RICERCA ITALIANA     

Approccio multidisciplinare allo studio delle variazioni ambientali: simulazioni numeriche dell'evoluzione di prismi sedimentari durante i due eventi di estinzione globale ai limiti Permiano-Triassico e Frasniano-Famenniano, temporalmente vincolate e calibrate dalla dinamica faunistica.

Università degli Studi di Bologna

Abstract

L'obiettivo principale di questa ricerca multidisciplinare è di fornire, per la prima volta, una valutazione quantitativa di alcuni parametri dipendenti dal clima in corrispondenza di due dei "Cinque Grandi" eventi di estinzione globale: le crisi al limite Permiano-Triassico (P-T) e Frasniano-Famenniano (Fr-Fm). Entrambe sono espresse in successioni stratigrafiche in Alpi Meridionali. Per simulare la complessa architettura dei prismi sedimentari al limite P-T e Fr-Fm, verrà usato il software "Basin", un modellatore in grado di controllare un elevato numero di parametri che sarà calibrato coi dati stratigrafici regionali di estremo dettaglio.
Lo studio pilota sarà quello al limite P-T in Alpi Meridionali, per la ricca quantità di dati a disposizione sulla litostratigrafia e sulle facies, distribuite quasi in continuità su di una vasta area e ben rappresentate dalla sezione di Bulla.
In questo lavoro utilizzeremo i conodonti e gruppi di fossili in associazione quali i palinomorfi, per analizzare in dettaglio le modalità evolutive dei conodonti e degli altri fossili ai cambiamenti ambientali. L'interpretazione della dinamica faunistica nelle sequenze studiate sarà basata sui dati tassonomici, biostratigrafici e sedimentologici. I dati isotopici su matrice carbonatica e sostanza organica, saranno utili a riconoscere le variazioni del chimismo oceanico e forniranno una dimensione addizionale ai dati paleontologici e sedimentologici.
La simulazione sarà vincolata con dati cronostratigrafici (datazioni radiometriche) e paleomagnetici ottenuti da altre sezioni coeve, come quella dello stratotipo in Cina. Questi saranno usati per svolgere le simulazioni di analisi retrograde vincolate dalle architetture delle litofacies osservate e dalle geometrie. Queste simulazioni forniranno stime calibrate di parametri come il flusso di calore, la geometria della superficie trasgressiva di base, tassi di subsidenza tettonica e compattazione-dissoluzione di sedimenti, variazione della falda e fluttuazioni eustatiche.
Uguale metodo di studio sarà applicato al limite Fr-Fm a partire da due sezioni (di mare basso e bacinale) delle Alpi Carniche. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Enzo FARABEGOLI Università degli Studi di BOLOGNA

Obiettivo del Programma di Ricerca

-L'obiettivo principale è quello di valutare quantitativamente alcuni parametri climatici che hanno subito variazioni pronunciate prima, durante e dopo gli eventi globali di estinzione associati ai limiti Permiano-Triassico (P-T) e Frasniano-Famenniano (F <<<

Risultati parziali attesi

-Misurazione e campionatura di sezioni stratigrafiche al limite Frasniano-Famenniano (Fr-Fm) e Permiano-Triassico (P-T).

-Disponibilità dei campioni raccolti in continuo--con superfici lucidate e sezioni sottili per le analisi delle microfacies e <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Storicamente, i limiti dei grandi intervalli cronostratigrafici che scandiscono la scala dei tempi geologici (geological time-scale) sono stati posti in corrispondenza di fasi di estinzioni e/o di forte accelerazione della variazione della diversità tassonomica. E' evidente che i cambiamenti di biodiversità, se esaminati in dettaglio, seguono modalità complesse. Studi di variazioni qualitative e quantitative a basso livello tassonomico e a scala locale e regionale sono necessari per verificare come tali cambiamenti si inseriscano nella tendenza globale e/o come si correlino alle variazioni dei parametri ambientali (clima, fluttuazioni del livello marino, attività vulcanica, tettonica, circolazione oceanica) (Valentine 1985, Signor 1990).
I conodonti, come componenti importanti della fauna paleozoica e triassica, riflettono variazioni di biodiversità (Sweet 1988).
Complessivamente nel Fanerozoico sono stati riconosciuti cinque grandi eventi di estinzione. Le crisi biologiche ai limiti Frasniano-Famenniano (Fr-Fm) e Permiano-Triassico (P-T) sono due delle "Cinque Grandi". Sono state postulate una pletora di cause globali per questi grandi eventi, svoltisi in tempi geologici relativamente brevi, fra le quali, eventi trasgressivo- regressivi di origine per lo più terrestre, cambiamenti climatici connessi alle variazioni dell'orbita, tettonica, anossia e vulcanesimo. In seguito sono fiorite ipotesi di cause catastrofiche di origine extraterrestre (meteoriti, comete) come quella al limite Cretacico-Paleocene.
La estinzione del Devoniano Superiore al limite Fr-Fm è stata ampiamente studiata, particolarmente durante l'ultimo decennio (House et al. 2000; Racki & House, eds, 2002). L'evento di estinzione interessò la maggior parte degli organismi marini con la scomparsa alla fine del Frasniano del 15% delle famiglie. Le scogliere alle basse latitudini, che caratterizzarono il Devoniano Medio fino alla parte media del Frasniano, subirono un drammatico declino (Cooper 2002). Fra gli organismi bentonici i brachiopodi subirono una riduzione dell'86% (Johnson, 1971, 1974; Johnson & Boucot 1973; McGhee, 1981; Talent et al. 1993) e fra gli organismi nectonici l'88% delle specie degli ammonoidi si estinsero (House 1983, 1985, 2002, Becker 1993, Becker & House 1994). Conodonti e fitoplancton (Streel et al. 1987, Streel & Vanguestaine 1988) subirono pesanti perdite.
Gli ambienti pelagici al tetto del Frasniano sono interessati dalla presenza di due eventi anossici o disossici, gli eventi Lower e Upper Kellwasser (LKW, UKW), rispettivamente verificatisi circa alla base della Upper rhenana Zone e al tetto della linguiformis Zone della zonazione a conodonti. La base del Famenniano è stata definita nello Stratotipo a Coumiac in Montagne Noire, Francia, dall'IUGS in coincidenza con il limite inferiore della biozona a conodonti Lower triangularis (Klapper et al. 1994, Klapper 1997, House et al. 2000). L'orizzonte corrisponde al limite superiore dell'evento di estinzione chiamato Upper Kellwasser (UKW) (House et al. 2000). Questo è testimoniato da un livello di shales neri, corrispondente a un evento anossico, intercalato a calcari pelagici grigio chiari a cefalopodi o a shales bacinali, riconosciuto in Germania, Francia, Marocco (Schindler 1990), Kirghizistan e Cina Meridionale (J.A.Talent, com. pers. 2003). Non in tutte le successioni che includono il limite Fr-Fm la litofacies a shales neri è presente, come ad esempio nel Canning Basin, Australia nord occidentale, dove tuttavia l'evento di estinzione dell'UKW è ugualmente riconoscibile dall'analisi delle fluttuazioni faunistiche e delle escursioni isotopiche di carbonio e stronzio (G.Klapper, com. pers., 2003).
Al limite Fr-Fm sono state studiate le variazioni biotiche, isotopiche, di magnetosuscettibilità e del livello del mare, ma non è stato raggiunto alcun accordo sulla causa (o cause) extraterrestre e/o terrestre dell'evento (o eventi) di maggiore estinzione, benché l'evento di estinzione del UKW si sia verificato in un intervallo di tempo relativamente breve, alla fine dell'ultima biozona a conodonti del Frasniano. Studi stratigrafici e sedimentologici sul UKW, effettuati in varie regioni, hanno suggerito la presenza di una fase regressiva seguita da una rapida fase trasgressiva disossica, entrambe associate a importanti estinzioni. Ad esempio, gli ammonoidi subirono un declino all'inizio della regressione, mentre alcune famiglie di trilobiti si estinsero durante la trasgressione e anossia. Sulla base dei ritmi orbitali di Milankovich, Chen & Tucker (2003) analizzando sedimenti di acque profonde in Cina stimarono una durata di circa 400.000 anni per il primo e più importante evento di estinzione e di circa 50.000 anni per il secondo. L'evento di estinzione fu seguito da una rapida radiazione adattativa che nei conodonti si espresse con la diversificazione di numerose specie dalle pochissime sopravvissute. La più importante diversificazione durante il Famenniano si ebbe nel genere Palmatolepis--sul quale è basata la biostratigrafia standard--dalla sola specie Pa. triangularis la cui comparsa evolutiva ne definisce la base (Ziegler 1962, Helms & Ziegler 1981).
In Alpi Carniche il recente studio biostratigrafico a conodonti ha permesso di identificare il limite Fr-Fm in due sezioni-- Pramosio A e Freikofel T-- in facies carbonatica, con prevalenti livelli da mediamente a molto bioturbati. In entrambe le sezioni non sono presenti livelli di shales neri. Nella sezione Pramosio A in facies carbonatica di mare basso sono state individuate intorno al limite Fr-Fm numerose sequenze deposizionali associate a variazioni del livello marino. Una disconformity principale è stata evidenziata in corrispondenza della base della triangularis Zone (limite Fr-Fm) e numerose sequenze regressivo-trasgressive, di spessore centimetrico-decimetriche, nel sottostante intervallo coevo all'evento dell'UKW. Preliminari analisi isotopiche sembrano confermare ripetute variazioni climatiche legate a fluttuazioni del livello marino. Analisi delle sezioni sottili con catodoluminescenza indicano un quadro diagenetico da precoce a tardivo molto complesso.
La crisi al limite Fr-Fm seguita, dopo circa dieci milioni di anni, da quella altrettanto significativa al limite Devoniano-Carbonifero, determinarono un drastico impoverimento delle faune oceaniche. Uno spiccato recupero evolutivo durante il Carbonifero e il Permiano rigenerò vita negli oceani fino a raggiungere nuovamente un alto livello di diversità che si estese sui continenti.
La biodiversità subì un nuovo collasso al tetto del Permiano, l'altra delle "Cinque Grandi" crisi biologiche globali oggetto della ricerca. La scomparsa al tetto del Permiano della maggior parte della biomassa marina e continentale, così catastrofica da essere riscontrabile direttamente sul terreno, fece porre il limite Paleozoico-Mesozoico in coincidenza di tale evento. E' stato calcolato che fra gli organismi marini si estinsero tra il 75 e il 96% delle specie e il 65% delle famiglie. Piante e animali terrestri subirono simili drammatici cambiamenti. Si pensa che la crisi permiana avvenne in due fasi distinte nell'arco di circa sei milioni di anni, rispettivamente nello Dzhulfiano e al tetto del Changhsingiano. Tra queste due fasi alcuni gruppi si diversificarono prima di subire un nuovo collasso durante la seconda fase della crisi quando Rugosa, Trilobita e Fusulinida scomparvero e altri gruppi giunsero alla soglia dell'estinzione (Erwin 1993, Hallam & Wignall 1997). Come era accaduto nelle precedenti crisi paleozoiche le comunità delle scogliere tropicali furono decimate e la produttività dei carbonati tropicali si ridusse. Essa mostra numerose similitudini con quella verificatasi nel Devoniano Superiore.
La successione stratigrafica al limite P-T in Alpi Meridionali--il settore più occidentale della Tetide--è stato ed è oggetto di studio da parte di numerosi ricercatori tra i quali alcuni afferenti all'Unità di Ricerca di Bologna. Precedenti ipotesi sulla posizione del limite sono state modificate in seguito all'istituzione dello stratotipo del limite P-T nella sezione di Meishan D in Cina definita dalla prima comparsa del conodonte Hindeodus parvus (Yin et al. 2001). La zonazione al limite è ora fermamente basata su specie dei generi Hindeodus e Isarcicella.
In Alpi Meridionali sulla base di criteri sedimentologici e paleontologici, il limite fu fatto coincidere con quello litostratigrafico fra la Fm. a Bellerophon e la Fm. di Werfen. A seguito del ritrovamento di faune ad "affinità permiana" (Pasini 1985) nella parte basale della Fm. di Werfen il limite venne spostato in differenti posizioni in base ai vari criteri discriminati. Analisi biostratigrafiche e in particolare modo la comparsa di Hindeodus parvus nella sezione di Bulla (Farabegoli & Perri 1998, Perri & Farabegoli 2003) ha permesso la identificazione del limite P-T a 1.3 m dalla base della Fm. di Werfen dove il tasso medio-alto di sedimentazione ha consentito la discriminazione del trend evolutivo Hindeodus-Isarcicella.
Analisi sedimentologiche di dettaglio, eseguite sulla sezione di Bulla, hanno evidenziato che la successione immediatamente sottostante il limite P-T è interrotta da due unconformity, una delle quali è quella a carattere regionale, evidenziata per la prima volta da Assereto et al. (1973). La successione al di sopra del limite è costituita da numerose piccole sequenze deposizionali carbonatico-terrigene, a predominanza carbonatica, rilevabili anche in altre sezioni coeve delle Alpi Meridionali. Nonostante i due hiatus, di limitata durata, la sezione di Bulla e quelle correlabili mostrano alcuni indiscutibili vantaggi rispetto alla sezione dello stratotipo in Cina, estremamente condensata. L'intervallo che a Meishan è rappresentato solamente da circa 1.5 m corrisponde nella sezione di Bulla a circa 40 m e questo ha pemesso una elaborazione dettagliata del plesso evolutivo hindeodidi-isarcicellidi e la discriminazione di sei biozone a conodonti che hanno ampia applicabilità (Perri & Farabegoli 2003).
Nonostante ci siano stati numerosi studi stratigrafici, sedimentologici e geocronologici sui limiti Fr-Fm e P-T e siano state fatte molte speculazioni sulle cause (terrestri e/o extraterrestri) di queste crisi biologiche globali nessun evento è stato indagato quantitativamente per mezzo di una campionatura a scala finissima.

I dati accumulati finora durante i molti anni di ricerca sugli intervalli in oggetto, associati alla competenza dei ricercatori coinvolti, forniscono gli strumenti atti ad affrontare, da varie prospettive, il progetto proposto. Laboratori specializzati per la preparazione dei microfossili, di sedimentologia, fotografia e SEM sono disponibili in entrambi i dipartimenti coinvolti nel progetto. Laboratori esterni saranno impiegati per analisi specifiche quali le isotopiche. <<<