Great Unconformity e Snowball Earth: presentate convincenti prove sulla connessione fra i due fenomeni

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

Qualche anno fa avevo parlato della “Great Unconformity”, una discordanza comune su tutta la Terra in cui i sedimenti glaciali del Criogeniano o più recenti poggiano su rocce di crosta profonda, in diversi casi di età poco più antica. Quindi sembra che in quel periodo la Terra sia stata caratterizzata da una fase di erosione estremamente accelerata. Nel 2019 fu avanzata l’ipotesi che il collegamento fra questa fase erosiva e i ghiacci delle fasi a Terra palla di neve (Snowball Earth) del Criogeniano non sia casuale, ma causale: insomma, alla base della Great Unconformity ci sarebbe stata l’intensa azione erosiva delle grandi calotte glaciali. È appena uscito un lavoro che fornisce ottime indicazioni su questo legame, attraverso lo studio degli zirconi contenuti in una delle più celebri serie sedimentarie dell’epoca, lo scozzese supergruppo Darlradiano.

LA GREAT UNCONFORMITY E LA RAPIDA ESUMAZIONE A SCALA MONDIALE DI CROSTA PROFONDA. Ci sono diversi casi recenti di esumazione di parti molto profonde della crosta; uno di questi è a casa nostra, nelle Alpi Occidentali, ma si tratta di “casi isolati” dovuti a circostanze tettoniche particolari. Invece nel Criogeniano, il periodo dell’era Neoproterozoica che abbraccia l’intervallo fra 720 e 635 milioni di anni fa, questo processo appare sistematico a scala mondiale, portando all’esumazione di crosta profonda praticamente in tutte le successioni dell’epoca, provocando quella caratteristica nota come “Great Unconformity”: una enorme lacuna nel registro stratigrafico della Terra spesso evidente sotto la base del Cambriano. Ad esempio i sedimenti glaciali del Criogeniano, le diamictiti e i sovrastanti "carbonati di copertura" “cap carbonates” (o, 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, talvolta in tempi di poco più antichi, come ad esempio in Oman (Bowring et al., 2007) o nella zona del Grand Canyon (Karlstrom & Timmons, 2012),

la carta di Li et al (2013) evidenzia come durante il Criogeniano
la maggior parte delle masse continentali
fosse a medie e basse latitudini

LE FASI DI SNOWBALL EARTH (TERRA A PALLA DI NEVE. Ho parlato di sedimenti glaciali: durante il Criogeniano il nostro pianeta è stato interessato da 2 fasi in cui i ghiacci hanno raggiunto le zone tropicali: sono gli episodi noti come Snowball Earth (letteralmente: Terra a palla di neve) in cui la Terra sarebbe stata completamente ricoperta da ghiacci (Hoffman e Schrag, 2000). C'è poi una terza fase di breve durata (Gasker) nell'Ediacarano, circa 580 milioni di anni fa. Il livello globale di glaciazioni raggiunto almeno nello Sturtiano e nel Marinoano è attestato dai depositi glaciali che si trovano in tutte le successioni rimaste dell’epoca e come si vede da questa carta tratta da Li et al (2013) una buona parte delle terre emerse e ricoperte dalle calotte glaciali si trovava in posizioni tropicali o subtropicali (Li et al, 2013), a differenza delle glaciazioni del permo-carbonifero e di quelle attuali in cui le calotte si trovano in masse continentali collocate ad alte latitudini (il Gondwana al polo sud e la Siberia al polo nord 300 miloni di anni fa, Antartide e Groenlandia adesso e fino a 20.000 anni fa anche Nordamerica e Scandinavia)

L’idea è che durante gli oltre 60 milioni di anni di glaciazione totale le calotte glaciali abbiano promosso la denudazione continentale direttamente attraverso l'erosione operata dagli stessi ghiacciai, ma anche abbassando il livello del mare a scala globale ed esponendo qundi i continenti a una maggiore erosione subaerea (Brenhin Keller et al, 2019).

Le cause degli eventi di Snowball Earth del Neoproterozoico rimangono ancora controverse: sono state ipotizzate diverse possibili cause extraterrestri, geodinamiche, oceanografiche e biotiche, alcune delle quali potrebbero essere correlate fra loro attraverso vari meccanismi di feedback. Quindi se una causa scatenante principale potrebbe essere la diminuzione improvvisa del tenore atmosferico di CO2 (toh..) è difficile individuare il perché sia successo e comunque quali possano essere altri meccanismi correlati e quindi mai come in questo caso le “soluzioni semplici a problemi complessi” sono da evitare ed è una questione complessa che non compete a questo post. Ma spero di parlarne a breve.

IL DALRADIAN SUPERGROUP, UNA FINESTRA SUL NEOPROTEROZOICO. Il Dalradian supergroup dell'Irlanda e della Scozia è una delle successioni sedimentarie più note e più complete dell’epoca che va tra il Neoproterozoico e il Cambriano, accumulatasi tra il tardo Toniano (circa 800 milioni di anni fa) e il Cambriano lungo il margine continentale della Rodinia. Poco dopo, tra l’Ordoviciano e il Devoniano, durante l’orogenesi caledoniana questi sedimenti sono stati metamorfosati, in facies a basso (scisti verdi) o medio grado (anfiboliti).

L’evoluzione geodinamica ha guidato l’evoluzione sedimentaria del Dalradian supergroup, che per questo è suddiviso in gruppi diversi, ciascuno con il proprio significato geodinamico :

• la parte più antica appartiene al gruppo dei Grampiani, composto da sedimenti deposti nel Toniano in un bacino di avampaese davanti all’orogene Knoydartiano, un sistema attivo fra 820 e 725 milioni di anni fa (Krabbendam et al, 2021), di cui rimangono tracce nella Scozia occidentale
• Il sovrastante Gruppo di Appin si è deposito nella successiva fase postorogenica
• i Gruppi di Argyll e delle Southern Highlands si sono accumulati in bacini di rift formatisi durante la disgregazione della Rodinia, nel contesto delle prime fasi dell'apertura dell'Oceano Giapeto

La cosa molto interessante per capire le cause della Great Unconformity è che il gruppo di Argyll conserva una documentazione ben documentata delle glaciazioni criogeniane:

• la Formazione di Port Askaig è correlata alla lunga glaciazione Sturtiana (717-658 milioni di anni fa),
• la Diamictite di Stralinchy e il sovrastante Calcare di Cranford (un classico carbonato di copertura) sono correlati alla glaciazione Marinoana (645-635 milioni di anni fa)
• gli strati detritici trasportati dal ghiaccio all'interno dei Fahan Grits sono correlati alla più recente glaciazione Gaskiers (580 milioni di anni fa)

GLI ZIRCONI COME “FIRMA” DEI BLOCCHI CRUSTALI. Uno zircone è per sempre: gli zirconi resistono praticamente a tutto e sopravvivono per miliardi di anni dopo che si sono cristallizzati: refrattari nel mantello e nella crosta alla fusione durante la formazione intorno ad essi di nuovi magmi, non si alterano né con gli agenti atmosferici né con il metamorfismo, né con altri agenti all'interno della crosta. Insomma, dal punto di vista geochimico il sistema viene "chiuso" all'atto della formazione del cristallo. Essendo quindi “impermeabili” a fattori esterni e contenendo uranio, sono una delle fonti principali delle datazioni radiometriche. Di conseguenza nelle rocce magmatiche di ambiente orogenico o nei loro derivati sedimentari e metamorfici esistono zirconi di varia età che vengono riciclati nel tempo in rocce magmatiche, metamorfiche o sedimentarie successive.

Così, ad esempio, è stato visto che l'abbondanza nel tempo degli zirconi non è costante e da questo è stato facile capire che se ne formano di più in corrispondenza delle fasi più acute di magmatismo orogenico, in genere durante la formazione dei supercontinenti (Nance et al, 2014).

Ogni successione sedimentaria ha la sua propria “firma zirconica” e cioè è caratterizzato da una sua peculiare distribuzione delle età degli zirconi, che vengono conferiti con l’erosione ai sedimenti del bacino che li raccoglie. Quando in una serie sedimentaria cambia la firma zirconica è evidente quindi che è cambiata l’area di provenienza dei sedimenti.

le brusche variazioni dell'indice di varianza in corrispondenza della fine degli episodi di 
Snowball Earth (S: Sturtiano, G: Gasker). Da Kirkland et al (2025)

GLI ZIRCONI DEL DALRADIAN SUPERGROUP PROVANO IL COLLEGAMENTO FRA GREAT UNCONFORMITY E GLI EPISODI DI SNOWBALL EARTH. Per testare l’ipotesi di Brenhin Keller et al, (2019) e quindi verificare la connessione causale e non casuale fra erosione accelerata e glaciazioni, Kirkland et al (2025) hanno studiato le età degli zirconi del Dalradian supergroup, i quali ovviamente non hanno subito nessuna conseguenza dal metamorfismo a cui sono stati sottoposti i sedimenti durante l’orogenesi caledoniana. Sono stati esaminati in particolare il coefficiente di varianza (e cioè quante età degli zirconi si trovano in un determinato strato) e la quantità di zirconi più antichi: una erosione glaciale diffusa degli interni continentali dovrebbe riflettersi in cambiamenti nella provenienza dei sedimenti e quindi della firma zirconica.

Sono stati rilevati due chiari trend: l’aumento nel tempo della percentuale degli zirconi più antichi e della varianza delle età. Il tutto implica che l’erosione abbia progressivamente nel tempo interessato un numero sempre maggiore di unità tettoniche più antiche.

Se l’aumento dell’età è progressivo, il valore della varianza aumenta bruscamente e soltanto nei sedimenti deposti alla fine delle fasi di Snowball Earth. In questo contesto Kirkland et al (2025) che significativamente intitolano l’articolo “la ramazza glaciale del Neoproterozoico” interpretano queste variazioni in due modi:

• l’aumento graduale della frazione più antica degli zirconi è dovuto all’instabilità tettonica dovuta al rifting, che provoca un sollevamento e quindi l’arrivo in superficie di parti sempre più profonde della crosta
• l’aumento improvviso della varianza è troppo veloce per attribuirlo a cause tettoniche e siccome si ripete dovunque e soltanto alla fine delle fasi di Snowball Earth è dovuto invece alla erosione accelerata che a scala globale ha provocato la Great Unconformity,

Questa dunque è una prova sostanzialmente molto a favore dell’ipotesi di uno stretto legame fra le glaciazioni del Criogeniano e la formazione della Great Unconformity

BIBLIOGRAFIA

• 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
• Krabbendam et al (2022). A new stratigraphic framework for the early Neoproterozoic successions of Scotland. Journal of the Geological Society, 179, 2021-054
• Kirkland et al (2025). The Neoproterozoic glacial broom Geology, v. 53, p. 435–440
• Li et al (2013). Neoproterozoic glaciations in a revised global palaeogeography from the breakup of Rodinia to the assembly of Gondwanaland. Sedimentary Geology 294,219–232
• Nance et al (2014). The supercontinent cycle: A retrospective essay. Gondwana Research 25, 4–29