Nuna (o Columbia): il supercontinente di 2 miliardi di anni fa

La Pangea non è stato nella storia della Terra l’unico supercontinente: l'aggregazione della maggior parte delle masse continentali in una unica è un fenomeno ciclico e si registrano sicuramente almeno altri due episodi del genere: circa un miliardo di anni fa c’era Rodinia e mezzo miliardo di anni fa, al passaggio fra Precambiano e Cambriano, la maggior parte delle terre emerse erano unite in Pannotia (chiamato anche Gondwana, anche se si tratta di un continente più grande del Gondwana che si è frammentato nel Mesozoico).

Gli indizi per un supercontinente di 2.5 miliardi di anni fa sono un po' labili (anche se è probabile che una buona parte delle poche croste continentali dell’epoca fossero in zona tropicale). Ci sono invece una lunga serie di indizi su una ”Pangea” di poco meno di 2 miliardi di anni, in cui era raggruppata la maggior parte delle masse continentali dell’epoca. Di questo supercontinente si sa poco e persino il nome è dibattuto: fondamentalmente c’è chi lo chiama “Nuna” e chi lo chiama “Columbia”, ma in giro ho trovato altre denominazioni che spesso fanno riferimento a raggruppamenti parziali. In questo post parlerò dello “stato dell’arte” delle ricerche su questo supercontinente.

Due annotazioni: (1) onde evitare di scrivere il termine “miliardi di anni fa” userò spesso la sigla Ga. Quindi 2 Ga significa 2 miliardi di anni fa e (2) la bibliografia non è recentissima, semplicemente perché i lavori più recenti spesso riguardano le cose molto più in dettaglio rispetto a quanto è necessario per questo post, in cui invece parlo delle linee generali, che sono quelle di una decina di anni fa o più (anche perché se le liee generali sono le stesse, è più giusto indicare i primi lavori sull'argomento)

Le fasce orogenice di circa 2 miliardi di anni fa in [1]

I protagonisti di questa storia, i vecchi cratoni. Cos’è un cratone? È un’area, più o meno vasta, in cui affiorano rocce di oltre 2 Ga (o queste sono ricoperti da successioni sedimentarie più recenti) che dall’epoca non sono state più deformate. In pratica sono quelli che venivano chiamati una volta “scudi”. I cratoni costituiscono i nuclei dei continenti e la tettonica delle placche è in pratica la storia di come questi cratoni si sono mossi, scontrati e poi, magari, divisi. Un anno fa in un post ho fatto vedere che vecchi limiti di placca spesso vengono "riutilizzati" da fasi tettoniche successive, perché sono delle cicatrici della litosfera che funzionano da linee di rottura preferenziale. Per questo dopo la loro unione spesso i cratoni si dividono nuovamente: ad esempio Laurentia (il Nordamerica) e Baltica (l’Europa Settentrionale) si sono spesso unite e successivamente divise, più o meno lungo la stessa linea.  

I cratoni sono quindi vecchissime croste continentali. Come si sono formati? Come si forma tutt’ora la crosta continentale e cioè attraverso la risalita e la solidificazione di materiali liquidi provenienti dal mantello terrestre, fondamentalmente nelle zone di scontro fra le zolle e quindi negli archi magmatici; una minore parte di crosta continentale si forma con gli espandimenti basaltici in ambiente di apertura, in un modo che ricorda un pò la formazione di crosta oceanica nelle dorsali mediooceaniche. Il fatto che si formi di continuo nuova crosta continentale implica che l’estensione dei continenti aumenta con l’aumentare dell’età della Terra, perché nelle zone di convergenza se ne forma sempre di nuova. Per questo Nuna (o Columbia) era molto meno estesa di Pangea. Adotto il nome di Nuna, sperando che prima o poi un congresso internazionale degli studiosi in materia metta fine a questa confusione terminologica.

GLI ARGOMENTI CHE FANNO PENSARE ALL’ESISTENZA DI NUNA. L’indizio principale è la presenza di una serie di fasce orogeniche di età compresa fra 2.1 e 1.8 miliardi di anni fa, molte delle quali separano ancora due o più cratoni diversi, segno che questi, precedentemente distanti, si sono successivamente scontrati, come si vede dalla carta qui sopra, presa da [1]. Fra questi sono particolarmente noti l’orogene Trans – Hudsoniano in America settentrionale, vari orogeni dell'Europa Orientale come Kola - Karelia e l’orogene di Lapponia – Russia e Baltica (riconosciuto pochi anni fa e quindi assente nella carta qui sopra), l’orogene Trans – Amazzonico in America meridionale e quello del Limpopo in Africa australe. Si configura dai dati a disposizione un “ciclo di Wilson” con la separazione di alcuni cratoni tra 2.3 e 2.0 Ga che successivamente si sarebbero di nuovo scontrati generando appunto quelle fasce orogeniche.

Sul come questo cratoni erano disposti ci sono ancora parecchie dispute: a parte quelli che sono ancora adesso fisicamente separati da quelle stesse fasce orogeniche le posizioni degli alti sono spesso incerte. Ad esempio l’orogene del Limpopo è posto fra il cratone del Kapvaal in Sudafrica e quello del Botswana e non ci sono dubbi sul fatto che questi due blocchi si siano scontrati fra loro a circa 2 Ga. In altri casi le successive frammentazioni e due miliardi di anni di movimenti complicano molto il quadro; ci sono comunque ampie prove di una vicinanza più o meno stretta fra Laurentia, Baltica e Siberia, ma sulla posizione di altri blocchi come Cina settentrionale, Amazonia e quelli che oggi costituiscono India e Australia occidentale ancora le interpretazioni sono piuttosto divergenti. Alcuni autori hanno poi fornito ricostruzioni parziali in cui alcuni cratoni vengono considerati e altri no.

La formazione di un supercontinente è un processo che non è detto sia continuo: diciamo che ad un certo punto ci sarà una ”massima aggregazione”, ma non è detto che dappertutto prima ci sia l’unione e poi la divisione. Anche nel caso della Pangea mentre negli Urali continuava il processo di scontro fra Siberia, Kazakstan e Euramerica, in altre zone, come il margine orientale “africano”, erano attivi i primi processi di disgregazione, con il distacco di Cimmeria dal Gondwana e la formazione della Neotetide. Questo potrebbe (anzi, dovrebbe) essere valido anche per Nuna, per il quale il periodo di massima aggregazione dovrebbe risalire a circa 1.8 Ga (i primi lavori parlavano invece di 1.6 Ga), ma dove alcune frammentazioni sono iniziate qualche decina di milioni di anni prima della massima amalgamazione.

ALCUNI FENOMENI INTERESSANTI CHE HANNO COINCISO CON L’ESISTENZA DI NUNA.

La formazione di Nuna e la sua esistenza hanno coinciso con dei cambiamenti significativi della Terra.

Le fasce di nuova crosta continentale formatesi nel margine SE di Laurentia
in un ambiente di collisione fra zolle di tipo andino, da [1]

1. un cambiamento generale nel magmatismo. Fino a quel momento le associazioni di graniti – granodioriti (serie GG) erano state molto rare, subordinate dal punto di vista quantitativo alle ben più diffusse serie TTG (tonalite–trondhjemite–granodiorite), tipiche di Archeano e Paleoproterozoico: le serie GG sono diventate comuni a partire dagli orogeni di 1.9 – 1.8 Ga e da quel momento in poi nessuna grande suite TTG si è successivamente formata. L’avvento delle serie GG può significare l'instaurazione da quel momento di una tettonica delle placche simile a quella attuale oppure di nuove condizioni del mantello diventate simili a quelle attuali.

2. Una conseguenza di questa nuova situazione è non solo la formazione di una prima estesa rete di fasce orogeniche formatesi in relazione allo scontro di vari cratoni, ma anche la prima presenza accertata di larghe fasce orogeniche di tipo “andino”, testimonianze della convergenza fra una placca continentale una oceanica che le scorre sotto consumandosi nel mantello

3. Per questo l’esistenza di Nuna ha coinciso con un vistoso aumento della superficie dei continenti a causa della nuova crosta continentale creata su alcuni dei suoi lati proprio da questo margini di tipo andino: di fatto nessuno dei crstoni che si sono amalgamati durante la formazione di Nuna era più grande di 2 milioni di km quadrati (per confronto l’odierna America Settentrionale è 25 milioni di km2), mentre durante la sua frammentazione alcuni blocchi sono rimasti di considerevole dimensione: Siberia, Laurentia, Australia occidentale, Atlantica, Baltica, India e Cina settentrionale che da quel momento diventano le grandi protagoniste delle vicende geologiche, e sono molto più grandi di quelle che si erano precedentemente amalgamate, perché a loro volta sono l’unione di continenti più piccoli lungo quelle fasce orogeniche di età compresa fra 2.2 e 1.8 Ga. Il più studiato di tutti è Laurentia, di cui vediamo una ricostruzione con i vari cratoni minori che la hanno formata, da [2].

Dei principali blocchi usciti dalla frammentazione di Nuna solo Atlantica non esiste più, mentre altre come Baltica, Siberia e Laurentia hanno continuato periodicamente a scontrarsi e nuovamente separarsi fra loro. È facile quindi vedere come ci sia un cambio nettissimo nella geologia della crosta continentale tra prima e dopo Nuna, in particolare nelle dimensioni dei frammenti di crosta continentale. anzi, direi che è la caratteristica più chiara a livello tettonico.

La diminuzione del tenore di CO2 in atmosfera
nel mesoproterozoico, da [3]

4. dopo il Grande Evento Ossidativo di 2.5 mld di anni fa, il tenore di ossigeno atmosferico ha continuato a salire e quello di CO2 a diminuire: la formazione di Nuna ha aumentato le aree che avevano iniziato ad individuarsi qualche centinaio di milioni di anni prima nelle quali erano divenuti maggiormente attivi i meccanismi che consumano CO2 rispetto a quelli che consumano O2, che avevo illustrato in questo post. In particolare hanno contribuito ad assorbire sempre più CO2 la diffusione degli organismi fotosintetici e il sequestro di CO2 dovuto alla sedimentazione di rocce carbonatiche nelle prime piattaforme continentali.  Le piattaforme di mare basso sono ulteriormente aumentate quando hanno iniziato a formarsi i vari rift con cui successivamente Nuna ha iniziato a disgregarsi. 

Quanto all'Ossigeno, l’aumento della fotosintesi rese disponibili maggiori quantità di O2, di cui c’era meno bisogno per ossidare la superficie del pianeta, in quanto le aree coperta da magmi delle serie TTG e GG sono meno avide di ossigeno rispetto alla crosta basica e ultrabasica archeana 

Di fatto è molto probabile che il tenore atmosferico di CO2 sia diminuito abbastanza costantemente tra 1.8 e 1.1 Ga [3] 

4. anche negli oceani qualcosa è cambiato: la loro temperatura è diminuita, mentre approssimativamente a 1.8 Ga nella loro composizione sono drasticamente aumentati i solfati rispetto ad un periodo precedente in cui i carbonati la facevano da padrone.

Tra tutte queste vicende geologiche accompagnando l’evoluzione dei primi eucarioti

I METODI PER CAPIRE COME I VARI CRATONI ERANO ASSEMBLATI IN NUNA. Il processo di aggregazione di Nuna ha visto probabilmente più fasi, con l'aggregazione progressiva di blocchi sempre più grandi (ad esempio Kola e Karelia prima si sono uniti e poi insieme si sono scontrati con Volgo - Uralia. 

Per capire la paleogeografia di Nuna ci sono diversi metodi possibili:

In questa carta da [2] spono illustrasti i vecchi cratoni più piccoli (Superior, Wyoming,
Rae, Slave, Hearne, Nain) che hanno formato il nucleo di Laurentia

Il paleomagnetismo, con cui si determina la paelolatitudine e che sarebbe poi l’unico metodo quantitativo a disposizione: per farlo occorre studiare delle rocce che registrino la magnetizzazione al tempo della loro formazione. Questo metodo si scontra con  alcuni problemi fondamentali: innanzitutto che non ce ne sono tante di rocce utilizzabili, e poi perchè il lasso di tempo in cui si svolge la vicenda dell’unione e della successiva disgregazione di Nuna è di varie centinaia di milioni di anni (da 2.1 a 1.5 miliardi di anni fa): in un periodo così lungo vengono studiati alcuni intervalli che però sono lontani fra loro di decine di migliaia di anni, durante i quali la configurazione può essere cambiata e non di poco sia per la presenza contemporanea di fenomeni di aggregazione, disgregazione e rotazione, sia per la possibilità di scorrimenti laterali su faglie trascorrenti.

Una situazione del genere è attestata, ad esempio, per l’orogene del Limpopo, che si è formato con la collisione del cratone sudafricano del Kapvaal e quello del Botswana: la sutura al limite fra l’orogene e il Kapvaal dopo la collisione si è trasformata in una faglia trascorrente [4] (e dovrebbe essere pure la faglia che ha provocato il terremoto dello Zimbabwe di qualche giorno fa, anche se adesso il movimento è stato di tipo distensivo).

Il confronto fra la geologia dei vari cratoni è un altro metodo: si cercano delle somiglianze fra cratoni che potrebbero derivare da una loro continuità in quel tempo. In particolare per questo scopo vengono usate le età e le rocce delle varie fasce orogeniche che si sono formate durante l’amalgamazione di Nuna e le direzioni dei filoni di magmi basici che ne hanno segnato la disgregazione: nel mesozoico la frammentazione del Gondwana è stata preceduta dalla messa in posto di vaste coperture basaltiche (Deccan, Atlantico Centrale, Madagascar etc etc) e questo è successo anche per Nuna, senonché, essendo il fenomeno molto più antico, durante il tempo che ci separa da allora, l’erosione ha portato via tutti i basalti e sono rimasti solo dei frammenti delle radici profonde di queste all’epoca immense coperture laviche. 

Alcune ricostruzioni riepilogate in un recente lavoro riassuntivo [5]

CORRELAZIONI PIÙ O MENO SICURE. Il problema è che queste correlazioni sono difficili a farsi e non sempre chiare. La correlazione paleogeografica più accertata (e quella prima riconosciuta già nel 1989) è quella fra Laurentia, Groenlandia, Baltica e Siberia [6], spesso chiamata “configurazione NENA” o “Arctica” (tanto per aumentare la confusione). Secondo quasi tutte le ricostruzioni questo è proprio il nucleo del supercontinente, che secondo la maggior parte degli Autori è rimasto in parte stabile addirittura per oltre un miliardo di anni: Siberia e Laurentia si sarebbero inglobate così come erano nel successivo supercontinente (Rodinia), separandosi solo alla sua successiva disgregazione, quindi un miliardo di anni dopo la formazione di Nuna.

Ci sono poi altri raggruppamenti come “Atlantica”, che prevede l’unione fra i cratoni di Congo - São Francisco, Río de la Plata, Africa Occidentale e altri blocchi archeani minori. Ci sono varie versioni dell’assetto di Atlantica a seconda degli autori che l’hanno studiata  Nelle prime fasi degli studi c’è persino chi ha sostenuto che i blocchi di Atlantica si siano mantenuti così fino all’apertura dell’Oceano Atlantico [7]. Questa ipotesi è stata successivamente poco gradita. È probabile che le differenze che si registrano in biblografia siano invece dovute al lungo intervallo di tempo in cui si svolge questa vicenda, per cui fra movimenti e rotazioni avvenuti prima e durante l’amalgamazione e, successivamente, durante la nuova fratturazione, le posizioni relative dei vari blocchi si sono modificate e quindi il paleomagnetismo dà ovviamente risultati diversi epoca per epoca. Di fatto Atlantica sembra essere stata oggetto di una formazione e una frammentazione molto precoce: i suoi costituenti si sarebbero fusi insieme prima di 2 miliardi di anni fa (l’orogene Trans – amazzonico infatti è tra i più vecchi fra quelli legati alla formazione Nuna), andando poi tutti insieme contro Artica, e anche la sua frammentazione sarebbe iniziata prima del resto del supercontinente. In genere, ma non da tutti gli autori, Atlantica viene collocata a SE del blocco di Arctica. La posizione al suo interno di Amazonia è quella più discussa.

Ad Atlantica manca l'Africa australe, particolare di non trascurabile importanza. Di fatto ci sono forti indicazioni di un blocco formato dal cratone del Kapvaal e del Botswana con l’Australia occidentale: si tratta di un altro esempio della amalgamazione  tra 2.0 e 1.8 miliardi di anni fa di blocchi sempre più grandi: il Kapvaal è formato da due terranes che si sono uniti e in seguito amalgamatisi con il Botswana; da ultimo tutti insieme si sono amalgamati con l'Australia occidentale, a sua volta unione di 3 blocchi più piccoli.

La fratturazione di Nuna secondo [8]

Sulla posizione all’interno di Nuna di altri cratoni, come India, Cina settentrionale e Antartide orientale (a loro volta unione di una serie di cratoni più piccoli) ci sono ancora “varie interpretazioni varie”. È abbastanza gettonata l’idea che Cina settentrionale ed India fossero a ovest di Artica, soprattutto perché vengono correlati fra loro i filoni di gabbro che dovrebbero essere collegati alla loro separazione avvenuta da 1,7 mld di anni fa in poi [9], mentre la Tasmania era all’epoca molto distante dall’Australia occidentale.

LA FRAMMENTAZIONE DI NUNA. Una delle caratteristiche più diffuse fra le rocce di età compresa fra 1.8 e 1.3 Ga ancora rimaste sulla Terra è la presenza di zone di rift e di un diffuso magmatismo di tipo intraplacca. È una situazione molto simile a quella intorno all’Africa dal mesozoico ad oggi e anche per questo motivo i rift e le rocce magmatich associate sono stati correlati con la frmmentazone di Nuna dopo la sua amalgamazione. Questa situazione la ritroviamo sia all’interno che ai margini del supercontinente [10], essenzialmente ai lati dei vari cratoni.

La correlazione fra queste sequienze di cratoni diversi è uno degli strumenti principali che servono a ricostruire il puzzle della loro posizione all’interno di Nuna.

IN CONCLUSIONE: gli indizi dell'esistenza attorno a 1.8 Ga di un supercontinente, Nuna o Columbia o come lo volete chiamare, ci sono. Ma ancora c'è molto da capire sulla sua storia e sul suo assetto.

[1] Zhao et al 2002 Review of global 2.1–1.8 Ga orogens: implications for a pre-Rodinia supercontinent Earth-Science Reviews 59,125–162

[2] Hoffmann 1988 United plates of america, the birth of a crato: early Proterozoic assembly Ann.Rev.Earth planet. Sci 16,543-603

[3] Sheldon 2013  Causes and consequences of low atmospheric pCO2 in the Late Mesoproterozoic  Chemical Geology 362, 224–231

[4] Khoza et al 2013 Tectonic model of the Limpopo belt: Constraints from magnetotelluric data Precambrian Research 226,143–156

[5] Meert 2012 What's in a name? The Columbia (Paleopangaea/Nuna) supercontinent Gondwana Research 21 (2012) 987–993

[6] Hoffman 1989. Speculations on Laurentia’s first gigayear(2.0 to 1.0 Ga). Geology 17, 135 – 138.

[7] Rogers (1996)  A history of continents in the past three billion years. Journal of Geology 104, 91–107

[8] Evans et al 2016 Paleomagnetism of Mesoproterozoic margins of the Anabar Shield: A hypothesized billion-year partnership of Siberia and northern Laurentia Precambrian Research 281, 639–655

[9] Hou et al 2008. Geochemical constraints on the tectonic environment of the Late Paleoproterozoic mafic dyke swarms in the North China Craton. Gondwana Research 13, 103–116.

[10] Rogers and Santosh 2009 Tectonics and surface effects of the supercontinent Columbia Gondwana Research 15,373–380