Lezioni del corso di Paleontologia con EsercitazioniA.A. 2010/2011

Prof. Federico Masini

TAFONOMIA 6a PROCESSI DI FOSSILIZZAZIONE

prima parte

Concetti generaliFossilizzazione della materia organica: mummificazione,

carbonificazione

La fossilizzazione è la tappa

definitiva del trasferimento dei resti alla litosfera

Fossili

BIOSFERA – organismi viventi

Raccolta preparazione e studio

CONCETTI GENERALI

Una volta che i resti degli organismi hanno superato la fase altamente distruttiva dei processi biostratinomici e sono definitivamente sepolti, essi possono essere considerati a tutti gli effetti come parti del sedimento che li ingloba.I resti subiranno quindi, assieme al sedimento, l’azione dei processi diagenetici, cioè di quell’insieme di processi che porta alla trasformazione dei sedimenti in rocce sedimentarie.

La diagenesi agisce essenzialmente tramite:

1. la circolazione dei fluidi interstiziali

2. aumento di pressione

3. aumento di temperatura

1 - Diagenesi - fluidi intestiziali

I fluidi interstiziali sono soluzioni acquose ricche di sostanze minerali, e talvolta anche organiche, che occupano gli spazi liberi tra le particelle (granuli minerali e resti biologici) che compongono il sedimento. L’immersione in queste soluzioni tenderà a modificare chimicamente e mineralogicamente le particelle. … Il chimismo dei fluidi interstiziali non è comunque statico, ma tenderà anch’esso a modificarsi nel corso del tempo.

2 - Diagenesi - pressione La pressione è esercitata dal carico litostatico sovrastante, che di solito tende ad aumentare in conseguenza dell’accumulo di nuovi strati in superficie, e provoca la compattazione del sedimento, oltre a interagire – favorevolmente o sfavorevolmente – con le trasformazioni chimico -mineralogiche.Per sedimenti di detriti organici (es- accumulo di resti vegetali) la compattazione ad opera del carico litostatico porta ad una riduzione fino al 90% del volume inizialeLa compattazione dei sedimenti di detriti minerali ha effetti minori nei sedimenti a grana grossolana (10% nelle sabbie grossolane e nelle ghiaie) e di gran lunga maggiori per i sedimenti a grana fine (fino al 90% in argille molto fini)L’aumento di pressione provoca la fuga verso la superficie dei fluidi interstiziali, e favorisce la formazione di nuovi minerali

Diagenesi

• Processi diagenetici che trasformano i sedimenti in rocce

• Compattazione• cementazione

(litificazione)

Conglomerato

Breccia

Sabbia (piana intertidale)

Arenaria

Bioclastite

Arenaria con fossili

3 - Diagenesi - temperatura

• La temperatura aumenta anch’essa con l’aumentare della profondità di giacitura del sedimento (gradiente geotermico) e alla risalita eventuale di rocce fuse dalla profondità del mantello e dagli strati più profondi della litosfera.

• Le alte temperature catalizzano la deposizione di nuovi minerali, ma se la pressione e la temperatura sono molto alte il sedimento andrà incontro a processi metamorfici, che determinano la perdita dei resti organici

Condizioni di elevata pressione e temperatura trasformano le rocce

sedimentarie in rocce metamorficheUn grado di metamorfismo elevato

cancella gli eventuali fossili contenuti nei corpi rocciosi originari

Pressione e temperatura

Cambiamenti indotti dal

metmorfismo nelle argilliti

Come già accennato la fossilizzazione può interessare sia la materia organica e, molto

più frequentemente, le parti mineralizzate degli organismi,

con processi che sono abbastanza diversi

FOSSILIZZAZIONE DELLA MATERIA

ORGANICA

Fossilizzazione materia organica CONCETTI GENERALI

• Come sappiamo la putrefazione è un insieme di processi che porta alla completa distruzione della materia organica non biomineralizzata.

• E’ opportuno distinguere fra la fermentazione aerobica (totalmente distruttiva) e la fermentazione anaerobica, potenzialmente più conservativa.

Fermentazione aerobica

La fermentazione aerobica, operata da batteri, funghi muffe ecc., è favorita dalla alta temperatura e necessita della presenza di acqua e di Ossigeno.La fermentazione aerobica può essere bloccata temporaneamente se il resto si trova in un ambiente completamente privo di ossigeno che non permette dalla flora batterica di svilupparsi, oppure dalle basse temperature o dalla disidratazione.

Fermentazione anaerobica• La fermentazione anaerobica avviene in ambiente anossico

ad opera di batteri (batteri anaerobici) ed è meno distruttiva. Questi batteri tendendo a trasformare la sostanza organica in carbonio quasi puro o in idrocarburi.

• Questo processo in un primo momento tende quindi a conservare i resti della la materia organica, poiché il carbonio puro è una sostanza inerte, praticamente inattaccabile dai processi di distruzione biologica.

• Tuttavia, anche una struttura carboniosa non è stabile indefinitamente perché se viene a contatto con l’ossigeno molecolare, che “brucia” lentamente ma inesorabilmente i resti, viene anch’essa distrutta.

• Perché una struttura carboniosa si mantenga è necessario che l’ambiente anossico in cui si è formata si mantenga per un tempo indefinito. Solamente un definitivo seppellimento in un sedimento molto fine, totalmente privo di ossigeno, permette quindi ai resti carbonificati di conservarsi a lungo.

Solo un’interruzione precoce della putrefazione permette la fossilizzazione

della materia organica non biomineralizzata

• Una serie di osservazioni e di evidenze dimostra che perché si abbia una buona conservazione della materia organica, sia come architettura delle parti molli, che come struttura più fine (cellulare) è necessario che la putrefazione venga bloccata agli stadi iniziali tramite una precoce mineralizzazione.

Decomposizione materia organica e mineralizzazione

Si conoscono quattro processi principali che portano la materia organica a fossilizzare:

1 – MUMMIFICAZIONE

2 – CARBONIFICAZIONE

3 – PERMINERALIZZAZIONE

4 – CRIOCONSERVAZIONE

Fossilizzazione materia organica

• Il primo processo è raro richiede il perdurare di particolari condizioni ambientali – aridità – e produce fossili che hanno durata molto limita nel tempo.

• Il secondo processo è quantitativamente di gran lunga il più importante e diffuso ed è responsabile della fossilizzazione di enormi quantità di materia organica sotto forma di carbone fossile e di idrocarburi.

• Il terzo processo è poco frequente, ma produce fossili stabili nel tempo. E’ importante anche perché potenzialmente permette la preservazione della struttura fine delle parti non mineralizzate degli organismi, ed è quindi la fonte di preziose informazioni sulle forme di vita del passato anche molto antico.

• Il quarto processo è raro, richiede il perdurare di particolari condizioni climatiche (temperature al di sotto di 0° C) e permette un conservazione di altissima qualità, ma di durata limitata nel tempo (200, 300.000 anni)

Fossilizzazione materia organica

• 1 – MUMMIFICAZIONE

• 2 – CARBONIFICAZIONE

• 3 – PERMINERALIZZAZIONE

• 4 – CRIOCONSERVAZIONE

1 – Mummificazione

• In condizioni naturali la mummificazione è un processo molto raro che permette una conservazione dei resti delle parti molli per un tempo molto limitato, dal punto di vista geologico, almeno che non intervengano altri processi di fossilizzazione.

• La mummificazione è particolare perché non richiede necessariamente un seppellimento. Tuttavia la possibilità di conservazione dei resti mummificati si ha solo, molto raramente, se queste vengono seppellite in un di sedimento impermeabile all’ossidazione.

• Il processo naturale di mummificazione, è in certo senso analogo a quello delle tecniche di preparazione di mummie variamente sperimentato dall’uomo.

• Nel caso delle mummie “artificiali” si tratta di bloccare l’azione della flora batterica, eliminando l’acqua dai tessuti, e permeandoli di sostanze che impediscano ai batteri di proliferare.

Mummificazione artificiale Egitto, varie dinastie

Mummificazione “naturale”

• La mummificazione naturale agisce bloccando completamente la fermentazione batterica tramite la disidratazione completa di tutti i tessuti molli.

• La mummificazione naturale si verifica in ambienti sub- aerei estremamente aridi, sia in climi caldi che freddi, come ad esempio deserti (caldi e freddi) e altopiani montuosi, dove le precipitazioni sono limitate e la bassa temperatura non consente all’aria di contenere elevate quantità di vapore acqueo. Esempi: Deserto del Sahara, deserto del Gobi, Ande, Patagonia, Pamir ecc…

• Ovviamente la mummificazione non arresta il processo di ossidazione della materia organica, che in tempi relativamente brevi, alla scala geologica, provoca la completa distruzione dei resti mummificati.

Il Sahara libico

Un’anatra mummificataSahara, Libia

Ammotragus lervia Deserto libico

Nazca – Peru - mummie

Mummia di una foca - Antartide

Impronta della pelle mummificata di un rettile (Anatosaurus), Cretaceo,

Nord America

Commento alla dia precedente

• Il caso illustrato in precedenza è di tipo particolare. Si tratta di un doppio processo di fossilizzazione.

• Il primo è una mummificazione che ha permesso alla pelle di conservarsi

• Il secondo è la produzione di un’impronta della pelle mummificata nel sedimento che ha seppellito il fossile. (vedi seconda parte)

• Fossilizzazione materia organica

• 1 – MUMMIFICAZIONE

• 2 – CARBONIFICAZIONE

• 3 – PERMINERALIZZAZIONE

• 4 – CRIOCONSERVAZIONE

2 – Carbonificazione.

Come già detto, la carbonificazione è un importante processo diagenetico che preserva enormi quantità di resti vegetali, ma agisce anche su altri organismi. Da non confondere con la carbonizzazione che è un processo biostratinomico, che si verifica prima del seppellimento.

Carbonificazione – i processi• Con il seppellimento al di sotto del primo ambiente

diagenetico, poco al di sotto dell’interfaccia acqua - sedimento, i resti organici sono aggrediti solamente dalla fermentazione anaerobica. E’ necessario che l’ambiente sedimentario sia a bassa energia, e che i sedimenti siano molto fini, impermeabili.

• Questo tipo di fermentazione batterica sottrae alla materia organica ossigeno e idrogeno nelle proporzioni di ½, come nella molecola di acqua.

• Esso tenderà a produrre carbonio quasi puro in materia organica composta da carboidrati, come la cellulosa, avremo così ligniti e col procedere della diagenesi, carbone fossile.

• Produrrà invece idrocarburi in sostanze più ricche di idrogeno, come ad esempio gli acidi grassi. Avremo così, petrolio, gas, bitume ecc. Questo processo, omologo alla carbonificazione, prende il nome di bituminizzazione.

Carbonificazione - effetti

• Durante il processo di carbonificazione si ha una notevole riduzione del volume dei resti (oltre il 90% del volume iniziale) a causa della perdita di acqua.

• Il resto viene quindi progressivamente schiacciato, fino a divenire una sottile pellicola carboniosa priva di strutture fini. Per questa pellicola di carbonio fossile, che mantiene in molti casi il profilo della forma dell’organismo è stato coniato il temine ANTRACOLEIMMA, che significa letteralmente “resto carbonioso”

antracoleimmi

• Gli antracoleimmi, sotto forma di frustoli carboniosi non determinabili, sono molto comuni nei depositi di sedimenti fini, poco permeabili.

• I resti carboniosi, se esposti a lungo all’ossigeno atmosferico, si ossidano completamente lasciando, se i sedimenti sono abbastanza fini da consentirlo, della impronte negative di aspetto “rugginoso” costituite prevalentemente da ossidi di ferro insolubili.

• Esempi comuni di queste impronte sono le cosiddette”foglie fossili” che sono frequentissime negli interstrati argillosi intercalati a banchi di lignite e di carbone nei bacini lignitiferi

Una foglia fossile raccolta negli interstrati marnosi della Vena del

Gesso, Brisighella (Emilia Romagna) Eta’: Miocene Superiore (Messiniano)

Impronta di una felce conservata in una roccia argillosa fortemente litificata (black shale) ricca di

carbonio (Carbonifero)

Non solo piante …

• Anche se questo processo è tipico dei resti vegetali, non solo questi ultimi fossilizzano per carbonificazione. Ci sono numerosi esempi di animali, anche di grandi dimensioni, le cui parti molli hanno fossilizzato nello stesso modo.

• Ricorderemo fra questi i fossili del Giurassico inferiore di Holtzmaden (ricordiamo che Holtzmaden è un deposito di stagnazione). Ad esempio gli ittiosauri di Holtzmaden sono animali interi, in cui le parti scheletriche sono in perfetta connessione anatomica, circondate da una pellicola di carbone che riproduce fedelmente il profilo del corpo molle dell’animale.

Antracoleimmi• Impronta carboniosa di un piccolo

rettile (Permiano, Trentino)

Ittiosauri di Holzmaden- Genere Stenopterigius

Non solo fossili molto antichi…

• L’uomo di Tallun Fend (Danimarca) carbonificato in una torbiera risale circa 2200 anni or sono.

La fossilizzazione dei resti vegetali Torbe - ligniti - carboni fossili

• La fossilizzazione di enormi quantità di resti vegetali è molto studiata, poiché questi accumuli sono stati per lungo tempo una fonte di energia molto sfruttata dall’uomo, soprattutto nelle prime fasi di industrializzazione dell’Occidente.

• Il processo è progressivo e produce materiali con grado di diagenesi via via più spinto:

TORBA –> LIGNITE – >CARBONE FOSSILE

Le torbiere sono esempi di accumuli di grandi quantità resti vegetali in

stato diagenetico iniziale.

• Si tratta di bacini lacustri-palustri, laghi poco profondi in cui vive un abbondante vegetazione i cui resti si accumulano sul fondale che è tipicamente anossico.

Torbiera

Sedimenti torbosi

Le ligniti

• Col procedere della diagenesi, se il deposito organogeno è seppellito da una coltre di sedimento argilloso, impermeabile, le torbe si trasformano in ligniti, in cui i resti vegetali hanno già subito una consistente riduzione di volume, pur conservando ancora la loro individualità.

Il bacino lignitifero di Pietrafitta (Umbria), Pleistocene Inferiore

• Nelle torbiere e nelle ligniti sono spesso presenti resti di vegetali carbonizzati, le cui pareti, rese rigide dalla combustione, tendono meno a collassare, soprattutto se i lumina cellulari sono riempiti di sostanze organiche, come cere, sporopollenina, che si oppongono alla compressione.

• Questi tipi di carboni, dovuti agli incendi, prendono il nome di carboni naturali di legna fossili, e sono notevoli per la conservazione delle strutture cellulari fini.

Il carbone fossile

•Col procedere della diagenesi, con l’aumento del carico litostatico, e eventualmente della temperatura, i resti di legno carbonificato e carbonizzato, si compattano sempre più, disidratandosi quasi completamente. I resti si fondono fra loro fino a formare banchi di carbone compatto litoide, che è il vero carbone fossile.

Miniera di carbone fossile (Permiano)

Commento alla dia precedente.

• Si noti la grande somiglianza con il bacino lignitifero di Pietrafitta. Il banco di carbone è sovrastato da sedimenti argillosi impermeabili, che sigillano lo strato di carbone sottostante, proteggendolo dalla circolazione delle acque e quindi dall’ossigeno.

• Lignite

• Antracite

Principali modi di fossilizzazione delle piante

Evoluzione geologica di una palude costiera con accumulo

di letti vegetali e depositi argillosi

Alternanza di banchi di carbone e sedimenti argillosi

• E’ interessante ricordare che nei banchi di lignite o nelle argille associate ai depositi lignitiferi è frequente il ritrovamento di resti di animali, sia vertebrati che invertebrati, conservati dall’ambiente riducente. Si tratta di resti che sono stati portati dalle correnti, oppure sono morti direttamente nel bacino e i cui resti si sono conservati.

La Foresta Fossile di Dunarobba (Umbria. Età, Pliocene

Superiore). Un caso eccezionale di

fossilizzazione di piante arboree in posizione di vita

Una conservazione eccezionaleLa foresta fossile di Dunarobba –

Umbria – Pliocene Superiore

Breve storia della foresta

• La fossilizzazione è iniziata in un ambiente paludoso, con clima più caldo dell’attuale, dove cresceva una foresta di conifere del genere Taxodioxylon, parenti dei cipressi calvi della Florida.

• Un evento catastrofico e veloce, probabilmente una esondazione del vicino fiume (Paleo-Tevere) ha seppellito la foresta con un sedimento argilloso finissimo (pelite) impermeabile, permettendo la conservazione dei tronchi.

• L’attività di una cava di argilla ha dissepolto i resti. Successivamente sono stati effettuati scavi mirati a mettere in luce un certo numero di piante.

I cipressi calvi giganti della foresta fossile di Dunarobba

(Umbria – Pliocene Superiore)

Una curiosità

• Gli alberi fossili di Dunarobba, sono perfettamente conservati, non mineralizzati, al punto che, secondo voci che girano nell’ambiente degli appassionati locali di fossili, qualcuno si è fatto costruire dei tavoli con il legno di queste conifere ! Il legno è così ben conservato e “vivo” che viene ancora attaccato dai coleotteri specializzati in lignina (cerambici ecc.).

Un legname perfettamente conservato !

Lo stato di conservazione attuale…

• Purtroppo, come ci si poteva attendere, lo stato di conservazione di queste imponenti testimonianze vegetali è in rapido degrado, sottoposto agli attacchi biologici, metereologici e all’ossidazione. I cicli stagionali di disidratazione e di escursione termica, producono il rapido sfaldamento delle strutture lignee per il venir meno delle condizioni stabili di anossia e di umidità ideali, perdurate per più di due milioni anni mentre i tronchi erano sepolti nell’argilla.

Problemi di conservazione

dei tronchi dissepolti

Dunarobba – Umbria – Pliocene Superiore

Uno spunto di riflessione• La conservazione della foresta richiederebbe un notevole impegno

ingegneristico e finanziario… !• Questa storia, con un finale che potrebbe diventare amaro (degrado e

distruzione) è tipica di molti scavi e recuperi, sia di fossili sia di strutture archeologiche.

• Il disseppellimento provoca l’alterazione del delicato equilibrio naturale che si è instaurato e mantenuto per tempi anche lunghissimi, esponendo i resti al rischio di una rapida distruzione.

• In altre parole scavare e recuperare è abbastanza facile, ma conservare può essere molto difficile, dispendioso, faticoso e impegnativo, anche dal punto di vista tecnico

• Bisognerebbe essere in grado di agire responsabilmente e prendersi cura dei materiali che abbiamo disseppellito per non condannarli alla distruzione e all’oblio definitivo.

• I “cipressi calvi” di Dunarobba hanno resistito per più di due milioni di anni per rischiare venire distrutti nell’arco di decenni o di un secolo - un attimo nella scala geologica !

Prosegue con

Tafonomia 6b Fossilizzazione della materia

organica: Permineralizzazione,

crioconservazione