Karstic evolution and hazard in gypsum formations: the Quinis case study (NE Italy)

Quinis, a village in the Alta Val Tagliamento (Friuli Venezia Giulia, NE Italy), has experienced ground instability and sinkhole activity for over a century, driven by active dissolution of the gypsum-anhydrite sequence of the Raibl Formation that underlies the village. This thesis addresses three complementary aspects of that hazard: the mechanical behavior of the evaporite rock itself, its expression as measurable deformation at depth and at the surface, and its translation into a spatial hazard classification. Six rock specimens from three boreholes were characterized through percolation cell testing, gas pycnometry, ultrasonic P-wave velocity, X-ray diffraction, and thermal conductivity scanning, to assess the elasto-plastic response of the gypsum-anhydrite sequence under controlled pressure and flow conditions. Two electrical resistivity tomography profiles and a network of seven crack gauges and three clinometers, monitored over roughly six months, characterized subsurface anomalies and surface deformation across the village. Independently of this laboratory and field evidence, a high-resolution sinkhole hazard map was produced through a weighted multi-criteria overlay in a GIS environment, combining drainage, slope, gypsum depth, and satellite-derived surface deformation (Copernicus EGMS) as conditioning factors. Laboratory results show that, over the short duration of the percolation tests, the evaporite sequence behaves largely as an elastic material once an equipment-related pressure artifact is accounted for; only a small permanent volume change persists, most pronounced in the most gypsum-rich specimens. At the village scale, deformation is spatially uneven: fractures along Via Tarquinius, where ERT independently identifies a debris-filled cavity, are closing, while fractures along Via Vecchio Mulino, in a building already vacated for structural reasons, are opening at the fastest rate recorded in the network. The resulting hazard map both corroborates and refines the existing regional hazard zonation, concentrating the highest-hazard class within an area that closely coincides with the zone the regional plan already treats as most severe, while subdividing the much larger area it treats uniformly as high-to-very-high hazard into a finer gradient. Taken together, these results describe a karst system that is active but currently expressing itself slowly, consistent with previous multidisciplinary work at this site. Continued monitoring over longer timescales, extended laboratory testing, and further investigation of the Degano River's role are identified as priorities for improving hazard characterization and supporting future land-use decisions in Quinis. Keywords: evaporite karst; sinkhole hazard; gypsum deformation; electrical resistivity tomography; ground monitoring; multi-criteria hazard mapping.

Quinis, una frazione situata nell'Alta Val Tagliamento (Friuli Venezia Giulia, Italia nord-orientale), è interessata da oltre un secolo da fenomeni di instabilità del terreno e sprofondamento, causati dalla dissoluzione attiva della sequenza gessoso-anidritica della Formazione di Raibl su cui sorge l'abitato. Questa tesi affronta tre aspetti complementari di tale pericolosità: il comportamento meccanico della roccia evaporitica stessa, la sua espressione come deformazione misurabile in profondità e in superficie, e la sua traduzione in una classificazione spaziale della pericolosità. Sei campioni di roccia provenienti da tre sondaggi sono stati caratterizzati mediante prove in cella di percolazione, picnometria a gas, velocità dell'onda P ultrasonica, diffrazione a raggi X e scansione della conducibilità termica, per valutare la risposta elasto-plastica della sequenza gessoso-anidritica sotto condizioni controllate di pressione e flusso. Due profili di tomografia di resistività elettrica (ERT) e una rete composta da sette fessurimetri e tre clinometri, monitorati per circa sei mesi, hanno permesso di caratterizzare le anomalie del sottosuolo e la deformazione superficiale nell'abitato. Indipendentemente da questi dati di laboratorio e di campo, è stata prodotta una mappa di pericolosità da sprofondamento ad alta risoluzione mediante una sovrapposizione pesata multi-criterio in ambiente GIS, che combina come fattori condizionanti il drenaggio, la pendenza, la profondità del gesso e la deformazione superficiale rilevata da satellite (Copernicus EGMS). I risultati di laboratorio mostrano che, nella breve durata delle prove di percolazione, la sequenza evaporitica si comporta in gran parte come un materiale elastico, una volta scorporato un artefatto di pressione legato alla strumentazione; persiste solo una piccola variazione permanente di volume, più marcata nei campioni con maggior contenuto di gesso. Alla scala dell'abitato, la deformazione risulta spazialmente disomogenea: le fratture lungo Via Tarquinius, dove l'ERT individua indipendentemente una cavità riempita di detrito, risultano in chiusura, mentre le fratture lungo Via Vecchio Mulino, in un edificio già abbandonato per motivi strutturali, si aprono al tasso più rapido registrato nell'intera rete. La mappa di pericolosità risultante conferma e al tempo stesso affina la zonazione di pericolosità regionale esistente, concentrando la classe di pericolosità più elevata in un'area che coincide strettamente con la zona già classificata dal piano regionale come più severa, suddividendo al contempo la porzione ben più estesa classificata uniformemente come elevata-molto elevata in un gradiente più dettagliato. Nel loro insieme, questi risultati descrivono un sistema carsico attivo ma che attualmente si manifesta lentamente, in linea con precedenti studi multidisciplinari condotti in quest'area. Il proseguimento del monitoraggio su tempi più lunghi, l'estensione delle prove di laboratorio e un approfondimento del ruolo del fiume Degano sono individuati come priorità per migliorare la caratterizzazione della pericolosità e supportare future decisioni di pianificazione territoriale a Quinis. Parole chiave: carsismo evaporitico; pericolosità da sprofondamento; deformazione del gesso; tomografia di resistività elettrica; monitoraggio del terreno; mappatura della pericolosità multi-criterio.