Scienze della Terra

Figura 11.9: Dente di squalo fossile (sinistra) e denti di squalo moderni (destra).

Figura 11.10: Tyrannosaurus rex fossile simile a un organismo vivente.

Anche se oggi può sembrare ovvio, la maggior parte delle persone all’epoca non credeva che i fossili fossero un tempo parte di creature viventi. La ragione era che i fossili di vongole, lumache e altri animali marini venivano trovati in alte montagne, a chilometri da qualsiasi oceano. Due scuole di pensiero spiegavano questi fossili. Alcuni scrittori religiosi credevano che le conchiglie fossero state lavate durante il diluvio biblico. Ma questa spiegazione non poteva spiegare il fatto che i fossili non si trovavano solo sulle montagne, ma anche all’interno delle montagne, in rocce che erano state estratte dalle profondità della superficie terrestre. Cercando una spiegazione alternativa, altri scrittori proposero che i fossili si fossero formati all’interno delle rocce come risultato di forze misteriose. In altre parole, le conchiglie, le ossa e i denti fossili non erano mai stati parte di una creatura vivente!

Steno aveva altre idee. Per Steno, la stretta somiglianza tra i fossili e gli organismi moderni era impossibile da ignorare. Invece di invocare forze soprannaturali per spiegare i fossili, Steno concluse che i fossili erano una volta parti di creature viventi. Poi cercò di spiegare come le conchiglie fossili potessero essere trovate in rocce lontane da qualsiasi oceano. Come nella figura 11.10 del Tyrannosaurus rex, i fossili assomigliano a organismi viventi.

Superposizione degli strati di roccia

Steno propose inizialmente che se una roccia conteneva fossili di animali marini, la roccia era formata da sedimenti depositati sul fondo del mare. Queste rocce sono state poi sollevate per diventare montagne. Basandosi su questi presupposti, Steno fece una notevole serie di congetture che ora sono conosciute come Leggi di Steno.

Orizzontalità originaria

Perché i sedimenti si depositano sott’acqua, essi formeranno strati piatti e orizzontali (Figura 11.11). Se una roccia sedimentaria si trova inclinata, lo strato è stato inclinato dopo la sua formazione.

Figura 11.11: Strati sedimentari che sono stati depositati orizzontalmente.

Continuità laterale

I sedimenti sono stati depositati in fogli continui che hanno attraversato il corpo d’acqua in cui si sono depositati. Quando una valle taglia gli strati sedimentari, si può supporre che le rocce su entrambi i lati della valle fossero originariamente continue.

Superposizione

Le rocce sedimentarie sono depositate una sull’altra. Pertanto, gli strati più giovani si trovano in cima, e gli strati più antichi si trovano in fondo alla sequenza.

Relazioni trasversali

Figura 11.12: Relazioni trasversali: gneiss a bande più antiche con un’intrusione di granito bianco. Il granito deve essere più giovane dello gneiss, perché taglia lo gneiss esistente.

Una formazione o superficie rocciosa che taglia altri strati di roccia è più giovane degli strati di roccia che disturba. Per esempio, se un’intrusione ignea attraversa una serie di rocce metamorfiche, l’intrusione deve essere più giovane delle rocce metamorfiche che taglia (Figura 11.12).

Il Grand Canyon fornisce un’eccellente illustrazione delle leggi di Steno. La figura 11.13 mostra i molti strati orizzontali di roccia sedimentaria che compongono il canyon. Questo illustra bene il principio dell’orizzontalità originale. Gli strati di roccia più giovani sono in cima al canyon, mentre i più vecchi sono in fondo, il che è descritto dalla legge della sovrapposizione. Strati di roccia distinti, come il Kaibab Limestone, possono essere abbinati attraverso l’ampia distesa del canyon. Sappiamo che questi strati di roccia erano una volta collegati, il che è descritto dalla regola della continuità laterale. Infine, il fiume Colorado taglia tutti gli strati di roccia sedimentaria per formare il canyon. In base al principio delle relazioni trasversali, il fiume deve essere più giovane di tutti gli strati di roccia che taglia.

Figura 11.13: Grand Canyon, con il calcare del Kaibab visibile in cima al canyon.

Determinare l’età relativa delle rocce

L’età relativa di una roccia è la sua età in confronto ad altre rocce. Se conosci l’età relativa di due strati di roccia, sai quale è più vecchio e quale più giovane, ma non sai quanti anni hanno gli strati in questione. In alcuni casi, è molto difficile determinare la sequenza di eventi che porta a una certa formazione. Prendiamo l’esempio, Figura 11.14:

Figura 11.14: Sezione trasversale di strati sedimentari: (A-C) intrusione ignea, (D) sezione trasversale, (E) faglia.

Il principio delle relazioni trasversali afferma che una faglia o un’intrusione è più giovane delle rocce che taglia. La faglia etichettata ‘E’ taglia tutti e tre gli strati di roccia sedimentaria (A, B e C) e taglia anche l’intrusione (D). Quindi la faglia deve essere la formazione più giovane che si vede. L’intrusione (D) taglia i tre strati di roccia sedimentaria, quindi deve essere più giovane di quegli strati.

Il principio di sovrapposizione afferma che le unità di roccia sedimentaria più antiche sono in basso, e le più giovani sono in alto. In base a questo, lo strato C è il più vecchio, seguito da B e A. Quindi la sequenza completa degli eventi è la seguente:

1. Lo strato C si è formato.
2. Lo strato B si è formato.
3. Lo strato A si è formato.
4. Quando gli strati A-B-C erano presenti, si è formata l’intrusione D.
5. L’intrusione D ha tagliato gli strati A-C.
6. Si è formata la faglia E, spostando le rocce da A a C e l’intrusione D.
7. Il tempo e l’erosione si sono verificati, formando uno strato di terreno sopra lo strato A.

Non conformità negli strati di roccia

Steno ha scoperto le regole per determinare l’età relativa dei letti di roccia, ma non aveva una buona comprensione di quanto tempo ci sarebbe voluto per la formazione di queste formazioni rocciose. All’epoca, la maggior parte degli europei credeva che la Terra avesse circa 6.000 anni, una cifra che si basava sulla quantità di tempo stimata per gli eventi descritti nella Bibbia. Uno dei primi a mettere in discussione questa scala temporale fu un geologo scozzese di nome James Hutton (1726-1797). Spesso descritto come il fondatore della geologia moderna, Hutton formulò una filosofia chiamata uniformitarismo: Il presente è la chiave del passato. Secondo l’uniformitarismo, gli stessi processi che vediamo oggi intorno a noi operavano anche nel passato. Per esempio, se l’erosione e la deposizione avvengono lentamente ora, probabilmente sono sempre avvenute lentamente.

Hutton ha scoperto luoghi dove i letti di roccia sedimentaria giacciono su una superficie erosa. Una tale formazione è chiamata unconformità, o una lacuna negli strati di roccia, dove alcune rocce sono state erose via. Hutton ha ricostruito la sequenza di eventi che hanno portato a questa formazione. Per esempio, consideriamo la famosa unconformità a Siccar Point, sulla costa della Scozia (Figura 11.15).

Figura 11.15: Unconformità di Hutton sulla costa della Scozia.

In base alla figura 15, si possono dedurre almeno nove eventi geologici:

1. Una serie di letti sedimentari si deposita su un fondo oceanico.
2. I sedimenti si induriscono in rocce sedimentarie.
3. Le rocce sedimentarie vengono sollevate e inclinate, esponendole sopra la superficie oceanica.
4. I letti inclinati sono erosi dalla pioggia, dal ghiaccio e dal vento per formare una superficie irregolare.
5. Un mare copre gli strati di roccia sedimentaria erosi.
6. Nuovi strati sedimentari sono depositati.
7. I nuovi strati si induriscono in roccia sedimentaria.
8. Questi strati sono inclinati.
9. Sollevamento si verifica, esponendo le nuove rocce sedimentarie sopra la superficie dell’oceano.

Hutton si rese conto che un enorme periodo di tempo era necessario per rendere conto dei ripetuti episodi di deposizione, formazione di roccia, sollevamento ed erosione che hanno portato alla formazione di una non conformità, come quella di Siccar Point. Hutton si rese conto che l’età della Terra non doveva essere misurata in migliaia di anni, ma in milioni di anni.

Conciliare gli strati di roccia

La sovrapposizione e il taglio incrociato sono utili quando le rocce si toccano, ma sono inutili quando le rocce sono distanti chilometri o addirittura continenti. Tre tipi di indizi aiutano i geologi a far combaciare gli strati di roccia su grandi distanze. Il primo è il fatto che alcune formazioni rocciose sedimentarie coprono grandi distanze, riconoscibili in grandi regioni. Per esempio, la formazione Pierre Shale può essere riconosciuta attraverso le Grandi Pianure, dal New Mexico al Nord Dakota. Le famose scogliere bianche di Dover nel sud-ovest dell’Inghilterra possono essere abbinate a simili scogliere bianche in Danimarca e Germania.

Un secondo indizio potrebbe essere la presenza di un letto chiave, o uno strato di roccia particolarmente caratteristico che può essere riconosciuto in una vasta area. Le colate di cenere vulcanica sono spesso utili come letti chiave perché sono diffuse e facili da identificare. Probabilmente l’esempio più famoso di un letto chiave è uno strato di argilla trovato al confine tra il periodo cretaceo e il periodo terziario, il tempo in cui i dinosauri si estinsero (Figura 11.16). Questo sottile strato di sedimento, spesso solo pochi centimetri, contiene un’alta concentrazione dell’elemento iridio. L’iridio è raro sulla Terra ma comune negli asteroidi. Nel 1980, un team di scienziati guidati da Luis Alvarez e da suo figlio Walter ha proposto che un enorme asteroide colpì la Terra circa 66 milioni di anni fa, causando incendi boschivi, piogge acide e cambiamenti climatici che spazzarono via i dinosauri.

Figura 11.16: Strato bianco di argilla che segna il confine Cretaceo-Terziario.

Figura 11.17: Scala temporale geologica.

Un terzo tipo di indizio che aiuta gli scienziati a confrontare diversi strati di roccia sono i fossili indice. Ricordiamo che i fossili indice sono i resti di organismi che erano diffusi ma che sono esistiti solo per un periodo di tempo relativamente breve. Se due unità rocciose contengono entrambe lo stesso tipo di fossili indice, la loro età è probabilmente molto simile.

Come gli scienziati hanno raccolto fossili da tutto il mondo, hanno riconosciuto che le rocce di età diverse contengono tipi diversi di fossili. Questo modello ha portato alla creazione della scala del tempo geologico e ha contribuito a ispirare la teoria dell’evoluzione di Darwin (Figura 11.17).

Ogni era, periodo ed epoca della scala del tempo geologico è definita dai fossili apparsi in quel momento. Per esempio, le rocce del Paleozoico contengono tipicamente fossili di trilobiti, brachiopodi e crinoidi. La presenza di ossa di dinosauro indica che una roccia è dell’era Mesozoica, e il particolare tipo di dinosauro permetterà di identificare la roccia come Triassica, Giurassica o Cretacea. L’Era Cenozoica è anche conosciuta come l’Età dei Mammiferi, e il Periodo Quaternario rappresenta il tempo in cui i primi esseri umani si diffusero sulla Terra.

Riassunto della lezione

Nicholas Steno formulò per primo i principi che permettono agli scienziati di determinare le età relative delle rocce nel 17° secolo. Steno affermò che le rocce sedimentarie si formano in strati orizzontali continui, con strati più giovani sopra strati più vecchi. Un secolo dopo, James Hutton scoprì la legge dei rapporti trasversali: una faglia o un’intrusione ignea è più giovane delle rocce che taglia. Hutton fu anche il primo a rendersi conto della grande quantità di tempo che sarebbe stata necessaria per creare un’incongruenza, un luogo dove le rocce sedimentarie si trovano sopra una superficie erosa.

Altri metodi entrano in gioco quando si confrontano strati di roccia che sono separati da una grande distanza. Molte formazioni rocciose sedimentarie sono grandi e possono essere riconosciute in tutta una regione. Strati distintivi di roccia, chiamati letti chiave, sono anche utili per correlare le unità rocciose. I fossili, specialmente i fossili indice, sono il modo più utile per confrontare diversi strati di roccia. I cambiamenti dei fossili nel tempo hanno portato allo sviluppo della scala temporale geologica.

Domande di revisione

1. Nel XV secolo, un contadino trova una roccia che assomiglia esattamente a una conchiglia. Che cosa ha probabilmente concluso il contadino su come il fossile è arrivato lì?
2. Quale delle leggi di Steno è illustrata da ciascuna delle seguenti immagini nella Figura 11.18?
3. Qual è la sequenza delle unità rocciose nella Figura 11.19, dalla più antica alla più giovane?
5. Quale tipo di formazione geologica è mostrata nell’affioramento in Figura 11.20, e quale sequenza di eventi rappresenta?
6. I tre affioramenti in Figura 11.21 sono molto distanti tra loro. In base a ciò che vedi, quale fossile è un fossile indice, e perché?

Figura 11.18: Illustrazione delle leggi di Steno.

Figura 11.19: Sequenza di unità rocciose.

Figura 11.20: Outcrop.

Figura 11.21: Fossili.