Una carota nel cilindro

Le carote geologiche dei sedimenti marini possono contribuire a ricostruire la storia del clima nel bacino Mediterraneo. Vengono campionate con strumenti e tecniche particolari, vediamo quali.

di Antonio Cascella

Cosa sono le carote geologiche?

Dal cilindro si estraggono conigli, ma a volte si estraggono carote. Queste ultime, intese come ortaggi, aiutano ad ottenere una bella tintarella e a vederci chiaro. In geologia si tratta di oggetti cilindrici, utilizzati per leggere le rocce del sottosuolo e per scoprirne la storia geologica. Sono campioni di roccia e/o sedimenti estratti dal sottosuolo, sulla terra ferma o dai fondali marini e dai laghi. Gli studiosi le campionano attraverso un’operazione piuttosto complessa che si chiama carotaggio.

Il carotaggio è condotto con diverse tecnologie secondo lo scopo e/o il tipo di rocce da perforare.  Esistono quindi diversi tipi di carote secondo il campo di studio. Nell’ambito della paleoclimatologia grande importanza riveste lo studio di carote di sedimenti marini, veri e propri archivi paleoclimatici che contribuiscono a  ricostruire le variazioni del clima passato a varie scale temporali.

Carote geologiche nei sedimenti marini

Nel caso di campionamento dei fondali marini le operazioni di carotaggio sono molto particolari poiché avvengono utilizzando una nave oceanografica (Figura 1).

Nave Minerva Uno
Figura 1. Nave oceanografica Minerva Uno (foto di Antonio Cascella)

Le carote vengono prelevate attraverso un carotiere, uno strumento che permette di raccogliere i sedimenti grazie a un tubo in PVC (liner in inglese) posto al suo interno. In questo caso si tratta di un carotiere a gravità. Lo strumento è formato da un tubo di metallo cavo (asta) avvitato ad una estremità ad una massa del peso di 1200 kg (Figura 2).

Carotiere a gravità
Figura 2. Carotiere a gravità nel momento in cui viene sollevato per essere calato in acqua. (foto di Antonio Cascella)

Fasi del carotaggio

Le operazioni cominciano sul ponte della nave con l’assemblaggio del carotiere. L’asta viene agganciata alla testa pesante (Figura 3). Il carotiere è poi armato inserendo all’interno dell’asta, il liner, la parte che si riempirà di sedimento. In questa fase,  con un pennarello indelebile, si segna una linea longitudinale e delle frecce ad indicare la parte alta della carota (Figura 4). Il passaggio è fondamentale: secondo il principio base della stratigrafia, in una successione normale, i sedimenti posti in basso sono più antichi di quelli che li ricoprono. Così potrà essere sempre distinta la parte più recente (alta) da quella più antica (bassa) durante le successive fasi di studio.

Testa_naso carotiere
Figura 3. Testa e naso del carotiere (Foto di Antonio Cascella)

L’assemblaggio del carotiere termina dopo avere avvitato all’estremità libera un oggetto di forma semiconica, detto naso, che consente al carotiere di penetrare più agevolmente nel fondale marino. Inoltre è dotato di un sistema di apertura e chiusura ad ali che permette al sedimento di riempire il liner e di trattenerlo durante la fase di recupero (Figura 3 ).

marcatura liner
Figura 4. Inserimento e marcatura del liner (foto di Emanuele Genduso)

Come si usa un carotiere?

A questo punto il carotiere è pronto per svolgere il suo lavoro. E’ agganciato ad un cavo, sollevato con l’aiuto di un verricello, calato in acqua e lasciato scendere a velocità controllata verso il fondale marino in cui penetrerà sotto l’azione del peso. Una volta raggiunto il fondale comincia la fase di recupero. Il sistema di chiusura del naso si attiva trattenendo la carota all’interno del liner. La lunghezza delle carote geologiche nei sedimenti marini recuperate dipenderà dalla resistenza dei sedimenti stessi. Coinciderà con la lunghezza dell’asta del carotiere (6-9 metri, in questo caso, Figura 5) in caso di sedimenti soffici.

operazione carotaggio
Figura 5. Schema delle operazioni di carotaggio, non in scala (disegno di Antonio Cascella)

Una volta a bordo della nave, si procede all’estrazione della carota. Mano a mano che il liner è estratto viene suddiviso in sezioni di un metro, più maneggevoli per trasporto e campionatura (Figura 6).

estrusione carote
Figura 6. Il liner al momento dell’estrusione dal carotiere. Base della carota. (Foto di Antonio Cascella)

Le estremità di ciascuna sezione sono chiuse con tappi su cui è riportato nome,  sezione e orientamento. Ciascun campione è riposto in cassette idonee per lo stoccaggio e il trasporto (Figura 7).

stoccaggio carote
Figura 7. Stoccaggio delle sezioni di una carota. Su di esse si legge il nome della carota seguito dalla lettera della sezione. Le lettere T e B stanno ad indicare il Top (alto) e il Bottom (base) della sezione. Le frecce indicano l’alto stratigrafico della carota (Foto di Antonio Cascella)

Taglio delle sezioni

I ricercatori tagliano le sezioni longitudinalmente così da ottenere due parti gemelle. Una parte sarà utilizzata per la campionatura mentre l’altra sarà conservata per successivi studi. Il taglio può essere effettuato a bordo della nave (Figura 8) o nei laboratori a terra.

taglio carote
Figura 8. Taglio longitudinale di una sezione di carota (Foto di Antonio Cascella)

Analisi preliminari

Dopo aver effettuato i tagli, si procede ad una descrizione preliminare delle caratteristiche litologiche e sedimentologiche delle carote: colore, litologia, granulometria, fossili, livelli vulcanici. Successivamente si esegue la misura delle proprietà magnetiche del sedimento per mezzo di un magnetometro portatile (Figura 9).

misure suscettività

Figura 9. Misura della suscettività (a sinistra, foto di Emanuele Genduso), campionatura (a destra, foto di Carlotta Cappelli) effettuate a bordo della nave oceanografica

I geologi usano le carote in diversi tipi di attività. Vediamo l’esempio del progetto AMUSED che utilizzerà alcune carote campionate durante la campagna NexData 2016.

Il Progetto AMUSED

AMUSED  è un progetto dipartimentale dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia che ha lo scopo di ricostruire la storia del clima nel bacino del Mediterraneo degli ultimi 280.000 anni e in particolare durante gli ultimi 50.000 anni.

Ad oggi (maggio 2021) il progetto è ancora in corso. I ricercatori stanno studiando due particolari carote di sedimenti marini raccolte da INGV e CNR sul fondo del mare Tirreno centro meridionale durante la campagna oceanografica NextData 2016.  I luoghi designati per l’esecuzione del carotaggio delle due carote, chiamate NDT09 e NDT12, sono riportati in figura 10.

Ubicazione delle carote NDT09 and NDT12 prelevate nel mare Tirreno centro-meridionale
Figura 10. Ubicazione delle carote NDT09 and NDT12 prelevate nel mare Tirreno centro-meridionale (figura di Antonio Cascella).

La carota NDT09, lunga 5,7 m, è stata recuperata a 3.359 m di profondità sul margine occidentale del bacino del Marsili. La carota NDT12, lunga 3,8 metri, è stata recuperata a 100 metri di profondità davanti alla foce del Fiume Tevere (Figura 11).

carote geologiche mare
Figura 11. Carota NDT9 (a sinistra) Carota NDT12 (a destra) (foto di Antonio Cascella)

I ricercatori stanno effettuando sulle due carote numerose analisi di laboratorio ad alta risoluzione. Utilizzeranno diverse metodologie e tecniche per mezzo di strumentazione all’avanguardia disponibile nei laboratori INGV di Roma e Pisa e di altri istituti italiani ed esteri coinvolti nel progetto.

In particolare sono programmate le seguenti attività:

  • fluorescenza a raggi X (CS-XRF), per la definizione della composizione chimica delle rocce;
  • analisi paleomagnetiche e magnetismo delle rocce, per ricostruire le oscillazioni climatiche e per le datazioni;
  • analisi micropaleontologiche, per la ricostruzione di curve delle paleotemperature, dei paleoambienti e della paleoceanografia;
  • contenuto di carbonio nei sedimenti (TC/TIC/TOC), per ricostruire variazioni di produttività;
  • analisi isotopiche18O, δ13C, δ11B, 87Sr/86Sr, 143Nd/144Nd), per la ricostruzione delle paleotemperature e delle variazioni di CO2;
  • tefrocronologia, per il riconoscimento di livelli di ceneri vulcaniche, per la datazione la correlazione dei sedimenti studiati;
  • datazioni radiometriche (14C; 40Ar/39Ar; U/Th; 210Pb,137Cs), per la stima numerica dell’età dei sedimenti.

Bisognerà attendere i risultati congiunti delle analisi chimico-fisiche sulle carote geologiche nei sedimenti marini per mettere in luce il recente cambiamento climatico che ha interessato il bacino Mediterraneo.

Chissà quali informazioni salteranno fuori dal cilindro! La curiosità è tanta e i risultati sono molto promettenti.


Glossario

Paleoclimatologia. È una branca delle scienze della terra e della climatologia che ha lo scopo di ricostruire l’andamento del clima nelle epoche passate attraverso l’utilizzo di dati delle proprietà chimico-fisiche e biologiche di particolari archivi naturali, sia organici che inorganici.