Mappatura della SiO2 amorfa negli scisti devoniani e possibile collegamento alla produttività marina durante l’incipiente diversificazione delle foreste

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 1516 (2023) Citare questo articolo

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Il ciclo della silice negli oceani del mondo non è semplice da valutare su una scala temporale geologica. Con l'ascesa dei radiolari e delle spugne dal primo Cambriano in poi, la silice può avere due origini deposizionali, l'alterazione continentale e la silice biogenica. È fondamentale disporre di un metodo affidabile per differenziare la silice amorfa e la silice cristallina per comprendere veramente il ciclo biogeochimico e inorganico della silice. In questo studio, l'opale-A è mappato attraverso il bacino sedimentario del Canada occidentale negli scisti della formazione Duvernay del tardo devoniano utilizzando l'imaging iperspettrale a onde lunghe insieme a proxy geochimici che differenziano tra SiO2 cristallino e amorfo, durante l'espansione delle prime foreste del mondo. Segnalato da diverse escursioni isotopiche del carbonio nel Frasniano, l'evento punctata corrisponde all'espansione delle foreste quando le piante terrestri vascolari sviluppano semi e reti radicali più profonde, con probabile conseguente aumento della pedogenesi. I nutrienti provenienti dagli orizzonti del suolo più spessi che entrano nel regno marino sono collegati a livelli più elevati di produttività primaria negli oceani e alla conseguente carenza di ossigeno nelle acque più profonde in questo momento. I risultati di questo studio rivelano, per la prima volta, la distribuzione spaziale di SiO2 amorfo attraverso un bacino sedimentario durante questo importante cambiamento nel regno terrestre quando le foreste si espandono e sviluppano reti radicali più profonde.

Un importante cambiamento nel clima e nei livelli di ossigeno nell'atmosfera terrestre ha avuto inizio vicino al confine Emsiano-Eifeliano (~ 395 Ma)1 ed è continuato nel Frasniano inferiore quando le foreste erano in espansione2,3,4. Le prime foreste del mondo furono identificate nel tardo Emsiano a Spitzbergen e negli strati di Givetiano a Gilboa, New York, USA5,6, tuttavia, Capel et al.3 identifica diversi importanti impulsi di origine-estinzione durante il Siluriano-Devoniano che alla fine hanno portato a un transizione verso un paesaggio terrestre boscoso durante il Devoniano medio. Alla fine del Givetiano, le reti radicali si erano approfondite e nel Frasniano erano comuni foreste di aneurofite e progimnosperme di archeotteri, con il risultato che iniziarono a formarsi orizzonti del suolo più spessi; aumentando così l’apporto di nutrienti di origine terrestre all’ambiente marino2,4,7. Precedenti studi su questi cambiamenti nella biodiversità avevano previsto che un maggiore apporto di nutrienti avrebbe potuto causare aumenti di produttività, stratificazione dell’ossigeno, deposizione di scisti neri ricchi di sostanza organica ed eutrofizzazione nei mari epicontinentali di Frasniani2,4,8,9. I sedimenti lacustri del Devoniano medio-tardo provenienti dalla Groenlandia e dalla Scozia settentrionale rivelano una perdita netta di fosforo (P), un nutriente biolimitante essenziale che si prevede diminuirà in un ambiente terrestre sottoposto a colonizzazione vegetale in cui il P viene liberato dai minerali indirettamente attraverso l'acidificazione di spazi dei pori radicali prodotti dalla degradazione della materia organica e dal rilascio di essudati organici dalle radici8,10,11. Uno spostamento significativo e duraturo del δ13C nella zona del conodonte punctata, ritenuto causato dall'aumento dell'apporto di nutrienti liberati (ad esempio P) che aumenterebbero la produttività e il seppellimento del carbonio organico nel devoniano medio-tardo, viene definito evento punctata. (pE) ed è riconosciuto nei bacini di tutto il mondo12. La sospetta produttività associata al pE può anche comportare un'amplificazione della SiO2 amorfa di origine biologica in aree che hanno subito un afflusso di nutrienti attraverso l'apporto di suoli formati da reti radicali più profonde2,8. La SiO2 amorfa è stata costantemente sottostimata nelle antiche sequenze sedimentarie, il che distorce la nostra comprensione del ciclo biogeochimico globale della silice13,14,15,16. La silice negli scisti era comunemente interpretata come di origine terrigena; tuttavia, Schieber17 e Schieber et al.14 hanno dimostrato che proporzioni significative di limo di quarzo negli scisti potrebbero essere di derivazione biogenica o diagenica, soprattutto dopo il primo Cambriano, quando i radiolari e le spugne silicee iniziarono a proliferare16. Gli scisti della Formazione Frasnian Duvernay, ricchi di SiO2, mostrano escursioni di δ13C(org) caratteristiche del pE, che sono state documentate anche nelle Montagne Rocciose canadesi18. Questi depositi bacinali vengono quindi esaminati in questo studio per determinare se il SiO2 negli scisti di Duvernay sia di origine biologica e se gli aumenti nella deposizione di SiO2 possano essere collegati al significativo spostamento nel regno terrestre quando le foreste del mondo erano in espansione.