Proxy File

I PROXY
DELL’ AMBIENTE E
DEL CLIMA DEL PASSATO
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COSA SONO I PROXY?
Gli Archivi geologici (record) (rocce, sedimenti marini, ghiacci polari)
custodiscono i “documenti” che riflettono l’ambiente e il clima del passato.
Questi documenti, litologia, fossili, proprietà geochimiche, etc., sono
complessivamente denominati “proxy”.
Il termine proyx (= procura, delega, mandato e anche procuratore.
“sostituto”, si usa nel linguaggio forense) viene usato non a caso: i
parametri ambientali e climatici del passato non vengono misurati
direttamente (come si fa, ad esempio, con la lettura di un termometro) ma
indirettamente, perché richiedono l’interpretazione di un segnale
composito e “filtrato”.
Il Proxy è un tramite attraverso cui risalgo ad informazioni
qualitative sull’ambiente e quantitative sul clima del passato
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DUE MODI DI DIRE “PROXY”
I proxy
portano informazioni su diversi parametri
ambientali.
Alcuni esempi già conosciuti: la presenza/assenza di fossili,
i loro rapporti di abbondanza, la composizione chimica ed
isotopica di fossili e rocce.. La presenza di certi minerali
(ossidi/solfuri), la presenza di depositi glaciali
I proxy possono essere classificati in base:
a) alla tipologia (proxy fisici, chimici, isotopici, biologici...);
b) al parametro che rappresentano (proxy di temperatura,
del livello del mare, delle precipitazioni, di produttività,
etc.).
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TARATURA DEI PROXY / 1
I record geologici (rocce e fossili) conservano informazioni sugli ambienti
del passato, cui sono strettamente legati. Ma spesso sono informazioni
solo qualitative (esempi: coralli: clima tropicale; tilliti: glaciazioni
Problema: vorremmo conoscere in modo rigoroso (=quantitativo) i
parametri ambientali del passato (non “caldo o freddo”, ma “quanti gradi in
una determinata stagione”).
Sfida iniziale: ricostruire i meccanismi (chimici, fisici, biologici) e le
modalità con cui un determinato parametro ambientale viene
“registrato” negli Archivi. Sempre «Attualismo»
 Non basta raccogliere i dati, bisogna imparare a “leggerli”
(“collezionista di francobolli”, vs. bravo ricercatore)
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Esempio
TARATURA DEI PROXY / 2
IPOTESI: Per ricostruire le temperature (T) del passato, si decide di
utilizzare un certo proxy (il taxon X, fossile e vivente).
STRATEGIA:
- Valutare quantitativamente (sul vivente) la sensibilità di X a T e ad
altri fattori limitanti (es. nutrienti, salinità, etc.);
-Definire il range di tolleranza di X a T in funzione degli altri fattori.
- Ovvero essere sicuri che T è il fattore principale che
controlla la presenza/abbondanza del taxon X
RISULTATO: applicazione dei dati raccolti al record fossile.
Questa procedura è detta “taratura del proxy”, semplice nella teoria
ma molto complicata nella pratica...
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Tipologia di proxy: DUE CATEGORIE
Le due categorie principali di proxy (quelli di uso più comune):
1) proxy biotici, basati su cambiamenti nelle associazioni di faune
e flore fossili;
2) proxy abiotici (geologici-geochimici), basati sui flussi di
materia attraverso l’ambiente ed il sistema climatico, sia nella
loro forma discreta (fisica) che disciolta (chimica).
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I PROXY BIOTICI
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PROXY “qualitativi”: LA VEGETAZIONE
EVIDENZA: la distribuzione di flora e
vegetazione dipende dalle condizioni di
piovosità e temperatura.
In base all’uniformismo tassonomico,
è possibile estrapolare informazioni sul
clima del passato: ad esempio, la
presenza di palme alle alte latitudini
indica condizioni climatiche molto
diverse da quelle attuali
Conifere  clima freddo.
Arbusti bassi  steppa, vento..
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AMPIEZZA DEGLI ANELLI DEGLI ALBERI
Numero anelli = datazione
Caratteristiche degli anelli = clima
L’ampiezza degli anelli degli alberi è
utilizzato come proxy delle condizioni
ambientali. Quando l’albero cresce
normalmente, la sua crescita è limitata
dalla temperatura e quindi lo spessore
dei suoi anelli contiene indizi delle
condizioni durante la stagione di
crescita (calda o fredda). Inoltre se la
crescita è limitata da mancanza di
acqua (ambiente semi arido) lo
spessore degli anelli viene utilizzato
per stimare le variazioni nelle
precipitazioni.
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I POLLINI
Nel Plio-Pleistocene, i pollini sono ottimi proxy
delle condizioni climatiche sulla terraferma. Il
dato può essere ricostruito in base ai cambiamenti di
abbondanza relativa in tipi pollinici ecologicamente
significativi ( uniformismo tassonomico).
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Aspetti tecnici:
- Campioni da pochi grammi (fanghi organici) a 20-30 g (sabbie)
- trattatamento per eliminare l’inorganico – detritico (vari acidi tra cui HF)
- Contare almeno 300 - 400 grani pollinici
- Ingrandimenti da 400 a 1000 x
- Identificazione normalmente a livello di genere per alberi e arbusti, a
livello di famiglia per le essenze erbacee
- il polline si conserva meglio in ambiente anaerobio
- grafici con %, ma le piante il cui polline viene trasportato dagli insetti
producono meno pollini rispetto alle piante con pollini portati dal vento
http://www.disat.unimib.it/Palinologia/Home.htm
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Cc Dispersione da vento locale
Cr Dispersione da vento + generale
Ct
bosco
Cw. Piante aquatiche
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Differenze tra: pollini viventi, pollini al suolo, pollini campionati..
Il pino emette più pollini della quarcia (oak). Sedge (carice) pianta palustre
L’agrifoglio (holly) viene impollinato da insetti, ne emette pochi. Ed è sul
lato..sbagliato del vento
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Gyttja: fango organico fine che nasce dalla parziale degradazione delle torbe
campioni 14C: frammenti di piante:GQt
aghi
di pino, ramoscelli di Betulla, foglie….
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Torbiera tra Val Camonica e Valtellina
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Pini, 2002
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IL PLANCTON MARINO
I microfossili sono proxy
paleoambientali molto validi:
oltre ad indicare l’ambiente
in base alla loro ecologia
(associazioni faunistiche),
preservano nella chimica del
loro guscio (geochimica
isotopica) importanti
informazioni sulle condizioni
chimico-fisiche dell’ambiente
nel quale sono cresciuti.
In figura: foraminifero
planctonico, coccolite,
diatomea, radiolare.
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FORAMINIFERI PLANCTONICI
Perhaps the most frequently used
temperature proxy is the relative
abundance of microfossils in
sediments. That microfossils bear
witness to temperature was
recognized early in the history of
oceanography. John Murray, naturalist
of the Challenger Expedition (18721875), found that planktonic
foraminifers not only make up much
of the sediment on the sea floor but
that different species indicate the
temperature of the waters wherein
they live. The simplest way to
estimate temperature from an
assemblage is to assign to each
species a typical temperature and
calculate the weighted average
depending on abundance (tranfer
functions).
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Transert functions: metodologie per ricostruzioni
paleoceanografiche quantitative basate sui microfossili
Anni ‘70: applicazioni di metodi statistici per ricostruire o
decodificare parametri
Climatici o oceanografici a partire da dati biologici:
Proporzioni tra diverse specie o taxa
Presenza /assenza di diverse specie/taxa
Tre postulati fondamentali:
- Le osservazioni sull’ambiente/associazione attuali contengono tutte le
informazioni neccessarie per interpretare i dati fossili (ATTUALISMO)
- Le proprietà ecologiche delle specie considerate non sono cambiate
nel tempo e nemmeno le relazioni tra specie e clima
- Il clima è la causa definitiva dei cambiamenti paleobiologici
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Esempi di metodi statistici
Non per saperli, ma per capire che per fare queste ricerche bisogna
possedere approfondite conoscenze matematiche e statistiche
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SST (summer surface temperature e
diatomee
Specie di acqua calda
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Specie di acqua fredda
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Equazioni per calcolare le paleotemperature
Tre data base iniziali:
1) associazione diatomee
attuali
2) parametri che descrivono
l’ambiente attuale temperatura
media dell’acqua al fondo
3) Associazioni diatomee fossili
(carota)
Algoritmi:
Calibrazione tra dati attuali: diatomee vs parametri ambientali
Confronto tra associazioni a diatomee attuali e fossili
Stima delle paleotemperature (SST summer surface temperature)
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DATI: 694 campioni su cui sono
Stati determinani i foraminiferi
Planctonici
5 Transfer function indipendenti
(J&K, RAN, MAT….)
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I biomarkers: gli alkenoni
Biomarkers: Fossili chimici.
sostanze che vengono
biosintetizzate e dopo la morte
dell’organismo sorgente
vengono inglobate nei
sedimenti,
Non vengono alterati dalla
diagenesi, quindi vengono
preservati nelle
successioni stratigrafica:
Due gruppi: gli alkenoni e gli
alcali lipidi
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Gli alchenoni sono composti organici (chetoni) a catena
lunga, sintetizzati da alcune alghe unicellulari marine
(Haptophyta Coccolitophoridi), che si trovano nei
sedimenti marini e il cui indice di saturazione del
doppio o del triplo legame del carbonio in posizione
37 varia in funzione della temperatura; è quindi
possibile risalire, attraverso curve di calibrazione ottenute
in laboratorio e con riferimento ai valori di saturazione per
le temperature attuali, alle temperature superficiali degli
oceani ancestrali.
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The ambient water temperature in which the organisms dwelt can be
estimated from ratio of their unsaturated alkenones (C37-C39) that are
preserved in marine sediments. The modified Unsaturation Index of “di”
versus “tri” unsaturated C37 alkenone is calculated according to the following
relationship from [Prahl and Wakeham], which is modified after the original
Unsaturation Index from [Brassell et al] that included the tetra-unsaturated
alkenone:
UK′37 = C37:2/(C37:2 + C37:3)
The Unsaturation Index can then be used
to estimate the water temperature
according to the following experimental
relationship [Prahl and Wakeham]:
T [°C] = (UK′37 - 0.039)/0.034
Non è l’unica relazione
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Golfo del
Benguela
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Un altro biomarker
TEX86
The TEX86 is based on the relative distribution of glycerol
(dialkyl glycerol) tetraether membrane lipids of marine nonthermophilic crenarchaetoa .
As you can see from the chromatogram below there is
relatively more of 2,3,4 and 4’ compared to 0 and 1 in warmer
waters.
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crenarchaetoa
Sono solfobatteri !
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WEATHERING, TRASPORTO E DEPOSIZIONE
Weathering chimico: dalle rocce sulle terre emerse  ioni trasportati agli oceani.
Molti organismi (>plancton) incorporano tali ioni nel guscio  fossilizzazione 
record geologico.
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Chemical index of alteration (CIA)
Al2O3/(Al2O3 +CaO*+Na2O +K2O)100
(molar contents,with CaO* being CaO content in silicate
fraction of the sample).
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Quindi le variazioni di CIA nel tempo danno indicazioni, ma solo qualitative
Sul clima…
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DEPOSITI GLACIALI
Talvolta, le rocce stesse sono indicatori dell’ambiente e del clima (es. le
evaporiti clima arido, i carboni, i depositi glaciali  morene, etc.).
Da ricordare, i depositi glaciomarini negli oceani (si parla di Ice Rafted Debris,
IRD) che derivano dallo scioglimento di iceberg.
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http://gec.cr.usgs.gov/archive/eolian/task2.shtml
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NB
Datazioni Osl
Termoluminsecenza
Nei livelli di loess (sterili)
+
Datazioni 14C nei
Paleosuoli dove c’è
Dovè c’è sostanza
organica
Ma soprattutto la termoluminescenza ha
Un range di applicazione più amio
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Sabbia
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silt
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argilla
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COLORE DEI SEDIMENTI
Color variations in core MD95-2036, from 35 to 45 meters depth.
This interval spans from ca. 70 to 140 ka. The color changes represent variations
in CaCO3 (lighter to darker) and hematite (red) content.
These changes are climatically controlled, and indicate the extreme variability of
climate change on time scales of hundreds of years - and less.
Colori scuri, nerastri: accumulo sostanza organica
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PROXY E PARAMETRI PALEOAMBIENTALI
La ricerca di nuovi proxy è frenetica, ma i parametri più semplici da discutere (e
che ci interessano maggiormente) sono:
• TEMPERATURA (CONTINENTI ED OCEANI)
• LIVELLI DI OSSIGENO IN MARE E NELL’ATMOSFERA
• LIVELLI DI ANIDRIDE CARBONICA (ATMOSFERA ED OCEANO)
• STATO CHIMICO DEL MARE
• NUTRIENTI E PRODUTTIVITA’ MARINA
• CIRCOLAZIONE OCEANICA
• VOLUME DELLA CRIOSFERA
L’argomento è immenso, noi lo sfioreremo soltanto
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PALEOTEMPERATURE
Per i Paleoclimatologi e i Paleoecologi, uno degli obiettivi
fondamentali è determinare in modo preciso le temperature nel
passato. La comunità scientifica vi dedica risorse immense, e i
risultati raggiunti sono sorprendenti sia per l’ambiente marino che
continentale.
I risultati più significativi ( quantitativi) riguardano
essenzialmente il Cenozoico: l’andamento delle temperature si può
considerare particolarmente ben documentato per l’Olocene e il
tardo Pleistocene.
Le metodologie adottate e le possibilità di determinare la
paleotemperatura dipendono dall’ambiente deposizionale e
dall’intervallo di tempo preso in considerazione.
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PALEOTEMPERATURE: IL CONTINENTE
Per ricostruire la T° nel dominio terrestre si usano:
• isotopi stabili nelle carote di ghiaccio
• pollini nei sedimenti lacustri (e marini)
• isotopi stabili negli speleotemi
• gas nobili in acque fossili
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PALEOTEMPERATURE: GLI OCEANI
Gli archivi migliori sono i sedimenti oceanici, nei quali:
•
i microfossili sono ben preservati;
•
la sedimentazione è quasi continua;
•
la risoluzione temporale è discreta/buona (non ottimale: se la bioturbazione è
intensa e i tassi di sedimentazione sono ridotti).
I principali proxy per ricostruire le paleotemperature in mare sono i seguenti:
•
fossili ( uniformismo tassonomico): informazioni in genere qualitative (caldofreddo), talora quantitive (es. Transfer functions sui foraminiferi planctonici);
•
isotopi stabili dell’ossigeno nei gusci di fossili (> foraminiferi, coralli); + alto è
il rapporto, più alta era la temperatura del mare
•
•
Mg/Ca nel guscio dei foraminiferi; Sr/Ca e Mg/Ca nei coralli;
alkenoni e altri biomarker.
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LIVELLI DI OSSIGENO NEL PASSATO: MARI
I principali criteri usati sono:
• Laminazione dei sedimenti (sapropel, laminiti)
• Colore scuro dei sedimenti (es. sapropel)
• Tracce fossili (es. Chondrites)
• Indicatori chimici (es. Solfuri)
• Quantità (e tipo) di materia organica ( OM marina)
• Faune  uniformismo tassonomico (foraminiferi bentonici)
• Diversità tassonomica
• Presenza di specie opportuniste
• Assenza di benthos
• Presenza (> massiva) di fauna specializzata (es. Paper pecten)
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PALEOPRODUTTIVITÀ MARINA - 1
Considerato il “filtro” dei processi tafonomici, il record paleontologico mal si
presta a stime quantitative della paleoproduttività.
Tuttavia, questo fattore è fondamentale nell’economia dell’ambiente (sia locale
che globale)  numerosi tentativi di valutarla con metodi sedimentologici,
geochimici e paleontologici (spesso integrati).
Metodi paleontologici:
• Tipo di fitoplancton: le Diatomee dominano il fitoplancton delle aree ad alta
produttività, mentre il nannoplancton calcareo è tipicamente oligotrofico
(approccio attualistico). La dominanza di fossili silicei viene considerata
indicativa di ambiente eutrofico;
• Composizione tassonomica: si stanno scoprendo, in diversi gruppi, molte specie
di foraminiferi che prediligono ambienti eutrofici (es. Globigerina bulloides,
Neogloboquadrina spp).
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PALEOPRODUTTIVITÀ MARINA - 2
Altri metodi:
• Tenore in carbonati e tassi di sedimentazione: stima del FLUSSO di carbonato
(g/m2/kyr); metodo molto incerto, il tenore in carbonato dipende anche da
diluzione terrigena e dissoluzione;
• Contenuto in silice: per i motivi di cui sopra
• Contenuto in Fosforo e fosfati nei sedimenti
• Contenuto in Corg dei sedimenti: anche se il Corg dipende anche dalla
preservazione ( tassi di sedimentazione e livelli di ossigeno);
• Isotopi stabili del Carbonio (13C / 12C);
• Contenuto in Bario (per motivi non ancora chiari);
• Rapporto Ca/Ba nei foraminiferi bentonici;
• Evidenze
di anossia al fondo (vedi Ossigeno).
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