Progetto Powerpoint 2009
SPELEOTEMI
E
RICERCA
SCIENTIFICA
a cura di
Paolo Forti
Grotta Novella, Emilia Romagna, Italia (foto P. Forti)
INTRODUZIONE
Molte branche
della scienza
utilizzano le grotte
come potente
strumento di ricerca
MA
il più importante
elemento
è sicuramente
rappresentato
dalle CONCREZIONI.
Livello -100, Miniera di Monteponi, Sardegna, Italia (foto G. Perna)
Speleotemi e ricerca scientifica - Società Speleologica Italiana 2009
SPELEOTEMI
& RICERCA
Le concrezioni
sono il più dettagliato archivio
per il
Quaternario.
Possono essere utilizzate per studiare:
Livello -100, Miniera di Monteponi, Sardegna, Italia
(foto G. Perna)
- il clima;
-
gli ambienti;
-
i terremoti;
permettendo anche
una loro datazione assoluta.
Laboratorio, Grotta Novella, Emilia Romagna, Italia
(foto P. Forti)
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RICERCA PALEOCLIMATICA
La maggior parte delle informazioni è registrata
nelle bande di accrescimento degli speleotemi
I dati ambientali
sono ricavati
attraverso analisi
ad alta risoluzione
della loro morfologia,
tessitura, composizione
chimica e/o isotopica.
Da Frisia
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RICERCA PALEOCLIMATICA
Frequenza delle bande
di accrescimento
come conseguenza
del microclima della cavità.
La frequenza annuale
è molto comune, ma a volte
una singola banda
può corrispondere
a un periodo molto minore,
anche a un singolo
giorno di pioggia.
Uno speleotema di 25 anni con oltre 500 bande di accrescimento,
Grotta Acquafredda, Emilia Romagna, Italia (foto P. Forti)
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INDICATORI PALEOAMBIENTALI
L’assenza totale di bande
è assolutamente rara,
realizzandosi solamente
se tutta l’acqua di alimentazione
deriva da condensa.
Miniera Reforma, Messico (foto Arch. La Venta)
1 mm
Pisolite di 55 anni, Miniera Reforma, deserto di Cuatrociènegas, Messico
(foto Arch. La Venta)
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SPELEOTEMI & LIVELLO DEL MARE
La presenza
di concrezioni gravitative
sommerse,
o la presenza
di fori di litodomi
su concrezioni subaeree,
è una evidenza diretta
della variazione
del livello marino.
Sezione di una stalagmite
sommersa (foto F. Antonioli)
Grotta Verde, Sardegna, Italia (foto L. Sgualdini)
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GLACIAZIONI
REGISTRATE
NELLA STRUTTURA
DI UNA STALATTITE
Improvvise alternanze di materiale
argilloso-siltoso e di calcite all’interno
della stalattite possono evidenziare
una forte erosione superficiale
alla fine di una GLACIAZIONE.
Comunque lo stesso effetto
può essere indotto dalla denudazione
del suolo dovuto ad altre cause naturali
e/o antropogeniche.
Una stalattite “telescopica” (da Jakucs, 1977, Morphogenetics of Karst Regions:
variants of karst evolution, Budapest, pp. 284)
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POSSIBILI EVIDENZE
DI SPELEOTEMI ROTTI
DA GHIACCIO
DI GROTTA
-
assenza di concrezionamento
più antico sul soffitto;
-
frammenti di stalattiti depositati
sulla cima di altre concrezioni;
-
stalagmiti rotte;
-
stalagmiti coniche frammentate;
-
stalagmiti ruotate e disassate;
-
accumuli di tipo morenico
di concrezioni rotte.
Modificato da Kempe, 2004, Natural Speleothem Damage
in Postojnska Jama, Slovenia, caused by Glacial Cave Ice?
A First Assessment, Acta Carsologica 33(1), pp. 265-289
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SPELEOTEMI & TERREMOTI
Le concrezioni possono registrare i seguenti dati:
-
localizzazione dell’epicentro di forti terremoti;
valutazione della magnitudo di tali eventi;
datazione relativa e assoluta fino a 600.000 anni;
valutazione accurata del rischio sismico.
Questi dati si ottengono da:
- concrezioni rotte;
- stalagmiti ancora in posto.
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TIPICHE ROTTURE INDOTTE DA SHOCK SISMICI
Da Postpischl et al. , 1991, Palaeoseismicity from karst sediments: the “Grotta del Cervo” cave case study.
Tectonophysics 193, pp. 33-44
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ROTTURA DI CONCREZIONI
DOVUTE A RISONANZA INDOTTA
Grotta del Cervo di Pietrasecca, Italia (foto P. Forti)
Da Postpischl et al., 1991, Palaeoseismicity from karst sediments:
the “Grotta del Cervo” cave case study, Tectonophysics 193, pp. 33-44
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LE GLACIAZIONI E I TERREMOTI POSSONO
DARE LUOGO A ROTTURE IDENTICHE?
Postojnska jama, Slovenia (foto S. Kempe)
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ROTTURE
DA GHIACCIO
La rottura
di grandi speleotemi
può essere definita
sulla base
del loro eventuale
spostamento.
Modificato da Kempe, 2004, Natural Speleothem
Damage in Postojnska Jama, Slovenia,
caused by Glacial Cave Ice? A First Assessment.
Acta Carsologica 33(1), pp. 265-289
Postojnska jama , Slovenia (foto S. Kempe)
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ROTTURE DA GHIACCIO
Uno shock sismico causa nessun altro spostamento
se non quello dovuto a scivolamento per gravità
2,0 m
Una lingua di ghiaccio muovendosi dentro
una grotta causerà sempre uno spostamento
coerente con la sua direzione di flusso.
Postojnska jama , Slovenia (foto S. Kempe)
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EVIDENZE DI TERREMOTI
NELLA STRUTTURA DELLE STALAGMITI
Improvvisi e netti cambi di verticalità nell’asse di accrescimento
e/o variazioni nette nella tessitura, colore e composizione chimica
possono essere la conseguenza di shock sismici.
Sezione longitudinale di una stalagmite e sua restituzione grafica (da Forti 1998)
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SPELEOTEMI & PALEOCLIMI
Dati ricavabili da analisi morfologiche
di stalagmiti
Il diametro di equilibrio di una stalagmite
(Franke, 1965):
c° = materiale depositato dalla unità di volume
di soluzione
q = quantità d’acqua che cade nell’unità di tempo
v = velocità di accrescimento apicale
 = 3,14…..
Grotta Impossibile, Trieste, Italia
(foto P. Forti)
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STALAGMITI & PALEOCLIMI
Improvvise e/o progressive variazioni nel gocciolamento
sono registrate all’interno della struttura della stalagmite
Da Forti, 2000
Quando l’effetto è “globale”
indica una variazione climatica
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Foto P. Forti
MINERALI DI GROTTA & PALEOAMBIENTI
Fino a oggi solamente
calcite & aragonite sono stati
ampiamente utilizzati per
ottenere dati e/o informazioni.
Sezione di uno speleotema con alternanza calcite/aragonite
Immagine SEM passaggio aragonite/calcite
Le ricostruzioni paleoambientali
sono possibili attraverso lo studio
della loro morfologia, tessitura
e elementi in traccia.
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MINERALI DI GROTTA & PALEOAMBIENTI
Gli altri minerali di grotta sono stati considerati
sino ad oggi inutili per tali studi
Stalattite di salgemma, Atacama, Cile
(foto P. Forti)
Gesso, Grotta Cigalère, Francia
(foto P. Forti)
Goetite, Grotta Cigalère, Francia
(foto P. Forti)
Negli ultimi anni alcuni di essi
si sono dimostrati sensibili indicatori
delle variazioni avvenute
nell’ambiente carsico
Dendriti di manganese, Grotta Cigalère, Francia (foto P. Forti)
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CALCITE - GESSO & VARIAZIONI CLIMATICHE
I sistemi carsici in gesso forniscono i migliori esempi di tali cambiamenti
Infiorescenze gessose su una concrezione di calcite, Buco dei Buoi, Emilia Romagna,
Italia (foto P. Forti)
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CALCITE - GESSO & VARIAZIONI CLIMATICHE
Il trasporto
è totalmente controllato
dal clima.
La DIFFUSIONE di CO2
controlla la deposizione
di calcite.
L’EVAPORAZIONE
controlla la deposizione
del gesso.
La Calcite prevale
nei climi umidi.
Il Gesso prevale
nei climi secchi.
Da Hill & Forti 1997, modificato
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CALCITE - GESSO & VARIAZIONI CLIMATICHE
Una variazione climatica può causare la variazione progressiva, o anche
improvvisa, del deposito chimico che si forma in una grotta in gesso.
Gesso che si accresce sopra una colata di calcite,
Grotta di gesso di Entella, Sicilia, Italia (foto P. Forti)
Una galleria con il pavimento di calcite in una grotta ghiacciata di gesso,
Pinega, Russia del Nord (foto P. Forti)
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GROTTE
IN GESSO
& VARIAZIONI
CLIMATICHE
La risposta
dei sistemi carsici in gesso
ai cambiamenti climatici.
Modificato da Calaforra et al. 2008, Speleothems in gypsum caves and their
paleoclimatological significance. Environmental Geology 53(5), pp. 1099-1105
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DOLOMITE & VARIAZIONI CLIMATICHE
Altri minerali di grotta
(quali la dolomite)
hanno dimostrato di essere
registratori sensibili e veloci
delle variazioni del microclima
delle grotte in gesso indotte
dal global change.
1 µm.
Immagine SEM di un cristallo euedrale di dolomite.
Moonmilk dolomitico che si è formato dopo un periodo di siccità di 90 giorni,
Grotta della Spipola, Emilia Romagna, Italia (foto P. Forti)
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GROTTE LAVICHE CON CONCREZIONAMENTO
CALCAREO
KOREA
Jeju
Island
Dangcheomul
Cave
Jeju City
Pyoseon
Cave
Speleotemi calcarei della Dangcheomul Cave, Korea
(foto Kyung Sik Woo)
Hwangeum Cave
Seoguipo
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SPELEOTEMI & REGIME DELLE PIOGGE
Dati da analidi Mineralogiche
nelle grotte laviche coreane.
La Calcite prevale nei periodi secchi.
L’Opale prevale nei periodi piovosi.
Infiorescenze della Dangcheomul Cave, Korea (foto Kyung Sik Woo)
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(foto Kyung Sik Woo)
RICOSTRUZIONE PALEOCLIMATICA
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INCLUSIONI FLUIDE E SOLIDE
I materiali inglobati dagli speleotemi
sono fonti di dati paleoambientali
e paleoclimatici,
attraverso studi:
Inclusioni solide
SULLE INCLUSIONI FLUIDE
SULLE INCLUSIONI SOLIDE:
Inclusione fluida
pollini
minerali di neoformazione
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LE INCLUSIONI FLUIDE
È parte dell’acqua da cui si sono formati gli speleotemi,
che è rimasta intrappolata al loro interno;
spesso sono bifasiche (acqua e gas)
1 cm
Cueva de las Espadas, Naica, Messico (foto P. Forti)
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INCLUSIONI FLUIDE & PALEOCLIMI
La T dell’acqua di deposizione dello speleotema
può essere ricavata direttamente
per omogeneizzazione di una IF bifasica.
La T può essere anche ricavata da misure Isotopiche (C, H, O),
sfruttando il frazionamento isotopico.
I dati ricavati dal carbonio soffrono della indeterminazione del rapporto
tra la quantità di C che proviene dalla roccia incassante
e quella che proviene dall’atmosfera.
I dati più certi si ottengono dall’ossigeno estratto dalle inclusioni fluide.
T(°C) = 16.9 – 4.38 (18Ocalcite - 18Oacqua) + 0.18(18Ocalcite - 18Oacqua)
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POLLINI & PALEOAMBIENTI
Lo studio dei pollini eventualmente intrappolati ci da informazioni
sulla vegetazione di superficie e quindi sui climi esistenti nell’area
quando gli speleotemi erano in formazione.
Il primo polline estratto da un cristallo della Cueva de los Cristales, Naica, Messico (foto A. M. Mercuri)
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INCLUSIONI SOLIDE
& PALEOAMBIENTI
Cristalli euedrali di calcite (Laboratorio grandi strumenti
dell’Università di Modena e Reggio Emilia)
Inclusione solida in un cristallo di gesso di Naica (foto G. Panieri)
I minerali di neoformazione
definiscono l’ambiente geochimico
al momento della loro deposizione
Biomasse all’interno di un gesso di Naica
(foto G. Panieri)
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INCLUSIONI SOLIDE & PALEOAMBIENTI
Date le dimensioni
ridotte, per identificare
i minerali si utilizza
normalmente l’EDAX
10 μm
Ossidi di Fe e Mn in un gesso di Naica (foto G. Panieri)
La presenza di ossidi
di Fe e Mn è indice
di condizioni ossidanti
(probabile clima caldo)
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CHIMICA DELLE ACQUE DI PERCOLAZIONE
E MINERALI DI GROTTA
Le grotte sono normalmente ambienti
tamponati; comunque in alcuni
particolari casi ambienti fortemente acidi
(pH< 1) possono essere osservati
in grotte calcaree.
Fibroferrite, Grotta Ferrata, Umbria, Italia (foto P. Forti)
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GESSO-ZOLFO & RICOSTRUZIONI
PALEOAMBIENTALI
La deposizione di zolfo sul gesso
è controllata dalla quantità di H2S
nelle acque salienti
Grotta di Cala Fetente, Campania, Italia
(foto P. Forti)
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ZOLFO DI GROTTA E PALEOAMBIENTI
La presenza di un deposito di zolfo
all’interno di una grotta in calcare è la conseguenza
di un (paleo-)ambiente non comune caratterizzato da:
Concentrazione molto alta di H2S
Conseguenza di un rapido affioramento nella zona
aerata delle acque solfuree
Condensazione molto forte
Conseguenza di un gradiente termico negativo
tra le acque salienti e le pareti della grotta
pH molto basso
Conseguenza di mancanza di contatto diretto
tra H2SO4 e le pareti calcaree
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DIMENSIONE CRISTALLI & PALEOAMBIENTI
Raramente l’ambiente di grotta permette lo sviluppo di grandi cristalli
Perché questo avvenga
bisogna che vi siano
particolari condizioni
al contorno quali:
- bassissima
sovrasaturazione;
- superficie
piezometrica stabile;
Cueva de los Cristales, Miniera di Naica, Messico (foto Arch. La Venta)
- costanza di tutti
i parametri
su un lungo periodo
di tempo.
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DIMENSIONE CRISTALLI & PALEOAMBIENTI
Il meccanismo genetico
più attivo si basa sulla differenza
di solubilità tra gesso e anidrite
a temperatura costante.
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DIMENSIONE CRISTALLI & PALEOAMBIENTI
Un altro possibile meccanismo per lo sviluppo dei cristalli giganti di gesso.
La dimensione dei cristalli aumenta progressivamente
scendendo nell’acquifero
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MINERALI E STADI EVOLUTIVI
gesso
Nella Cueva
de las Velas
(Naica) lo studio
dei minerali
depositatisi
sotto i cristalli
di gesso giganti
ha permesso
di definirne
la sequenza
deposizionale.
Sono stati
identificati oltre
15 minerali,
alcuni dei quali
nuovi
per l’ambiente
di grotta.
ossidi di piombo
e manganese
Cueva de los Cristales,
Miniera di Naica, Messico
ematite,
goetite
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celestina
MINERALI E OSCILLAZIONE FALDA FREATICA
Nel laghetto fossile della Cueva de las Espadas vi sono alcune stalagmiti
che presentano un’alternanza di bande di gesso e di aragonite
2 cm
Grotta de las Espadas, Naica, Messico (foto P. Forti)
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MINERALI E OSCILLAZIONE FALDA FREATICA
L’aragonite si depositava quando la cavità non era completamente allagata
con acqua termale
La calcite
ha iniziato
a depositarsi
quando l’acqua
meteorica
ha invaso la grotta
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IMPATTO ANTROPICO & FORMA CRISTALLINA
Lo sviluppo
di queste
particolarissime
forme cristalline
è dovuta
all’eduzione
mineraria.
Da Bernabei et al. (2007), Sails: a new gypsum speleothem
from Naica, Chihuahua, Mexico. Int. J. Spel. 36 (1), pp. 23-30
Cueva de la Velas, Messico (foto T. Bernabei - Arch. La Venta)
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SPELEOTEMI
& IMPATTO
ANTROPICO
Concrezione di MELLITE
Al2C6(COO)618H2O
La mellite si è sviluppata
dove i nostri antenati
cuocevano i loro cibi
su un letto di terra rossa.
Grotta Romanelli, Puglia, Italia (foto P. Forti)
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MINERALI E MICROCLIMA
A Naica il raffreddamento dei cristalli di gesso ha innescato
la condensazione che, attualmente, avviene essenzialmente
lungo i piani di sfaldamento principali dando luogo a concrezioni di calcite.
Ojo de la Reina, Naica, Messico (foto P. Forti, Arch. La Venta)
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SPELEOTEMI
& TURISMO
A volte la variazione dei parametri
ambientali causata
dalla turisticizzazione è così elevata
da portare alla deposizione
di nuovi minerali.
Eccentriche di aragonite
che si sono sviluppate all’apice
di una stalattite monocristallina
di calcite a seguito del posizionamento
di una potente lampada.
Grotta di Castellana, Puglia, Italia (foto P. Forti)
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SPELEOTEMI & DATAZIONI
Le bande di accrescimento permettono di definire automaticamente
una cronologia relativa perché
le bande superiori sono sempre più giovani
2 mm
Acquedotto romano della Val di Setta, Emilia Romagna, Italia (foto P. Forti)
Spesso a ogni banda corrisponde un anno ma è impossibile trasformare
direttamente una cronologia relativa in una datazione assoluta!
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SPELEOTEMI & DATAZIONI
I principali motivi per cui non si può automaticamente passare
da una cronologia relativa ad una assoluta sono:
-
mancanza di chiare bande;
stop nel concrezionamento;
periodi di ridissoluzione;
bande intra-annuali.
ridissoluzione
cannibalismo
Grotta di Santa Barbara, Sardegna, Italia (foto P. Forti)
Pisoliti di aragonite e calcite a -590, Miniera di Naica, Messico
(foto A. Rossi)
Comunque gli speleotemi
sono facilmente databili
con varie altre metodologie.
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SPELEOTEMI & DATAZIONI
Per trasformare una cronologia relativa
in una assoluta si deve usare
uno dei seguenti metodi:
- Paleomagnetismo;
- 14C;
- 230Th/234U;
- Risonanza di spin elettronico;
- Luminescenza.
Ciascun metodo ha i suoi specifici problemi
e/o limiti.
Da Borsato et al., 2005, Ricostruzione climatica degli ultimi 17 mila anni da una stalagmite della Grotta Savi (Trieste, Italia),
Studi Trentini Sci. Nat., Acta Geol. 80, pp. 111-125
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IL METODO
230TH/234U
Limite temporale
di 6-700 mila anni
Il sistema geochimico
può essere stato riaperto
L’errore può variare
da decine a decine
di migliaia di anni
Modificato da Quinif, 1989, La datation uranium-thorium.
Speleochronos 1, pp. 2-21
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LA LUMINESCENZA
Il fenomeno è indotto dalla presenza di acidi fulvici
e umici nella struttura degli speleotemi
La loro concentrazione
dipende dall’attività
batterica nel suolo,
che a sua volta
è controllata
dall’irraggiamento
solare e dalla
temperatura
Grotta di El Soplao, Spagna (foto P. Forti)
Grotta di El Soplao, Spagna
(foto P. Forti)
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LUMINESCENZA
& DATAZIONI
Attivando la luminescenza con luce UV,
o meglio con un laser, è possibile risalire
dall’intensità relativa delle singole bande
alla concentrazione degli acidi umici
e fulvici in ognuna di esse.
Sulla base dei cicli solari
e delle temperature medie annue
è quindi possibile ricostruire in dettaglio
la cronologia dello speleotema.
Lumiscenza di uno speleotema (foto Y. Shopov)
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POSSIBILITÀ & LIMITI
La sensibilità
teorica di questo
metodo permette
datazioni
con precisione
di 24 ore!
Spettro di luminescenza di uno speleotema della Rat Nest Cave (Canada)
relativo agli ultimi 1400 anni con risoluzione 1 anno (da Shopov, 2006)
In realtà vi sono moltissimi fattori che impediscono praticamente
di raggiungere tale precisione su lassi di tempo ampi.
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IL FUTURO
PROSSIMO
In grotta vi sono ancora
molti ambienti minerogenetici
che non siamo ancora in grado
di leggere dal punto di vista
paleo-ambientale.
Il più complesso di tutti è il guano
in cui possono svilupparsi
decine di minerali con campo
di stabilità molto ristretto.
Stalagmite corrosa dal guano, Cueva Rossillo, Messico (foto P. Forti)
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IL FUTURO PROSSIMO
Quando sapremo “leggere”
le concrezioni di fosfati potremo
ricostruire in dettaglio i paleoambienti
in un arco temporale anche lungo
Cueva Rossillo, Cuatrociènegas, Messico (foto A. Rossi)
Kingsmountite (Grandi Strumenti Univ. di Modena)
Whitlockite (Grandi Strumenti Univ. di Modena)
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IL FUTURO PIÙ REMOTO
I depositi chimici di grotta possono contenere dati sulle variazioni
ambientali su intervalli di decine o anche centinaia di milioni di anni.
Le analisi tradizionali delle bande di accrescimento degli speleotemi
e le loro datazioni isotopiche non possono darci
tutte le informazioni richieste.
Dati addizionali possono essere ottenuti da studi mineralogici
e da differenti metodi di datazione.
Una buona ricostruzione paleoambientale su un grande intervallo di tempo
richiede di necessità un approccio multidisciplinare.
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CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE
Negli ultimi anni le grotte si sono dimostrate essere
TRA I PIÙ INTERESSANTI AMBIENTI MINEROGENETICI
I depositi chimici che vi si sviluppano
possono risultare importantissimi
mezzi per lo studio del Quaternario
recente, e sono anche sensibili
registratori delle dinamiche climatiche
in atto sul nostro pianeta.
Ojo de la Reina, Naica, Messico (foto Arch. La Venta)
Nel prossimo futuro l’importanza degli speleotemi aumenterà moltissimo
in campi come la biomineralogia, e come “marker” ambientali
negli studi climatici, paleoclimatici e paleosismici.
Speleotemi e ricerca scientifica - Società Speleologica Italiana 2009
PER SAPERNE DI PIÚ
HILL C., FORTI P. (1997), Cave
minerals of the World. National
Speleological Society, Huntsville,
pp. 464;
BORSATO A., FORTI P. (2005),
Ricostruzioni paleoclimatiche
e paleoambientali da concrezioni
i grotta. Studi Trentini di Scienze
Naturali, Acta Geologica, 80 (2003),
pp. 55-63;
GUNN J. (Ed.) (2004), Encyclopedia
of Caves and Cave Sciences, Fitzroy
Dearborn, New York, pp. 902.
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CREDITI
Questa lezione è stata preparata da Paolo Forti.
Per la parte fotografica si ringraziano i fotografi:
Fabrizio Antonioli, Tullio Bernabei, Paolo Forti, Stephan Kempe,
Anna Maria Mercuri, Giuliana Panieri, Giuliano Perna, Antonio Rossi,
Luca Sgualdini, Yavor Shopov e Kyung Sik Woo, nonché l’archivio fotografico
dell’Associazione Geografica La Venta e il Laboratorio grandi strumenti
dell’Università di Modena e Reggio Emilia.
I disegni, dove non diversamente specificato,
sono stati preparati da Paolo Forti.
Si ringraziano per la loro collaborazione e disponibilità i seguenti enti
e istituzioni: Associazione Geografica La Venta e il Laboratorio
grandi strumenti dell’Università di Modena e Reggio Emilia.
©
Società Speleologica Italiana
Ogni parte di questa presentazione può essere riprodotta sotto la propria responsabilità,
purché non se ne stravolgano i contenuti. Si prega di citare la fonte.
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