RICERCA ITALIANA     

RICOSTRUZIONE AD ALTA RISOLUZIONE DELL'EVOLUZIONE PALEOCLIMATICA, PALEOCEANOGRAFICA ED ECO-BIOSTRATIGRAFICA DEL BACINO MEDITERRANEO NEL TARDO QUATERNARIO (0-450 KY BP)IN BASE ALL'ANALISI DI TRACCIANTI FAUNISTICI, FLORISTICI, CHIMICI ED ISOTOPICI.

Università degli Studi di Palermo

Abstract

Sulla base di dati micropaleontologici (foraminiferi, nannofossili calcarei, pollini), isotopici, geochimici, petrofisici, sedimentologici e paleomagnetici verranno ricostruite, a scala decadale e/o millenaria , le condizioni paleoambimentali e paleoclimatiche realizzatesi nel bacino mediterraneo durante quattro distinti intervalli temporali (0-6000 anni BP, Optimum climatico olocenico, Sottostadio isotopico 5e, Stadi isotopici 11 e 12). La scelta dei tre intervalli più antichi è dettata dal fatto che essi sono considerati i migliori analoghi alle attuali condizioni climatiche e al loro futuro sviluppo. Lo studio in dettaglio di queste quattro "finestre temporali" verrà preceduto dall'indagine ad alta risoluzione degli eventi stratigrafici (Event stratigraphy) individuabili, sulla base dei metodi di indagine sopra indicati, nell'intervallo temporale 0-450.000 anni BP. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Rodolfo SPROVIERI Università degli Studi di PALERMO

Obiettivo del Programma di Ricerca

Gli obiettivi di questo progetto sono raggruppabili in due principali linee di ricerca. Da un lato ci si propone di ricostruire, sulla base di studi ad alta risoluzione di record sedimentari indisturbati e continui, un dettagliato schema di riferimento temporale (Event Stratigraphy) per l'intervallo 0-450.000 anni, valido per l'area mediterranea centrale. Esso sarà utile per una corretta indagine sulle modalità e la durata dei cambiamenti climatici documentati nel tardo-Quaternario. Dall'altro lato si intende perseguire uno studio di dettaglio di alcuni intervalli sedimentari relativi a periodi del record geologico caratterizzati da condizioni ambientali analoghe alle attuali o a quelle verso cui potrebbe evolvere il clima del pianeta in un prossimo futuro (intervallo sub-recente 0-6000 anni BP, intervallo dell'Optimum climatico olocenico, Sottostadio isotopico 5e, Stadi isotopici 11 e 12).
In dettaglio, gli obiettivi principali del progetto di ricerca sono:
•definizione di un dettagliato schema di riferimento temporale ad alta risoluzione per l'intervallo temporale 0-450.000 anni in area mediterranea sulla base di: i) stratigrafia integrata a plancton calcareo (foraminiferi planctonici e nannofossili calcarei), ii) indagini petrofisiche (suscettività magnetica di volume e massa, parametri cromatici, densità da raggi gamma), iii) indagini relative alle variazioni secolari del campo magnetico terrestre, iv) stratigrafia isotopica e, per quanto riguarda l'intervallo olocenico, v) datazioni AMS 14C, e vi) stratigrafia sequenziale;
•individuazione in area mediterranea, dei principali eventi a scala sub-milankoviana correlabili con quelli già ampiamente documentati in area oceanica;
•correlazione di dettaglio del record ottenuto con i traccianti geochimici e isotopici riportati per le carote di ghiaccio del GISP2 e GRIP e di carote oceaniche per l'identificazione dei tempi (durata, diacronismo/sincronismo) e delle modalità di risposta dell'area mediterranea alla forzante climatica globale;
•ricostruzione a scala secolare/decadale dell'evoluzione paleoclimatica e paleoceanografica del bacino mediterraneo durante quattro intervalli temporali chiave del tardo-Quaternario (0-6000 anni BP, Optimum climatico olocenico, Sottostadio isotopico 5e e Stadi isotopici 11 e 12) sulla base di analisi quantitative delle associazioni a foraminiferi planctonici, bentonici (solo per quanto riguarda l'Olocene e l'intervallo relativo al Sottostadio 5e), nannofossili calcarei, dinoflagellate (solo per quanto riguarda l'intervallo relativo all'Olocene), pollini, analisi isotopiche su specie selezionate di foraminiferi planctonici e bentonici, rapporti Mg/Ca e Sr/Ca su specie selezionate di foraminiferi planctonici e bentonici (solo per quanto riguarda l'Olocene e l'intervallo corrispondente al Sottostadio isotopico 5e), geochimica del sedimento totale;
•studio dell'evoluzione dei principali parametri che hanno caratterizzato l'evoluzione idrografica e idrodinamica dell'acqua intermedia mediterranea (attuale LIW) nel tardo-Quaternario, sulla base di indagini isotopiche (su specie di foraminiferi planctonici viventi nella zona intermedia della colonna d'acqua), faunistiche (foraminiferi planctonici) e geochimiche (chimica elementare per quanto riguardo l'intervallo relativo all'Olocene e al Sottostadio isotopico 5e);
•ricostruzione delle variazioni secolari del livello del mare nell'area peri-tirrenica orientale e adriatica, per l'intervallo olocenico, basata sullo studio integrato effettuato attraverso la stratigrafia sequenziale ad alta risoluzione, stratigrafia integrata a plancton calcareo;
•studio ad alta risoluzione degli eventi relativi ai processi di aridificazione del Sahara (circa 6000 anni BP), al periodo di aridità registrato a scala regionale nel 3700 a.C., al periodo dell'optimum climatico medioevale, al periodo della piccola era glaciale e al periodo relativo al fenomeno di antropizzazione (ultimi 200 anni);
•studio delle principali periodicità che hanno modulato il sistema climatico in area mediterranea tramite applicazione di tecniche di analisi spettrale alle diverse serie storiche acquisite;
•studio delle variazioni legate ad oscillazioni a bassa frequenza del North Atlantic Oscillation Index e dei parametri climatici ad esso associati (variazioni nei fenomeni di ciclogenesi, variazioni nei principali parametri idrografici del bacino, etc.);
•studio delle variazioni di intensità solare registrate in base alle variazioni a media frequenza della temperatura della zona superficiale della colonna d'acqua ed individuazione delle possibili periodicità legate alle variazioni di intensità solare nel passato;
•analisi degli effetti di impatto antropico nelle aree investigate durante gli ultimi 200 anni.
•definizione e calibrazione dei traccianti biotici (foraminiferi bentonici e dinoflagellate) e identificazioni di specie indice delle condizioni ambientali in sedimenti recenti prelevati nell'area dell'Adriatico centrale. <<<

Risultati parziali attesi

Acquisizione del materiale da studiare. Preparazione dei campioni per analisi micropaleontologiche, isotopiche, geochimiche e paleomagnetiche.Acquisizione di dati quantitativi micropaleontologici ad alta risoluzione (Foraminiferi planctonici, nannofossili calcarei e foraminiferi bentonici), dati isotopici dell'ossigeno e del carbonio, dati geochimici e paleomagnetici.Eleborazione e correlazione di tutti i dati ottenuti dalle Unità impegnate. Ricostruzione di ecobiostratigrafia tra 0 e 450 Ky BP anche basate su analisi spettrali. Interpretazione dell'evoluzione paleoambientale e paleoclimatica ti tutto l'intervallo, con particolare riguardo alle 4 "finestre temporali" previste dal progetto. Preparazione dei manoscritti. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

L'acquisizione di serie storiche finalizzata ad una più profonda comprensione del sistema climatico terrestre e ad una più adeguata previsione della sua evoluzione futura, rappresenta attualmente uno dei compiti prioritari della comunità scientifica (e.g., Clark et al., 1999; IPCC, 2000). Sebbene esistano opinioni differenti circa l'affidabilità dei "proxy" paleoclimatici e l'attendibilità dei risultati ottenuti dai modelli di simulazione numerica applicati alla ricostruzione del clima del passato, lo studio di serie temporali rappresenta ad oggi l'unico strumento di analisi delle dinamiche del sistema climatico terrestre in condizioni differenti da quelle attuali ed è uno strumento insostituibile per testare la validità dei modelli previsionali a medio e lungo termine (e.g., Hansen et al., 1984, Hoffert and Covey, 1992, Webb, 1998, Karl and Trenberth, 1999, IPCC, 2000). Inoltre, seppur consapevoli che non c'è nessun paleoanalogo diretto dei futuri cambiamenti climatici, risulta comunque necessario analizzare le dinamiche del clima del pianeta attraverso la sua storia passata per poterne comprendere le modalità evolutive a medio e lungo termine (e.g., Montoya et al., 2003). Inoltre, la determinazione degli effetti dell'impatto antropico sull'evoluzione ambientale del nostro pianeta non può prescindere da una chiara comprensione delle modalità naturali con cui il clima terrestre risponde al complesso insieme di forzanti esterne (variazioni della costante solare, cicli di Milankovitch, interazioni con il sistema oceanico, etc). Dopo anni di indagini, e` ormai largamente accettato che le variazioni nei parametri orbitali della Terra sono le principali forzanti dei cicli glaciali-interglaciali (e.g., Broecker, 1984; Manabe and Broccoli, 1985; Broecker and Denton, 1990; Imbrie et al. 1992). Rimangono invece ancora poco chiari i meccanismi di "feedback" che regolano l'evoluzione del clima nel breve e medio periodo. L'approfondimento di tale problematica dovrebbe aiutare ad analizzare le dinamiche evolutive del sistema climatico e quindi l'eventuale impatto dell'attività antropica sui meccanismi naturali che ne regolano i processi (e.g., Hansen et al., 1984).
Negli ultimi anni, un numeroso gruppo di ricercatori ha focalizzato la propria attenzione sullo studio dell'evoluzione climatica del tardo-Quaternario in sedimenti prelevati nell'area mediterranea (e.g., Emeis et al., 1996; Rohling et al., 2002). A causa della sua limitata estensione geografica, della sua relazione con masse continentali influenzate da processi climatici diversi, dei ben definiti meccanismi e budget di scambio con l'oceano aperto e, non per ultimo, per gli elevati valori di velocità di sedimentazione documentati per intervalli neogenici, il bacino mediterraneo è oggi considerato un ottimo laboratorio naturale per lo studio delle dinamiche di evoluzione del clima a scala globale (e.g., POEM Group, 1992). La focalizzazione della comunità scientifica sul tardo-Quaternario è legata alla possibilità di individuare, all'interno di questo intervallo geologico che ha preceduto il periodo attuale, fasi temporali con caratteristiche climatiche simili a quelle recenti e che possano fornire utili informazioni sui processi di evoluzione del clima nel prossimo futuro. Rimangono comunque ancora lacune inerenti lo schema cronostratigrafico a cui riferirsi. In particolare, la risoluzione cronostratigrafica ad oggi disponibile non consente un preciso inquadramento cronologico delle oscillazioni climatiche di breve periodo.
Allo scopo di migliorare gli schemi cronostratigrafici attualmente disponibili di notevole importanza risulta l'individuazione di una successione di eventi (micropaleontologici, geochimici e isotopici) atti a definire, attraverso i principi della Event Stratigraphy, intervalli più o meno omogenei (eco-biozonazione) e correlabili a scala regionale e supra-regionale. Queste metodologie permettono di effettuare suddivisioni cronologiche in intervalli temporali che, per l'assenza di eventi di comparsa/scomparsa, non sono definibili utilizzando i metodi della biostratigrafia classica. Inoltre, l'uso integrato di metodi di datazione diversi (datazioni radiometriche 14C, paleomagnetismo secolare, tefrocronologia) permette di valutare possibili diacronismi tra eventi stratigrafici (micropaleontologici, chimici, isotopici) riconosciuti in differenti aree di studio.
Infine, la correlazione delle variazioni registrate nei diversi parametri a disposizione con gli eventi di variazioni climatiche indotte da forzanti esterne di cui sono note le dinamiche di interazione con il clima terrestre (forzanti astronomiche, variazioni di intensità solare di breve periodo, ecc.) può permettere di "agganciare" la sequenza relativa degli eventi riconosciuti ad una successione temporale assoluta per l'intervallo studiato.
L'elevata risoluzione con la quale tale studio verrà realizzato per l'intervallo 0-450.000 anni nell'ambito di questo progetto di ricerca fornirà un preciso schema cronologico di riferimento all'interno del quale poter "aprire" selezionate finestre temporali di particolare interesse per studi paleoclimatici.
Negli ultimi anni, alcuni intervalli temporali tardo-quaternari hanno attratto l'attenzione della comunità scientifica proiettata alla ricerca di utili paleoanaloghi del clima futuro: intervallo temporale 0-6000 anni BP, intervallo relativo all'Optimum climatico olocenico (circa 6000-9000 anni BP), intervallo relativo al Sottostadio isotopico 5e (circa 125.000-120.000 anni), intervallo relativo agli Stadi isotopici 11 e 12 (circa 430.000- 380.000 anni).

Intervallo temporale 0-6000 anni BP
Solo un limitato numero di lavori (e.g., Antonioli et al., 2001) ha preso in considerazione, anche se non con estremo dettaglio e comunque non in modo specifico, lo studio di successioni relative agli ultimi 6000 anni in area mediterranea. Le informazioni relative agli eventi climatici che hanno interessato l'area mediterranea durante questo intervallo di tempo sono infatti soprattutto legate ai dati ottenuti tramite l'analisi di speleotemi (e.g., Bar-Matthews et al., 1997, MacDermott et al., 1999) o anelli degli alberi (e.g., Jacoby and D'Arrigo, 1993). I pochi lavori che discutono tale intervallo hanno messo in evidenza un graduale e limitato effetto di raffreddamento a partire da circa 8000 anni fa già registrato in alcuni record oceanici (e.g., Bard et al., 1997) e nei dati di composizione isotopica delle carote di ghiaccio GRIP (e.g., Walker et al., 1999). Sarà interessante potere studiare l'evoluzione climatica di tale intervallo temporale in sedimenti super-espansi come quelli a disposizione per l'area tirrenica e adriatica in modo da ricostruire in dettaglio le periodicità principali che hanno modulato il clima nel recente passato e per poterne evidenziare i trend di breve e medio periodo. Studi recenti hanno infatti mostrato come l'Olocene sia stato caratterizzato da fluttuazioni climatiche cicliche rivelate dalle variazioni osservabili nella componente sedimentaria in Atlantico settentrionale (Bond et al., 1997, 2001) e del record chimico nel record delle carote di ghiaccio groenlandesi (Bender et al., 1994). Inoltre, importanti fluttuazioni sono registrate nel record micropaleontologico dello stesso intervallo anche in Mediterraneo (Sprovieri et al., 2003). Lo studio climatostratigrafico ad alta risoluzione di diverse aree del bacino mediterraneo condotto nell'ambito del progetto dovrebbe consentire di ottenere un dettagliato inquadramento delle dinamiche climatiche di breve e medio termine che hanno interessato questa regione durante l'Olocene.


Intervallo dell'Optimum climatico olocenico
Durante il periodo dell'Optimum climatico olocenico (circa 6000-9000 anni BP) nel bacino mediterraneo si è depositato, anche se in modo discontinuo dal punto di vista areale e comunque facilmente identificabile nel bacino orientale, un livello sedimentario anossico di spessore variabile, definito sapropel S1 (e.g., Rohling, 1994; Rohling, 1999). Una serie di teorie sono state formulate in relazione ai processi climatici e oceanografici che hanno portato alla deposizione di tale sequenza sedimentaria (e.g., Rohling, 2001). In particolare, è ormai chiaro che durante un periodo ad intensa piovosità, la diminuzione di densità della massa d'acqua superficiale in tutta l'area del bacino orientale ha innescato un processo di stratificazione con la conseguente diminuzione del contenuto di ossigeno sul fondale marino.
Ciò avrebbe favorito la preservazione di materia organica al fondo del bacino e provocato lo sviluppo di condizioni anossiche. Inoltre, l'aumento di produttività superficiale innescato da un incremento del flusso di nutrienti da continente e dallo spostamento del Deep Chlorophyll Maximum (DCM) nella zona fotica della colonna d'acqua (e.g., Rohling et al., 2000) avrebbe amplificato l'evento di deficienza di ossigeno al fondo per un surplus di materia organica da metabolizzare. Questo modello interpretativo, sostanzialmente basato sull'indagine di livelli sapropelitici nell'area del bacino mediterraneo orientale necessita ancora di una verifica, in base allo studio di sedimenti coevi in area mediterranea occidentale (dove i livelli sapropelitici riferibili al S1 sono più rari, se non praticamente assenti) per verificare l'evoluzione del sistema di circolazione tridimensionale del bacino mediterraneo nel suo insieme.

Sottostadio isotopico 5e
L'ultimo interglaciale, corrispondente al Sottostadio isotopico 5e, fu in generale un periodo di più alte temperature e più alto livello del mare rispetto alla situazione attuale (e.g., Kukla et al., 2002a, Kukla et al., 2002b, Shackleton et al., 2002). Durante questo intervallo di tempo, coincidente con un minimo precessionale della curva astronomica, le associazioni faunistiche tropicali migrarono verso nord e invasero il Mar Mediterraneo (e.g., Corselli et al., 2002). Tuttavia numerosi dati provenienti da successioni atlantiche indicano che il regime climatico durante l'intero Stadio isotopico 5 (130.000-75.000 anni BP) fu instabile e caratterizzato da oscillazioni climatiche relativamente ampie. Recenti lavori hanno dimostrato che anche nel Mediterraneo tali oscillazioni climatiche sono rilevabili (e.g., Casford et al., 2002, Corselli et al., 2002). Infatti, non solo è stato possibile riconoscere intervalli di raffreddamento in coincidenza dei sottostadi 5b e 5d, ma nello stesso Sottostadio 5e sono stati riconosciuti 2 intervalli di riscaldamento separati da un breve intervallo caratterizzato, sulla base dei dati isotopici e faunistici (foraminiferi planctonici), da un deterioramento climatico. Recentemente sono stati pubblicati numerosi studi sull'analisi di estremo dettaglio di intervalli caratterizzati nel Mediterraneo da sedimenti laminati riferibili al Sottostadio 5e (e.g., Casford et al., 2002, Corselli et al., 2002, Weldeab et al., 2003). L'assenza di bioturbazione permette di ottenere un record di estremo dettaglio (possibilità di campionatura millimetrica) consentendo di individuare con accuratezza la successione degli eventi climatici. Tuttavia, nessuna analisi di dettaglio è stato sinora effettuata su intervalli coevi al Sottostadio 5e o all'intero stadio isotopico 5 in aree del bacino Mediterraneo nelle quali non si realizzarono le condizioni paleoceanografiche idonee alla formazione di sedimenti laminati (sapropel). Tali sedimenti, comparati ai coevi livelli laminati del Sottostadio isotopico 5e, hanno il vantaggio di essere generalmente più spessi e di contenere un'associazione a foraminiferi bentonici, assente nei sedimenti laminati e indispensabile allo studio delle masse d'acqua profonde.

Stadio isotopico 11-12
L'intervallo corrispondente agli Stadi isotopici 11 e 12 è ben caratterizzato nei siti oceanici (e.g., Thunell et al., 2002) ma nel Mediterraneo esso non è stato ancora mai studiato in dettaglio, anche se è stato chiaramente individuato tramite studi isotopici effettuati sui pozzi ODP 653, 963, 964 e 967.
Gli stadi isotopici 11-12 rappresentano un intervallo temporale (circa 360.000-470.000 anni) caratterizzato dalle più estreme condizioni climatiche registrate nel tardo Pleistocene (Thunell et al., 2002). In particolare, la fluttuazione climatica al limite tra gli stadi isotopici 11 e 12 fu la più ampia degli ultimi 600 kyr (e.g., Howard, 1997).
E' stato stimato che durante lo stadio glaciale 12 il volume globale di ghiaccio era superiore di circa il 15% a quello presente durante il Last Glacial Maximum e, di conseguenza, il livello del mare era circa 140 metri più basso di quello l'attuale (e.g., Rohling et al., 1998).
Lo stadio isotopico 11 rappresenta il più caldo stadio interglaciale del tardo Pleistocene. Questo periodo fu caratterizzato da un livello del mare più alto di circa 20 metri di quello stimato per l'Olocene (Pirazzoli et al., 1993). Questa configurazione climatica indicherebbe che il volume delle calotte glaciali presenti in Antartide occidentale e in Groenlandia era sostanzialmente ridotto rispetto all'attuale. Paradossalmente, queste variazioni climatiche verificatesi durante le fasi glaciali-interglaciali sono avvenute in corrispondenza di cambiamenti relativamente limitati dell'insolazione caratterizzati da forzanti precessionali minori (Imbrie & Imbrie 1980; Raymo 1997). Tale configurazione orbitale è analoga a quella attuale. Pertanto, lo studio dell'intervallo temporale corrispondente agli Stadi isotopici 11 e 12 è estremamente utile per indagare un sistema climatico principalmente controllato da forti variazioni nell'abbondanza di gas-serra in atmosfera.
Ancor di più, lo studio di tale intervallo temporale in sedimenti mediterranei dovrebbe fornire nuove informazioni sull'impatto di variazioni climatiche estreme in regioni temperate e utili indicazioni riguardo alle variazioni nel sistema idrologico dell'area. <<<