Volcanic-affinity compositional shifts obscure chemical weathering signals in black shales
Questo studio dimostra che il mescolamento compositivo con affinità vulcanica può creare segnali di alterazione chimica fuorvianti nelle scisti nere, rendendo necessario un nuovo quadro congiunto di esposizione–deviazione per distinguere i veri cambiamenti del paleoweathering dagli artefatti della composizione della roccia madre.
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Il tempo profondo è un archivio vasto e silenzioso scritto nella pietra della crosta terrestre. Per leggere il clima di milioni di anni fa, i geologi si rivolgono spesso alle scisti neri, un tipo di roccia scura e a grana fine che si forma in acque calme e povere di ossigeno. Queste rocce sono particolarmente preziose perché intrappolano un registro chimico della terra che vi è erosa. Quando la pioggia cade sulle rocce, le decompone in un processo chiamato alterazione chimica, portando via determinati elementi come sodio e calcio e lasciandone altri, come l'alluminio. Gli scienziati hanno sviluppato strumenti matematici per misurare quanto sia avvenuto questo lavaggio, utilizzando il bilancio rimanente degli elementi per stimare quanto il clima antico fosse umido o secco. Se la roccia mostra che la maggior parte degli elementi facilmente solubili è scomparsa, ciò suggerisce un clima caldo e umido che ha decomposto profondamente la roccia. Se quegli elementi rimangono, suggerisce un passato più secco o freddo. Questo metodo è diventato una pietra angolare per comprendere come l'atmosfera terrestre e il ciclo del carbonio siano cambiati nel corso di eoni.
Tuttavia, uno studio recente suggerisce che questo registro chimico può essere facilmente confuso da un altro tipo di evento geologico: l'arrivo di materiale vulcanico fresco. Ricercatori dell'Università di Pechino hanno analizzato 1.546 campioni di scisto nero raccolti dalla letteratura scientifica per vedere se la presenza di detriti vulcanici potesse mimare la firma chimica di un clima secco. Hanno scoperto che quando la roccia vulcanica fresca, ricca di minerali come il feldspato, si mescola al sedimento, inonda il mix chimico con elementi che di solito scompaiono durante l'alterazione. Questo afflusso fa apparire la roccia chimicamente "fresca", come se non fosse mai stata alterata, anche se il clima antico era in realtà molto umido. Lo studio rivela che questa influenza vulcanica può oscurare completamente il vero segnale di alterazione, portando gli scienziati a interpretare erroneamente l'ambiente antico.
Il team si è concentrato su un gruppo specifico di elementi — alluminio, calcio, sodio e potassio — che sono centrali per questi calcoli di alterazione. Hanno costruito un modello statistico per classificare i campioni in base a quanto somigliassero al materiale vulcanico rispetto alla tipica roccia alterata. Mentre procedevano attraverso i campioni, da quelli che sembravano più simili a una comune roccia alterata a quelli che sembravano più simili a detriti vulcanici freschi, osservavano cambiare i punteggi di alterazione. I risultati sono stati sorprendenti. I punteggi standard usati per misurare l'intensità dell'alterazione diminuivano drasticamente all'aumentare dell'influenza vulcanica. In altre parole, più materiale vulcanico era presente, più il clima appariva secco, indipendentemente da quale fosse il tempo reale. Ciò accadeva perché i minerali vulcanici freschi aggiungevano nuovamente proprio quegli elementi che la pioggia di solito lava via, resettando l'orologio chimico.
I ricercatori hanno anche esaminato come diverse formule di alterazione reagissero a questo mix. Hanno scoperto che tre formule comuni si muovevano in perfetta sincronia, tutte in calo per suggerire un'alterazione più debole all'aumentare del materiale vulcanico. Una quarta formula si comportava diversamente, salendo leggermente, il che corrispondeva all'aspettativa che le rocce fresche trattengano certi elementi. Il fatto che le tre formule principali concordassero così perfettamente non era, come precedentemente pensato, un segno che il segnale di alterazione fosse robusto. Inveve, lo studio ha dimostrato che questo accordo era un'illusione creata dal modo comune in cui queste formule sono costruite. Tutte dipendono dallo stesso manipolo di elementi, quindi quando il materiale vulcanico sposta questi elementi, tutte le formule si spostano insieme, creando un falso consenso.
Per dare un senso a ciò, gli autori hanno separato due cose che vengono spesso confuse: la quantità di materiale vulcanico in una roccia e il reale cambiamento chimico causato dall'alterazione. Hanno scoperto che una roccia può essere piena di detriti vulcanici ma mostrare comunque un segnale chimico che sembra normale, o può avere pochissimo materiale vulcanico ma mostrare un enorme cambiamento chimico. Ciò significa che vedere semplicemente un basso punteggio di alterazione non prova automaticamente che il clima fosse secco, né che un punteggio alto garantisca che fosse umido. La presenza di materiale vulcanico è un fattore separato che deve essere identificato prima che la storia dell'alterazione possa essere raccontata. Lo studio ha identificato che circa l'82 percento dei campioni esaminati si adattava ancora ai modelli standard di alterazione, ma quasi il 18 percento mostrava deviazioni significative che non potevano essere spiegate solo dal clima.
Il team non si è fermato ai numeri; è andato in una specifica formazione rocciosa nel nord-ovest della Cina per vedere cosa stesse accadendo fisicamente nel terreno. Utilizzando potenti microscopi e scanner chimici, hanno esaminato sottili fette di scisto nero. Hanno scoperto che le rocce contenevano quantità significative di feldspato e altri minerali provenienti da fonti vulcaniche fresche. Questi minerali erano fisicamente presenti nella roccia, confermando che gli spostamenti chimici visti nei dati erano causati da reali, tangibili detriti vulcanici che si mescolavano al sedimento. Questa evidenza fisica supportava il loro modello, mostrando che il segnale chimico "fresco" derivava effettivamente da rocce vulcaniche che non erano ancora state alterate dalla pioggia.
Infine, i ricercatori hanno sviluppato uno strumento pratico per aiutare altri scienziati a evitare questa trappola. Hanno creato un sistema che utilizza dati chimici di routine, già disponibili per la maggior parte dei campioni di roccia, per stimare quanta influenza vulcanica potrebbe essere presente. Questo strumento può segnalare i campioni che sono probabilmente fuorvianti, dicendo ai ricercatori di fermarsi e cercare prove indipendenti, come la presenza di strati di cenere o minerali specifici, prima di trarre conclusioni sul clima antico. Lo studio non dice che i segnali di alterazione siano inutili, ma insiste sul fatto che debbano essere controllati prima contro la possibilità di contaminazione vulcanica. Distinguendo tra l'impronta chimica di un clima umido e l'impronta chimica di una roccia vulcanica fresca, lo studio fornisce una via più chiara per leggere la storia del tempo profondo della Terra.
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