RICERCA ITALIANA     

La transizione climatica tra Pliocene Medio e Pliocene Superiore: una prospettiva Mediterranea

Università degli Studi di Padova

Abstract

Verrà presa in esame una successione eccezionalmente espansa di depositi di scarpata già riferiti in base ad un'analisi biostratigrafica preliminare al passaggio Pliocene Medio/Pliocene Superiore e al Gelasiano, affioranti nel Bacino di Crotone (Calabria, Italia meridionale). Si tratta di un’alternanza ciclica di intervalli dominati da peliti emipelagiche, localmente con subordinate intercalazioni torbiditiche, e intervalli laminati sovente diatomitici. L'interesse di questa successione è dovuto alla eccezionale espansione stratigrafica e quindi al grado altissimo di risoluzione che può essere ottenuto.
Come primo obiettivo verrà effettuato un rilevamento di dettaglio, allo scopo di ricostruire la stratigrafia e mappare gli orizzonti guida, cui seguirà una campionatura dell'intera successione per ottenere un quadro cronostratigrafico preciso.
Come obiettivo specifico poi, alcuni intervalli ritenuti maggiomente significativi verranno sottoposti ad una campionatura di estremo dettaglio e ad un'analisi in alta risoluzione con approccio multidisciplinare su base biostratigrafica, paleoecologica, palinologica, isotopica, geochimica e paleomagnetica. Uno o due carotaggi profondi una ventina di metri verranno effettuati per ottenere un "record" maggiormente preservato e continuo.
Lo scopo ultimo del progetto è in primo luogo un contributo alla caratterizzazione della transizione climatica tra Pliocene medio e Pliocene superiore nell'area del Mediterraneo centrale; in secondo luogo, un contributo alla ricostruzione della variabilità climatica a scala orbitale e suborbitale durante questa transizione e il Gelasiano, e della sua influenza sulle condizioni paleoceanografiche nel Mediterraneo centrale. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Francesco Massari Università degli Studi di PADOVA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il programma di ricerca è inteso come un contributo allo studio della trasizione climatica tra Pliocene Medio e Pliocene Superiore nel Mediterraneo centrale, e all'analisi dell'influenza della variabilità climatica a diversa scala temporale sul contesto paleoceanografico in quest'area. Verrà analizzata a questo scopo una successione particolarmente espansa di depositi di scarpata affiorante nel Bacino di Crotone a nord del paese di Botricello. Si tratta di un’alternanza ciclica di intervalli emipelagici, localmente con intercalazioni torbiditiche, e intervalli laminati sovente diatomitici.
Le campionature preliminari effettuate finora nella zona indicano la presenza del passaggio Pliocene Medio/Pliocene Superiore e del Gelasiano. Il notevole interesse di questa successione risiede nella eccezionale espansione stratigrafica a paragone di altre successioni contenenti cluster di diatomiti o sapropel in questo intervallo stratigrafico, e quindi nella possibilità di ottenere una risoluzione particolarmente elevata.
Una prima indagine basata su una campionatura estesa a coprire l'intera successione consentirà un inquadramento preciso dal punto di vista cronostratigrafico. Nel contempo sarà possibile identificare la ciclicità a scala orbitale utilizzando la scala-tempo astronomica basata sulla calibrazione dei cicli sedimentari rispetto alle serie tempo calcolate delle variazioni quasi priodiche dell'orbita e dell'asse terrestre (Hilgen, 1991; Hilgen et al., 1995, 2000, 2003; Lourens et al., 1996, 1998, 2004).
L’obiettivo più specifico del progetto è quello di focalizzare l’attenzione su uno o più intervalli da selezionare in base alla continuità di esposizione e alle caratteristiche stratigrafiche, su cui effettuare un’analisi in altissima risoluzione tramite un approccio multidisciplinare, cioè utilizzando strumenti quali la biostratigrafia a nannofossili e foraminiferi, la paleoecologia delle associazioni a foraminiferi bentonici, lo studio delle popolazioni a diatomee, la palinologia, la geochimica isotopica, e l’analisi della magnetostratigrafia e delle proprietà paleomagnetiche di significato ambientale.
Lo scopo ultimo di queste analisi integrate è un contributo alla ricostruzione della transizione climatica tra Pliocene medio e Pliocene Superiore e all'identificazione delle variazioni climatiche a varia scala temporale, in particolare delle oscillazioni ad alta ed altissima frequenza la cui interpretazione e origine è ancora largamente dibattuta. Questi dati serviranno di base per un tentativo di ricostruzione delle implicazioni paleoceanografiche nell'area del Mediterraneo centrale. Le analisi di dettaglio consentiranno di determinare le variazioni di alcuni parametri quali temperatura, salinità, ossigenazione al fondo, produttività, etc. Questi dati potranno fornire informazioni sul regime convettivo versus stratificato della massa d'acqua e sulle condizioni paleoceanografiche in generale. Secondo Becker et al.(2005) un ruolo importante hanno avuto l'afflusso periodico di acque più fredde di provenienza Atlantica in grado di influenzare la circolazione termoalina nel Mediterraneo, e i cambiamenti ciclici nella circolazione atmosferica e nel regime delle precipitazioni, legati particolarmente all'attività del monsone africano o all'espansione eventuale verso sud di masse d'aria polari durante le fasi glaciali. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La glaciazione dell’emisfero nord (NHG) fu un cambiamento climatico fondamentale da un mondo “greenhouse” ad un mondo caratterizzato dall’alternanza di fasi glaciali e interglaciali (Mudelsee e Raymo, 2005). La progressiva crescita della calotta artica nel Pliocene è riconoscibile dal graduale arricchimento in 18O segnalato dai dati di d18O dei foraminiferi bentonici e dalla comparsa massiccia di detrito trasportato dagli icebergs nei sedimenti oceanici di alta latitudine a partire da 2.7 Ma. La maggior parte delle ipotesi sulle cause di questo cambiamento fanno riferimento, o a modificazioni importanti della circolazione termoalina degli oceani conseguenti ad eventi di chiusura di alcuni bracci di mare, o a cambiamenti del tenore di CO2 nell’atmosfera. In particolare, la chiusura dello stretto di Panama avrebbe posto fine all’afflusso di acque superficiali dal Pacifico all’Atlantico (Keigwin, 1982; Maier-Reimer et al., 1990, Haug e Tiedemann, 1998) e causato cambiamenti estesi nella circolazione oceanica e nel clima dell’Emisfero Nord (Keigwin, 1982; Maier-Reimer et al., 1990). Questo modello prevede un aumento notevole della circolazione termoalina a partire da 4.6 Ma, con l’intensificazione della Corrente del Golfo in grado di portare masse di acque calde e salate ad alte latitudini settentrionali. Il raffreddamento per evaporazione delle acque superficiali durante l’attivazione della circolazione nord-Atlantica profonda (NADW) avrebbe introdotto umidità nell’Emisfero Nord, creando i presupposti per la crescita della calotta, ulteriormente favorita dal graduale aumento di ampiezza dei cicli di obliquità tra 3.1 e 2.5 Ma. La chiusura definitiva dello stretto di Panama ebbe luogo a 2.7 Ma, in coincidenza con l’intensificazione maggiore della NHG.
Cane and Molnar (2001) richiamarono l’attenzione sul ruolo del braccio di mare Indonesiano nel cambiamento climatico globale. Essi proposero che la graduale chiusura di questo braccio di mare negli ultimi 5 Myr, con la conseguente migrazione della Nuova Guinea verso l’Equatore, incrementò l’afflusso di acque più fredde dal Pacifico settentrionale all’Indiano, causando così l’aridificazione Pliocenica dell’Africa orientale.
Ravelo et al. (2004) conclusero che le fasi di raffreddamento a lungo termine nelle diverse regioni non ebbero luogo simultaneamente. Processi regionalmente specifici, come la restrizione dei bracci di mare di Panama e dell’Indonesia, causarono fasi di raffreddamento in tempi diversi, e la fine del periodo caldo non fu determinata da un singolo episodio i cui effetti si propagarono a scala globale. Piuttosto, il processo deve essere avvenuto gradualmente. I record tropicali indicano che un significativo cambiamento del clima tropicale avvenne dapprima tra 4.5 e 4.0 Ma, con una riorganizzazione della circolazione tropicale, probabilmente dovuta al restringimento degli stretti di Panama e Indonesiano, poi tra 2.0 e 1.5 Ma, con un significativo aumento del gradiente termico delle acque superficiali nel Pacifico in senso Est-Ovest. Non appena il raffreddamento interessò le aree di formazione delle acque profonde alle alte latitudini, le temperature delle acque profonde diminuirono, aumentò la stratificazione delle acque e diminuì la profondità del termoclino. Questo causò un raffreddamento delle regioni tropicali e subtropicali soggette all’”upwelling”, rinvigorendo i gradienti Est-Ovest di pressione e temperatura nel Pacifico, e rafforzando la tendenza al raffreddamento e la circolazione di Walker. Anche la sensibilità del clima delle alte latitudini alle variazioni di insolazione aumentò gradualmente, raggiungendo il massimo dopo che si stabilì un’efficiente circolazione di Walker.
Recentemente, Mudelsee e Raymo (2005), utilizzando 45 dati d18O di foraminiferi bentonici e plantonici, e siti distribuiti globalmente, stimarono un aumento di 0.4 ‰ legato ad aumento del volume globale dei ghiacci durante il Pliocene, equivalente ad un abbassamento di 43 m del livello marino. Essi stabilirono che la NHG iniziò a 3.6 Ma e terminò a 2.4 Ma. Questo lungo arco di tempo implica probabilmente un lento processo tettonico, come la sopra-citata chiusura degli stretti o il sollevamento della catena del Tibet. Durante il cambiamento climatico globale, dovevano comunque esistere sottosistemi regionali caratterizzati da specifici meccanismi di feedback.
Una gran mole di dati di pozzi mediterranei e successioni Plio-Pleistoceniche di mare profondo affioranti (Lourens et al., 1992; Hilgen 1991; Hilgen et al., 1993, 1995) indica che la variabilità climatica di precessione è legata a cambiamenti da condizioni caldo-umide a freddo-aride (Cita et al., 1977; Rossignol-Strick, 1983; Kallel et al., 1997, 2000). L’espressione più caratteristica della variabilità climatica di precessione è la comparsa ciclica di sapropel.
L’identificazione di frequenti orizzonti di sapropel intercalati ad emipelagiti, specie nel Mediterraneo orientale, ha permesso negli ultimi anni di individuare una precisa stratigrafia (sapropel stratigraphy) accuratamente datata in base ad una dettagliata scala tempo astronomica definita per le sequenze marine del Mediterraneo(Hilgen, 1991; Hilgen et al., 1993, 1995; Lourens et al., 1992, 1996). Tali studi hanno permesso di evidenziare come gli intervalli laminati si siano depositati durante i periodi di alta insolazione (e di bassi valori di precessione) (Cita et al., 1977; Rossignol-Strick, 10983; Kallel et al., 1997, 2000). Da un lato i minimi di insolazione sono caratterizzati da un aumento del contributo di polveri del Sahara, attribuito a bassa attività del monsone africano e a condizioni aride nel Nord Africa durante i massimi di precessione (Foucault e Mélières, 1995, 2000; Lourens et al., 2001). D’altro lato, i massimi di insolazione, correlativi dei minimi di precessione, sono caratterizzati da un’intensificazione del monsone africano-indiano e conseguente aumento degli apporti fluviali e del tasso di umidità circum-mediterranea (Rohling e Hilgen, 1991). Queste condizioni si traducono nella stratificazione delle masse d’acqua e associata stagnazione delle acque di fondo in seguito alla formazione di una lente di acqua superficiale a bassa salinità nel Mediterraneo orientale (Rossignol-Strick, 1983, 1985). E’ in questo contesto che avrebbero avuto origine i sedimenti laminati (“Sapropel”). Tutti i livelli laminati finora individuati nelle successioni campionate in Sicilia (Punta Piccola, Monte San Nicola), Calabria (Singa , Vrica) e nelle successioni carotate durante la crociera ODP Leg 160, sono di limitato spessore (20 – 30 cm) e pertanto permettono solo uno studio a bassa – media risoluzione. Inoltre essi generalmente non contengono associazioni bentoniche utili per individuare l’evoluzione dell’ambiente di fondo del bacino prima durante e dopo l’evento anossico. Studi isotopici e geochimici sono stati pubblicati per alcune successioni (o parte di esse). Esse hanno permesso una ricostruzione paleoceanografica e ciclostratigrafica degli intervalli interessati, ma a bassa risoluzione.
Sotto questo profilo merita particolare menzione il recente lavoro di Becker et al. (2005), che realizza un risultato di altissima risoluzione, grazie ad uno studio di dettaglio dello Stage isotopico 100 nel Mediterraneo. Questo studio multidisciplinare rivela un quadro complesso di fluttuazioni climatiche a scala sia milankoviana sia sub-milankoviana, in fase o in opposizione di fase. Il d18Osw delle acque Atlantiche superficiali di afflusso influenzarono il d18Osw del Mediterraneo, col risultato che almeno parte delle acque fredde superficiali durante i glaciali furono convogliate in profondità. Le differenze glaciale-interglaciale del d18Obenthos vengono interpretate come l’effetto di variazioni del volume globale dei ghiacci legate prevalentemente all’obliquità. D’altra parte il ? d18OG.ruber-benthos appare influenzato dalle variazioni dell’insolazione estiva regolata dalla precessione. Evidentemente, i periodi che registrano valori massimi del ? d18OG.ruber-benthos corrispondono a massimi dell’insolazione estiva che riflettono una maggiore stratificazione della colonna d’acqua e limitati cambiamenti di temperatura e/o salinità delle acque superficiali. Questi massimi corrispondono a periodi formazione di sapropel.
Questo lavoro evidenzia anche come durante questo intervallo del Pliocene superiore sia possibile riconoscere fluttuazioni climatiche comparabili alle fasi stadiali ed interstadiali della durata di ~6-8 kyr, molto simili ai cicli di Bond del Pleistocene superiore, come pure rapidi cambiamenti alla scala di ~1.5-4.5 kyr, paragonabili ai cicli di Dansgaard-Oeschger (D-O) e agli “Heinrich events”. Questi eventi implicano un diretto accoppiamento tra i cambiamenti climatici ad alta frequenza del Nord Atlantico e del Mediterraneo, come risultato di modificazioni nelle proprietà e nel volume delle acque superficiali nord-atlantiche più fredde di afflusso nel Mediterraneo. Queste provocherebbero un regime convettivo e un rimescolamento profondo, e, come effetto più importante, cambiamenti nell’intensità e nella posizione dei gradienti di pressione atmosferica nella regione nord-atlantica. Queste modificazioni erano accompagnate da un’espansione verso sud delle masse d’aria polare, e quindi dall’afflusso di venti freddi dall’Atlantico o dal continente europeo nel Mediterraneo. Il sistema di pressione atlantico può avere avuto un ruolo cruciale nel rafforzamento della cella di pressione sub-tropicale determinando sia aridità nel nord-Africa, sia un’intensificazione del trasporto di polveri eoliche da parte degli alisei (deMenocal e Rind, 1993). I dati del rapporto Ti/Al indicano fluttuazioni ad alta frequenza degli apporti di polveri eoliche durante le fasi fredde delle oscillazioni D-O. Durante gli intervalli stadiali, una prolungata stabilità dell’anticiclone invernale nell’Europa centrale e settentrionale può aver provocato inverni molto freddi e aridi e una circolazione atmosferica più vigorosa nella regione centrale e occidentale del Mediterraneo, favorendo così una condizione di aridità nel Mediterraneo. <<<