Il "nucleo fondativo dell'Eurasia": dagli Urali alla Cina la fascia orogenica dell'Asia Centrale

Non ci sono dubbi che l’Eurasia sia una delle figure preminenti della superficie terrestre. Però si tratta di un continente geologicamente recente e le sue origini sono generalmente poco note. In Italia c’è una florida scuola di Geologia Himalayana che risale ai primi anni del XX secolo con la spedizione del duca degli Abruzzi (non per nulla c’è una sezione apposita persino nella Società Geologica Italiana), ma quello dell’India non è altro che l’ultima collisione avvenuta in quell’area: a nord del Tibet c’è una lunga storia, abbastanza sconosciuta “ai più”, che sta venendo fuori solo negli ultimi decenni grazie agli eccellenti risultati di ricercatori cinesi. Una storia che parla di come, con l’amalgamazione di alcune piccole masse continentali, si è sviluppato il “nucleo fondatore” dell’Eurasia.



Carta da [1] dove si vede l'enorme estensione dell'orogene dell'Asia centrale 

LA FASCIA OROGENICA DELL’ASIA CENTRALE: IL NUCLEO FONDATIVO DI EURASIA. L’Eurasia ci appare una cosa massiccia ma è una figura geografica abbastanza recente, frutto dello scontro e della amalgamazione di una serie di aree continentali più piccole. Nella formazione del continente ci sono state delle “amalgamazioni multiple” di cui l’Iran è un perfetto esempio: prima (nel Triassico) è andato a collidere verso NE contro il Kazhakstan (a sua volta già unito a Siberia, Tarim, Lhasa etc etc), formando l’orogene cimmeride e diventando così per un bel po' il limite SW dell’Asia; poi nel Miocene, circa 40 milioni di anni fa, da SW è arrivata l’Arabia, per cui adesso il blocco iraniano si trova schiacciato fra il nucleo dell’Eurasia e quest’ultima. La sismicità attuale dell’orogene cimmerico dimostra che questa vecchia cicatrice è stata riattivata da questo ultimo scontro. Ne ho parlato qui. 


Il nucleo intorno al quale si è formata l’Eurasia è una vasta area tra Europa orientale, Siberia occidentale, Cina Orientale e repubbliche ex sovietiche dell’Asia centrale; si è creato nel Paleozoico inferiore quando, con la chiusura dell’oceano paleoasiatico, si sono amalgamati insieme 5 blocchi crustali principali (Europa orientale, Siberia occidentale, Kazakhstan, Tarim e Tianshan) e una serie di archi magmatici che erano in mezzo. 
Il risultato è la fascia orogenica dell’Asia Centrale (in sigla CAOB – Central Asian Orogenic Belt): si tratta di una “cosa” di dimensioni gigantesche, il più esteso collage orogenico attualmente visibile sulla Terra, come si vede in questa carta tratta da [1]. 
Nel CAOB è registrata una lunga storia sedimentaria dal tardo Proterozoico al Mesozoico e una serie di episodi di convergenza di placche che è iniziata lungo il margine di un piccolo continente che comprendeva la attuale Siberia occidentale con le Bajkalidi nel Neoproterozoico, tra 850 and 570 milioni. Il clou delle deformazioni è iniziato nell’Ordoviciano, 450 milioni di anni fa, e ha comportato  la chiusura definitiva dell’oceano Paleo-Asiatico che si è definitivamente conclusa all’inizio del Triassico 250 milioni di anni fa.



Carta da [3] che illustra la paleogeografia all'inizio del Cambriano

IL SUPERCONTINENTE DI PANNOTIA E LA SUA PRIMA FRAMMENTAZIONE. Per parlare della storia dell’Eurasia (che all’inizio è la storia del CAOB) bisogna partire da quando, tra 600 e 500 milioni di anni fa si formò un supercontinente, spesso chiamato Gondwana. Il nome può trarre in inganno, perché insieme al Gondwana che conosciamo comunemente, quello Permo – Triassico formato da Sud America, Afro-Arabia, Madagascar, India, Australia e Antartide, il Gondwana dell’epoca comprendeva praticamente tutte le terre emerse dell’epoca e quindi per questo è con Ur (forse), Nuna, Rodinia e Pangea uno dei supercontinenti della storia della Terra. Diciamo che sotto certi aspetti concorderei con Powell e Dalziel che chiamarono questo continente “Pannotia”[2]: si eviterebbe una certa confusione fra la configurazione cambriana e quella permiana del continente. 
Il problema è che il supercontinente ha iniziato a fratturarsi subito dopo la sua agglomerazione, tantochè in pratica la tettonica degli ultimi 500 milioni di anni si potrebbe riassumere così: una perdita di pezzi da parte del supercontinente meridionale (Gondwana o Pannotia, come volete..) che a poco a poco si stanno riagglomerando in un continente settentrionale (a parte l’Antartide..). 

Insomma, da quando si è aggregato, tra Ediacariano e Cambriano, e fino alla quasi improvvisa frantumazione finale nel Mesozoico delle parti che erano rimaste ancora unite, per tutto il Paleozoico il Gondwana ha continuato a perdere pezzi, di cui una buona parte si sono poi riamalgamati nell’Eurasia. Quindi per questo io preferirei parlare di Pannotia, che comprende il Gondwana permiano più gli altri pezzi che vi appartenevano all’inizio del Paleozoico.

 In questa carta da [3] si vede la situazione poco dopo l'inizio della frammentazione di Pannotia: Kazakhstan e Siberia sono abbastanza vicini a Baltica e Laurentia, il Tarim è un pò più lontano

I CONTINENTI COINVOLTI NELLA COSTRUZIONE DEL CAOB. Siamo abituati a pensare all’Eurasia come un corpo massiccio e stabile, ma in realtà si tratta di un nucleo stabile per modo di dire, visti i forti terremoti che contraddistinguono tutta l’area a nord del Tibet, anche se il tutto è “meravigliosamente” dovuto a cause esterne, cioè essenzialmente alla pressione che l’India esercita incuneandosi nel continente.
 I blocchi continentali coinvolti nella formazione del CAOB si sono staccati precocemente da Pannotia e i resti delle zone oceaniche che li dividevano sono compresi nella denominazione di oceano Paleo – Asiatico.  Vediamoli in dettaglio:

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il continente siberiano comprende quella parte della Siberia che va dagli Urali fino all’estremità orientale dell’altopiano della Siberia centrale, tra l’oceano Artico a nord, il lago Baikal a sud, il fiume Yenisey a ovest e il mare di Okhotsk a NE. I suoi bordi sono lungo delle fasce orogeniche paleozoiche e mesozoiche [4]. La più antica, a sud, è quella del CAOB e corrisponde più o meno ai monti Altai, dove è registrata la collisione con la placca dell’oceano Paleoasiatico. Uno scontro complesso dato che, come ho detto, c’erano diversi archi magmatici divisi da spezzoni di crosta oceanica (forse bacini marginali) che adesso sono tutti schiacciati contro il continente
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Kazakhstania era una piccola massa continentale isolata, con un basamento paleoproterozoico e una copertura sedimentaria più recente [5], bordata ad est da una zona di subduzione grazie alla quale numerose unità vi si sono state nel tempo accrete (diciamo “in italiano” che vi si sono attaccate), più o meno come in Siberia
• il Tarim corrisponde bene o male alla depressione del Tarim, nella Cina Orientale (lo Xinjiang, per il governo cinese, il Turkestan orientale o l’Uiguristan per le popolazoni autoctone). Anche qui c’è un basamento precambriano, con una copertura sedimentaria che arriva fino al paleozoico superiore [6]. Da notare anche la presenza di una estesa successione basaltica che forma la Large Igneous province permiana dei basalti del Tarim
• il cratone Est Europeo, di cui ho parlato diffusamente in diversi post, cominciando da questo LINK, è l’Europa orientale, a NE della linea di sutura trans – europea che va grossolanamente dal mare del Nord all’Ucraina [7].
• il Tianshan non era invece un continente: si tratta di un collage lungo 2400 km composto dai resti di una serie di archi magmatici intraoceanici  posto nell'oceano paleoasiatico che so estende da E del lago di Aral fino al Tianshan propriamente detto [8]

In questa carta da [8] vediamo quella che poteva essere la situazione 430 milioni di anni fa, nel Siluriano, quando l’oceano Paleoasiatico aveva concluso la sua espansione e stava iniziando a chiudendosi (ci sono voluti altri 200 milioni di anni per concludere il tutto).

 Notiamo come il tutto si è svolto ad una latidudine moltoinferiore a quella dove attualmente sono questi blocchi e che dall'epoca tutto il ristema è ruotato praticamente di 90°.

La situazione attuale delle coste asiatiche del Pacifico, 
con zone di subduzione attive e fossili 

CAOB: UN PUZZLE DIFFICILE DA RISOLVERE.  La dinamica di formazione del CAOB è ancora dibattuta e la ricostruzione dell’Oceano Paleoasiatico e dei continenti che lo circondavano è piuttosto complessa, perchè non siamo davanti a un tipico scontro continente – continente, dove c’è una sutura singola o poco più e le cose sono abbastanza lineari e ricostruibili. È abbastanza ovvio che dell’oceano paleoasiatico siano rimaste poche tracce, essendo per la maggior parte finito nel mantello nelle diverse zone di subduzione che si sono alternate nel tempo e nello spazio; ma la questione è che le zone di convergenza sono state poco lineari: si tratta di un puzzle di parti di oceano, archi magmatici, bacini marginali e persino catene di isole vulcaniche come le Hawaii strizzati fra 5 masse continentali.
 Insomma, molte delle zone di convergenza assomigliavano più ad un margine tipo quello asiatico del Pacifico che ad uno di tipo andino: vediamo nella carta qui accanto la situazione asiatica attuale, con i suoi vari sistemi di arco intraoceanici attivi o relitti, che si ripetono nel tempo e/o nello spazio (in Giappone, ad esempio, abbiamo delle unità tettoniche mesozoiche che si sono formate in un ambiente simile a quello che adesso troviamo tra l’arcipelago e la fossa oceanica che lo borda), bacini marginali tra l’arco magmatico e il continente come il mar del Giappone, placche intermedie come quella del mare delle Filippine, inversioni della direzione della subduzione come tra Taiwan e le Filippine. 
Immaginiamoci che in futuro un continente proveniente da sudest vada a sbattere conto il margine asiatico e strizzi tutto quanto e proviamo a immaginare cosa ne possa venire fuori e come da quel macello si possa ricostruire la paleogeografia attuale.. e per il CAOB di margini del genere ce n’erano almeno 3 se non 4!. Quindi… beh… ricostruire la storia del CAOB è quantomai difficile e non ci si può stupire delle tante interpretazioni che ci sono nella letteratura scientifica! 



UNA RICOSTRUZIONE ATTENDIBILE DELLA STORIA DEL CAOB. Queste sezioni, sempre da [8] ci fanno vedere quella che ritengo sia la ricostruzione più vicina alla realtà lungo la traccia della figura precedente, anche se alle volte mi sembra un pò troppo perversamente complessa per essere vera.
 La prima fa vedere la situazione  nel Paleozoico inferiore, quando solo il limite settentrionale e quello lungo il Kazakhstan, non visibile in sezione, sono in subduzione e parallelamente a quella lungo il continente ce n’è una zona di subduzione più a largo, una situazione che ricorda, appunto,  l’odierna Asia Orientale dove lungo il continente ci sono le subduzioni sotto il Giappone e le Filippine e, più a largo nell’oceano, gli arcipelaghi di Usu-Bonin e Marianne.
 

Poi la faccenda si complica: dall'Ordoviciano medio (ca 450 milioni di anni fa) inizia la compressione anche lungo il margine opposto a quello siberiano,  nel Tarim, dove il margine era invece di tipo andino [10], e nascono altre zone di chiusura intermedie fino a quando la distanza fra Tarim e gli Altai si riduce di centinaia di km e, alla fine del Paleozoico, non c’è più traccia dei vari bacini a crosta oceanica che vi erano frapposti 200 milioni di anni prima.
 

La fine dei processi tettonici direttamente connessi con il CAOB è avvenuta tra la fine del Permiano e l’inizio del Triassico, quindi circa 250 milioni di anni fa. A quel punto il “nucleo fondante” dell’Eurasia, tra l’Europa Orientale e la Mongolia, si era formato. 

Annoto che non tutti sono d'accordo sulla formazione di un margine attivo con relativa subduzione sotto il Tarim.

LA SUCCESSIVA AGGLOMERAZIONE DI ALTRI CONTINENTI NELL’EURASIA. Fuori dal CAOB, ad ovest, l’Europa occidentale si era saldata già al cratone est europeo lungo la zona di frattura trans – europea e successivamente al nucleo fondante si sono uniti altri pezzi, determinando la formazione dell’Eurasia come la conosciamo oggi: nel Triassico Cina settentrionale, Tibet (Lhasa), Iran e Afghanistan, nel Giurassico Siberia orientale e Cina meridionale (che si era appena fusa con Subumanu e Annamia, cioè Indocina e parte dell’Indonesia) e nel Terziario India e Arabia. Se non si fosse aperto il Mar Rosso anche l’intera Africa si potrebbe definire come facente parte della stessa massa continentale; comunque possiamo alternativamente pensare a questi altri due scenari:
- Eurasia e Africa sono unite lo stesso conteggiando la continuità crustale sotto l’istmo di Suez
- erano unite fino all’apertura del Mar Rosso

. 

Queste collisioni successive alla costruzione del CAOB, specialmente quelle del blocco di Lhasa (sostanzialmente il Tibet), dell’India e della Cina Settentrionale, hanno rimesso in movimento alcune delle vecchie cicatrici dell’orogene, modificando ulteriormente il quadro. L’esempio classico è, sia pure leggermente al di fuori del CAOB, la faglia di Altyn Tagh (ne ho parlato qui), il vecchio limite dello scontro fra il Tarim e il blocco di Lhasa, lungo la quale la collisione dell’India ha provocato una ulteriore dislocazione di oltre 400 km, con un movimento che persiste tutt’ora [11]. Anche i forti eventi sismici nella catena del Tianshan, che è proprio una delle parti del CAOB sono alla fine dovuti alla “spinta” dell’India che fa muovere ancora le faglie paleozoiche, senza la quale questa catena avrebbe la stessa attività sismica di catene come come gli Appalachi o la Scandinavia… nell’area del CAOB ci sono stati più di 60 eventi con M superiore a 6 negli ultimi 50 anni… per essere una zona lontana da margini di placca convenzionali non è male...



[1] Han et al 2011 Late Carboniferous collision between the Tarim and Kazakhstan–Yili terranes in the western segment of the South Tian Shan Orogen, Central Asia, and implications for the Northern Xinjiang, western China Earth-Science Reviews 109, 74–93
2. 
[2] 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.
[3]  Santosh et al 2009 The making and breaking of supercontinents: Some speculations based on superplumes, super downwelling and the role of tectosphere Gondwana Research 15, 324–3414. 
[4] Rosen et al 1994 Archean and Early Proterozoic Evolution of the Siberian Craton: A Preliminary Assessment Developments in Precambrian Geology 11,411-459
4
[5] Bazhenov et al 2012 Unraveling the early–middle Paleozoic paleogeography of Kazakhstan on the basis of Ordovician and Devonian paleomagnetic results Gondwana Research 22, 974–991

[6] Zhang et al 2013 Tectonic framework and evolution of the Tarim Block in NW China Gondwana Research 23,1306–1315
6
[7] Mints 2015 Tectonic zoning of the Early Precambrian crust of the East European Platform GSASpecial Paper 510,9–13
[8]  Xiao et al 2013 Paleozoic multiple accretionary and collisional tectonics of the Chinese Tianshan orogenic collage Gondwana Research 23, 1316–1341
[9] Xiao et al 2014 How many sutures in the southern Central Asian Orogenic Belt: Insights from East XinjiangeWest Gansu (NW China)? Geoscience Frontiers 5, 525-536
[10] De Jong et al 2006 Ordovician 40Ar/39Ar phengite ages from the blueschist-facies Ondor Sum subduction–accretion complex (Inner Mongolia) and implications for the Early Paleozoic history of continental blocks in China and adjacent areas. American Journal of Science 306,799–845
[11] Yang et al 2001 Tectonic significance of early Paleozoic high-pressure rocks in Altun–Qaidam–Qilian Mountains, north- west China. Geological Society of America Memoir 194, 151–170

AGM2015: la carta del flusso di geneutrino e lo spessore della crosta continentale

Nel 2015 è stata pubblicata AGM2015, la carta del flusso globale di antineutrini sulla superficie terrestre. Si tratta di un documento interessante perché il flusso di antineutrini è correlato con lo spessore crustale ed evidenzia quindi le zone dove questa è più spessa. La carta evidenzia anche le emissioni antropiche di antineutrini, che si collocano chiaramente sulle centrali nucleari.

La carta generale da[2]: si notano gli impianti nucleari
in Europa, Stati Uniti e Asia Orientale

LA TERRA E I NEUTRINI. Le fonti di neutrini rilevate includono i reattori nucleari, il Sole, gli acceleratori di particelle, l'atmosfera, il collasso del nucleo di supernove e, più recentemente, il cosmo. Ma anche la Terra stessa brilla come una debole stella a neutrini, tantochè nel 1966 Gernot Eder (1929-2000), fisico teorico dell'Università tedesca di Gessen, propose l'uso dell'emissione di neutrini (anzi, di geoneutrini) per misurare l'abbondanza di alcuni elementi chimici selezionati [1]. Un confronto con le meteoriti condritiche ha consentito di affermare che i geoneutrini sono prodotti soltanto nella “Terra a silicato” e cioè nel mantello e nella crosta, mentre il nucleo non ha una sufficiente concentrazione di elementi che producono geoneutrini durante le reazioni di fissione. Il flusso di geoneutrino è quindi prodotto dal decadimento di radioisotopi presenti nel mantello e, soprattutto, nella crosta, dove si sono accumulati negli ultimi 4 miliardi di anni, perché quando il mantello si fonde parzialmente questi elementi entrano preferenzialmente nei fusi magmatici; i principali sono Uranio 238 e 235, Torio 232, Potassio 40, Rubidio 87, Cadmio 113, Indio 115, Lantanio 138, Lutezio 176 e Renio 187. 50 anni dopo la proposta di Eder lo sviluppo di rivelatori di antineutrini di nuova generazione ha consentito nel 2015 la produzione della Antineutrino Global Map 2015 (AGM2015) [2], risultato della modellizzazione del flusso di antineutrini attraverso la superficie terrestre sullo spettro energetico da 0 a 11 MeV, insieme a una valutazione degli errori sistematici. 

Si misurano gli antineutrini perché la metodologia usata riesce a misurare solo loro e non le altre particelle della famiglia. AGM2015 modella la Terra come una nuvola di punti 3D composta da circa 1 milione di punti, considerando però fra gli isotopi neutrinogeni solo Uranio 238 e Torio 232, poiché l’energia cinetica prodotta da tutti gli altri isotopi è considerevolmente al di sotto della soglia di rilevazione di energia, che è di 1,8 MeV. Gli antineutrini che provengono dall'interno del nostro pianeta vincolano i modelli geochimici sulla distribuzione degli elementi radiogenici della Terra. 

La carta depurata delle emissioni artificiali
delle emissioni di antineutrini di U238 e Th 232 

EMISSIONI NATURALI E ANTROPICHE DI NEUTRINI. Lasciamo perdere i complicati (per me) calcoli su come è stata fatta questa mappa e vediamo la mappa stessa con alcune considerazioni. Devo solo ricordare che, come italiani, dobbiamo essere orgogliosi perché uno dei siti nodali che hanno permetsso di realizzare questa ricerca è il laboratorio del Gran Sasso, con l'esperimento Borexino. La prima mappa mostra sia le emissioni di neutrini naturali che quelle provocate dall'uomo. Queste ultime sono pesanti e puntuali: provengono chiaramente da centrali nucleari e AGM2015 comprende tutti i reattori "operativi" o "temporaneamente fermi". Nel 2015 molti reattori in Giappone erano offline dopo il disastro di Fukushima: sono classificati in "arresto temporaneo" piuttosto che in "arresto permanente" (di fatto a mano a mano stanno riprendendo la loro attività). 

Nella seconda mappa vediamo solo le emissioni naturali e notiamo come la prima caratteristica che balza agli occhi sia l'enorme differenza tra continenti e oceani: la crosta continentale ha quindi una funzione preminente nel flusso di geoneutrini. Nell'Oceano Atlantico e Indiano il valore minimo delle emissioni è allineato con le dorsali medio oceaniche, mentre nel Pacifico del Sud il limite non è così allineato. Probabilmente la distanza dalla crosta continentale è la discriminante principale nella quantità di flusso di neutrini, mentre le diverse età della crosta oceanica non sono importanti.

Carta della profondità della Moho
dal progetto CRUST 2.0 [3]

Nella crosta continentale si evidenzia in primo luogo un forte legame tra flusso di geoneutrini e spessore crustale (visibile in questa mappa del progetto Crust 2.0 [3]; inoltre le emissioni sono maggiori lungo alcuni degli orogeni creati da collisioni continente - continente, come Urali, Alpi - sistema dell'Himalaya dal Mar Mediterraneo alla Cina, e Trans-Huroniano. 

La Moho, la discontinuità alla base della crosta, identificata da Andrjia Mohorovičić nel 1910, separa la più leggera crosta continentale e la crosta oceanica basaltica dal più denso mantello superiore, a composizione peridotitica. Poiché la discontinuità di Moho è il limite crosta-mantello, i termini "profondità della Moho" e "spessore crustale" sono sinonimi. Anche se la mappa è a scala molto elevata, è possibile vedere facilmente alcune caratteristiche crustali a scala continentale. 

FLUSSO DI GEONEUTRINI E CROSTA CONTINENTALE DELL'EURASIA. Iniziamo dall'Europa, dove il flusso di neutrini mostra una discontinuità proprio dove cambia la profondità della Moho lungo la zona di sutura transeuropea (TESZ), la linea che definisce il limite tra gli orogeni paleozoici e più recenti e il cratone stabile dell'Europa orientale, dove dopo la fine del precambiano è successo davvero poco [4]: le aree soggette nel Paleozoico all’orogenesi varisica e a quella caledoniana hanno una crosta di spessore abbastanza sottile, inferiore a 35 km, perché, in particolare nel Permiano dopo l’orogenesi varisica e nel terziario con la formazione del sistema di fosse del Reno – Rodano, l’area interessata a questa collisione è stata soggetta a forti eventi distensivi. Invece sotto il cratone est europeo lo spessore crustale è in genere superiore ai 45 km.

La crosta più spessa di alcuni recenti orogeni (Alpi, Dinaridi e Carpazi) è caratterizzata da un maggiore flusso di neutrini, mentre negli Appennini e nei Pirenei il basso valore del flusso è compatibile con il non elevato spessore crustale sotto queste montagne. Si nota anche che tra Dinaridi e Carpazi una zona di valore inferiore caratterizza Ungheria ed aree adiacenti: si tratta del bacino pannonico, dove la crosta è molto assottigliata (fino a soli 25 km di spessore). 

In AGM2015 Alpi e Dinaridi sono gli estremi occidentali di una cintura ad alto flusso di geoneutrini che dall’Europa Meridionale arriva all’Asia centrale, passando per l'altopiano anatolico e i monti Zagros (dove la Moho è profonda fino a 50 e 65 km) e per il complesso Pamir – Hindu-Kush. La fascia termina con il Tibet, sotto il qualee la crosta può raggiungere i 70-85 km di spessore e il flusso di geoneutrini è ai massimi. Dobbiamo questo spessore particolarmente elevato alle radici profonde dell'intero orogene alpino-himalayano e alle sue caratteristiche litosferiche. 

A nord del Tibet, una zona a spessore crustale molto elevato (e alto flusso di neutrini) corrisponde, sotto i monti Altai alla parte centrale del grande Orogene dell'Asia Centrale, grazie al quale nel Paleozoico si è amalgamato il nucleo principale del continente asiatico.

La topografia della Moho in Siberia è piuttosto complessa [5]; in questo caso la bassa densità dei dati del reticolo di AGM2015 la “semplifica” un po': si vedono abbastanza bene gli Urali e la zona rimasta quasi immutata dal Precambriano, dove la profondità della Moho è generalmente compresa tra i 40 e i 45 km, mentre in mezzo il bacino della Siberia occidentale, caratterizzato da crosta un po' più sottile, ha valori di flusso un po' più bassi. Ad est, dai monti Verhojansk in poi, la crosta è molto meno spessa, risultante da una complessa storia geologica paleozoica e mesozoica. 

Strutture dell'Eurasia e flusso di geoneutrini

In Cina l’orogene mesozoico di Dabie, formatosi quando la Cina del Sud si unì a quella settentrionale, nonostante la sua origine da una collisione continentale ha radici poco profonde e nella mappa non è facilmente identificabile; si vede benissimo invece come il flusso di geoneutrini sia in armonia con la divisione fra la sottile crosta sotto la Cina costiera e la spessa crosta della Cina più interna. Il passaggio avviene al limite tra il Tibet orientale e il bacino del Sichuan, dove si ha una caduta di circa 20 km nella profondità di Moho, in corrispondenza del brusco cambiamento di altitudine [6].

L'AFRICA, UN CONTINENTE MATURO.  In questo continente non ci sono in corso eventi orogenici tranne nel suo margine NE, dove l'orogene Maghrebino, come la sua continuazione settentrionale, l'Appennino, non produce un significativo ispessimento della crosta e quindi non mostra un particolare aumento del flusso di geoneutrini. La maggior parte dell'Africa è posta sopra una litosfera precambriana, con profondità della Moho normalmente compresa tra 35 e 40 km, anche se possiamo osservare una crosta più sottile nell'Africa equatoriale rispetto al nord e al sud del continente [7]. I massimi spessori crustali, oltre 45 km, che troviamo in una piccola fascia nell'Angola del nord (traccia dell'orogene di Damara, formatosi a cavallo di neoproterozoico e cambriano quando si scontrarono i continenti del Kalahari e del Congo) e nell'estemo sud del continente (la ancora non ben chiarita fascia orogenica del Capo del Permiano), non danno un grande segnale, forse per le loro ridotte dimensioni. 

Il flusso di geoneutrini in America Settentrionale e la profondità della Moho da [8]  

AMERICHE, AUSTRALIA E ANTARTIDE. In Nord America la correlazione fra geoneutrini ed eventi orogenici che hanno ispessito la crosta è evidente: le Montagne Rocciose hanno un alto flusso in sintonia con una Moho profonda più di 50 km. Un'altra fascia ad alta emissione caratterizza l'orogene Trans-Hudsoniano: si tratta di un evento tettonico molto vecchio (1.8 miliardi di anni) in cui alcuni piccoli cratone hanno costruito il primo nucleo del continente nordamericano. Anche lungo questo lineamento troviamo più di 40 km di spessore crustale, fino al bordo SW della baia di Hudson. Parallelamente a questo massimo, un'altra fascia di flusso elevato termina sul bordo SE della baia di Hudson: corrisponde al Rift del Lago Superiore (noto anche come Midcontinental rift), che iniziò ad aprirsi dentro Laurentia poco più di un miliardo di anni fa. Sembra strano che una zona di rift abbia una crosta spessa, ma questo aspetto è una conseguenza degli eventi successivi: l'area è stata coinvolta in un evento di compressione e così tutto il sistema di rift si è ristretto, ma anche ispessito; il risultato è una crosta di oltre 45 km di spessore sotto il lago Superiore. Dobbiamo invece notare che il legame tra la profondità di Moho e il flusso di neutrini non è perfetto lungo la costa orientale del Nord America: sembra che il flusso più alto sia posto sotto la catena degli Appalachi, ma questa non è una crosta più spessa che immdiatamente all'interno, perché, come in Cina, la Moho si approfondisce dalla costa verso l'interno.

Le aree dove la crosta è più sottile di 30 km, come la Florida e la California, invece, mostrano un flusso di neutrini molto basso. 

Anche l'America Centrale ha una crosta sottile: solo sotto la catena vulcanica lungo la costa pacifica lo spessore supera i 30 km e lungo la costa orientale è inferiore a 25 km. 

Per questo motivo il flusso di geoneutrini è basso e aumenta improvvisamente al confine tra la placca caraibica e quella del Sud America, caratterizzata da una crosta più spessa. Come prevedibile, il massimo valore del flusso è posto nell'Altiplano boliviano, in corrispondenza dello spessore massimo della crosta continentale attuale (più di 70 km [9]) se non si considera il Tibet. In qualche modo è visibile una caduta del flusso sul canale di crosta più sottile che si trova immediatamente sotto la Cordigliera. In Brasile, il Minas Gerais corrisponde a un'area di crosta relativamente più spessa (40 km) che fornisce un piccolo segnale di maggiore flusso di geoneutrini. Nel margine meridionale del continente la larghezza minore del continente e lo spessore della crosta che non raggiunge i 40 km sono la chiave per comprendere il basso flusso di geoneutrini, con valori che costituiscono il minimo per un'area continentale  di dimensioni "ampie". 

Per quanto riguarda l'Australia esiste un'eccellente correlazione tra il flusso di neutrini e le regioni dove la Moho si trova più in profondità [10], poste al centro del continente sotto gli altipiani centrali e sotto le Alpi australiane. La regione di basso flusso geoneutrinico in mezzo a queste aree corrisponde alle pianure interne di bassa quota dei bacini di Eyre e Murray. 

In Antartide la situazione è meno chiara, anche se la differenza tra una crosta più sottile (più di 25 km) nell'Antartide occidentale e una crosta più spessa dell'Antartide orientale è rilevabile anche dal flusso di geoneutrini. Ma anche nell'Antartide orientale il continente ha generalmente una crosta sottile, tipicamente inferiore a 40 km, con l'eccezione di due aree che hanno anche una maggiore elevazione: la catena montuosa dell'Antartide orientale nella terra della regina Maud e dalle montagne Gamburtseev, dove lo spessore della crosta può oltrepassare i 50 km. Queste due catene montuose possono rappresentare la sutura di collisione del Gondwana orientale con l'Indo-Antartide e il Gondwana occidentale durante l'orogenesi panafricana [11]. Invece il graben di Lambert, un'area con una crosta molto sottile, è troppo piccolo per essere ben rilevato nella mappa AGM2015. Non capisco, invece, perché la mappa del Neutrino mostra un valore elevato lungo il sistema orientale dell'Antartide: solo nella costa orientale del Mar Rosso c'è una sottile cintura di Moho più profonda. 

Quindi, il valore del flusso di neutrini sulla superficie terrestre può essere facilmente correlato allo spessore della crosta continentale, confermando che proviene essenzialmente da elementi che sono più diffusi nella crosta a causa dei processi che fondendo il mantello, li trasportano verso l’alto in quanto passano preferenzialmente nella fase liquida anziché rimanere nel residuo refrattario mantellico. 

Bibliografia

[1] Eder (1966) Terrestrial neutrinos. Nuclear Physics. 78, 657–662
[2] Usman et al (2015). AGM2015: Antineutrino Global Map 2015. Sci. Rep. 5, 13945; doi: 10.1038/srep13945
[3] Tenzer et al (2009) A global correlation of the step-wise consolidated crust-stripped gravity field quantities with the topography, bathymetry, and the CRUST 2.0 Moho boundary Contributions to Geophysics and Geodesy Vol. 39/2, 2009 (133–147)
[4] Artemieva e Thybo (2013) UNAseis: A seismic model for Moho and crustal structure in Europe,Greenland, and the North Atlantic region Tectonophysics 609, 97–153
[5] Cherepanova et al (2013) Crustal structure of the Siberian craton and the West Siberian basin: An appraisal of existing seismic data Tectonophysics 609, 154–183 
[6] Zhang et al (2010) Seismic signature of the collision between the east Tibetan escape flow and the Sichuan Basin. Earth and Planetary Science Letters 292, 254–264
[7] Tedla et al (2011) A crustal thickness map of Africa derived from a global gravity field model using Euler deconvolution Geophys. J. Int. 187, 1–9
[8] Keller (2013) The Moho of North America: A brief review focused on recent studies Tectonophysics 609, 45–55 
[9] Zandt et al 1994 Composition and thickness of the southern Altiplano crust, Bolivia Geology 22, p. 1003-1006
[10] Kennett et al (2011) AusMoho: the variation of Moho depth in Australia Geophys. J. Int. 187, 946–958
[11] An et al (2015), S-velocity model and inferred Moho topography beneath the Antarctic Plate from Rayleigh waves, J. Geophys. Res. Solid Earth, 120, 359–383,

La sequenza sismica del Matese a cavallo fra 2013 e 2014 e i magmi dell'Appennino meridionale

Il lavoro appena uscito su Science Advances sulla sequenza sismica del Matese è davvero importante, soprattutto perché identifica una nuova classe di terremoti nelle fasce orogeniche attive. Purtroppo il solito can can mediatico di un giornalismo italiano che non sa di Scienza, ma ne parla in maniera sballata ha spostato l’asse della discussione nell’opinione pubblica su cose inesistenti come il rischio sismico associato alla questione. Si è trattato in effetti di una sequenza strana, per cui è stato fondamentale effettuare uno studio multidisciplinare per precisarne i termini e le cause. 

Vediamo quindi un po' in dettaglio la sequenza, e quali sono i risultati che hanno portato a queste considerazioni nell’articolo [1], che significativamente è intitolato Seismic signature of active intrusions in mountain chains. 

La sequenza sismica tra dicembre 2013 e febbraio 2014:
si nota la suddivisione degli epicentri in due lobi

LE CARATTERISTICHE DELLA SEQUENZA SISMICA TRA 2013 E 2014 NEL MATESE. Il 29 dicembre 2013 alle 17:08 UTC, un terremoto Mw 5 si è verificato sotto le montagne del Matese tra Campania e Molise (zona cara ai dinosaurofili: a Pietraroja è stato scoperto Ciro!). Nei successivi 50 giorni sono state registrate 350 repliche. A gennaio, dopo una settimana circa di calma piatta, si è verificata una ripresa dell'attività con il secondo evento Mw 4.2 del 20 gennaio 2014. Lo studio delle onde sismiche ha ricavato un meccanismo distensivo lungo una faglia orientata NW-SE, con una piccola componente orizzontale che si aggiunge alla preponderante componente verticale. Diciamo che sarebbe un “classico” per l’Appennino Centrale, senonché la sequenza presentava delle cose un po' anomale:  

• la sismicità era concentrata a profondità tra 10 e 25 km nel basamento cristallino della catena, quando la "normale" sismicità della catena è generalmente meno profonda e interessa la spessa coltre dei sedimenti mesozoici e terziari
• l'evoluzione della sequenza mostra che gli ipocentri delle repliche sono migrati verso l'alto e si sono diffusi verso sud-est in pochi minuti
• gli ipocentri raffigurano due ammassi simili a dita che circondano una zona asismica lunga circa 1,5, larga e spessa 2,5 km, che presenta una forma simile a una diga (come da carta qui a fianco)
• l'andamento della profondità ipocentrale con il tempo nei primi 28 giorni dopo il mainshock indica un processo di rottura simile a quello osservato nella sismicità indotta dall'iniezione di fluidi
• la sismicità dopo il secondo shock principale rimase confinato nel secondo lobo

Una sequenza del genere è quindi più simile ad una tipica di aree vulcaniche, dove la sismicità è generalmente associata a fessure piene di fluidi e quindi meritava davvero uno studio a 360°. Inoltre questo evento nonostante la sua profondità ha innescato alcuni fenomeni che di solito spetterebbero ad eventi più importanti, come delle frane, delle variazioni nella portata ed analisi delle sorgenti e persino una rottura cosmica lungo la faglia cordiera di un bacino. Alcuni testimoni riferiscono addirittura di aver pure visto una fiammata (sono più di uno): una disamina di tutti questi accadimenti si trova in [2]

Il mix di acque meteoriche e profonde, da [1] 

GLI STUDI SUSSEGUENTI. Una prima ricerca ha riguardato il contenuto di CO2 riscontrabile nell'acquifero del Matese, dato che il biossido di carbonio è relativamente solubile nelle acque meteoriche e tra quello atmosferico e quello di origine vulcanica ci sono differenze nella composizione isotopica. Quindi è stata eseguita una vasta serie di analisi per capire meglio se e come questa sequenza abbia influenzato la falda acquifera del Matese, in quanto se davvero c'era stata della attività magmatica lì sotto, nelle sue acque si doveva essere sciolta la maggior parte del gas.

L'analisi isotopica del contenuto di carbonio ha rivelato che nelle acque che sgorgano dal massiccio c’è una forte componente di CO2 magmatica profonda, facilmente distinguibile dall'acqua meteorica; non solo, ma le sorgenti con un contenuto più elevato di CO2 magmatico sono chiaramente raggruppate attorno all'area della sequenza sismica 2013-2014.

Questo è un primo indizio sul fatto che l’alto contenuto di CO2 magmatico può essere riferito  a una riserva magmatica; ma si tratta di una riserva "morta" o una riserva giovane e calda? Lo studio termico ha confermato la seconda ipotesi, poiché la temperatura alla sorgente delle acque è circa 2°C superiore a quella prevista per l'acqua che si infiltra a 1300-1400 m di altitudine, quindi il CO2 profonda è legata alla risalita di fluidi caldi.

Un altro indizio della presenza di magma caldo sono la presenza stessa e la forma a “diga” della zona asismica interna: se si fosse trattato solo di gas non avrebbe senso questa zona senza terremoti, che invece denota la presenza di un settore caratterizzato da una certa plasticità, tipico della presenza di una roccia fusa o, quantomeno, molto calda, circondata da rocce incassanti rigide.

Sequenze simili sono state segnalate in California e Giappone a distanze superiori a 50 km dai vulcani e sono state attribuite alla ridistribuzione della pressione del fluido nella crosta [3].

Pertanto, le caratteristiche sismologiche, le analisi geochimiche e i risultati della modellazione del flusso di calore dimostrano che la sequenza del Matese a cavallo fra 2013 e 2014 si è verificata in un'area caratterizzata da un'anomalia geotermica importante, molto probabilmente associata ad un nuovo "impulso" di magma che alimenta un'intrusione già presente e ancora non del tutto solidificata.

Le località dove affiorano prodotti dell'attività
magmatica dell'appennino centrale, da [4] 

LA GEOLOGIA DELL’APPENNINO CENTRALE E MERIDIONALE E LE SUE PARTICOLARI MANIFESTAZIONI MAGMATICHE.

Utilizzando le onde sismiche per realizzare una tomografia della Terra, è stato visto che nella crosta superiore e nella crosta media dell’Appennino si trovano dal confine abruzzese-molisano al promontorio del Gargano delle piccole zone caratterizzate da una velocità delle onde sismiche anomalmente alta. Siamo nel basamento cristallino sotto i sedimenti e quindi queste anomalie potrebbero essere cose “vecchie”, e cioè tracce di eterogeneità del vecchio basamento cristallino paleozoico oppure essere geologicamente recenti e quindi derivate da intrusioni magmatiche tardo terziarie se non attuali. I dati geologici fanno decisamente propendere per la seconda ipotesi.

Una sparpagliata attività vulcanica si trova nel versante tirrenico dell’Appennino Centrale tra la catena e i magmi recenti della costa fra il Lazio e la Campania, nei monti di Umbria, Abruzzo e Lazio che consiste di qualche colata lavica o coni di scorie abbastanza isolati. Sono magmi dall'analisi particolare e dall'origine molto dibattuta: sodio e soprattutto potassio molto alti (oltre il 5%) e con un contenuto di Calcio superiore a quello di alluminio. Il chimismo per certi versi ricorda quello della Provincia Romana a cui sono spesso associati [5]. La parte più a sud dove troviamo prodotti vulcanici di questo tipo è l’apparato di Montecchio, sulle pendici del Vulture. Il ciclo di Montecchio si è messo in posto quando il Vulture aveva già finito la sua attività e condivide con i tufi e le lave di San Venanzio (queste ultime datate a 265.000 anni fa), Cupaiello etc etc molte caratteristiche geochimiche e petrografiche, che sono estremamente diverse da quelle dei prodotti classici del Vulture precedenti. 
Il chimismo e i frammenti di rocce portati via durante la risalita che si trovano in questi magmi dimostrano l’origine molto profonda di questi magmi. 
La somiglianza fra i prodotti dell'Appennino centrale e quelli di Montecchio hanno fatto ipotizzare la presenza di altri episodi magmatici ancora nascosti sotto l'Appennino ed in effetti rocce ignee recenti (intrusive o effusive) sono state trovate in molti pozzi perforati per prospezioni di idrocarburi. 

Quindi nell'intero Appennino centrale e meridionale sia in profondità che in superficie troviamo le tracce, sia pure sporadiche, della presenza di liquidi provenienti dalla fusione (molto) parziale del mantello sottostante.

Quanto al case del Matese, siamo chiaramente all’interno della zona appenninica e quindi in cui potenzialmente possiamo trovare questi prodotti, però è anche vicino all’area napoletana, in particolare accanto al Roccamonfina, vulcano rimasto attivo fino a non molto tempo fa che però non è strettamente legato al Vesuvio come magma)

UN APPENNINO IN ESTENSIONE. Oggi l’intero asse appenninico centrale e meridionale è sottoposto a distensione perché il settore occidentale si muove verso NW, mentre quello orientale a SE [6], ne ho parlato spesso, per esempio qui: ne risulta dunque un allontanamento fra le due parti di qualche mm/anno e ciò origina la forte sismicità dell’area, compresa quella a cui stiamo assistendo dal 1997 (ne ho parlato per esempio qui). Comunque, per mettere le mani avanti, tra un allontanamento del genere e dire che l’Italia si spaccherà in mezzo ce ne passa di distanza: il complesso formato da Sardegna, Corsica e Italia peninsulare ha potuto 40 milioni di anni fa staccarsi dalle coste francesi e spagnole formando il bacino ligure – provenzale, ma si sono mosse quando non c’era nulla che si opponeva al loro moto; in seguito andando verso est 6 milioni di anni fa l’Italia centro – meridionale ha trovato il blocco balcanico per cui ora muoversi dell’altro è piuttosto difficile… la Calabria invece ha continuato ad andare verso SE, staccandosi dalla Sardegna, formando il Tirreno meridionale e fermandosi, o quasi, solo 700.000 anni fa. Ad ogni modo che questa fase attuale dell’Appennino centrale che se non è di “apertura” è sempre di “distensione” possa essere accompagnata da qualche risalita di magmi dal mantello non è certo impossibile dal punto di vista teorico.

RISCHI E PERICOLI RIVELATI DA QUESTA SCOPERTA. Naturalmente negli ultimi giorni la stampa ha dato molta attenzione alla notizia, ovviamente in termini più o meno apocalittici. Si va dal rischio di eruzioni vulcaniche a quello di terremoti (naturalmente “disastrosi”).

Vediamo di fare il punto della situazione. C’è un certo “rischio vulcanico”? Teoricamente sì, ma non per “oggi o domani”: questa intrusione (o una sua simile) potrebbe prima o poi arrivare in superficie, come è successo appunto al Vulture o nelle aree dell’Appennino caratterizzate da queste piccole manifestazioni vulcaniche. Ma non è certo l’apporto di lave che c’è stato alla fine del 2013 quello in grado di modificare il quadro. La cosa avviene “qualche volta ogni milione di anni”, quindi ...  insomma… è un rischio più teorico che reale. 

Anche il rischio sismico è abbastanza inesistente. In Appennino centrale e meridionale, come nel resto d’Italia, i terremoti principali fanno grossi danni e tante vittime soprattutto a causa della pessima edilizia ma, come ho spiegato svariate volte, anche perché si generano molto vicini alla superficie (spesso anche a meno di 10 km di profondità). Inoltre la M dipende molto dalla lunghezza del tratto di faglia che si rompe: è proprio grazie alla lunghezza ipotizzata della sorgente sismica che già anni prima era stata attribuita la potenzialità di un evento a M 6.5 lungo la faglia del Vettore [7]. 

Queste intrusioni interessano invece zone più profonde (mediamente sui 20 km): già questo farebbe diminuire gli effetti di un eventuale terremoto in superficie. Ma soprattutto è difficile che si possano attivare superfici di faglia così estese da dare terremoti molto forti, anche se con lo stato dell’edilizia che c’è in Italia il rischio che eventi di questa entità e profondità possano provocare dei danni purtroppo esiste eccome… 

Insomma, l’aggiunta del rischio sismico dovuto a questa nuova classe di terremoti risulta assolutamente risibile rispetto al rischio sismico già certificato nell’Appennino Centrale dovuto alle grandi faglie che lo interessano e che hanno già dato in epoca storica ampie manifestazioni di quello che sono in grado di fare.

PROSPETTIVE SCIENTIFICHE. Come ho scritto, le prospettive scientifiche di questo lavoro sono estremamente interessanti, non solo a livello appenninico, dove potrebbero gettare maggiore luce sulla formazione di questi enigmatici magmi, ma anche a livello mondiale.

Perché dimostrnao come l’intrusione di corpi magmatici possa provocare eventi sismici legati ai movimenti dei fluidi, esattamente come succede nei vulcani. Quindi se fino ad oggi la sismicità delle catene montuose viene interpretata come legata a cambiamenti legati alle forze che le deformano e/o a cambiamenti nella pressione dei fluidi lungo le superfici di faglia (questa ultima cosa, fra l’altro, è alla base della sismicità indotta di origine antropica), oggi le prospettive cambiano e non di poco, specialmente in aree con un rischio sismico “tradizionale” poco elevato (non certo, appunto, nell’Appennino centrale, dove viene aggiunto in questo modo ben poco ad un carico purtroppo già piuttosto importante di suo).

Parlo soprattutto di catene mature, cioè catene in cui la maggior parte della compressione è finita (e l’Appennino centrale lo è) e che però non sono sede di particolare sismicità. Ma c'è da guardare anche alla ricerca sui magmi stessi: in tutti gli orogeni fossili derivati da scontro continente – continente troviamo delle rocce magmatiche (soprattutto intrusioni raffreddate a pochi km di profondità e oggi affioranti per l’erosione di quanto ci stava sopra) classificate come “tardo” o, meglio ancora “post” orogeniche. Le vediamo sia nell’antichità del Precambriano, ma tornando a tempi più recenti, nell’orogene mesozoico di Dabie in Cina e in molte parti dell’Asia centrale interessate da collisioni nel Paleozoico e nel Triassico, in Iran nella fascia orogenica del Lut, e nelle stesse Alpi sia nel Permiano dopo l’orogenesi varisica che dopo la fase parossistica del ciclo alpino (il granito dell’Adamello è l’esempio noto più vicino).

È dunque possibile che alla fine dell’attività tettonica questa attività vulcanica possa diventare protagonista e quindi possa innescare eventi sismici importanti.

Un ‘ultima nota sulla sequenza sismica che oggi si sta svolgendo, sempre in Molise, ma un po' a nord di Isernia, centrata nella zona di Vastogirardi. Non appare legata allo stesso motivo, almeno dal punto di vista sismico, perché:

• gli epicentri sono diffusi senza particolari discontinuità
• si tratta di una sismicità molto superficiale e quindi se ci fosse una risalita di magmi le temperature delle sorgenti sarebbero aumentate vistosamente, in modo visibile, anche senza strumentazione

[1] Di Luccio et al. (2018),Seismic signature of active intrusions in mountain chains Sci. Adv. 2018; 4 : e1701825

[2] Valente et al (2017) Do moderate magnitude earthquakes generate seismically induced ground effects? The case study of the Mw = 5.16, 29th December 2013 Matese earthquake (southern Apennines, Italy) Int J Earth Sci (Geol Rundsch) DOI 10.1007/s00531-017-1506-5

[3] Vidale et al (2006) Crustal earthquake bursts in California and Japan: Their patterns and relation to volcanoes. Geophys. Res. Lett. 33, L20313 (2006)

[4] Peccerillo 2005 Plio-Quaternary Volcanism in Italy - Springer
[5] Conticelli et al (2004) Petrologic, geochemical and isotopic characteristics of potassic and ultrapotassic magmatism in central-southern Italy: inferences on its genesis and on the nature of mantle sources Per. Mineral.  73, 135-164 
[6] Farolfi & Delventisette (2016). Contemporary crustal velocity field in Alpine Mediterranean area of Italy from new geodetic data GPS Solutions DOI 10.1007/s10291-015-0481-1

[7] Galli et al 2008 Twenty years of paleoseismology in Italy. Earth-Science Reviews 88, 89 – 117

L'origine di Animalia e le principali parentele fra i gruppi che lo compongono

Il 2017 ha visto uscire alcuni lavori che si sono occupati delle parentele fra i vari gruppi che compongono Animalia usando dati genetici. I dati sono in qualche modo sorprendenti perché propongono una visione che comporta una sovversione della vecchia ipotesi di quella che possiamo chiamare la "complessità crescente": gruppi dalla struttura più semplice come spugne e placozoi potrebbero essersi originati da gruppi che dall'inizio del Cambriano mostrano una complessità maggiore. Quindi o la complessità è emersa più volte o in qualche caso è stata persa. Comunque è confermato che l'esplosione del Cambriano è avvenuta quando Animalia era già presente e non da poco.

LA RICOSTRUZIONE DELL'ALBERO DELLA VITA. Per ricostruire la storia e l’evoluzione della vita (attuale e fossile), e quindi in buona sostanza le parentele e le divergenze da antenati comuni, fino a non molti decenni fa gli unici criteri possibili erano la morfologia delle forme esistenti e di quelle fossili e la loro distribuzione nello spazio e nel tempo. Il che non è sempre esaustivo specialmente guardando al passato, considerando la scarsità di testimonianze fossili: la percentuale di organismi con parti dure di cui è rimasta traccia è davvero scarsa (ed è scarsissima specialmente fra gli altri animali che vivono sulla terraferma), per non parlare di quella quella degli animali dotati solo di parti molli. Inoltre con la paleontologia abbiamo notizie di una linea solo dalle sue prime testimonianze fossili, che, appunto, ci forniscono un dato minimale e cioè il classico “non più recente di”. Un problema enorme, ad esempio, per ricostruire la storia più antica dei Primati, animali arboricoli che vivono in un ambiente dove la fossilizzazione è praticamente impossibile. 

Negli ultimi decenni per questi scopi si sono aggiunti i dati molecolari, con i quali si riesce  a diminuire le indeterminatezze dovute alla mancanza di testimonianze fossili, avendo a disposizione un po' di materiale genetico con cui si possa fare dei confronti. Ciò può essere fatto anche con specie estinte da sufficientemente poco tempo, come è successo per i neandertaliani o per gli ultimi mammiferi placentati estinti dell’America meridionale (litopterni e notoungulati). 

Il fatto che ci sia un accordo generale fra dati biologici, paleontologici e molecolari era prevedibile, ma andava provato; comunque qualche volta delle sorprese ci sono effettivamente state ed è interessante notare come questi dati apparentemente sorprendenti sono talvolta stati confermati da nuovi reperti fossili; un caso esemplare è quello dei cetacei.

Sia le analisi morfologiche che quelle genetiche sono svolte con un classico approccio bayesiano (cosa sulla quale non metto bocca non essendo il mio campo… mi limito a linkare cosa dice Wikipedia in merito...) per cui i risultati di queste analisi non sono sempre univoci: metodi di calcolo, una velocità variabile del tasso di mutazione, una quantità di campionamenti differente o maldistribuita in vari gruppi possono portare a risultati differenti e, aggiungo, alle conseguenti vivaci polemiche. Non insisto su questo punto non essendo assolutamente un esperto di queste metodologie; diciamo che di queste analisi sono, comunque, un fruitore interessato.

L'ORIGINE DEGLI ANIMALI: BEN PRIMA DEL CAMBRIANO. Fra tutti questi studi genetici uno che mi interessa particolarmente è l’origine di Animalia: quella che dal XIX secolo è nota come “esplosione del Cambriano” (espressione con cui si crogiolano al sole gli antievoluzionisti che non hanno capito niente di tutto questo) altro non è che una gigantesca radiazione evolutiva, svoltasi in un tempo relativamente breve ma non istantanea, in cui assistiamo alla definitiva affermazione di animali dotati di una struttura complessa. Durante questo fondamentale episodio evolutivo sono già rappresentati la maggior parte dei grandi raggruppamenti di animali, i “phila”, anche se ci sono alcuni fossili molto discussi, probabilmente perché appartengono ad un qualcosa che può essere ancestrale a più raggruppamenti.  

Ho detto che “compaiono nella documentazione fossile”, perché la loro complessità faceva, appunto, presagire una storia pregressa, confermata successivamente dai dati dell’orologio molecolare.

I problemi fondamentali per questa ricostruzione dal punto di vista paleontologico sono essenzialmente due: la non abbondanza attuale di sedimenti di quella remota epoca e la mancanza di organismi con parti molli. A questo secondo aspetto per fortuna hanno posto in parte rimedio degli intensi fenomeni di anossia che hanno permesso in alcuni casi la conservazione di fossili di animali molli, come nel caso dei leggendari Burgess shales.

Uno Ctenoforo

I risultati dell’orologio molecolare portano alla conclusione che alcuni esponenti di Animalia fossero già presente prima dell’esplosione del Cambriano, la quale è stata semplicemente una occasione che  ha reso possibile a queste forme una facile e completa colonizzazione del globo terrestre. Sulle cause di questo fenomeno ci sono parecchie ipotesi ed è stata sicuramente un evento complesso, tra cambiamenti geologici, atmosferici e faunistici. Anche io ho delle idee in proposito, ma dato che sostengo che per dire una cosa bisogna avere in mano dei dati, per adesso preferisco astenermi.

La scoperta di alcuni fossili di probabile appartenenza ad Animalia e di alcune tracce ed impronte databili appunto all’Ediacariano (635–541 Ma) ha confermato il quadro. La cosa però non è semplice: nell’Ediacariano la vita era molto diversa da quella attuale, con forme di vita che a noi appaiono quasi “aliene”.  Alcune di queste dovrebbero appartenere ad Animalia mentre molte altre sono state classificate come “Vendozoa” (le cosiddette ”faune di Ediacara”). Ne segue che le idee su cosa fossero quelle forme di vita sono ancora estremamente variegate e i Vendozoi in senso stretto per una buona parte dei ricercatori – ma non per tutti – non sono neanche animali (è un discorso molto complesso di cui evito qualsiasi accenno in questa sede)

Purtroppo non essendoci discendenti attualmente riferibili a questi esseri, trovarne il posto nell’albero dei viventi è difficile e, in ogni caso, non è possibile applicare nessun metodo genetico.

I PRINCIPALI RAGGRUPPAMENTO DI ANIMALIA. È evidente quindi che, problema dei Vendozoi a parte, la biologia molecolare rimane allo stato attuale delle cose l’unico sistema per capire quando e come gli animalia si sono diversificati.

Innanzitutto è meglio per i non addetti chiarire la terminologia.

METAZOI: l'insieme di tutti gli organismi pluricellulari Eucarioti compresi nel regno animale. In pratica Metazoa è sinonimo di Animalia, che comprende cinque linee principali:

1. PORIFERI: banalmente, si tratta delle spugne, ma bisogna essere scientificamente corretti. Non hanno apparati di nessun genere e il nutrimento arriva all’interno grazie all’acqua che circola nei pori. Anche l’organizzazione cellulare e quella fra gli organismi è tipica ed esclusiva.

2. PLACOZOI: altra linea di Animalia molto semplici. Sono talmente diversi dal resto di Animalia che per qualcuno sono addirittura un sottoregno a se stante. A dir la verità non sono neanche particolarmente numerosi, dato che in questo momento ne è nota una sola specie, Trichoplax adhaerens, studiatissima a causa della sua unicità e che mostra una varietà genetica notevole. Non hanno un nome comune.. per saperne di più consiglio questo meraviglioso post di Lisa Signorile. 

3. CTENOFORI: sono degli esseri che vivono nei mari, dotati di ciglia che servono loro per nuotare, come fanno tanti protozoi (anzi, sono gli esseri viventi più grandi che usano le ciglia per muoversi). Alcuni sono dotati pure di tentacoli. Si potrebbe essere portati a pensare che siano piccoli, e difatti in genere sono lunghi al massimo qualche cm, a parte qualcuno come le “cinte di Venere” del Mediterraneo che passano il metro. Come le meduse, con le quali sono stati a lungo confusi, sono ammassi gelatinosi e siccome le ciglia si dispongono come i denti di un pettine, sono note come comb jellies (gelatine a pettine… in inglese le meduse sono jellyfish, letteralmente pesci gelatinosi) e hanno una cavità interna che contiene il sistema digerente, con la bocca ad una estremità del corpo.

4. CNIDARI. Sono i coralli e le meduse. Ai miei tempi si chiamavano celenterati… ma all’epoca anche gli Ctenofori erano compresi in questa denominazione: il momento che si è reso evidente che le “meduse a pettine” fossero un’altra cosa questo termine è stato abbandonato. 

5. BILATERI: tutti i gruppi visti in precedenza non hanno una simmetria bilaterale: le spugne non hanno una forma propria, i Placozoi sono poco più che un foglio che cambia di forma di continuo, Cnidari e Ctenofori hanno una simmetria radiale e in qualche modo potrebbero sembrarlo. I veri Bilatera hanno invece una simmetria bilaterale ben precisa e, indicando solo i phyla principali, si dividono essenzialmente in 3 macrogruppi:

• Deuterostomia (Cordati, Emicordati ed Echinodermi)
• Ecdysozoa (Arthropodi e Nematodi)
• Lophotrochozoa (Molluschi, Anellididi, Briozoi)

A queste definizioni affianco il termine EUMETAZOI: bilatera, cnidaria e ctenophora insieme formano (anzi, formerebbero) gli eumetazoi (al solito il prefisso “eu” è piuttosto antropocentrico..  all’interno delle forme viventi facciamo parte degli “eucarioti”, nei metazoi (o animalia) siamo all’interno degli “eumetazoi” e, tra i mammiferi, siamo compresi negli “euteri”...)

Le parentele fra i principali raggruppamenti di Animalia in [2]:
si vede come il criterio dominante è la maggiore complessità cellulare

L'ORIGINE DI ANIMALIA E LE PARENTELE AL SUO INTERNO. Allora, ricapitoliamo: all’inizio del Cambriano troviamo esponenti di quasi tutti i phila attuali di Animalia, ma i reperti fossili più vecchi sono scarsi e spesso interpretati in maniera controversa (in particolare qualcuno è visto a seconda dei ricercatori come un esponente di Animalia o di Vendozoa). Alcuni reperti consistono in delle semplici tracce fossili di animali che vivevano scavando il fondo marino, spesso attribuite ad attività di qualcosa riferibile ad anellidi basali. Ne segue che la genetica delle forme attuali è l’unica via praticabile per capire l’origine di Animalia e soprattutto le relazioni fra i 5 gruppi principali.

Nella marea di lavori che se ne occupano fra i più recenti non solo confermano che i primi Metazoi sono ben più antichi del passaggio Ediacariano – Cambriano, ma addirittura portano la loro origine al Toniano, il primo periodo del Neoproterozoico (1000–720 Ma) [1]. Quindi Animalia (comunque ancora senza esponenti di Bilatera) sarebbe comparso addirittura prima della definitiva ascesa a valori simili a quelli attuali dell’ossigeno atmosferico e della seconda brusca caduta del CO2 atmosferico  che ha determinato gli episodi di Terra  - Palla di Neve del Criogeniano, quando la Terra fui coperta dai ghiacci anche nelle zone equatoriali (720–635 Ma).

La soluzione più logica vorrebbe che i poriferi siano il gruppo più antico, perché sono quelli dotati di struttura più semplice. Insomma, è giustificata dal fatto che le spugne (ma anche i placozoi) sono privi di caratteristiche condivise, a livello elementare, dagli Eumetazoi, come forma propria, neuroni, muscoli e apparato boccale – digerente. Queste innovazioni, quindi, sarebbero comparse nell’antenato comune di tutti gli Eumetazoi. Gli antenati dei Placozoi si sarebbero staccati da quelli degli Eumetazoi un po' dopo quelli delle spugne [2].

Si tratta del punto di vista teoricamente più logico. Il problema è che i dati genetici nei lavori apparsi nel 2017 non sono d’accordo su questo; in particolare emerge nuovamente il “caso – ctenofori”: già nel 2007 era stato ipotizzato sulla base di dati genetici che il quadro di “complessità crescente”, e cioè l’ordine spugne →  placozoi → ctenofori → cnidari →  bilateri poneva qualche problema genetico, in quanto gli ctenofori sembravano essere il gruppo più antico [3], ma gli Autori stessi del lavoro espressero dei dubbi sul risultato. 

La filogenesi di Animalia secondo [6]

Un lavoro comparso su Nature Ecology Evolution nel 2017 considera nuovamente le meduse a pettine come gruppo più antico [4]. Questo, ovviamente, ripropone in maniera clamorosa un problema non da poco: se alla base di Animalia ci sono gli Ctenofori o le caratteristiche comuni degli eumetazoi sono venute fuori due volte (a partire dall’apparato digerente) dopo la divergenza fra Ctenofori e gli altri Animalia o tali caratteristiche negli antenati di spugne e placozoi sono andate perdute andando incontro ad una “semplificazione”. La prima ipotesi è chiaramente contraria al principio della “massima parsimonia”, ma ha un risvolto affascinante anche in chiave di astrobiologia: le mutazioni sono frutto del caso ma non è casuale che alcune si fissino e altre no e in un essere pluricellulare che si muove saranno favorite le mutazioni grazie alle quali certe funzioni come la bocca e gli organi sensoriali principali tendono a trovarsi nella porzione anteriore del corpo. Però la seconda ipotesi è, tutto sommato, più possibile, specialmente se queste caratteristiche erano ancora in via di definizione. La prima ipotesi necessita, per essere dimostrata, di una struttura ed una origine embrionale diversa delle varie funzioni del corpo tra cnidari e gli altri Eumetazoi, a partire dall'apparato digerente che, comunque, appare un pò diverso fra gli Ctenofori e gli Cnidari. 

Altri ricercatori, sempre nel 2017, in due lavori diversi comparsi su Current Biology considerano invece valido il fatto che le spugne siano i primi esponenti di Animalia, ma il problema di una "diminuzione della complessità" anzichè gli Ctenofori riguarda i Placozoi. Un gruppo sostanzialmente francese ha utilizzato ben 1719 geni evidenziando un antenato comune fra le spugne da un lato e il gruppo Placozoi + Eumetazoi dall’altro. Gli Ctenofori verrebbero fuori come gruppo evolutosi in parallelo agli altri tutti insieme solo se vengono presi i dati di poche spugne. Comunque anche in questo caso gli Ctenofori si distaccano dagli altri gruppi prima che gli antenati dei placozoi si siano staccati  da quelli di cnidari + bilateri [5]. 

Allo stesso risultato arriva una ricerca pubblicata da un team anglo- franco – tedesco in cui spicca il “nostro” Davide Pisani, classico caso di cervello italiano che ha trovato la sua realizzazione all’estero, ora a Bristol [6].

È evidente che in questo modo il problema che in [4] si pone per spugne e placozoi in questi ultimi due lavori si pone lo stesso, anche se limitatamente ai placozoi, ai quali i mancano alcune caratteristiche comuni agli eumetazoi: le hanno perse con il tempo o sono venute fuori indipendentemente negli Ctenofori da un lato e nel gruppo cnidari + bilateri dall’altro? 

Quindi dal punto di vista genetico le ricerche stanno risolvendo il caso dell’origine di Animalia, anche se i risultati sulle parentele dei gruppi sono ancora in leggera discussione. Quanto all’età del gruppo, è assodato dunque che la loro storia inizia qualche centinaio di milioni di anni prima dell’esplosione del Cambiano, che è stata semplicemente una occasione di sviluppo di cui il gruppo ha ampiamente approfittato. 

[1] Dohrmann & Wörheide  2017 Dating early animal evolution using phylogenomic data Scientific Reports | 7: 3599 | DOI:10.1038/s41598-017-03791-w 

[2] Ax P. 1996. Multicellular animals: a new approach to the phylogenetic order in nature, Vol. 1. Berlin (Germany): Springer. 

[3] Dunn et al 2007 Broad phylogenomic sampling improves resolution of the animal tree of life. Nature 452,745–749 

[4] Whelan et al 2017. Ctenophore relationships and their placement as the sister group to all other animals  Nat Ecol Evol. 2017 Nov;1(11):1737-1746. doi: 10.1038/s41559-017-0331-3 

[5] Simion et al 2017 A Large and Consistent Phylogenomic Dataset Supports Sponges as the Sister Group to All Other Animals. Curr Biol. 2017 Apr 3;27(7):958-967. doi: 10.1016/j.cub.2017.02.031

 

[6] Feuda et al 2017 Feuda et al., Improved Modeling of Compositional Heterogeneity Supports Sponges as Sister to All Other Animals, Current Biology (2017), https://doi.org/10.1016/j.cub.2017.11.008