Estinzione del Devoniano superiore e Large Igneous Province della Yacuzia

L’evento Kellwasser è una delle “Big 5” di Sepkosky, cioè uno dei principali eventi di estinzione di massa. È avvenuto nel Devoniano superiore, ma non alla fine del periodo, che peraltro corrisponde ad un’altra fase di estinzione, nota come Evento Hangenberg. Sulle sue cause si è discusso parecchio, anche per la presenza in quel tempo di un impatto meteoritico; oggi appare abbastanza ovvio che si tratti delle conseguenze della messa in posto della Large Igneous Province dei basalti della Yacuzia e anche le ultime ricerche puntano il dito contro il vulcanismo: durante il Kellwasser notiamo una forte anomalia positiva di mercurio nei sedimenti, che si accompagna a quella dell’iridio, già nota da tempo. Il problema è che le datazioni dei basalti della Yacuzia tornano poco a causa del pessimo stato di conservazione di quella serie vulcanica,É piuttosto interessante notare una circostanza fondamentale nella storia della vita e cioè la comparsa dei primi vertebrati terrestri proprio nel tempo che intercorre fra il Kellwasser e l’ Hangenberg.

Un tipico pesce senza mascelle del Devoniano

Nel Devoniano superiore ci sono stati due diversi eventi di estinzione di massa  a poca distanza l’uno dall’altro. Il primo al limite Frasniano – Famenniano (FFB, conosciuto come evento Kellwasser) e che corrisponde ad uno dei “big five”, i 5 maggiori eventi di estinzione di massa della storia (Sepkosky, 1996); il secondo è di poco successivo e corrisponde alla fine del Famenniano (evento Hangenberg) e siccome il Famenniano è l’ultimo stadio del Devoniano, il secondo evento corrisponde anche al limite Devoniano – Carbonifero. Quindi come succederà in seguito nel Permiano superiore, abbiamo due estinzioni di massa separate da poco più di 10 milioni di anni; la differenza fra le due coppie è che nel Devoniano il primo è più importante del secondo, mentre nel Permiano, l’evento più importante è il secondo.  

Venendo specificamente al Kellwasser, si tratta di una estinzione di massa che ha coinvolto, come sempre succede, una vasta gamma di forme viventi appartenenti a gruppi molto diversi: coralli, stromatoporoidi (animali all’epoca molto diffusi, ormai estinti e ancora di incerta classificazione), trilobiti, cefalopodi, brachiopodi, conodonti e pesci (in particolare quelli senza mascelle). L’estinzione è stata veloce, ma graduale (Becker, 1993); fondamentalmente si è trattato di una sostituzione progressiva della fauna precedente con organismi sempre più adatti a vivere in condizioni di scarsa ossigenazione delle acque (guarda caso come al K/T…). 

Le cause dell’evento Kellwasser sono state variamente addebitate: cambiamenti nella circolazione oceanica, provocati alternativamente da riscaldamento o raffreddamento climatico globali (o altro non specificato), cambiamenti del livello marino, impatto di un meteorite (immancabile...).

Il cratere di Siljan, in Svezia.
 Probabilmente precede di poco l'evento Kellwasser

Al di là delle caratteristiche biotiche, ci sono molte circostanze geologiche interessanti, che poi sono comuni anche agli altri eventi di estinzione di massa (in particolare al K/T):

• la più evidente è la deposizione dei classici sedimenti finissimi e scuri perché ricchi di materia organica, sintomo di condizioni di mancanza (o quantomeno di forte scarsità) di ossigeno. Le serie meglio studiate sono quelle dello stato di New York, dove troviamo più livelli del genere, che precedono e seguono quello principale posto al limite fra Frasniano e Famenniano. Questi livelli assomigliano al Fiskeler, il famoso sedimento che troviamo in Danimarca depositato esattamente al limite K/T (Christensen et al 1973). Come in esso troviamo cristalli di pirite e laminazioni sottilissime che possono restare evidenti solo in caso di assenza di vita nel fondo marino, perchè altrimenti questa finissima stratificazione verrebbe completamente distrutta dagli animali che vivono sul fondo e, soprattutto, da quelli che lo scavano
• un forte disturbo, a livello globale, del rapporto isotopico del Carbonio, il δ13C: fra gli eventi di estinzione globale alcuni presentano alternativamente oscillazioni positive o negative di questo rapporto; in questo caso la situazione è un pò complessa del solito, in quanto al Kellwasser troviamo sia oscillazioni positive che negative a seconda della regione
• forti oscillazioni del livello marino; in particolare una fase a basso livello coincide esattamente con la parte terminale del Frasniano, documentata da interruzioni della sedimentazione in molte aree (Nordamerica, Europa, Iran etc etc)
• una anomalia positiva nella concentrazione di Iridio nelle argilliti scure, con livelli molto elevati anche se non tanto quanto al K/T (Over et al 1997) e, è arrivata la notizia in questi giorni, anche di Mercurio (Racki et al, 2018)
• in Belgio troviamo anche delle microtectiti, tipiche di un impatto meteoritico (Claeys and Casier, 1994) e non è una coincidenza casuale in quanto nei dintorni del Kellwasser si colloca un grande impatto meteoritico, quello di Siljian, in Svezia. Si tratta di un cratere piuttosto grande (il diametro  varia a seconda degli Autori fra 65 e 90 km)
• sempre in Belgio sono stati anche trovati alti valori di molecole organiche, che indicano diffusi incendi di foreste ed anche evidenze di una accelerazione dell’erosione del suolo (Kaiho et al, 2013)
• e, soprattutto, la messa in posto di una Grande Provincia Magmatica (LIP, Large Igneous Province), i basalti della Yacuzia 

La stratigrafia dei sedimenti del Frasniano nello Stato di New York, che evidenzia
i numerosi episodi di sedimentazione di black shales con anomalia dell'Iridio (Over et al, 1997)

L’IRIDIO: voglio soffermarmi in particolare sulla questione dell’Iridio. La concentrazione di elementi del gruppo del Platino (PGE) nei sedimenti dello stato di New York è stata oggetto di un dettagliato studio (Over et al 1997), dove vari orizzonti di scisti neri, sia del Fammenniano superiore che quello corrispondente propriamente al Kellwasser, contengono concentrazioni anomale di Iridio; i rapporti quantitativi fra gli elementi PGE non sempre sono simili a quelli delle condriti. I campioni presi nei sedimenti “normali” invece non presentano arricchimento in iridio, platino e rutenio. Inoltre, come succede al K/T per le tectiti dello Yucatan, i sedimenti dell’impatto meteoritico di Siljan trovati in Belgio non presentano anomalia dell’iridio. Insomma, sia i rapporti quantitativi fra gli elementi del gruppo del platino, sia la presenza di diversi orizzonti arricchiti separati nel tempo non indicano una singola fonte extraterrestre, come quella rappresentata da un impatto. Anche nell’evento della fine del Devoniano troviamo una anomalia dell’Iridio in Cina (Wang et al, 1993) e in Nordafrica (Kaiser et al, 2011)

DATAZIONE DELL’IMPATTO DI SILJAN. Sull’onda dell’ipotesi del meteorite killer dei dinosauri (connessone che ormai è stata dimostrata falsa, ma che continua ad essere molto popolare) sono state ricercate connessioni fra l’impatto di Siljan e il Kellwasser. Il problema è ancora aperto in quanto la forbice cronologica degli eventi è piuttosto grande e, a complicare le cose, ci si mette lo stesso limite Frasniano – Famenniano, che negli ultimi 40 anni è oscillato tra 370 e 376 Ma; nell’ultima versione della carta cronostratigrafica ufficiale (2017) è posto a 372,2 ± 1.6 milioni di anni, quindi fra 370,6 e 373,8 Ma. Quanto al cratere, le età ricavate dalla bibliografia sono diverse, ma in sostanza tendono ad essere un pò più vecchie dell’intervallo in cui si colloca il Kellwasser; quelle ricavate più di recente che ho trovato parlano di 380.9 ± 4.6 Ma (Jourdan et al., 2012). Precedentemente due campioni avevano fornito un’età rispettivamente di 377.2 ± 2.5 Ma e 376.1 ± 2.8 (Reimold et al. 2005) per cui una connessione diretta fra i due eventi è piuttosto difficile.

Carta della giounzione tripla della Yacuzia
da Ricci et al (2013)

VULCANISMO E EVENTO KELLWASSER. I fenomeni registrati alla fine del Frasniano sono sintomi della presenza di un vulcanismo importante. Ma, come ho accennato, proprio in questi giorni ne è venuto fuori uno ancora più stringente: nei sedimenti deposti al FFB c’è una vistosa anomalia di mercurio (Racki et al 2018), anomalia che si riscontra anche in corrispondenza di altri eventi di estinzione di massa, come alla fine di Permiano, Triassico e Cretaceo (Bergquist, 2017). 

Il vulcanismo nel Frasniano è stato molto intenso, per esempio negli Stati Uniti ed in Europa, dove si stava perfezionandosi la collisione fra Euromerica e Gondwana, in Sudan e in Cina. Ci sono inoltre delle grandi eruzioni basaltiche nel cratone est europeo:  i basalti di Kola e quelli del rift di Pripyat–Dniepr – Donets tra Ucraina e Bielorussia (Kravchinsky, 2012).

Ma, soprattutto, in quei tempi avveniva la messa in posto di una delle più massicce coperture basaltiche degli ultimi 500 milioni di anni, la Large Igneous Province della Yacuzia, nota anche come Trappi di Viluy. 

I TRAPPI DELLA YAKUZIA. Come dice il nome della regione, siamo nella parte NE della Siberia, in una regione venuta alla ribalta con il Risiko, dove nel Devoniano superiore si è formata una giunzione tripla con la formazione di 3 rift (Ernst and Buchan, 1997), in una situazione che ricorda molto quella attuale dell’Afar. Dei tre rami del rift, due formano gli attuali margini della piattaforma siberiana ma sono abortiti. Il terzo invece ha avuto una storia diversa: dopo una fase di divergenza che ha formato un bacino oceanico il regime è tornato presto compressivo e il conseguente scontro fra la Siberia e il microcontinente di Kolyma -  Omlon ha formato nel mesozoico l’orogene dei monti Verkhoyansk (Oxman, 2003).

Nel rift di Viluy, il ramo abortito di SW, che attualmente è lungo 800 km e largo fino a 450 e in altre aree intorno alla giunzione tripla troviamo la Large Igneous Province della Yacuzia, di cui sono visibili alcuni resti lungo i lati dei rift, perchè la maggior parte è stata coperta dai sedimenti che si sono accumulati nei rift stessi; le stime parlano di quasi 2 milioni di km cubi fra lave e il loro sistema di alimentazione (Kiselev et al., 2006). 

La domanda a questo punto è se proprio la LIP di Yacuzia sia il killer del Kellwasser. Diciamo che la cosa avrebbe senso, dato che anche gli altri eventi di estinzione di massa, con solo probabilmente una eccezione, il passaggio Eocene – Oligocene, sono associati a Large Igneous Provinces, e agli altri fenomeni descritti all’inizio del post, come si vede dall’immagine. 

DATAZIONE DEI TRAPPI DELLA YACUZIA. Le indicazioni stratigrafiche indicavano il Devoniano superiore come età di queste rocce ignee, ma le datazioni assolute erano poche, e poco affidabili, anche perchè  la maggior parte di queste rocce sono molto alterate. Nel 2010 con il metodo 40Ar/39Ar furono trovate due età di 360.3 ± 0.9 and 370.0 ± 0.7 Ma, il che ha suggerito che due impulsi diversi di questi basalti abbiano provocato sia la grande estinzione al liimte Frasniano – Famenniano che quella successiva alla fine del Devoniano (l’ Hangenberg) (Courtillot et al, 2010). 

Più recentemente, anche Ricci et al (2015) esaminando diversi campioni hanno notato che con il metodo 40Ar/39Ar questi si raggruppano in due gruppi diversi con età medie ponderate di 364,4 ± 1,7 e 376,7 ± 1,7 Ma. 

Il quadro ricavato supporta quindi in entrambi gli studi la presenza di due impulsi principali (come succede spesso nelle LIP) e tutto sommato l’intervallo che si ricava è lungo più o meno come il Famenniano. Per cui è possibile (ed intrigante) che sia il Kellwasse che l’Hangenberg siano dovuti a due diverse fasi parossistiche dei Trappi di Viluy.  

Il problema è che soprattutto a causa della alterazione (che ha probabilmente interessato il sistema dell’argon) questi risultati mi paiono un pò aleatori e poco in accordo con la cronologia attualmente in vigore: insomma, oggi le stime per il Kellwasser vanno da 373,8 a 370,6 MA, quelle di Ricci e soci per la prima fase dei trappi di Viluy vanno da 374,0 a 378,4 MA. Quindi le due età si toccano quasi. Per quanto riguarda invece l’Hangenberg, è un limite abbastanza ben definito dal punto di vista cronologico, in quanto ha una incertezza nella sua datazione assoluta di poche centinaia di migliaia di anni: al massimo può essere avvenuto a 359.3, ben dopo il limite più recente della forbice cronologica della Yacuzia, che è post a 362,7. 

Insomma, il fatto che in entrambi i casi le vulcaniti risultino più vecchie degli eventi biotici può essere dovuta alla pessima qualità dei campioni dal punto di vista della loro alterazione, ma se la correlazione fra eruzioni della Yacuzia e Kellwasser è “estremamente probabile” dal punto di vista della cronologia relativa, le datazioni assolute sono ancora poco chiare. Invece sull’Hangenberg i dubbi sono ancora estremamente alti. La tabella qui accanto mostra le attuali incertezze nelle datazioni assolute.

In conclusione si può dire che la geochimica delle serie sedimentarie evidenzia sicuramente al limite Frasniano – Famenniano degli importanti fenomeni vulcanici, e i vari episodi conosciuti di quell’epoca non paiono dal punto di vista quantitativo essere minimamente paragonabili a quelli della Siberia orientale. Per cui è piuttosto verosimile che il killer della fine del Frasniano sia ancora una volta una LIP, quella della Yacuzia, anche se i meccanismi che portano una LIP ad essere uno spietato killer non sono ancora chiarissimi e la datazione assoluta delle eruzioni è ancora incerta. 

Becker (1993) Anoxia, eustatic changes, and Upper Devonian to lowermost Carboniferous global ammonoid diversity. In: M.R. House (Editor), The Ammonoidea. Environment, Ecology, and Evolutionary Change. Syst. Assoc. Spec. 47, 115–163
Bergquist (2017) Mercury, volcanism, and mass extinctions: PNAS 114, 8675–8677 
Courtillot et al (2010) Preliminary dating of the Viluy traps (Eastern Siberia): eruption at the time of Late Devonian extinction events? Earth and Planetary Science Letters 300, 239–245. 
Christensen et al (1973) Sedimentology and depositional environment of Lower Danian fish clay from Stevns Klint, Denmark. Bull. Geol. Soc. Denmark, 22, 193–212
Ernst e Buchan (1997) Giant radiating dyke swarms: their use in identifying pre-Mesozoic large igneous provinces and mantle plumes. In: Mahoney, J., Coffin, M. (Eds.), Large Igneous Provinces: Continental, Oceanic, and Planetary Volcanism: Am. Geophys. U. Geophysical Monograph Series, 100, 297–333. 
Golonka and Gawęda (2012) Plate Tectonic Evolution of the Southern Margin of Laurussia in the Paleozoic, Tectonics Evgenii Sharkov, IntechOpen
Kaiho et al (2013) A forest fire and soil erosion event during the Late Devonian mass extinction Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 392, 272–280
Kaiser et al (2011) Climate-controlled mass extinctions, facies, and sea-level changes around the Devonian–Carboniferous boundary in the eastern Anti-Atlas (SE Morocco). Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 310, 340–364 
Kiselev et al (2006) Middle Paleozoic basic magmatism of the northwestern Vilyui Rift: composition, sources, and geodynamics. Petrology 14, 588–608
Kravchinsky (2012) Paleozoic large igneous provinces of Northern Eurasia: Correlation with mass extinction events Global and Planetary Change 86-87, 31–36
Over et al (1997) Platinum group element enrichments and possible chondritic Ru:Ir across the Frasnian–Famennian boundary, western New York State Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 132,399–410 
Over (2002) The Frasnian/Famennian boundary in central and eastern United States Paleogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 181,153-169 
Oxman (2003) Tectonic evolution of the Mesozoic Verkhoyansk–Kolyma belt (NE Asia) Tectonophysics 365,45–76
Racki et al (2018) Mercury enrichments and the Frasnian-Famennian biotic crisis: A volcanic trigger proved? Geology  DOI: https://doi.org/10.1130/G40233.1  
Ricci et al 2013 New 40Ar/39Ar and K–Ar ages of the Viluy traps (Eastern Siberia): Further evidence for a relationship with the Frasnian–Famennian mass extinction Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 386 (2013) 531–540 
Sepkoski JJ (1996) Patterns of Phanerozoic extinction: A perspective from global databases. Global Events and Event Stratigraphy in the Phanerozoic, ed Walliser OH (Springer, Berlin), pp 35–51
Wang et al (1993) Global Iridium anomaly, mass extinctions and redox change at the Devonian-Carboniferous boundary. Geology 21, 1071 – 1074