Use of Quaternary travertines of central-southern Italy as archives of paleoclimate, paleohydrology and neotectonics

This paper reports how travertine of central-southern Italy, formed in response to the extensive circulation of waters inside the regional aquifer hosted in the Mesozoic carbonate sequences, can be used as a tool for paleoclimatic, neotectonic and paleohydrological investigations.
CO2-rich thermal springs, CO2 vents and travertine are frequent occurrences of the peri-Tyrrhenian sector of central-southern Italy. In a crust affected by mantle magmas triggering fluids motion, among others CO2 from several horizons at variable depth, the δ13C of CO3-ions of dissolved travertine suggests the type of circulation and the prevalent CO2 source involved. More negative values suggest “normal” topographically driven circulation in karstic circuits, where CO2 derives from soil (bacteria); more positive values suggest the inflow into the karstic circuits of deep CO2. Such rising CO2, together with other acidic gases (e.g. H2S) greatly enhances limestone dissolution. Accordingly, the travertine formed at the surface (metheogene vs thermogene) reflects the type of “mother” CO2 involved in the dissolution process. In this way, travertine can be used to trace the evolution of paleohydrothermal systems in areas where there are no thermal features at surface.
In terms of tectonic tool, since active and fossil travertine in the Apennines can be found at very different elevations, their formation age reflects the difference in elevation between the present and the past karstic circulation. Being the Apennines a young, very active orogen, the described methodology of using travertine as a benchmark for paleohydrology, suggests for a vertical isostatic rate of 0.7 mm/y.
Being very sensitive to environmental conditions, travertine can also be used as a tracer for paleoclimate. The parallel investigation on the stable isotopic composition (δ18O, δ13C) of the dissolved CO3-ions, and palynological profiles in two Pleistocene deposits of central Italy (Serre di Rapolano and Tivoli, the latter in progress), allowed to describe variations in the last ca 120 kyrs. The correspondence between observed environmental fluctuations in pollen and isotopes, as well as with other proxies in nearby terrestrial deposits, and with more global proxies (ice-core and foraminifera) seems possible and demonstrates that travertine can be used to investigate the paleoclimate of the late Quaternary. This is in line with the observation that most of dated travertine in central Italy cluster in interglacial periods. This coincidence seems reasonable: 1) because the deposition of travertine is depending upon rainfall amounts, and 2) because in glacial periods, the lower level of the oceans also lowers the base level of karstic circulation.

La diffusa presenza nel settore peri-tirrenico dell'Italia centro-meridionale di sorgenti termali, emissioni gassose a CO2, nonché di numerosi depositi di travertino (fossili ed attuali) formatisi in seguito alla circolazione carsica in acquiferi regionali confinati nelle sequenze carbonatico-mesozoiche, offre la possibilità di indagare il possibile utilizzo dei travertini stessi per ricostruzioni paleoambientali, paleoclimatiche, paleoidrologiche e neotettoniche.
In una crosta in cui magmi del mantello favoriscono la formazione secondaria di CO2 metamorfica a vari livelli di profondità, che risalendo entra nell'acquifero carbonatico regionale, esiste uno stretto legame tra la composizione isotopica del carbonato dei travertini e la composizione isotopica della CO2 disciolta nell'acqua da cui i travertini stessi precipitano. Conseguentemente, il δ13C dei travertini suggerisce il tipo di circolazione e la sorgente prevalente della CO2 che li ha generati. In particolare, valori negativi suggeriscono una circolazione di tipo carsico, superficiale, con CO2 derivata dall'alterazione del materiale organico del suolo; valori più positivi, indicano invece la prevalenza di CO2 più profonda, che, risalendo insieme ad altri gas acidi, eventualmente presenti (e.g. H2S), aumenta la dissoluzione dei carbonati. I depositi di travertino che si formano in superficie, riflettono il tipo di CO2 “madre” che è coinvolta nei processi di dissoluzione (meteogenici o termogenici). I travertini possono quindi essere utilizzati per mettere in luce la presenza di antichi sistemi idrotermali anche laddove non si hanno più evidenze superficiali di questo tipo. In Italia, muovendosi dal settore occidentale peri-tirrenico verso quello orientale adriatico, si osserva una chiara relazione spaziale tra differenti tipi di travertino. Depositi termogenici (travertini s.s.), associati a sorgenti termali, sono diffusi nel versante tirrenico mentre depositi meteogenici (tufa), che si originano da acque di origine carsica a CO2 prevalentemente biologica e/o atmosferica, sono frequenti nel settore adriatico.
Le indagini geologico-stratigrafiche effettuate in seguito al terremoto del 1997 che ha colpito l'area del Colfiorito, hanno evidenziato la buona potenzialità dei travertini come strumento per indagini sulla tettonica attiva. E' risultata evidente una relazione diretta tra quota di affioramento ed età di formazione dei depositi; la differenza di età di formazione tra i depositi più orientali e quelli più occidentali, ha permesso di calcolare un tasso medio di sollevamento per questo settore della catena appenninica pari a 0.7 mm/anno.
I travertini sono anche sensibili indicatori delle variazioni che si verificano al momento della loro deposizione e, al loro interno, possono conservare testimonianze utili (polline, foglie, gasteropodi, ecc.) per le ricostruzioni ecologiche e climatiche. Indagini isotopiche (δ18O e δ13C) e palinologiche, ancora in corso, in due depositi pleistocenici dell'Italia centrale (Serre di Rapolano e Tivoli) hanno fornito prime utili indicazioni per gli ultimi 120.000 anni. La buona corrispondenza tra i cambiamenti climatico/ambientali registrati dal polline e le fluttuazioni degli isotopi stabili dell'ossigeno e del carbonio facilita le correlazioni con gli eventi climatici già noti a scala regionale e globale.
La potenzialità dei travertini come strumento per le ricostruzioni paleoclimatiche è rafforzata anche dalla constatazione che la maggior parte di questi depositi si sono particolarmente sviluppati durante le fasi interglaciali. Questa coincidenza sembra probabile: 1) in quanto la deposizione del travertino dipende dall'ammontare delle precipitazioni e 2) perché durante le fasi glaciali l'abbassamento del livello del mare è accompagnato anche dall'abbassamento del livello di base della circolazione carsica.