La "Grande Discordanza " della fine del Precambiano: le sue cause e le tracce nei magmi paleozoici dell'enorme conseguente e temporaneo afflusso di sedimenti negli oceani

Il 2019 è iniziato con una notizia bomba per le Scienze della Terra e cioè la probabile risoluzione di un enigma inizialmente formulato nel 1875 osservando la zona del Grand Canyon e teorizzato definitivamente nel 1914: la Grande Discordanza che data a prima dell’inizio del Cambriano. Insomma, abbiamo davvero poche rocce del Precambriano e soprattutto si tratta di pochi sedimenti e molte cose di origine molto profonda, il che comporta anche ben poche testimonianze fossili che sarebbero importanti dato che l'origine degli animali si colloca proprio nel neoproterozoico. Ma non è una questione di erosione normale, come dimostrano tutta una serie di osservazioni iniziate appunto nel 1875. Alla fine la colpa di tutto questo è stata attribuita alle fasi glaciali del Criogeniano, le cosiddette Snowball Earth (Terra - palla di neve), quando il globo terrestre era coperto quasi integralmente da ghiacci. Dove però fosse andata la massa mancante era ancora dubbio (e senza capirlo difficile poter affermare che c'era stato questa enorme processo di erosione e conseguente sedimentazione). Un lavoro appena uscito ha scoperto negli zirconi dei magmi del paleozoico le tracce di questi sedimenti generati dagli oltre 60 milioni di anni di erosione glaciale del Criogeniano, i quali, finiti negli oceani, si sono parzialmente fusi quando sono finiti all’interno del mantello. 

La stratigrafia del Grand Canyion da Karlstrom & Timmons (2012):
sono indicate le durate degli intervalli di tempo fra le unità che si sovrappongono
Le Tapeat Sandstones sono alla base del Tonto Group

Nella storia della Terra ci sono alcuni fatti un po' strani che hanno le loro radici nel Neoproterozoico, l’era che ha preceduto l’era Paleozoica. Nell'era Neoproterozoica, iniziata con il Toniano circa un miliardo di anni fa e finita con l’inizio del Cambriano, 540 milioni di anni fa, sono successe diverse cose, e parecchio importanti per giunta:

• dal punto di vista biologico ad un certo momento, si sviluppa la fauna di Ediacara e compaiono i primi animali
• dal punto di vista tettonico, il Neoproterozoico inizia nelle fasi finali dell’amalgamazione del supercontinente di Rodinia, si svolge durante la sua frammentazione e durante le prime fasi della ricostruzione del successivo supercontinente, noto come il “Grande Gondwana” o, per me molto meglio, come Pannotia (Powell et al 1995) (ne ho parlato qui).
• dal punto di vista climatico, il Criogeniano, il periodo centrale dell’era Neoproterozoica, è caratterizzato da due episodi di “Snowball Earth” (Terra a palla di neve) in cui quasi tutto il globo terrestre è stato ricoperto da coltri glaciali. Sull’estensione di queste calotte e soprattutto sul completo congelamento anche degli oceani in zona tropicale non c’è unanimità, mentre sull’esistenza di glaciazioni sui continenti anche a basse latitudini ci sono pochi dubbi in bibliografia. Si tratta dello Sturtiano (717– 660 Ma) e del più breve Marinoano (641–635 Ma), che coincide con la fine del Criogeniano. Una terza fase glaciale, molto minore, è avvenuta a metà dell’ediacarano, il terzo periodo del Neoproterozoico, circa 580 milioni di anni fa

LA GRANDE DISCORDANZA. Dal punto di vista stratigrafico l'era Neoproterozoica ci offre alcune particolarità che non possono essere trascurate.

Innanzitutto, la “Grande Discordanza” (Great Unconformity degli autori anglosassoni), una enorme lacuna nel registro stratigrafico della Terra spesso evidente sotto la base del Cambriano.

Si trattava (fino ad oggi, appunto) di uno dei maggiori enigmi nella storia della Terra: i sedimenti glaciali del criogeniano, le diamictiti e i sovrastanti “cap carbonates”  e, in loro mancanza, i sedimenti del Paleozoico inferiore, si sono deposti in buona parte dei casi sopra rocce metamorfiche o magmatiche formatesi a grande profondità anche in tempi di poco più antichi come in Oman (Bowring et al., 2007); nella zona del Grand Canyon le Tapeats Sandstones del Cambriano (la formazione basale del gruppo del Tonto) sovrastano il gruppo del Grand Canyon, sedimentato nel Neoproterozoico inferiore o direttamente gli gneiss del Vishnu, su cui si era sedimentato il Gruppo del Grand Canyon. Gli gneiss del Vishnu sono rocce medio-crostali formatesi circa 1.8 miliardi di anni fa ad una profondità di circa 25 km e che successivamente a causa di un lungo e forte periodo di deformazione sono state portate fino  ~ 10 km di profondità. La ulteriore esumazione fino alla superficie ha avuto luogo tra 1,66 e 1,25 Ga. La grande differenza di età fra il Cambriano delle Tapeats Sandstones e quanto stava sotto fu notata già nel XIX secolo, mentre Walcott (1914), intuendo che si trattava di un caso globale e non solo locale, propose la presenza dell’intervallo "Lipaliano" di esposizione ed erosione continentale.

Poco più in là, nel SW del Colorado, il granito mesoproterozoico di Eolus, formatosi 1.44 Ga a una profondità di circa 10-15 km è sovrastato dalla quarzite di Ignacio (anche questa del Cambriano) che dimostra un'erosione di oltre un terzo dello spessore nominale della crosta continentale in un qualche sottoinsieme di 900 milioni di anni. Troppo - forse - per un avvenimento tettonico normale …

Quantità di crateri da impatto: sulla Terra sono evidienti
crateri di picole dimensioni solo negli ultimi 500 MA
(da Brenhin Keller et al , 2019)

É nota la presenza di casi recenti di esumazione di parti molto profonde della crosta; uno di questi è a casa nostra, le Alpi Occidentali, ma mentre nel recente si tratta di “casi isolati” in circostanze tettoniche particolari, processi che hanno portato all’esumazione di crosta profonda sembrano essere stati un fenomeno particolarmente comune durante il Neoproterozoico. Come appunto supposto nel 1914.
A questo aspetto particolarmente evidente se ne sommano altri che vanno considerati con grande attenzione:

DISTRIBUZIONE NEL TEMPO DEI CRATERI DA IMPATTO VISIBILI SULLA TERRA: Nelle aree non successivamente deformate troviamo numerosi crateri derivati da impatti di asteroidi avvenuti tra l’ediacarano ed oggi. Pochissimi invece sono quelli precedenti: si tratta del Sudbury e del Vredefort, che sono particolarmente estesi ed erano dunque davvero molto profondi; si deve notare che in entrambi i casi oggi si vede la loro parte inferiore, che era originariamente a oltre 5 km di profondità (PASSSC, 2001)

QUANTITÀ DEI SEDIMENTI DI PIATTAFORMA CONTINENTALE. Il limite Neoproterozoico – Paleozoico corrisponde ad un enorme salto nella quantità di sedimenti formati nelle piattaforme continentali attualmente conservati, quantità che inizia ad aumentare nell’Ediacarano. Questa variazione nella estensione e nella ampiezza della variazione secolare dell'abbondanza di sedimenti di piattaforma preservati prima e dopo l’inizio del Cambriano è stata quantificata per la prima volta da Ronov et al (1980), stimando il flusso del volume di sedimenti conservati negli ultimi 1600 milioni di anni. Il modello è stato successivamente perfezionato e confermato limitatamente alla Laurentia dal database Macrostrat. Inoltre, il volume stimato di sedimenti continentali conservati (sia in Nord America che a livello globale) non segue, dal mio punto di vista inaspettatamente, una curva di abbondanza esponenziale, come risulterebbe da un modello di sopravvivenza standard (banalmente: non è che più i sedimenti sono vecchi, meno ne sono rimasti): insomma, più o meno c'è lo stesso quantitativo di sedimenti in ogni momento. Il che suggerisce una scarsa influenza dall'erosione sulla sopravvivenza dei sedimenti marini deposti sulle piattaforme continentali. Solo che il valore  prima dell'Ediacarano è molto inferiore al valore medio dal Cambriano in poi.

La quantità preservata di sedimenti di piattaforma continentale:
si nota il salto quantitativo tra Precambriano e Cambriano
(Brenhin Keller et al, 2019)

IL CASO RODINIA. Questo supercontinente, rispetto a quelli precedenti (Nuna o Columbia) e a quelli successivi (Pannotia o Gondwana e Pangea) ha delle caratteristiche piuttosto peculiari, ad esempio:

• non c’è molto magmatismo orogenico, nonostante le collisioni fra i vari continenti che si stavano amalgamando 
• numericamente quindi di quell’epoca è rimasto più un magmatismo anorogenico che orogenico. Una cosa piuttosto strana
• l’evento sembra aver formato pochi depositi di minerali e minerali di metalli preziosi

SOLUZIONI POSSIBILI PER CAPIRE LA GRANDE DISCORDANZA. Unendo le caratteristiche stratigrafiche nel Grand Canyon, in Oman e altrove con le peculiarietà di Rodinia rispetto agli altri supercontinenti e gli altri aspetti descritti prima, vediamo che abbiamo una soluzione per capire a cosa si debba la Grande Discordanza.

Per farlo, dobbiamo innanzitutto notare che il limite fra Neoproterozoico e Cambriano non presenta nessuna evidenza di variazioni significative nella temperatura del mantello o nello stile tettonico. Di conseguenza, è difficile concepire un modello in cui questa variazione sia dovuta a cambiamenti nel comportamento della “Terra solida”.

Rimanendo sulla questione dei sedimenti, ci sono due possibilità:

• processi costruttivi: dal Cambriano ad oggi è aumentato e/o si è velocizzato l’accumulo di sedimenti nel Fanerozoico. Però questa 'interpretazione richiederebbe un aumento improvviso di circa cinque volte della quantità di sedimenti in circolazione, il che la rende poco plausibile
• processi distruttivi: banalmente, un violento e improvviso episodio di erosione a livello globale, che ha provocato la scomparsa delle rocce proterozoiche 

Il secondo quadro è più plausibile:

• i processi costruttivi richiedono un aumento generalizzato e improvviso in qualche modo definitivo, con l'intervento di qualche nuovo meccanismo. Inoltre non spiega dove sono finiti i materiali erosi durante la Grande Discordanza, mentre quello distruttivo prevede un aumento dei sedimenti limitato ad una fase di breve durata 
• dove è visibile, la Grande Discordanza è di natura chiaramente erosiva, perchè i sedimenti, come abbiamo visto, si depositano sopra rocce formatesi a grande profondità e arrivate in superficie in un quadro di esumazioni della crosta profonda veloci e generalizzate, mentre negli ultimi 500 milioni di anni, esumazioni rapide e veloci sono un processo sempre limitato a poche aree particolari in contesti tettonici specifici. E, come abbiamo visto, nel caso della Grande Discordanza spesso si tratta di rocce formatesi poche centinaia – se non poche decine – di milioni di anni prima
• anche la mancanza di crateri da impatto e le caratteristiche peculiari di Rodinia evidenziano un periodo di forte erosione superficiale, nella quale sono andati persi i crateri da impatto preesistenti minori, che andavano meno in profondità, ed eroso buona parte delle rocce originate dai processi di collisione dei blocchi che avevano formato il supercontinente tra 400 e 700 milioni di anni prima. 

La Terra durante la Snowball Earth Sturtiana: i continenti
sono coperti dai ghiacci anche in zona equatoriale
da Hoffman e Shrag (2000)

A COSA SI DEVE L'EROSIONE DURANTE LA GRANDE DISCORDANZA? Quindi c’è da chiedersi se attualmente conosciamo un meccanismo che possa aver provocato questa enorme erosione. La risposta è affermativa: gli oltre 60 milioni di anni di Snowball Earth (Terra palla di neve) del Criogeniano. Questo perchè la glaciazione promuove la denudazione continentale abbassando il livello del mare a scala globale ed esponendo i continenti a una maggiore erosione subaerea, e anche direttamente attraverso l'erosione operata dagli stessi ghiacciai.

Le stime dei tassi di erosione glaciale per le calotte glaciali attuali sono molto variabili, da ~0,01 mm  ~100 mm all’anno. Per fare un confronto, 4 km di erosione su 64 Ma di glaciazione neoproterozoica richiederebbero un tasso medio di erosione di 0,0625 mm/a, quasi due ordini di grandezza più lenti delle recenti stime dirette (4.8 ± 2.6) per la moderna calotta glaciale della Groenlandia (Cowton et al, 2012).

A questo si deve aggiungere che a causa del livello marino molto basso (almeno 400 metri meno di adesso) e del fatto che se non diversamente vincolato dalla temperatura dell'aria o dell'acqua, la base del ghiacciaio può estendersi fino a 0,89 km sotto il livello del mare per chilometro di spessore della calotta, i ghiacci, a causa del loro sviluppo verticale, potrebbero aver eroso i fondali marini delle piattaforme continentali anche in zone molto profonde.

Una circostanza stratigrafica interessante, come ho fatto notare, è che la quantità di sedimenti aumenta a partire dall’inizio dell’Ediacarano, e cioè alla conclusione del Marinoano, la seconda (e ultima) Snowball Earth.

É chiaro ed evidente che oltre alla crosta superiore durante gli episodi di "Terra palla di neve" sia stata erosa anche buona parte della copertura sedimentaria ed è per questo che i sedimenti di prima dell'ediacarano sono oggi così rari. 

Segnali geochimici dei sedimenti negli zirconi:
rapporto isotopico dell'afnio e dell'ossigeno,
comparati con la quantità di sedimento.
da  Brenhin Keller et al (2019)

MA DOVE SAREBBERO FINITI QUESTI SEDIMENTI? Ovviamente negli oceani. E, siccome la vita della crosta oceanica è breve perché finisce presto nelle zone di collisione, dove scende nel mantello lungo le zone di subduzione, di questi sedimenti non ce ne sarebbe più traccia. Ho usato il condizionale, perché, invece, la loro traccia c’è davvero!

Nella tettonica a placche, i sedimenti accumulati sulla crosta oceanica vengono consumati dalla subduzione ad un ritmo che attualmente è di di circa 1,65 km3 / anno.  A causa della loro bassa densità e della loro temperatura di fusione molto bassa, questi sedimenti, quando scendono nel mantello insieme alla crosta oceanica, vengono spesso incorporati nei magmi di arco magmatico, dove lasciano una firma chimica o isotopica. Ebbene, se questi sedimenti sono particolarmente voluminosi, la loro traccia potrebbe forse essere notata!

Quindi alcuni ricercatori l'hanno cercata (Brenhin Keller et al, 2019) supponendo che gli zirconi contenuti nelle rocce magmatiche delle zone collisionali di quel periodo dovrebbero aver conservato una impronta geochimica di questo aumento momentaneo della quantità di sedimenti nei fondali oceanici da poco subdotti. Gli zirconi sono straordinari e non solo perché sono fra le pietre preziose (o, almeno, semipreziose): anche perché dopo che si sono formati si conservano indefinitamente a causa del loro alto punto di fusione e della loro scarsa attaccabilità dai fattori esterni; inoltre sono ben databili con il metodo U/Th. Di fatto i grani minerali più antichi attualmente esistenti sono proprio degli zirconi formatisi nella Terra di oltre 4.3 miliardi di anni fa! 

Senza entrare in particolari, usando i dati di quasi 30.000 zirconi reperiti nella letteratura scientifica, i ricercatori hanno notato che quelli paleozoici presentano delle forti oscillazioni in alcuni rapporti isotopici che si spiegano solo con il coinvolgimento massicico di sedimenti nell’origine dei magmi da cui questi cristalli sono derivati. Inoltre oscillazioni simili ci sono negli zirconi prodotti dopo la glaciazione huroniana di 2.2 miliardi di anni fa. 

Il grafico fa ipotizzare la possibilità che le Snowball Earth del Criogeniano siano state precedute da altri episodi minori e mostrano anche un altro punto singolare dopo le glaciazioni del permo-carbonifero.

• Bowring et al. (2007) Geochronologic constraints on the chronostratigraphic framework of the Neoproterozoic Huqf Supergroup, Sultanate of Oman. Am J Sci 307:1097–1145. 
• Brenhin Keller et al (2019) Neoproterozoic glacial origin of the Great Unconformity, PNAS 116(4) 1136-1145
• Hoffman e Schrag 2000 “The Snowball Earth”, Scientific American 282(1):68-75
• Karlstrom & Timmons (2012) Many unconformities make one ‘Great Unconformity’. Grand Canyon Geology; Two Billion Years of Earth’s History,  GSA Special Paper 489, pp 73–79
• Cowton et al (2012) Rapid erosion beneath the Greenland ice sheet. Geology 40:343–346. 
• PASSC (2001) Earth Impact Database (The Planetary and Space Science Centre, Fredericton, New Brunswick, Canada).
• Powell et al (1995) Did Pannotia, the latest Neoproterozoic southern supercontinent, really exist?: Eos (Transactions, American Geophysical Union), Fall Meeting,76,46, p.172
3
• Ronov et al  (1980) Quantitative analysis of Phanerozoic sedimentation. Sediment Geol 25:311–325. 
• Walcott CD (1914) Cambrian Geology and Paleontology, Smithsonian Miscellaneous Collections (The Lord Baltimore Press, Washington, DC), Vol 57