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Obiettivi della lezione

• Spiegare le leggi di Steno della sovrapposizione e dell’orizzontalità originale.
• In base a una sezione trasversale geologica, identificare le formazioni più antiche e più giovani.
• Spiegare cosa rappresenta una non conformità.
• Sapere come usare i fossili per correlare gli strati di roccia.

Vocabolario

• biozona
• relazioni di taglio
• trasversalerelazioni di taglio
• scala temporale geologica
• letto chiave
• continuità laterale
• microfossili
• orizzontalità originale
• età relativa
• superposizione
• inconformità
• uniformitarismo

Introduzione

Qualcosa che speriamo tu abbia imparato da queste lezioni e dalla tua esperienza di vita è che le leggi della natura non cambiano mai. Sono le stesse oggi come lo erano miliardi di anni fa. L’acqua congela a 0° C alla pressione di 1 atmosfera; questo è sempre vero.

Sapere che le leggi naturali non cambiano mai aiuta gli scienziati a capire il passato della Terra perché permette loro di interpretare indizi su come le cose sono accadute molto tempo fa. I geologi usano sempre processi attuali per interpretare il passato. Se si trova un fossile di un pesce in un ambiente terrestre secco, il pesce si è forse mosso sulla terraferma? La roccia si è formata in acqua e poi si è spostata? Dato che oggi i pesci non si muovono sulla terraferma, la spiegazione che aderisce alla filosofia che le leggi naturali non cambiano è che la roccia si è mossa.

I fossili erano organismi viventi

Nel 1666, un giovane medico di nome Nicholas Steno dissezionò la testa di un enorme squalo bianco che era stato catturato da un pescatore vicino a Firenze, Italia. Steno fu colpito dalla somiglianza dei denti dello squalo con i fossili trovati nelle montagne e nelle colline dell’entroterra (figura sotto).

La maggior parte delle persone all’epoca non credeva che i fossili fossero un tempo parte di creature viventi. Gli autori dell’epoca pensavano che i fossili di animali marini trovati in alte montagne, a chilometri da qualsiasi oceano, potessero essere spiegati in uno dei due modi seguenti:

• I gusci sono stati portati alla luce durante il diluvio biblico. (Questa spiegazione non poteva rendere conto del 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)
• I fossili si sono formati all’interno delle rocce come risultato di forze misteriose.

Ma per Steno, la stretta somiglianza tra i fossili e gli organismi moderni era impossibile da ignorare. Invece di invocare forze soprannaturali, Steno concluse che i fossili erano una volta parti di creature viventi. Cercò quindi di spiegare come le conchiglie fossili potessero essere trovate in rocce e montagne lontane da qualsiasi oceano. Questo lo portò alle idee che sono discusse di seguito.

Superposizione degli strati di roccia

Steno propose che se una roccia conteneva i fossili di animali marini, la roccia si era formata da sedimenti che si erano depositati sul fondo del mare. Queste rocce sono state poi sollevate per diventare montagne. Sulla base di questi presupposti, Steno fece una notevole serie di congetture che ora sono note come Leggi di Steno. Queste leggi sono illustrate nella figura qui sotto.

Altri scienziati hanno osservato gli strati di roccia e formulato altri principi. Il geologo William Smith (1769-1839) ha identificato il principio della successione faunistica, che riconosce che:

• Alcuni tipi di fossili non si trovano mai con altri tipi di fossili (per esempio, gli antenati umani non si trovano mai con i dinosauri), il che significa che i fossili in uno strato di roccia rappresentano ciò che è vissuto durante il periodo in cui la roccia è stata depositata.
• Le caratteristiche più vecchie sono sostituite da caratteristiche più moderne negli organismi fossili man mano che le specie cambiano nel tempo; per esempio i dinosauri piumati precedono gli uccelli nel record fossile.
• Le specie fossili con caratteristiche che cambiano distintamente e rapidamente possono essere usate per determinare l’età degli strati di roccia abbastanza precisamente.

Il geologo scozzese James Hutton (1726-1797) ha riconosciuto il principio delle relazioni trasversali. Questo aiuta i geologi a determinare il più vecchio e il più giovane di due unità rocciose (figura qui sotto).

Il Grand Canyon fornisce un’eccellente illustrazione dei principi di cui sopra. I molti strati orizzontali di roccia sedimentaria illustrano il principio dell’orizzontalità originale (Figura sotto).

• Gli strati di roccia più giovani sono in alto e i più vecchi sono in basso, il che è descritto dalla legge della sovrapposizione.
• Strati di roccia distintivi, come il Coconino Sandstone, sono abbinati attraverso l’ampia distesa del canyon. Questi strati di roccia erano una volta collegati, come indicato dalla regola della continuità laterale.
• Il fiume Colorado taglia tutti gli strati di roccia 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.

Determinare le età relative delle rocce

I principi di Steno e Smith sono essenziali per determinare le età relative delle rocce e degli strati di roccia. Nel processo di datazione relativa, gli scienziati non determinano l’età esatta di un fossile o di una roccia, ma guardano una sequenza di rocce per cercare di decifrare i tempi in cui un evento è avvenuto rispetto agli altri eventi rappresentati in quella sequenza. L’età relativa di una roccia è quindi la sua età in confronto ad altre rocce. Se conosci l’età relativa di due strati di roccia, (1) sai quale è più vecchio e quale più giovane? (2) Sai quanti anni hanno gli strati in anni?

Un sito web interattivo sulle età relative e il tempo geologico si trova qui: http://www.ucmp.berkeley.edu/education/explorations/tours/geotime/gtpage1.html

In alcuni casi, è molto difficile determinare la sequenza di eventi che porta a una certa formazione. Riesci a capire cosa è successo in quale ordine in (Figura sotto)? Scrivilo e poi controlla i paragrafi seguenti.

Il principio delle relazioni trasversali afferma che una faglia o un’intrusione è più giovane delle rocce che taglia. La faglia taglia tutti e tre gli strati di roccia sedimentaria (A, B e C) e anche l’intrusione (D). Quindi la faglia deve essere la caratteristica più giovane. L’intrusione (D) taglia i tre strati di roccia sedimentaria, quindi deve essere più giovane di questi strati. Per la legge della sovrapposizione, C è la roccia sedimentaria più vecchia, B è più giovane e A è ancora più giovane.

La sequenza completa degli eventi è:

1. Si è formato lo strato C.

2. Si è formato lo strato B.

3. Si è formato lo strato A.

4. Dopo che gli strati A-B-C erano presenti, l’intrusione D ha tagliato tutti e tre.

5. Si formò la faglia E, spostando le rocce da A a C e l’intrusione D.

6. Gli agenti atmosferici e l’erosione crearono uno strato di terreno sopra lo strato A.

L’età della Terra

Al tempo di Steno, la maggior parte degli europei credeva che la Terra avesse circa 6.000 anni, una cifra basata sulla quantità di tempo stimato per gli eventi descritti nella Bibbia. Uno dei primi scienziati a mettere in discussione questo assunto e a comprendere il tempo geologico fu James Hutton. Hutton viaggiò per la Gran Bretagna alla fine del 1700, studiando le rocce sedimentarie e i loro fossili (Figura sotto).

Spesso descritto come il fondatore della geologia moderna, Hutton ha formulato l’uniformitarismo: Il presente è la chiave del passato. Secondo l’uniformitarismo, gli stessi processi che operano oggi sulla Terra hanno operato anche nel passato. Perché l’accettazione di questo principio è assolutamente essenziale per poter decifrare la storia della Terra?

Hutton ha messo in dubbio l’età della Terra quando ha osservato sequenze di rocce come quella qui sotto. Durante i suoi viaggi, ha scoperto luoghi in cui i letti di roccia sedimentaria giacciono su una superficie erosa. In questa lacuna negli strati di roccia, o unconformità, alcune rocce sono state erose via. Per esempio, considera la famosa incongruenza di Siccar Point, sulla costa della Scozia (figura sotto).

1. Una serie di letti sedimentari è stata depositata su un fondo oceanico.

2. I sedimenti si sono induriti in roccia sedimentaria.

3. Le rocce sedimentarie sono state sollevate e inclinate, esponendole sopra il livello del mare.

4. I letti inclinati sono stati erosi per formare una superficie irregolare.

5. Un mare ha coperto gli strati di roccia sedimentaria erosi.

6. Si sono depositati nuovi strati sedimentari.

7. I nuovi strati si sono induriti in roccia sedimentaria.

8. L’intera sequenza di roccia è stata inclinata.

9. Poiché pensava che gli stessi processi in atto oggi sulla Terra avessero funzionato alla stessa velocità nel passato, doveva tenere conto di tutti questi eventi e della quantità sconosciuta di tempo mancante rappresentata dalla non conformità, Hutton si rese conto che questa sequenza di rocce rappresentava da sola una grande quantità di tempo. Concludeva che l’età della Terra non doveva essere misurata in migliaia di anni, ma in milioni di anni.

Collegare gli strati di roccia

La sovrapposizione e il taglio incrociato sono utili quando le rocce si toccano e la continuità laterale aiuta a collegare gli strati di roccia che sono vicini, ma come fanno i geologi a correlare gli strati di roccia che sono separati da distanze maggiori? Ci sono tre tipi di indizi:

1. Formazioni rocciose distintive possono essere riconoscibili in grandi regioni (Figura sotto).

2. Due unità rocciose separate con lo stesso fossile indice hanno un’età molto simile. Quali caratteristiche pensi che un fossile indice dovrebbe avere? Per diventare un fossile indice, l’organismo deve (1) essere stato diffuso in modo da essere utile per l’identificazione di strati rocciosi su grandi aree e (2) essere esistito per un periodo di tempo relativamente breve in modo che l’età approssimativa dello strato roccioso sia immediatamente nota.

Molti fossili possono qualificarsi come fossili indice (Figura sotto). Ammoniti, trilobiti e graptoliti sono spesso usati come fossili indice.

Anche i microfossili, che sono fossili di organismi microscopici, sono utili fossili indice. I fossili di animali che sono andati alla deriva negli strati superiori dell’oceano sono particolarmente utili come fossili indice, poiché possono essere distribuiti su aree molto ampie.

Un’unità biostratigrafica, o biozona, è uno strato di roccia geologica che è definito da un singolo fossile indice o da un gruppo di fossili. Una biozona può anche essere usata per identificare gli strati rocciosi attraverso le distanze.

3. Un letto chiave può essere usato come un fossile indice poiché un letto chiave è uno strato distintivo di roccia che può essere riconosciuto in una vasta area. Un’unità di cenere vulcanica potrebbe essere un buon letto chiave. Un famoso letto chiave è lo strato di argilla al confine tra il periodo cretaceo e il periodo terziario, il tempo in cui i dinosauri si sono estinti (figura sotto). Questa argilla sottile contiene un’alta concentrazione di iridio, un elemento raro sulla Terra ma comune negli asteroidi. Nel 1980, il team padre-figlio di Luis e Walter Alvarez propose che un enorme asteroide colpì la Terra 66 milioni di anni fa e causò l’estinzione di massa.

La scala temporale geologica

Per poter discutere la storia della Terra, gli scienziati avevano bisogno di un modo per riferirsi ai periodi di tempo in cui gli eventi sono accaduti e gli organismi hanno vissuto. Con le informazioni raccolte dalle prove fossili e usando i principi di Steno, crearono un elenco di strati di roccia dal più antico al più giovane. Poi hanno diviso la storia della Terra in blocchi di tempo con ogni blocco separato da eventi importanti, come la scomparsa di una specie di fossile dalla documentazione rocciosa. Poiché molti degli scienziati che per primi assegnarono dei nomi ai tempi della storia della Terra erano europei, essi diedero i nomi ai blocchi di tempo dalle città o da altri luoghi locali in cui furono trovati gli strati di roccia che rappresentavano quel tempo.

Da questi blocchi di tempo gli scienziati crearono la scala del tempo geologico (figura sotto). Nella scala del tempo geologico le età più giovani sono in alto e le più antiche in basso. Perché pensi che i periodi di tempo più recenti siano divisi più finemente? Pensi che le divisioni nella figura qui sotto siano proporzionali alla quantità di tempo che ogni periodo ha rappresentato nella storia della Terra?

In quale eone, era, periodo ed epoca viviamo ora? Viviamo nell’Olocene (a volte chiamato Recente), nel Quaternario, nel Cenozoico e nel Fanerozoico.

Riassunto della lezione

• Nicholas Steno formulò nel 17° secolo i principi che permettono agli scienziati di determinare le età relative delle rocce. Steno affermò che le rocce sedimentarie si formano in strati orizzontali continui, con strati più giovani sopra strati più vecchi.
• William Smith e James Hutton scoprirono in seguito i principi delle relazioni trasversali e della successione faunistica.
• Hutton si rese conto anche della grande quantità di tempo che sarebbe stata necessaria per creare una non conformità e concluse che la Terra era molto più vecchia di quanto si pensasse all’epoca.
• La filosofia guida di Hutton e dei geologi venuti dopo di lui è: Il presente è la chiave per il passato.
• Per correlare strati di roccia separati da una grande distanza, cerca formazioni di roccia sedimentaria che siano estese e riconoscibili, fossili indice e letti chiave.
• I cambiamenti dei fossili nel tempo hanno portato allo sviluppo della scala temporale geologica, che illustra l’ordine relativo in cui sono avvenuti gli eventi sulla Terra.

Domande di ripasso

1. Un contadino del XV secolo trova una roccia che assomiglia esattamente a una conchiglia. Che cosa ha probabilmente concluso su come il fossile è arrivato lì?
3. Quale delle leggi di Steno è illustrata da ciascuna delle immagini nella figura qui sotto?
   
4. Qual è la sequenza di unità rocciose nella figura qui sotto, dalla più antica alla più giovane?
   
5. Quale tipo di formazione geologica è mostrata nell’affioramento della figura qui sotto, e quale sequenza di eventi rappresenta?
   
6. I tre affioramenti della figura qui sotto sono molto distanti tra loro. In base a quello che vedi, quale fossile è un fossile indice, e perché?
   
7. Perché la prima scala temporale geologica non includeva il numero di anni fa in cui gli eventi sono accaduti?
8. I dinosauri si sono estinti circa 66 milioni di anni fa. Quale periodo del tempo geologico fu l’ultimo in cui vissero i dinosauri?
9. Supponiamo che mentre stai facendo un’escursione sulle montagne dello Utah, trovi un fossile di un animale che viveva sul fondo del mare. Apprendi che il fossile è del periodo Mississippiano. Com’era l’ambiente durante il Mississippi nello Utah?
11. Perché le rocce sedimentarie sono più utili delle rocce metamorfiche o ignee nello stabilire le età relative delle rocce?
12. Che cosa è più probabile trovare più frequentemente nelle rocce: fossili di creature marine molto antiche o di creature terrestri molto antiche?

Lettura approfondita / Link integrativi

• Un documento dell’US Geological Survey su Rocce, fossili e tempo: http://pubs.usgs.gov/gip/fossils/contents.html
• Prova a indovinare i fossili misteriosi in queste immagini e vedi se hai ragione. Ce ne sono altri negli archivi: http://www.ucmp.berkeley.edu/exhibits/mysteryfossil/mysteryfossil.php
• Un “Museo virtuale dei fossili” interattivo http://fossils.valdosta.edu/.
• Il record fossile in Nord America http://www.paleoportal.org/.
• Un estratto del libro “The Seashell on the Mountaintop” si trova qui http://alan-cutler.com/excerpt.html
• Determinare le età delle rocce e dei fossili: http://www.ucmp.berkeley.edu/fosrec/McKinney.html

Punti da considerare

• Come le idee preconcette al tempo di Steno hanno reso la gente cieca di fronte alla realtà di ciò che i fossili rappresentano?
• Come ha spiegato Steno la presenza di fossili marini in alta montagna?
• Perché il riconoscimento delle incongruenze da parte di Hutton fu così significativo?
• Può essere determinata l’età relativa di due strati di roccia molto distanti tra loro?
• Gli stessi principi usati per studiare la storia della Terra possono essere usati anche per studiare la storia di altri pianeti?