la glaciazione di Pongola di 2.900 milioni di anni fa: evento limitato alle alte latitudini o evento globale come gli episodi di "Terra a palla di neve"?

La presenza di probabili sedimenti di ambiente glaciale di poco meno di 3 miliardi di anni fa in Sudafrica è nota da decenni. Oggi una ricerca sulla geochimica di una serie sedimentaria di quel periodo nel cratone del Kaapvaal ha esaminato nel supergruppo di Pongola le diamictiti (sedimenti tipici del precambriano la cui origine glaciale è certa per quelle molto più giovani del Criogeniano), arrivando alla certezza del fatto che si sono sedimentate in un ambiente molto freddo. Resta però da capire l'estensione di questa glaciazione: solo nel cratone del Kaapvaal, che all'epoca era alle alte latitudini settentrionali (una situazione simile a quella odierna), oppure un evento più globale come le successive glaciazioni Huroniana (da 2400 a 2100 milioni di anni fa) o gli episodi di "Terra palla di neve" del Criogeniano (720 - 635 milioni di anni fa).

il cratone del Kaapvvaal, all'interno del più grande cratone del Kalahari,
i cui margini sono indicati dalla linea verde (da Sodouti et al, 2013)

I cratoni (una volta noti come scudi) sono le parti più rigide, antiche e stabili della crosta continentale, dove si conservano rocce vecchie oltre 2 miliardi di anni, in genere graniti e greenstone belts (interpretate, queste ultime come le moderne suture ofiolitiche, come resti di crosta oceanica e archi magmatici interposti fra due aree continentali che si sono scontrate). 

Dopo miliardi di anni di erosione nei cratoni affiorano ovviamente in genere solo le radici più profonde della crosta; solo in qualche caso sono stati preservati alcuni sedimenti, come nel cratone del Kaapvaal in Sudafrica, che fa parte del più grande cratone del Kalahari e dove sono esposte alcune delle rocce sedimentarie più antiche esistenti. 

IL CRATONE DEL KAAPVAAL. Il Kaapvaal ha iniziato ad amalgamarsi circa 3.2 miliardi di anni fa dall'unione di diversi blocchi più piccoli (Swaziland, Witwatersrand, Pietersburg e Kimberley, con alcune greenstone belt interposte) e a sua volta è compreso insieme a quello dello Zimbawe ed altre unità minori nel cratone del Kalahari. La fascia orogenica di Damara, la cui attività si è conclusa circa 550 milioni di anni fa, lo divide dal cratone del Congo, a sua volta un conglomerato di cratoni minori. Dopo i movimenti orogenici che lo hanno formato, saldando fra loro i blocchi nominati sopra, il Kaapvaal era diventato un’area continentale stabile; circa 100 milioni di anni dopo la sua stabilizzazione ha subito estensione e subsidenza ed è stato coperto a partire da circa 3 miliardi di anni fa da una successione vulcano-sedimentaria depositata in un mare poco profondo. Questi sedimenti testimoniano quello che dovrebbe essere il più antico rift continentale conosciuto (Paprika et al., 2021). 

una classica diamictite

UNA ANTICHISSIMA GLACIAZIONE? Ma quei sedimenti oltre all’ambiente di rift testimoniano anche le tracce di una glaciazione avvenuta poco meno di 3 miliardi di anni fa. Le prime osservazioni su questo le abbiamo in Wiebols (1955), che ha riconosciuto nei sedimenti del gruppo del West Rand Group, appartenente al supergruppo del Witwatersrand, la presenza di diamictiti. Una diamictite è una roccia sedimentaria tipica del precambriano, costituita da sedimenti terrigeni in cui si trovano particelle di dimensioni maggiori (dalle sabbie a massi) sospese in una matrice di fango o arenaria. Diciamo quindi che è facile ricondurre le diamictici a depositi glaciali, anche se sono state proposte modalità di formazione diverse dai processi glaciali, ad esempio colate detritiche.

Diversi livelli di diamictiti, di una età stimata intorno ai 2900 milioni di anni, si trovano in un’altra serie sedimentaria dello scudo di Kaapvaal, il Supergruppo di Pongola, che oltretutto rappresenta la sequenza vulcano-sedimentaria tettonicamente meno disturbata sulla Terra di tutto il Mesoarcheano (il periodo che copre l’intervallo fra 3.200 e 2.800 milioni di anni fa). Von Brunn e Gold (1993) riportarono nelle diamictiti del Pongola la presenza di diversi clasti di provenienza esterna al bacino, alcuni dei quali addirittura striati e sfaccettati proprio come i massi erratici moderni. Pertanto li hanno considerati rocce che per un po' di tempo sono state trasportate da ghiacciai di montagna e conseguentemente indizi di una glaciazione avvenuta circa 3 miliardi di anni fa.

Pochi anni dopo Young et al (1998) nelle diamictiti e negli scisti intercalati hanno rilevato valori moderati dell’indice chimico di alterazione (66,8 in media) e contenuti elevati di ossido di ferro. Questo è stato considerato a sostegno di un'origine glaciale delle diamictiti, per analogia con le diamictiti neoproterozoiche, sicuramente di origine glaciale essendo deposte durante le glaciazioni del Criogeniano (720 – 635 milioni di anni fa). Gli stessi Autori hanno inoltre riportato la rara presenza di dropstones (pietre singole di una certa dimensione in una roccia sedimentaria molto fine), che in quelle condizioni è pure essa indicativa di vicinanza a un ghiacciaio. 

Nel Supergruppo di Pongola un altro indizio della presenza di calotte glaciali continentali è una ciclicità sedimentaria ben sviluppata che potrebbe essere riferita ai classici cambiamenti glacio-eustatici del livello del mare che avvengono durnte le fasi glaciali (Beukes e Cairncross, 1991).

i dati geochimici del superguppo di Pongola. Si notano sia
il grande spessore di questa serie che la diminuzione dei
valori del δ18O che testimoniano il raffreddamento 
tra 2960 e 2840 milioni di anni fal 

CONFERME GEOCHIMICHE DELLA GLACIAZIONE REGISTRATA NEL KAAPVAAL. Si capisce l’importanza che le diamictiti dello scudo del Kaapvaal rivestono negli studi sulla evoluzione del clima terrestre nel tempo, ma una loro ambientazione glaciale è rimasta oggetto di dibattito.

Un importante passo avanti nella attribuzione a fasi glaciali dell’origine delle diamictiti di Pongola è stato appena presentato da Hoffman e Bindeman (2023): il δ18O è il rapporto fra gli isotopi 16 e 18 dell’ossigeno, un rapporto molto influenzato dalla temperatura: minore è il valore, minore è la temperatura all’epoca della sedimentazione. Questi Autori hanno dimostrato che le diamictiti e gli scisti della formazione di Delfkom presentano i valori del δ18O più bassi mai osservati in qualsiasi roccia sedimentaria correlata agli agenti atmosferici nella storia della Terra. All’interno del supergruppo di Pongola, il gruppo di Mozaan a cui appartiene la formazione di Delfkom, si è deposto fra 2960 e 2840 milioni di anni fa e la Delfkoon dovrebbe avere circa 2900 milioni di anni.

Invece in sedimenti un po' più vecchi di una cinquantina di milioni di anni i valori del δ18O sono un po' più alti. Quindi i dati sugli isotopi dell'ossigeno dei sedimenti del gruppo di Mozaan indicano un graduale raffreddamento climatico, culminato in condizioni glaciali circa 2.900 milioni di anni fa. Nello stesso lavoro altre analisi hanno evidenziato che le acque meteoriche avevano valori del δ18O intorno a −20 ‰ rispetto allo standard di Vienna per l’acqua oceanica (WSMOV), suggerendo che l'erosione del cratone del Kaapvaal abbia coinvolto acque meteoriche a basso δ18O, possibilmente in una posizione quasi polare.

GLACIAZIONE LOCALE O GLOBALE 2.900 MILIONI DI ANNI FA? I dati paleomagnetici vincolano lo scudo del Kaapvaal a latitudini medio-alte al momento della deposizione del Supergruppo Pongola (de Kock et al., 2021). Il raffreddamento climatico potrebbe quindi essere collegato ad una deriva del cratone di Kaapvaal verso il polo nord, oppure potrebbe invece rappresentare una testimonianza di un fenomeno globale, come oltre mezzo miliardo di anni dopo la glaciazione Huroniana, successiva e conseguente al crollo del contenuto atmosferico di CO2 e CH4 e come gli episodi di "Terra - palla di neve" del criogeniano. Purtroppo per risolvere questo dilemma non abbiamo altrove sedimenti continentali di quel periodo (2900 ÷ 2870 Milioni di anni fa). Ci sono però alcuni sedimenti marini all’interno delle “greenstone belt”, ma come detto si tratta di depositi in acque più profonde, su crosta oceanica o di arco magmatico, i quali però non sono ancora stati studiati su questo aspetto.

Ricordo che in quel periodo, con un Sole molto più debole, senza una atmosfera pesante e composta al 95% di CO2 la Terra sarebbe stata una palla ricoperta da uno strato di ghiaccio (Sagan e Mullen, 1972) (ne ho parlato qui).

POSSIBILI CAUSE DI UN RAFFREDDAMENTO CLIMATICO 2900 MILIONI DI ANNI FA PER LA TEMPORANEA DIMINUZIONE DEL TENORE DI CO2 ATMOSFERICO. Un raffreddamento climatico globale sarebbe coerente con un quadro di maggiore richiesta di CO2 da parte del sistema – Terra a causa di due fattori:

• stabilizzazione e alterazione di alcune masse continentali: a circa 3100 milioni di anni fa emergono il Kaapvaak e il Singhbhum (India) (Hofmann et al., 2022) e poco dopo, 2900 milioni di anni fa, il Pilbara (Australia occidentale) (Hickman, 2023): la loro emersione ha richiesto per la loro alterazione un importante prelievo dalla atmosfera di CO2, diminuendo l’effetto-serra 
• la prima comparsa di organismi fotosintetici e un primo evento in cui l’atmosfera si è leggermente ossidata: Ono et al (2006) studiando i rapporti fra gli isotopi dello zolfo hanno ipotizzato che l’assorbimento di CO2 per la fotosintesi e la conseguente emissione di O2 avrebbero non solo diminuito il tenore atmosferico di CO2, ma anche provocato una leggera ossidazione dell’atmosfera che avrebbe provocato una diminuzione del tenore atmosferico di metano un altro gas-serra importante, all’epoca presente in discreta quantità nell’atmosfera che essendo all’epoca riducente ne permetteva la stabilità. 

IN CONCLUSIONE: insomma, se è ormai certa la presenza di ghiacci intorno al Kaapvaal poco meno di 3 miliardi di anni fa, ci sono dei dubbi sul loro significato, in particolare sulla possibile estensione dei ghiacci: soltanto sul continente del Kaapvaal che era in zona polare oppure si è trattato di una glaciazione più estesa?

BIBLIOGRAFIA

BEUKES E CAIRNCROSS (1991). A lithostratigraphic-sedimentological reference profile for the Late Archaean Mozaan Group, Pongola Sequence: application to sequence stratigraphy and correlation with the Witwatersrand Supergroup. South African Journal of Geology 94, 44–69.
HICKMAN (2023). Archean Evolution of the Pilbara Craton and Fortescue Basin. Modern Approaches in Solid Earth Sciences, v. 24, Springer Nature, Cham
HOFMANN et al (2022). The Archaean geological history of the Singhbhum Craton, India – a proposal for a consistent framework of craton evolution. Earth-Science Reviews Volume 228, 103994
HOFFMAN E BINDEMAN (2023). Earth’s first glaciation at 2.9 Ga revealed by triple oxygen isotopes. Geochem. Persp. Let. 26, 20–24.
SAGAN E MULLEN (1972). Earth and Mars: Evolution of Atmospheres and Surface Temperatures. Science 177, 52-56
SODOUTI et al (2013). Seismic evidence for stratification in composition and anisotropic fabric within the thick lithosphere of Kalahari Craton. Geochem. Geophys. Geosyst. 14, 5393–5412
VON BRUNN E GOLD (1993). Diamictite in the Archean Pongola Sequence of southern Africa. Journal of African Earth Sciences 16, 367–374.
WIEBOLS, J.H. (1955). A suggested glacial origin for the Witwatersrand conglomerates. Transactions of the Geological Society of South Africa 58, 367–382
YOUNG ET AL. (1998). Earth’s Oldest Reported Glaciation: Physical and Chemical Evidence from the Archean Mozaan Group (∼2.9 Ga) of South Africa. The Journal of Geology 106, 523–538