gli archivi paleoclimatici in area carsica a cura di sophie verheyden con la collaborazione di: l....

GLI ARCHIVI PALEOCLIMATICIIN AREA CARSICA

a cura di Sophie Verheyden

con la collaborazione di: L. Bruce Railsback

Yavor Shopov Martin van Breukelen

Serge Delaby Thomas Urgyan

Dominique Genty Fadi Nader

Progetto Powerpoint 2009

Stalagmite 65 cm, Grotta di Père Noël – Han-sur-Lesse, Belgio (foto S. Verheyden)

Gli archivi paleoclimatici in area carsica – Società Speleologica Italiana 2009

TIPI DI DEPOSITI SOTTERRANEI

A fianco è riportata una tipica sezione di depositi carsici

in una grotta delle medie latitudini.

Si possono distinguere depositiautoctoni, formati in loco

(es. blocchi calcarei e depositi minerali, come le concrezioni)

e depositi alloctoni, che provengono dall’esterno

(es. i depositi fluviali).La presenza stessa di depositi

può già dare informazioni di tipo climatico.

Tipica successione di depositi carsici in una grotta alle medie latitudini (Fig. S. Verheyden)

Durante i periodi freddi (glaciali), la scarsa vegetazione protegge

in modo minore il suolo e i prodotti dell’erosione. Il ruscellamento

superficiale e i torrenti prendono in carico grandi quantità di sedimenti

detritici che si accumulano sotto terra.

PERIODO FREDDO ~ DEPOSITI DETRITICI

Sedimenti del Weichseliano (ultimo glaciale) nella Grotta della Vilaine Source, Belgio (foto S. Verheyden)


PERIODO TEMPERATO ~ CONCREZIONAMENTO

Grotta di Han, Belgio (foto S. Verheyden)

Durante i periodi temperati (interglaciali e periodi meno freddi durante i glaciali~interstadiali), la vegetazione è più fitta e la concentrazione di CO2 nel suolo più alta. L’acqua di percolazione si carica in CO2, dissolve il calcare e lo rideposita sotto forma cristallina (calcite o aragonite) nei vuoti sotterranei.

La Chavée, Han-sur-Lesse, Belgio (foto S. Verheyden)


Interglaciale

Glaciale

Interglaciale

La curva della frequenza d’età delle concrezioni (ottenuta grazie alle datazione delle stesse) mostra delle variazioni simili alla curva dei cicli glaciali-interglaciali espressi attraverso il rapporto isotopico (18O) dei foraminiferi nei sedimenti marini oppure delle carote dei ghiacci polari.

Modificato da Baker et al., 1996. J. of Quaternary Science 11: 107-114


PERIODO TEMPERATO ~ CONCREZIONAMENTO

SPELEOTEMI

È un termine generale che indica

i depositi mineralogici secondari delle grotte

(Moore, 1952. The NSS News 10(6):2; Gunn, 2004.

Encyclopedia of Caves and Karst Science. NY).

La stragrande maggioranza degli speleotemi

è composta da calcite o aragonite (CaCO3).

Negli studi paleoclimatici si utilizzano preferibilmente

le stalagmiti per la loro stratigrafia continua e ben definita.

La cima delle stalagmiti corrisponde al luogo d’impatto

della goccia d’acqua, nel punto in cui si deposita la calcite.

Dal greco: Spelaion ~ grotta

Thema ~ soggetto

Sezione di una stalagmite della Grotta di Jeita, Libano (foto F. Nader)


VANTAGGI DEGLI SPELEOTEMI PER GLI STUDI PALEOCLIMATICI

- Diversi parametri misurabili (=proxy) (cristallografia, concentrazione di vari elementi e isotopi, luminescenza …), forniscono informazioni climatiche e ambientali;

- datazione assoluta, grazie alla catena di disintegrazione dell’Uranio e del 14C;

- lunghe serie continue di informazioni, (fino a più cicli di glaciale-interglaciale);

- grande risoluzione, (annuale e stagionale, cfr. le lamine in certi speleotemi);

- in generale poco influenzati da cambiamenti post-deposizionali (diagenesi, bioturbazione, ricristallizazzione …) e spesso preservati da degradazione antropica;

- ampia distribuzione mondiale: possibilità di fare dei confronti spaziali d’informazione.


- Il principale svantaggio è dato dalla moltitudine di fattori implicati nella composizione chimica e isotopica degli speleotemi: fattori climatici con risposte contraddittorie e altri fattori non climatici (fattori locali come la precipitazione precoce della calcite, apporti delle rocce incassanti, processi nel suolo, scambi tra le gocce e l’atmosfera delle grotte, meteorologia sotterranea ....). Questa complessità ha, fino ad oggi, impedito una “traduzione” quantitativa dei parametri misurati negli speleotemi in parametri climatici (temperatura, pluviometria ...);

- le interruzioni nel concrezionamento (durante un periodo più o meno lungo, oppure stagionali con uno stop nella deposizione) possono essere presenti nelle stalagmiti e sono talvolta difficili da riconoscere.


SVANTAGGI DEGLI SPELEOTEMI PER GLI STUDI PALEOCLIMATICI

DATAZIONE (1/2)L’uranio (234U, 235U, 238U), presente in natura in piccole quantità,

è solubile e può essere trasportato dalle acque carbonatiche sotto forma di UO2(CO3)2

2- e UO2(CO3)34-. Questi ioni sono inglobati nella calcite.

Il torio (230Th, 232Th), è praticamente insolubile, forma dei complessi con le argille o particelle organiche e non viene inglobato nella calcite. L’238U e l’234U, radioattivi decadono e portano alla formazione, tra gli altri, di 230Th con tempo di dimezzamento noto.


DATAZIONE (2/2)

Fig. S. Verheyden

Con lo scorrere del tempo, la quantità di Uranio diminuisce e la quantità di 230Th aumenta. Questo processo costituisce quindi un geocronometro.

Quantificando l’U che resta e il 230Th prodotto, è possibile calcolare la quantità d’U iniziale e quindi la durata necessaria per formare il 230Th rinvenuto. Si determina quindi l’età della parte di stalagmite analizzata.

U

Th

t = 0 t = t1

Grazie a nuove tecnologie è possibile ottenere una precisione fino a ±0.5% (2). La calcite datata a 10 mila anni si è quindi depositata tra 9.950 e 10.050 anni fa (probabilità del 95%).


“PROXY” IN SPELEOTEMI‘Proxy’= parametro di riferimento per un altro parametro.

Qui, di un parametro climatico (temperatura, pluviometria ...) o ambientale (attività nel suolo, tipo di vegetazione ...).

La figura illustra le differenti possibilità di ‘proxy’ nelle stalagmiti.

(Fig. S. Verheyden)


VELOCITÀ DI ACCRESCIMENTO

La velocità di accrescimento di uno speleotema dipende da:- concentrazione degli ioni di calcio;- temperatura;- portata dell’acqua di percolazione.

Sotto uno stillicidio copioso (clima umido), la crescita, così come il diametro della stalagmite, tenderanno ad incrementare.

Grotta della Vilaine Source (Namur) e Grotta di Père Noël (Han-sur-Lesse), Belgio (foto S. Verheyden)

Percolazione più rapida (clima più umido)

Percolazione lenta (clima

meno umido)


LA STRUTTURA PETROGRAFICA DEGLI SPELEOTEMI (TESSITURA)

Le tessiture più comuni sono: colonnare (foto B e C): lunghi cristalli dritti, perpendicolari all’asse di accrescimento;microcristallina: piccoli cristalli, granuloso;dendritica: cristalli di fibre raggiate.Lamine (foto A): alternanza di tessitura cristallina, di densità di pori o di imperfezioni nella tessitura, legati a dei cambiamenti nelle condizioni climatiche e ambientali.

Plancher HST-32, Grotte de Han-sur-Lesse, Belgio. Sezione sottile. Larghezza della foto ~200m

(foto S. Verheyden)

Stalagmite CLL-1 Cueva de las Lechuzas, Peru. Vista a microscopio elettronico (foto S. Kars, M. Van Breukelen)

1 cm

Stalagmite ‘Proserpine’, Grotte de Han-sur-Lesse, Belgio (foto S. Verheyden)

A

B

C


MINERALOGIA DEGLI SPELEOTEMI

Un cambiamento o un’alternanza di mineralogia è talvolta osservata nelle stalagmiti e viene messa in

relazione con cambiamenti climatici.Per esempio: precipitazione

di calcite durante i periodi umidi e di aragonite durante quelli più aridi.

Durante i periodi (o nelle regioni) più aridi, l’acqua di percolazione

ristagna più a lungo negli interstizi della roccia carbonatica

e si arricchisce in ioni come Mg e Sr provenienti dalla roccia, favorendo la deposizionedi aragonite nelle grotte.

1.

1) La larghezza della foto è 2.1 millimetri.

2) Ingrandimento del quadro rosso della foto 1. Drotsky's Cave, Ngamiland, Botswana; Stalagmite BDS1 (DS87); Campione preso da G. A. Brook (Dep. of Geography. Univ. of Georgia, USA). C: calcite, A: aragonite (foto L. B. Railsback, Atlas of speleothem Microfabrics)

2.


POLLINI, INSETTI E ALTRE PARTICELLE

Diverse “particelle”

provenienti dalla superficie

portate dalle acque

di percolazione (pollini, argille,

ceneri vulcaniche oppure

prodotti durante incendi ...),

oppure da correnti d’aria

(pollini, polveri sottili ...), oppure

portate deliberatamente

(zanzare, escrementi,

scheletri di pipistrelli ...)

possono venire inglobate

nella calcite.Insetto parzialmente inglobato nella calcite (foto S. Verheyden)


ELEMENTI IN TRACCE (1/2)

Sensibilità dei diversi elementi:

Magnesio (Mg), Silicio (Si): idrologia.

Bario (Ba), Stronzio (Sr) e Sodio (Na): velocità di deposizione della calcite.

Fosforo (P): temperatura stagionale, attività vegetale e idrologia.

Rame (Cu), Piombo (Pb), Bromo (Br), Yttrio (Y), Zinco (Zn): attività ed erosione del suolo.

Gli speleotemi registrano sia variazioni di breve durata (tra le stagioni) sia quelle più lunghe (glaciale-interglaciale).


(Schema S. Verheyden)

Aridità: tempi di permanenza dell’acqua di percolazione nella roccia calcarea, dissoluzione, Mg e Sr nelle acque e nelle stalagmiti.Precipitazione di calcite (prima di arrivare nella grotta): concentrazione di elementi nelle acque (con coefficiente di ripartizione <1) come Mg e Sr.Estrazione preferenziale di certi elementi.Dissoluzione differenziale di calcite e dolomite.Effetto pistonaggio quando l’acqua spinge fuori quella “vecchia” (carica in elementi) contenuta nelle fessure (vadosa).

ELEMENTI IN TRACCE (2/2): PROCESSI

Concrezioni di aragonite nella Grotta Hoq sull’Isola di Socotra, Yemen, dove la piovosità è di circa 200 millimetri all’anno (foto S. Delaby)


ISOTOPI STABILI (1/8)

Gli isotopi sono elementi chimici di una stessa specie

(quantità di protoni) che si differenziano tra loro

solo per il numero di neutroni contenuti

nel loro nucleo. Il carbonio 12 (12C)

conta 6 protoni, 6 neutroni e 6 elettroni.

Il 13C conta sempre 6 protoni e 6 elettroni, ma 7 neutroni.

Questo isotopo è quindi un po’ più “pesante”.

12C e 13C sono isotopi stabili, mentre 14C è un isotopo

radioattivo.


Gli isotopi sono presenti in natura

in certe proporzioni.

Ogni processo fisico (evaporazione) o chimico (precipitazione di calcite)

cambia la proporzione (18O/16O, 13C/12C …)

nella materia. Si parla di frazionamento

isotopico.

ISOTOPI STABILI (2/8): GLI ISOTOPI STABILI DELL’OSSIGENO,

DEL CARBONIO E DELL’IDROGENO


ISOTOPI STABILI (3/8)

La composizione isotopica di un componente A è data in valori delta () espressi in millesimi (‰). Inoltre, se il di una sostanza è basso,

vuol dire che contiene più isotopi leggeri rispetto a una sostanza standard.

The Delta-value

(18O/16O)sample - (18O/16O)standard

18Osample (‰) = ----------------------------------------- * 1000

(18O/16O)standard

Standard:

per i carbonati: PDB (belemnite della Formazione di Pee-Dee);

per l’acqua e i carbonati: SMOW (Standard Mean Ocean Water, ossia valore medio dell’acqua oceanica).


ISOTOPI STABILI (4/8):δ18O NEGLI SPELEOTEMI - TEORIA

Il 18O in una stalagmite dipende:

1) dal 18O dell’acqua di percolazione (l’acqua della pioggia che si infiltra);

2) dal frazionamento

dell’ossigeno durante la precipitazione della calcite, processo che dipendedalla temperatura.


ISOTOPI STABILI (5/8):CALCOLO DELLA TEMPERATURA

18O dell’acqua piovana presso Han-sur-Lesse e dell’acqua di percolazione nella Sala “du Dôme” della Grotta di Han, Han-sur-Lesse, Belgio (grafico S. Verheyden)

In moltissime grotte poco o mediamente profonde: T grotta = T media annua

dell’aria esterna

-14.0

-12.0

-10.0

-8.0

-6.0

-4.0

-2.0

01-Sep-05 01-Nov-05 01-Jan-06 03-Mar-06 03-May-06 03-Jul-06 02-Sep-06 02-Nov-06

time of sampling

18 O

(pe

rmil

VS

MO

W)

rainwater Han-sur-Lesse

seepage water Salle duDôme

Il 18O dell’acqua di percolazione (acqua vadosa) corrisponde spesso a quella media annua dell’acqua piovana.

se 18Oacqua è conosciuto e 18Ocalcite misurato,

si può calcolare la Tmed. annua

MA: spesso il 18O dell’acqua non è noto. Si utilizza una stima.


ISOTOPI STABILI (6/8): δ18O NEGLI SPELEOTEMI - OSSERVAZIONI

In pratica, il 18O nelle stalagmiti è spesso

interpretato come dovuto a cambiamenti del 18O

dell’acqua di percolazione e quindi dell’acqua piovana,

che a sua volta dipende da una serie di fattori

(temperatura, quantità di pioggia,

direzione dei venti ...), legati al percorso compiuto

dal vapore d’acqua dal luogo in cui è evaporato

fino al punto in cui piove (circolazione atmosferica).

Altezza: 50 cm

Réseau S

ud vs Vilaine S

ource

-11.0

-10.0

-9.0

-8.0

-7.0

-6.0

-5.0

-4.0

01000

20003000

40005000

6000

age (années avant 2000)

δ18O (per mil VPDB)

-12.0

-11.0

-10.0

-9.0

-8.0

-7.0

-6.0

-5.0

U/Th datering (a B

P)

Corr δ18O

(Timide)

Corr δ18O

(Vilaine S

ource)

Corr δ13C

(Timide)

Corr δ 13C

(Vilaine S

ource)

9 ± 14 anni prima del 2004

189 ± 19

5380 ± 93

888 ± 32

1604 ± 47

3068 ± 55

Stalagmite ‘la timide’, Grotta di Han, Han-sur-Lesse, Belgio, dalla stalagmite alla ‘serie temporale’ del 18O e 13C. Il grafico mostra le curve di due stalagmiti (foto

e grafica S. Verheyden)


ISOTOPI STABILI (7/8): δ13C NEGLI SPELEOTEMI - TEORIA

Il frazionamento del carbonio è influenzato molto meno dalla temperatura.

Il 13C di speleotemi dipende dal tipo di vegetazione in superficie (incorporazione del C che viene dalla CO2 della respirazione delle piante).C3: gli alberi e le piante dei paesi in clima temperato.C4: piante di savana resistenti alla mancanza d’acqua; per esempio il mais.In genere una piccola quantità di C (0-20%) proviene dalla roccia carbonatica incassante.


Fig.: S. Verheyden

ISOTOPI STABILI (8/8): δ13C NELLE STALAGMITI - OSSERVAZIONI

Osservazione: in una regione con gli stessi tipi di piante il 13C varia: valori più negativi di 13C ↔ periodi che favoriscono la vegetazione

e quindi la maggiore attività nel suolo ↔ più C “leggero” (preferibilmente 12C) nella stalagmite.

Modificato da Genty et al., 2003. Nature 421: 833-838

Il 13C nella stalagmite di Villars segue i cicli di Dansgaard-Oeschger, episodi di riscaldamento e raffreddamento rapidi durante l’ultima era glaciale scoperti nei ghiacci della Groenlandia.


INCLUSIONI FLUIDI

- Da qualche centimetro a qualche micrometro; - in media: molto variabile, intorno a 1 microlitro d’acqua per grammo di calcite;- acqua di percolazione, quindi antica acqua di pioggia, intrappolata nella calcite;- analisi del O e del D (delta deuterio) dell’acqua, quindi indirettamente

dell’antica acqua di pioggia, da delle informazioni di tipo paleoclimatico.

Grotta di Père Noël, Han-sur-Lesse, Belgio (foto D. Genty)

Inclusione in sezione sottile della colata HST-32, Han-sur-Lesse, Belgio

(foto S. Verheyden)

Alternanza di lamine ricche e povere in inclusioni fluidi nella colata HST-32,

Han-sur-Lesse, Belgio (foto S. Verheyden)


LUMINESCENZA

Le ali della farfalla sono una parte del pavimento di concrezione nella Jewel Cave, Black Hills, South Dakota. Il corpo non è carbonatico. Le ali in basso: fluorescenza (sotto UV) di un pavimento calcitico formata da acque di infiltrazione.

Le ali in alto: fosforescenza (dotto UV e luce visibile). Le lamine sono delle variazioni d’intensità di luminescenza legate a delle variazioni nella quantità di materia organica incorporata, e indicano indirettamente l’attività vegetale in superficie. (foto Y. Shopov)

La fluorescenza da UV è spesso utilizzata per ricostruire delle variazioni nella copertura vegetale. La fluorescenza è prodotta da composti organici incorporati nella stalagmite.L’intensità di fluorescenza dipende dalla quantità e dalla massa delle molecole organiche presenti nella calcite.

Si parla di fluorescenza e fosforescenza, rispettivamente, quando un campione emette della luce contemporaneamente

a una sorgente d’eccitazione o dopo che essa viene spenta (UV, raggi-x, elettroni, calore ...).


MONITORAGGIO SOTTERRANEO

Il monitoraggio di diversi

parametri (temperatura

dell’aria e dell’acqua,

stillicidio e portata di

percolazione, PCO2 dell’aria,

pH

e conducibilità dell’acqua ....)

forniscono dei parametri

‘proxy’ da mettere in

relazione con il clima attuale.Monitoraggio nella Grotta di Père Noël, Han-sur-Lesse, Belgio (foto T. Urgyan)


Un’interpretazione affidabile dei ‘proxy’ negli speleotemi necessita di una buona conoscenza del funzionamento idrologico,

geochimico e climatologico della grotta.

RICOSTRUZIONE DELLA PALEOGEOGRAFIA

La stalagmite fornisce quindi

un’età superiore per

l’incisione della valle vicina (o

in genere del livello di base) e

dà quindi informazioni sulle

variazioni topografiche.

Possono anche dare

informazioni sulle inclinazioni

subite dai blocchi di roccia

sui quali si sono formate

le stalagmiti stesse (foto).Sala della Pentecôte, Han-sur-Lesse, Belgio (foto S. Delaby)


L’età di una stalagmite indica un periodo in cui la tavola d’acqua si trovava a una quota inferiore di quella della stalagmite,

in quanto essa si è formata al di fuori dell’acqua.

PROTEZIONI DEGLI SPELEOTEMIFino ad oggi la maggior parte delle analisi è distruttiva. Le tecniche recenti permettono di utilizzare quantità sempre più piccole e possono anche diventare non distruttive. Attualmente è diventato possibile analizzare una stalagmite, incollarla nuovamente e rimetterla nel posto dove è stata prelevata.Un’altra possibilità che permette di salvaguardare il paesaggio sotterraneo è di realizzare delle copie in resina delle stalagmiti prelevate.

Replica in gesso di una stalagmite della Grotte de Jeita, Libano (foto F. Nader)

Stalagmite della Grotta de la Vilaine source, Namur, Belgio, dopo le analisi (1997) (foto S. Verheyden)


SEDIMENTI MOBILI

Galleria Aranzadi, Pierre St Martin, Francia (foto S. Verheyden)

Argille: < 2 micrometri

Silt: tra 2 e 62 micrometri

Sabbia: >62 m e <2mm

Ghiaia: >2 mm

Si depositano sotto terra principalmente ad opera dell’acqua di percolazione e dei fiumi. L’analisi della composizione mineralogica e della struttura di questi depositi consente di ottenere delle informazioni sulle condizioni paleo ambientali e climatiche durante la loro deposizione.


PARTICELLE E VELOCITÀ DI FLUSSO

Basse velocità: le particelle fini restano in sospensione, quelle più grandi si depositano.Alte velocità: le particelle anche grandi restano in sospensione. Una particella fine (~10-2mm) depositata in una certa corrente (0.1cm/s) necessita di una corrente molto più grande (~40cm/s) per poter essere rimessa in sospensione (erosione).

Il diagramma di Hjulström illustra il comportamento delle particelle in funzione della loro grandezza e della velocità di flusso.

La granulometria dei depositi dà delle informazioni sulla velocità delle correnti, quindi indirettamente sulle condizioni climatiche.


Diagramma di Hjulström

ANALISI GRANULOMETRICHE

L’analisi granulometrica consente di misurare la dimensione dei granuli di un sedimento. La ripartizione di granuli di dimensioni differenti

(classe granulometrica) fornisce delle informazioni sulla storia del deposito, e in particolare sulle condizioni di sedimentazione.

Si utilizza la tecnica dei setacci con una serie di filtri di dimensioni differenti.

Per i granuli più piccoli, <2 micrometri, il metodo dei setacci non funziona più. Si utilizza allora la velocità di sedimentazione

del sedimento in un liquido per dedurre la dimensione dei granuli (basata sulla Legge di Stokes).

Le quantità relative di ciascuna classe granulometrica sono riportate sotto forma grafica.

Un sedimento ben equilibrato assumerà una curva di Gauss.


STRUTTURA DEI DEPOSITILa struttura dei depositi fornisce delle informazioni

sull’ambiente (fiume principale, affluente, infiltrazione), sul tipo di deposito

(fluviale, lacustre, glaciale, eolico) e sul clima (poligoni di essiccamento – frammenti crioclastici).

Sezione tipica in sedimenti fluviali.

Si vede la successione di materiali (sabbie,

argille) e lo spostamento laterale dei canali

di scorrimento.Grotta della Vilaine

Source (Belgio) (S. Verheyden, 2001.

Tesi di Dottorato, non pubblicata,

Vrije Univ. Brussel)Poligoni di essiccamento nella Hoq Cave, Socotra, Yemen (foto S. Verheyden)


NATURA DEI DEPOSITI: COMPOSIZIONE DEI MATERIALI E ORIGINE

La composizione

(mineralogia, caratteristiche chimiche)

dei depositi detritici sotterranei

dà delle informazioni

sulla loro provenienza

e quindi sulle direzioni

di scorrimento ipogeo.

Trou d’Haquin, Belgio, frana d’entrata (foto S. Verheyden)


FAIRCHILD I.J., SMITH C.L., BAKER A., FULLER L. SPOTL C. MATTEY D., McDERMOTT F. and EIMF. (2006), Modification and preservation of environmental signals in speleothems, Earth Science Reviews 75 (1-4), pp. 105-153;SASOWSKY I.D., MYLROIE J. (Eds) (2004), Studies of cave sediments. Physical and chemical records of paleoclimate, Kluwer Academic, New York, pp. 329;HILL C., FORTI P. (1997), Cave minerals of the World, Nat. Spel. Soc., pp. 464;FORD D., WILLIAMS P. (2007), Karst geomorphology and hydrology, Kluwer Academic, Dordrecht, pp. 562.


PER SAPERNE DI PIÙ

Questa lezione è stata coordinata da Sophie Verheydencon la collaborazione di Martin van Breukelen, Serge Delaby,

L. Bruce Railsback e Yavor Shopov.

Tradotta in italiano da Jo De Waele.

Per la parte fotografica si ringraziano i fotografi: Serge Delaby, Dominique Genty, Saskia Kars, Fadi Nader,

L. Bruce Railsback, Yavor Shopov, Thomas Urgyan e Sophie Verheyden.

I disegni sono stati preparati da Sophie Verheyden.

CREDITI


© Società Speleologica ItalianaOgni parte di questa presentazione può essere riprodotta sotto la propria responsabilità,

purché non se ne stravolgano i contenuti. Si prega di citare la fonte.

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