Lezione 5 · Datare le rocce: biozone e fossili guida

Comunicazioni

• Conferenza di Carlo Doglioni, lunedì 12 ottobre alle 17, “Gradienti della Terra”, all’Accademia Ligure di Scienze e Lettere, in Palazzo Ducale (piazza Matteotti). Ingresso gratuito, circa 60 posti, e secondo il prof “posto da sedere c’è sempre”, perché la maggior parte dei soci è molto avanti con l’età. Doglioni è uno dei grandi nomi della geodinamica e della geologia strutturale (crosta, mantello, faglie, terremoti; è lui che si sente in televisione dopo L’Aquila e Amatrice). L’Accademia ha anche una biblioteca grande, con molto materiale scientifico, aperta a chi vuole consultarla. Il prof l’ha presentata come “una cosa carina, se riuscite a sopravvivere a Doglioni”.
• Prima uscita sul terreno: 28 ottobre, ora data più che probabile. Il corso sicurezza da 8 ore, a rischio medio, dovrebbe essere il 20–21 ottobre: quattro ore con un formatore di via Balbi e forse le altre quattro con il prof, perché “gli altri formatori si sono dati alla macchia”. Le conferme dovevano arrivare nelle ore successive.
• Prossima lezione: giovedì 15 ottobre, per tutti, secondo il calendario su fossilizzazione e trasporto.
• Questa lezione era riservata a Scienze Geologiche: il prof ha chiesto quanti naturalisti ci fossero, perché alcuni studenti di Naturali avevano seguito le lezioni solo GEO.

Il dato giusto per datare una roccia

La scala del tempo geologico, con i suoi chiodi d’oro, serve ad associare a un intervallo cronostratigrafico un numero. Come si ottiene quel numero?

La scala che il prof mostra spesso è un’immagine vecchia del 2012: in quindici anni sono cambiate molte cose (mancavano intere parti del Cretacico). Accanto ai limiti tra piani ci sono i GSSP, i “chiodi d’oro”, targhette piazzate sugli strati dove si osserva il passaggio tra un intervallo e l’altro. Valgono per tutti i livelli della scala.

• Stage non è “stadio”: in italiano è il piano, in geocronologia l’età. Quindi eoni, ere, periodi, età. Le epoche non hanno un GSSP a parte, perché il limite di un’epoca coincide sempre con quello di un piano.
• Un solo GSSP vale per più livelli insieme. Quello alla base del Daniano è anche la base del Paleocene, del Paleogene e del Cenozoico. Quello alla base dell’Aquitaniano, il più vicino a Genova, è anche la base del Miocene e del Neogene.

Per dare l’età si cerca nelle rocce una grandezza misurabile che sia funzione del tempo, y = f(t). Ci sono tre tipi di funzione, e il prof le ha usate per fare ordine.

Funzioni monotone e isotopi radiogenici

Carbonio-14. Nel tempo diventa azoto-14, ed è il metodo più famoso, ma è dell’archeologia: arriva a poche decine di migliaia di anni, che per un geologo sono “recenti”. Le rocce di cui ci occupiamo hanno centinaia di migliaia o milioni di anni.

Gli isotopi che si usano in geologia si studiano nei corsi di geochimica, dal secondo al terzo anno:

• Potassio-argon. Il potassio è molto abbondante nelle rocce, ma tende a essere sostituito, e questo crea problemi.
• Rubidio-stronzio, molto usato. Secondo il prof il rubidio sta in minerali resistenti all’alterazione, per esempio “alcuni granati”, così il segnale è puro e indica l’età di formazione del minerale.
• Uranio-piombo: si usa, ma trovare rocce ricche di uranio non è banale, e il prof preferisce starne alla larga.

L’uranio ha anche un uso più paleontologico. È un elemento raro: se in una roccia ce n’è tanto, si è accumulato perché la velocità di sedimentazione era bassa. Il prof ha in ufficio uno strumento da una ventina di migliaia di euro (una “pistola” portatile) che lo misura lungo un profilo stratigrafico, per esempio ogni 10 centimetri. In Italia esistono anche direttive che limitano la costruzione di edifici in zone ad alto contenuto di uranio.

Funzioni oscillanti: i cicli di Milankovitch

Tante cose oscillano (temperatura, campo magnetico, maree, il giorno, il mese lunare, l’anno), ma poche lasciano un segno nelle rocce. Le maree si vedono solo in alcune rocce particolari (Geologia 2). Quelle che interessano sono le oscillazioni orbitali, i cicli di Milankovitch, matematizzati dal serbo Milutin Milanković. Nascono dall’interazione tra Terra e Sole, la Luna conta pochissimo.

Eccentricità. Per le leggi di Keplero la Terra descrive un’ellisse con il Sole in un fuoco, ma la forma dell’ellisse non è stabile: ogni tanto è più schiacciata, ogni tanto più circolare. Con un’orbita circolare la stagionalità dipende solo dall’inclinazione dell’asse. Con un’orbita molto ellittica, per la seconda e la terza legge, al perielio ci si muove in fretta e all’afelio piano: estati molto calde ma brevi, inverni lunghi e freddi. Nei fatti l’eccentricità non arriva mai agli estremi.

Obliquità. L’inclinazione dell’asse rispetto al piano dell’eclittica (quello dell’orbita). Cambia l’angolo con cui i raggi arrivano e quindi l’irraggiamento.

Precessione. Non cambia l’inclinazione ma la direzione verso cui punta l’asse, che compie un giro completo in circa 20.000 anni, con piccole oscillazioni aggiuntive (nutazioni).

Glaciazioni. Si formano quando questi cicli si mettono “in fase” in modo da avere estati brevi e inverni lunghi e freddi: il ghiaccio dell’inverno non si scioglie del tutto d’estate, e si accumula. Poi interviene l’albedo, la frazione di radiazione solare riflessa: neve e ghiaccio riflettono molto, quindi più ghiaccio, meno calore assorbito, più ghiaccio. A un certo punto l’effetto si autoalimenta.

Una glaciazione totale è il Criogeniano (cryo = ghiaccio): la Terra quasi completamente ghiacciata, due volte, e altri due episodi nel Paleoproterozoico. Una volta coperta di ghiaccio, nessun ciclo orbitale basta a scioglierla, per via dell’albedo. Una delle ipotesi del prof è che il ghiaccio si “sporchi” con polvere cosmica (meteoriti, supernove) e ne cali la riflettenza.

Come si usano per datare. I tre cicli si leggono nelle successioni sedimentarie, perché il clima condiziona la sedimentazione, e permettono di datare con una risoluzione molto più fine del piano. Le equazioni di Milanković sono funzioni sinusoidali: per ognuna servono periodo, ampiezza e fase. Essendo sinusoidi si estendono indietro nel tempo quanto si vuole, e dai dataset scaricabili da internet si calcola l’irraggiamento passato, per convenzione a 65° Nord. Sommando precessione, obliquità ed eccentricità si stima quando si sono verificate le glaciazioni.

• Fino a circa 35 milioni di anni fa si vedono nelle rocce tutti i cicli (due di precessione, uno di obliquità, due di eccentricità).
• Più indietro si vede soprattutto l’eccentricità (400.000 e 100.000 anni); i 400.000 anni sono i più robusti.
• Più si va verso tempi recenti, più alta è la risoluzione astronomica della datazione.

Il campo magnetico terrestre

Una funzione “a gradini”: il campo ha solo due stati, on e off.

Il campo magnetico è prodotto dall’interno della Terra. La sua polarità si è invertita moltissime volte negli ultimi 500 milioni di anni: il polo magnetico passa dall’emisfero settentrionale a quello meridionale e viceversa. Le inversioni si leggono nei minerali ferromagnetici delle rocce, che registrano l’orientazione del campo al momento della loro formazione. La disciplina si chiama paleomagnetismo, e quando la si usa per datare magnetostratigrafia.

Il prof ha mostrato il “codice a barre” degli ultimi 23 milioni di anni (dal Miocene): le bande nere sono i periodi con polarità come oggi, le bianche quelli a polarità invertita.

Nessuna inversione è mai stata associata a un’estinzione, e nei 600 milioni di anni passati non c’è stata nessuna estinzione dovuta a un crollo dell’intensità. Il problema, oggi, sarebbe la tecnologia: satelliti, aerei con pilota automatico e bussole georeferenziate, pacemaker.

Cosa misura il geomagnetometro su un campione di roccia: intensità e direzione del campo registrato nei minerali. Il prof ha spiegato che l’intensità cresce verso i poli e quindi “dice la paleolatitudine”, mentre la direzione “dice la paleolongitudine”; così si ricostruiscono le mappe paleogeografiche di alcune aree.

Perché serve alla datazione: accanto ai GSSP si fanno quasi sempre analisi geomagnetiche per quantificare con più precisione la posizione stratigrafica del chiodo d’oro. Per esempio, all’inizio del Messiniano c’è una piccola riga bianca seguita da una nera; sapere se si è proprio all’inizio o un po’ dopo affina la stratigrafia.

I campioni si prendono perforando la roccia con una sega elettrica modificata, con una testa cilindrica diamantata che fa un buco e porta fuori una carota orientata con la bussola. Un’altra persona spruzza acqua per raffreddare. I buchi cilindrici che si trovano ogni tanto sugli affioramenti sono i resti di questi prelievi.

I fossili come orologio

Anche i fossili danno un dato che salta, e un intervallo invece di un istante.

In un corso di paleontologia, dopo quaranta minuti, si parla finalmente di fossili. Una specie compare per speciazione e sparisce per estinzione: in tutto l’intervallo in mezzo è presente nella roccia. Non dice a che età appartenga esattamente un singolo strato, ma dice che prima non c’era e dopo non c’è più. I due eventi, arrivo e scomparsa, si datano con metodi di datazione relativa e delimitano un intervallo. Una successione di fossili che si susseguono dà una sequenza di intervalli.

Il fossile giusto: la risoluzione

Bisogna scegliere fossili con una durata la più breve possibile. Il Tyrannosaurus rex è un cattivo esempio: occupa “quasi metà del Cretacico superiore”, è solo nordamericano, e da un frammento di femore non lo si riconosce. L’età che dà, Cretacico superiore, “così sono bravi tutti”.

Gli esempi giusti sono le ammoniti del Giurassico inferiore. Le biozone delle slide, dal basso:

Trovare Psiloceras planorbis dice che la roccia è del Giurassico inferiore, ma anche che è l’Hettangiano, e più precisamente la parte bassa dell’Hettangiano. È come dirsi “italiano”, poi “genovese”, poi “di San Pier d’Arena”, fino a “di Torriglia”: quello che si cerca è la risoluzione.

Per l’esame non bisogna distinguere un Echioceras da un Arietites: basta riconoscere che sono ammoniti, e che sono del Giurassico.

Biozone e bioorizzonti

Esempio da pozzo (successione dal basso, più vecchia, verso l’alto, più giovane): un fossile verde è presente fin dall’inizio, a un certo punto compare un fossile blu, poi il verde scompare. Si ottengono tre biozone: solo il verde, verde e blu insieme, solo il blu. Il primo ingresso del verde non si vede, perché è già presente alla base del pozzo.

Perché è più complicato: la distribuzione geografica

Il disegnino è comodo, ma nel mondo reale i fossili non arrivano dappertutto nello stesso istante. Il prof lo ha spiegato con la Liguria.

Una specie nuova arriva ad Albenga, trova un ambiente favorevole e si espande verso est e verso ovest finché trova un ambiente non adatto. Piano piano raggiunge Savona, Genova, Chiavari, La Spezia. Anche l’estinzione procede così, non è simultanea.

• Ad Imperia la specie arriva dopo e scompare poco dopo.
• A Savona arriva prima di Imperia e si estingue un po’ più tardi.
• A Genova compare, scompare e poi ritorna: è un fossile che sparisce e riappare, per via delle migrazioni.
• A Chiavari arriva molto dopo e resta molto più a lungo che a Savona.
• A La Spezia arriva tardissimo e si estingue poco dopo.

Come si ottiene? Con lo stile di vita e la fisiologia dell’organismo. I bentonici (vivono sul fondo) e i nectonici (nuotano) si diffondono più lentamente. I planctonici, trasportati passivamente dalle correnti, e che quando si riproducono lasciano in mare centinaia di migliaia di individui, hanno la massima velocità di distribuzione. Anche le ammoniti, essendo molluschi, producono moltissimi individui e sono tra i fossili guida migliori di tutto il Mesozoico.

FAD, LAD, FO e LO

Sono sigle “purtroppo abbandonate nei libri di testo più nuovi”, ma ancora molto usate nella parte applicativa della paleontologia.

Cronostratigrafia e geocronologia, ancora

Le sezioni precedenti sono il motivo per cui conta la differenza tra i due modi di datare: la biozona dà intervalli relativi (cronostratigrafia), mentre i radioisotopi e i cicli orbitali portano a numeri in anni (geocronologia). Molti GSSP si definiscono con un bioevento e poi si tarano in anni con gli isotopi e con i cicli.

I tipi di biozona

Le definizioni sono dalle slide, con gli esempi del prof.

Se manca il verde, e se il verde esiste solo dal Cretacico in poi, si può dire con sicurezza che non siamo nel Cretacico: la datazione si ottiene anche da quello che non si trova. Con più fossili si restringe l’intervallo sempre di più, e in campagna lo si farà insieme.

Lineage zone: il cavallo

Se il cranio cresce nel tempo, si possono definire biozone biometriche: finché il cranio è di 10 cm si è in una biozona, tra 10 e 20 in un’altra, oltre i 20 in un’altra ancora. È la lineage zone: gli organismi sono quasi tutti uguali ma con un trend evolutivo.

Capita anche che l’antenato non si estingua: Hyracotherium prosegue, mentre dall’Eocene medio compare un discendente e dal Miocene un altro; viaggiano tutti insieme e la biodiversità si allarga partendo da un unico organismo. Il prof ha ricordato la questione filosofica: se è sempre lo stesso animale che cresce, perché gli abbiamo dato otto generi diversi? Non potendo incrociare un esemplare di Hyracotherium con uno di Mesohippus per vedere se la prole è fertile (concetto biologico di specie), si è introdotto il concetto di cronospecie: una specie che si succede nel tempo cambiando alcuni parametri. Per i fossili sono sempre convenzioni.

Acme, paracme e taxa Lazzaro ed Elvis

Nel disegno delle zone di acme, i fossili sono una decina alla base e a un certo punto ce ne sono mille tutti diversi, abbondanti per un certo intervallo, poi si torna a 5–6. Le comparse non sono sincrone: prima arriva B, poi A, poi E, mentre G c’è già. L’esplosione di diversità non è un fatto evolutivo, è un cambio ambientale: se i fossili arrivano uno dopo l’altro “non c’è niente di particolare”, ma se arrivano in mille insieme “gli deve essere successo qualcosa”.

Esempio: il livello del mare sale e si parte da ambienti continentali. A 10–50 metri di profondità la biodiversità è massima: fotosintesi, predatori, chi si nasconde, chi cerca un substrato duro. Oggi gli hotspot di biodiversità stanno nell’Indo-Pacifico, nei primi 50 metri, con acque calde, luminose e ossigenate. Se il mare continua a salire, a 500–1000 metri la biodiversità cala. Il prof ha anticipato che una delle uscite, intorno a maggio, attraverserà proprio questi ambienti, da quelli poco profondi a quelli profondi, con in mezzo una barriera corallina fossile.

Nei libri di testo più vecchi (anni ‘70–‘80, quelli in italiano) due termini ricorrono ancora:

Fossili guida e fossili di facies

Il filo di tutto l’anno: sapere se un fossile è un fossile guida (index fossil) o un fossile di facies. All’esame, per ogni fossile verrà chiesto.

“Marino” è troppo poco: va dal metro d’acqua alla fossa delle Marianne. Un’ammonoide dice solo marino. Un corallo ramoso con i rami tutti paralleli dice molto di più:

1. è un corallo, quindi in acque ossigenate e di solito calde;
2. vive in simbiosi con alghe fotosintetiche, quindi serve luce: zona fotica;
3. è ramoso e fragile: con onde forti si romperebbe, quindi bassa energia, quindi una profondità maggiore dei frangenti, ma sempre con luce: oligofotico;
4. i rami paralleli, verticali, servono a non essere soffocato dal sedimento: alta velocità di sedimentazione.

Dove si ha alta sedimentazione e acqua torbida? Davanti a un delta fluviale: il fiume intorbidisce l’acqua e il limite della zona fotica sale da 150 metri (acqua cristallina) a 20–40. Lì un corallo massivo, non ramoso, è già più adatto.

Le ammoniti sono ottime: ritmo evolutivo alto (ogni paio di milioni di anni cambia la specie), si conservano bene, sono molto diversificate. Ma i migliori in assoluto sono i microfossili planctonici: di vita marina, abbondantissimi e distribuiti ovunque. A marzo, dopo la pausa, si lavorerà al microscopio, per circa un mese, con i vetrini: una lamina di roccia spessa 30 millesimi di millimetro, di 2 × 2,5 centimetri, può contenere circa 150 gusci.

I microfossili sono l’aspetto applicativo più importante della paleontologia, quello che nell’industria (idrocarburi, stratigrafia di pozzo) serve a datare le rocce: “ti permetteranno di pagare le bollette”. Anche in un corso di base una piccola parte va fatta, per chi poi sceglierà un percorso petrografico, vulcanologico o sismologico.