Ere geologiche

Erano le 9 del mattino del 26 ottobre 4004 (avanti Cristo, ovviamente)
quando, nel vuoto dello spazio, a circa 150 milioni di chilometri dal Sole, prese corpo la Terra.
Ora, giorno e anno di quest’impossibile data di nascita
del nostro pianeta furono ottenuti con cura dal primate anglicano
d’Irlanda James Ussher agli inizi del 1600, grazie ad un certosino lavoro
di ricerca sui calendari antichi. Una data e una precisione che oggi fanno sorridere.
Ma a quei tempi era diffusa la convinzione che la storia
dell’uomo e quella della Terra fossero un tutt’uno e lo stesso
Isaac Newton (grande matematico e scopritore della gravitazione universale)
collaborò con Ussher a stabilire la data indicata all ‘inizio.
Stabilita la data di nascita, c’erano da definire le tappe attraversate dal pianeta
nei suoi (presunti) 5.600 anni di vita. Così si cominciarono a cercare informazioni s
ul tempo impiegato da quest’ultimo a raffreddarsi, e si elaborarono
i primi metodi scientifici per "leggere" ciò che rocce e fossili potevano raccontare.

È da circa un secolo che si sa quanto è vecchia la Terra.
4,7 miliardi di anni. Prima, le ipotesi andavano da 6 mila a 300 milioni di anni.

UNA CATASTROFE
Nel 1759 Giovanni Arduino suddivise la storia dei terreni che si sono depositati sulla superficie terrestre in 4 momenti: Primario, Secondario, Terziario e Quaternario. Un’era "arcaica" , anteriore alla Primaria, fu istituita da Edward Dana nel 1876.
E questa rozza suddivisione perdura ancora oggi anche se la scala di Arduino era fondata sull’idea che ciascun "momento" fosse caratterizzato da fenomeni naturali planetari, come inondazioni, glaciazioni o cataclismi di altro genere.

Oggi sappiamo che non è così. Non esistono catastrofi che abbiano, se non in casi davvero eccezionali, lasciato segni universali. Le uniche correlazioni planetarie utili a stabilire cronologie universali sono - si è scoperto in seguito - quelle paleontologiche. Cioè quelle basate sullo studio dei fossili.

Nel 1800 le idee sull’età del nostro pianeta cambiarono radicalmente per merito del geologo scozzese Charles Lyell, che finalmente comprese l’entità dei tempi necessari per depositare o erodere gli strati geologici che formano una montagna: centinaia di migliaia di anni.

L’INTUIZIONE DI DARWIN
Charles Darwin calcolò quanto tempo avrebbero impiegato gli agenti atmosferici a erodere la regione del Weald, nell’Inghilterra sudorientale. Il risultato fu sorprendente: 300 milioni di anni. La Terra, dunque, doveva essere molto più antica di quel che si supponeva.
Ma i risultati del padre dell’evoluzionismo furono contestati da molti.
Per esempio dal fisico britannico William Thomson, più noto come Lord Kelvin, il quale sostenne - basandosi sui suoi studi di fisica solare che il Sole stesso non poteva esistere da più di 100 milioni di anni.
E, calcolando la velocità di raffreddamento della Terra, dedusse che il pianeta non poteva avere più di 98 milioni di anni, anche se ammetteva la possibilità di un buon margine d’errore. In ogni caso, le due ricerche sembravano portare a risultati concordanti.
Di fronte a ciò, Darwin ritrattò in parte le sue scoperte. Nessun altro geologo prese seriamente posizione nei confronti di Lord Kelvin, e così l’idea che la Terra fosse relativamente giovane continuò a sopravvivere ancora per secoli.

Chi per primo osò spostare i limiti della nascita del pianeta decisamente indietro nel tempo fu Samuel Haughton, irlandese come Ussher e docente di geologia al Trinity College di Dublino: nel 1865, sostenne che dovevano essere passati almeno 2.300 milioni di anni tra la formazione degli oceani e l’inizio dell’era Terziaria, calcolati, ancora una volta, in base al tempo di raffreddamento della Terra.
Anche Haughton, però, si "pentì": 13 anni più tardi, in seguito al confronto tra i fossili ritrovati in regioni artiche e gli attuali organismi viventi, rivide la sua precedente interpretazione. E ipotizzò ancora una volta un’età del pianeta non superiore ai 200 milioni di anni.

RADIOATTIVITÀ E CERTEZZA
Fu la radioattività scoperta da Henri Becquerel nel 1896 a dare ai geologi la possibilità di mettere la parola fine alle speculazioni sull’età della Terra. Inizialmente la radioattività scardinò il concetto che il pianeta si fosse raffreddato con regolarità dal momento in cui si era formato, perché gli elementi radioattivi emettevano in continuazione energia, e quindi calore. Il calcolo diventava infatti molto più complicato: bisognava stabilire la velocità del raffreddamento, tenendo però anche conto del riscaldamento dovuto all’azione della radioattività.
Tuttavia, ben presto si comprese che grazie alle proprietà degli elementi radioattivi presenti in moltissime rocce, queste si potevano datare. E la Terra invecchiò di colpo. Arthur Holmes pubblicò nel 1913 il primo resoconto completo dei vari metodi per misurare il tempo geologico e, basandosi su questo lavoro, il geofisico americano Yale Barrell campionò rocce di ogni età e, quattro anni più tardi, stilò una scala cronologica dal Cambriano a oggi, che resta tuttora valida, sia pure con vari aggiustamenti fatti negli anni successivi.

Quanto all’età della Terra, nel 1931 il Consiglio Nazionale delle Ricerche americano concludeva, in un’importante riunione sul tema, che il nostro pianeta ha un’età compresa tra i 1.600 e i 3.000 milioni di anni.
Oggi le date si sono ulteriormente spostate all’indietro, ma ormai la grande maggioranza degli studiosi concorda su un’età di 4.700 milioni di anni, benché le rocce più antiche risalgano al massimo a 4.050 milioni di anni fa.

Che cosa caratterizza le ere geologiche?
Vari elementi: l’esistenza di grandi foreste,
nascite di catene montuose, piogge di comete...
E, soprattutto, grandi estinzioni di massa.

La scala dei tempi geologici è stata elaborata dai ricercatori utilizzando tecniche d’indagine che appartengono fondamentalmente a due categorie: quelle che datano le rocce in modo assoluto, che cioè permettono di conoscere con uno scarto minimo la loro vera età, e quelle che sfruttano il principio secondo il quale gli strati di roccia si sono sovrapposti gli uni sugli altri in tempi successivi (in altre parole, significa che le rocce superficiali sono più recenti, e quelle della stessa stratificazione sono contemporanee).

Il risultato è una classificazione simile a quella che suddivide gli esseri viventi in specie, famiglie, ordini e cosi via. Solo che riguarda i periodi di tempo. Si parte con gli EONI (es. Proterozoico), che si suddividono in ERE (es. Cenozoico), PERIODI (es. Giurassico) EPOCHE (es. Triassico medio) ed ETA’ (es. Albiano).

Ecco qui di seguito le principali caratteristiche degli eoni e delle ere.

NASCE LA TERRA
Da 4.7 a 3.8 miliardi di anni fa si svolge il periodo più "caldo" e drammatico della Terra. Durante questa lunga fase, rimasta senza nome, il pianeta prese corpo dalla nebulosa primordiale, nacquero il nucleo e il mantello, e si formò una prima crosta a composizione basaltica (simile, cioè, alle lave di molti vulcani oceanici attuali).
Sempre in questa prima fase, il pianeta fu intensamente bombardato da corpi meteorici che produssero una gran quantità di crateri simili a quelli che oggi si osservano sulla Luna. Con la riduzione degli impatti, iniziata circa 4 miliardi di anni fa, il pianeta iniziò a godere di una certa tranquillità e alcune rocce che si formarono in quel periodo sono sopravvissute sino a oggi.

ARCHEANO
(3.8-2.5 miliardi di anni fa). E il primo vero eone di cui si hanno campioni di rocce sedimentarie metamorfosate (cioè derivate da sedimenti di bacini marini sottoposti nel corso del tempo a pressioni così intense da aver subìto profonde modificazioni chimiche e fisiche).
Ormai la temperatura della Terra era scesa al punto che l’acqua poteva esistere allo stato liquido. I mari principali, forse, erano i grandi bacini formati dall’impatto degli asteroidi In quel periodo si formò anche la prima crosta continentale, derivata dalla "differenziazione dei basalti":
In altre parole, dai magmi derivati dalla fusione dei basalti si staccò una parte più ricca di silice che, come panna sul latte, galleggiava sul materiale fuso sottostante, dando origine alla crosta dei continenti.
La composizione dell’atmosfera primordiale non è nota con certezza: secondo l’ipotesi più accreditata conteneva metano, ammoniaca e vapore acqueo, ma recenti teorie la vorrebbero formata soprattutto di anidride carbonica.
In quel periodo, si pensa fra 3,6 e3,5 miliardi di anni fa, nacquero le prime forme viventi: se si siano plasmate da molecole inorganiche terrestri o se siano state portate dallo spazio è ancora un mistero. Comunque sia andata, l’azione dei raggi solari sull’ossigeno prodotto da questi organismi primitivi diede origine all’ozono che formò (e forma tuttora) uno strato protettivo nell’alta atmosfera.

PROTEROZOICO
(2,5-0.54 miliardi di anni fa): Durante questo eone i continenti assumono lo spessore attuale e aumentano sensibilmente le rocce derivate dai sedimenti marini. Si ritrovano, infatti, sia rocce carbonatiche prodotte dai gusci degli organismi viventi, sia arenarie e argilliti, risultato delle sabbie e delle argille portate in mare dai fiumi.
Questo vorrebbe dire che già 2 miliardi di anni fa erano attivi i meccanismi che facevano sorgere ed erodere le montagne: era già attiva cioè, la "tettonica delle zolle". A 600 milioni di anni fa risale il primo episodio di scontro tra zolle di una certa importanza che è rimasto testimoniato in rocce africane.
Nell’atmosfera calò vertiginosamente l’anidride carbonica perché era assorbita dagli organismi viventi e si fissava nelle rocce carbonatiche, che si formavano con la loro morte. Aumentò invece la quantità di ossigeno.
Durante gli ultimi 200 milioni di anni di questo eone. gli organismi viventi erano già complessi e differenziati, come dimostrano fossili di anellidi, brachiopodi e altri molluschi ritrovati in rocce di quel periodo sulle colline di Ediacara nel sud dell’Australia. A 2,3 miliardi di anni fa risale la prima glaciazione di cui si ha testimonianza certa, forse dovuta ad una forte inclinazione dell’asse terrestre.

FANEROZOICO
(0,54 miliardi di anni fa-oggi). E l’eone che dura ancora oggi. Prende il via nel momento in cui iniziò la diversificazione della vita. Questa fase sarebbe stata innescata da una nuova pioggia di comete che portò con sé una quantità di elementi chimici organici, che forse fecero da "concime" alla vita che sonnecchiava sulla Terra. Il Fanerozoico è suddiviso a sua volta in ere. Eccole.

PALEOZOICO
250 milioni di anni fa. L’era paleozoica (della vita antica) comprende 6 periodi: Cambriano, Ordoviciano, Silunano, Devoniano, Carbonifero e Permiano.
La grande diversificazione della vita animale, chiamata da molti paleontologi il "big bang" dell’evoluzione, si verificò nei primi 60 milioni di anni di quest’era.
Nella formazione rocciosa nota come Burgess Shale, vicino a Field nella Columbia Britannica (Usa), si possono osservare fossili eccezionalmente ben conservati del periodo.
Le piante invasero le terre emerse verso la fine dell’Ordoviciano, e al termine di questo periodo vi fu la prima glaciazione paleozoica (a quell’epoca il Nord Africa era all’altezza del Polo Sud). Il raffreddamento del pianeta causò la prima delle 5 estinzioni di massa del Fanerozoico (la seconda fu nel Devoniano).
Durante il Cambriano due continenti dell’emisfero nord si scontrarono, formando una catena montuosa i cui resti si ritrovano oggi in Scandinavia, in Gran Bretagna e nella regione degli Appalachi in Nord America. Sul nuovo continente, chiamato Laurussia, si depositò un potente strato di sabbie rosse.

Il Laurussia si scontrò poi con il Gondwana, l’altro grande continente di quell’era, e l’atto finale fu la formazione di un’unica grande superficie emersa, la Pangea, che durante il Carbonifero e il Permiano si trovava all’altezza del Polo Sud.
Tuttavia, la regione della ex Laurussia si spingeva sino all’Equatore, così che su di essa si svilupparono estese foreste, che diedero origine ai depositi di carbone da cui deriva il nome Carbonifero.
Il Paleozoico terminò con la peggiore estinzione di massa della storia terrestre. Il 90 per cento delle forme viventi scomparve. La causa è ignota, ma si sospetta l’impatto di oggetti extraterrestri.

MESOZOICO
(250-65 milioni di anni fa). Il Mesozoico è stato suddiviso in 3 periodi: Triassico, Giurassico e Cretaceo. L’era fu caratterizzata dallo smembramento della Pangea.
La frammentazione prese avvio da profonde fratture, chiamate rift, che si svilupparono tra Africa, Madagascar, India, Australia e tra Norvegia e Groenlandia. Fu poi la volta della spinta verso nord del promontorio africano che portò alla formazione delle Alpi.
Il Mesozoico fu l’era dei rettili, che invasero continenti, mari e aria.
Si diffusero anche i primi mammiferi e nel Giurassico gli uccelli con l’Archaeopteryx, rinvenuto nel calcare a grana finissima di Solenhofen, in Baviera. Ammoniti, brachiopodi, lamellibranchi e rudiste abbondavano nei mari, mentre tra le piante terrestri dominavano le gimnosperme (conifere) e nel Cretaceo fecero la loro comparsa le piante a fiori (angiosperme).
Un’estinzione caratterizzò la fine del Triassico (in mare sparì il 20 per cento delle famiglie animali) e un’altra la fine del Cretaceo, quando scomparvero dinosauri, ammoniti e rudiste.

CENOZOICO
(65 milioni di anni fa-oggi). Secondo l’Unione internazionale delle scienze geologiche, questa era comprende il Terziario e il Quaternario, che non sono più ere, quindi, ma periodi. Nel Terziario nascono le principali catene montuose.
Lo scontro tra India e Asia, per esempio, genera l’Himalaya, mentre nuovi rift si aprono in Africa, dando origine alla Rift VaIley, e in Europa, formando la ormai abortita fossa renana, dove oggi scorre un tratto del Reno. Le Alpi che già avevano preso forma nel Cretaceo si plasmano del tutto tra l’Eocene e il Pliocene.
Il Cenozoico è l’era dei mammiferi, ma anche i rettili, gli anfibi, gli uccelli canori e le piante che popolano oggi il pianeta fecero la loro comparsa in quell’era.
Altre estinzioni di massa, di foraminiferi nel mare e di mammiferi sulla terra, si ebbero nella seconda metà del Paleogene: la causa fu forse il raffreddamento generale del pianeta. Ma questa era è importante soprattutto per la comparsa dei primati, ai quali appartiene l’uomo.

Per finire, ecco un semplice gioco per capire meglio l’entità dei tempi coinvolti in questa sintetica carrellata geologica: se la storia della Terra si fosse svolta in un anno anziché in 4 miliardi e 700 milioni di anni, allora le prime forme di vita sarebbero apparse negli oceani agli inizi di febbraio, le piante e vertebrati terrestri a fine novembre, i dinosauri i metà dicembre e i mammiferi il 31 dello stesso mese Quanto all’uomo, la sui presenza sul pianeta avrebbe occupato una manciata di minuti, e le ricerche geologiche per comprendere tutto questo sarebbero durate meno di un centesimo di secondo.

Per stabilire una cronologia attendibile sono state sviluppate decine di tecniche:
dalla dendrocronologia alla chimica degli strati fino all’analisi della radioattività.

I metodi per datare rocce e fossili sono di due tipi:
quello relativo, che dà modo di stabilire solo la
sequenza degli eventi, e quello assoluto, c
he consente invece di scoprire la data,
anche se approssimata, di un evento geologico.

DATAZIONE RELATIVA
"Relatività" significa stabilire il prima e il dopo. Quindi i metodi di datazione relativi vogliono solo determinare la successione degli eventi geologici o biologici. Per farlo, i criteri finora seguiti sono tre:

quello stratigrafico, quello litologico e quello paleontologico.

Il primo, il criterio stratigrafico, si basa sull’idea che in una successione di strati, quelli che si trovano più in basso siano sempre quelli più antichi.
Ovvio? Certamente sì. Quello che non è ovvio è stabilire quando questo criterio sia applicabile. Le spinte delle zolle terrestri, infatti, sono in grado di formare montagne e spostare continenti... figuriamoci se non possono ribaltare grandi porzioni di rocce e quindi portare gli strati più antichi al di sopra di quelli più giovani.
Quando esiste il dubbio che un simile evento si sia verificato in una certa zona, allora è necessario ricorrere ad altri sistemi. Per esempio al criterio litologico, benché sia utilizzabile solo in aree ristrette.

I PIU’ PIU PREZIOSI? I FOSSILI GUIDA
Questo metodo si basa sull’idea che rocce simili si siano formate nello stesso periodo, e in genere vale per sedimenti depositatisi nel medesimo bacino lacustre o nel medesimo mare. Non è applicabile su aree molto vaste, perché è possibile che rocce identiche si siano depositate anche in periodi molto lontani.

Infine c’è il criterio paleontologico. Si basa sui fossili presenti negli strati rocciosi. Generalmente, infatti, le rocce e i fossili che si trovano al loro interno hanno la medesima età. Oggi si pensa che la vita si sia evoluta più o meno allo stesso modo su tutto il pianeta, per cui, quando si riesce a datare in modo preciso un fossile, si può, con buona approssimazione, sostenere che tutti gli strati della Terra che contengono quel fossile abbiano la medesima età.

Questo tipo di datazione è basato soprattutto sui cosiddetti "fossili guida", organismi che sono stati molto diffusi nel pianeta, ma la cui esistenza sia stata comunque limitata a un periodo relativamente breve (così da caratterizzarlo). In tal modo i "fossili guida" permettono di datare strati rocciosi anche molto distanti gli uni dagli altri.

LA DATAZIONE ASSOLUTA
Questo sistema di datazione permette di stabilire con precisione l’età di rocce o fossili, specificandone la data di formazione.
La cronologia relativa si impiega con le rocce sedimentarie, mentre quella assoluta e applicabile soprattutto alle rocce eruttive, quelle cioè che si formano per raffreddamento di un magma, al cui interno sono generalmente presenti elementi radioattivi.
La presenza relativa di questi elementi e dei prodotti del loro decadimento permette, infatti, di stabilire con una certa accuratezza il periodo di formazione delle rocce stesse. Una sostanza si dice, infatti, radioattiva quando è instabile, cioè quando in ogni dato lasso di tempo una parte di essa si trasforma in altre sostanze (a volte stabili, a volte ancora radioattive).
Conoscendo la rapidità di questa trasformazione, o per usare un termine tecnico il "tempo di dimezzamento" di una certa sostanza e i prodotti del suo decadimento, è possibile risalire alla data approssimativa della sua formazione.

Per esempio, l’uranio 238 si trasforma in piombo 206 con un periodo di dimezzamento di 4,5 miliardi di anni. Questo significa che dopo questo tempo un grammo di U-238 si è trasformato per metà in piombo e che dopo altrettanto tempo saranno rimasti 0,25 g di uranio e così via. Succede lo stesso per il rubidio 87 che decade in stronzio 87 con un periodo di dimezzamento di 4,7 miliardi di anni, e per il carbonio 14 che decade in azoto 14 con un periodo di dimezzamento di 5.730 unni.
Il ricercatore deve semplicemente "contare" gli atomi dell’isotopo radioattivo ancora presenti nei minerali della roccia e quelli dell’elemento da esso derivato. La loro somma dà il numero di atomi radioattivi iniziali, presenti nella roccia nel momento della sua formazione.

Il decadimento può quindi funzionare da "orologio", un orologio particolarissimo che funziona come una clessidra basata sulla continua diminuzione dell’isotopo "genitore" (elemento che appare in più forme con lo stesso numero di protoni, ma diverso numero di neutroni) e il continuo aumento dell’isotopo "figlio". La difficoltà maggiore nell’applicare questa tecnica, benché ormai ben consolidata, è che spesso non c’è un solo "figlio", ma un’intera catena di nipoti e bisnipoti.

Tuttavia, per le formazioni rocciose risalenti al Precambriano, dove i fossili sono rarissimi, la datazione radiometrica è certamente il più valido mezzo di indagine. Lo stesso vale per il Quaternario, ma per una ragione diversa: in un periodo troppo breve l’evoluzione dei fossili non fornisce elementi adeguati per una datazione convincente.

Qui di seguito, ecco le sostanze radioattive più usate per le datazioni assolute.

URANIO-PIOMBO
Quasi tutto l’uranio presente in natura è costituito da due isotopi, l’uranio-238 e l’uranio-235. I prodotti del loro decadimento sono rispettivamente il piombo-206 e 207. A questi va aggiunto il piombo 208, prodotto dal decadimento del torio-232. L’intervallo cronologico d’applicazione della coppia uranio-piombo parte dal Terziario e si spinge sino alle rocce più antiche a noi note. Con quelle recenti non è invece abbastanza preciso.

POTASSIO-ARGON
Il potassio è costituente comune dei minerali di molte rocce, soprattutto magmatiche acide (molto ricche di silice), dove è presente con tre isotopi. Tra questi però solo uno, il potassio 40, è radioattivo e decade in argon 40.
Sono però misure delicate e difficoltose, perché soltanto un atomo di potassio su 10 mila è proprio di potassio 40. L’intervallo cronologico di applicabilità del metodo inizia intorno ai 200 mila anni fa e può spingersi sino a un miliardo di anni fa.

RUBIDIO-STRONZIO
In natura il rubidio si ritrova in tutti i minerali che contengono potassio. Possiede due isotopi di cui solamente il rubidio 87, che rappresenta il 27,85% del totale, è radioattivo e decade in stronzio 87. La velocità di decadimento rubidio-stronzio è molto bassa, quindi sì presta bene a datare anche le rocce più antiche presenti sulla Terra. E anche quelle che provengono dal cosmo, come le meteoriti.

"TRACCE DI FISSIONE"
Le particelle ad alta energia prodotte dalla fissione (cioè dalla rottura) spontanea dell’uranio 238 lasciano tracce sui cristalli che attraversano. Queste tracce sono visibili al microscopio elettronico. Ma anche al microscopio ottico, trattando i cristalli con acidi. Dalla densità delle tracce conteggiate al microscopio e con opportune relazioni fisico-matematiche si risale all’età del minerale.

CARBONIO 14
Mentre gli elementi radioattivi dì cui abbiamo parlato sono sempre esistiti sulla Terra, il carbonio 14 si forma in continuazione per azione dei raggi cosmici. Come si può allora utilizzarlo per datare qualcosa? Semplice: quando un organismo vivente muore, non assume più carbonio 14 dall’esterno e da quel momento la percentuale di carbonio 14 contenuta nei suoi resti comincia a diminuire. Il metodo serve quindi solo con la materia organica.

ANELLI E VARVE
Si può infine determinare l’età assoluta di antiche piante per mezzo della dendrocronologia, cioè attraverso l’osservazione degli anelli di accrescimento degli alberi. E per gli antichi laghi glaciali ci si basa sulle "varve": sedimenti chiari e scuri formati dall’alternanza di depositi di sabbie fini nella stagione calda, e di argille scure durante la stagione fredda. Due sistemi utili per datazioni di pochi millenni.

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