RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Accelerazioni evolutive nel plankton calcareo e loro relazione con i cambiamenti globali durante il Mesozoico ed il Cenozoico. I cambiamenti globali ne sono responsabili?

Università di riferimento

Università degli Studi di PADOVA - GEOSCIENZE - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Domenico Rio

Descrizione

Nel contesto del progetto nazionale, la PRU si concentrerà su quattro intervalli di tempo del Paleogene inferiore.Gli eventi scelti rappresentano episodi critici di instabilità ambientale estrema, momenti significativi per l’evoluzione del plancton calcareo o, infine, fasi in cui le modificazioni dell’ambiente fisico si intrecciano in modo complesso con importanti modificazioni nel biota.In particolare, il progetto prevede lo studio in alta risoluzione dei seguenti eventi:1)l’Early Late Paleocene Event (ELPE) alla transizione C26r/C26n; 2)il Paleocene Eocene Thermal Maximum (PETM) nella parte media del C24r; 3)l’Early Eocene Climatic Optimum (EECO) entro il C22 e 4)il Middle Eocene Climatic Optimum (MECO) alla transizione C18r/C18n.Il materiale studiato proverrà da sezioni pelagiche su terra e da sedimenti marini recuperati durante crociere ODP.Le sezioni su terra sono localizzate in Veneto (Italia nord-orientale) e vi saranno studiati i seguenti intervalli di tempo: a)sezione del T. Ardo => ELPE; b)sezione del T. Forada (o T. Cicogna) => PETM; c)sezione di Possagno => EECO; d)sezione di Alano di Piave => MECO.Inoltre verrà analizzato materiale ODP dalle seguenti aree:a)il Blake Nose (Atlantico nord-occidentale, ODP Leg 171B) and il Walvis Ridge (Atlantico sud-orientale, ODP Leg 208) per l’EECO;b)il Demerara Rise (Atlantico equatoriale, ODP Leg 207) e il Blake Nose (Atlantico nord-occidentale, ODP Leg 171B) per il MECO.Le competenze offerte dalla PRU entro il progetto nazionale riguarderanno: 1)il rilevamento geologico e le campionature delle sezioni venete, 2)la paleontologia del plancton calcareo e dei foraminiferi bentonici 3)il paleomagnetismo e 4)alcune analisi mineralogiche-geochimiche. Le analisi degli isotopi stabili saranno affidate ad un laboratorio esterno.
THE EARLY LATE PALEOCENE EVENT (ELPE)
Il massimo termico al limite Paleocene-Eocene (PETM; Kennett & Stott,1991) è considerato il più significativo evento di riscaldamento di breve durata occorso durante il Paleogene inferiore (vedi sotto). D’altra parte questo evento sembra non essere unico: infatti una serie di altri episodi di riscaldamento, seppur di minore entità, sembrano essersi verificati nel mondo greenhouse del Paleogene inferiore (Thomas et al.,2000;Bralower et al.,2002;2006).Recenti dati provenienti sia dal Pacifico equatoriale che dall’Atlantico sud-orientale (ODP Leg 198, 208;Zachos et al.,2004;Petrizzo, 2005) hanno evidenziato la presenza di uno di questi eventi “ipertermali” a ~58.4Ma.Questo evento, denominato ELPE, corrisponde a 1)un intervallo ricco il argilla (Zachos et al.,2004;Petrizzo,2005), 2)un marcato aumento nella abbondanza dei fosfati (Petrizzo,2005), 3)un picco nella suscettività magnetica (Westerhold & Röhl,2006), 4)un controversa escursione negativa del d13C(Bernaola et al.,2007) e segna un importante momento evolutivo (Bralower,2006).La pervasiva dissoluzione dei carbonati, che caratterizza l’inizio dell’ELPE, potrebbe indicare una risalita della CCD similmente a quanto osservato durante il PETM (Zachos et al.,2005), che in qualche modo suggerisce un’importante modificazione dell’ambiente fisico.Dal punto di vista evolutivo, l’ELPE segue di poco la comparsa del genere Heliolithus, coincide con la prima comparsa di H. kleinpellii e Discoasteroides, e precede la comparsa del genere Discoaster (Bralower,2006;Agnini et al.,2007a).Questi eventi evolutivi coinvolgono nannoliti molto rappresentativi, ad es. Discoaster diventerà uno dei fondamentali componenti delle associazioni a nannofossili calcarei per il resto del Cenozoico.Nonostante i foraminiferi planctonici sembrino intensamente interessati dalla dissoluzione, almeno nelle successioni sedimentarie disponibili, le loro associazioni sono caratterizzate da un profondo, seppur transiente, riassestamento (Petrizzo,2006;Bernaola et al.,2007).Uno studio in alta risoluzione dell’espansa sezione del T. Ardo (Agnini et al.,2004a,b) potrebbe risolvere alcuni quesiti sulle intricate relazioni tra ambiente fisico e cambiamenti biotici:gli impulsi evolutivi avvengono indipendentemente dalle mutate condizioni ambientali?Qual’è il timing relativo tra evento evolutivo e cambiamenti ambientali globali?
THE PALEOCENE EOCENE THERMAL MAXIMUM (PETM)
Il Paleogene inferiore rappresenta un periodo di progressivo riscaldamento, che iniziato durante il Cretaceo raggiungerà il suo culmine durante l’Eocene Inferiore ( EECO;Zachos et al.,2001).Dati provenienti da alcuni Leg ODP (e.g., 113, 198, 199, 208; Kennett & Stott,1991;Lyle et al.,2002, Zachos et al.2003;2005) hanno dimostrato che episodi di forte riscaldamento e di breve durata, gli ipertermali (Thomas et al., 2000), sono sovrimposti al generale andamento climatico.L’interesse verso questi eventi è dovuto al fatto che essi sembrano essere collegati a improvvisi rilasci di 12C nel sistema oceano-atmosfera ed inoltre sono comparabili in composizione ed intensità all’iniezione antropogenica di carbonio in corso (e.g., Dickens et al.,1995;IPPC,2007).Il PETM (~55.5Ma) rappresenta il più importante tra gli eventi ipertermali, con un aumento globale delle temperature delle acque superficiali di ~5-8°C (Kennett & Stott,1991;Sluijs et al.,2006). Esso risulta legato ad importanti risposte biotiche, come l’estinzione dei foraminiferi bentonici profondi (Thomas & Shackleton, 1996),la proliferazione di plankton inusuale (Kelly et al.,1996;Crouch et al.,2001;Aubry et al.,2002) e l’origine dei mammiferi moderni (Gingerich, 2006).Il PETM è inoltre associato a una prominente escursione negativa del d13C, registrata in ambiente marino e continentale (e.g., Kennett & Stott, 1991; Koch et al.,1992;Schouten et al.,2007), che indica un rapido input di carbonio leggero nel sistema (Dickens et al.,1995;Cramer & Kent,2005;Higgins & Schrag,2006;Pagani et al.,2006).I dati finora raccolti in Veneto hanno dimostrato che il PETM è associato a significative, seppur transitorie, modificazioni nelle associazioni a plancton calcareo più che a cambiamenti di permanenti.La presenza di taxa anomali di breve durata (e.g., i Calcareous Nannofossil Excursion Taxa -CNET, i Planktonic Foraminifera Excursion Taxa – PFET e l’acme di Apectodiunium) sono interpretati come ecofenotipi sviluppatisi in risposta alle modificazioni chimiche delle acque oceaniche (Agnini et al.,2006;2007b;Giusberti et al.,2007;Luciani et al.,2007).Il PETM ci dà quindi l’opportunità di studiare, in un’appropriata scala tempo, le relazioni tra processi evolutivi e cambiamenti globali.Studi ad alta risoluzione possono evidenziare una relazione causale tra le condizioni perturbate del PETM e le significative alterazioni osservate nel plancton calcareo (Kelly et al.,2005, Gibbs et al.,2006).Domande interessanti a cui rispondere potrebbero essere: Le condizioni ambientali controllano/guidano l’evoluzione biotica del PETM?I cambiamenti biotici sono principalmente il risultato di un adattamento/disadattamento alle nuove e alterate condizioni ambientali?Il PETM è in grado di produrre effetti di lunga durata sulle comunità del plancton calcareo?Infine, proponiamo di affiancare al tradizionale approccio tassonomico, usato solitamente per valutare la relazione tra evoluzione e pressione ambientale, un approccio basato sulla stima della produttività del fitoplancton che potrebbe sciogliere qualche dubbio sul reale ruolo svolto da questo gruppo di organismi nella diminuzione dei tenori di CO2 (Zachos et al.,2005;Gibbs et al.,2006) e nelle complesse risposte all’interno dei cicli biogeochimici.I sedimenti scelti proverranno dalla sezione del T. Forada (o T.Cicogna) e da alcune sezioni di riferimento DSDP/ODP(i.e., Sites 401, 1051, 1260, 1263).
THE EARLY EOCENE CLIMATIC OPTIMUM (EECO)
Una delle caratteristiche climatiche prominenti del Paleogene inferiore è il cosiddetto EECO (50-52 Ma.; Zachos et al.,2001; Biozone NP12-NP13).Subito dopo l'EECO, i record oceanici mostrano un significativo appesantimento del d18O che sembra iniziare a circa 50 Ma nel Chron C22r, alla fine dell'Eocene Inferiore (Zachos et al.,2001).Questo è il primo di 4 eventi maggiori che punteggiano il deterioramento climatico del Cenozoico (Miller et al.,1987).Questo evento sembra corrispondere ad una forte regressione globale ed ad un massimo di "hiatus" nei sedimenti oceanici (Miller et al.,1987;Zachos et al.,1994).Inoltre esso potrebbe corrispondere all'inizio dell'intensificazione della produttività del plancton siliceo e del seppellimento del Corg, responsabili probabilmente di un'inversione dell'effetto serra (McGrowran, 1989). Dati recenti degli isotopi del boro nella calcite dei foraminiferi planctonici e degli isotopi del carbonio negli alkenoni suggeriscono una marcata variabilità e una progressiva diminuzione dei valori della pCO2 (Pearson & Palmer,2000;Pagani et al.,2006).L 'Eocene Inferiore terminale è un intervallo con una forte pressione evolutiva e la parte inferiore dell'Eocene medio (Biozona a nannofossili calcarei NP15) presenta la massima diversità tassonomica nel plancton calcareo dell'intero Cenozoico (Boersma et al.,1987;Bown et al.,1991).I dati da noi raccolti in Veneto vincolano al Chron C22r (Agnini et al.,2006) l'inizio dell'evoluzione del lineage delle Noelaerhabdaceae (che include Emiliania huxleyi e Gephyrocapsa spp., che sono le forme predominanti nei "bloom" di coccolitoforidi degli oceani attuali).I dati riportati in letteratura (Boersma & Premoli Silva,1991;Hallock et al.,1991) indicano che approssimativamente nello stesso intervallo di tempo, all'interno dei foraminiferi planctonici avviene un importante turnover caratterizzato dalla comparsa di nuove linee evolutive (Turborotalia, Clavigerinella, e morozovellidi debolmente carenati).Non sono disponibili, al momento, studi in alta risoluzione che confrontino in modo diretto e rigoroso i dati ottenuti dal plancton calcareo con quelli paleoambientali. Ed ancora più importante:Quali sono le mutue relazioni tra la pCO2 e la produttività del fitoplancton calcareo nel mondo supergreenhouse dell'Eocene Inferiore?Quali sono le reali relazioni tra l'evoluzione del plancton calcareo e le variazioni ambientali?Al fine ottenere informazioni su questi argomenti ci proponiamo di studiare in alta risoluzione queste aree: il Veneto e i Site ODP 1263 and 1051.
THE MIDDLE EOCENE CLIMATIC OPTIMUM (MECO)
Il record paleoclimatico disponibile (e.g., Zachos et al.,2001) suggerisce che il sistema climatico terrestre, dopo aver raggiunto le temperature più alte durante l’EECO, abbia sperimentato un progressivo raffreddamento passando attraverso la soglia posta alla base dell’Oligocene (33.4 Ma evento O1), dove il moderno mondo icehouse sembra essersi definitivamente instaurato. Il lungo intervallo di tempo tra l’EECO e l’evento O1 viene chiamato mondo doubthouse (Miller et al.,1991) poiché il tempo ed il modo in cui questa fondamentale transizione climatica è avvenuta sono ancora poco compresi.Nonostante la scarsità di dati, sta diventando sempre più chiaro che la transizione climatica avvenuta durante l’Eocene medio-superiore non è stata monotonica.I lavori pionieristici di Diester Haas & Zahn (1996), Wade et al. (2001) e Bohaty & Zachos (2003) suggeriscono un’ampia variabilità climatica durante l’Eocene medio. Recentemente, studi su successioni recuperate durante i Leg 199 e 207 (Pacifico equatoriale ed Atlantico), corroborate da una cronologia affidabile, confermano una storia piuttosto articolata.In particolare, Tripati et al. (2005) propongono l’inizio di una massiva, seppur molto controversa (Edgar et al., 2007), glaciazione bipolare a ~41.6Ma in concomitanza con un globale approfondimento della CCD. Bohaty & Zachos (2003) osservano un importante evento di riscaldamento, il MECO, nell’oceano meridionale tarandolo a ~41.5Ma.L’età proposta originariamente per il MECO è basata su una cronologia poco affidabile ed è stata più volte rivista.Falkovski et al. (2005) and Sexton et al. (2006) hanno suggerito un età di 42.7Ma, mentre Jovane et al. (2007) documentano il MECO nella sezione della Contessa Highway proponendo per questo evento un’età di ~40Ma.Dati provenienti dal Demerara Rise (Leg ODP 207) indicano che l’evoluzione climatica dell’Eocene medio è stata interrotta da episodi climatici di breve durata e mostrano la presenza di un importante evento di riscaldamento transiente nella parte alta del C18r. Dati isotopici della sezione di Alano (Agnini et al., 2007c) mostrano un importante variazione nei valori del d13C e del d18O proprio alla transizione C18r/C18n (Zona NP16). Questa anomalia nel record isotopico è comparabile con quella registrata durante il MECO in molte aree dell’Oceano meridionale e della Tetide (Bohaty & Zachos, 2003; Jovane et al., 2007).Inoltre nella sezione di Alano, dati preliminari mostrano come il MECO sembri coincidere con significativi cambiamenti nelle associazioni del plancton calcareo.Studi ad alta risoluzione sono quindi necessari per evidenziare una possibile risposta globale del plancton calcareo all’instabilità ambientale che caratterizzò il MECO.Domande interessanti che ci vorremmo porre sono: Esiste una relazione di causa-effetto tra i cambiamenti nelle condizioni ambientali e le modificazioni nel biota marino?I cambiamenti biotici sono limitati temporalmente all’evento, e quindi effimeri, o sono piuttosto di lunga durata e permanenti?La risposta biotica è globale ed unica nelle differenti aree e nei differenti contesti deposizionali o è legata alle condizioni locali?In questo contesto, abbiamo programmato di studiare in alta risoluzione la sezione di Alano e i sedimenti ODP provenienti dai Site 1052 e1260.
METODI E PIANO DI LAVORO
1)Campionatura in alta risoluzione per micropaleontologia, geochimica e magnetostratigrafia delle sezioni del T. Ardo (ELPE) and del T. Cicogna (PETM). Questo lavoro è programmato per il 2008;2) Analisi quantitative dei nannofossili calcarei per l’ELPE, il PETM e il MECO nelle sezioni del Veneto (T. Ardo, T. Cicogna ed Alano). Inoltre verranno effettuate analisi nei Site ODP 1051, 1260 e 1263 per l’EECO e il MECO;3)Proseguimento dello studio morfologico e strutturale dei nannofossili calcarei, seguendo le metologie proposte da Young & Ziveri (2000) e Tremolada & Young (2004), al fine di stimare la produzione di carbonato di questi organismi.;4)Analisi quantitative delle associazioni a foraminiferi planctonici e bentonici nelle sezioni di Possagno e Alano;i risultati ottenuti saranno integrati con i dati biostratigrafici, magnetostratigrafici ed isotopici già disponibili;5) Magnetostratigrafia e ciclostratigrafia nelle sezioni del T. Ardo, del T. Cicogna e di Alano e;6) Analisi mineralogiche e geochimiche (CaCO3, TOC, Ca/Sr, bulk 13C) in intervalli critici nelle sezioni del T. Ardo, del T. Cicogna, di Possagno e di Alano.
COMPITI ED INTERAZIONI CON ALTRE UNITA’ DI RICERCA
La PRU sarà principalmente coinvolta nel lavoro di campagna in Veneto, nell’analisi dei nannofossili calcarei dei quattro intervalli di tempo prescelti con speciale riferimento alle sezioni pelagiche su terra del Veneto ma anche alle successioni ODP, nello studio dei foraminiferi planctonici e bentonici durante l’ELPE, l’EECO ed il MECO.Quando necessario le analisi degli isotopi stabili saranno eseguite nel laboratorio dell’Università di Southampton.Ci sarà una stretta collaborazione con la RU di Milano per lo studio della morfometria dei nannofossili calcarei del Paleocene ed Eocene e la stima della loro produttività carbonatica, e per lo studio dei foraminiferi planctonici dell’ELPE (Dr. M.R. Petrizzo).Sarà inoltre attiva una collaborazione per lo studio dei nannofossili calcarei del Paleocene con la RU di Chieti.La PRU collaborerà con la RU di Parma nell'ambito dello studio del MECO.Lo studio della ciclostratigrafia della sezione di Possagno sarà effettuata con la collaborazione della RU di Firenze (Dr. S. Galeotti).Ci sarà inoltre una collaborazione per le analisi paleomagnetiche con l’Univ. di Milano (Prof. G. Muttoni).