RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

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

Università di riferimento

Università degli Studi di PADOVA - GEOLOGIA, PALEONTOLOGIA E GEOFISICA - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Francesco Massari

Descrizione

Il margine ionico dell’Italia meridionale è un’area di grande interesse per lo studio del Plio-Pleistocene. La disponibilità di estese e potenti successioni portate in affioramento da processi di sollevamento recente, unitamente alla presenza dominante di emipelagiti, agevolmente databili dal punto di vista biostratigrafico, garantisce la rara opportunità di studiare in alta risoluzione un importante record della variabilità climatica e delle condizioni oceanografiche del Mediterraneo centrale nel Plio-Pleistocene.
Da alcuni anni l’unità di Padova ha concentrato le sue ricerche nel Bacino di Crotone. Nel Plio-Pleistocene quest’area si trovava in condizioni di depocentro altamente subsidente (bacino di avanarco rispetto all’arco Calabro) in grado di accogliere potenti successioni, deposte con elevata velocità di sedimentazione. La notevole espansione stratigrafica assicura un’alta continuità e offre la possibilità di ricostruzioni in altissima risoluzione. Si tratta essenzialmente di sedimenti pelitici accumulati in ambienti variabili dalla scarpata alla piattaforma, caratterizzati da alta sensibilità ai cambiamenti ambientali e facilmente databili con i convenzionali strumenti biostratigrafici. Avendo come riferimento lo schema biostratigrafico messo a punto da Rio et al.(1990), correlato con la scala delle inversioni del campo magnetico terrestre e tarato in una cronologia assoluta con metodologie astrociclostratigrafiche (Castradori, 1993; Raffi et al., 1993; Wei, 1993; Lourens et al., 1996; Lourens, 2004), e utilizzando dati di analisi isotopiche su foraminiferi plantonici e bentonici, è stato già possibile datare con buona precisione, stabilendo correlazioni con gli “stage” della curva isotopica, un buon numero di successioni del Pliocene e del Pleistocene inferiore e medio affioranti nel Bacino (Rio et al., 1996; Massari et al., 2002).
Inoltre in alcuni tratti della successione è stato possibile identificare chiaramente il segnale climatico (Capraro et al., 2005), sulla base di diversi proxy come gli spettri pollinici, le associazioni a foraminiferi planctonici, le curve isotopiche, le misure di suscettività magnetica e i molluschi sensibili ai parametri ambientali. L'integrazione dei dati bio-crono-stratigrafici con gli indicatori paleoclimatici disponibili ha permesso finora di identificare una chiara ciclicità che può essere definita in termini di frequenza ed ampiezza e correlata con la variabilità climatica di origine astronomica. In particolare, dato che la deposizione aveva luogo in corrispondenza ad un margine di bacino circondato da un entroterra in attivo sollevamento, il record pollinico consente di esaminare la vegetazione regionale distribuita su diverse fasce altitudinali, assicurando così la sensibilità ambientale necessaria per rivelare senza significativi ritardi l’estensione e gli effetti di rapidi cambiamenti ambientali. Un’importante fonte di dati è costituita dalle associazioni marine bentoniche che, oltre a fornire una stima della paleobatimetria, offrono informazioni sulle condizioni di ossigenazione e di accumulo di sostanza organica al fondo. Esse quindi permettono, una volta integrate con le associazioni planctoniche e i dati isotopici, di tracciare un quadro paleoceanografico della colonna d’acqua.
L’area di indagine presenta quindi tutti i requisiti per garantire risultati soddisfacenti in una ricerca multidisciplinare in alta risoluzione sulla risposta sedimentaria alle fluttuazioni climatiche a scala temporale orbitale e suborbitale.
Durante rilevamenti in corso nella parte meridionale del Bacino di Crotone è stata riconosciuta, in un’area calanchiva denominata Timpone dell’Inferno situata a nord-est del paese di Botricello, la presenza di un elevato numero di intervalli diatomitici bianchi laminati (caratterizzati da una fitta e sottile alternanza ritmica di aspetto varvato di lamine diatomitiche bianche e lamine terrigene scure solitamente più spesse) alternanti ciclicamente a sedimenti marnosi emipelagici, localmente con intercalazioni torbiditiche. Analisi biostratigrafiche preliminari, basate essenzialmente sulle associazioni a nannofossili calcarei, hanno dimostrato che la successione comprende la transizione tra Piacenziano e Gelasiano e tutto il Gelasiano.
Questo tipo di facies caratterizzato dall’alternanza di intervalli marnosi e diatomitici compare tipicamente nelle zone più esterne del Bacino di Crotone (es. sezioni Vrica e Le Castella), e presenta nell’area di Timpone dell’Inferno la particolarità di presentarsi con spessori particolarmente elevati degli intervalli diatomitici (variabili da alcuni a parecchi metri). Il notevole interesse di questa successione risiede perciò nella eccezionale espansione stratigrafica rispetto alla maggior parte delle aree dove facies analoghe sono segnalate, e quindi nella possibilità di ottenere una risoluzione particolarmente elevata.
Il carattere discontinuo degli affioramenti renderà necessario un lavoro preliminare di rilevamento di grande dettaglio, allo scopo di tracciare gli orizzonti guida e ricostruire la successione stratigrafica con la massima precisione possibile. Una prima campionatura estesa consentirà di effettuare una caratterizzazione dell’intera successione e di stabilire un quadro cronostratigrafico preciso. In un secondo tempo l’attenzione verrà concentrata su alcuni intervalli da selezionare in base alla continuità di esposizione e alle caratteristiche stratigrafiche, su cui effettuare una campionatura di estremo dettaglio ed un’analisi in altissima risoluzione. Gli strumenti utilizzati nel progetto comprendono la biostratigrafia a nannofossili e foraminiferi, la palinologia, lo studio delle popolazioni a diatomee, la geochimica degli elementi in traccia e la geochimica isotopica, l’analisi delle proprietà paleomagnetiche. Sono previsti anche carotaggi tramite uno o due pozzi per una profondità non superiore a 25-30 metri, da effettuarsi in aree di subaffioramento di unità diatomitiche, con l'acquisizione contestuale di log elettrici, allo scopo di ottenere un record stratigrafico continuo e in buono stato di preservazione, in modo da poter osservare alcune proprietà soggette ad alterazione a seguito di esposizione all'atmosfera.

Le associazioni a foraminiferi e nannofossili calcarei presenti nei campioni verranno studiate con metodologie quantitative. I risultati delle analisi quantitative delle associazioni verranno utilizzati, unitamente ad altrettanto dettagliate analisi isotopiche dell’Ossigeno e del Carbonio (eseguite su specie planctoniche e bentoniche)per proporre una ricostruzione ciclostratigrafica e paleoceanografica dell’intera successione. A tale scopo verranno utilizzate le fluttuazioni di abbondanza relativa dei foraminiferi planctonici e dei nannofossili calcarei che si sono dimostrate utili per riconoscere periodicità milankoviane (precessione ed obliquità) (Sprovieri et al., 1998; Sprovieri et al., 2003, 2006). Le analisi quantitative dei foraminiferi planctonici verranno correlate con i dati isotopici dell’ossigeno e del carbonio per individuare fluttuazioni periodiche a varia scala in questo intervallo di tempo. Tutti questi dati, insieme ai dati provenienti da un'altrettanto dettagliata analisi quantitativa delle associazioni a foraminiferi bentonici (che analisi preliminari hanno dimostrato essere presenti anche negli intervalli laminati) verranno utilizzati per una ricostruzione delle condizioni di ossigenazione e produttività al fondo durante gli intervalli marnosi e laminati.
Lo studio faunistico, floristico e geochimico di estremo dettaglio dei livelli laminati individuati come più significativi potrà evidenziare fluttuazioni paleoclimatiche durante tali intervalli di parziale o totale anossia. Uno scopo particolarmente importante sarà infatti il possibile riconoscimento, sulla base di avanzate analisi statistiche, di fluttuazioni sub-orbitali con intervalli temporali più o meno lunghi possibilmente equiparabili a quelli noti per il Pleistocene superiore.

Lo studio palinostratigrafico mirerà alla ricostruzione della storia vegetazionale nell'intervallo di tempo considerato, e concorrerà, assieme ad altri strumenti di indagine, all'identificazione delle oscillazioni climatiche a varia scala e frequenza. Oltre a definire i caratteri paleovegetazionali dell'intera successione si procederà in particolare ad un campionamento in alta risoluzione degli intervalli designati come più significativi, per una dettagliata ricostruzione delle variazioni ad alta frequenza delle dinamiche paleovegetazionali e paleoclimatiche. In particolare, gli effetti della ciclicità climatica a scala sub-Milankoviana sul paesaggio vegetale sono stati evidenziati in successioni polliniche del Pleistocene superiore (ad esempio Allen et al., 1999; Tzedakis et al., 2004; Sánchez Goñi et al., 2002) e nel Pliocene Superiore di Ptolemais (Kloosterboer-van Hoeve et al., 2006). I dati raccolti contribuiranno a migliorare la comprensione dei meccanismi in grado di determinare gradienti vegetazionali e climatici nell’area mediterranea, come già ipotizzato in studi precedenti (Suc e Cravatte, 1982; Bertoldi et al., 1989).
I dati palinologici saranno elaborati attraverso funzioni di trasferimento (MAT, MTCO, AET/PET, etc.) e confrontati con serie polliniche marine e continentali di riferimento per il Plio – Pleistocene del bacino mediterraneo (Crotone, Combourieu Nebout 1993; Punta Piccola, Combourieu Nebout et al. 2004; Garraf I, Suc e Cravatte 1982; St. Martin du Var, Zheng e Cravatte 1986; ODP Site 976 – Alboran Sea, Combourieu Nebout et al. 1999; Ptolemais, Kloosterboer-van Hoeve et al. 2006; ODP Site 658, Dupont e Leroy, 1999) e del nord Italia (torrente Stirone, Bertini 2001; Valle Marecchia, Rio et al. 1997; Leffe, Ravazzi 2003, Ravazzi et al. 2004).

Una parte del progetto sarà dedicata allo studio delle diatomee. Sedimenti diatomitici laminati sono già da tempo oggetto di studio in successioni neogeniche di svariate aree (per es."Borderland Basin" della California; Golfo di California; margine continentale del Perù; Columbia Britannica) (Baumgartner et al., 1885; Gorsline, 1984; Donegan e Schrader, 1982; Kemp, 1990) in quanto buoni archivi dei processi agenti nella massa d’acqua, delle variazioni di produttività primaria e di input terrigeni a loro volta dipendenti dalle variazioni climatiche legate a ciclicità astronomiche e stagionali.
Nell’ambito del progetto le diatomee possono fornire buoni dati specie in relazione ai parametri temperatura e salinità. Per quanto attiene allo studio più dettagliato su alcuni intervalli caratteristici, esso potrebbe articolarsi in i) una verifica della presenza di successioni di “coppie” di lamine (chiara-scura) come espressione di un ritmo annuale legato a ciclicità stagionale (fasi di alta produttività con prevalente sedimentazione biosilicea e fasi di bassa produttività con prevalente apporto terrigeno); ii) un’analisi dell’associazione nelle lamine diatomitiche con caratterizzazione in relazione a salinità, temperatura e batimetria e particolare attenzione agli indicatori di alta produttività; iii) una verifica della eventuale presenza di componente biogena silicea nelle lamine argillose e confronto con le associazioni delle lamine diatomitiche per verificare la presenza di segni di fasi terminali di alta produttività; un’analisi delle associazioni in relazione al clima, per individuare e/o verificare ciclicità climatica a varia scala temporale e confronto con quanto già desumibile da altri proxy quali foraminiferi, spettri pollinici, ecc.

In conclusione i principali obiettivi del progetto saranno:
1) Caratterizzazione biostratigrafica dell'intera successione.
2) Individuazione, in base ad avanzate analisi statistiche dei dati quantitativi ottenuti, di eventuali periodicità milankoviane e sub-milankoviane, da correlare con la successione litologica individuata.
3) Contributo ad una ricostruzione delle condizioni paleoclimatiche e paleoceanografiche nel Mediterraneo centrale sulla base di indicatori diversificati(plancton calcareo, foraminiferi bentonici, diatomee, isotopi dell’Ossigeno e del Carbonio, geochimica dei sedimenti, proprietà paleomagnetiche)in un intervallo di tempo che comprende la transizione tra Pliocene Medio e Pliocene Superiore e il Gelasiano.

METODI
Le analisi e determinazioni di laboratorio verteranno su: faune e flore a foraminiferi, nannofossili calcarei, diatomee; isotopi stabili dell’ossigeno e del carbonio su foraminiferi plantonici e bentonici; aspetti geochimici (ad es. parametri utili alla stima del contributo di polveri eoliche versus materiale terrigeno di origine fluviale e alla valutazione della produttività); contenuto palinologico; contenuto di carbonato di calcio e carbonio organico; suscettività magnetica e proprietà magnetiche significative per l’interpretazione dei parametri ambientali.

COMPITI DELL'UNITA' DI PADOVA
L'Unità di Padova curerà il lavoro di terreno, cioè il rilevamento di dettaglio dell'area, incluso il riconoscimento e il tracciamento fisico dei livelli guida, le varie campionature in collaborazione con i componenti dell'Unità di Palermo, e la parte logistica relativa alla individuazione dei punti più adatti per l'impianto del pozzo (o dei pozzi) di perforazione, l'assistenza durante la loro esecuzione e lo stoccaggio delle carote. In collaborazione con l'Unità di Palermo l'Unità di Padova curerà inoltre la parte biostratigrafica e la determinazione del tenore in carbonato e carbonio organico.
I collaboratori dell'I.N.G.V. (Dr. Sagnotti e Speranza), si occuperanno delle indagini paleomagnetiche di vario tipo sia sul terreno che in laboratorio (magnetostratigrafia, suscettività magnetica, proprietà magnetiche legate a variazioni dei parametri ambientali).
L'analisi delle popolazioni di diatomee sarà effettuata dalla Dr. Bonci dell'Università di Genova.
Le analisi palinologiche previste nel presente progetto verranno svolte dai Dr. Ravazzi, Capraro e Pini. La preparazione dei campioni verrà effettuata tramite apposito contratto presso il Laboratorio di Palinologia di Parma.
Le due unità infine tireranno le conclusioni scientifiche del progetto e la loro pubblicazione.