ANALYSIS OF A TRAMPLED FORMATION: THE BROWN LEUCITIC TUFF (Roccamonfina volcano, Southern Italy)

Introduction and Problems Several human footprints were discovered few years ago in the Roccamonfina volcanic complex (Southern Italy, Foresta locality, Mietto et al., 2003). The trails were impressed over the surface of one of the numerous pyroclastic flow deposits of the volcano. 40Ar/39Ar analyses dated the unit at 345 ± 6 ka (Scaillet et al., 2008). Therefore, the trails represent the oldest Homo tracks ever found in Europe. The importance of the discovery has pointed out the need of a study to understand: 1) the origin of these deposits; 2) when the footprints were impressed; 3) what kind of mechanisms permitted the impression and the conservation of the footprints. No data from literature could answer to these questions, since the detailed volcano-sedimentologic characteristics of the trampled deposits, called Brown Leucitic Tuff (BLT) were rarely examined. An in-depth volcanological study of the deposits is the base to understand the features of the deposition phenomenon. Geochemical and petrographical analyses, on their part, permit to make out the connection between the post-depositional events and the impression-conservation of the traces. Stratigraphy: The Brown Leucitic Tuff (BLT) A detailed survey of the Foresta locality and of the north-eastern area of the volcanic district allows the identification in the BLT sediments of a succession of different pyroclastic deposits. This formation is composed on the whole by eight pyroclastic units. The trampled surface is represented by one of these units. Thus, they have been all carefully analyzed. Some of them, including the trampled one, are early lithified. Sedimentologic and granulometric analy-ses, followed by a statistical data processing, permitted to characterize the particular eruptive style and to unequivocally subdivide the units. The BLT is the result of a Plinian to Sub-Plinian eruption characterized by the deposition of a series of pyroclastic flows. Granulometric data and thickness analyses support this conclusion. The stratigraphy of the BLT reflects the evolution of pyroclastic currents originated by collapses of eruptive columns. This eruptive phase marked the Roccamonfina volcano’s explosive cycle. Geochemical and Petrographical characte-ristics of the BLT Roccamonfina volcanic rocks are generally subdivided into two geochemical series: high K (HK) and low K (K). Appleton (1972) defined the HK series to encompass ne- and lc-normative leucite-bearing lavas, and the K series to include Qz-normative olivine basalts, trachybasalts, and biotite augite latites. Analyses were made on the whole rocks samples of the pyroclastic flow units and they testify that BLT rocks mainly belong to HK series. So the BLT eruption took place before the geochemical change in the magma chamber. Post-depositional processes: the lithifica-tion The lithification process occurred very shortly after the emplacement of the pyroclastic flow unit. In this kind of deposits the zeolitization is the lithifying process. But when and how does this process occur? The 40Ar/39Ar dating of the trampled and of the overlaying units suggest a timing range between the two explosive events less than 4 ka. So the zeolitization process lasted at most 4000 years, because only the trampled deposits and the four below it, not the overlaying ones, are lithified. During this time interval meteoric water permeated the incoherent volcanic deposits. The surface became thus plastic and cold, allowing the passage of the hominids. Later, zeolitization occurred: this is a chemical process of alteration of volcanic instable glass by means of fluids. Such fluids dissolved the unstable parts and precipitated zeolite minerals, which are generally stable at low temperature (about 60-40°C). The zeolites cemented the ground mass creating a rigid framework among the components of the rock (minerals, lithic fragments…). The deposit was thus lithified, permitting the conservation of the human footprints, even after following pyroclastic events. Dating of the surface Two aspects concern the dating: they aim to understand 1) when the footprints were impressed and 2) why it is possible to observe the footprints now. The answer to the first question is given by the dating of the eruptive event. Several samples collected along the stratigraphic log were analyzed in the Berkeley Geochronology Center, with the collaboration of Prof. Paul Renne. The results show that the age of the trampled pyroclastic flow unit is comparable with the overlaying unit (trampled deposit 349 ± 3 ka, overlaying deposits 350 ± 3 ka). Thus the trampling event and the lithification process occurred in a time span of about 4000 years. The second aspect concerns the timing of the exposure of the surface. It was permitted by historical archives research and lichenometric data. Historical researches are based on the study of the origin of the “Ciampate del Diavolo” (Devil’s trails) place name. Thus, it is possible to establish how long the site is known. Aboundant precipitation and landslides occurred around 1807-1816 in Foresta area. These landslides involved the not lithified parts over the trampled surface, permitting the exposure of the latter one. Lichenometric analyses use the growing rate of Aspicilia cinerea lichen to know the time exposure of the ichnological site. By this calculation it was possible to deduce that the exposure was since the early 19th century. Both the methodologies thus confirm that before the beginning of the 19th century the surface was covered by other deposits. Conclusions Summarizing: BLT is constituted by a series of pyroclastic units. All these units belongs to the same volcanic series. the time interval between each unit is about 3-4 ka. During these non-deposition intervals, meteoric precipitations occurred, saturating the surface. Afterwards several hominids walked over the plastic and relatively cold surface, leaving the traces of their passage. Because of the presence of meteoric fluids, the zeolitization process developed, permitting the lithification and then the conservation of the footprints. Later the eruptive activity started again with the same characteristics, but the lithification process did not occur again. During the 19th century anomalous documented precipitations eroded the overlaying not lithified units, permitting the exposure of the trampled surface.Introduzione e problematiche Qualche anno fa sono state scoperte numerose impronte umane in depositi appartenenti al vulcano di Roccamonfina (Italia meridionale, località Foresta, Mietto et al., 2003). Le piste sono state impresse sulla superficie di uno dei suoi numerosi flussi piroclastici. Attraverso il metodo 40Ar/39Ar l’unità con le impronte è stata datata a 345 ± 6 ka (Scaillet et al., 2008). Pertanto, queste impronte risultano essere le più antiche appartenenti al genere Homo mai trovate in Europa. Data l’importanza della scoperta, si è deciso di portare avanti uno studio che permettesse di capire: 1) quale sia stata l’origine del deposito; 2) quando le impronte siano state impresse; 3) che tipo di meccanismo abbia permesso l’impressione e la conservazione delle impronte. Le risposte a queste domande non sono supportate da dati di bibliografia: le caratteristiche di dettaglio sia vulcanologiche che sedimentologiche raramente sono state affrontate nei lavori passati. Uno studio di dettaglio sulla sedimentologia dei depositi, chiamati Brown Leucitic Tuff (BLT), rappresenta dunque il punto di partenza per meglio comprenderne le caratteristiche deposizionali. Analisi geochimiche e petrografiche permettono invece di capire il legame tra gli eventi post-deposizionali e la conservazione delle impronte. Stratigrafia: il Brown Leucitic Tuff (BLT) Un rilevamento di dettaglio in località Foresta e nella porzione nord-orientale del distretto vulcanico ha permesso l’identificazione nel Brown Leucitic Tuff (BLT) di una successione di differenti depositi piroclastici. Questa formazione è composta da otto unità piroclastiche che sono state analizzate molto attentamente. Su una di queste unità sono state infatti impresse le impronte umane. Parte dei depositi, inclusi quelli contenenti le impronte, risultano litificati. Analisi sedimentologiche e granulome-triche, accompagnate da un’analisi statistica dei dati, hanno permesso di caratterizzare lo stile eruttivo che ha portato alla deposizione del BLT e di suddividere le unità in sub-unità. Il BLT è il risultato di un’eruzione di tipo Pliniano-SubPliniano caratterizzato dalla deposizione di una serie di flussi piroclastici, come supportato da dati granulometrici e dallo studio degli spessori delle unità stesse. La stratigrafia del BLT riflette l’evoluzione di correnti piroclastiche originate da collassi di colonne eruttive. Questo ciclo eruttivo marca l’inizio della fase esplosiva della storia del vulcano di Roccamonfina. Caratteristiche petrografiche e geochimi-che del BLT In letteratura i depositi del vulcano di Roccamonfina vengono suddivisi in due serie magmatiche: alte in potassio (HK) e basse in potassio (K). Appleton (1972) ha definito come serie HK quelle comprendenti lave ne e lc- normative ricche in leucite, e come serie K quelle che includono basalti olivinici qz-normativi, trachibasalti e latiti ricche in biotite ed augiti. Le analisi sono state compiute su campioni di roccia totale presi dalle unità piroclastiche. Queste analisi testimoniano che le rocce del BLT appartengono principalmente alle serie HK. Questo dato permette di affermare che il ciclo eruttivo che ha generato il BLT si è verificato prima del cambiamento geochimico avvenuto nella camera magmatica. Processi post-deposizionali: la litificazione Il processo di litificazione è avvenuto poco tempo dopo la messa in posto del flusso piroclastico su cui sono state trovate le impronte. In questo tipo di depositi la litificazione avviene tramite il processo di zeolitizzazione. Ma quando e come questo processo si è verificato? Le datazioni 40Ar/39Ar dell’unità con le impronte e di quella immediatamente superiore suggeriscono che il tempo intercorso tra i due eventi esplosivi sia inferiore ai 4 ka. Di conseguenza il processo di zeolitizzazione è durato al massimo 4000 anni, in quanto solamente l’unità con le impronte e le quattro sottostanti sono litificate e non quelle sovrastanti. Durante questo intervallo temporale l’acqua meteorica ha permeato i depositi vulcanici incorenti. L’acqua ha raffreddato e reso plastico il deposito, permettendo così il passaggio degli ominidi. In seguito ha avuto inizio il processo di zeolitizzazione. Questo è un processo di alterazione del vetro vulcanico instabile tramite la circolazione di fluidi nel deposito. I fluidi dissolvono le parti termodinamicamente instabili e precipitano zeoliti, stabili a bassa temperatura (circa 60-40°C). Le zeoliti possono così cementare la massa di fondo creando un reticolo rigido tra i componenti del deposito (minerali, frammenti litici …). Il deposito è stato dunque litificato permettendo la conservazione delle impronte umane anche dopo la deposizione del flusso piroclastico successivo. Datazioni della superficie Due sono le domande alle quali le datazioni cercano di dare una risposta: 1) quando sono state impresse le impronte; 2) perchè esse sono oggi visibili? Alla prima domanda si risponde datando gli eventi eruttivi. Diversi campioni sono stati raccolti e analizzati al Berkeley Geochronology Center con la collaborazione del Prof. Paul Renne. I risultati mostrano che l’età dell’unità con le impronte è comparabile all’età del flusso successivo (flusso improntato 349 ± 3 ka, flusso sovrastante 350 ± 3 ka). Il passaggio degli ominidi e il processo di litificazione si sono verificati dunque al massimo entro un intervallo di 4000 anni. Da quanto tempo però questa superficie è esposta? Per rispondere a questa domanda sono stati effettuate ricerche d’archivio ed effettuate analisi lichenometriche. Le ricerche d’archivio si basano sull’origine del toponimo “Ciampate del Diavolo”. In questo modo è possibile stabilire da quanto tempo il sito è conosciuto. Tra il 1807 e il 1816 l’area di Foresta è stata interessata da precipitazioni straordinarie e numerose frane. Queste hanno coinvolto la parte non litificata del BLT al di sopra delle impronte portando così alla luce la superficie. Le analisi lichenometriche si basano sul tasso di crescita di un particolare tipo di licheni (Aspicilia cinerea) e sono state utilizzate per capire da quanto tempo la superficie è in esposizione. Secondo questo dato la superficie risulta esposta dagli inizi del 1800. Entrambe le metodologie quindi con-fermano l’esposizione della superficie dall’inizio del XIX secolo. Conclusioni L’attività eruttiva del Roccamonfina ha dato luogo alla deposizione di una serie di unità piroclastiche. Durante il periodo di quiescenza tra un evento eruttivo e il successivo, durato al massimo 3000-4000 anni, le precipitazioni meteoriche hanno saturato il deposito. In seguito gli ominidi hanno camminato al di sopra di questa superficie plastica e fredda, lasciando le tracce del loro passaggio. A causa del fluidi circolanti legati alle precipitazioni, si è sviluppato il processo di zeolitizzazione che ha permesso la litificazione e quindi la conservazione delle impronte. Successivamente il complesso vulcanico ha ripreso la sua attività, ma nessuno dei flussi successivi ha subito litificazione. Durante il XIX secolo abbondanti precipitazioni hanno eroso le parti non litificate del BLT permettendo così l’esposizione della superficie e quindi la venuta a giorno delle impronte così come le vediamo oggi