2007). i 58°C (García-Ruiz et alii, 2007).

Methods Metodologia Sample CRI-01 comes from the outer part Il campione di gesso (CRI-01) proveniente of a fragment of a huge selenite crystal dalla Cueva de los Cristales (Livello -290, that rested on the floor of the Cueva de Fig. 2B) è stato estratto dalla superficie di los Cristales (-290 m Level; Fig. 2B). On un cristallo gigante che giaceva rotto sul the other hand, sample ESP-01 was taken suolo della cavità. Per quanto riguarda from the selenite core of an “espada” spe- la Cueva de las Espadas (Livello -120), si leothem of the Cueva de las Espadas (-120 analizzò un campione di gesso prelevato

234 Fig. 2 - Gypsum speleothems studied in this work: A) Cueva de las Espadas: samples were extracted from the inner gypsum spar of an “espada” speleothem (see main text and Gázquez et alii, 2012); B) Cueva de los Cristales: sample was taken from the inner central part of a huge selenite crystal (photo: La Venta and Speloresearch & Films). / Speleotemi di gesso studiati in questo lavoro: A) Cueva de las Espadas: i campioni provenono dal gesso che costituisce la parte interna di una concrezione a “spada” (spiegazione nel testo e in Gásquez et alii 2012); B) Cueva de los Cristales: i campioni sono stati presi dalla parte centrale di un grande cristallo di selenite (foto: La Venta e Speleoresearch & Films).

235 m Level; Fig. 2A). These rare speleothems dal nucleo di uno speleotema tipo “espada” comprise a prismatic selenite “spar” cov- (ESP-01) (Fig. 2A). Questi rari speleotemi ered by layers of carbonate (aragonite and sono costituiti da un cristallo prismatico di calcite) and gypsum (Forti, 2010; Gázquez gesso ricoperto da veli successivi di carbo- et alii, 2012b). Powdered subsamples were nato di calcio (calcite e aragonite) e di gesso extracted by using a Dremel® drill. Subse- (Forti, 2010, Gázquez et alii, 2012b). I cam- quently, gypsum was gently crushed in an pioni furono estratti manualmente usando agate mortar. un Dremel® e sono stati quindi triturati fi- Sample preparation and analyses were nemente in un mortaio di agata. carried out at the Centro de Investigación La preparazione dei campioni e la loro ana- Científica of the University of Granada lisi sono state eseguite nel Centro de Inve- (Spain). Samples (0.1 g) were dissolved in stigación Científica dell’Università di Gra- a mixture of HNO3 and HF (3:2) in a Tef- nada. I campioni (0,1 g) sono stati disciolti lon reactor, overpressured and heated in in una miscela di HNO3 e HF (3:2) dentro a microwave. After total evaporation in un reattore a pressione di Teflon scaldato presence of HNO3, the residues were dis- in forno a microonde. Dopo la completa solved in 100 ml of 4% HNO3. Separation evaporazione in presenza di HNO3, il re- of Rb and Sr were performed using resin siduo finale è stato disciolto in 100 mL di

BIORAD AG 50 W8 (200-400 µm). Analyt- HNO3 al 4%. La separazione di Rb e Sr è ical determination used a thermal ioniza- stata eseguita in colonne a scambio ioni- tion mass spectrometer (TIMS), Finnigan co con resina BIORAD AG 50 W8 (200-400 MAT 262 with multicollectors. Analyses µm). Per la determinazione analitica è sta- were performed in static mode. Precision to utilizzato uno spettrometro di massa a of the measurements was better than ionizzazione termica (TIMS), Finnigan 0.0016% (2σ) for 87Sr/86Sr, based on re- MAT 262 con multi-collettore. La precisio- peated measurements of the international ne analitica è stata maggiore del 0,0016% standard WSE, which treatment was sim- (2σ) per 87Sr/86Sr, sulla base di misure ri- ilar to that used for the gypsum samples. petute sullo standard internazionale WSE, Reproducibility was calculated on the basis il cui trattamento è stato simile a quello dei of successive measurements of a solution of campioni, mentre la riproducibilità è sta- the standard NBS-987 and was better than ta maggiore di 0,00078 % (2σ) calcolata su 0.00078% (2σ). successive analisi dello standard NBS-987 in dissoluzione. Results and discussion The 87Sr/86Sr ratios obtained from the spe- Risultati e discussione leothems of the Naica mine caves were Il rapporto 87Sr/86Sr negli speleotemi stu- 0.707337 (±2·10-6) for the crystal of Cueva diati è risultato pari a 0,707337 (±2·10-6) de los Cristales and 0.708343 (±1·10-6) for per il gesso della Cueva de los Cristales e the central gypsum core of the “espada” a 0,708343 (±1·10-6) per quello della Cueva speleothems of Cueva de las Espadas. The de las Espadas. La differenza osservata tra differences observed between samples sug- essi indica che la soluzione acquosa da cui gest that the solution from which gypsum precipitarono gli speleotemi della Cueva de precipitated in Cueva de las Espadas was las Espadas era leggermente più radiogeni- slightly more radiogenic (higher 87Sr/86Sr ca (rapporto 87Sr/86Sr maggiore) rispetto a ratio) than that which gave rise to gypsum quella della Cueva de los Cristales (rappor- in Cueva de los Cristales (lower 87Sr/86Sr to 87Sr/86Sr minore). ratio). A causa della relativamente alta massa Due to the relatively high atomic mass of atomica dello stronzio, i suoi isotopi stabi- strontium, its stable isotopes are barely li sono poco influenzati dal frazionamento affected by isotopic fractionation as a con- isotopico che deriva dai processi geologici sequence of geological and biological pro- e/o biologici. Pertanto il rapporto 87Sr/86Sr cesses. As a result, the 87Sr/86Sr ratio has è stato spesso utilizzato per determinare la

236 been widely utilized in order to determine fonte dello stronzio in una grande varie- the source of strontium in a great variety tà di materiali geologici (e.g. Capo et alii, of geological materials (e.g., Capo et alii, 1998). Il rapporto 87Sr/86Sr è stato anche 1998). In fact, 87Sr/86Sr ratio in carbonate utilizzato recentemente come proxy paleo- speleothems has been used as a palaeocli- climatico (Frumkin & Stein, 2004). L’origi- matic proxy in recent works (Frumkim & ne degli speleotemi di gesso subacquei delle Stein, 2004). grotte ipogeniche di Naica è la conseguenza The precipitation of selenite speleothems della risatita delle acque termali (García- in the hypogenic caves of Naica is a conse- Ruiz et alii, 2007; Forti, 2010). Durante i quence of upward flow of thermal water in primi stadi ipogenici l’ossidazione dei sol- the system (García-Ruiz et alii, 2007; For- furi metallici permise la formazione di una ti, 2010). soluzione acquosa arricchita in solfati che, During the first hypogenic stages, oxidation ad alte temperature, portò alla precipita- of metal sulphides enriched the groundwa- zione dell’anidrite. Successivamente, grazie ter in sulphates, resulting in precipitation al progressivo raffreddamento del sistema of anhydrite at high temperature. In later fino a raggiungere circa i 58 °C iniziò la phases, anhydrite started to dissolve as the ridissoluzione dell’anidrite (García-Ruiz et aquifer temperature gradually decreased alii, 2007; Forti, 2010). A questa temperatu- to around 58 ºC (García-Ruiz et alii, 2007; ra le solubilità dell’anidrite e del gesso sono Forti, 2010). At this temperature, the sol- uguali, mentre a temperatura inferiore il ubility of anhydrite and gypsum are the gesso diviene la fase minerale predominan- same, whereas at lower temperatures, te e pertanto precipita come cristalli di sele- gypsum is the predominant mineral phase nite, generando una soluzione leggermente and so it precipitates as selenite crystals. sovrasatura rispetto al gesso. L’incredibile The incredible size of the speleothems in dimensione raggiunta dai cristalli di Naica the Naica mine is a consequence of the ex- è la conseguenza della nucleazione e della tremely slow nucleation and growth rate velocità di crescita estremamente lente a se- resulting from the constantly low level of guito del bassissimo grado di sovrasatura- saturation over a long period (García-Ruiz zione che si è mantenuto costante nel tempo et alii, 2007), (García-Ruiz et alii, 2007). In spite of the fact that the genesis of the Sebbene la genesi di questo gesso sia legata gypsum in Naica is linked to the rising of alla risalita di fluidi idrotermali relaziona- hydrothermal fluids coming from depth, ti con il sistema di fratture della Sierra di the 87Sr/86Sr ratios obtained suggest that Naica, i valori di 87Sr/86Sr ottenuti per que- strontium contained in these selenite sti speleotemi, suggeriscono che lo stronzio speleothem came not only from the geo- contenuto nel gesso non proviene esclusiva- thermal system but also from the surface. mente dal sistema termale profondo. Le fon- Thus, these strontium sources can split ti che potrebbero apportare questo elemento into two groups: (1) strontium contribution alla soluzione sono varie e possono essere from depth or the geothermal origin, and classificate in due gruppi: (1), quello pro- (2) strontium transported by infiltration fondo o geotermale e, (2) quello relazionato water coming from the surface. con l’acqua d’infiltrazione superficiale. The first group comprises both strontium Nel primo gruppo rientrano sia lo stronzio derived from dissolution of the marine host proveniente dalla dissoluzione della roccia rock and geothermal strontium related to incassante, di origine marina, quanto quel- the magmatic activity of the Naica system. lo di origine termale, relazionato con il si- Marine carbonate usually contains signif- stema magmatico sotto la Sierra di Naica. icant amounts of strontium so its dissolu- La dissoluzione della roccia carbonatica in- tion is able to enrich the Naica aquifer wa- cassante di età Albiano-Cenomaniano poter in this element. trebbe aver contribuito in modo importante The 87Sr/86Sr ratio of marine carbonate of all’arricchimento di stronzio dell’acquifero. Albian-Cenomanian age is around 0.7072 Il valore di 87Sr/86Sr per i carbonati mari-

237 Fig. 3 - Isotopic signature of strontium (87Sr/86Sr) in gypsum speleothems from Cueva de las Espadas and Cueva de los Cristales. The 87Sr/86Sr ratio in the Albian-Cenomanian carbonate host rock (0.7072; Burke et alii, 1982), in the Tertiary felsic dikes (0,708; Ruiz et alii, 1985) and the value of 87Sr/86Sr in the rainfall in New Mexico (above 0.709; Capo et alii, 1998) have been represented. Strontium coming from weathering silicates in the soil over the caves usually shows values higher than 0.709, as well as the non-marine atmospheric dust and dissolved aerosols in meteoric water (Capo et alii, 1998) / Composizione isotopica dello stronzio (87Sr/86Sr) contenuto nel gesso degli speleotemi della Cueva de las Espadas e della Cueva de los Cristales. Si includono inoltre i rapporti medi della roccia carbonatica incassante di età Albiano-Cenomaniano (0,7072; Burke et alii, 1982), dei filoni mafici terziari (0,708;R uiz et alii., 1985) e dell’acqua di precipitazione in Nuovo Messico (maggiore di 0,709; Capo et alii, 1998). Gli apporti di stronzio provenienti dalla meteorizzazione dei silicati nel suolo spesso presentano valori superiori a 0,709, uguali alla polvere atmosferica di provenienza non-marina e dello stronzio disciolto nell’acqua meteorica (Capo et alii, 1998).

(Burke et alii, 1982), slightly below the iso- ni precipitati in questo piano del Cretaceo topic values obtained from the speleothems è di circa 0,7072 (Burke et alii, 1982), leg- of Naica. Besides, water flowing through germente più basso dei valori ottenuti per i fractures and in contact with intrusive gessi di Naica. felsic dikes can undergo enrichment in Al contrario, l’acqua che circolava tra le metals, including strontium. In fact, the fratture e stava in contatto con i filoni ma- 87Sr/86Sr ratio of the dikes was established fici, ha potuto arricchirsi in metalli, tra cui to be around 0.70800 by Ruiz et alii (1985). appunto lo stronzio. This value is in the range of the isotopic Di fatto, la relazione isotopica 87Sr/86Sr di signature obtained in the speleothems of questi filoni è stata misurata in circa 0,708

238 the caves of Naica (Fig. 3). (Ruíz et alii, 1985), ovvero nell’intervallo Regarding contributions coming from the dei valori ottenuti per i campioni degli spe- surface, dissolved strontium in the solution leotemi (Fig. 3). could be a mixture of strontium dissolved Riguardo gli apporti di acque superficiali, in meteoric water, strontium contained in lo stronzio proveniente dalle acque di in- aerosols and atmospheric dust or stron- filtrazione può derivare da quello disciolto tium coming from weathering of silicates nelle piogge, contenuto nell’aerosol, train the soil overlying the caves. sportato nel pulviscolo atmosferico o sem- As for dissolved strontium in meteoric wa- plicemente proveniente dalla meteorizza- ter, earlier studies reported 87Sr/86Sr values zione dei silicati nel suolo sopra le grotte. higher than 0.709 in the rainfall in south- Nel caso del contenuto disciolto nelle acque ern New Mexico, close to the Naica setting. di precipitazione, studi precedenti hanno On the other hand, the typical 87Sr/86Sr mostrato valori di 87Sr/86Sr superiori a values of the atmospheric dust in this geo- 0,709 in acqua piovana raccolta al sud del graphical area are in all cases higher than Nuovo Messico, poco distante da Naica. 0.709 (Capo et alii, 1998). D’altra parte, il pulviscolo atmosferico in Finally, weathering of silicates in soils usu- quest’area di solito presenta valori sempre ally supplies isotopically enriched stron- superiori a 0,709, mentre la meteorizzazio- tium (elevate 87Sr/86Sr ratio) (Capo et alii, ne dei silicati nel suolo in genere da luogo 1998), due to the high 87Rb concentration a valori di 87Sr/86Sr relativamente elevati frequently contained in silicates, like clay (Capo et alii, 1998) a causa dell’alto conte- minerals, which are precursors of radio- nuto nei silicati di 87Rb, che è il precursore genic strontium (87Sr). dello stronzio radiogenici (87Sr). Consequently, at least in the case of the Di conseguenza, e almeno nel caso degli speleothems from Cueva de las Espadas, speleotemi analizzati nella Cueva de las the 87Sr/86Sr ratio is between the typical Espadas, il rapporto 87Sr/86Sr misurato si values of the radiogenic sources coming localizza tra le fonti più radiogeniche, pro- from the surface and the values of the geo- venienti dalla superficie, e quelle dell’ac- thermal reservoir and the carbonate host quifero termale e della roccia incassante, rock in which these caves are formed. As a perciò si può ammettere come ipotesi che result, it can be postulated that the saline l’acqua che generò questi speleotemi fosse solution that gave rise to the selenite spe- un mix di acque di provenienza profonda leothems of Naica was a mixture of ancient (con un segnale isotopico di stronzio poco water coming from depth (impoverished in radiogenico) e d’infiltrazione di origine su- radiogenic isotopes of strontium) and infil- perficiale (con valori di 87Sr/86Sr più eleva- tration water of superficial origin (enriched ti) (Fig. 3). in radiogenic isotopes of strontium) (Fig. Le stesse conclusioni sono state recentemen- 3). te ottenute da Gázquez et alii (2013) che The same conclusion has been recently hanno studiato gli isotopi stabili dell’acqua reached by Gázquez et alii (2013) who stud- di idratazione dei cristalli di selenite delle ied the stable isotopes of hydration water Grotte di Naica. of the selenite speleothems of the Naica Le età degli speleotemi sono state stima- caves. te recentemente mediante datazione U-Th The age of some speleothems of the Naica (Sanna et alii, 2010). mine caves has been recently determined by I dati geocronologici indicano che il gesso means of U-Th dating (Sanna et alii, 2010). della Cueva de los Cristales precipitò du- This geochronological study suggests that rante gli ultimi 200 mila anni come età mi- the selenite crystals of Cueva de los Cris- nima, mentre quelli attualmente presenti tales grew at least along the last 200 ka nella Cueva de las Espadas si formarono BP, whilst the speleothems of Cueva de las durante l’ultimo periodo glaciale (57 ka Espadas precipitated over the last Glacial BP) e l’ Olocene (Sanna et alii, 2010). Questi period (57 ka BP) and the Holocene (Sanna speleotemi sono stati recentemente proposti

239 et alii, 2010). The speleothems of the caves come indicatori paleoclimatici (Garofalo of the Naica mine have been recently pro- et alii, 2010; Gázquez et alii, 2011, 2012, posed as paleoclimatic proxies (Garofalo 2013; Gázquez 2012). Dentro questa linea et alii, 2010; Gázquez et alii, 2011; 2012; di ricerca, lo studio dettagliato dei rappor- 2013; Gázquez, 2012). Following this line of ti isotopici dello stronzio negli speleotemi research, the detailed study of the 87Sr/86Sr di Naica permetterà di conoscere quale fu ratios in the gypsum speleothems of Nai- l’evoluzione idrochimica dell’acquifero e il ca will enable to know the hydrogeochem- mescolamento delle soluzioni acquose di ical evolution of the aquifer of Naica over varia origine durante gli ultimi 200 ka. la past 200 ka. Particularly, the changes in the contributions of meteoric against Conclusioni saline water from the deep aquifer will be Lo studio della relazione isotopica 87Sr/86Sr inferred. nei gessi delle grotte di Naica ha rivelato che questi speleotemi precipitarono da so- Conclusions luzioni costituite da acqua di origine super- The 87Sr/86Sr ratios of the selenite spele- ficiale infiltrata nel massiccio e mescolata othems of the Naica caves have revealed con soluzioni profonde di carattere idroter- mixing of deep thermal groundwater and male. shallower fresh meteoric water during D’altro canto, le differenze osservate tra i their precipitation. On the other hand, the gessi della Cueva de las Espadas (Livello differences observed between the spele- -120 m) e quelli della Cueva de los Crista- othems of Cueva de las Espadas (-120 m) les (Livello -290 m) potrebbero essere rela- and Cueva de los Cristales (-290 m) sug- zionate con un maggior contributo da parte gest greater contribution of the thermal dell’acquifero termale per le grotte più pro- reservoir of the Naica aquifer in Cueva de fonde (Cueva de los Cristales), mentre la los Cristales than in Cueva de las Espadas, Cueva de las Espadas, 170 metri più super- 170 meters shallower, which was more in- ficiale, risulta maggiormente influenzata fluenced by the shallower circulation of the da acque di origine meteoriche. Naica aquifer. Ringraziamenti Acknowledgements Questo studio è stato finanziato con i fon- Financial support for this work was di del Grupo de Recursos Hídricos y Geo- made available through the “PALAEOG- logía Ambiental dell’Università di Alme- YP” International Collaboration Project ria (Spagna), dal Progetto “PALAEOGYP” (CGL2006-01707/BTE Ministry of Science (CGL2006-01707/BTE), dalla borsa di and Innovation, Spain and FEDER funds studio predottorale AP-2007-02799, finan- of EU), Spanish Science grant AP-2007- ziata dall’ Environmental Geology Rese- 02799, funding from the Water Resourc- arch Group (Università di Almería) e il es and Environmental Geology Research Progetto “RLS Exomars Science” (Ministero Group (University of Almería) and the della Scienza e Innovazione della Spagna e “RLS Exomars Science” Project (Ministry fondi FEDER della Comunità Europea). of Science and Innovation, Spain and FED- Gli Autori ringraziano la Compagnia Peño- ER funds of EU). The authors would like les Company per aver consetito l’accesso alla to thank the Peñoles Company for allow- Miniera di Naica e per il supporto fornito ing access inside the Naica Mine and for durante il lavoro di campagna. La logisti- their support during field work. Logistics ca è stata curata dal “Proyecto NAICA” was carried out by “NAICA PROJECT” di Speleoresearch and Films of Mexico City Speleoresearch and Films of Mexico City in co-operazione con La Venta Esplorazioni in co-operation with La Venta Exploring Geografiche (Italia). Team (Italy). Photographs of Naica caves Le fotografie delle grotte di Naica sono state were kindly provided by La Venta and S/F gentilmente fornite dagli archivi La Venta Archives. e S/F.

240 References / Citazioni bibliografiche

Alva-Valdivia L.M., Goguitchaichvili A. & Urru- co?, Boletín de la Real Sociedad Española de Historia tia-Fucugauchi J., (2003), Petromagnetic properties Natural. Sección Geológica 105 (1-4), pp. 15-24. in the Naica mining district, Chihuahua, Mexico: Gázquez F., (2012), Registros paleoambientales a partir Searching for source of mineralization. Earth Planets de espeleotemas yesíferos y carbonáticos. PhD Thesis. Space 55, pp. 19-31. Universidad de Almería, pp. 381. Burke W.H., Denison R.E., Hetherington E.A., Koep- Gázquez F., Calaforra J.M., Forti P., Rull F. & nichk R.B., Nelson, H.F. & Otto J.B., (1982), Vari- Martínez-Frías J., (2012), Gypsum-carbonate speleo- ation of seawater 87Sr/86Sr throughout Phanerozoic thems from Cueva de las Espadas (Naica mine, Me- time. Geology 10, pp. 516-519. xico): mineralogy and palaeohydrogeological implica- Capo R.C., Stewart B.W. & Chadwich O.A., (1998), tions, International Journal of Speleology 41 (2), pp. Strontium isotopes as tracer of ecosystems processes: 211-220. theory and methods. Geoderma 82, pp. 197-225. Gázquez F., Calaforra J.M., Hodell, D., Sanna L. & Erwood R.J., Kesler S.E. & Cloke P.L., (1979), Com- Forti P., (2013), Isotopes of gypsum hydration water positionally distinct, saline hydrothermal solutions, in selenite crystals from the caves of the Naica mine Naica Mine, Chihuahua, Mexico. Economic Geology (Chihuahua, Mexico). Proc. Int. Congr. Spel. Brno. and Bulletin of the Society of Economic Geologists 74, (submitted). pp. 95-108. Giulivo I., Mecchia M., Piccini L. & Sauro F., (2007), Forti P., (2010), Genesis and evolution of the caves in Geology and hydrogeology of Naica: In Forti P., (ed.), the Naica mine (Chihuahua, Mexico), Zeitschrift fur Le Grotte di Naica: Esplorazione, documentazione, ri- Geomorphologie 54(2), pp. 115-135. cerca, pp. 49-50. Bologna. Forti, P. & Sanna, L., (2010), The Naica project. A mul- Hoy R.N. & Gross G.W., (1982), A baseline study of ox- tidisciplinary study of the largest gypsum crystal of ygen 18 and deuterium in the Roswell, New Mexico the world. Episodes 33(1), pp. 23-32. groundwater basin, New Mexico Water Resources Re- Foshag W., (1927), The selenite caves of Naica, Mexico. search Institute 144, pp. 95. American Mineralogist 12, pp. 252- 232. Megaw P.K.M., Ruiz J. & Titley S.R., (1988). High-tem- Franco-Rubio M., (1978), Estratigrafía del Albiano-Ce- perature, carbonate-hosted Pb-Zn-Ag (Cu) deposits nomaniano en la región de Naica, Chihuahua, Revi- of northern Mexico. Economic Geology 83, pp. 1856- sta Instituto Geológico (México) 2, pp. 132-149. 1885. Frumkin A. & Stein M., (2004), The Sahara-East Med- Ruiz J., Barton M., & Palacios H., (1985), Geology and iterranean dust and climate connection revealed by geochemistry of Naica, Chihuahua Mexico. AIME strontium and uranium isotopes in a Jerusalem spe- Preprint 85-43, pp. 6. leothem. Earth and Planetary Science Letters 217, Sanna L., Saez F., Simonsen S., Constantin S., Calaforra pp. 451-464. J.M., Forti P. & Lauritzen S.E., (2010), Uranium-se- García-Ruiz J.M., Villasuso R., Ayora C., Canals A. & ries dating of gypsum speleothems: methodology and Otálora F., (2007), Formation of Natural Gypsum examples. International Journal of Speleology 39(1), Megacrystals in Naica, Mexico. Geology 35(4), pp. pp. 35-46. 327-330. Sanna L., Forti P. & Lauritzen S.E., (2011), Preliminary Garofalo P.S., Fricker M., Günther D., Mercuri A.M., U/Th dating and the evolution of gypsum crystals in Loreti M., Forti P. & Capaccioni B., (2010), A climatic Naica caves (Mexico). Acta Carsologica 40(1), pp. 17- control on the formation of gigantic gypsum crystals 28. within the hypogenic caves of Naica (Mexico)?. Earth Stone J.G., (1959), Ore genesis in the Naica District, and Planetary Science Letters 289, pp. 560-569. Chihuahua, Mexico. Economic Geology 54(6), pp. Gázquez F., Calaforra J.M., Sanna L. & Forti P., (2011), 1002-1034. Espeleotemas de yeso: ¿Un nuevo proxy paleoclimáti-

241

Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 243-244

GYPSUM SPELEOTHEMS OF MINE CAVES AS POTENTIAL MARTIAN ANALOGUES GLI SPELEOTEMI DI GESSO DELLE GROTTE DI MINIERA VIS- TI COME POTENZIALI EQUIVALENTI DI QUELLI DI MARTE

Fernando Gazquez1, Jose-Maria Calaforra1, Jesus Martinez-Frias2,3 & Fernando Rull2,3

Abstract Riassunto Ca-rich sulfates (probably gypsum) have been Solfati ricchi di Ca (probabilmente gesso) sono recently identified on the surface of Mars. Gyp- stati recentemente identificati sulla superficie siferous sands constitute dense dune fields in di Marte. Sabbie gessose costituiscono campi di the Olympia Planum, around the Martian North dune dense nell’Olympia Planum, in tutta la Ca- Polar Cap. Furthermore, in 2011 the Exploration lotta Polare settentrionale di Marte. Inoltre, nel Rover Opportunity found bright veins of a min- 2011 la Exploration Rover Opportunity ha trova- eral, apparently gypsum that could be of hydro- to vene luminose di un minerale, apparentemente thermal origin. Upon this outstanding discovery, gesso, che potrebbe essere di origine idrotermale. attention has been focused on the terrestrial gyp- Su questa scoperta eccezionale, l’attenzione è sta- siferous formations. ta focalizzata sulle formazioni terrestri gessose. As is known, gypsum is one of the most abundant Come è noto, il gesso è uno dei minerali più ab- cave minerals and is even the main feature in bondanti delle caverne ed è anche la caratteristica some mine caves. Undoubtedly, the caves of the principale in alcune grotte di miniera. Indubbia- Naica mine (Chihuahua, Northern Mexico) and mente, le grotte di miniera di Naica (Chihuahua, the Giant geode of Pulpí (Almería, SE Spain) host Messico settentrionale) e la geode gigante di Pulpí the largest selenite speleothems worldwide. (Almería, Spagna sud-orientale) ospitano i più In this work, gypsum samples from the Cueva grandi speleotemi di selenite del mondo. In que- de las Espadas and Cueva de los Cristales (Na- sto lavoro, i campioni di gesso dalla Cueva de las ica mine) and the Giant geode (Pulpí mine) have Espadas e Cueva de los Cristales (Naica) e la geode been examined by micro-Raman spectroscopy gigante (Pulpí) sono stati esaminati con la micro- and infrared spectroscopy in order to describe spettroscopia Raman e la spettroscopia a infrarossi their spectroscopic response. al fine di descrivere il loro responso spettroscopico. All the gypsum samples displayed low fluores- Tutti i campioni di gesso hanno mostrato una cence background and thin-shaped Raman sig- bassa fluorescenza di sfondo e segnali Raman di nals that suggests high purity and crystallinity. forma sottile che suggeriscono una elevata purez- In addition, the IR spectra did not show any dif- za e cristallinità. Inoltre, gli spettri IR non pre- ferent peaks that those assigned to gypsum. sentavano picchi differenti da quelli assegnati Based on these evidences, we propose gypsum al gesso. Sulla base di queste prove, proponiamo speleothems from the Naica caves and the Giant l’inserimento degli speleotemi di gesso delle grotte geode of Pulpí to be included in the mineral spec- di Naica e del geode gigante di Pulpí nella ban- troscopy database for Mars exploration as refer- ca dati mineralogica spettroscopica per l’esplo-

1 Water Resources and Environmental Geology Research Group, Department of Hydrogeology-University of Almería, Almería, Spain 2 Centro de Astrobiología (CSIC-INTA), Madrid, Spain 3 Unidad Asociada UVA-CSIC al Centro de Astrobiología, University of Valladolid, Spain

243 ence materials. razione di Marte, come materiali di riferimento. On the other hand, the relatively broad knowl- D’altra parte, la conoscenza relativamente ampia edge about the genesis of these huge selenite sulla genesi di questi cristalli di selenite enormi crystals acquired over the last decade can play an acquisita negli ultimi dieci anni può svolgere un essential role to interpret the origin of some Mar- ruolo essenziale per interpretare l’origine di alcu- tian gypsum deposits. This body of work suggests ni depositi di gesso marziani. Questo lavoro sug- that the gypsum speleothems of the Naica caves gerisce che gli speleotemi di gesso delle grotte di as well as the Giant geode of Pulpí precipitated Naica, nonché il geode gigante di Pulpí, sono pre- from thermal saline solutions at temperature be- cipitati da soluzioni saline termali a temperatura low 58 ºC. According this fact, Martian gypsum inferiore ai 58 ºC. In base a questi dati, le vene di veins might generated from an aqueous solution gesso di Marte potrebbero essere state generate da 2- 2+ 2- rich in Ca and SO4 . In spite of the characteristics una soluzione acquosa ricca di Ca e SO4 . No- of the current Martian atmosphere do not allow nostante le caratteristiche dell’attuale atmosfera the presence of liquid water, the gypsum veins marziana non consentano la presenza di acqua found in Mars suggest the existence of ground- liquida, le vene di gesso trovate su Marte sugge- water, at least in the past. An additional environ- riscono l’esistenza di acque, almeno in passato. mental aspect to be considered is their astrobio- Un ulteriore aspetto ambientale da considerare è logical significance as sulfate minerals in these il loro significato astrobiologico poiché i minerali caves were formed without the influence of solar di solfato di queste grotte si sono formati senza radiation. l’influenza della radiazione solare.

Acknowledgements Ringraziamenti Financial support for this work was made avail- Il contributo finanziario per questo lavoro è sta- able through the Project “RLS Exomars Science” to reso disponibile dal progetto “Exomars RLS (Ministry of Science and Innovation, Spain and Science” (Ministero della Scienza e dell’Innovazio- FEDER funds of EU) and the Spanish Science ne, Spagna, e fondi FESR dell’UE) e dalla sovven- grant AP-2007-02799. zione alla scienza spagnola AP-2007-02799.

244 Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 245-246

PROBLEMS OF VALORIZATION AND MANAGEMENT OF THE GIANT GEODE OF PULPI (ALMERIA, SE SPAIN) I PROBLEMI DI VALORIZZAZIONE E GESTIONE DEL GEODE GIGANTE DI PULPI (ALMERIA, SPAGNA SUD-ORIENTALE)

Jose-Maria Calaforra1

Abstract Riassunto The Giant geode of Pulpí (Almería, SE Spain) La geode gigante di Pulpí (Almería, SE Spagna) hosts some of the most outstanding selenite crys- ospita alcuni tra i cristalli di selenite più impor- tals of the world and the largest ones discovered tanti del mondo e i più grandi scoperti in Europa. in Europe. Pinacoidal high-purity selenite crys- I cristalli di selenite pinacoidale ad elevata pu- tals up to 2 metres long cover totally its walls, rezza, lunghi anche 2 metri, ricoprono completa- floor and ceiling. mente le pareti, il pavimento e il soffitto. Il vuoto The cave void where the geode was formed is in di grotta dove si è formata la geode si trova in una an abandoned mine 3 km far from the coastline miniera abbandonata a 3 km dalla costa e 50 m di and 50 m deep from the surface. profondità dalla superficie. L’origine particolare The peculiar genesis could be related to the mix- potrebbe essere correlata ai processi di miscela- ing processes between hydrothermal fluids and zione dei fluidi idrotermali e acqua salata nella salt water in the aquifer. falda acquifera. The discovery (December 2000) was considered La scoperta (Dicembre 2000) è stata considerata an important highlight in the geological heritage un evento importante per il patrimonio geologico of Spain but not many things have been done della Spagna, ma non è stato fatto molto in questi since 10 years. Projects developed for their con- dieci anni. I progetti sviluppati per la loro conservation were paralysed and no legal figure of servazione sono stati paralizzati e nessuna figura protection is active nowadays. giuridica di tutela è oggi attiva. Solo l’interesse Only the interest of touristic valorisation is still per la valorizzazione turistica è ancora vivo, ma in alive but in reality the initial tourist projects are realtà i progetti turistici iniziali si sono fermati. È stopped. Only one previous project of “waste min- attivo solo un precedente progetto di “rimozione di ing removal” is active. Nevertheless this project rifiuti di estrazione”. Tuttavia questo progetto sta is partially provoking a controversial effect: the parzialmente provocando un effetto controverso: destruction and/or decontextualization of some la distruzione e/o decontestualizzazione di alcuni surface mining remains. resti di miniere di superficie. No doubt the Geode has a tourist interest, which Senza dubbio il Geode ha un interesse turistico must be tempered by environmental restrictions che deve essere temperato da vincoli ambientali limiting the public visits. che limitano le visite del pubblico. I primi risul- First results demonstrated that a continuous vis- tati hanno dimostrato che una visita continua di it of two or three people for more than 10 min- due o tre persone per più di 10 minuti provoca la

1 Water Resources and Environmental Geology, University of Almeria, Spain

245 utes provokes the appearance of condensation formazione di condensa e rischi di corrosione dei and risks of corrosion of the gypsum crystals. Al- cristalli di gesso. Nessun progetto turistico deve though any tourist adaptation must not permit permettere visite all’interno del geode ed è neces- direct visits to the geode indoor and levels/con- sario tenere sotto controllo i livelli/contenuti, ad tents like Hg and Rn must be controlled. Regret- esempio, di Hg e Rn. Purtroppo, la comunicazione tably, communication to the authorities of this alle autorità di questa situazione particolare ha special situation decreased their interest for the diminuito il loro interesse per la tutela e il turi- protection and touristization. smo. The present proposal is to highlight not only the La presente proposta mira alla salvaguardia non geode but the mining environment showing that solo del geode, ma di tutto l’ambiente minerario, valorization of this geological-natural heritage is dimostrando che la valorizzazione di questo patri- still feasible. monio naturale geologico è ancora fattibile.

246 Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 247-262

THE PARADOX OF CAVE MINE CONSERVATION IL PARADOSSO DELLA CONSERVAZIONE DELLE GROTTE DI MINIERA

Daniela Pani1 & Arrigo A. Cigna2

Cave discoveries will always be the reward of those who are willing to dig a little deeper, squeeze a little tighter, or climb a little higher than the last person. / Le scoperte in grotta saranno sempre la ricompensa per quelli che vorranno scavare un po’ più profondo, trafilarsi un po’ più allo stretto o arrampicarsi un po’ più in alto dell’ultimo personaggio (Heaton, 1986).

Abstract Riassunto Given that the only way to completely preserve In questo articolo si discute un plausibile approc- the environment inside caves would be to exclude cio alla gestione sostenibile di quella categoria di all visitors, in this paper we analyse a plausible grotte tra le più vulnerabili: le grotte di miniera. approach scenario to sustainably manage the Le grotte di miniera sono classificate sulla base most vulnerable among caves: the mine cave. del concetto di livelli di energia. Per tutte le grotte, The concept of energy levels as applied to caves i potenziali danni causati dalla presenza di visi- is considered and the mine caves are classified tatori cresce inversamente al loro contenuto ener- accordingly. For all caves, the potential damage getico e vulnerabilità. Il contenuto energetico di caused by visitor presence grows inversely to una grotta deve essere noto non solo per compren- their energy content and vulnerability. The ener- dere sia le sue caratteristiche, ma soprattutto per gy levels of a cave must be known to understand definire le modalità di gestione nel caso si svilup- the features it contains as well as the modality pi una grotta turistica. L’approccio alla gestione with which it should be treated. delle grotte turistiche dipende dal tipo di grotta, The approach to manage show caves depends on in particolare, se la grotta o un suo settore è a bas- the type of cave, in particular whether the cave or sa energia, di conseguenza un ambiente fragile. section of a cave is a low energy, fragile environ- Grotte o parti di grotte attive con ambienti ad alta ment, or not. Caves or sections of caves that are energia, sono molto meno sensibili ai cambiamen- active, high energy environments, are much less ti indotti dall’uomo. Le grotte di miniera rappre- sensitive to internal human-induced change. sentano i tipi di grotte a più bassa energia, di gran Mine caves are often the lowest-energy level lunga inferiore rispetto a qualsiasi altro contesto caves, extremely lower than anywhere on the della superficie della terra; il loro isolamento per- earth’s surface; their isolation allows natural mette alle forze della natura di generare anche ca- forces to create delicate features which can take ratteristiche e parti delicatissime che richiedono long periods of time to grow. veramente lunghi periodi di tempo per formarsi. Unlike other energy-level caves, any access to A differenza delle grotte ad alta energia, qualsiasi

1 SSI, Via Gherardo delle Notti,13 – 09121 Cagliari, Italy, [email protected] 2 UIS-SSI, Str. Bottino 2, I-14023 Cocconato, Italy, [email protected]

247 a mine cave merely implies a consistent energy accesso a una grotta miniera implica soltanto una change. Consequently, mine caves require a thor- variazione consistente di energia. Di conseguenza, ough understanding and great care in handling, le grotte di miniera trasformate in turistiche ri- since the conditions that make them unique also chiedono una profonda conoscenza e grande cura make them vulnerable. This greater awareness is nella gestione, in quanto le stesse condizioni che essential to future conservation. le rendono uniche le rendono anche vulnerabili. As far as show caves are concerned, the presence Per quanto riguarda grotte turistiche la presen- of people is clearly not optional. A carrying ca- za di persone chiaramente non è facoltativa. Un pacity model tailored to caves showing distinctive modello di capacità di carico calcolato specifica- resources can be applied. Sustainable cave man- mente per le grotte che mostrano potenziali risorse agement is not simply a matter of determining gestionale è qui presentato. La gestione sostenibile usage levels or carrying capacity of caves; rather, di una grotta non riguarda semplicemente la de- it involves determining environmental manage- terminazione dei livelli di utilizzo o la capacità di ment techniques that are appropriate to a partic- carico della grotta stessa, ma soprattutto la de- ular cave condition or environmental state that terminazione delle tecniche di gestione ambientale should prevail. adeguate a ogni particolare condizione ambienta- Keywords: sustainable cave management, cave le presentata dalla grotta. carrying (visitor) capacity, energy cave, cave dis- Parole chiave: gestione sostenibile della grotta, turbance index. capacità ricettiva, energia e indice di disturbo della grotta.

Fig. 1 - Skocjanske Cave: this karst system is probably the best example worldwide for the number and amount of features of any kinds, ranging from gigantic dolines to small gours. It is a typical high energy cave where floods may reach B many tens of metres. Obviously the visitors capacity in this cave is practically infinite, since the energy equilibrium depends on the water flow. /Grotta di S. Canziano: questo sistema carsico è probabilmente l’e- sempio migliore a livello mondiale per numero e dimensioni di caratteristiche di ogni genere, che vanno da doline gigantesche piccole concrezioni a vaschetta. Si tratta di una tipica grotta ad alta energia dove le piene possono alzarsi di molte decine di metri. Ovviamente la capaci- tà ricettiva dei visitatori è praticamente infinita in quanto l’equilibrio energetico dipende dal flusso idrico.

248 Introduction Introduzione Despite the significant natural heritage Nonostante il valore rilevante delle caratte- values of caves and their vulnerability to ristiche naturali delle grotte e la loro vulne- human impact, caves are rarely given the rabilità all’impatto umano, le grotte vengo- attention in environmental management no raramente prese in considerazione nella and planning that such fragile environ- gestione ambientale e nella pianificazione ments deserve. che tali fragili ambienti invece meritereb- Caves provide particular management bero. Le grotte richiedono specifiche consi- considerations and unique challenges for derazioni per la gestione e attenzioni molto their preservation, many of which hinge on particolari per la loro conservazione, molte broader issues of environmental sustain- delle quali richiedono aspetti speciali per la ability. sostenibilità ambientale.

Cave energy-level classification La classificazione energetica delle The concept of energy levels as applied to grotte caves was reviewed by Heaton (1986), who Il concetto di livello energetico applicato alle classified caves into three energetic cate- grotte è stato introdotto da Heaton (1986) gories: high-energy, moderate-energy, and che ha classificato le grotte in tre categorie: low-energy levels. livelli di alta energia, moderata energia High-energy caves experience high-energy e bassa energia. Le grotte ad alta energia events on a regular basis, e.g., caves which sono soggette ad eventi ad alta energia su undergo periodic flooding (Fig. 1). The base regolare, per esempio sono soggette pe- strongest forces normally encountered by riodicamente a piene (Fig. 1). Le forze più moderate-energy caves are orders of mag- importanti che si riscontrano nelle grotte ad nitude lower than those related to high-en- energia moderata sono inferiori per ordini ergy caves, the most significant including di grandezza a quelle relative alle grotte ad running water, persistent wind, or even alta energia e le più frequenti sono i corsi the activities of animals. d’acqua, le correnti d’aria o anche l’attivi- Low-energy caves are, again, orders of tà animale. Le grotte a bassa energia sono, magnitude smaller. Normally in these nuovamente, da un livello più basso di vari caves, the highest energy event may be a ordini di grandezza. Normalmente in que- falling drop of water from the ceiling to the ste grotte l’evento di energia più elevata può floor (Fig. 2). essere la caduta sul pavimento di una goc- According to Heaton’s classification, cia d’acqua dal soffitto (Fig. 2). Secondo la high-energy passages will be slightly af- classificazione di Heaton, i tratti ad alta fected by tourist activities, because such energia sono poco interessati dalle attività passages will be rearranged by rockfall legate al turismo poiché essi sono soggetti or flooding within a year. In some moder- a frane ed alluvioni con una frequenza an- ate-energy passages, which often have the nuale. In certi tratti ad energia moderata, richest displays of speleothems, the visitor che sono sovente ricchi di concrezioni, le presence effects might last for long. During conseguenze della presenza dei visitatori a short period of time, the energy released può persistere a lungo. In un breve lasso di by tourists could equal the order of magni- tempo, l’energia rilasciata dai turisti può tude released by natural processes operat- essere dell’ ordine di grandezza di quella ing in moderate-energy caves. dei processi naturali, tipici delle grotte ad This could lead to irreversible damage, energia moderata. Tutto ciò potrebbe risol- anyway. versi in un danno irreversibile. Le visite in Visiting a low-energy cave may imply a una grotta a bassa energia potrebbe con- serious impact on the environment, since durre ad un impatto molto grave sull’am- more energy than the cave has experienced biente in quanto il rilascio di energia in un in a thousand years can be released in a breve intervallo di tempo potrebbe essere very short time span. superiore a quello corrisposto in migliaia

249 Fig. 2 - Santa Barbara Cave (Sardinia, IT): an almost closed cave is a cave with the lowest energy level. Santa Barbara Cave requests an accurate and long lasting monitoring in order to preserve the conditions that made them so unique. One of the most impressive feature of isolated cave is their cleanliness. Not only delicate speleothems form under very low-energy condition, but their growth and preservation requires an isolation from higher-energy forces that would destroy them. / Grotta di Santa Barbara (Sardegna): una grotta quasi isolata è una grotta al più basso livello energetico. La Grotta di Santa Barbara richiede un monitoraggio accurato e permanente al fine di preservare le condizioni ambientali che ne hanno consentito uno sviluppo assolutamente singolare. L’assoluta nettezza è una delle più notevoli caratteristiche. Non soltanto le delicate concrezioni si formano in condizioni di bassissima energia, ma il loro sviluppo e successiva conservazione implicano un isolamento da forze ad alta energia che le potrebbero distruggere.

That is, in a low-energy cave visitors most di anni. Ciò significa che in una grotta a careful passage may in any case cause rap- bassa energia la presenza, anche se molto id and severe damages to the delicate spe- attenta, dei visitatori potrebbe comporta- leothems. It must be highlighted that this re rapidi e gravi danni a delle concrezioni classification is based on the unexpressed molto delicate. Deve essere evidenziato che assumption that the mean energy levels questa classificazione è basata sulla assun- of both the cave and the outside environ- zione sottintesa che i livelli energetici medi ments are practically identical. sia della grotta che dell’ambiente esterno The field context is, however, far more siano praticamente uguali. complex than the simplified examples of Questo contesto, d’altra parte, è estrema- Heaton’s energy levels. Such classification mente più complesso rispetto agli esempi might also be proposed in terms of closed dei livelli energetici di Heaton. Questa clas- and/or open systems. In between, there sificazione può essere proposta anche in ter- might be a medium degree of energy ex- mini di sistemi isolati e/o aperti. Tra questi change between the inside and the outside estremi, ci possono essere scambi energetici

250 environments. In general, there is a fair intermedi tra gli ambienti interni ed ester- equivalence between the Heaton classifica- ni. In generale si ha una sostanziale equi- tion high-middle-low and open semi-closed valenza tra la classificazione di Heaton ad and closed system. There are, however, alta, media e bassa energia e sistemi aperti, some “extreme” occurrences where such semi-isolati e isolati. Esistono, tuttavia, al- equivalence is not longer valid, and this cuni casi “estremi” nei quali questa sostan- exactly concerns mine caves. ziale equivalenza non vale più ed è questo il A comparison between the Naica and San- caso delle grotte di miniera. Un confronto ta Barbara mine caves highlights that Na- tra le grotte di miniera di Naica e di Santa ica could certainly be classified as a high Barbara mostra come Naica possa essere energy-closed system whilst Santa Barba- classificata come un sistema ad alta ener- ra represents a typical low energy-closed gia e chiuso, mentre Santa Barbara è un system. sistema tipicamente a bassa energia e pa- Generally speaking and based on the au- rimenti chiuso. In linea generale ed in base thors’ experience, the most of show caves all’esperienza degli autori, la maggior parte are included in the low to moderate ener- delle grotte turistiche rientrano nelle grotte gy range, since developing and managing tra bassa e moderata energia, dal momento high energy tour caves may be a difficult che lo sviluppo e la gestione di grotte turi- and highly expensive activity. stiche in cavità ad alta energia potrebbe essere un’attività difficile e costosa. Mine caves typically are low-energy caves? Le grotte di miniera sono grotte e bas- The best known examples of mine caves al- sa energia ? most certainly are represented by Naica’s Gli esempi più famosi di grotta di minie- Cristales and Santa Barbara caves. ra sono costituiti certamente dalle grotte di The energy level of these two caves is ex- Naica e di Santa Barbara. I livelli energeti- tremely different, very high and low and, ci di queste due grotte sono quanto mai di- unlike the normal, any access to the cave versi, rispettivamente molto alto e basso e, in this case implies a consistent energy ex- diversamente dal solito, qualunque accesso change. alla grotta in questo caso comporterebbe un Moreover, a single cave may exhibit exam- notevole scambio di energia. ples of all three energy levels, when con- Inoltre, una singola grotta potrebbe presen- sidering different sections: a balanced and tare la presenza di tutti e tre i livelli energe- sustainable cave management plan should tici, quando vengano presi in considerazio- consider each area separately, given that, ne tratti diversi: un programma di sviluppo in principle, tourist trails may cross all ben equilibrato e sostenibile deve riguarda- three energy levels. Projecting and imple- re separatamente ogni tratto dal momen- menting such a plan could undoubtedly be to che il percorso turistico può interessare a complicated and expensive process (Cig- tutti i diversi livelli energetici. La program- na & Burri, 2000). mazione e la realizzazione di un tale piano può essere un processo complicato e costoso Visitor carrying capacity (Cigna & Burri, 2000). A carrying capacity model tailored to caves showing distinctive resources can be ap- La capacità ricettiva dei visitatori plied. Caves with rare and generally irre- Si possono sviluppare modelli di capacità placeable cultural, biological, and/or spe- ricettiva tipici per ogni grotta con diver- leothem resources, enough to be classified se caratteristiche. Le grotte con rare e ge- as national or international heritage and neralmente insostituibili risorse cultura- easily susceptible to damage by the pres- li, biologiche e/concrezioni, tali da essere ence of visitors, should undergo a very re- classificate quali patrimoni nazionali o in- strictive management. ternazionali e che siano facilmente danneg- Two examples are Lechuguilla Cave in giabili dalla presenza di visitatori, devo-

251 the U.S.A. and Lascaux in France. Anoth- no essere sottoposte ad una gestione molto er category refers to caves with rare and rigorosa. Le grotte Lechuguilla negli USA significant ecological resources that could e Lascaux in Francia ne sono due esempi be sustained even with visitation, ensur- tipici. Un’altra categoria è rappresentata ing an adequate management. An example dalle grotte con risorse ecologiche rare e si- would be the glow-worm resource in Waito- gnificative che possono sopportare anche la mo Glow-worm Cave in New Zealand. The presenza di visitatori purché sia assicura- last category would refer to those caves ta una gestione adeguata. Un esempio per with minimal cultural, ecological or speleo- questa categoria sono i glow-worm nella thems resources. Grotta Waitomo Glow-worm in Nuova Ze- The classification as above is already ap- landa. Un’ultima categoria è costituita da plied to many undeveloped caves in the quelle grotte con minime risorse culturali, United States federal government man- biologiche o di concrezioni. La classificazio- aged land. ne sopra riportata è già applicata attual- In many cases, caves with significant re- mente a molte grotte non turisticizzate nei sources require special entry permits; in territori gestiti dal governo federale degli addition, visits may be limited to a partic- Stati uniti. In molti casi, grotte con risorse ular time of year and transit restrictions di notevole importanza richiedono speciali be introduced in some sections of the cave permessi di ingresso; inoltre le visite posso- when bat colonies are present. no essere consentite soltanto in determinati Such management procedures can support periodi dell’anno e possono essere applica- the minimising damage control, limiting te delle restrizioni in certe zone dove siano most of it to the busiest tourist routes and presenti colonie di pipistrelli. creating a distance-decay relationship of Questi tipi di gestione consentono una ri- impacts as distance from the trail increas- duzione delle conseguenze, limitandole ai es. This relationship generally applies to soli percorsi più frequentati e stabilendo un large show caves where the tourist route decremento dell’impatto con l’aumentare interests only a small part of the whole della distanza dal percorso stesso. Questa cave. relazione si applica generalmente a grandi The innate sensitivity of some caves to hu- grotte turistiche dove il percorso dei visita- man presence led Aley (1976) to remark tori è limitato ad una parte minore dell’in- “the carrying capacity of a cave is zero.” tero sistema. Such an extreme positionsis obviously the L’innata sensibilità di certe grotte alla pre- expression of the so called “green” individu- senza umana ha portato Aley (1976) a soste- als who too often support their statements nere che “la capacità ricettiva di una grotta on a purely qualitative basis without tak- è zero”. Posizioni estreme come questa sono ing into a proper account the quantitative l’espressione dei cosiddetti “verdi” che trop- contribution of a process. po spesso giustificano le loro posizioni su di As far as show caves are concerned, there- un criterio puramente qualitativo senza te- fore, the visitor capacity must be evaluated ner conto dell’aspetto quantitativo. just to avoid any irreversible equilibrium Per le grotte turistiche, quindi, bisogna va- disruption of the cave environmental pa- lutare la capacità ricettiva in modo da evi- rameters. tare una rottura irreversibile dell’equilibrio It is argued that sustainable cave manage- dei parametri ambientali. ment is not simply a matter of determining E’ ovvio che la gestione sostenibile di una usage levels or carrying capacity of caves; grotta non consiste nel rispetto di taluni li- rather, it involves determining environ- miti o della capacità ricettiva della grotta mental management techniques that are stessa, ma richiede anche l’adozione delle appropriate to a particular cave condition tecniche di gestione ambientale che siano or environmental state that should prevail. più appropriate al caso specifico in modo The concept of “carrying capacity” hangs che prevalga il rispetto dell’ambiente. on the assumption that there is an upper Il concetto di “capacità ricettiva” è fondato

252 limit to use that an area or resource can sull’assunto che esista un limite superiore stand. According to the UIS Management dell’uso che un’area o una risorsa può accet- Guidelines for Show Caves (Cigna, 2012) tare. Secondo le Linee Guide dell’UIS per la the visitor capacity is defined as the num- gestione delle grotte turistiche (Cigna, 2012) ber of visitors to a given cave over a given la capacità ricettiva è definita come il nu- time period, which does not permanently mero di visitatori di una grotta in un certo change the environmental parameters be- intervallo di tempo che fa variare i parame- yond their natural fluctuation range. It tri ambientali oltre il loro intervallo di flut- must be emphasised that a deviation out- tuazione naturale. Deve essere evidenziato side the above mentioned range is a seri- che un superamento oltre questo intervallo ous threat to the cave environment as well è un rischio serio per l’ambiente sotterraneo to the cave management because any dam- e per la gestione della grotta in quanto qual- age to the cave will undoubtedly result in siasi danno all’ambiente comporterebbe a decrease of the appeal of the cave itself. certamente una diminuzione del richiamo Therefore the Guidelines must be consid- della grotta stessa. Pertanto le Linee Guida ered not only as a tool to protect the envi- devono essere considerate non soltanto un ronment but also a valid instrument to pro- mezzo per la protezione dell’ambiente ma tect the cave management profit (Fig. 3). anche un valido strumento per assicurare il profitto nella gestione della grotta (Fig. 3). Environmentally sustainable model- ling I modelli di sostenibilità ambientale Caves are non renewable resources but, Le grotte sono una risorsa non rinnovabile nevertheless, they are increasingly being ma, ciononostante, sono affette da una mol-

Fig. 3 - Flow chart illustrating the study methodology (after, Calò & Parise, 2006, modified). / Diagramma di flusso che illustra la metodologia di studio (da Calò & Parise, 2006, modificato).

253 disturbed by a variety of human activities teplicità di attività umane che comportano generating impacts both above and below impatti sia sopra che sotto terra (Williams, ground (Williams, 1993). Many anthropo- 1993). Molte attività antropiche, come il tu- genic actions cause great transformations rismo, provocano notevoli modificazioni e and degradation of caves, including tour- degrado delle grotte e possono comportare ism, and may result in negative effects conseguenze negative come la contamina- on them, such as pollution and depletion zione e la diminuzione di risorse idriche, il of water resources, changes of the natural cambiamento della morfologia naturale e morphology and hydrology, decline of ani- dell’idrologia, il declino di specie animali, mal species, etc. ecc. While varying visitor management mod- Mentre sono stati sviluppati diversi modelli els have been developed in an attempt to gestionali con l’intenzione di istituzionaliz- institutionalise environmentally sustain- zare lo sviluppo sostenibile di grotte turisti- able tourism in show caves, the practical che, la loro applicazione è difficile da rea- application of any model is difficult to put lizzare a causa del contrasto tra le esigenze in place because of competing financial and economiche e quelle ambientali. environmental tension. In termini di gestione di una grotta, la so- In terms of cave management, environ- stenibilità ambientale implica l’aspetto cor- mental sustainability emphasises the in- relato di fattori economici, sociali ed am- terrelated nature of economic, social and bientali e la necessità di un approccio inte- environmental factors, and the need for an grato che riconosca questa correlazione ed integrated approach that recognises their interdipendenza. Il punto centrale della so- interconnection and interdependency. Cen- stenibilità ambientale è la nozione dell’esi- tral to environmental sustainability is the stenza di limiti ecologici, in quanto l’impat- notion of ecological thresholds, where hu- to di attività antropiche posso provocare il man-induced changes can push a natural superamento del punto di non ritorno di un system beyond the point of recovery. sistema naturale. Anche quando la sosteni- Even where the explicit goal is environ- bilità ambientale sia lo scopo dichiarato, la mental sustainability, cave management gestione di una grotta può essere caratteriz- may be characterised by a degree of uncer- zata da un certo grado di incertezza. tainty. Il contrasto tra il principio della conserva- The tension between conservation and zione e gli interessi del turismo sono stati tourism interests has been described as descritti come il “paradosso della conserva- the ‘paradox of conservation’ (Moshumi & zione” (Moshumi & Burns, 2011). Burns, 2011). L’Indice di Disturbo della Grotta (CDI) The Cave Disturbance Index (CDI) L’ambiente cavernicolo è estremamente vul- Cave environments are extremely vulner- nerabile per il degrado e la contaminazio- able to degradation and pollution because ne a causa delle caratteristiche peculiari of their peculiar geological, morphological geologiche, morfologiche ed idrogeologiche. and hydrogeological features. Sebbene la capacità ricettiva di questi am- Although the carrying capacity of these bienti naturali sia bassa, una molteplicità natural environments is low, a variety of di attività umane, specialmente senza una human activities, often without a proper adeguata pianificazione, può essere appli- planning, is implemented on cave system cata ad un sistema carsico arrivando a ge- settings generating impacts at the surface nerare impatti sia sottoterra che all’esterno. and subsurface. Al fine di ricondurre un sistema carsico ad In order to reduce the cave system to el- elementi facilmente identificabili per la loro ements easily studied for the evaluator valutazione gli effetti antropici sulle grotte the human-induced effects on caves can be possono essere misurati con l’applicazione measured by applying a Disturbance Index di un Indice di Disturbo (analogamente (the same way as the effective van Beynen all’Indice di Disturbo Carsico– KDI di van

254 and Townsend, 2005, Karst Disturbance Beynen & Townsend, 2005) in base ad un Index – KDI) based on a framework en- insieme di fattori fisici, biologici e sociali compassing physical, biological, and social nonché la valutazione di alcuni indicatori aspects, and the evaluation of a number of per ciascuna categoria (Tab. 1). Ogni cate- indicators for each category (Tab. 1). goria riguarda attributi definiti quali: la

KDI Score Degree of disturbance 0.8 – 1 severely disturbed 0.6 – 0.79 highly disturbed 0.4 – 0.59 disturbed 0.2 – 0.39 little disturbance 0 – 0.19 Pristine

Tab. 1 - Classification of disturbance for a Karst System (afterN orth et alii, 2009). / Classificazione del disturbo per un Sistema Carsico (da North et alii., 2009).

Each category should encompass detailed geomorfologia, l’atmosfera che comprende attributes: geomorphology, atmosphere la qualità dell’aria, l’idrologia che inclu- that deals with air quality; hydrology that de le attività di superficie con ripercussio- includes surface practices influencing wa- ni sull’acqua, la mineralogia ed i depositi ter, mineralogy/ore deposits, and geology. minerari e la geologia. La complessità delle Complexity of caves, where several differ- grotte, dove molte categorie diverse intera- ent categories interact in creating the over- giscono creando l’ecosistema complessivo, all ecosystem, implies the need to consider comporta la necessità di considerare ed and analyse any component of a cave, both analizzare ogni parte di una grotta, sia in- individually and in the reciprocal relation- dividualmente che nelle relazione recipro- ships with the others, in order to safeguard che con le altre, in modo da salvaguardarle and manage it in a sustainable way. e gestirle in maniera sostenibile. Con que- At this aim, only a holistic, comprehensive sto scopo soltanto un approccio olistico che approach, addressing physical, economic tenga conto dei fattori economici e sociali and social factors, can effectively assess può valutare effettivamente i rischi per una the threats to caves. grotta.

Calculation of the CDI Calcolo del CDI Una volta che tutti gli indicatori (I ) siano Once all the indicators (In) have been as- n sessed according to Table 3, their sum (S stati valutati secondo la Tabella 3, la loro somma (S I ) è divisa per il numero (N) de- In) is divided by the number (N) of the in- n dicators considered multiplied by the high- gli indicatori presi in considerazione e mol- est score (3). The Cave Disturbance Index tiplicati per il voto più alto (3). L’Indice di (CDI) is then: Disturbo della Grotta (CDI) è dato allora da: S I n S I CDI = ------(1) n N*3 CDI = ------(1) N*3 A LD (Lack of Data) value, indicating in- sufficient data to classify the indicator, Un valore LD (Mancanza di dati) che indi- can also be considered. The LD rating is ca dati insufficienti per valutare l’indicato- the number of LDs listed in the index dire, può anche essere considerato. La valu- vided by the total number of indicators in tazione di LD è il numero di LD riportati the index. The LD rating ranges between 0 nell’elenco diviso per il numero complessivo

255 and 1, and the higher the rating, the less degli indicatori dell’elenco. La valutazione confidence one can have in the determined di LD varia allora tra 0 e 1 e più è alto que- degree of confidence. (Tab. 2) sto valore minore è la validità che si può avere del grado di fiducia. (Tab. 2)

CDI Class Score Degree of disturbance 1 0.8 – 1 Highly disturbed 2 0.5 – 0.79 Moderately disturbed 3 0.3 – 0.49 Disturbed 4 0.1 – 0.29 Little disturbance

Tab. 2 - Classification of disturbance for a Show Caves (CDI). /Classi - ficazione del disturbo per una Grotta Turistica (CDI).

Application of the CDI Based on the indicator matrix shown in Applicazione del CDI Tab. 3, the CDI was applied to four distinct In base alla matrice degli indicatori della caves: a) Frasassi Cave (Italy); b) Skoc- Tabella 3, il CDI è stato calcolato per quat- janske Cave (Slovenia); c) Santa Barbara tro diverse grotte: a) Grotta di Frasassi (Ita- Cave (Sardinia); and d) Cristales-Naica lia), b) Grotta di San Canziano (Slovenia), Cave (Mexico), as shown in Tab. 4. Exam- c) Grotta di Santa Barbara (Sardegna) e ples a), b) and d) represent high energy d) Grotta dei Cristalli/Naica (Messico), caves, whilst c) represents a typical low come riportati in Tab. 4. Gli esempi a), b) energy-closed system; c) and d) almost cer- e d) sono grotte ad alta energia, mentre è tainly represent the best known examples una tipica grotta a bassa energia-sistema of mine caves. For all the caves analysed, isolato; c) e d) sono sicuramente gli esem- data were readily available from both sci- pi più conosciuti di grotte di miniera. Per entific and literature, as well as local cav- tutte le grotte qui prese in considerazione, ing expertise. i dati sono stati ricavati dalla bibliografia It is immediately clear that both Santa scientifica e direttamente dalle conoscenze Barbara and Cristales Caves behave as specifiche. unbalanced systems (class 3, Disturbed). E’ del tutto ovvio che sia Santa Barbara che In particular, Cristales Cave, classified as la Grotta dei Cristalli si comportano come a high-energy closed cave mine, shows the sistemi non in equilibrio (classe 3, distur- highest index figure among the four anal- bate). In particolare la Grotta dei Cristalli, ysed (CDI = 0.36). As the Cristales energy classificata come grotta di miniera ad alta content is fairly high as compared to the energia ed isolata, ha l’indice col valore outside environment, the development of a più elevato tra le quattro analizzate (CDI show cave might imply strong changes in = 0,36). Poiché l’energia della Grotta dei the system and is, therefore, heavily not Cristalli è piuttosto elevata in confronto recommended. According to the CDI anal- all’ambiente esterno, lo sviluppo come grot- ysis, Santa Barbara Show Cave represents ta turistica implicherebbe grandi variazio- a fairly suffering system. The index score ni del sistema e quindi non è assolutamen- CDI = 0,35 indicates that accessing to the te raccomandabile. Secondo l’analisi del cave, albeit controlled, implies a consistent CDI, la grotta turistica di Santa Barbara energy exchange, impacting the overall en- è un sistema piuttosto disturbato. Il valore ergy balance. dell’indice CDI = 0,35 mostra che l’accesso The slight difference in CDI value of the alla grotta, anche se sotto controllo, com- two mine caves, as well as highlighting the porta un consistente scambio energetico che

256 Category Attribute Scale Indicator 3 2 1 0 Geomor- Subsurface karst Macro Quarrying/mining Large Small Very small None phology Permanent inun- Intermittent flooding >50%fill- Intermittent flooding Natural high Macro Flooding (built structures) dation ing <50%filling rainfall Widespread destruc- Micro Formation removal ≈ 50% removed Some removal Pristine tion Mineral and sediment Most of material Micro ≈ 50% of cave affected Some removal Pristine removal removed Almost Floor sediments destruc- Most of sediments Micro ≈ 50% of sediments affected Some trail through cave pristine most tion affected rock surf Widespread, high Atmosphere Air quality Macro Desiccation Widespread, low levels Isolated, very low levels Pristine levels Anthropic condensation/ Widespread, high Micro Widespread, low levels Isolated, very low levels Pristine corrosion levels Leakage of chemical Hydrology Surface Practices Meso Pesticides and herbicides Heavy spraying on surface Little use of chemicals None used into aquifers Industrial and oil spill and Most of cave water <10% of cave water Micro ≈ 50% of cave water affected Pristine dumping affected affected Water quality At all scales Algal blooms Only life is algal Short terms blooms Nutrients above Pristine Most of the cave Only natural Water quantity Macro Change in water table ≈ 50% of cave affected <10% of cave affected affected variability Changes in cave drip Long dry spells (not Slight reduc- Micro Total cessation Strong decrease waters seasonally related) tion Vegetation distur- Vegetation removal(%- Biota At all scales >66% 30%-66% <33% 0 bance decline) Subsurface biota, Species richness (% Micro 50&-75% 20%-49% < 1%-19% 0 cave decline) Population density (% Micro 50&-75% 20%-49% < 1%-19% 0 decline) Subsurface biota, Species richness Micro 50&-75% 20%-49% < 1%-19% 0 ground water (% decline) Population density Micro 50&-75% 20%-49% < 1%-19% 0 (% decline) Destruction/removal of Human artefacts Cultural At all scales historical artefacts (% >50% 20%-49% < 1%-19% 0 inside cave taken) Stewardship of Full protection At all scales Regulatory protection No regulation Few weak Loopholes in regulations karst basin regulations Enforcement of regu- Widespread, no Some infrequent little Strong en- At all scales No policing, but destruction lations enforcement damage done forcement Well funded At all scales Public education None, public hostility None, public Indifference Attempts through NGOs programs Building Infrastruc- Macro Building of roads Major highways Some 2 lane roads Some country lanes Minor trails ture No develop- Meso Building over caves Large buildings Medium buildings Small buildings ment Micro Construction inside cave Major modification Medium modification Cave trails marked Pristine Single hall, no air Medium halls, some air Medium halls, small Fairly large Visitors capacity Macro Thermal equilibrium circulation circulation stream stream

Tab. 3 - Environmental indicator matrix for the Caves Disturbance Index calculation. / Matrice degli indicatori ambientali per il calcolo dell’indice di disturbo.

257 Category Attribute Scale Indicator F C S C S B C C C Geomorphology Subsurface karst Macro Quarrying/mining 1 1 3 3 Macro Flooding (built structures) 0 2 0 ND Micro Formation removal 1 1 1.5 1 Micro Mineral and sediment removal 1 1 1 1 Micro Floor sediments destruction 1 1 1.5 0.5 Atmosphere Air quality Macro Desiccation 2 0 1 3 Micro Anthropic condensation/ corrosion 2.5 1 1 3 Hydrology Surface Practices Meso Pesticides and herbicides 1 1 0 0 Micro Industrial and oil spill and dumping 0 0.5 1 0 Water quality At all Algal blooms 0 0 0 0 scales Water quantity Macro Change in water table 0 0 ND 3 Micro Changes in cave drip waters 0 0 0 ND Biota Vegetation distur- At all Vegetation removal(%decline) 1 0 ND ND bance scales Subsurface biota, Micro Species richness (% decline) 0 0 ND ND cave Micro Population density (% decline) 0 0 ND ND Subsurface biota, Micro Species richness (% decline) 0 0 ND ND ground water Micro Population density(% decline) 0 0 ND ND Cultural Human artefacts in- At all Destruction/removal of historical ar- 0 0 2 0 side cave scales tefacts (% taken) Stewardship of karst At all Regulatory protection 0 0 0 0 basin scales At all Enforcement of regulations 0.5 1 0 ND scales At all Public education 1 0 1 ND scales Building Infrastruc- Macro Building of roads 0 0.5 1 0 ture Meso Building over caves 0 0 3 0 Micro Construction inside cave 1 0 1 0 Visitors capacity Macro Thermal equilibrium 1 0 2 3

Total (S In) 14 10 20 17.5

Number of indicators (In) 25 25 19 16 CDI 0.19 0.13 0.35 0.36 LD 0 0 0.24 0.36

Tab. 4 - Indicator matrix and CDI scores as applied to four example caves: FC) Frassassi Cave; SC) Skocjanske Cave; SBC) Santa Barbara Cave; CC) Cristales/Naica Cave. / Matrice degli indicatori e valutazione del CDI per i quattro esempi: FC) Grotta di Frasassi; SC) Grotta di San Canziano; SBC) Grotta di Santa Barbara; CC) Grotta dei Cristalli/Naica.

258 different nature of the two caves (Cristales modifica il bilancio complessivo. Category Attribute Scale Indicator F C S C S B C C C Cave = high energy-closed system; Santa La piccola differenza dei valori del CDI per Geomorphology Subsurface karst Macro Quarrying/mining 1 1 3 3 Barbara Cave = low energy-closed system), le due grotte di miniera, come pure l’eviden- Macro Flooding (built structures) 0 2 0 ND confirms that not the cave energy content za della loro natura differente (Grotta dei Micro Formation removal 1 1 1.5 1 but the energy difference between the cave Cristalli = sistema ad alta energia ed iso- Micro Mineral and sediment removal 1 1 1 1 inside and outside is the key feature affect- lato; Grotta di Santa Barbara = sistema ad Micro Floor sediments destruction 1 1 1.5 0.5 ing the environmental impact. alta energia ed isolato) conferma che non When such a difference is high, then the de- è il contenuto energetico ma è la differenza Atmosphere Air quality Macro Desiccation 2 0 1 3 velopment into a show cave becomes diffi- tra l’energia della grotta e quella dell’ester- Micro Anthropic condensation/ corrosion 2.5 1 1 3 cult. The two high energy show cave (a and no, il fattore basilare che definisce l’impat- Hydrology Surface Practices Meso Pesticides and herbicides 1 1 0 0 b) index values are reasonably comparable to ambientale. Quando questa differenza è Micro Industrial and oil spill and dumping 0 0.5 1 0 and fall into class 4 of the disturbance level elevata lo sviluppo in una grotta turistica Water quality At all Algal blooms 0 0 0 classification (little disturbance). diventa difficile. I valori dell’indice delle 0 scales due grotte turistiche ad alta energia (a e b) The problem of Radon sono abbastanza confrontabili e ricadono Water quantity Macro Change in water table 0 0 ND 3 The disturbance of anthropic activities on nella classe 4 della classificazione del livel- Micro Changes in cave drip waters 0 0 0 ND caves has been discussed above. Converse- lo di disturbo (poco disturbato). Biota Vegetation distur- At all Vegetation removal(%decline) 1 0 ND ND ly, the possible disturbance of the cave en- bance scales vironment on the human beings might be Il problema del Radon Subsurface biota, Micro Species richness (% decline) 0 0 ND also taken into consideration: this is the Finora è stato considerato il disturbo pro- ND cave case of Radon. vocato dalle attività antropiche sulle grot- Micro Population density (% decline) 0 0 ND ND It is well known that the radioactive gas te. Al contrario si può anche considerare Radon commonly occurs in any under- il possibile disturbo dovuto all’ambiente Subsurface biota, Micro Species richness (% decline) 0 0 ND ND ground void; for this reason specific regula- cavernicolo sugli esseri umani: è questo il ground water tions are issued by National authorities, in caso del Radon. Micro Population density(% decline) 0 0 ND ND order to avoid undue doses to people (Cig- E’ ben noto che il gas radioattivo Radon si Cultural Human artefacts in- At all Destruction/removal of historical ar- 0 0 2 0 na, 2005). trova comunemente nelle cavità sotterra- side cave scales tefacts (% taken) A simple investigation to estimate the or- nee; proprio per questa ragione ci sono delle Stewardship of karst At all Regulatory protection 0 0 0 0 der of concentration of Radon in a cave to leggi specifiche promulgate dalle autorità basin scales be potentially developed as show cave is, nazionali atte ad evitare delle dosi indebite At all Enforcement of regulations 0.5 1 0 ND therefore, recommended. Generally speak- alla popolazione (Cigna, 2005). scales ing, the single geological analysis is not Una semplice ricerca per stimare l’ordine sufficient to provide us with enough infor- di grandezza della concentrazione del ra- At all Public education 1 0 1 ND mation, because Radon is mainly dissolved don in grotta è quindi raccomandata nel scales in water, or transported along faults even caso si voglia sviluppare una grotta come Building Infrastruc- Macro Building of roads 0 0.5 1 0 from rock formations outcropping far away. grotta turistica. In linea generale ture As regards the distribution of the aver- La semplice analisi geologica non è suffi- Meso Building over caves 0 0 3 0 age Radon concentration in caves, this is ciente a fornire sufficienti informazioni poi- Micro Construction inside cave 1 0 1 0 spread over a very wide range of values, ché il radon è solubile in acqua e traspor- Visitors capacity Macro Thermal equilibrium 1 0 2 3 as shown by Hakl (2004) who collected 303 tato lungo faglie da formazioni geologiche measures from 220 different caves. anche molto distanti. Total (S I ) 14 10 20 17.5 n The histogram shown in Fig. 4 highlights a Per quanto concerne la distribuzione della Number of indicators (In) 25 25 19 16 most common concentration value around concentrazione media del radon in Grotta, CDI 0.19 0.13 0.35 0.36 2500 Bq/m3. questa varia entro un intervallo molto va- LD 0 0 0.24 0.36 As already mentioned, each Country issues sto, come mostrato da Hakl (2004) che ha its own regulation for underground work- raccolto 303 valori da 220 diverse grotte. ing environments. It is not possible to indi- L’istogramma di Figura 4 mostra un valore cate a single value for everywhere, howev- medio intorno a 2500 Bq/m3. er, since such regulations are based upon Come già accennato in precedenza ogni pa- common criteria, the difference among ref- ese stabilisce sue proprie leggi per quanto erence values for Radon concentration is riguarda il lavoro in ambienti sotterranei. not great. Non è possibile fornire un singolo valore

259

Fig. 4 - The log normal distribution of 303 average radon concentrations from 220 caves from all over 3 log conc. (Bq/m )! the world. (after Hakl, 2004). / Distribuzione log- 0,3! 0,8! 1,3! 1,8! 2,3! 2,8! 3,3! 3,8! 4,3! 4,8! 5,3! normale delle concentrazioni medie di Radon in 100! 303 in 220 grotte da tutto il mondo (secondo Hakl, 2004). 90! 80! 70! 60! valido ovunque, tuttavia del momento che N!50! 40! queste leggi derivano da un criterio comu- 30! ne, la differenza tra i valori di riferimento 20! per la concentrazione del Radon non è ele- 10! vata. In questo contesto vengono utilizzati 0! i valori adottati dall’ICRP (International ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Commission on Radiological Protection, 1 che è considerata come l’autorità guida). 320 3 ! 30 3,200 10 10,000 32,000 1,000 Bisogna mettere in evidenza prima di tutto 100 100,000 che le leggi sulla concentrazione del radon > 100,000 > Bq/m3! si applicano soltanto agli impiegati, cioè le guide, e non ai visitatori. Ciò è dovuto al fat- In this specific context, the values adopt- to che il tempo di permanenza dei visitatori ed by ICRP (International Commission on in una grotta turistica è troppo breve perché Radiological Protection, which is acknowl- possano assorbile una dose significativa a causa del Radon. L’ICRP definisce inoltre Figure 4 - The log normaledged distribution as a leading of 303 authority) average radon will concentrations be uti- from un Livello di azione, cioè una concentra- 220 caves from all overlised. the world. (after HAKL, 2004) It should first of all be emphasised that the zione media annua del Radon per il quale

Radon concentration regulations apply to è raccomandato un intervento teso a ridur- employees, i.e. the cave guides, and not to re la dose di esposizione per le persone. As- visitors. This is because the time visitors sumendo un tempo lavorativo di 2000 ore stay inside a show cave is not long enough all’anno, con un fattore di equilibrio pari to let them absorb a significant dose due to a 0.4, l’ICRP raccomanda l’adozione di un Radon. Livello di azione compreso tra 500 e 1500 The ICRP also defines an action level, Bq m-3, come riassunto nella Tab. 3. i.e. the mean annual concentration of Ra- In quanto alla Tab. 5, si è assunto che una don at which intervention to reduce the concentrazione media annua di 500 Bq*m-3 exposure of individuals is recommended. (corrispondente a 19 pCi* m-3 nelle vec- By assuming 2000 hours per year at work chie unità) comporti una dose annua di 3 and an equilibrium factor of 0.4, the ICRP mSv, con un tempo lavorativo di 2000 ore/ recommends the adoptions of an action lev- anno. In un comune luogo di lavoro sotter- el within the range of 500-1500 Bq m-3, as raneo (per esempio cantine, gallerie, ecc.) la summarised in Tab. 5 ventilazione può ridurre la concentrazione Figure 5 - Hours per year that could be spent with annual dose limits ofdel 20, Radon al di sotto del livello di azione 10 and 3 mSv respectively, and an equilibrium factor of 0.4 againststabilito the dalle leggi locali. In una grotta average annual RadonLower concentration limit 500 in Bq Bq m m-3 3. 19 pCi m-3 3 mSv naturale, dove la ventilazione ovviamente -3 -3 Upper limit 1500 Bq m 56 pCi m 10 mSv non è ammessa, delle condizioni di lavoro in accordo con le disposizioni di legge pos- Tab. 5 - Range of the action level. / Intervallo del sono essere definite soltanto con riferimento Livello di azione. al tempo speso dalle guide all’interno della grotta (Fig. 5). L’ICRP ha preparato una As for Tab. 5, it is assumed that an annual bozza di documento (ICRP, 2012) che è di- mean concentration of 500 Bq m-3 (corre- sponibile in rete dal Giugno 2012. Anche se sponding to 19 pCi m-3 in old units) deliv- queste nuove raccomandazioni dell’ICRP

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log conc. (Bq/m3)! 0,3! 0,8! 1,3! 1,8! 2,3! 2,8! 3,3! 3,8! 4,3! 4,8! 5,3! 100! 90! 80! 70! 60! N!50! 40! 30! 20! 10! 0! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 1 320 30 3 ! 3 3,200 10 10,000 32,000 1,000 100 100,000 > 100,000 > Bq/m3!

Figure 4 - The log normal distribution of 303 average radon concentrations from 220 caves from all over the world. (after HAKL, 2004)

ers an annual dose of 3 mSv, given an average working time of 2000 hours/yr. In a common underground working place (ex., cellars, tunnels, etc.) ventilation can reduce the Radon concentration below the action limit established by the local regulations. In a natural cave, where the ventilation is obviously not allowed; proper working procedures truly compliant to the standard regulations can be established only if refer- Fig. 5 - Hours per year that could be spent with ring to the time spent by a guide inside the Figureannual 5 - Hours dose limits per year of 20, that 10 could and 3 bemSv spent respectively, with annual dose limits of 20, cave (Fig. 5). 10 andand 3 an mSv equilibrium respectively, factor and an of equilibrium 0.4 against factor the of 0.4 against the 3 ICRP has recently drafted a report (ICRP, averageaverage annual annual Radon Radon concentration concentration in Bq m in. Bq m3. / 2012), which is available for consultation Ore di lavoro all’anno possibili con limiti di dose di 20, 10 and 3 mSv rispettivamente, e un fattore from June 2012. di equilibrio di 0.4 con una concentrazione media Despite these new ICRP recommendations annua di Radon espressa in Bq m3. are still waiting for approval, changes in the policy concerning the radiation protection against Radon in caves are not to be expected. sono ancora in fase di approvazione, non ci For example, in Italy the annual limit of 3 si devono attendere variazioni nei criteri di mSv is applied. radioprotezione dal Radon in grotta. Given a condition of adequate reduction of Per esempio, in Italia viene applicato il the time spent inside a cave, if the dose due limite annuo di 3 mSv. Con una opportu- to Radon and its decay products delivered na riduzione del tempo di lavoro speso in to a guide cannot, however, be kept below grotta, se la dose derivante dal Radon e dai the limit 3mSv/year, then the person must suoi prodotti di decadimento per una guida be considered subject to a professional ex- non risultasse inferiore al limite di 3 mSv/ posure. anno, la persona dovrebbe essere classi- This classification would therefore imply a ficata professionalmente esposta. Questa number of obligations (medical, dosimet- classificazione comporterebbe tuttavia una ric, annual reports, etc) which could rath- quantità di obblighi (medici, dosimetrici, er heavily burden the cost of a show cave rapporti annuali, ecc,) che costituirebbero management. un onere piuttosto serio per l’economia di As it is shown in Fig. 4, in some particular gestione di una grotta turistica. cases it is possible to measure exceptional- Come viene mostrato in Fig. 4, in certi casi ly high Radon concentration. è possibile trovare valori eccezionalmente To avoid possible unpleasant drawback re- alti per la concentrazione del Radon. Per sulting into a too heavy burden, it is there- evitare spiacevoli conseguenze che compor- fore advised knowing a good, although terebbero oneri troppo gravi, è opportuno rough, reference figure of radon concentra- avere un valore anche approssimato della tion in a cave to be developed into a show concentrazione del Radon in una grotta che cave. dovesse essere sviluppata in grotta turisti- If the value falls in the left tail of the histo- ca. Se i valori rientrano nella parte di si- gram of Fig. 4, then Radon won’t represent nistra dell’istogramma di Fig. 4, allora il a hazard. Radon non costituirebbe un rischio. Se, in- If, however, the value falls in the right side vece, i valori cadessero nella parte di destra of the histogram, a detailed investigation dell’istogramma, sarebbe altamente racco- on the potential negative implications on mandabile una ricerca accurata sulle even- the show cave management is then highly tuali implicazioni negative per lo sviluppo recommended. in una grotta turistica.

261 Conclusion Conclusione Mine caves are a very special type of caves, Le grotte di miniera costituiscono una ca- which require an approach tailored to any tegoria speciale di grotte che richiedono un single case. In the case of mine caves, in approccio specifico caso per caso. Infatti fact, the leading factor is not the energy per le grotte di miniera il fattore prevalente level but the energy difference between in- non è il livello energetico ma la differenza side and outside environment. When such dell’energia tra l’ambiente interno e quello a difference is high, then the development esterno. Quando questa differenza è eleva- into a show cave becomes difficult. In par- ta, lo sviluppo in grotta turistica diventa ticular, if the energy content is fairly high difficile. In particolare se il livello energe- (example, Cristales, Naica), the develop- tico interno è piuttosto alto (per esempio ment is heavily not recommended. If, on Grotta dei Cristalli/Naica) lo sviluppo non the other hand, the inside energy level is è assolutamente raccomandato. Se invece il low, a development is sometime possible livello energetico interno è basso, uno svi- only under very strict constraints. luppo è talvolta possibile sotto certe condi- The CDI might represent a useful tool for zioni piuttosto restrittive. Il CDI può rap- evaluating the level of disturbance of an presentare uno strumento utile per valutare already existing or potentially developable il livello di disturbo di una grotta turistica show cave. The process of applying the esistente o in via di sviluppo. Il processo di CDI provides organisations and commu- applicazione del CDI fornisce alle organiz- nities with an opportunity to holistically zazioni ed alle comunità una opportunità analyse their caves in a systematic and per una analisi olistica delle loro grotte standardised manner, thus forcing organ- in modo sistematico e standardizzato che isations to consider threats that they may induce le organizzazioni a considerare ri- have not previously considered. The distur- schi che eventualmente non avevano preso bance index values can, therefore, support in considerazione. L’indice di disturbo è in resource managers establishing a baseline grado, quindi, di fornire ai gestori di una for the degree of human disturbance to a risorsa uno strumento per valutare il livello cave. di disturbo antropico per una data grotta.

References / Citazioni Bibliografiche

Aley T., (1976), Caves, cows and carrying capa- Heaton T., (1986), Caves. A Tremendous Range in city. National Cave Management Symposium Energy Environments on Earth. National Spele- Proceedings, Albuquerque 1975, Speleobooks, ological Society News, August, pp. 301-304. pp 70-71. ICRP, (2012), Draft Report for Consultation: Ra- Calò F., Parise M., (2010), Evaluating the human diological Protection against Radon Exposure. disturbance to karst environments in Southern http://www.icrp.org/page.asp?id=148 Italy. Acta Carsologica 35 (2), pp. 47–56. Moshumi J. S. & Burns G. L., (2011), Australia’s Cigna A.A. & Burri E., (2000), Development, man- crystalline heritage: issues in cave management agement and economy of show caves. Interna- at Jenolan Caves. Helictite 40(2), pp. 27-34. tional Journal of Speleology 29 B(1/4), pp. 1-27. North L.A., Van Beynen P.E. & Parise M., (2009), Cigna A.A., (2005), Radon in caves. International Interregional comparison of karst disturbance: Journal of Speleology 34(1-2), pp.1-18; Reprint- Westcentral Florida and southeast Italy. Envi- ed also in the Proceedings of the 6th ISCA Con- ronment Management 90, pp. 1770-1781. gress, 2006, pp. 83-118. Van Beynen P.E. & Townsend K.M., (2005), A dis- Cigna A.A., (2012), Show Caves. In: White B.W. turbance index for karst environments. Environ- & Culver D.C. (Eds.), Encyclopaedia of Caves. mental Management 36, 101-116. Chennai, Academic Press, 2nd Ed., pp. 690-697. Williams P., (1993), Environmental change and Hakl J., (2004), Personal communication to human impact on karst terrains: an introduc- A.A.Cigna, 5 May 2004. tion. Catena suppl. 25, pp. 1-19.

262 Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 263-264

THE GIANT “GARBERE” OF COZZO DISI (SICILY) LE GRANDI “GARBERE” DI COZZO DISI (SICILIA)

Michele Brescia1 & Salvatore Presti1

Abstract Riassunto When the smell of wood mixed with that of sul- Quando l’odore di legno mescolato con quello di phur meets the silence of the Great Garbere where zolfo incontra il silenzio delle Grandi Garbere, “Praying Giants” are testifying the universality dove i “Giganti che pregano” testimoniano l’uni- of the second law of thermodynamics (the crystal versalità della seconda legge della termodinamica has its utmost thermodynamic stability when its (il cristallo ha la sua massima stabilità termodi- size is infinite!) there is only one thing to do: to namica quando la sua dimensione è infinita!), vi è recognize that “the Stone is God”, just as Mastro solo una cosa da fare: riconoscere che “la Pietra è Eckart said many years ago. Dio”, proprio come Mastro Eckart disse molti anni All the caving and mining world know Naica and fa. Pulpí; very few people know Cozzo Disi and its Tutta la speleologia e il mondo della miniera co- Great Garbere. It’s common knowledge that the noscono Naica e Pulpí, poche persone conoscono Sicilian people are very reserved. But now it’s Cozzo Disi e le sue Grandi Garbere. È risaputo che time to speak up; it’s the time to share our knowl- il popolo siciliano è molto riservato. Ma ora è il edge. momento di parlare: è il momento di condividere The Sicilian people have one exclusive under- le nostre conoscenze. ground treasure but until now they were unable Il popolo siciliano ha un tesoro esclusivo sotto- to realize this fact and, above all, nothing was terra, ma fino ad ora non se n’era reso conto e, done to better account for this global property. soprattutto, nulla è stato fatto per far conoscere This real wonder is the sulphur mine called Coz- meglio questo tesoro globale. Questa vera meravi- zo Disi. The Mining District of Caltanissetta, an glia è la miniera di zolfo chiamata Cozzo Disi. Il office with almost one and a half century of his- distretto minerario di Caltanissetta, un Ente con tory, in silence, is working on a gradual project of quasi un secolo e mezzo di storia, in silenzio, sta maintenance from 1996. lavorando a un progetto graduale di manutenzio- The elevator system and central ventilation sys- ne dal 1996. Il sistema di ascensori e di ventilazio- tem are working now. It’s possible to descend to ne centrale ora funzionano ed è possibile scendere the fifth level in the cages. fino al quinto livello con le gabbie. From the third level, at 85 meters above sea level, Dal terzo livello, a 85 metri sul livello del mare, è through a narrow five hundred metre long tun- possibile raggiungere la prima Garbera, una cavi- nel initially full of water and toxic gases such as tà naturale larga circa quindici metri e alta circa

H2S and CO2, it’s possible to reach the first Gar- cinque metri, attraverso uno stretto tunnel di 500 bera, a natural cavity large about fifteen metres metri inizialmente pieno di acqua e gas tossici, and about five metres in height. Its walls, roof quali H2S e CO2. Le sue pareti, il soffitto e il suo- and ground are rich in gypsum crystals of sizes lo sono ricchi di cristalli di gesso di dimensioni greater than a man (the so-called “Giants”). This maggiori di un uomo (i cosiddetti “giganti”). Que- is only the first cavity. Many others, one after the sta è solo la prima cavità. Molte altre, una dopo

1 Regione Siciliana, Dipartimento dell’Energia, Distretto Minerario di Caltanissetta

263 other, can be seen and soon visited. The “Giants” l’altra, possono essere viste e visitate. I “giganti” are completely transparent; some sulphur ghosts sono completamente trasparenti, fantasmi di zolfo are present in their inner core. The environmen- sono presenti nel loro nucleo interno. Le condizio- tal conditions are not too difficult; we hope they ni ambientali non sono troppo difficili, speriamo will improve gradually, through a diligent activi- che possano migliorare gradualmente, attraverso ty of monitoring. una diligente attività di monitoraggio. We also hope to make a complete enjoyment of Speriamo anche di poter mostrare a tutti queste these wonders possible within 2013. But we need meraviglie entro il 2013. Ma abbiamo bisogno the help of the scientific caving community to dell’aiuto della comunità speleologica scien- give us the knowledge to go on. tifica per darci le conoscenze per proseguire.

264 Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, p. 265

PROPOSAL FOR THE MODIFICATION OF THE TOURIST PATH IN THE SANTA BARBARA CAVE PROPOSTA DI MODIFICA DEL PERCORSO TURISTICO DELLA GROTTA DI SANTA BARBARA

Angelo Naseddu1, Nicola Ibba1,2 & Ughetta Bogliolo1,3

Abstract Riassunto The Santa Barbara cave is a part of a very special La grotta di Santa Barbara fa parte di un ambien- geomining environment. Its discovery in 1952 te geominerario molto speciale. La sua scoperta has immediately raised the interest in the mining nel 1952 sollevò l’interesse per la compagnia mi- company that owned the mine at that moment neraria proprietaria della miniera di allora (So- (Pertusola Society), but also the awareness that cietà di Pertusola), ma anche la consapevolezza this natural treasure had to be protected. che questo tesoro naturale doveva essere protetto. When the mine closed, this geological and spe- Quando la miniera venne chiusa, questo sito geo- leological site was equipped with all facilities logico e speleologico disponeva di tutti gli elementi to enable its opening to tourists. A monitoring necessari per l’apertura ai turisti. Un impianto di equipment was set up in order to allow for a sus- monitoraggio è stato installato al fine di consen- tainable management of the site, without compro- tire una gestione sostenibile del sito, senza com- mising its conservation and safeguarding. Today, promettere la sua conservazione e salvaguardia. thanks to new and important discoveries, some Oggi, grazie a nuove e importanti scoperte, alcune modifications in the tourist path would allow to modifiche al percorso turistico permetterebbero increase the number of visitors, enlarging in the di aumentare il numero di visitatori, ampliando meantime also the cultural value of the tourist nel frattempo anche il valore culturale dell’offerta offer. It is in fact possible, through the excava- turistica. È infatti possibile, attraverso lo scavo tion of two small galleries and the reactivation of di due piccole gallerie e la riattivazione di una an abandoned mine drift, to create a visitor’s loop miniera abbandonata, creare un percorso per i that would allow to increase the number of tour- visitatori che permetterebbe di aumentare anche ists visiting Santa Barbara cave. The new path il numero dei turisti che visitano la grotta Santa would also allow to visit another cave, probably Barbara. Il nuovo percorso consentirebbe anche genetically connected to Santa Barbara, and some di visitare un’altra grotta, probabilmente geneti- ancient excavations in the most important miner- camente collegata a quella di Santa Barbara, e alized vein (Filone Contatto) and also to carry out alcuni antichi scavi nella vena mineralizzata più the reclamation of an area characterized by mass importante (Filone Contatto) e anche di effettuare wasting phenomena applying soil bioengineering la bonifica di un’area caratterizzata da movimenti techniques. This Project would allow to breathe di massa utilizzando tecniche di bioingegneria del new life into this glorious mine environment of suolo. Questo progetto permetterebbe di infondere the past. nuova vita a questo ambiente glorioso del passato.

1 Federazione Speleologica Sarda 2 Unione Speleologica Cagliaritana 3 Gruppo Grotte CAI Cagliari

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Mine Caves / Grotte di Miniera Memorie Istituto Italiano di Speleologia s. II, 28, 2013, pp. 267-268

NEW EXPLORATIONS IN THE SANTA BARBARA CAVE NUOVE ESPLORAZIONI NELLA GROTTA DI SANTA BARBARA

Angelo Naseddu1, Daniela Pani1, Mauro Villani 1,2, Silvia Arrica1,3 & Gianluca Melis1

Abstract Riassunto The Santa Barbara cave has been discovered in La grotta di Santa Barbara è stata scoperta nel 1952 during the exploitation works of the lower 1952 durante lavori di sfruttamento della par- part of the mineralised vein called « Contatto » te inferiore della vena mineralizzata chiamata in San Giovanni Mine. The cave immediately «Contatto» della miniera di San Giovanni. La attracted the curiosity of scientists. grotta ha attirato immediatamente la curiosità The different explorations soon allowed to design degli scienziati. Le diverse esplorazioni hanno its main features, leaving little space for new permesso di progettare le sue caratteristiche prin- discoveries. In fact, often the term « geode » is cipali, lasciando poco spazio per nuove scoperte. used to describe the cave. Infatti, spesso il termine «geode» è usato per de- During the realisation of the documentary film scrivere la grotta. « Mine Caves into the archives of time » a flow- Durante la realizzazione del film documentario stone was ascended, and Giovanni Badino ob- «Grotte di miniera negli archivi del tempo» è stata served that the cave continued upwards for far fatta una risalita su una colata e Giovanni Badi- more metres than previously assumed. Following no ha osservato che la grotta continua verso l’al- this first ascend, in two weekends the explora- to, molto più di quanto si pensasse in precedenza. tions have continued, thanks to the collaboration A seguito di questa primo evento, le esplorazioni of IGEA S.p.A. sono continuate nei due week-end successivi, gra- It has been necessary, in order not to spoil or zie alla collaborazione di IGEA SpA. destroy the fragile speleothems present in this Per non rovinare o distruggere i fragili speleotemi part of the cave, to adopt an extensible ladder presenti in questa parte della grotta, è stato neces- or 12 metre length; the remaining part has been sario utilizzare una scala estensibile di 12 metri climbed with mountaineering techniques up to a di lunghezza, mentre la parte restante è stata sca- squeeze that has been artificially enlarged. lata con tecniche alpinistiche fino ad una strettao- The explorers have reached a small room that ia allargata artificialmente. Gli esploratori hanno will be checked more in detail in the future for raggiunto una piccola stanza che verrà controlla- possible continuations. ta dettagliatamente in futuro per eventuali prose- This new branch goes up for around 40 metres cuzioni. Questa nuova parte si eleva per circa 40 and hosts a feeble air flow that keeps the explor- metri e ospita una debole corrente d’aria che man- ers’ spirits high. tiene alti gli spiriti degli esploratori. È evidente It is evident that this new conduit has witnessed che questo nuovo condotto ha visto il passaggio di the passage of very acid fluids, as the very dark fluidi molto acidi, come sembrano indicare le su- weathered surfaces seem to indicate. perfici molto scure ed alterate. After the discoveries in Santa Barbara 2 cave, and Dopo la scoperta di nuovi rami nella Santa Bar- recent observations in Grotta Serpi, the so-called bara 2 e le recenti esplorazioni nella Grotta Ser- « geode » of Santa Barbara seems to be more like pi, il cosiddetto «geode» di Santa Barbara sembra

1 Federazione Speleologica Sarda 2 Gruppo Ricerche Speleologiche “E.A.Martel”Carbonia 3 Unione Speleologica Cagliaritana

267 a real cave system, although evidently related to essere più simile a un vero e proprio sistema di thermal fluids. grotte, anche se evidentemente formato da fluidi Only future explorations may shed more light on termici. Solo le esplorazioni future potranno far this interesting karst system. luce su questo interessante sistema carsico.

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