Cadernos Lab. Xeolóxico de Laxe ISSN: 0213-4497 Coruña. 2001. Vol. 26, pp. 11-99
Análisis microestructural de caolinitas y génesis de caolines en el Macizo Ibérico Microstructural analisys of kaolinites and kaolin genesis in the Iberian Massif
CLAUSELL BORJA, J. V.1
AB S T R A C T Mineralogical, geochemical and XRD microstructural characterization for diffe r e n t groups of argillized materials of the Iberian Massif have been performed; the variability and correllation of these characteristics has been analyzed trhough statistical procedures by considering hierarchic cluster analisys and geological attributes. One of the clusters established within the studied materials is made up of material (kaolins) with kaolinite as main component. The profile parameter FWHM of the 001 reflexion, for kaolinites and illites (when the mineral was abundant enough to obtain adecuate profiles in the oriented agregates) as well as the microstructural parameters supplied by the Mudmaster program has been st u d i e d . A more accurate microstructural study to compare the aparent cristallite size parameter obtained with different methods (Voigt Function, War r e n - A verbach and Mudmaster program) has been developed for a set of selected samples. The XRD aparent crystallite size data has been compared with those obtained through FESEM (working at high magnification). An interpretation of crystal growth mecanisms in studied kaolinites has been performed through analysis of XRD microstructural data.
Key words: kaolinite, XRD, microstructural analisys, FESEM, Iberian Massif (1) Dpto. de Geología. Universidad de Valencia. 46100 Burjasot (Valencia) 12 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
1. INTRODUCCIÓN ción presentan un especial valor en el aná- lisis de la génesis de esta fase mineral, bien Las características microestructurales sea utilizando los valores 2w como índices de los minerales de la arcilla y en particu- comparativos (AMIGÓ et al., 1994; BAS- lar de la caolinita presentan especial inte- TIDA et al.,1994), bien extrayendo infor- rés tecnológico. Así, en LIETARD (1977) mación para analizar diferentes mecanis- se analiza la influencia de características mos de crecimiento cristalino, o su evolu- texturales, microestructurales y cristalo- ción (EBERL et al., 1998). químicas en diversas aplicaciones tecnoló- El presente trabajo se centra en el estu- gicas. dio microestructural de caolinitas de for- La aplicación de técnicas clásicas de maciones paleozoicas de Macizo Ibérico caracterización microestructural (tamaño que dan lugar a caolines (depósitos que de cristalito o dominio de difracción cohe- presentan una concentración relativamen- rente, y deformación de red) a reflexiones te elevada de minerales del grupo de la 00l, correspondientes a los planos de caolinita). En términos de la clasificación mayor significación morfológica, paralela- existente de los caolines de España mente a los cuales se tiene una exfoliación (GALÁN & ESPINOSA, 1974; GALÁN perfecta, en relación con la estructura & MARTÍN VIVALDI, 1973-1975), los laminar en los filosilicatos, es relativamen- materiales estudiados se incluyen en los te reciente para caolinita, y así AMIGÓ et tipos: II-Asturias (caolines paleozoicos al. (1994), presentan la fundamentación sedimentarios con enriquecimiento secun- de la aplicabilidad del método en caolini- dario por meteorización y en ocasiones por tas de lutitas del Cretácico Inferior acción hidrotermal); IV-Lage (caolines Terminal de Teruel y proponen la utiliza- alpinos de génesis hidrotermal in situ, ción de los valores de 2w (anchura a media desarrollados en rocas ácidas Hercínicas y de altura, abreviada en inglés como Alpinas); VI-Burela (caolines del FWHM) como índice de cristalinidad (en Paleozoico Inferior formados por la mete- el sentido de tamaño de cristalito y defor- orización de vulcanitas ácidas ). maciones de red). La utilidad general de Los tipos de caolines obedecen a dife- estos índices en comparación con otros, en rentes criterios, a los que se otorga signifi- algunos ejemplos, ha sido objeto de consi- cación genética. GALÁN et al. (1977), deración en APARICIO & GALÁN reconocen la existencia de relación entre (1999). cristalinidad, tamaño de partícula y condi- Hay que significar que como conse- ciones genéticas de caolinitas en algunos cuencia del hábito cristalino de la caolini- caolines de España, con datos de microsco- ta, con predominio de caras basales (001), pía electrónica. constituyendo la forma de mayor expre- Dado que actualmente se han desarro- sión morfológica, correspondiente a la llado ampliamente los métodos de análisis dirección [001] que es la de menor veloci- microestructural por DRX, como conse- dad de crecimiento cristalino, las caracte- cuencia de notables innovaciones en los rísticas microestructurales para esta direc- sistemas de adquisición y tratamiento de CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 13 datos (BISH & POTS, 1989) y existe una prestado especial atención a la diferencia- cierta fundamentación de la relación entre ción entre dos procesos genéticos: altera- características microestructurales según ción hidrotermal y alteración meteórica. DRX y mecanismos de cristalización Así, tomando como referencia la clasifica- (EBERL et al., 1998) se plantea en el pre- ción de GALÁN & ESPINOSA (1974), el sente trabajo el análisis de la influencia estudio se dirige a caolines del grupo B que ejercen diferentes factores sobre las (hidrotermales) tipo IV (Lage) y grupo C características microestructurales DRX, (meteóricos) de los tipos V (Parañós, para valorar la posible aplicación del estu- correspondiente a depósitos residuales dio de estas últimas a la valoración de sus sobre rocas plutónicas y metamórficas áci- procesos genéticos. das) y VI (Burela, correspondiente a depó- En el caso de caolines derivados de gra- sitos sobre rocas volcánicas ácidas del nitoides, no siempre es evidente la dife- Cámbrico, Ordovícico y Silúrico) en los rencia entre caolines generados por altera- que dichos autores no excluían procesos ción hidrotermal y caolines generados por previos de autometamorfismo práctica- alteración meteórica; según GALÁN et al. mente singenético. Adicionalmente se (1977), el ambiente genético sería el factor consideran los tonsteins asturianos, es más importante en la cristalinidad y tama- decir Tipo II, subgrupo Pedroso, encua- ño de partícula de la caolinita, favorecien- drados en la referida clasificación dentro do el origen hidrotermal (comparándolo del grupo A (sedimentarios) por cuanto la con el meteórico) la ordenación y creci- ulterior investigación geológica (ITGE, miento de los cristales de caolinita. Sin 1971a; ITGE1971b; ITGE, 1971c; ITGE, embargo, en caolines derivados de granitos 1991; GARCÍA-RAMOS et al., 1984) ha en el Macizo Ibérico, ello no se ha verifica- puesto de manifiesto que corresponden a do de un modo sistemático. productos de alteración de materiales vol- La finalidad del presente trabajo es la cánicos (bien fueran lavas o piroclastos). caracterización microestructural de caoli- Se hará referencia asimismo a otros nitas en diferentes tipos de caolines des- materiales encuadrados en el grupo A de arrollados sobre formaciones paleozoicas y formaciones paleozoicas, tipo Sierra el análisis de su relación con los mecanis- Morena (caolinización por meteorización) mos genéticos, utilizando en ambos casos y tipo Córdoba, referido a depósitos locali- procedimientos estadísticos, que permitan zados en zonas de fractura y caracterizados una primera aproximación a escala del por la asociación caolinita-pirofilita-serici- macizo y de las formaciones afectadas, ta, ello con vistas a establecer o justificar el como fase previa a la aplicación de méto- tipo de alteración predominante en la cao- dos microestructurales a casos concretos, a linización (hidrotermal o meteórica), y a escala de yacimientos. tal efecto se utilizan perfiles meteóricos El muestreo practicado ha sido, si no recientemente descritos (MOLINA et al., exhaustivo, suficientemente amplio como 1990, 1991; VICENTE et al., 1991). para permitir un análisis estadístico. Para acometer la finalidad propuesta se Desde el punto de vista genético, se ha hace necesario cubrir dos objetivos meto- 14 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) dológicos adicionales: a) comparar los dife- autoridades francesas (KUZVART, 1977; rentes métodos de análisis microestructu- LIU & BAI, 1982). ral por DRX existentes; b) fundamentar la El término Caolinita fue empleado por validez de los resultados obtenidos primera vez por JOHNSON & BLAKE mediante otra técnica instrumental. (1867) para "el mineral del caolín". ROSS Para el caso de otros filosilicatos los & KERR (1931) adoptaron el nombre de resultados obtenidos por DRX, relativos al caolinita en uso corriente. parámetro más relevante (tamaño de cris- La caolinita, Al2Si2O5(OH)4, es un alu- talito o dominio de difracción coherente) minosilicato laminar dioctaédrico (1:1). han sido validados mediante HRT E M Cada lámina está compuesta por dos capas: (ARKAI et al. 1996; NIETO & una capa tetraédrica (T) formada por áto- SÁNCHEZ NAVAS, 1994; EBERL & mos de silicio coordinados tetraédrica- SRODON, 1988), en este trabajo se utili- mente a átomos de oxígeno y otra capa za a tal efecto la técnica de FESEM, Octaédrica (O) consistente en átomos de mediante un procedimiento especial de aluminio coordinados octaédricamente a preparación de muestras puesto a punto en átomos de oxígeno y grupos hidroxilo. El este trabajo. término dioctaédrico hace referencia a que en la capa octaédrica sólo 2/3 de los huecos 2. ESTRUCTURA DE LA CAOLINI- están ocupados por aluminio, permane- TA ciendo vacante el 1/3 restante. En la caoli- nita y los minerales de su grupo estas dos capas se encuentran asociadas según el 2.1 Generalidades sobre el caolín y motivo OT, formando así la unidad estruc- la caolinita tural laminar (lámina 1:1). Las láminas a su vez están unidas entre si mediante Comúnmente se ha aceptado que el puentes de hidrógeno. La lámina (1:1) nombre caolín proviene de una corrupción posee una distorsión triclínica, debido a la del chino cauling que significa montaña relajación de los átomos alrededor de las alta , el nombre de una colina cercana a la posiciones de aluminio vacantes. Como población Jauchou Fu, donde el material veremos en el epígrafe siguiente la mayor es explotado (DANA, 1892 ; DANA & parte de los autores reconocen una celda FORD, 1949). CHEN et al. (1997) revisan triclínica con un grupo espacial C1. esta etimología y defienden que el nombre El grupo de los minerales de la caolini- de caolín proviene del nombre de una ta comprende básicamente la propia caoli- población llamada Kauling (pronunciada nita, la halloisita, la dickita y la nacrita. gauling o gaoling) localizada en una Los dos últimos son politipos de la caoli- región montañosa a 45 km al noreste de la nita, mientras que la halloisita es una ciudad Chingtehchien. El término caolín especie hidratada que presenta entre las parece haber sido introducido en Europa láminas OT cantidades variables de agua por P. d´Entrecolles S.J., un misionero que intercalada. La caolinita se forma como en 1712 mandó muestras de caolín a las producto de meteorización, por alteración CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 15 hidrotermal y como mineral sedimentario la caolinita atendiendo a las posibles for- autigénico. La halloisita es un mineral mas de disponerse unas láminas de caoli- típico de alteración meteórica e hidroter- nita sobre otras; así, Newham encontró 36 mal, siendo muy raro en depósitos sedi- posibles variantes y Zvyagin 52 politipos mentarios. La dickita es un mineral hidro- diferentes, si se tiene en cuenta un núme- termal y ocasionalmente autigénico en ro de láminas mayor de dos. Pese a la posi- depósitos sedimentarios (REX, 1966). La bilidad geométrica de estos 52 politipos, nacrita es un mineral raro que se presenta en la naturaleza y en laboratorio por sínte- exclusivamente como hidrotermal. sis sólo aparecen tres que se presentan en las estructuras de caolinita( triclínica, c» 2.2. Estructura de la caolinita 7.25 Å), dickita(monoclínica, c»14.7 Å) y nacrita (monoclínica, c»15.7Å. La caolini- El primer estudio en el que se sugiere, ta presenta una celda unidad con una sola en líneas generales, la estructura de la cao- lámina, mientras que la dickita tiene dos y linita se debe a PAULING (1930), poste- la nacrita seis. La halloisita contiene cuatro riormente ROSS & KERR (1931) median- moléculas de agua entre dos láminas del te observaciones de microscopía electróni- tipo de la caolinita. Se conoce también la ca y GRUNER (1932) con datos de metahalloisita, con dos moléculas de agua difracción de rayos X establecieron una y la halloisita deshidratada. celda monoclínica. La naturaleza triclínica SUITCH & YOUNG (1983) refinaron de la caolinita fue reconocida por primera la estructura de la caolinita de Keokuk vez por BRINDLEY & ROBINSON (Iowa) utilizando datos de difracción de (1946), quienes con mejores datos de rayos X de polvo y de neutrones con el DRX (60 reflexiones hasta »100º 2q) método de Rietveld (RIETVELD, 1969) y dedujeron que la simetría de la celda de la concluyeron que el grupo espacial de la caolinita es triclínica con un probable caolinita es el P1. grupo espacial C1. DRITS & KASHAEV ADAMS (1983) efectuó un refina- (1960) mediante rayos X de monocristal miento de la estructura de la caolinita de llevaron a cabo una determinación de la St. Austell con el grupo espacial C1 utili- estructura de la caolinita, pero su estudio zando datos de difracción de polvo de neu- parece haber sido influido por la presencia trones. Sus resultados para los átomos dis- de maclas en el cristal (BAILEY, 1980). tintos del hidrógeno fueron equivalentes a ZVYAGIN (1960) utilizó unas 100 refle- los de ZVYAGIN (1960), aunque los de la xiones de difracción de electrones para caolinita de St. Austell presentan difrac- refinar la estructura según proyecciones de ción bidimensional y están constituidas al densidades y distintos mapas en (100) y menos por dos tipos de caolinita (PLA- (010). En la estructura determinada por ÇON et al., 1988). Adams situó todos los Zvyagin tetraedros adyacentes sufren una átomos de hidrógeno y no encontró evi- rotación en direcciones opuestas de 11.4º . dencias en contra de una celda C centrada NEWHAM(1961) y ZVYA G I N al contrario que SUITCH & YOUNG (1962) estudiaron los politipos posibles de (1983). La conclusión de SUITCH & 16 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
YOUNG (1983) de que la caolinita tiene mínimo energético y empleando un mode- una celda P en vez de C fue tomada con lo de partida de distancia de mínimos cua- reservas (p.e. THOMPSON & drados obtuvieron un mejor refinamiento. WITHERS, 1987) así que YOUNG & Así mismo, Bish y Von Dreele encontra- HEWAT (1988) revisaron la caolinita de ron que en la caolinita de Keokuk se puede Keokuk utilizando datos de difracción de encontrar reflexiones débiles pertenecien- polvo de neutrones y método de Rietveld, tes a dickita y que estas se encuentran refinaron la posición de todos los átomos también en los difractogramas obtenidos simultáneamente y concluyeron, de nuevo, por SUITCH & YOUNG (1983) y que los hidrógenos de los iones hidroxilos YOUNG & HEWAT (1983), lo que les interiores son significativamente incom- habría llevado a un refinamiento inexacto patibles con una simetría C centrada y que de la estructura de la caolinita. Otra obje- la mayoría de los átomos distintos al ción de estos autores al modelo de hidrógeno son consistentes con una celda SUITCH & YOUNG (1983) y YOUNG C. & HEWAT (1983) es que en difractogra- BRINDLEY et al.(1986) concluyeron mas calculados utilizando este modelo que el modelo de SUITCH & YOUNG aparecen varias reflexiones, débiles pero (1983) es incompatible con el espectro de presentes, que son incompatibles con una infrarrojos observado, el cual muestra una celda C centrada y que por lo tanto h+k ¹ única y aguda vibración correspondiente a 2n ( por ejemplo 010 a 9.96º 2q con una los hidroxilos interiores. Basándose en el intensidad calculada de 0.5) pero que modelo de Suitch y Young, Brindley et al. nunca han sido observadas en ningún sugirieron que la caolinita debería mostrar difractograma de caolinita. Bish y Von dos bandas de vibración correspondientes Dreele basándose en su estudio y en los de a los hidroxilos interiores o bien una única autores previos concluyeron que la estruc- banda ancha. tura de la caolinita presenta "probable- THOMSON & WITHERS (1987) mente" una red C. mostraron que las intensidades de difrac- NEDER et al. (1998) efectuaron un ción de electrones calculadas utilizando la refinamiento de la estructura de la caolini- estructura de SUITCH & YOUNG (1983) ta a partir de datos de Sincotrón con para la caolinita no coinciden con las monocristales de caolinita de Keokuk intensidades observadas. (Iowa), encontrando los resultados consis- BISH & VON DREELE (1989) reali- tentes con el grupo espacial C1. En los zaron un refinamiento de las posiciones de perfiles de difracción, Neder el al., encon- los átomos distintos al hidrógeno de la traron difracción difusa en líneas paralelas caolinita de Keokuk empleando datos de a [001]* a través de las reflexiones hkl con difracción de polvo de rayos X y técnicas hk¹ 0, hecho atribuido por los autores a de refinamiento de Rietveld, concluyendo defectos de apilamiento. que los modelos de SUITCH & YOUNG En el refinamiento ya comentado de la (1983) y YOUNG & HEWAT (1983) estructura de la caolinita por BISH & representan una estructura con un falso VON DREELE(1989), los autores obtie- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 17 nen una estructura semejante a la de tos simultáneos debidos a tamaño de cris- ZVYAGIN (1960) pero con ciertas dife- talito y desorden separados mediante un rencias en las distancias de los enlaces proceso de deconvolución tras calcular el entre los átomos, pero sobre todo en el tamaño de cristalito por el método de ángulo de rotación en sentido opuesto de WARREN (1955). El procedimiento para los tetraedros: 6.9º, inferior a los hallados obtener los picos puros de difracción debi- por ZVYAGIN (1960) o DRITS & KAS- da únicamente a desorden, es equivalente HAEV (1960) (11.3º, y 11.1º, respectiva- al de STOCKES (1948). Estos picos se mente). analizan posteriormente por el método de WILSON (1949) para obtener la probabi- 2.3. Orden y desorden en caolinitas lidad de un desplazamiento de las láminas de ±b/3. En BRINDLEY & BROWN (1980) se En el referido trabajo se plantea el pro- detallan los diferentes tipos de desorden blema de que las reflexiones 001, en prin- que afectan a los minerales de la arcilla: 1) cipio no deben ser afectadas por los des- Desorden térmico; 2) Desorden en la dis- plazamientos de las láminas paralelos al tribución de los cationes; 3) Orden a corta plano xy y por lo tanto su ensanchamiento y larga distancia; 4) Desorden en sistemas debe corresponder únicamente al tamaño de láminas mezcladas; 5) Estructuras con de cristalito y sin embargo, en algunos láminas no planas; 6) Estructuras desorde- casos, la representación de b (anchura inte- nadas mecánicamente; 7) Tamaño de cris- gral del pico) frente a sec(q) no es lineal, talito finito; 8) Desorden en el apilamien- de lo que Mitra deduce que también los to de las láminas; 9) Desplazamiento de las desplazamientos afectan al espaciado láminas del tipo nb/3. d(001). Existen varios estudios sobre el trata- El estudio supuso un gran avance en la miento de los difractogramas de minerales estimación cuantitativa de los defectos en de la arcilla que presentan desorden de las caolinitas, pero presenta el inconve- apilamiento: niente de que sólo se puede aplicar en los MITRA (1963) corrigió los picos de casos en los que la cristalinidad es elevada, efectos instrumentales por el método de ya que cuanto mayor es el número de deconvolución de Stockes, encontrando defectos las reflexiones con k¹ 3n tienden a que: a)Todas las reflexiones 001 eran hacerse más débiles e incluso a desapare- anchas y asimétricas, con alta pendiente en cer, con la consecuente aparición de las la zona del pico a ángulos bajos, disminu- bandas hk de reflexiones bidimensionales. yendo más suavemente en la zona de ángu- NOBLE (1971) partió de que los des- los mayores; b)Todas las reflexiones hk0 plazamientos nb/3 subdividen el cristal en eran simétricas; relativamente anchas dominios menores para las reflexiones con cuando k¹ 3n y relativamente estrechas k¹ 3n, pero no afectan a aquellas con cuando k=3n; c) Las demás reflexiones k=3n. Tampoco deben afectar a las refle- presenta anchura y asimetría variables. xiones 001, excepto cuando el desorden
Características que derivarían de defec- provoque un cambio en el espaciado d001, 18 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) aunque sea mínimo. Noble se limitó al de desplazamientos al azar de las láminas estudio de los picos 001 y 111 que dege- en el plano xy asociadas a modificaciones neran en bandas del tipo hk (20,11) cuan- en el espaciado basal (existencia de "plie- do el desorden va en aumento. Calculó gues"). b)Los defectos principales a tener difractogramas teóricos para diversos en cuenta son los desplazamientos de las modelos teniendo en cuenta diferentes vacantes Al en los huecos octaédricos de proporciones de desorden, traducidas en una lámina a otra o bien de un dominio a distribuciones de tamaño de dominio de otro dentro de la misma lámina, apare- difracción y teniendo en cuanta la difrac- ciendo los desplazamientos ±b/3 como un ción bidimensional que se produce. defecto de segundo orden. PLANÇON & TOUCHBAR (1975, Otras aportaciones importantes sobre 1976, 1977a, 1977b) y PLANÇON defectos en caolinita se recogen en BOO- (1981) analizaron muestras con varios KIN et al. (1989) y a PLANÇON et al. tipos y proporciones de desorden de apila- (1989), en este último trabajo se describen miento y tamaño de cristalito, consideran- los principales defectos presentes en caoli- do el efecto del desorden en la representa- nita, a saber: a) El más importante es el ción de la red recíproca para una estructu- debido a la existencia de una traslación ra laminar. Tal red recíproca es una distri- entre láminas adyacentes que no es la nor- bución de puntos que pueden hacerse mal ` t1 (aproximadamente –a/3) sino que difusos en mayor o menor medida depen- es una relacionada a ésta por un pseudo- diendo del tamaño y la forma del cristal. plano de reflexión coincidente con la dia- Cuando las láminas se desplazan al azar, gonal más larga de la celda unidad. Esta aparece una diferencia de fase entre la traslación` t1 es aproximadamente ` t1 + radiación difractada por las distintas lámi- b/3; b)La formación de láminas con las nas que provoca el que los puntos de la red posiciones octaédrica C vacantes, que pue- recíproca aparezcan difusos según líneas den dar lugar a defectos, ya que la peque- paralelas a los planos de las láminas. ña diferencia entre g y 90º puede provocar Naturalmente entre los dos casos extremos la existencia de láminas tipo dickita dentro de perfección cristalina por un lado, que de la estructura de la caolinita; c)El apila- implica puntos netos en la red recíproca y miento estable de una lámina de caolinita desorden máximo por otro, en el que los sobre otra se caracteriza por un mínimo de puntos se ensanchan hasta llegar a fundir- potencial energético relativamente ancho. se en una línea, se sitúa toda una serie de Pequeños desplazamientos de una lámina casos intermedios que Plançon y Tchoubar con respecto a otra resultan en cambios definen como "líneas continuas moduladas despreciables en las distancias de los puen- de la red recíproca". tes de hidrógeno interlaminares. De los trabajos de Plançon y Tchoubar Otra hipótesis sobre la que trabajaron se reducen importantes conclusiones rela- PLANÇON et al. (1989) para explicar los tivas al origen de los defectos: a) Las refle- difractogramas de caolinita es la existencia xiones h, 3n, l, son bandas de difracción de múltiples fases de la misma, unas más más o menos moduladas por la existencia ordenadas que otras, de manera que la CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 19 mezcla de estas es la responsable del dife- 3. MARCO GEOLÓGICO DE LOS rente grado de "desorden" que se refleja en CAOLINES ESTUDIADOS los difractogramas. KELLER & HAENNI (1978) ya habían estudiado mediante microscopía electrónica, mezclas de labo- 3.1. Clasificación de los caolines ratorio de dos tipos extremos de la serie españoles orden-desorden, tal como reflejan sus difractogramas, como son caolinita bien GALÁN & ESPINOSA (1974) realizan ordenada y halloisita, presentan registros una clasificación de los caolines españoles difractométricos intermedios entre ambos, basada en su ambiente genético, pudiendo pudiendo muy bien confundirse con el ser éste sedimentario si ha sufrido algún efecto mismo de orden-desorden. transporte después de su formación o resi- Profundizando más en esta idea, De dual si se ha formado in situ, bien por LUCA & SLAUGHTER (1985), proponen meteorización o por acción hidrotermal. la existencia de múltiples fases de caolini- Así, distinguen tres grupos de yacimien- ta para explicar las deformaciones que tos: Grupo A.- Depósitos de ambiente sufren los difractogramas, aunque sin des- sedimentario; Grupo B.- Depósitos de cartar el efecto que puede suponer la exis- ambiente hidrotermal; Grupo C.- tencia de desplazamientos del tipo ±b/3 al Depósitos de ambiente meteórico. azar en el apilamiento. Estos autores estu- En función de la edad, bien sea de los dian los picos 001 y 002 (son los primeros sedimentos, de la caolinización o de la roca que lo hacen de un modo exhaustivo), los madre y teniendo en cuenta además la cuales presentan una cierta asimetría en naturaleza de esta última, dichos autores caolinitas desordenadas. El método emple- distinguen distintos Tipos dentro de cada ado es un proceso de deconvolución grupo. A su vez, para alguno de ellos, esta- mediante el programa ISTRIP (SLAUGH- blecen Subtipos en relación con la facies TER, 1981) que descompone el pico en sedimentaria, la clase de roca ígnea y el una suma de curvas de Lorentz. Los auto- proceso genético secundario sobreimpues- res dan una existencia real a los picos obte- to al principal, entre otras características. nidos matemáticamente, de manera que, En el grupo A (sedimentarios) se según proponen, corresponden a tres varie- incluyen 3 tipos: dades de caolinita, cada una de ellas aso- Tipo Cordillera Ibérica, constituido por ciada a un grado de cristalinidad de la depósitos arenosos cretácicos de carácter muestra total. En muestras muy cristalinas continental, bien pertenecientes a la facies predomina la fase que corresponde a Wealdense (subtipo Wealdense) o a la facies Utrillas (subtipo Utrillas). La caoli- d001=7.12 Å, a caolinita moderadamente bien ordenada se asocia la fase con nización tendría lugar en el área fuente d =7.14 Å y por último la fase con sobre rocas ácidas Hercínicas o 001 Prehercínicas, siendo posteriormente d001=7.20 Å aparece ligada a la fase caoli- nita pobremente ordenada. transportado el caolín a la cuenca sedi- 20 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) mentaria, donde continuaría el proceso de En el grupo B (hidrotermales) se reco- caolinización. noce un tipo único (Tipo IV, Lage) en el que Tipo Asturias, al que se asignan depósi- se integran depósitos formados in situ por tos situados en pizarras paleozoicas, ya en alteración hidrotermal de rocas hercínicas forma de niveles bien definidos, ya como y prehercínicas, a la cual puede haberse extensas formaciones enriquecidas en cao- superpuesto una alteración meteórica más linita por meteorización y a veces local- o menos intensa. Las rocas afectadas son mente por acción hidrotermal. granitos, gneises, pegmatitas, pórfidos y El subtipo Sierra del Pedroso consiste en en general rocas ácidas ígneas y metamór- estratos de unos 70 cm de potencia y con ficas. una gran continuidad lateral (varios km.) Los autores distinguen tres subtipos: el interestratificados en cuarcitas (cuarcita subtipo La Coruña, donde la roca madre es Armoricana). granítica o gneísica; el subtipo Toledo, de Los autores interpretan el origen de roca madre pegmatítica o porfídica alta- este caolín como sedimentario en medio mente milonitizada. El subtipo Segovia se marino de escasa profundidad. Sin embar- trata de un tipo intermedio entre el Tipo go, un trabajo posterior (GARCÍA- IV y el Tipo V (meteórico). Presentando RAMOS et al. 1984) aporta criterios que también una mineralogía intermedia entre indican un origen alternativo por caolini- ambos tipos. zación diagenética in situ de una toba de En el grupo C (meteóricos) se incluyen cenizas volcánicas de transporte eólico (ash dos tipos: fall tuff). Tipo V (Parañós), agrupa caolines origi- El subtipo Sierra Morena agrupa las for- nados meteóricamente sobre rocas plutó- maciones pizarrosas paleozoicas nicas y metamórficas ácidas y que se (Ordovícicas, Silúricas o Devónicas) caoli- encuentran in situ. El espesor de la caolini- nizadas por meteorización. zación no suele exceder los 8m. El subtipo Córdoba es una variación del Tipo VI (Burela), Comprende los depó- anterior, presentándose en zonas fractura- sitos desarrollados fundamentalmente por das afectadas por fluidos hidrotermales. meteorización sobre rocas volcánicas áci- Tipo Pontevedra, depósitos sedimenta- das, actualmente in situ, y con una proba- rios que han sufrido un corto transporte y ble caolinización previa por autometamor- cuyos materiales proceden de los cercanos fismo a baja temperatura. La edad de estas macizos graníticos y gneísicos Hercínicos manifestaciones es normalmente y Prehercínicos, alterados por meteoriza- Paleozoico inferior (Cámbrico, ción e hidrotermalismo. Ordovícico, Silúrico). Se distingue del Tipo I, con el que pre- Es conveniente señalar que cuando la senta parecido genético, por tratarse de formación caolinizada no se halla protegi- materiales Neógenos y Cuaternarios con da por una cobertera de formaciones sobre- muy poca madurez y por no presentar una yacentes se tiende en la clasificación a atri- bien definida secuencia rítmica de alter- buir parte del proceso de caolinización a nancia de niveles arenosos y limosos. procesos de alteración meteórica actuales o CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 21 subactuales. En el caso de la formación de superficies de erosión a escala del macizo: caolín por alteración meteórica, las condi- pre-triásica, pre-wealdense, pre-albense, ciones más favorables se dan en perfiles de pre-terciaria y finiterciaria. Si añadimos a alteración sobre superficies de erosión estas superficies, las posibles paleosuperfi- antiguas en los que la caolinita es un pro- cies hercínicas correspondientes a discor- ducto de neoformación (WILSON, 1999). dancias a las que se superponen facies con- DIXON (1989) en un artículo de recopi- tinentales (la de techo del Precámbrico por lación, muestra que la neoformación de debajo del Grupo Cándana en la Zona caolinita requiere unas condiciones ácidas Asturoccidental-Leonesa, la de la base del con una moderada actividad de K2O y Westfaliense, la de la base del Estefaniense pequeñas cuantías de cationes básicos. En y la del techo del Pérmico) TRITLLA & comparación con su frecuente presencia en SOLÉ (1999) y admitiendo que a menor paleosuperficies, WILSON (1999) señala escala existan discordancias, sobre las cua- que la caolinita es muy escasa en suelos les en unas condiciones climáticas y tectó- recientes, registrándose su presencia en nicas adecuadas se hallan podido producir suelos de más de 10.000 años relacionados superficies de alteración con formación de con superficies de erosión, este autor indi- caolinita edáfica, ello no supone un núme- ca asimismo que en comparación con la ro de eventos sensiblemente superior al de caolinita presente en formaciones geológi- eventos de alteración hidrotermal que han cas, las caolinitas edáficas suelen mostrar tenido lugar en diferentes áreas del maci- menor tamaño de partícula, y presencia de zo, tal como puede deducirse de la gran Fe y mayor desorden en la estructura, cantidad de eventos térmicos registrados pudiendo presentar interestratificación en el macizo (manifestaciones magmáti- con esmectitas. Señala asímismo dicho cas, plutónicas, volcánicas, metamórficas y autor la frecuente presencia de halloisita mineralizaciones asociadas). en suelos derivados de rocas volcánicas así como en suelos tropicales y en materiales 3.2. Zonas del Macizo Ibérico de alteración preglaciar, y que además de por neoformación, la caolinita edáfica El Macizo Ibérico o Hespérico consti- puede formarse por transformación de tuye la mayor parte de la mitad occidental halloisita, hecho del que existen observa- de la península Ibérica. Forma parte del ciones y experimentación (LA IGLESIA & Orógeno Hercínico, junto con los materia- GALÁN, 1975). les paleozoicos y precámbricos de la Adoptando este punto de vista relativo Cordillera Ibérica, Cadenas Costero a la frecuencia de caolinitas en suelos, es Catalanas, Pirineo Axial y Zonas Internas conveniente resaltar que no es tan grande de las Cordilleras Béticas. Por el el número de posibles episodios de altera- N, O y SO este macizo queda limitado por ción in situ que han podido originar depó- el margen Cantábrico, el marg e n sitos de caolín en el macizo. Atlántico y el golfo de Cádiz. Al E des- De acuerdo con MARTÍN SERRANO aparece bajo los sedimentos Mesozoicos y (1994) se pueden reconocer 6 grandes Terciarios de la Cordillera Ibérica y de las 22 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) cuencas Terciarias, y al NE y S está limita- nas, donde la deformación sólo afectó a do por el Pirineo y Cordilleras Béticas. niveles superficiales. El Macizo Ibérico constituye el aflora- El Macizo Ibérico ha sido dividido en miento de mayor extensión de la Cadena varias zonas que presentan características Hercínica (o Varisca), que se prolongaría paleogeográficas y estructurales diferentes. por el Macizo Armoricano, el Macizo La primera división en zonas se debe ha Central Francés y por una serie de macizos LOTZE(1945) que posteriormente es de Europa Central, entre los que destaca modificada por JULIVERT et al. (1972), por su extensión el Macizo de Bohemia, los cuales distinguen cinco zonas: Zona hasta enlazar con los Urales. El orógeno Cantábrica, Zona Asturoccidental- hercínico, con una longitud mayor de Leonesa, Zona Centroibérica, Zona de 3000 km y una anchura comprendida Ossa-Morena, Zona Surportuguesa. entre 700 y 900 km, se caracteriza por la Posteriormente, FARIAS et al. (1987) existencia de un gran arco en la parte occi- agrupan una serie de materiales incluidos dental (Arco Ibero-Armoricano o Arco por JULIVERT et al. (1972) en la la zona Astúrico) y un trazado sinuoso en la parte Centroibérica, definiendo una nueva zona central y oriental. El límite norte del oró- llamada Zona de Galicia-Tras os Montes; geno hercínico europeo está relativamente esta zona estaría constituida por una gran bien definido a lo largo del denominado lámina alóctona superpuesta sobre la Zona frente varisco, que se extiende desde el sur Centroibérica (FARIAS, 1992). de Irlanda hasta Polonia. Se trata de una En este trabajo se ha adoptado la divi- zona caracterizada por la presencia de sión de JULIVERT et al. (1972). Las esta- cabalgamientos dirigidos hacia el norte, ciones muestreadas en el presente estudio los cuales superponen rocas de edad cám- se sitúan en las zonas Cantábrica, brica a carbonífera sobre materiales más Asturoccidental-Leonesa y Centroibérica. jovenes y menos deformados. Por el con- Estas tres zonas constituyen la rama norte trario el límite sur está peor definido, ya del macizo, presentando en conjunto todas que en la zona mediterránea este límite ha las características de un orógeno. En esta sido fuertemente modificado por la defor- rama norte pueden distinguirse unas zonas mación alpina y la formación del mar externas y unas zonas internas. Las prime- mediterráneo. ras están constituidas por la Zona La mayor parte de los materiales meta- Cantábrica, en la cual la deformación se ha mórficos (de edad Proterozoico superior – dado en niveles superficiales de la corteza Paleozoico Inferior) así como las rocas gra- y se ha originado principalmente por tras- níticas, afloran en una banda central que laciones de grandes masas de roca a lo supondría las zonas internas del orógeno, largo de importantes cabalgamientos, con mientras que a ambos lados de esta banda la ausencia casi total de metamorfismo y afloran materiales poco o nada metamorfi- magmatismo. Las zonas internas están zados (de edad Devónico – Carbonífero) constituidas por las Zonas que corresponderían a las zonas más exter- Asturoccidental-leonesa y Centroibérica; en estas, la deformación de las rocas se da CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 23 en niveles más profundos de la corteza, con cipalmente siliciclástica. La estructura de lo que los materiales presentan metamor- la Zona Asturoccidental-leonesa se carac- fismo y el magmatismo tiene un desarrollo teriza por la presencia de abundantes plie- importante. gues, que llegan a ser acostados y de gran Seguidamente se indican las caracterís- amplitud en algunas áreas. La deformación ticas más destacables de estas tres zonas. interna de las rocas da lugar al desarrollo La Zona Cantábrica presenta una generalizado de foliaciones tectónicas. Se sucesión paleozoica relativamente comple- pueden distinguir varios episodios en el ta, estando representados en ella todos los desarrollo de la estructura de esta zona. El sistemas; localmente pueden presentarse metamorfismo está presente en toda la lagunas importantes. Esta sucesión está zona con diferentes grados de desarrollo. constituida por una alternancia de forma- Las manifestaciones magmáticas alcanzan ciones carbonatadas y siliciclásticas; sien- importancia en algunas áreas con aflora- do estas últimas predominantes en el mientos de granitoides con extensiones Paleozoico Inferior y en el Carbonífero importantes. sinorogénico. Las rocas estefanienses son Esta Zona se encuentra dividida MAR- en su mayoría posteriores a la orogénia, COS (1973) en tres grandes unidades o por lo cual se sitúa discordantes sobre el dominios: el Dominio del Navia y Alto resto de la sucesión paleozoica. La estruc- Sil, al este, el Dominio del Manto de tura de la Zona Cantábrica está constitui- Mondoñedo, y el Dominio del Caurel- da por varias unidades cabalgantes y plie- Truchas. El limite entre la Zona gues. Cantábrica y la Zona Asturoccidental-leo- La Zona Cantábrica se divide en varias nesa se sitúa en el Antiforme del Narcea, regiones de características geológicas dis- que está constituido por una franja de tintas, y que a grandes rasgos se envuelven rocas precámbricas. concéntricamente. Estas regiones según La Zona Centroibérica se caracteriza J U L I V E RT (1967) son: Región de desde el punto de vista estratigráfico por Pliegues y Mantos, Cuenca carbonífera presentar un gran desarrollo de los mate- Central, Región de Mantos (o Región del riales preordovícicos, cuyos afloramientos Manto de Ponga), Picos de Europa y constituyen la mayor parte de la Zona región del Pisuerga-Carrión. La Región de Centroibérica; en ellos están representados Pliegues y Mantos, puede ser subdividida tanto el Cámbrico como el Precámbrico. en unidades geológicas separadas entre sí Estos materiales se agrupan en su mayor por importantes cabalgamientos; estas parte bajo el nombre de complejo son: la Unidad de Somiedo-Correcilla, la Esquisto-Grauváquico, junto a ellos aflo- Unidad de La Sobia-Bodón y la Unidad ran rocas ígneas prehercínicas y una serie del Aramo. de gneises conocidos como Ollo de Sapo. La Zona Asturoccidental-leonesa se El Ordovícico y Silúrico presentan en esta caracteriza desde el punto de vista estrati- zona unas características bastante unifor- gráfico por presentar un Paleozoico mes y unos espesores moderados, siendo su Inferior muy potente, de naturaleza prin- carácter detrítico. Los materiales postsilú- 24 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) ricos están en general bastante mal repre- ción tectónica (GIL IBARGUCHI et al. sentados. El Devónico se encuentra gene- 1983). ralmente conservado sólo en determinados Con anterioridad a la primera fase de núcleos sinclinales. Los materiales postec- deformación se emplazaron una serie de tónicos están también mal representados, materiales de naturaleza granítica que han localizándose en España en la zona de dado edades escalonadas entre el Puertollano. Paleozoico Inferior y Medio, sin superar En esta zona se presentan materiales nunca 600 M.A., rocas que se encuentran afectados por metamorfismo variable que actualmente como ortogneises afectados llega a grado alto. El magmatismo tiene por las fases hercínicas de deformación, un gran desarrollo, principalmente en el existiendo además rocas básicas y ultrabá- área N.O. de la península, con gran des- sicas del Paleozoico Inferior. arrollo de granitoides. Se reconocen tam- En cuanto a estructura del Macizo bién materiales volcánicos silúricos en la Ibérico dentro del conjunto de la parte meridional de esta zona, en el área de Cordillera Hercínica, se pueden distinguir Almadén. El límite meridional se localiza dos ramas asimétricas en anchura y carac- tradicionalmente en el Batolito de los terísticas: la rama N comprendiendo la Pedroches, si bien otros autores los sitúan Zona Cantábrica, Zona Asturoccidental- en la zona de cizalla Badajoz-Córdoba; el Leonense y la parte adyacente de la Zona límite septentrional Julivert et al. lo sitú- Centroibérica (Galicia-Guadarrama) y la an en el núcleo del Antiforme del "Ollo de rama S comprendiendo la Zona Sapo", autores más recientes (MARTINEZ Surportuguesa y la parte S de la Zona de CATALÁN, 1981) lo sitúan en la falla de Ossa Morena (hasta el eje Portalegre- Vivero. En esta zona se distinguen dos Badajoz-Córdoba), existiendo entre ambas dominios tectónicos considerando la geo- una zona de vergencias indefinidas, que metría de las estructuras megascópicas, pudiera incluirse en la rama N, habiéndo- siendo estos: Dominio de los Pliegues se iniciado la deformación con anteriori- acostados y Dominio de los Pliegues verti- dad (JULIVERT & MARTINEZ, 1983). cales. En el trabajo que se acaba de citar, se sig- Al considerar metamorfismo y pluto- nificaba el carácter plurifacial del meta- nismo se alude a las relaciones con las fases morfismo, ya puesto de manifiesto en de deformación, siendo muy patentes tres diversos trabajos, y la abundancia en el fases de deformación en las zonas de alto orógeno hercínico de granitoides, forman- grado, si bien en las zonas de bajo grado la do dos series, una calcoalcalina (granitoi- segunda esquistosidad (S2) es poco mani- des I) y otra de tendencia alcalina (grani- fiesta o inexistente, por lo que la correla- toides S) ligados al metamorfismo regio- ción con aquellas es difícil, y más difícil en nal. A escala de conjunto de cordillera se las zonas externas. Las tres esquistosidades resalta la presencia de segmentos entre correspondientes no tienen por qué tener zonas estables, indicativa de colisión con- en todas las zonas la misma edad aunque sí tinental y se analiza diferentes interpreta- tengan en todos los casos igual significa- ciones relativas a la naturaleza y evolución CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 25 de la corteza continental, y el sentido de la rísticas geológicas y localización de las subducción de la corteza oceánica en la estaciones de muestreo que han sido obje- cordillera hercínica. to de estudio, cuya ubicación se recoge en En GIL IBARGUCHI (1983) se efec- la figura 3.1. En los anexos se presentan túa y discute una recopilación de datos los mapas de detalle de cada estación. radiométricos de rocas prehercínicas y her- cínicas, distinguiendo, de acuerdo con 4. METODOLOGÍA CORRETGE (1983), entre las rocas ígne- as hercínicas: a) rocas de tendencia alcalina y alumínicas sin y postectónicas (leucogra- 4.1. Muestreo nítos de dos micas y granodioritas anatéc- ticas o granitoides tipo S sensu WHITE & Como fuentes de documentación preli- CHAPPELL, 1977) b) rocas de la serie cal- minar para localización de indicios y yaci- coalcalina sin y postectónicas (monzogra- mientos se utilizaron los trabajos de nitos, granosienitas, tonalitas o granitoi- GALÁN & ESPINOSA (1974), GALÁN des tipo I de WHITE & CHAPPELL, & MARTÍN VIVALDI (1973-1975), 1977) c) granitoides ricos en Al y K con Inventario Nacional de Caolines (1984), tendencia calcoalcalina o de tipo mixto Mapa Metalogenético de España (granitos y granodioritas de afinidad shos- (1/200.000), Mapas de Rocas Industriales honíticas). de España (1/200.000), Mapa Minero- Metalogenético de Galicia (1/400.000), 3.3. Estaciones de Muestreo Directorio de la minería española (1990) Las estaciones muestreadas se han reco- En la tabla 3.1 se recogen las carácte- gido en la tabla 3.1.
Figura 3.1. Mapa de situación de las estaciones de muestreo. (Z.C.= Zona Centroibérica; Z.A.O.L.= Zona Asturoccidental-Leonessa; Z.C.I.= Zona Centroibérica; Z.O.M= Zona de Ossa-Morena; Z.S.P.= Zona Surportuguesa). El significado de los números se indica en la tabla 3.1. 26 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
4.2. Preparación de muestras Bruker D5005 del SCSIE de la Universidad de Valencia, en ambos casos Con carácter general, las muestras fue- utilizando radiación Cu Ka y filtro de Ni. ron secadas previamente en una estufa- En el equipo Siemens D500 se trabajó a 40 secadero de aire forzado a 40ºC durante 48 K v, 20 mA, y con ventanas de horas. Posteriormente se procedió a su dis- 1º,1º,1º,0.15º y 0.15º; en el equipo Bruker gregación mediante fragmentación con D5005 se trabajó a 40 Kv, 30 mA, y con una quebrantadora de mandíbulas (mode- ventanas Divergence slit de 1º, Antiscattering lo Fritsch Pulverisette 1) y molienda con slit de 1º y Detector slit out . Las condiciones un molino de discos de carburo de wolfra- de paso angular y tiempos de conteo han mio (modelo Fritsch Pulverisette 9), con el sido ajustados según el estudio al que se objetivo de obtener muestras de polvo destinaron los difractogramas. En la tabla para el estudio de difracción de rayos X, 4.1. se recogen las diferentes condiciones microscopía electrónica y análisis geoquí- de trabajo en las que se han obtenido los micos. Una alícuota de cada muestra fue registros y en que estudio se han aplicado. destinada a obtener la fracción arcilla por La adquisición de datos se han efectua- decantación en suspensión acuosa. do en el equipo Siemens D500 con el sis- tema informático DIFFRAC-AT y en el 4.3. Difracción de rayos X equipo Bruker D5005 con el sistema informático DIFFRAC-PLUS, que permi- Se ha practicado análisis mineralógico ten gestionar el manejo del difractómetro por difracción de rayos X obteniéndose así como los datos obtenidos en las medi- registros de polvo desorientado de muestra das de DRX. total y de agregados orientados de la frac- ción arcilla. Otra alícuota de cada muestra obtenida Tratamiento de datos de DRX en la molienda se utilizó para preparar las muestras de polvo desorientado de mues- tra total, siguiendo el procedimiento des- Identificación y estimación semi- crito por NISKANEN (1964). Con una cuantitativa alícuota de fracción arcilla se preparan los Para la identificación mineralógica en agregados orientados por sedimentación las muestras estudiadas en el presente tra- de una suspensión de fracción arcilla sobre bajo se han empleado los programas EVA un porta de vidrio & MAINT pertenecientes al sistema DIF- Con carácter general se prepararon tres FRAC-AT y el programa EVA-PLUS per- agregados orientados: sin tratar, agregado teneciente al sistema DIFFRAC-PLUS. calentado durante 2 h. a 550ºC y agregado La identificación de los minerales se tratado con etilénglicol por contacto llevo a cabo con los difractogramas de durante 12h. polvo desorientado de muestra total Los registros difractométricos han sido empleando el cuarzo como patrón interno. obtenidos en los equipos Siemens D500 y La identificación de la asociación mineral CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 27 28 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Tabla 4.1. Condiciones de trabajo según el estudio al que están destinados los distintos registros difractométricos. (P.D.= Polvo desorientado; A.O.N.= Agregado orientado normal; A.O.Q.= Agregado orientado calentado; A.O.E.= Agregado orientado tratado con etilénglicol; M.T.=Muestra total; F1 = Fracción arcilla). de filosilicatos de la arcilla se completó determinada, entre otros factores, por las con los agregados orientados normales, imperfecciones cristalinas del material. calentados y tratados con etilénglicol, de Estas imperfecciones se refieren básica- la fracción arcilla. mente a la existencia de cristalitos y micro - Los criterios utilizados en la identifica- deformaciones, y reflejan la microestructura ción mineralógica de filosilicatos han sido cristalina que es posible analizar a partir los expuestos en WARSHAW & ROY de los datos de DRX. Examinaremos este (1961). En las estimaciones semicuantita- concepto con más detalle. tivas se ha seguido el método de las inten- Una característica común a casi todos sidades de referencia (DAVIS et al., 1988; los cristales reales es su imperfección cris- DAVIS et al., 1989a, 1989b; DAVIS et talina, originada por varios tipos de defec- al.,1990; HUBBARD, 1988) habiéndose tos cristalinos, entre los que destacan las utilizado los valores que se presentan en la dislocaciones. Por lo que a la DRX se tabla 4.2. refiere, el cristal se presenta como un mosaico de cristalitos ligeramente desorien- Análisis microestructural por DRX tados entre sí. La noción de cristalito es equivalente a Concepto de microestructura en DRX la de dominio de difracción coherente. El análisis microestructural por DRX Este concepto se deriva de que, en un cris- se basa en que la forma de los perfiles de tal real, la periodicidad geométrica perfec- difracción de un sólido policristalino viene ta no se extiende a todo el volumen del CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 29
Tabla 4.2. Valores de las intensidades de referencia (RIR) empleadas en la estimación semicuanti- tativa de las muestras estudiadas en el presente trabajo. En la última columna de la tabla se indica las abreviaturas de los minerales empleadas en este trabajo. cristal. En realidad, sólo en el interior de mente cuando los cristalitos tienen un pequeños volúmenes -cristalitos- puede tamaño muy pequeño, < 1 mm ). En efec- considerarse que existe un orden perfecto. to, si imaginamos el cristal mosaico dis- Estos pequeños volúmenes se disponen puesto de forma que una parte de él esté muy próximos entre sí, separados por exactamente en la posición correcta para la material más o menos cristalino, pero no difracción, otra parte no estará colocada en un perfecto y completo alineamiento. adecuadamente a menos que se gire un La desorientación entre estas piezas mosai- ángulo pequeño. En otras palabras, los co o subgranos adyacentes es pequeña, tan cristalitos representan pequeñas unidades solo de unos segundos o minutos de arco. cristalinas, o dominios, en las que la DRX Como consecuencia de esta desorienta- se produce de modo coherente. El tamaño ción entre cristalitos, la ley de Bragg no se típico de los cristalitos puede ser de alre- satisface para cada uno de ellos al mismo dedor de 1000 Å, o incluso menor (caso de valor de q, lo que origina el ensancha- los minerales de la arcilla). miento de los picos de DRX (principal- Por otra parte, la existencia de micro- 30 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
deformaciones, o distorsiones, de la red bf = anchura integral del pico de cristalina en el interior de los dominios, difracción corregido del ensanchamiento origina también el ensanchamiento de los instrumental (expresado en radianes de picos de difracción y afecta a la forma de 2q) los perfiles. Estas microdeformaciones q = ángulo de la reflexión conside- consisten en el desplazamiento aleatorio rada de celdas unidad o grupos de celdas uni- K = constante cuyo valor depende dad de sus posiciones ideales. de : a) la forma de los cristales, b) la dis- Adicionalmente a éstas, pueden existir tribución de tamaños, c) los índices hkl otras imperfecciones, como irregularida- del plano de difracción. Normalmente se des en la secuencia de apilamiento de los toma K = 1 y se habla entonces de tama- planos atómicos en la red cristalina (stac - ño aparente. El valor de bf se obtiene a king faults). Tales defectos se denominan partir de un procedimiento de deconvolución en ocasiones microdeformaciones, y pueden que se aplica a la anchura integral experi- conducir a cambios en la forma y/o la posi- mental. ción de los picos de difracción. STOKES & WILSON (1944) ya toman Una reflexión dada hkl informa sólo en consideración el ensanchamiento de los acerca de la microestructura en la direc- picos de difracción por distorsiones de red, ción perpendicular a los planos (h k l) dando paso al desarrollo de los distintos (BERTAUT, 1950). Por ello, si el material métodos de análisis microestructural. es anisótropo (en el sentido de que el El parámetro de tamaño que se deter- ensanchamiento de sus perfiles depende de mina en estos métodos se denota general- la reflexión), se precisa analizar varias mente con el símbolo
bh = bf + bg Las ecuaciones [a] y [b] (o bien [c] y [d]) son la base para la obtención de los y en el segundo caso: parámetros microestructurales de tamaño y distorsión. Si se considera la ecuación 2 2 2 bh =bf + bg [a], la ordenada en el origen y la pendien- te de la recta obtenida al representar bfC (los subíndices h, f y g se refieren al cosq vs senq (diagrama de Williamson y pico experimental, real y del patrón, res- Hall), se obtienen respectivamente
L), se suele tomar como parámetro caracte- llan una técnica que se basa en el hecho de rístico de la distorsión en la muestra el que los picos de la función de interferencia valor de RMS para L = 50 D. son estrictamente simétricos, por lo tanto, Una descripción más detallada del estos autores sugieren considerar sólo la método puede hallarse en AMIGÓ et al. media parte no distorsionada del pico de la (1996). función de interferencia (según un plano La representación gráfica que suele vertical que pase por el máximo del pico) emplearse para visualizar la distribución y considerar el otro lado simétrico respec- de tamaños es la curva de frecuencias rela- to a éste. En el caso del pico 001 de la cao- tivas P(L) vs L. linita los autores aconsejan considerar la Cuando el perfil f(x) está afectado úni- parte derecha del pico de la función de camente por efectos de tamaño, la distri- interferencia simétrica respecto de la bución de las longitudes L puede obtener- izquierda, puesto que el factor LpG2 se se mediante el método de LEBAIL & aproxima a cero en la proximidad del pico LOUËR (1978). en lado de ángulos altos. En el presente trabajo, el método - Corrección de las intensidades del de Warren y Averbach ha sido aplicado factor LpG2 mediante el programa Win-Crysize (ver- La intensidad I(2q), de una reflexión de sión3) del paquete informático Diffrac- rayos-X se calcula según: Plus. I(2q) = (Lp)G2·f + bg Programa Mudmaster (Método de Bertaut- Warren-Aberbach) Siendo: - Fundamentos del método Lp = función de Lorentz-polarización; Como ya se comentó al hablar de los G2 = la intensidad de difusión laminar métodos de Fourier, el programa (cuadrado del factor de estructura); f = Mudmaster es una variante del método de función de interferencia; bg= fondo. Wa r r e n - Averbach. En este método se - Análisis de Fourier de la función de obtiene la función de interferencia de las interferencia intensidades del espectro de difracción El programa desarrolla un análisis de dividiendo las intensidades por el factor de Fourier para las intensidades de la función estructura (G2) y por el de Lorentz-polari- de interferencia tanto con la Ka como con zación (Lp), finalmente la función de la Ka 1. La eliminación de la Ka 2 es interferencia es tratada con el análisis de opcional, empleándose el método de Fourier. El factor LpG2 de la caolinita se Fourier de GANGULEE (1974) para tal aproxima a cero en ciertos valores de 2q; la efecto en escaso de que se seleccione dicha función de interferencia obtenida al divi- opción. dir las intensidades experimentales por Las intensidades previamente calcula- LpG2 se deforma cerca de esos ángulos y das para la función de interferencia , I(2q), produce la distorsión de la función de son normalizadas a la suma de intensida- interferencia. EBERL et al. (1996) desarro- des: CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 35
dos con valores crecientes de n con incre- mentos l, donde l es el orden de la refle- xión (p.e. si l=2, los coeficientes de La abscisa 2q es convertida en s*, Fourier se calculan con valores de n= donde 0,2,4,6,8....nmax); los coeficientes así cal- culados pueden ser corregidos del ensan- chamiento instrumental y/o de las defor- maciones. d = espaciado en Å correspondiente (00l) - Corrección del ensanchamiento ins- al máximo de índices 00l de la función de trumental interferencia. El programa elimina la componente q = parámetro variable. del ensanchamiento instrumental de los l = longitud de onda en Å de la coeficientes de Fourier por medio del radiación Ka o Ka , según la opción 1 método de Stokes, véase AMIGÓ et al. seleccionada. (1994). El origen del máximo -00l- de la fun- - Corrección de la componente de dis- ción de interferencia se selecciona como torsión de los coeficientes de Fourier s*=1. Los coeficientes de Fourier pueden ser El n máximo (n ) para el análisis de max corregidos de del ensanchamiento debido Fourier se obtiene del "tamaño medio a distorsiones en la red, si esta opción es aproximado"(M, en nm) que es un valor seleccionada, tal como se describe a conti- que debe introducirse como entrada en el nuación: programa. ln[A(n)cor] es calculado para cada pico en estudio y almacenado, teniendo en cuenta que son necesarios al menos dos picos para el calculo de las distorsiones. donde d es el espaciado del máximo (00l) También se calcula y almacena el cuadrado de la función de interferencia en nm. El del orden de las reflexiones, l2. programa está limitado a un n máximo Las líneas rectas que mejor ajustan los aproximadamente de 1000. valores de ln[A(n)cor] con los valores de abscisa de l2 , son calculados para cada n. La intercepción de estas rectas en el eje Y nos da los coeficientes de Fourier corregi- D dos de la distorsión, A(n) cor, y la pen- 2 diente nos da la distorsión media
2 ma representa H(S) en el eje de las Y vs La expresión
Para evitar el efecto de gancho, el progra- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 37
donde f(S) es la frecuencia de un tama- cen una distribución de intensidades de ño determinado y S es el tamaño de crista- tipo lorentziano, mientras que las distor- lito, y: siones dan lugar a una distribución gaus- siana (HALDER & WAGNER, 1966; NANDI & SEN GUPTA, 1978; LANG- FORD, 1978). Por lo tanto, el perfil de entonces la distribución de tamaños difracción puro f(x), deformado por estas lognormal es calculada: dos contribuciones, se puede describir como el producto de convolución:
f(x) = fG(x) )*fC(x) (función de Voigt)
donde los símbolos C y G caracterizan - Cálculo del Volumen las componentes de Cauchy y de Gauss. En el calculo del volumen se asume que los cristalitos tiene forma laminar, en Por otra parte, se ha encontrado expe- la cual S es el espesor de las laminas. Por lo rimentalmente que la función instrumen- tanto el volumen para cada tamaño de tal g(x) también puede describirse adecua- cristalito, V(S), es: damente como una función de Voigt, pre- dominando a bajos ángulos (2q < 90º) un V(S)=Sf(S) perfil de tipo gaussiano y un perfil de Cauchy para ángulos superiores: donde f(S) es la frecuencia de un tama-
ño determinado. g(x) = gG(x) )*gC(x)
Método de la función de Voigt Por consiguiente, podemos escribir la - Fundamentos del método función h(x) que describe al perfil experi- Este método se basa en el hecho de que mental como: el perfil de un pico de difracción puede describirse en primera aproximación por la convolución de una curva de Cauchy (Lorentz) y una curva de Gauss. El resulta- do de esta convolución es la llamada fun- Dado que el operador de convolución * ción de Voigt, introducida por LANG- es conmutativo y asociativo, obtenemos: FORD (1978) en el análisis de los perfiles de difracción. Las dos principales contribuciones microestructurales al ensanchamiento de los picos de difracción, tamaño de los cris- talitos y distorsiones, originan perfiles dis- tintos. Así, los efectos de tamaño produ- o de forma más abreviada: 38 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
funciones de Voigt, si conocemos para cada perfil el factor de forma F y la anchu-
La función de Voigt h(x) tiene una ra integral b, pueden calcularse bC y bG h g h g forma variable, ya que su perfil se modifi- (bC , bC , bG y bG ). ca según la proporción de las contribucio- Una vez conocidos bC y bG, se procede nes de Gauss y de Cauchy. Para describir a obtener por deconvolución las compo- de manera unívoca el perfil de una función nentes de Gauss y de Cauchy del perfil de de Voigt se emplea el llamado factor de difracción de f(x). Para ello se emplean las forma F , siendo F = 2w/b. El valor de F conocidas fórmu-las de corrección: oscila desde F C= 0.63662 para un perfil lorentziano, hasta F G = 0.93949 para un perfil gaussiano. El factor de forma da una medida del peso relativo de las componen- tes de Gauss y de Cauchy en el perfil. La proporción de las contribuciones de - Separación de los efectos de tamaño y Gauss y de Cauchy al perfil de Voigt distorsión. puede expresarse empleando la anchura Se considera que el efecto del tamaño integral b de los picos de difracción, con lo de los cristalitos en el ensanchamiento se que obtenemos: encuentra enteramente representado por la componente de Cauchy del perfil real, mientras que la contribución de las distor- siones queda recogida en la componente de Gauss. El tamaño aparente de los cris-
siendo bG y bC las anchuras integrales talitos se obtiene entonces por: del perfil gaussiano y lorentziano respecti- vamente. Para determinar en el perfil de difracción el valor de cada contribución se utilizan las relaciones del análisis de Voigt, y el parámetro de distorsión es: obtenidas empíricamente por de KEIJSER et al. (1982):
siendo l la longitud de onda empleada (Å) y q el ángulo de Bragg en radianes. En ambos casos b se expresa en la escala 2q. Hay que hacer notar que e tiene un 2 (a la inversa, también es posible obte- significado diferente de
La relación entre este parámetro de dis- M número medio de láminas en el torsión y el que proporciona el método de cristalito Warren y Averbach, admitiendo la hipóte- sis anterior, es aproximadamente e = El rango del perfil de difracción emple- 1.25×RMS (STOKES & WILSON, 1944; ado para el estudio comprende desde 0.14 WAGNER & AQUA, 1964). a 0.4 Å-1 que incluye las bandas 02,11 y Serrano et al. (1996) observaron la 20,13. Los cálculos que efectúa el progra- correlación lineal entre valores
VIVALDI(1973) diferencian de mayor a mente en el ensanchamiento y pérdida de menor orden: Caolinita T; Caolinita T par- intensidad según la caolinita es menos cialmente desordenada; Caolinita pM-T; cristalina, hasta que se produce la pérdida Caolinita pM parcialmente ordenada; total de los picos con la formación parale- Caolinita pM. la de la banda bidimensional. La compara- ción del difractograma de polvo completo Estos cambios en las reflexiones según proporciona una evaluación rutinaria rápi- disminuye la perfección cristalina apare- da de la cristalinidad. cen descritos en el trabajo de GALÁN & HINCKLEY (1963) propuso una rela- ESPINOSA (1974), quienes desde la cao- ción empírica para estimar, en un sentido linita ordenada (T) hasta la desordenada relativo, el grado de desorden presente en (pM) encuentran las siguientes variacio- una caolinita dada. Las medidas necesarias nes: (A,B,C) aparecen representadas en la figu- 1) Disminución de la intensidad de las ra 4.13. El numerador de dicha relación es reflexiones 020, 110 y 11` 1, que final- la suma de las intensidades de los picos mente se confunden en un efecto en banda 1` 10(B) y 11` 1(C) medidas sobre la línea 021; 2) Ensanchamiento y debilitamiento que une el ruido de fondo entre los picos de las reflexiones 001 y 002; 3) 020 y 110 y el ruido de fondo justo des- Debilitamiento progresivo hasta desapari- pués del pico 11` 1; el denominador es la ción total de las reflexiones 02` 1, 021, intensidad del pico 1` 10(A) medida sobre 111, 11` 2, 1` 1` 2 y 002; 4) el ruido de fondo general. Al empeorar la Modificaciones de los tripletes 130, 1` 30, perfección cristalina la resolución de los 201; 1` 12, 13` 1 y 200, 112, 1` 3` 1, de picos 1` 10 y 11` 1 disminuye, principal- forma que el segundo desaparece progresi- mente por los desplazamientos al azar de vamente y el tercero disminuye de intensi- las láminas según ± nb/3. La menor reso- dad aunque no llega a desaparecer; 5) lución del pico 1` 10 a su vez provoca que Modificación del triplete 003; 11` 3 , el fondo entre los picos 020 y 1` 10 sea 1`31 , 20`2 ; 131, 1` 13, de modo que la más alto, esto conlleva una disminución de primera y tercera reflexión disminuyen la la altura de los picos 1` 10 y 11` 1 sobre la intensidad respecto a la central, hasta dar línea que une el ruido de fondo entre los lugar a un domo; 6) Disminución progre- picos 020 y 1` 10 y el ruido de fondo siva, hasta su desaparición en las muy des- general. Así se obtiene un número adi- ordenadas, de las reflexiones 132, 040; mensional, que normalmente varia entre 1` 3` 2, 2` 20; 22` 3, 202, 1` 3` 3; 241. »0.2 y »1.5; cuanto mayor es su valor BRINDLEY et al. (1963) aportaron mayor es la "cristalinidad". Esta es la rela- otra clasificación de cuatro difractogramas ción más comúnmente utilizada y se la experimentales representativos. conoce como "índice de cristalinidad" o Estas clasificaciones se basan funda- "índice de Hinckley". mentalmente en las variaciones que se pro- RANGE et al. (1969) propusieron otro ducen en intensidad y forma de los picos índice de cristalinidad basado también en que componen las bandas hk; especial- las características del primer triplete de CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 41
Figura 4.1. Medidas necesarias para el cálculo del índice de Hinckley. IH = (B+C)/A. Figura de PLANÇON et al. (1988). reflexiones, pero en este caso la relación es sean útiles si se desea estudiar la cristalini- entre áreas. dad total y no sólo la debida a defectos al STOCH (1974) presentó como índice azar. de cristalinidad la relación entre la altura HUGHES & BROWN (1979) propu- de los picos 020 y 1` 10 medida sobre el sieron como índice de cristalinidad, para fondo. Los valores se encuentran entre >1 las caolinitas en suelos, la relación entre la para caolinitas desordenadas a <0.7 en las altura de la reflexión 020 y la altura del ordenadas. fondo entre las reflexiones 1` 31 y 131. LIETARD (1977) propuso dos índices PLANÇON & ZACHARIE (1990), de cristalinidad diferentes: R1 y R2. El pri- como ya se ha indicado., propusieron un mero se define sobre los picos 1` 30, 13` 1, método numérico para llevar a cabo la eva- 1` 3` 1 y el segundo sobre 1` 31 y 131. luación de la cristalinidad en registros de Para el autor estos índices presentan la polvo de DRX empleando las bandas hk ventaja sobre los de HINCKLEY (1963) y de la caolinita. RANGE et al. (1969) de no verse afectados Una aproximación más sencilla al pro- por la interferencia del cuarzo, muy blema de estimar la cristalinidad median- común en este tipo de materiales y que te un índice cuantitativo se debe a presenta un pico muy intenso en la zona en AMIGÓ et al. (1987, 1994) quienes pro- que se definen ambos índices. Por otro pusieron el valor de FWHM para la refle- lado, al tratarse de picos con k=3n, nÎ N, xión 001 como un buen parámetro de cris- no son sensibles al efecto de traslaciones talinidad para la caolinita; en el caso de del tipo ± nb/3 o rotaciones de ± 2p/3. caolinitas de arcillas caoliníferas del Esta segunda característica hace que no Cretácico Inferior terminal de Te r u e l , 42 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) demuestran que el factor determinante de a l.,1977; LIETARD,1977; KELLER & diferencias de cristalinidad es el tamaño de HAENNI, 1978; CASES et al., 1982), cristalito , con el cual se relacionan los mostrando que existe una correlación valores de FWHM que son susceptibles de excelente entre el tamaño de partícula y el ser utilizados como "índice" incluso utili- grado de perfección cristalina, siendo zando registros de difracción en condicio- mayor esta última a mayor tamaño de par- nes rutinarias y usados para identificación. tícula, cosa que no ocurre dentro de la Dichas medidas han sido también uti- misma muestra, es decir: si la fracción lizadas como índices de cristalinidad de total de la muestra presenta un grado de caolinitas por BASTIDA et al. (1994), perfección cristalina elevado, una fracción APARÍCIO & GALÁN (1999) y AMIGÓ fina (<0.25 mm) presenta también elevada et al. (2000). cristalinidad; de igual modo, la fracción KÜHNEL et al. (1973,1975) analiza- fina de una muestra poco cristalina dará ron la cristalinidad de diferentes minerales un bajo grado de cristalinidad. Según los poco cristalinos (principalmente goethita autores, el hecho de que a mayor grado de y óxidos de manganeso), de suelos, en tér- cristalinidad el apilamiento sea mayor y minos de tamaño de cristalito y perfección las partículas sean por tanto mayores y reticular. La cristalinidad es cuantificada mejor formadas, según observaciones de por medio de una evaluación estadística de microscopio electrónico, es significativo perfiles, considerando el pico de la escala desde el punto de vista de los mecanismos 2q expandida como una curva de frecuen- de enlace entre láminas. Es muy posible cia de las intensidades relativas; la media que la dificultad de las caolinitas pobre- es utilizada para la corrección del dhkl, la mente ordenadas para formar apilamientos desviación estándar se emplea como una bien constituidos sea una manifestación de medida de la cristalinidad. Por lo tanto, su dificultad para formar láminas bien estos autores no introducen un índice de cristalizadas o altamente ordenadas. cristalinidad pero muestras de diferente La intercalación de varios tipos de cristalinidad pueden ser comparadas con moléculas entre las láminas de los minera- un patrón arbitrario. CABRERA y les del grupo de la caolinita ha sido aplica- EDDLESTON (1983) utilizaron el méto- do al estudio de la cristalinidad así como a do de KÜHNEL et al. (1973) para medir la identificación de este mineral (WADA el ensanchamiento de la reflexión 001 de & YAMADA, 1968; RANGE & WEISS, caolinitas, y mostraron que parámetros 1969; ALIETTI, 1970; THYRI & cinéticos correspondientes a la reacción de WEBER, 1972). deshidroxilación de las caolinitas pueden Una discusión general de la intercala- ser utilizados también para evaluar el ción de este tipo de materiales puede grado de cristalinidad. encontrarse en los trabajos de BRINDLEY La relación entre morfología, tamaño & BROWN (1980), THOMAS (1982) y de partícula y cristalinidad de caolinitas OLEJNIK et al. (1970). ha sido comparada en varios trabajos De especial interés resulta la intercala- (MURRAY & LYONS, 1956; GALÁN et ción de hidracina, sobre todo en cuanto a CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 43 su relación con la cristalinidad de las cao- azar de las láminas que provocan cambios linitas. Para WEIS et al. (1966), la inter- notorios en los difractogramas. calación en las caolinitas parece fuerte- Ambos comportamientos están com- mente influenciada por el desorden estruc- prendidos en el trabajo de ALIETTI tural, de manera que mientras las caolini- (1970), en el que se llega a las siguientes tas que presentan difractogramas con conclusiones: a) las caolinitas con alto características de elevada cristalinidad grado de orden y que presentan tamaño de adsorben hidracina de forma rápida y partícula mayor de 1 mm adsorben de cuantitativa, aquellas cuyos difractogra- manera cuantitativa. b) Las caolinitas des- mas indican desorden en el plano xy con- ordenadas no presentan expansión. La tienen fracciones que no reaccionan, que- única explicación posible para Alietti es dando inalterada la distancia d001 y por que las caolinitas ordenadas reaccionan tanto la posición del pico correspondiente fácilmente porque en ellas predominan los del difractograma (d001=7.12Å). tamaños grandes. RANGE et al. (1969) describen una La capacidad de adsorción de hidracina situación ligeramente más complicada, en fue estudiada desde un punto de vista dife- la que aparecen tres tipos diferentes de rente por THIRY & WEBER (1977), caolinita con diferentes comportamientos quienes trataron de relacionarla con las ante las reacciones de intercalación. Las medidas de tamaño de cristalito según fire-clay no adsorben en absoluto, mien- diferentes direcciones de la red, obtenien- tras que la halloisita sí lo hace. La explica- do magníficos resultados. Así se obtuvie- ción que proponen los autores es la exis- ron excelentes correlaciones entre el tama- tencia de varios tipos de defectos simultá- ño de cristalito según la dirección [001] neos y que son responsables de un tipo u perpendicular a las láminas de caolinita y otro de comportamiento, los cuales se dan la capacidad de adsorción de hidracina en mayor o menor extensión. (expresada como la relación I7.15 antes del Para WEIWIORA & BRINDLEY tratamiento / I7.15 tras tratamiento). En (1969) en cambio, la capacidad de adsor- cambio la correlación en la dirección [010] ción no está relacionada con los defectos de es bastante mala. Estas observaciones lle- red, sino principalmente con el tamaño de varon a los autores a la conclusión de que las partículas, siendo mayor el grado de la capacidad de intercalación de hidracina intercalación en las muestras con mayor depende estrechamente de la presencia de tamaño de partícula mientras que por defectos de apilamiento de las láminas debajo de 0.5 mm es nula; esto se opone a según el eje c. Tal tipo de defectos se pue- la tendencia general de mayor reactividad den suponer como la interrupción de una química a menor tamaño de partícula. lámina que provocaría la ruptura del para- Este comportamiento se puede explicar lelismo de las demás (defecto de distor- según Weiwiora y Brindley si la intercala- sión). Este mismo hecho fue observado por ción se relaciona con defectos de red de TCHOUBAR et al. (1982) mediante orden menor y no con los de desorden al microscopía electrónica. Otro tipo de defecto consistiría en la interestratifica- 44 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) ción de una lámina de otra naturaleza y que existen tres fases diferentes en la com- que presentase un espaciado d distinto del posición de la caolinita. de la caolinita. Ambos defectos provocan una disminución en el tamaño del domi- 4.4. Microscopía electrónica nio de difracción o cristalito, hecho que se refleja en la anchura de las reflexiones 001, En el presente trabajo se ha llevado a por tratarse en este caso del tamaño medi- cabo un estudio por microscopía electróni- do perpendicularmente a estos planos. ca de barrido de emisión de campo Distintas aproximaciones matemáticas (FESEM) de una selección de caolinitas. El han sido empleadas para analizar los perfi- objetivo principal es medir tamaños de les de difracción de la caolinita. cristalito reales en la dirección [001] y MITRA(1963) utilizó el método de compararlos con los tamaños de cristalito deconvolución de Stokes para corregir el aparente obtenidos según los distintos efecto instrumental sobre los picos de métodos de DRX empleados en este tra- DRX de la caolinita y separar las contri- bajo. buciones de tamaño y desorden estructu- Existen algunos trabajos en los que se ral. NOBLE (1971) calculó perfiles de miden tamaños de cristalito en filosilica- difracción teóricos para la banda hk bidi- tos mediante microscopía electrónica de mensional (02,11), considerando diferen- transmisión (TEM) (p.e. ARKAI e t tes grados de desorden. Y encontrón un al.,1996 ; JIANG et al., 1997) pero son buen ajuste entre los perfiles calculados y muy escasos los trabajos en los que se cal- los experimentales. PLANÇON & cula por medio de FESEM (BASTIDA et TCHOUBAR (1975, 1976, 1977a, b) al., 1999; BASTIDA et al., 2000). En este propusieron un tratamiento teórico que trabajo se ha utilizado la técnica de considera el efecto del desorden reticular FESEM que presenta una serie de ventajas en la representación de la red recíproca sobre el TEM, entre las que pueden seña- para una estructura en láminas. Tal efecto larse: consiste básicamente en una distribución 1.- Mayor simplicidad de la técnica de más o menos difusa de puntos de acuerdo preparación (y consiguiente ahorro de con la forma y tamaño del cristal, cubrien- tiempo), pues, como se explicará con más do todos los rangos desde un perfecto detalle posteriormente, sólo requiere la orden cristalino (red de puntos) a un máxi- sedimentación de la muestra sobre una mo desorden (la red recíproca se represen- lámina metálica, mientras que los TEM tada por líneas). Estos autores concluyen requieren la realización de cortes ultrafi- que los principales defectos a tener en nos en muestras de polvo con partículas de cuenta son los desplazamientos de las tamaño < 2 m, con la complicación que vacancias de Al en las posiciones octaédri- esto supone. cas dentro de una misma lámina. DE 2.- En la actualidad la técnica de emi- LUCA & SLAUGHTER (1985) descom- sión de campo en los SEM logra alcanzar pusieron los picos de DRX por deconvolu- aumentos que permiten observar partícu- ción en curvas loretzianas y concluyeron las que presentan un espesor que está en el CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 45 orden de los tamaños de cristalito calcula- perpendicularmente al haz de electrones, dos por DRX. Esto supone una gran ven- lo que permite la medición en un plano taja de los FESEM sobre los TEM, pues aproximadamente perpendicularmente a permite realizar muchas medidas de tama- 001. ño de cristalito en el tiempo en el que se El equipo de FESEM utilizado ha sido toman unas pocas medidas en los TEM. un Hitachi 4100, trabajando normalmen- 3.- Permite un mayor campo de obser- te con un voltaje de 30 Kv y un potencial vación, pudiendo apreciarse variaciones de extracción de 10 Kve. Previamente a la laterales en un mismo cristalito, y las rela- introducción del porta en el FESEM, las ciones mutuas entre cristalitos. muestras fueron metalizadas con un baño 4.- Permite la observación tridimen- de oro en un metalizador modelo Struers sional de la muestra, variando la orienta- Epovac, con tiempos de metalizado de un ción de la muestra. minuto. La adquisición de imágenes en Teniendo en cuenta que la dirección de soporte informático fue realizada con el observación en los FESEM (dirección del programa EMIP suministrado por Hitachi haz de electrones) es perpendicular a la y disponible en un ordenador conectado al superficie del portamuestra y que ésta sólo equipo de FESEM. Las medidas de tamaño puede ser basculada unos pocos grados. de cristalito se efectuaron con el programa Esta técnica consistente en preparar un Leica Q500MC QWIN versión 01, que agregado orientado de la muestra sobre permite realizar medidas sobre las imáge- una lámina metálica y su posterior dispo- nes digitales. sición, a modo de portamuestras auxiliar sobre el portamuestras del FESEM, de 4.5 Análisis geoquímicos manera que la muestra quede dispuesta Se ha llevado a cabo un análisis geo- químico de elementos mayores, traza y tie- rras raras en 39 muestras de fracción arci- lla de caolines y pizarras, y en 59 muestras de roca total de granitos, filones de cuarzo, caolines y pizarras. Los elementos mayores
(SiO2, Al2O3, MgO, MnO, CaO, K2O, Fe2O3, TiO2, P2O5, LOI) han sido analiza- dos por medio de fluorescencia de rayos X (FRX) en los laboratorios Actlabs de Canadá según la rutina 4E-XRF. Los ele- mentos traza (Ba, Sr, Y, Zr, Be, V, Cu, Pb, Zn, Ag, Ni, Cd, Bi, Au, As, Br, Co, Cr, Figura 4.2. Láminas de caolinita con las direc- Cs, Hf, Ir, Mo, Sb, Se, Ta, U, W, Nb, Rb, ciones [001] perpendiculares al plano de obser- Ga, Sn, S, Sc, Th) y las tierras raras (La, Ce, vación (haz de electrones). La superficie rugosa sobre la que se encuentra la escala es la lámina Nd, Sm, Eu, Tb, Yb, Lu) fueron analiza- metálica sobre la que se sedimenta la muestra. dos mediante FRX y activación neutróni- 46 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) ca en los mismos laboratorios según la ciones de muestreo. Entre paréntesis se rutina 4E-EP. indica la sigla correspondiente a la esta- En la tabla siguiente (tabla 4.3.) se ción de muestreo en la tabla 5.1. recogen los máximos errores relativos Se estudiaron ochenta y seis muestras obtenidos al analizar las muestras de refe- de lutitas, correspondiendo treinta y cua- rencia del USGS G-2 y DGPM-1, aplican- tro a la estación de muestreo Corte CRB do la misma técnica de preparación y la en la que se muestrearon seis formaciones misma rutina analítica empleada para la distintas, las cuales se indican en la tabla totalidad de las muestras analizadas y con- 5.1. En la estación de muestreo Cerro siderando los valores suministrados por el Terrero se estudiaron cuatro muestras de USGS para cada elemento. pizarras caolinizadas pertenecientes a la El criterio de selección de muestras Formación Pizarras de Muro para el análisis geoquímico fue el tomar (Ashgilliense), junto a las que se estudió las suficientes muestras para que estuviera un filón (JVC59) que afecta a dicha for- bien representada la composición geoquí- mación. En la estación de muestreo mica de cada una de las estaciones de Garlitos se han estudiados dos muestras de muestreo; considerando la variabilidad pizarras caolinizadas pertenecientes a la reconocida en su composición mineralógi- Formación Calymene (Arenigiense). Seis ca. muestras de filitas procedentes de la Formación Borrachón (Tremadociense) se 5. RESULTADOS han estudiado en la estación de muestreo Corte de Calamocha y seis de pizarras de la Formación Bádenas (Llandovery-Ludlow) 5.1. Composición Mineralógica en la estación de muestreo Corte de la Fm Bádenas. En la estación de muestreo de Se han estudiado 175 muestras, Santa Eufemia se estudiaron ocho mues- habiéndose efectuado una identificación tras de pelitas, siete correspondientes a la cualitativa y estimación semicuantitativa, Formación Alternancia Pochico por difracción de rayos X. Los resultados (Arenigiense) y una a la Formación obtenidos se presentan en la tabla 5.1. Calymene Inferior (Llavirn- Seguidamente se describen las característi- Llandeiloiense). Asímismo, se han estudia- cas más destacables de cada una de las esta- do diez muestras correspondientes al perfil
Tabla 4.3. Error relativo estimado en el análisis de los elementos químicos. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 47 de alteración desarrollado sobre filitas de tras de granito caolinizado (Granito de la estación de muestreo de Perfil de Varilongo), una muestra de un filón de Buenasbodas (Formación Pusa) y once en cuarzo (JVC114) y dos muestras proceden- el perfil de alteración de Horcajo de los tes de la escombrera de la explotación de Montes (pizarras preordovícicas); en Santa Comba (JVC119 y JVC120), locali- ambos casos se han estudiado una muestra zada en el mismo granito. Pertenecientes a de los depósitos de raña sobreyacentes (tal la estación de muestreo Laxe se han estu- como se indica en la tabla 5.1). Del Grupo diado cuatro muestras correspondientes a Cándana se estudiaron cinco filitas, tres una alteración del granito de Laxe (alinea- correspondientes a la estación de muestreo ción Laxe-Dumbria-Muros-Barbanza). En ECESA Rio Oro y dos a la estación de la estación Cantera Vilariño se han anali- muestreo Iglesia de San Martín. zado cuatro muestras de un granito caoli- Habiéndose estudiado también tres mues- nizado (alineación Laxe-Dumbria-Muros- tras de arena caoliniferas correspondientes Barbanza) y una muestra de un filón de a la estación de muestreo Arenero. cuarzo (JVC127). En la estación Ria del Se han estudiado cuarenta y dos mues- Barquero se han analizado siete muestras tras correspondientes a caolín desarrollado de granito caolinizado (Granito del sobre granitos. En la estación de muestreo Barquero). En la estación Montecastello de Camariñas se han estudiado nueve (explotación de caolín de ECESA en el muestras correspondientes a filoncillos de granito de san Ciprián) se han analizado material arcilloso (JVC106, JVC109, doce muestras correspondientes a granito JVC110) y a granito más o menos alterado caolinizado de San Ciprián, ocho filones de (Granito inhomogéneo de Camariñas) pró- cuarzo (*), un filón de trumalina (+) y un ximo a los filoncillos; así como tres mues- nódulo ferruginoso(**). tras correspondientes a filoncillos de cuar- En la estación denominada ECESA Rio zo (JVC100, JVC101, JCV111). En cuan- Oro se han analizado dos muestras corres- to a la estación de muestreo Macizo de pondientes a cuatro muestras de felsitas Varilongo se han analizado cuatro mues- caolinizadas que se presentan inyectadas
Tabla 5.1 Formacion (Fm): Alternancia Inferior (Alt. Inferior); Alternancia Canteras (Alt. Canteras); Alternancia Superior (Alt. Sup); Pizarras de Muro (piz. Muro); Cuarcita de Criadero (Cta. Criadero); Pizarras Ampelíticas Negras (Piz. Amp. negras); Cuarcita Grupo Cándana (C.Cándana); Pizarras preordovícicas (Piz. preord.); Alternancia Pochico (Alt. Pochico). Granitos: G. Camariñas (G.C.); G. Varilongo (G.V.); Alineación granítica Laxe-Dumbría-Muros-Barbanza (A.L.B.); G. del Barquero (G.B.); G. San Ciprián (G.S.C). Estación de Muestreo (E.M.): [Las muestras cuya sigla de E.M. apa- recen entre paréntesis corresponden a caolines desarrollados sobre granitos, el resto a formaciones lutíticas] Corte CRB (CRB); Cerro Terrero (C.T.); Garlitos (GAR); Arenero (AR.); Camariñas (CAM.); Macizo de Varilongo (M.V.); Laxe (LAX.); Cantera Vilariño (C.V.); Ria del Barquero (R.B.); Iglesia de San Martín (I.M.); Montecastello (M.C.); ECESA Rio Oro (E.R.O.); Corte de Calamocha (C.C.); Corte Formación Bádenas (C.B.); Perfil Buenasbodas (P.B.); Perfil Horcajo de los Montes (P.H.); Santa Eufemia (S.E.); Tonsteins Formación Barrios. Color: Gris (G); Ocre (O); Negro (N); Rojo (R); Blanco (B); Marrón (M); Verde (V). 48 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Tabla 5.1. Análisis mineralógico semicuantitativo de las muestras estudiadas. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 49
Tabla 5.1. Continuación. 50 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Tabla 5.1. Continuación. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 51
Tabla 5.1. Continuación.
en el Grupo Cándana y dos filoncillos arci- yen los valores de Rpf (índice de acuerdo llosos que afectan a las felsitas. del ajuste efectuado con una función ana- Se han estudiado además veinte mues- lítica); tratándose de registros rutinarios tras de tonsteins pertenecientes a la los valores son relativamente altos, aunque Formación Barrios, correspondientes a dis- en la mayoría de los casos están por deba- tintas estaciones; la muestra N2 corres- jo de 6%, teniéndose valores muy altos, ponde a una filita de la citada forma- cuando se trata de picos poco intensos ción.(muestras suministradas por el Dr. C. (como consecuencia de la escasa cuantía). Aramburu, Dto. Estatigrafía, Universidad El programa utilizado, basado en el méto- de Oviedo). do de Bertaut-Warren-Aberbach, se ha descrito en el epígrafe 4.3. Los resultados 5.2. Composición geoquímica obtenidos con el Mudmaster y que se pre- sentan en la tabla 5.4, son: a) Tamaño de Se han analizado cincuentainueve cristalito medio extrapolado ponderado en muestras de roca total y treintainueve de área (BM); b) Tamaño de cristalito medio muestras de fracción arcilla. Los datos de (obtenido de la distribución de tama- elementos mayores se detallan en las tablas ños)(M); c) Parámetros lognormales de 5.2 y 5.3 respectivamente. CSD (crystallite size distributions); d) Tamaño de cristalito medio ponderado en 5.3. Análisis microestructural volumen (VM). En la tabla 5.4. constan también los Se ha realizado un análisis microestruc- valores de la anchura a mitad de altura de tural sistemático de caolinita e illita en los picos 001 de la illita y de la caolinita todas las muestras analizadas que contie- de las muestras estudiadas (2w, expresado nen dichas fases en cuantía suficiente para en º2q Cu Ka 1). permitir el estudio de los perfiles 001 Se han seleccionado los parámetros 2w, mediante el programa Mudmaster. Como por ser índices que han sido utilizados con índice de la bondad de los perfiles se inclu- relativo éxito en la identificación de pro- 52 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Tabla 5.2. Resultados del análisis geoquímico de elementos mayores en roca total. Unidades en %. El significado de las siglas es el mismo que en la tabla 5.1. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 53
Tabla 5.3. Resultados del análisis geoquímico de elementos mayores en la fracción arcilla. Unidades en %. El significado se las siglas es el mismo de que en la tabla 5.1.
cesos genéticos en caolines (BASTIDA et otra parte, los parámetros lognormales de al., 1994; AMIGÓ et al. 2000); los valores las CSD recogen de un modo resumido, de tamaños de cristalito, si tomamos en una considerable información sobre el consideración los resultados obtenidos por resultado de diferentes mecanismos de cre- AMIGÓ et al. (1994) en caolinitas de luti- cimiento que han experimentado los tas del Cretácico, recogen en gran medida minerales (EBERL et al. 1998). el sentido físico de los valores de 2w, y por 54 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Tabla 5.4. Parámetros microestructurales de la reflexión 001 de las caolinitas e illitas obtenidas con el programa Mudmaster y valores de 2 e índice de acuerdo Rpf. Los valores más altos y más bajos para cada estación de muestreo aparecen en negrita, habiéndose considerado únicamente aquellos valores de caolinitas e illitas con Rpf <6%. Los símbolos y abreviaturas utilizados se describen en el texto y en la tabla 6.1. del epígrafe 6.1. (I hace referencia a resultados de illita y K de caolinita. El significado de las siglas correspondientes a Formación (Fm) y Estación de muestreo (E.M.) son las mismas que en la tabla 5.1. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 55
Tabla 5.4. (continuación). 56 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Tabla 5.4. (continuación). CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 57
Tabla 5.4. (continuación). 58 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
6. ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL Se ha llevado a cabo un análisis micro- DE CAOLINITAS estructural de caolinitas en un conjunto de 12 muestras seleccionadas, utilizando métodos de DRX & FESEM, descritos en 6.1. Introducción el capitulo 4, siendo los criterios de selec- ción los que a continuación se relacionan:
Tabla 6.1. Símbolos y abreviaturas utilizados en las tablas de datos de los análisis microestructura- les. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 59
Se ha seleccionado una cantidad de 6.2. Características de los patrones muestras suficiente para realizar un estu- utilizados en el análisis microes- dio comparativo de los métodos de análisis tructural utilizados. Las muestras abarcan un amplio rango En los análisis efectuados en este traba- de cristalinidad (según el índice de Amigó jo se ha empleado un único patrón para la et al.,(1994)) y tamaño de cristalito (obte- caolinita y un único patrón para la illita. nido con el programa Mudmaster sobre Para el análisis microestructural de la cao- registros rápidos), presentes en el conjun- linita se ha utilizado una muestra de yeso to de 175 muestras y que se recogen en la que presenta picos estrechos y próximos a tabla 5.4 del capítulo 5. las reflexiones 001 y 002 de la caolinita. Se han seleccionado muestras con En concreto, los picos 020 (2q =11.589º) representación de caolinitas meteóricas y y 040 (2q= 23.397º). Para el análisis de las no meteóricas. illitas el patrón seleccionados ha sido una Siempre que ha sido posible, se han moscovita, cuyas reflexiones 002 y 004, seleccionado muestras con fracción arcillo- coinciden con las de las illitas y han sido sa de composición caolinítica y práctica- las más estrechas encontradas para el mente monomineral, al efecto de poder correspondiente rango 2q. En la tabla 6.2 analizar fácilmente caolinita por medio de se recogen los parámetros característicos FESEM. de los picos registrados para el patrón de En la figura 6.2 se recogen los difracto- yeso, denominado GY1, y para el patrón gramas de agregados orientados de la frac- de illita, denominado Barna1. En la figura ción arcilla de estas muestras. 6.1 se muestran los perfiles de dichos Los símbolos y abreviaturas utilizadas patrones. en las tablas de datos de los análisis micro- Con ambos patrones se han obtenido estructurales se recogen en la tabla 6.1. registros en las mismas condiciones que los registros correspondientes a las mues-
Tabla 6.2. Parámetros correspondientes al análisis de perfil de los registros lentos de los patrones GY1 y Barna1. (*) hc y hg se consideran como la contribución instrumental al ensanchamiento de los perfiles, es decir, son gc y gg en la aplicación del método de Voigt de las muestras estu- diadas. 60 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) tras. Así se realizaron barridos rápidos en lugar de los picos, se debe, en algunos el difractómetro Siemens D500 y barridos casos, a exigencias del método (el progra- lentos en el difractómetro Bruker D5005, ma Win-Crysize sólo trabaja con funcio- según las condiciones de medida que se nes), en otros (Williamson y Hall, función describen en el epígrafe 4.3.2. de Voigt) para evitar problemas de solapa- mientos de picos de otros minerales. Estos 6.3. Parámetros característicos de problemas pueden ser obviados en los dos los perfiles métodos restantes por las características de éstos. En el presente epígrafe se describen las En la tabla 6.3 se recogen las caracte- características de los picos 001 y 002 de rísticas de las reflexiones 001 y 002 de las las caolinitas estudiadas. En tres de los caolinitas expresadas mediante los pará- cinco métodos empleados (métodos de metros correspondientes al análisis de per- Warren y Averbach, Williamson y Hall, fil de dichas reflexiones. Dichos paráme- función de Voigt) se ha trabajado con fun- tros corresponden a las distintas funciones ciones analíticas resultantes de los ajustes analíticas empleadas en los ajustes de per- de perfil realizados sobre los difractogra- fil. mas, en los otros dos (Mudmaster, Sistema Los valores de bfc, bfg de las funciones Experto) se han utilizado directamente los split pseudo-Voigt, split Voigt y Voigt difractogramas. El empleo de funciones en son los obtenidos en el método de Voigt.
Figura 6.1. Perfiles de los patrones empleados en el análisis microestructural CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 61
Figura 6.2. Difractogramas de agregados orientados de las muestras estudiadas en el capítulo 6 (Análisis microestructura de caolinitas). I= illita; Fd= feldespatos; i= imogolita. 62 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Tabla 6.3. Parámetros correspondientes al análisis de perfil de las reflexiones 001 y 002 de las cao- linitas seleccionadas. Formación (Fm): 1: Pizarras Muro [Cerro Terrero]; 2:G.Varilongo; 3:G. Barquero; 4:G.San Ciprián; 5: Felsitas grupo Cándana; 6:Fm Borrachón [Calamocha]; 7:Pusa [Buenasbodas]; 8: Fm Barrios [Abedul]. Tipo de muestra (lit): p:pizarra; c: caolín. Entre corchetes figuran los nombres de las estaciones de muestreo que no coinciden con el de la formación.
Los valores de dichos parámetros para la de Voigt, pero se índica también para las función split Pearson7 son los obtenidos funciones split Pearson7. en el método de Williamson y Hall, según En la tabla anterior se han recogido los las aproximaciones de Cauchy y Gauss. El ajustes de los picos 001 y 002 mediante las factor de forma F se emplea en el método funciones analíticas de mejor acuerdo, que CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 63
Tabla 6.3. (continuación)
suelen ser sp.pv1 y sp.pr7, obteniéndose métodos de Williamson-Hall y Warren- mejor acuerdo con la primera de ellas, con Averbach. En el método de la función de la excepción de las muestras JVC258 y C5. Voigt se ha empleado la función v.f. Por ello, la función sp.pv1 se ha empleado para el ajuste en todas las muestras en los 64 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
6.4. Métodos aplicados 6.4.2. Método de la función de Voigt
6.4.1. Método de Williamson y Hall Los resultados del análisis mediante el En la tabla 6.4 se muestran los valores método de la función de Voigt (tamaño de correspondientes a las pendientes obteni- cristalito
Tabla 6.4. Valores de * y d* de las reflexiones 001 y 002 de las caolinitas calculados según la apro- ximación de Cauchy y el correspondiente valor de obtenido de los diagramas de Williamson y Hall. La función analítica empleada en los ajustes ha sido la sp.pv1. Formación (Fm): 1: Pizarras Muro [Cerro Terrero]; 2: G. Varilongo; 3: G. Barquero; 4: G. San Ciprián; 5: felsitas grupo Cándana; 6: Fm Borrachón [Calamocha]; 7: Pusa [Buenasbodas]; 8: Fm Barrios [Abedul]. Tipo de muestra (lit): p:pizarra; c: caolín. Entre corchetes figuran los nombres de las estaciones de muestreo que no coinciden con el de la formación. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 65
Tabla 6.5. Valores de * y d* de las reflexiones 001 y 002 de las caolinitas calculados según la apro- ximación de Gauss y el correspondiente valor de obtenido de los diagramas de Williamson y Hall. Las funciones analíticas empleadas en el ajuste de los picos ha sido la sp.pv1. Formación (Fm): 1: Pizarras Muro [Cerro Terrero]; 2:G.Varilongo; 3:G. Barquero; 4:G.San Ciprián; 5: felsitas grupo Cándana; 6:Fm Borrachón [Calamocha]; 7:Pusa [Buenasbodas]; 8: Fm Barrios [Abedul]. Tipo de muestra (lit): p:pizarra; c: caolín. Entre corchetes figuran los nombres de las estaciones de muestreo que no coinciden con el de la formación.
Tabla 6.6. Parámetros microestructurales de las caolinitas para las reflexiones 001 y 002 obtenidos mediante el método de la función de Voigt. Formación (Fm): 1: Pizarras Muro [Cerro Terrero]; 2:G.Varilongo; 3:G. Barquero; 4:G.San Ciprián; 5: felsitas grupo Cándana; 6:Fm Borrachón [Calamocha]; 7:Pusa [Buenasbodas]; 8: Fm Barrios [Abedul]. Tipo de muestra (lit): p:pizarra; c: caolín. Entre corchetes figuran los nombres de las estaciones de muestreo que no coinciden con el de la formación. 66 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
6.4.4. Método de Warren y una sola, da la medida de su desorden Averbach estructural. Se ha aplicado el Sistema Experto a 6 caolinitas de la selección, al En la tabla 6.8 se recogen los resulta- resto de caolinitas no ha sido posible apli- dos obtenidos en el análisis microestructu- car dicho método debido a que no presen- ral con el método de Warren y Averbach tan todas las reflexiones necesarias. En la (el significado de los símbolos y abreviatu- tabla 6.9 se muestran los resultados obte- ras utilizadas en la tabla pueden consultar- nidos con el Sistema (el significado de los se en la tabla 6.1.). símbolos y abreviaturas utilizadas en la cabecera de la tabla puede consultarse en 6.4.5 Sistema Experto de Plançon y la tabla 6.1.). Zacharie Como se ha indicado, este programa 6.5 Estudio por FESEM suministra un método de caracterización Se han estudiado siete muestras del estructural, que indica la presencia de una conjunto seleccionado para el análisis o más fases de diferente grado de orden microestructural, habiéndose medido estructural, y en el caso de existencia de tamaños de cristalito en la dirección [001]
Tabla 6.7. Parámetros microestructurales de la reflexión 001 de las caolinitas obtenidos con el pro- grama Mudmaster. Se muestran también los resultados correspondientes a la reflexión 002 de las illitas, cuando está presente dicho mineral está presente. (I indica los valores de illita, K los de cao- linita). (Formación (Fm): 1: Pizarras Muro [cerro Terrero]; 2:G.Varilongo; 3:G. Barquero; 4: G. San Ciprián; 5: felsitas grupo Cándana; 6:Fm Borrachón [C a l a m o c h a]; 7: piz. Precámbricas [Buenasbodas]; 8: Fm Barrios [Abedul]. Tipo de muestra (lit): p: pizarra; c: caolín. Entre corchetes figuran los nombres de las estaciones de muestreo que no coinciden con el de la formación. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 67 sobre las imágenes captadas, tal como se guientes errores en el cálculo de tamaño de ha descrito en el epígrafe 4.4 (Las muestras cristalito). En la tabla 6.10 se presentan que presentan illita en cantidades aprecia- los datos estadísticos de las medidas de bles no han sido estudiadas para evitar tamaños de cristalito reales en cada una de problemas de identificación y los consi- las muestras estudiadas.
Tabla 6.8. Parámetros microestructurales de la caolinita para las reflexiones 001 y 002, determina- dos mediante el método de Warren y Averbach. Las FAP empleadas para los picos de las muestras y el patrón han sido sp.pv1. (Formación (F): 1: Pizarras Muro [Cerro Terrero]; 2:G.Varilongo; 3:G. Barquero; 4:G.San Ciprián; 5: Felsitas grupo Cándana; 6:Fm Borrachón [Calamocha]; 7:Pusa [Buenasbodas]; 8: Fm Barrios [Abedul]. Tipo de muestra (l): p:pizarra; c: caolín. Entre corchetes figuran los nombres de las estaciones de muestreo que no coinciden con el de la formación. _D=
Tabla 6.9. Parámetros microestructurales obtenidos con el Sistema Experto. (n = número de fases). (Formación (F): 1: Pizarras Muro [cerro Terrero]; 2:G.Varilongo; 3:G. Barquero; 4:G.San Ciprián; 5: Felsitas grupo Cándana; 6:Fm Borrachón [Calamocha]; 7:Pusa [Buenasbodas]; 8: Fm Barrios [Abedul]. Tipo de muestra (l): p: pizarra; c: caolín. Entre corchetes figuran los nombres de las estaciones de muestreo que no coinciden con el de la formación. 68 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Tabla 6.10. Datos estadísticos obtenidos con las medidas de tamaño de cristalito, según la dirección [001], de las caolinitas efectuadas en las imágenes de FESEM.
6.6. Comparación entre tamaños de las pendientes de las rectas de los diagra- cristalito según métodos mas de Williamsonn y Hall, pero sí una correlación positiva altamente significati- Se aprecian correlaciones positivas alta- va entre las pendientes obtenidas según la mente significativas entre todos los tama- aproximación de Cauchy y según la apro- ños de cristalito. La mejor correlación con ximación de Gauss. En la figura 6.3. se los tamaños de cristalito medidos en las muestra una comparación entre los tama- imágenes de FESEM se da con los obteni- ños de cristalito obtenidos con los distin- dos con el método de la Función de Voigt. tos métodos empleados en este trabajo. No se observa ninguna correlación entre
Figura 6.3. Comparación entre los tamaños de cristalito obtenidos, para cada muestra, según los distintos métodos empleados en este capítulo. (K-BM –Mudmaster;
a b
c d
Lámina 6.1. Fotos de FESEM de caolinitas. La escala equivale a 250nm. Fotos a= JVC132; b=JVC165; c=JVC112; d= JVC164; e= JVC156.
e 70 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
f g
Lámina 6.1 (continuación). f= JVC154; g= JVC130.
7. TRATAMIENTO DE DATOS considerando los intervalos de distancia euclídea al cuadrado. Se ha efectuado un tratamiento estadís- En el análisis de conglomerados jerár- tico con los datos de composición minera- quicos aplicado a datos de composición lógica, química y microestructurales, uti- mineralógica ha permitido diferenciar 3 lizando el paquete estadístico SPSS. Los grupos mineralógicos distintos. La figura tratamientos aplicados han sido: 1) 1 recoge la ubicación de las muestras de Análisis de conglomerado jerárquicos dichos grupos en el diagrama triangular (c l u s t e r); 2) Correlaciones múltiples; 3) de componentes mayoritarios cuarzo – Análisis de varianza (ANOVA) y prueba caolinita – illita; la figura 7.2 corresponde de Scheffé. al dendrograma de datos de composición Además, se ha aplicado el método de mineralógica. las isoconas de BAUMGARTNER & El análisis de conglomerados jerárqui- OLSEN (1995), con la finalidad de esta- cos efectuado con datos de composición blecer un balance de masas que aporte química en elementos mayores de roca información sobre los mecanismos de cao- total, ha permitido diferenciar 4 grupos linización. (véase figura 7.3). La figura 7.4 ilustra las relaciones entre 7.1. Análisis de conglomerados grupos de cluster de datos químicos y jerárquicos cluster de datos de composición mineraló- gica. De datos químicos y mineralógicos De datos microestructurales Se ha empleado el método de Ward, El análisis de conglomerados jerárqui- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 71
composición mineralógica, y de ambos con datos de parámetros microestructurales. Como correlaciones lineales significati- vas más relevantes cabe destacar la correla- ción lineal positiva significativa entre el contenido en caolinita y los valores de los parámetros microestructurales obtenidos con el programa Mudmaster (véase la tabla 7.5); lo que indicaría que el mayor des- arrollo cristalino de caolinita (mayor tamaño de cristalito promedio y distribu- ción de tamaños más amplia, con máximo desplazado a mayores tamaños) se da en Figura 7.1. Representación ternaria en función muestras con mayor contenido en caolini- de los constituyentes minerales principales de ta . Debe resaltarse que no se ha encontra- los grupos distinguidos en el análisis de cluster do correlación significativa entre el conte- de datos mineralógicos. (I=illita; Q= cuarzo; K= Caolinita - grupo 1 O , grupo 2 [], grupo 3 nido en caolinita y el valor de 2w. Esto ) quiere decir que los perfiles incluyen una información adicional que no se advierte en el parámetro 2w. cos con parámetros microestructurales ha permitido diferenciar 4 grupos (véase figura 7.5). Los parámetros que se han 7.3. Análisis de varianza (ANOVA) considerado en esta análisis han sido BM, y prueba de Scheffé M, a , b2, obtenidos con el programa En el presente trabajo se han conside- Mudmaster, y el parámetro 2w. Se han rado como variables dependientes: 1) considerado únicamente los parámetros Composición mineralógica (estimación microestructurales de las caolinitas cuya semicuantitativa); 2) Composición quími- reflexión 001 presenta un índice de acuer- ca en elementos mayores, traza y tierras do R inferior al 6%, obtenido ajustando pf raras en roca total; 3) Composición quími- dichos picos a funciones con el programa ca en elementos mayores, traza y tierras PROFILE. Los estadísticos descriptivos de raras en fracción arcilla; 4) Parámetros estos grupos se presentan en las tablas 7.1, microestructurales de las caolinitas e illi- 7.2, 7.3 y 7.4. Los símbolos y abreviaturas tas con índice de acuerdo R <6%, obte- utilizadas en el texto y en las tablas se pf nidos con el programa Mudmaster. recogen en la tabla 6.1. Como variables independientes han sido tomadas en consideración: 7.2. Correlaciones múltiples - GM: grupo de pertenencia según aná- lisis cluster mineralógico. Se han efectuado correlaciones lineales - GQ: grupo de pertenencia según aná- entre datos de composición química (de lisis cluster de datos químicos. roca total y de fracción arcilla) y datos de 72 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Figura 7.2. Dendrograma análisis de datos de Figura 7.3. Dendrograma de datos de composi- composición mineral(en %). ción química de roca total CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 73
Figura 7.4. Relaciones entre grupos de cluster de datos químicos y cluster de datos de composición mineralógica. La simbología de muestras según cluster mineralógico se mantiene en las figuras siguientes salvo que se indique lo contrario.
- GME: grupo de pertenencia según dependiente la composición química de la análisis cluster de datos microestructurales. fracción arcilla se han distinguido como - periodo: periodo al que pertenecen etiquetas: 1) R. ígnea, excluyendo felsitas; las formaciones y materiales estudiados. 2) R. sedimentaria; 3) Felsitas. - LIT: relativo al tipo de material estu- - ALT: Mecanismos de alteración y diado: 1) R. ígnea no alterada; 2) R. sedi- asociados: 1) No meteórica; 2) Meteórica; mentaria/metamórfica no alterada; 3) R. 3) Ninguna; 4) Meteórica + sedimentaría ígnea con alteración no meteórica; 4) R. (previa o posterior); 5) Proceso no identifi- sedimentaria/metamórfica alterada meteó- cado. ricamente; 5) R. sedimentaria/ metamórfi- En el ANOVA de datos mineralógicos ca alterada hidrotermalmente; 6) se aprecian diferencias significativas posi- Depósitos de raña; 7) Filones; 8) R. altera- tivas en illita entre los grupos 1 y 2, y 1y da por proceso no conocido. 3. Diferencias significativas en caolinita - LITOR: relativo a la litología previa entre 1 y 3 (negativa) así como entre 2 y 3 a la alteración: 1) R. ígnea; 2) R. sedimen- (negativa) que también presentan diferen- taria; 3) Deposito de filón. En los ANOVA cia significativa negativa para interestrati- en el que se ha considerado como variable ficados. Además de estas diferencias tam- 74 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Tabla 7.1. Estadísticos descriptivos del grupo 1 Tabla 7.2. Estadísticos descriptivos del grupo 3 del análisis de conglomerados jerárquicos de del análisis de conglomerados jerárquicos de datos microestructurales de caolinitas. Número datos microestructurales de caolinitas. Número de muestras= 32. de muestras= 36.
Tabla 7.3. Estadísticos descriptivos del grupo 2 Tabla 7.4. Estadísticos descriptivos del grupo 4 del análisis de conglomerados jerárquicos de del análisis de conglomerados jerárquicos de datos microestructurales de caolinitas. Número datos microestructurales de caolinitas. Número de muestras= 4. de muestras= 7. bién se aprecian diferencias significativas Ga, Sc, La, Ce y Nd; siendo destacable la positivas entre 1 y 2 para filosilicatos y neta diferenciación del grupo 1 respecto a anatasa; diferencias significativas negati- los otros tres, para Al2O3, MgO, K2O, Ba, vas entre 1 y 2 para cuarzo, feldespatos, Cr, Sc, La, Ce y Nd. clinoenstatita y turmalina; diferencias sig- Considerando datos de fracción arcilla, nificativas negativas entre 1 y 3 para alu- las diferencias entre grupos son menores, y nita; diferencias significativas negativas de entrada se registran únicamente 3 gru- entre 2 y 3 para filosilicatos, anatasa y alu- pos entre las muestras analizadas. Se man- nita, y positivas para cuarzo, feldespatos, tiene la individualización neta del grupo 1 clinoenstatita y turmalina. respecto a los demás para Al2O3, Fe2O3, El Anova de datos químicos de roca MgO, K2O, LOI, Ba, Cr, Rb, habiéndose total tomando como variable independien- diluido las diferencias para gran parte de te la pertenencia a grupos cluster de datos elementos, particularmente para tierras geoquímicos pone de manifiesto que las raras, y observándose una significativa diferencias significativas entre más grupos diferenciación del grupo 2 para As. se aprecian para Al2O3, LOI, Ba, Co, Cr, El ANOVA de datos químicos de roca CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 75
total según tipos de alteración pone de manifiesto la diferenciación entre los gru- pos de materiales no caolinizados, materia- les caolinizados meteóricamente y mate- riales caolinizados no meteóricamente, para gran parte de los elementos mayores(
Al2O3 y LOI son excepción) y para bastan- tes menores y trazas, y particularmente para tierras raras, existiendo para la mayo- ría de los elementos diferencias significati- vas entre materiales de alteración hidroter- mal y de alteración meteórica (siendo tam-
bién excepción Al2O3 y LOI). Puede destacarse que en el ANOVA de datos microestructurales se observan dife- rencias significativas positivas para el parámetro lognormal de las distribuciones de tamaño de cristalito b2 entre grupos de alteración meteórica y alteración no mete- órica, no apreciándose diferencias signifi- cativas para dicho parámetro entre illita en materiales de dichos grupos. Asímismo se han puesto de manifiesto diferencias signi- ficativas para el parámetro 2w de las caoli- nitas entre las muestras ricas en illita y las muestras ricas en caolinita.
7.4. Balance de masas
7.4.1. Resultados Se ha aplicado el método de BAUM- GARTNER & OLSEN (1995) en los casos en que se disponía de datos de composi- ción química tanto de roca no caolinizada como de roca caolinizada. Así, se ha apli- cado a las muestras de caolines formados por la alteración de granitoides en seis Figura 7.5. Dendrograma de datos microes- estaciones de muestreo, a las felsitas caoli- tructurales de caolinitas con Rpf <6%. 76 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Tabla 7.5. Correlación entre los datos de composición mineralógica y datos microestructurales (Número de casos=79). nizadas del Grupo Cándana, a las pizarras micos, al efecto de disminuir la incerti- del Cerro Terrero y en los perfiles de alte- dumbre (desviación estándar) asociada a la ración desarrollados sobre pizarras de composición de cada uno de los elementos Buenasbodas y Horcajo de los Montes. químicos y distinguir diferentes intensi- Para completar este estudio se han emple- dades de alteración. ado análisis obtenidos de la bibliografía, correspondientes a perfiles de alteración Resumen y consideraciones desarrollados sobre rocas ígneas. En algunas estaciones de muestreo no Las tablas 7.6. y 7.7. presentan resulta- se ha considerado en conjunto la composi- dos de los balances para las estaciones de ción química de todas las muestras anali- muestreo consideradas, así como de balan- zadas, habiéndose considerado composi- ces establecidos con datos bibliográficos. ciones por separado, según los grupos Los resultados de la tabla 7.6. se refieren a obtenidos del análisis cluster de datos quí- cambio de masa de cada elemento (valor CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 77 absoluto), y los de la tabla 7.7. a variación es negativo, pero presenta una incertidum- relativa (en %). En la figura 7.6 se mues- bre mayor que el valor de la pérdida. tra el cambio en masa total de las distintas Los balances positivos se explican fácil- estaciones de muestreo. mente por cuanto la masa reemplazante se Debe notarse que todos los balances presenta en un tamaño de grano mucho presentan signo positivo salvo los corres- más fino (mayor superficie específica) con pondientes a perfiles de alteración meteó- lo que el volumen de la fracción sólida rica (Buenasbodas, Horcajo de los Montes) crece de modo importante, lo cual permi- ya que en el caso del caolín de granito de te que haya una incorporación de masa en Laxe, perteneciente al cluster 3, el balance el volumen total de la roca sin que aumen-
Tabla 7.6. Cambio de masa (g) de los elementos en las distintas estaciones de muestreo.
Tabla 7.7. Cambio de masa (en %) de los elementos en las distintas estaciones de muestreo. (Abreviaturas y símbolos como en la tabla 7.6). 78 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Figura 7.6. Cambio en masa total en las distintas estaciones de muestreo (la sigla gq hace referen- cia al grupo de pertenencia del análisis de conglomerados jerárquicos con datos químicos). te la densidad, hecho que se corresponde 8. MECANISMOS DE CRECIMIENTO con los enormes cambios de masa porcen- Y PARÁMETROS MICROESTRUC- tuales que se registran para los valores de TURALES LOI (a diferencia de las ligeras pérdidas porcentuales de LOI en los perfiles de alte- La figura 8.1 representa los valores de 2 ración). Kb y Ka de caolinita para muestras de (Abreviaturas y símbolos: Gr= grupo los caolines estudiados (recogidos en la del análisis de cluster de datos químicos al tabla 5.4). En el conjunto de puntos se que pertenecen las muestras de roca altera- pueden distinguir: a) Conjuntos de puntos da; P.A.= Perfil de alteración; *= no se ajustables a rectas con pendiente positiva y dispone del análisis del elemento en la que corresponden a caolines de las Felsitas roca fresca o en la alterada; - =elemento del Grupo Cándana, Caolines del Granito inmóvil). En el caso de las muestras del del Barquero, Caolines del Macizo de grupo 3 del análisis cluster de datos quími- Varilongo, Caolines del Granito de Laxe y cos correspondientes a los caolines del Caolines del Cerro Terrero. b) Conjuntos Macizo de Varilongo se presentan los de puntos ajustables a rectas de pendiente resultados de las dos isoconas posibles negativa: comprendiendo caolinitas del (f1=fila1; f2=fila2). Perfil de Horcajo de los Montes, de las CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 79
Figura 8.1. Pautas de crecimiento según parámetros lognormales K y K 2.
Pizarras de la Formación Borrachón, de las con las distribuciones reducidas de tamaño Cuarcitas de Cándana y Caolines de de cristalito que muestra las caolinitas; Vimianzo. c) Los demás puntos, corres- reconociéndose una evolución hacia una pondientes a caolines de Burela, y distribución estacionaria con máximo a Tonsteins de la Formación Barrios. menor tamaño relativo. EBERL et al. Los conjuntos de puntos incluidos en el (1998) interpretan una alineación de grupo a) presentan un intervalo de varia- menor pendiente respecto a otras de mayor ción de a ³ 1 (salvo el correspondiente a pendiente, en illitas de un mismo yaci- las felsitas del Grupo Cándana) y pertene- miento, diferenciando crecimiento contro- cen a los grupos 1 y 2 del cluster de datos lado por superficie frente a nucleación y microestructurales (caolinitas menos creci- crecimiento; en este caso, las alineaciones das). corresponden a diferentes yacimientos, y el La pauta lineal con pendiente positiva número de puntos es mucho menor. de tales rectas correspondería (EBERL et Los conjuntos ajustables a rectas con al., 1998) a nucleación y crecimiento con pendiente negativa, de acuerdo con velocidad decreciente, en sistema abierto, EBERL et al. (1998) reflejarían una evolu- o a crecimiento controlado por superficie ción mediante Ostwald ripening en siste- en sistema abierto. Lo cual está de acuerdo ma cerrado. Las distribuciones reducidas 80 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) en el curso del crecimiento, a diferencia de reflexiones son demasiado altos. Por otra lo que ocurría en el caso anterior, evolu- parte sin ceñirse a muestras del citado cionan con desplazamiento del máximo de grupo del cluster, mediante Anova no se frecuencia hacia mayores tamaños relativos han reconocido diferencias significativas , con disminución de la asimetría de la dis- de b2 para illita entre muestras etiqueta- tribución reducida, sin llegarse a alcanzar das como de alteración hidrotermal, y en el estado estacionario. todo caso cuando se alcanza el estadio de Por otra parte, este mecanismo de cre- crecimiento controlado por aportes, y sien- cimiento no es incompatible con el balan- do el potasio variable intensiva de sistema ce de masa negativo reconocido en los per- químico, las condiciones estables serían files de alteración (véase tabla 7.6), dado gibbsita + caolinita o gibbsita + mica ,o que el mecanismo de Ostwald ripening bien caolinita + cuarzo o esmectita + cuar- evita el aumento de volumen asociado al zo o interestratificados illita-esmectita o desarrollo de sólidos de muy pequeño interestratificados illita-esmectita tamaño de partícula. (VELDE, 1977). Los demás puntos corresponden a los Las muestras de los grupos 3 y 4 del grupos 3 y 4 del cluster de datos microes- cluster de datos microestructurales de cao- tructurales, y caolín de Burela y tonsteins. linita, las illitas más crecidas (mayor b2 y Particularmente en el caso de los tonsteins mayor a) son más frecuente en el grupo 1 se aprecian conjuntos de puntos que deter- (de caolinitas poco crecidas) y que el grupo minan rectas de pendiente prácticamente de las caolinitas más crecidas (el 4) única- nula (líneas paralelas de diferente Kb2). mente presenta illitas poco crecidas o Ello podría reflejar crecimiento controlado decrecidas. por aportes en sistema abierto, y estaría de acuerdo con los resultados del balance de 9. CONCLUSIONES masas para los caolines de Burela (Granito de San Ciprián) donde el proceso de altera- Se resumen a continuación las conclu- ción implica una extraordinaria ganancia siones más relevantes que pueden extraer- de masa (véase tabla 7.6). se del trabajo efectuado: Mediante este mecanismo de creci- 1.- Los valores 2w de los perfiles de miento los cristales de caolinita presentan pico 001 de caolinita e illita suministran una distribución reducida de tamaños información útil para la caracterización de relativos estacionaria (las distribuciones los materiales, pero los parámetros obteni- correspondientes a tamaños medio cre- dos por análisis microestructural por DRX ciente se superponen. aportan mayor información que permite En el presente trabajo, no se abordan establecer diferencias entre grupos estable- las condiciones de crecimiento de la illita cidos por análisis cluster, o mediante dife- por cuanto en los caolines (grupo 3 del rentes atributos geológicos, hecho que se cluster de composición mineralógica) los ha puesto de manifiesto mediante Anova. contenidos en illita son bajos, y como con- 2.- La comparación mutua de los tama- secuencia los Rpf de los perfiles de sus ños aparentes de cristalito obtenidos por CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 81 diferentes métodos de AMDRX y con los dicho parámetro de illita en materiales de tamaños obtenidos por FESEM ha puesto dichos grupos. de manifiesto que la mejor correlación con 6.- En el conjunto de materiales consi- los valores FESEM se da en los valores Dv derados, el balance de masas establecido (método de la función de Voigt), y la peor entre producto de alteración y roca inicial en los valores KBM (programa presenta signo positivo, con la única Mudmaster). Los valores obtenidos por excepción de los perfiles de alteración métodos Warren-Averbach son sensible- meteórica, en los cuales el balance es nega- mente inferiores a los obtenidos por el tivo. método de la función de Voigt, y éstos, a 7.- A través de la variación de los pará- su vez, inferiores a los tamaños medidos en metros b2 y a de las distribuciones de FESEM. tamaños de cristalito se han distinguido 3.- En el conjunto de todos los caolines tres tipos de pautas de crecimiento: estudiados (grupo con predominio de cao- a) Pautas caracterizadas por variación linita en el cluster de composición mine- lineal con pendiente positiva de b2 frente ralógica) no se ha observado correlación a a, que corresponderían a nucleación y lineal significativa entre el valor 2w de la crecimiento con velocidad decreciente, en reflexión 001 de la caolinita y el conteni- sistema abierto o bien a crecimiento con- do en caolinita, aunque sí que se han pues- trolado por superficie en sistema abierto. to de manifiesto mediante Anova diferen- b) Pautas caracterizadas por constancia cias significativas para dicho parámetro de b2 frente a a , que corresponderían a entre los materiales ricos en caolinita y los una fase ulterior de crecimiento controla- materiales ricos en illita. do por aportes en sistema abierto que ori- 4.- En dicho conjunto se ha observado ginaría los mayores tamaños de cristalito. correlación lineal significativa entre el c) Pautas caracterizadas por variación contenido en caolinita y los valores de los lineal con pendiente negativa de b2 frente parámetros KM, KVM, Ka y Kb2 (obte- a a , que reflejarían una evolución median- nidos por el programa Mudmaster). Ello te Ostwald ripening en sistema cerrado. significa que el mayor desarrollo cristalino 8.- Los mecanismos de crecimiento de caolinita (mayor tamaño de cristalito habrían operado en el orden descrito en el promedio y distribución de tamaños más epígrafe anterior, de modo que una evolu- amplia con máximo desplazado a mayores ción completa constaría de: 1º) fase inicial tamaños) se da en muestras de mayor con- en sistema abierto (respecto a los cristales tenido en caolinita. de caolinita) incluyendo 1- nucleación y 5.- El Anova de datos microestructura- crecimiento (con velocidad decreciente de les de caolinita ha puesto de manifiesto nucleación) 2- ulterior crecimiento con- diferencias significativas positivas para trolado por superficie (la superficie gene- Kb2 entre grupos de alteración hidroter- rada por los cristalitos) 3-ulterior creci- mal y de alteración meteórica, no apre- miento controlado por los aportes desde la ciándose diferencias significativas para solución, 2º) fase de crecimiento en siste- 82 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) ma cerrado (respecto a los cristales de cao- AGRADECIMIENTOS linita) mediante Ostwald ripening. 9.- Dadas las características observadas en cuanto a balance de masas y evolución microestructural, los caolines de las felsi- A la Conselleria de C.E.C. de la tas del Grupo Cándana y algunos caolines Generalitat Valenciana por la beca del de Burela, atribuidos todos ellos al Tipo Subprograma de Becas Predoctorales para Burela, de la clasificación de Galán y la Formación de Personal Investigador Espinosa (1974), deben haberse formado concedida (1996) a su autor. Al Dr. Felix no en condiciones meteóricas como se Bellido por los análisis químicos de grani- establece en dicha clasificación, sino toides no alterados. Al Dr. Joaquín hidrotermales. Bastida por la revisión de este trabajo. 10.- Análogamente, las características de balance de masas y evolución microes- El presente trabajo constituye el resu- tructural de los tonsteins asturianos men de la Tesis Doctoral del autor, presen- incluidos en el Subgrupo Pedroso del Tipo tada en la Universitat de València Estudi Asturias de la citada clasificación, tampo- General (Tesis 1495, Año 2000) para la co permiten su interpretación como pro- obtención del título de Dr. en Geología, y ductos de alteración meteórica (en condi- que obtuvo la calificación de Sobresaliente ciones normales de temperatura). "cum laude". CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 83 84 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 85 86 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 87 88 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 89 90 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 91 92 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis microestructural de caolinitas 93 94 CLAUSELL BORJA, J. V. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
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Reflections on the fate of some geomorphological ideas Reflexiones sobre el destino de algunas ideas geomorfológicas
TWIDALE, C. R.
AB S T R A C T
In geomorphology, as in other sciences, investigation is concerned with the collection and characterisation of data, and the generation and testing of working hypotheses. Considering the analysis of landforms and landscapes, the reasons some explanations have been accepted, others rejected, and yet others refuted but later approved, are exa- mined. In particular, why hypotheses which were considered plausible but were shown to be flawed still received general acclaim, whereas others of obvious merit were igno- red, are discussed. The roles of chance and the human factor are also broached.
Key words: acceptance/rejection of ideas; plausibility; human factor; fashion in geomor- phology; concepts considered: age of landscape, Channeled Scabland, desert dunes, inso- lation weathering, lunettes, river velocity, sheet structure, submarine canyons Department of Geology and Geophysics, University of Adelaide, Adelaide, South Australia 5005. Tel: Direct (08) 8303 5392, Department (08) 8303 5376, Fax: Department (08) 8303 4347, E-mail: rtwida- [email protected] 102 TWIDALE, C. R. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
INTRODUCTION Earth is roughly spheroidal, but who, using this as a basis, had worked out how Einstein once stated that it is not inte- to measure the size of the planet on which llect but character which makes a great we live. scientist. Certainly, high intelligence is no The ever changing interpretation of guarantee of moral worth, whereas tena- various landscape elements well illustrates city, integrity and moral courage are cha- POPPER’s (e.g. 1963) assertion that no racteristic of much of the best scientific scientific theory may ever be regarded as research. Parga Pondal, whom we honour proven, if only because, as CRICK (1988) with this volume, displayed such qualities has pointed out, any theory which fits all not only in his geological career but also the facts must be flawed because some of in the much more dangerous arena of life. those facts will prove to be misleading. In research it is frequently necessary to Also as Kant pointed out two centuries persist with an idea in the face of ridicule, ago, truth is reality as perceived by human obloquy and professional ostracism. One eyes and interpreted by human minds; and may eventually be shown to be in error in the interpetation of data, especially field whole or in part, but once convinced of an data, is a personal matter, varying with interpretation it is obligatory to defend it the observer’s character, training and expe- vigorously but professionally, tenaciously rience (READ, 1957, p. i). But not all but not stubbornly, and always with an rational hypotheses find ready acceptance, open mind. Yet to win acceptance for an and the more radical or unconventional idea is not always easy and not always the idea the more difficult it has proved to based in logic. Contemplating interpreta- have it aired. Yet other concepts, clearly tions of landscape of bygone ages one is questionable, immediately receive the sta- adversely surprised by the persistence of tus of a theory. What factors influence the untenable ideas, yet also pleased with the reception accorded an interpretation or certain knowledge that there have always concept perceived to be new? been rational beings. Thus, on the one hand, despite the incontrovertible eviden- ce to the contrary, including pictures from RATIONAL BUT FLAWED space, there are still those who believe in a Many hypotheses and assertions were flat Earth. Again, there are those, a few, plausible in light of the known data at the who, genuinely believe the biblical time they were derived, but were overta- account of the age of the Earth, who, des- ken by new data and either modified or pite all the evidence, regard reports of abandoned. Moon landings as propaganda lies, while complacently accepting biblical allegories as literal truths. On the other hand, two Plausible but placed in perspective millenia or so ago, in classical Greek and Insolation has long been cited as a Roman times, there were those who not cause of rock disintegration. In ancient only argued from observations that the India and Egypt, the expansion of rock CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Reflections on the fate 103 consequent on heating was used as an aid disintegration and spalling in the labora- in quarrying. The rock surface was cleared tory have failed, possibly because the time of soil and other overburden and a bonfire factor cannot be reproduced, though also lit on the bare rock surface. The heat of because the experiments were carried out the fire caused the near surface rock to in dry conditions (see GRIGGS, 1936). expand and arch, making it easier to break The critical observations placing insola- the mass into manageable blocks (e.g. tion in perspective are due to BARTON WARTH, 1895). The heat of bushfires (1916). and that generated in nuclear explosions Barton visited some of the pharaonic also causes rocks to flake (e.g. WATANA- monuments in Egypt. Some had fallen on BE et al., 1954). Little wonder that rock to the desert sands, others into the silts of weathering has been attributed to heating the Nile valley. In both situations, Barton and cooling. noted that the upper faces of blocks and Two arguments have been put. First, columns, which when used to construct many rocks (e.g. granite) consist of mine- the various temples, etc. had been freshly rals of different composition and colour, quarried and which had been exposed to which absorb radiation differentially and the Sun’s radiation for 3-4000 years, sho- therefore heat and expand at different wed no detectable sign of disintegration rates. At night or in winter they cool. or decay. On the undersides, on which dew After many alternations of such heating had formed from time to time, on the and cooling, diurnal and seasonal, the rock blocks buried in desert sand, and espe- breaks down into fragments: granular cially those buried in flood plain silt, there disintegration. Second, rocks are poor con- was clear evidence of alteration. ductors of heat, so that while rock at and Such observations do not imply that near the surface heats and expands, that insolation does not take place, but they just below does not, with the result that show that it acts much more slowly than eventually the surface layer splits away: does moisture attack, even in deserts flaking or spalling, depending on scale, where insolational heating is maximal and and more generally, 'exfoliation'. moisture is scarce. Common rock-forming Such reasoning is convincing, and fla- minerals readily react with moisture and kes and slabs of rock as thick as those in the humid tropics, where the prevalent involved in A-tents or pop-ups, and even humidity and high temperatures are con- those referred to as sheet structure, have ducive to chemical activity, alteration been attributed to insolation (e.g. SHA- takes place very quickly. CAILLÈRE & LER, 1869; MacMAHON, 1893; SCOTT, HENIN (1950) have shown that in 1897, p. 225; PIRSSON & SCHU- Madagascar, mica in a newly quarried CHERT, 1915, p. 20; TYRRELL, 1928). crystalline rock shows signs of decay Yet, at best, such insolational weathering within a few years, and examination of a is of minor importance in nature. The heat granite quarried and used in a building in generated in fires and explosions is short- Rio de Janeiro again revealed evidence of lived and localised. Attempts to simulate alteration within a decade or so. Feldspars 104 TWIDALE, C. R. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) in dated volcanic ash and lava are altered with the observational evidence of rushing in 103 years in the humid tropics, a soil a headwater streams in the mountains and metre thick has been shown to develop on apparently sluggish meandering rivers on a dacite in about 5000 years, and ferro- the plains. Explanations of many river magnesian minerals, especially, decay very characteristics and associated landforms rapidly in such conditions (e.g. WEYL, were based in this concept of downstream 1954; HAY, 1960; TRESCASES, 1975) decrease in velocity. For example, the and detectable rapid rates of weathering deposition of debris in flood plains was are evidenced elsewhere (e.g. BIRKE- said to be due to low velocity rivers not LAND, 1974; THOMAS, 1994). Though having the energy to transport the availa- the Nile is an exoreic stream flowing ble load. The absence of coarse detritus in through an arid region, in the flood plain plains sectors of major rivers like the the combination of moisture and heat in Congo and Amazon was attributed to some measure simulate the humid tropics. there being insufficient energy to carry Barton's simple but astute observations blocks and boulders. placed insolational weathering in perspec- Velocity is taken as the maximum flow tive. developed (and demonstrated by measure- ments) in the deepest part of the channel, Plausible but incorrect and about one third of the way down bet- ween the water surface and stream bed. River velocity provides a splendid There are, as expected, local departures example of an apparently logical explana- from this generalisation, as for example on tion that has perforce been abandoned. river curves where velocity is greater on Though, thanks to the efforts of HUT- the outside than on the inside of the bend, TON (1788, 1795) and GREENWOOD and where the river passes through a defi- (1859) it was recognised early in the his- le or narrows. The discharge or volume of tory of geomorphology that the vast majo- a stream (Q) is a function of cross section rity of valleys have been eroded by the area of channel (A) and velocity (V): Q=A rivers that flow in them, other early ideas x V. Water cannot be compressed so that a of river activity and their consequences narrowing of channels is accompanied by were logical, but in error. an increase in velocity; and vice versa. But Surveys show that the longitudinal such variations are local and the overall profiles of rivers most commonly describe picture stands. concave-upward courses. Gradients are The concept of downstream decrease in steepest in the headwater reaches, and river velocity was based in reasonable become increasingly gentle as the sea is deduction. But it stood only until the approached. It was not unreasonably assu- later '50s when the results of measure- med that velocity would be greater on ste- ments of stream velocities became known. eper than on gentle slopes, and it was con- Stream gauges were set up at intervals cluded that, overall, velocity would decre- along various rivers and recordings conti- ase from source to sea. This is consistent nued over considerable periods. Contrary CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Reflections on the fate 105 to expectations, apart from a short sector a crude dam behind which sediment is in the headwater region, river velocity trapped and the channel aggraded.] increases downstream (LEOPOLD, 1953). It says much for the ingenuity of geo- But how can a river flow more rapidly on morphologists that the same features that gentler than on steeper gradients? The were explained in terms of downstream explanation appears to involve channel diminution of flow are just as plausibly characteristics, and in particular the ratio interpreted within the new framework of of cross-section area to wetted perimeter. stream activity. Many flood plains, it is In the headwater reaches of a stream, the now realised, are the result of point bar channel is eroded in bedrock, with many deposition during lateral planation by irregularities, and many cobbles, blocks rivers (see e.g. WOLMAN & LEOPOLD, and boulders resting on the stream bed. 1957; LEOPOLD et al., 1964) and the Thus the wetted perimeter, or length of character of load in plains streams reflects rock surface in contact with water, is long the weathering and attrition of debris and in relation to the cross-section area of the the consequent non-availability or supply channel. Downstream, however, on the of coarse fragments. Such intellectual agi- plains, the discharge is higher and the lity also highlights the fact that Earth cross-section area greater; moreover the scientists in general, and geomorpholo- river channel is in some measure at least, gists in particular, are good at explaining eroded in alluvium, with few irregulari- what has happened, but not so impressive ties. Thus the ratio of wetted perimeter to when endeavouring to predict events. cross-section area is low. As some 95% of the potential kinetic energy of rivers is Plausible but questionable dissipated in frictional losses at the con- tact of flowing water with bed and banks Some interpretations are plausible but (RUBEY, 1952), there is a much greater owe something to the reputation or dis- loss of energy in the headwaters than in tinction of the proposer, as well as to its the plains sectors. Moreover, in rocky inherent qualities. The offloading hypo- mountain channels a great deal of energy thesis of sheet fractures provides such an is lost as a result of turbulence and eddies example. Arcuate fractures are characteris- caused by obstacles and irregularities. tic of massive rocks such as granite, and [Incidentally, such frictional loss of have long been noted in the literature. energy is the basis of a method, derived Though some early writers (e.g. not from hydraulic theory but from trial MERRILL, 1897; DALE, 1923; BAIN, and error, commonly used by farmers to 1931) attributed them to torsional and impede or repair gully erosion. Dumping compressional stresses, they have for many many large blocks and boulders in the years been interpreted as due to offloading channel, first, increases the wetted peri- or pressure release consequent on erosional meter and thus reduces stream energy and unloading; so much so that in text books velocity, and, second, provides the basis of of geology and geomorphology, as well as in research papers, they are commonly 106 TWIDALE, C. R. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) referred to as offloading or pressure relea- and can best be explained in terms of a se joints, or some similar term. The theory compressive environment (VIDAL behind this nomenclature is due to GIL- ROMANI et al., 1995; TWIDALE et al., BERT (1904) and is compelling. 1996). For example, at several sites sheet Imagine a mass of granite exposed at fractures describe synforms within domi- the surface. That it is exposed implies the cal hills, a relationship impossible of erosion of several kilometres of superin- explanation by offloading. Sheet fractures cumbent rocks, for granite is emplaced are typical of bornhardts or domical hills, deep in the crust in an environment cha- many of which are lithologically identical racterised by high ambient temperatures with the rock beneath the surrounding and lithostatic (hydrostatic) pressures. plains, and which appear to be developed The granite cooled at depth through heat in rock characterised by low fracture den- loss to the surrounding rock, but as the sity, presumably as a result of compressive overlying crust thinned through erosion, stress. The development of fracture sets pressures diminished and the rock tended parallel to recently formed surfaces can be to expand radially, normal with the coo- understood in terms of realignment of ling surface, i.e. essentially the land surfa- compressive strain in parallel to the chan- ce. Many rock masses tend to be rounded ging geometry of the land surface. by weathering, and particularly by mois- Fractures analogous to sheet fractures can ture attack in the subsurface. It was pro- be produced experimentally by squeezing posed that expansive or tensional radial partly confined blocks (HOLZHAUSEN, stresses would be manifested in sets of 1989). And so on - there is much eviden- fractures disposed tangential to the stres- ce to support the suggestion that sheeting ses and parallel to the land surface, and is associated with compression, and much that these are the well-known offloading field evidence incompatible with the pres- joints. So persuasive is this explanation sure release hypothesis. Gilbert himself that other possible interpretations of the recognised that sheeting in the eastern fractures are pre-empted by their being United States was possibly related to com- widely referred to as offloading joints, etc. pressive environments (DALE, 1923, p. That sets of sheeting fractures in some 29). places parallel recently eroded surfaces, [Yet when as a young man in the mid such as cirque headwalls and valley side '60s and visiting a university not far from slopes, is cited as evidence of rupture due Dartmoor, I suggested to my host profes- to erosional offloading (e.g. LEWIS, 1954; sor that I thought the sheet structures I KIERSCH, 1964). had observed on nearby granite massifs Whether joints or faults, all fractures could not satisfactorily be explained in are a manifestation of pressure release in terms of erosional offloading, I was ridicu- the sense that they presumably disappear led: 'What on earth are you thinking of - in depth as a result of high lithostatic of course offloading joints are due to offlo- pressures, but much evidence and argu- ading!'; and referees reviewing (and ment is inconsistent with pressure release, recommending rejection of) a paper pre- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Reflections on the fate 107 senting a similar conclusion in the early This theme of constant change finds clear '90s offered the same circular argument.] expression in the various models of lands- cape evolution applied to the analysis of MENTAL BARRIERS landscape. W.M. Davis, for example, is well Some rational explanations based in known for his concept of the geographical field evidence have not been accepted (or, more properly, the geomorphological) because of an inability or refusal to accept cycle, concerned with the evolution of the magnitude of natural forces and the landscapes through time and with the infinite immensity of time. development of the peneplain (DAVIS, 1899). According to Davis, rivers and An Ussherian view of landforms: the streams in the form of wash and rills antiquity of landforms extend to every last part of the land surfa- ce: Consider for example the question of 'a river is ... a moving mixture of water palaeosurfaces. James Hutton lived two and waste in variable proportions, but mostly centuries ago and he is widely regarded as water; ... one may fairly extend the "river" over the father of modern geology. It has been all its basin and up to its very divides. said that he '... discovered time' (EISE- Ordinarily treated, the river is like the veins of LEY, 1961 p. 65). Amongst his many a leaf; broadly viewed it is like the entire leaf.' astute and penetrating visions of the Earth (DAVIS, 1909, p. 267) was the grand design whereby the des- The implication is that the entire land truction of old landscapes provided the surface undergoes constant change, ero- materials for the construction of the new. sion on hills and higher plains, and as a He saw this recycling process as having corollary, deposition in valleys; but all is operated in all past and future time, and changed in some degree or other, and no he concluded with the famous assertion landscape can long survive attack by that he could see in the landscape no ves- external agencies. Other models of lands- tige of a beginning and no prospect of an cape evolution, such as scarp retreat end (HUTTON, 1788, 1795). Another of (KING, 1942), or steady state develop- Hutton's great themes revolved around ment (HACK & GOODLETT, 1960; the constant wearing away of the land sur- HACK, 1960), both of which are applica- face, and many later workers, either tacitly ble in particular structural settings, or explicitly, made the same point, with carried the same inbuilt age limitation. the implication that the Earth’s surface is Even in favourable circumstances no surfa- mostly very young, and with the excep- ce ought in geologic or stratigraphic tion of exhumed forms, nowhere older terms to be older than Oligocene, i.e. no than Te r t i a r y, i.e. nowhere more than more than some 30-35 millions of years about 60 millions of years old (WOOL- old (see TWIDALE, 1976). DRIDGE, 1951, p. 23; LINTON, 1957; Yet for the past 70 years various inves- THORNBURY, 1954; BROWN, 1980). tigators have been driven by stratigraphic 108 TWIDALE, C. R. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) and topographic evidence to the conclu- H O RTON, 1945; TWIDALE, 1976). sion that facets of the contemporary lands- Certainly, and contrary to the Davisian cape date back 70-100 million years or teaching cited earlier, by the mid 'thirties more, to the later Mesozoic (HOSSFELD, there were suspicions that erosion was not 1926; CRAFT, 1932; HILLS, 1934). everywhere equally distributed over the Subsequent work has substantiated the land surface. Concerned to explain the sur- suggestions of these pioneer workers, vival of bevels high in the Appalachian though the extent of old palaeosurfaces topography, KNOPF (1924, p. 637) des- and the certainty attaching to their great cribed some high level remnants as 'out of ages has been made possible, on the one reach of erosion', implying that erosion, in hand by advances in regional stratigraphy this instance by rivers and streams, was and on the other by radiometric dating. not ubiquitous even at the local scale. For example, the summit surface of the That divides are relatively immune to ero- Gawler Ranges is an Early Cretaceous fea- sion find support in HORTON's (1945) ture (some 120-130 millions of years old; concept of a headwater zone of nil erosion. CAMPBELL & TWIDALE, 1991). That Meanwhile, however, Knopf’s implication of the Hamersley Ranges is of Eocene age of unequal activity had been taken up and and at least 60 millions of years old, the developed by CRICKMAY (1932, 1976) ribbed crestal bevel of Ayers Rock is at and later by TWIDALE (1991). The con- least Maastrichtian in age, and Kakadu cept of unequal activity focuses on the (Arnhem Land) and the Arcoona Plateau ubiquity and effectiveness of water as an were in existence in the Early Cretaceous agent of weathering, and on rivers as rein- (TWIDALE, 1994). The ancestors of forcement or positive feedback systems. If, many modern rivers can be traced back far for whatever reasons, rivers erode their into geological history, in some instances channels but there is little or no lowering at least 120 million years and in others a of divides, then the interfluves will be pre- mere 60 million (TWIDALE, 1997). served, particularly if the scarps defining Remnants of ancient landscapes are pre- the uplands are also essentially stable. served in other parts of the world (e.g. It might be thought that the advent of KING, 1942, 1950; MICHEL, 1978; physical or numerical dating might resol- D E M A N G E O T, 1978; BRICEÑO & ve such difficulties: not at all. A dramatic SCHUBERT, 1990; TWIDALE & VIDAL example concerns the revision due to ROMANI, 1994; TWIDALE, 1994). radiometric dating of the landscapes of Hutton’s concept of constant change and Kangaroo Island, in South Australia. Davis' of ubiquitous erosion are not uni- SPRIGG et al. (1954) established that the versally applicable. lateritised surface predated basalts extru- Concurrently with the great age of ded near the present northeast coast. At some landscape elements being establis- the time they worked there were few hed, circumstances conducive to their per- radiometric dates, and they reasonably lin- sistence were also noted (e.g. KNOPF, ked the basalts to the stratigraphically 1924; CRICKMAY, 1932, 1974, 1976; dated later Cainozoic volcanicity of the Mt CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Reflections on the fate 109
Gambier area and adjacent parts of wes- The concept of constant and widespread tern Victoria. In these terms the laterite change was, after all based in observations, predated the Quaternary, which appeared reasonable perceptions and common sense: consistent with stratigraphically dated how could a landscape constantly subjec- laterites in northern Australia. The strati- ted to the elements not be worn down? graphic relationship is correct, but the Rational arguments were, however under- temporal placement of the chronology was mined by the development of a different drastically changed with the discovery way of viewing processes and landscape, that the basalt is Middle Jurassic, not though these new ideas were not given Quaternary, in age (WELLMAN, 1971). serious consideration for many years. On In these terms the laterite still predates the contrary, both Crickmay and his con- the basalt, but is younger than the cept of unequal activity, were subjected to Permian glacigene rocks on which it is in ridicule (TWIDALE, 1993). places developed. Regional stratigraphic considerations suggest a Triassic age for Quantification to the rescue the duricrust and the surface on which it developed (DAILY et al., 1974). Antiquity The forces of Nature are commonly of this order is confirmed by oxygen isoto- underestimated. In geomorphology, the pe analysis of clays from the lateritic pro- impacts of some events on the landscape files (BIRD & CHIVAS, 1988, 1993). were either not recognised or not believed [When an attempt was made to because the investigators could not - or publish this evidence, argument and con- would not - accept the implied magnitu- clusion (DAILY et al., 1974) it was rejec- de of the forces at work. The importance ted by the first journal to which the of floods in shaping the landscape was manuscript was submitted, one referee recognised early, but the possible magni- uncompromisingly stating that the con- tude of natural floods was not. Quantified clusion was 'impossible'. However incre- relationships were established between dible it may have seemed at the time, the stream discharge and velocity on the one conclusion was surely worthy of an airing hand, and such features as channel width, and eventually more liberal views prevai- meander geometry and depositional featu- led. Unfortunately, institutional disbelief res such as bars and ripples, on the other resulted in many official maps carrying (e.g. TRICART, 1961; LEOPOLD et al., legends which indicate laterites at least 1964; MALDE, 1968). Only then did the 150 million years too young and based in origin and significance of certain natu- a tectonically unlikely concept for another rally-occurring riverine forms become 20 years or so.] comprehensible. The impacts of very large The survival of land surfaces for some if localised floods, either natural (e.g. hundreds of millions of years was and still BAKER et al., 1988; GARCIA RUIZ et is regarded by many as unreasonable or al., 1996) or associated with burst dams impossible (e.g. BOURMAN, 1989, p. (e.g. TRICART, 1960; KIERSCH, 1964) 47, 1995, p. 16, to take a recent example). reinforced these conclusions. 110 TWIDALE, C. R. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Even so, while the impacts of the lar- probably in a few hours, during catastro- gest floods did not defy comprehension, phic flooding due to the breaking of the their implied magnitude was so enormous glacial barrier which retained Lake as to be unacceptable. The basaltic Missoula. Columbia Plateau of eastern Washington, [Bretz’s initial interpretation of the in the northwestern U.S.A., is occupied by Channeled Scabland was correct but it the Channeled Scablands, a region charac- met with strong institutional resistance terised by interlaced broad channels, inte- (see e.g. BAKER, 1978) and it was not rrupted by gigantic waterfalls, with enor- until 50 years later, when the processes mous bars and ripples in the channel flo- had been quantified and a source of the ors and huge blocks of country rock huge volumes of floodwaters belatedly strewn over the landscape. Various expla- recognised, that it was accepted. nations have been offered for this stupen- Fortunately Bretz lived long enough to see dous landscape (BAKER, 1973). Suffice it his explanation vindicated. A combina- to say that BRETZ (1923, 1933; BRETZ tion of quantified processes and stratigra- et al., 1956) attributed all the recent ero- phic knowledge convinced the scientific sional and depositional features to a single world.] catastrophic flood, but this was questio- ned and alternatives suggested, because a CONVERGENCE source for the implied huge quantities of water was not identified; notwithstanding An untenable idea or explanation is that PARDEE (1910) had earlier descri- one that is widely considered not to be bed evidence of the glacier-dammed 'Lake supported by the available evidence. But Missoula'. This was the huge body of just as truth is rarely pure and never sim- water which was released on the melting ple, so Nature is commonly complex, and of the ice barrier (see also BAKER, 1995). it is not unusual for similar forms to evol- The earlier systematic work relating the ve in different ways - they are said to be size of dunes, ripples, transported blocks convergent. and channels to stream discharge allowed the volumes of water involved in the sha- Blinkered vision ping of the Channeled Scablands to be computed (BAKER, 1973). They are an Submarine canyons are huge chasms order of magnitude greater than even the which resemble terrestrial gorges and highest floods recorded on modern rivers. score the continental slope and shelf in all The erosion of immense channels and parts of the world. Some are more than a waterfalls, the deposition of huge bars and kilometre deep. They have been known for ripples, the transport and deposition of many years, and various explanations have the huge blocks of basalt, are commensu- been offered for them. For example, SHE- rate with the huge discharges implied. PARD (1948) argued that they are terres- The reshaping of the Scabland topography trial gorges that have been drowned, but was accomplished about 14,000 years ago, this suggestion is at odds with the eviden- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Reflections on the fate 111 ce and has, rightly, been rejected as a ples of a particular landform which have general explanation. The weight of evi- proved to be genetically atypical: their dence supports the suggestion that they observations and reasoning were sound, are due to turbidity currents, huge sub- but were applied to what were proved to marine rivers of sediment carrying water be unusual examples. (DALY, 1934; KUENEN, 1950; HEE- ZEN & EWING, 1952; HEEZEN, The wrong place 1956). But there are exceptions. Some 6 Lunettes are small crescentic fixed million years ago, during the later dunes located on the lee sides of lakes and Pliocene, what is now the Mediterranean lake beds. Though similar forms had been Sea was a deep trough occupied by a desert earlier recorded from Texas (e.g. COFFEY, (HSÜ, 1972). Rivers draining northward 1909), HILLS (1940a) described and from what is now Libya poured over the named lunettes from northwestern edge of the African continent and eroded Victoria. Some bordering Lake Eyre, in huge chasms, which were drowned and central Australia, are up to 50 m high converted to submarine canyons when the (DULHUNTY, 1983), though most stand Straits of Gibraltar were breached and the of the order of 10 m above the level of the sea flooded the basin. They are typical adjacent lake depression and plains. Hills Shepardian canyons, and Hsü records that attributed the fine-grained lunettes with a terrestrial origin was suggested for the which he was concerned to atmospheric Libyan features, but the interpretation was dust being moistened, coagulated and rejected as untenable and the paper never deposited on passing over the lake: what published because of the widespread gene- became known as the 'wet' theory. A few ral evidence favouring turbidity currents. years later this explanation was challenged The fact that near its mouth the Nile had by STEPHENS & CROCKER (1946) who excavated a gorge at least 300 m (and pointed out, amongst other things, that maybe as much as 1500 m) deep in rela- many lunettes are built of sand, which tion to the same low baselevel provided by could not have been transported in sus- the desiccated Mediteranean basin, was pension. They argued that wind action on ignored by referees and editors, as was the bare dry alluvial flats in internal drainage possibility of convergent evolution or basins would cause both the scouring of e q u i f i n a l i t y. The probable truth was lake basins and the transport of debris to denied. the edge of the basin where it would be trapped by vegetation: the so called 'dry' CHANCE theory. BOWLER (1968) reported gra- velly debris from within lunettes, which Chance has been described as a nickna- he considered to be relic Late Pleistocene me for providence. If so, providence has forms, and in the same year CAMPBELL been unkind to some investigators who (1968) reported similarities in mineralogy had the misfortune to investigate exam- and texture between lake bed deposits and 112 TWIDALE, C. R. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) adjacent lunettes, and the presence of Correct but atypical rudimentary cross-bedding. She also poin- ted out that in terms of the dry theory, The structure of desert dunes of central lunettes ought to be located on the lee Australia provides another example of sides of basins in respect of summer or dry unlucky choice of investigation site. season winds whereas many are oriented MADIGAN (e.g. 1936, 1946) described with respect to wet season winds. It was the longitudinal dunes of the Simpson also difficult to understand how the mate- Desert, central Australia, as mobile cons- rial constituting sandy or silty lunettes tructional forms shaped by the wind. bordering salinas could have been eroded When, however, Donald KING (1956, by the wind from a source area covered by 1960) investigated dunes adjacent to Lake a layer of salt. To accommodate this and Eyre he found they consisted of a veneer of other field evidence, she proposed that sand over an elongate ridge eroded in lunettes are comparable to coastal foredu- lacustrine strata: they were not depositio- nes. In the wet season waves (even in the nal forms but stationary wind-rift dunes. shallow water implied by the topography King's data were accurate, and his reaso- of the basins) carry sediment to the lee ning impeccable, but he extrapolated his shore where it is deposited in beaches and findings not only to the entire Simpson whence it is carried by the wind a short Desert dunefield but to all the Australian distance and trapped by vegetation, for- dune deserts. In this he was wrong, for ming the mounds known as lunettes. [She bulldozed sections of numerous dunes later found that the essential evidence for later showed beyond doubt that they are this mechanism had been noted about a built of sand, and that they have been century previously by WOODS (1863, p. constructed by the wind (e.g. WOPFNER 28-29)!] & TWIDALE, 1967). King's error was to While these investigations were in extrapolate without checking, which is an hand, Hills defended the wet theory with obvious thing to do, but is in some cir- some vigour, but faced with the evidence cumstances - like those in which King and arguments graciously gave way and found himself - logistically difficult to acknowledged that the material of which accomplish. lunettes are constructed derived from the lake basins and also attributed their trans- THE HUMAN FACTOR port to saltation (HILLS, 1975, p. 147). Had Hills not chanced to work on what it Human traits impinge on the question transpired were rather atypical silty lunet- of scientific discovery in various ways. The tes in northwestern Victoria, he would, ingenuity of the human mind has provi- almost certainly, have reached different ded inestimable benefits: Quod homines, tot conclusions concerning the forms in gene- sententiae: as many minds as men - show ral. ten geologists a problem and at least ten possible explanations will be suggested. And this is admirable, for the greater the CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Reflections on the fate 113 choice of possible explanation, the greater his model has found wide acceptance (e.g. the chance of the truth eventually emer- OLLIER & TUDDENHAM, 1962; ging; if indeed it can be recognised! But SELBY, 1977), though it leaves much human characteristics and failings have field evidence unexplained and it is also introduced problems. incompatible with some evidence and argument (e.g. TWIDALE, 1982). The value of hindsight HOLMES (1918, p. 93) also referred to scarps which had been worn back by The first stage in the evaluation of a intense localised attack at their base, thus concept or idea is for it to be recognised presaging the basal sapping of cliffs des- for what it purports to be. Some have been cribed by PEEL, (1941, p. 16-18), and introduced as incidental or casual asides which in turn bears on the origin of the which in retrospect can be seen to be mea- piedmont angle (TWIDALE, 1967), ningful and which were grasped and deve- admittedly with an emphasis on surficial loped by later workers. Thus the potential rather than subsurface weathering, but import of KNOPF's (1924, p. 637) com- nevertheless germane to the problem. [It ment that some high level remnants in the should be added that Peel who reviewed northern Appalachians are 'out of reach of that paper was too modest to mention the erosion' has been alluded to in an earlier matter in his report to the journal editor!] section of this essay. Its possible signifi- Of course the authors mentioned may cance was not appreciated for many years, not themselves have appreciated the signi- until Crickmay, who was for a year at Yale ficance of their incidental observations at the same time as Knopf, developed and and comments, but that is unlikely; they used the idea as a the basis for his concept simply did not emphasise or highlight of Unequal Activity (CRICKMAY, 1932, what were, in the contexts in which they 1974,1976). were working at the time, incidental, Parallel scarp retreat has long been almost extrinsic, observations and inferen- appreciated (e.g. FISHER, 1866) but its ces. early application as an explanation of inselbergs is due to HOLMES (1918, p. Out of sight, out of mind 93) who devoted a single sentence to the possibility in a paper on the geology of Conversely, some concepts have been Mozambique which occupied sixty-six recycled and rediscovered many times closely printed pages. Scarp recession was over. Take for instance the two-stage deve- later invoked as an explanation for lands- lopment of granitic boulders. That they cape evolution in King's model of retreat originate by fracture-controlled weathe- and pedimentation (KING, 1942, 1953). ring in the shallow subsurface was appre- He also applied the mechanism to born- ciated at least as early as 1791 (HASSEN- hardt-inselbergs which he interpreted as FRATZ, 1791), and this was noted by the last remnants remaining after long HUTTON (1795, p. 174) in his widely distance scarp retreat (KING, 1949) and read treatise; but the idea was evidently 114 TWIDALE, C. R. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) lost and rediscovered many times during science to advance it is sometimes neces- the next 150 years (TWIDALE, 1978). sary to entertain the absurd, for as Thomas Moreover, and arising in part from an Huxley remarked, the 'silly' question is ambiguity which developed concerning frequently the first intimation of a new the meaning of the term 'tor' - some took development. Outrageous hypotheses it to mean a small steep sided tower-like (DAVIS, 1926) have been instrumental in form, 'about the size of a house' (JONES, initiating radical reinterpretations: what 1859; LINTON, 1952), while others, par- is now taken as proved (pro tempore) was ticularly those working in the southern once only imagined. Many of the absurdi- continents, took it to mean a boulder (e.g. ties will prove to be just that, but occasio- WILLIAMS, 1936, HILLS, 1940 b, p. 26- nally one incredible idea will lead to a 28; COTTON, 1948, p. 30; MABBUTT, total revision of understanding. Only by 1952; THOMAS, 1965), while others generating such seemingly ridiculous used it in both senses (LINTON, 1952, explanations, and accepting the obloquy 1955). Indeed, the two-stage concept was that unfortunately so often accompanies extended to larger residuals, namely what them, will science in general, and geo- are now referred to as bornhardts and cas- morphology in particular, advance. tle koppies (FALCONER, 1911, p. 145- In some instances, even at the time 247) and later to tors (LINTON, e.g. problems were defined and resolved, con- 1952, 1955), without reference to the key trary evidence and viable alternative earlier publications. explanations were available. For example, it was known from quarrying experience DISCUSSION in the middle of the last century and ear- lier that rocks expanded on being uncon- The examples discussed raise questions fined, and rock bursts were a recognised as to why some explanations of landscape hazard, yet they were inconsistent with have found ready and enduring acceptance the tensional environment implied by ero- while others have received stubborn rejec- sional offloading. The concept of insola- tion. Are we too much influenced by what tion-induced weathering is revived from we believe, and not willing enough to time to time and persists in texts despite consider the unlikely or even the impossi- Barton’s observations and various experi- ble, even in the face of what we like to call mental work which cast doubt on it. common sense? Are we Anselm, and belie- Bornhardt-inselbergs were long regarded ve in order to understand, or Abelard and as desert and savanna forms yet some of understand in order to believe? It is easy the earliest accounts of the forms derived to be adversely critical in retrospect and it from the humid tropics (e.g. DARWIN, is necessary to bear in mind first that 1846). Why are contrary evidence and events now past were once in the distant argument neglected, and other, demons- future, and second that the interpretations trably dubious, explanations preferred? now in vogue are all subject to modifica- Why, a century or so ago, was the complex tion or rejection in due course. But for overthrust and nappe structure of the CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Reflections on the fate 115
European Alps (see e.g. COLLET, 1927) suggestion of dudes or fashions, namely accepted, despite the lack of an energy that a lack of constraints may partly source, whereas inability to identify a via- account for the many new ideas generated ble means of moving sialic (continental) by those working in geographically and masses was held against Wegener's theory academically remote regions of the world. of continental drift (WEGENER, 1924; In addition to being stimulated by stran- also TARLING & TARLING, 1971)? ge landscapes and scientifically virg i n Is there, despite its basic innovative lands, the great German explorers of purpose, an innate conservatism in scien- Africa and the brilliant geologists who ce? Or is it, as SHERMAN (1996) has investigated the American West, workers articulated, that there are leaders - or like Jutson and Hills in Australia, King 'dudes' in the modern jargon - whose posi- and du Toit in South Africa, and Logan tion, intellect or personality has led to and Scrivenor in Malaya, may have benefi- their ideas being slavishly followed. From ted from being outside the scientific time to time overarching concepts justi- mainstream, beyond the influence of aca- fiably gain wide consideration, leading to demic hierarchies and systems, and thus them and their implications being applied being less shackled, more daring, in their because they are fashionable, and not thinking. because they are apposite in terms of the The difficulties inherent in recogni- evidence and argument. The peneplain sing the truth carry interesting implica- concept provides a clear example of both tions for our systems of appointment, pro- of these last two factors, with Davis' disci- motion and awards, for natural selection ples uncritically applying the great man's implies that the merits of a particular con- interpretation. Personal factors can also cept will not become clear for some time. lead to dispensations being allowed some An idea may justifiably be hailed as clever but not others. or elegant but intellectual sophistication Such matters, involving what might is not necessarily coincident with truth. mildly be termed academic misjudge- Eventually the problem will resolve itself ments or even discourtesies, surely ought with the effluxion of time, as personal fac- to be discussed. Editorial attitudes are cri- tors go to the grave with their initiators, tical in such situations, for surely objecti- as data becomes more accurate and com- ve, sober, professional comments and res- plete, and by a process of natural selection. ponses ought not only to be allowed but to Eventually someone will investigate the be welcomed? Scientific advance involves history of an idea, or review the work of amiacable disputation. Yet it is not always some worker long since dead, unravel the so, for some editors are unwilling to allow sequence of events and feel sufficiently legitimate disputes involving dubious or wedded to the perceived truth to publish, inconsistent practices to be aired: the liti- and, with the benefit of hindsight, be gious society in which we live has much to right. In varying degrees this has happe- answer for. ned already with Hassenfratz and Holmes, There is an obverse side to Sherman's 116 TWIDALE, C. R. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Crickmay, Peel and Bretz. Truth is the and variously politically incorrect. The daughter of time. Spain of his day was not a democracy in which it was safe to espouse unpopular CONCLUSION causes. But he eventually not only overca- me adversity but in some ways benefited The distinguished British historian from it. He was living proof of Balzac's A.J.P. Taylor has pointed out that all assertion that there is no such thing as a advance comes from nonconformity. But great talent without great will power. He society does not like mavericks, renegades maintained his sense of integrity, and thus and heretics - indeed anyone who asks his ability to be comfortable with himself uncomfortable questions, or challenges when, in an immediate sense at any rate, it the conventional wisdom, and tenacity would have been advantageous, and cer- and a thick skin are as useful in science as tainly easier, to run with the crowd. He in life. Parga Pondal was a rebel in his did not, and we admire, respect and thank time. In modern parlance, he was seriously him for it. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Reflections on the fate 117
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O Vulcanismo na transição Câmbrico/Ordovícico da Zona Centro- Ibérica na região de Trás-os-Montes (NE Portugal) como elemento de referência estratigráfica Volcanism as a stratigraphical reference element in the Cambrian/Ordovician transition of the Central-Iberian Zone in Trás-os-Montes region (Northern Portugal)
COKE, C.1; PIRES, C. A. C.1; SÁ, A. A.1 & RIBEIRO, A.2
AB S T R A C T
The Cambrian/Ordovician transition of the Central Iberian Zone in the region of Trá s - os-Montes displays quite distinct features. One is gradational with no noticeable uncon- formity: Moncorvo (RE B E L O et al, 1983); S. Gabriel, NW of Castelo Melhor (SI L VA et al, 1991); and S limb of the Poiares synclinal, SE of Freixo de Espada à Cinta (Silva et al. 1994). Another is brusque with angular unconformity: E of the gv Marão (RI B E I R O , 1962; CO K E , et al. 1993); Sião brook, NE of Pardelhas (PE R E I R A , 1987). Recent petrography studies in Marão, Eucísia, Moncorvo and Castelo Melhor revealed siliceous (or riolithic) volcanism. This is associated with Ordovician basal units and is bimodal in some places (Marão and Eucísia). The explosive nature of that volcanism dis- persed much ash over a vast area, depositing quantities in several sedimentary settings. Thus, the tuffitic horizons are important transient markers. These allow correlations between Fm. Vale de Bojas in the mountain of Marão, Fm. Quinta da Ventosa in the area of Moncorvo, Fm. de S. Gabriel in Castelo Melhor; and Fm. de "Serrinha" in Eucísia. Cadernos Lab. Xeolóxico de Laxe Coruña. 2001. Vol. 26, pp. 121-136
The coexistence of an angular unconformity and disconformity in the mountain of Marão suggests the occurrence of some emerged areas. In the area of Quinta do Cuco (Moncorvo), this emergence is inferred by the presence of striped phyllite clasts (evi- dently from Fm. de Desejosa) in the overlying conglomerate. On the hill of S. Gabriel in Castelo Melhor, a gradual transition in the overlying volcanic unit without conglomera- te levels, suggests a more distal environment. Observations support the hypothesis of an intracratonic rift in the Upper Cambrian Proterozoic with active faults at the margins were subject to a precocious tectonic inver- sion involving a right transpression to that following the Varisc compression. This per- pendicular left transpression to the axis of the trench discharged bimodal volcanism and produced wide cleavage-free folds (RI B E I R O et al, 1991).
Ke y w o r d s : Lower Ordovician, Pre-orogenic volcanism; Acid Volcanism; lithostratigra- phic correlation; autochthonous of the Central Iberian Zone (1) Dep. Geologia, Univ. Trás-os-Montes e Alto Douro, 5001-911 Vila Real, Portugal (2) Dep. Geologia, Universidade de Lisboa. Rua da Escola Politécnica, 58, 1250 Lisboa, Portugal CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) O Vulcanismo na transição Câmbrico/Ordovícico 123
INTRODUÇÃO tica importante. Vários são os autores que referem a presença de episódios vulcânicos A transição Câmbrico/Ordovícico no no Ordovícico Inferior da Zona Centro autóctone da Zona Centro Ibérica (ZCI) Ibérica (ZCI) da região transmontana tem sido objecto de estudo e discussão (CRAMEZ, 1962; RIBEIRO et al., 1962; desde longa data. No entanto, permane- RIBEIRO, 1974; SILVA et al., 1991, cem ainda por resolver algumas questões 1994; COKE et al., 1995), embora não se que se prendem com as idades da Fm. de conheçam estudos de detalhe sobre a sua Desejosa (SOUSA, 1982) e dos conglome- natureza petrogenética, com excepção para rados que a ela se sobrepõem, geralmente os trabalhos de CRAMEZ (1962) sobre os em discordância. A ausência de fósseis "Quartzo queratófiros" aflorantes em característicos, o metamorfismo e a defor- Eucísia e, mais recentemente, os estudos mação, por vezes acentuada, parecem ser desenvolvidos por COKE et al (1995a) na os principais responsáveis por este impas- Serra do Marão. Todavia, em termos pale- se. O exame detalhado de alguns dos fenó- ogeográficos e geodinâmicos, algumas das menos geológicos ocorridos naquele perío- questões directamente relacionadas com o do pode, contudo, contribuir de forma sig- vulcanismo podem ser imediatamente nificativa para a clarificação de algumas colocadas: onde estaria(m) localizado(s) das questões em aberto. O vulcanismo é o(s) centro(s) emissore(s)? Qual a sua géne- um dos fenómenos mais importantes, se? Qual a sua idade concreta? As respos- tendo repercussões a pequena escala. tas a estas questões ficarão em aberto e Os vários episódios vulcânicos de dependerão certamente de estudos mais características explosivas, com emissão de alargados no domínio da geoquímica e grandes quantidades de cinzas e sua rápida petrologia, ainda não realizados. dispersão por vastas áreas, aparentam cons- tituir um marcador estratigráfico impor- tante que poderá servir de elemento de METODOLOGIA correlação entre os vários locais. Para a realização do presente estudo, A análise mesoscópica detalhada das foram seleccionados alguns locais onde a litologias características das formações que exposição do contacto marcam a transição Câmbrico/Ordovícico, Câmbrico/Ordovícico fosse adequada ao complementada pela observação microscó- estabelecimento de colunas litoestratigrá- pica dos minerais e estruturas presentes, ficas de referência: ramo S da Serra do permite concluir que o vulcanismo ácido Marão, Serrinha (NW da Eucísia), Quinta explosivo está presente na área em estudo, do Cuco (SW de Moncorvo) e S. Gabriel em todos os locais onde foi possível obser- (NW de Castelo Melhor). var a passagem do Câmbrico ao Com vista à caracterização do vulcanis- Ordovícico. O vulcanismo em causa está mo, procedeu-se à amostragem de alguns representado por níveis tufíticos com níveis onde este está bem representado, matriz sericítica, na qual se reconhece sendo empreendida a sua análise geoquí- ainda uma componente sedimentar detrí- mica quando os exemplares colhidos inte- 124 COKE et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) gravam colunas litológicas relativamente tativa da sequência correspondente à tran- bem preservadas e onde a meteorização é sição Câmbrico/Ordovícico, com vista ao incipiente (Serra do Marão e Eucísia). Em estabelecimento de possíveis correlações todos estes locais foi construída uma litoestratigráficas entre os locais agora pequena coluna litoestratigráfica represen- estudados e outras regiões da ZCI.
Figura 1. Localização das regiões onde foi referenciado vulcanismo na base do Ordovícico. As bolas pretas identificam os locais onde foram efectuados estudos e recolhidas amostras. A quadrícula representada tem 1 Km de lado. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) O Vulcanismo na transição Câmbrico/Ordovícico 125
LITOSTRATIGRAFIA Bojas, é a seguinte (COKE, 1993; COKE et al., 1995a; figura 3): MA. Contactando directamente com a Freitas (Marão) Formação de Desejosa, através de um con- tacto disconforme, já que existe erosão das No ramo S da Serra do Marão, o topo unidades inferiores, encontra-se um con- do Grupo do Douro está representado pela glomerado polimítico, com cerca de 2m de Fm. de Desejosa que aqui apresenta uma espessura, matriz-suportado com clastos fácies "flyschóide" típica, traduzida por de metagrauvaques, quartzovaques, filitos uma sequência espessa de alternâncias cen- cinzentos e negros listrados e matriz timétricas de filitos e metassiltitos, confe- areno-siltítica. Os calhaus grauvacóides rindo-lhe um aspecto listrado característi- são geralmente bem rolados enquanto que co. Junto ao contacto com os conglomera- os de filitos apresentam aspecto anguloso. dos do Ordovícico verifica-se um aumento Estes clastos são nitidamente elementos de espessura dos níveis metassiltíticos que litificados provenientes da unidade subja- chegam a atingir espessuras superiores a 2 cente. Os elementos deste conglomerado, cm em detrimento dos níveis filíticos, na região de Freitas, atingem na sua maior sendo frequente as ocorrência de bioturba- dimensão cerca de 10cm. ção nos primeiros. MB. Horizonte de granularidade siltí- A transição entre o Câmbrico e o tica, de cor beige e de natureza vulcânica Ordovícico apresenta aqui, dois aspectos (tufito), com 2m de espessura, apresentan- distintos: na região de Freitas assistimos a do intercalações finas e lenticulares de uma passagem em desconformidade, material mais grosseiro, por vezes micro- observando-se um contacto ravinado com conglomerático, com clastos de filitos e paralelismo perfeito das bancadas acima e quartzo. A matriz é predominantemente abaixo da discordância. O mesmo não sericítica. acontece cerca de 3km a SE, perto da nas- MC. Conglomerado maciço, clasto- cente da ribeira de Ponte Velha, onde esta suportado, com cerca de 20m de espessura passagem se faz por uma discordância onde predominam os elementos de filitos, angular nítida, de ângulo próximo dos alguns deles listrados, ocorrendo também 60º. Cerca de 60cm abaixo da desconfor- elementos grauvacóides de grandes midade atrás referida, reconhecem-se dimensões (20cm x 12cm) e raras vezes de várias bolsadas lenticulares dispostas em quartzo leitoso filoniano de contornos "rosário", ao longo de uma pequena fractu- ângulosos a sub-angulosos. ra, discordantemente da estratificação e MD. Sequência com cerca de 3m de preenchidas por um litótipo de composi- espessura, constituída por leitos de mate- ção basáltica (COKE et al., 1999). rial de natureza vulcânica siliciosa de cor A sequência transicional observada beije, microconglomerático clasto-supor- constituinte do membro inferior da tado na base e com alternâncias de leitos Formação Vulcano-Sedimentar de Vale de mais finos de natureza siltítica e matriz Bojas, designado por Conglomerado de geralmente sericítica. Para o topo desta 126 COKE et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) sequência predomina o material mais fino material siltítico. O calibre dos calhaus apresentando, em alguns locais, estruturas diminui para o topo sendo agora mais fre- sedimentares do tipo estratificação oblíqua quente a presença de elementos de quartzo de baixo ângulo. É notória a mistura de leitoso filoniano com dimensões médias de materiais do tipo "tephra" com sedimentos 3cm x 4cm. terrígeno-clásticos. MH. Sequência de material de natureza ME. Conglomerado polimítico, clasto- vulcano-sedimentar com cerca de 1m de suportado a matriz-suportado, de aspecto espessura, constituída por alternâncias de maciço, com cerca de 50m de espessura, material arenítico grosseiro com níveis de constituído por elementos de grauvaques, natureza siltítica e matriz geralmente seri- quartzito, filitos cinzentos, rochas vulcâni- cítica. Esta sequência constitui o topo do cas ácidas (riolitos?) e quartzo leitoso, por Conglomerado de Bojas. vezes de grandes dimensões (30cm x MI. No seu conjunto esta unidade é 20cm). Os clastos apresentam contornos constituída por um conglomerado polimí- arredondados, com excepção dos de quart- tico grosseiro de "fabric" clasto-suportado, zo que são geralmente angulosos a suban- com matriz metarenítica a quartzo-filítica, gulosos. A matriz é metarenítica a siltítica apresentando algumas intercalações de rica em sericite. Por vezes, ocorrem leitos bancadas métricas de material vulcano- decimétricos de material arenoso envolto sedimentar fino, por vezes micro-conglo- numa matriz siltítica e sericítica com merático a conglomerático e, neste caso, características vulcano-sedimentares e com "fabric" matriz-suportado e de matriz variações laterais de espessura. Em alguns essencialmente sericítica. Alguns destes locais foram observadas massas deste con- níveis de material mais fino apresentam glomerado de dimensões variáveis (10- estratificação oblíqua de baixo ângulo. 40cm), com exfoliação em bolas, impreg- MJ. Os clastos do conglomerado junto nado e recristalizado, numa fase de pré- ao contacto com a Fm. de Desejosa, são litificação do sedimento, por um magma geralmente rolados a bem rolados e de de composição básica (COKE et al. , composição essencialmente grauvacóide, 1995b) muito semelhante ao que originou embora ocorram também clastos de filitos a bolsada lenticular encontrada junto ao cinzentos, alguns dos quais listrados, de contacto com a Fm. de Desejosa e acima aspecto anguloso, que correspondem a ele- referido. mentos litificados da unidade subjacente. MF. Horizonte de material fino, de À medida que nos afastamos da base, os natureza vulcano-sedimentar, semelhante clastos passam de subrolados a subangulo- a D, mais fino na base e arenítico no topo, sos. com matriz siltítico-sericítica. Este nível tem uma espessura aproximada de 2m. Quinta do Cuco (Moncorvo) MG. Conglomerado de constituição muito semelhante a E, com 50 metros de Num corte recente em afloramento espessura, e ocorrências mais frequentes de bem exposto, resultante da abertura de leitos centimétricos a decimétricos de CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) O Vulcanismo na transição Câmbrico/Ordovícico 127 socalcos, observamos a seguinte sequência líticos são essencialmente de quartzova- (figura 3): ques, filitos negros grafitosos, metassilti- CA. Fm. de Desejosa, com caracterís- tos, vulcanitos ácidos e filitos listrados. Os ticas muito semelhantes às atrás descritas raros clastos de quartzo têm características para a região do Marão, onde as estruturas de quartzo filoniano. sedimentares mais frequentes são a estrati- CD. Metassiltitos cinzento-acastanha- ficação gradada, laminação paralela e figu- dos com 1m de espessura. ras de carga, sendo raras as ocorrências de CE. Conglomerado polimítico, laminações oblíquas ou convolutas. matriz-suportado, com 15m de espessura, CB. Metarenito grosseiro, de matriz constituído por clastos de metagrauva- metapelítica, com 60 cm de espessura. ques, filitos negros e psamitos, envoltos Figura 2. A presença de grãos de quart- numa matriz metarenítica. zo com os bordos corroídos misturados com outros de contornos angulosos e cris- tais de plagioclase revela uma rocha ima- tura de natureza vulcano-sedimentar. CC. Conglomerado matriz-suportado, com 14m de espessura, apresentando esparsos clastos de filitos cuja maior dimensão ronda 1-2cm, envoltos numa matriz metarenítica a metassiltítica. Os grãos de quartzo têm forma irregular. A observação em lâmina delgada de algumas amostras deste horizonte permitiu identi- ficar cristais de quartzo, alguns de forma Figura 2. A presença de grãos de quartzo com irregular e angulosos, outros arredonda- os bordos corroídos misturados com outros de dos, cristais de plagioclases irregulares contornos angulosos e cristais de plagioclase com bordos corroídos (figura 2), inclusos revela uma rocha imatura de natureza vulcano- sedimentar. em agregados finos de mica branca, mais raramente biotite verde e clorite, onde se reconhecem ainda minerais opacos, felds- patos e rara turmalina de cor verde. CF. Filitos cinzentos, com intercala- Alguns níveis (geralmente lenticulares) ções lenticulares milimétricas de filitos apresentam abundantes clastos líticos, de negros, com espessura aproximada de 6m. dimensões variáveis, cujo achatamento CG. Conglomerado polimítico, de define uma foliação, inclusos numa matriz matriz metassiltítica a metarenítica e clas- de aspecto tufítico. A foliação interna tos de filitos negros metagrauvaques e apresentada por alguns dos clastos é coin- metaquartzitos, com intercalações lenticu- cidente com a foliação mais evidente da lares decimétricas de micro-conglomera- rocha, definida pelo alinhamento das dos com clastos quartzosos. A sua espessu- micas e estiramento dos clastos. Os clastos ra é de 3m. 128 COKE et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
CH. Conglomerado polimítico, clasto- de cor beije, e níveis de filitos e metassil- suportado, com espessura de 3m e consti- titos, por vezes espessos. tuído por clastos de quartzo, filitos negros, filitos cinzentos, psamitos e intercalações Serrinha (Eucísia) lenticulares de metarenitos suportados por uma matriz sericítica de aspecto tufítico. O topo da Fm. de Desejosa, à semel- CI. Conglomerado com 1m de espes- hança do que acontece na região do Marão, sura, de "fabric" matriz-suportado, consti- apresenta-se bastante silicioso com uma tuído por clastos de filitos negros e clastos forte predominância dos níveis grauvacói- de metagrauvaques, envoltos numa matriz des e siltíticos. Estes são geralmente des- sericítica. organizados, evidenciando bioturbação e, CJ. Conglomerado com 4m de espes- em algumas situações, estruturas do tipo sura, de "fabric" matriz-suportado, consti- "slump". tuído por raros clastos de filitos negros e SA. Imediatamente acima da Fm. de clastos de metagrauvaques envoltos numa Desejosa ocorre um conglomerado, com matriz pelítica.. espessura de 3m, de "fabric" matriz-supor- CK. Sequência constituída por: tado com clastos de grauvaques rolados a - conglomerados com estratificação bem rolados, de quartzo sub-angulosos a gradada (0,5m de espessura) de fabric clas- sub-rolados e de filitos de aspecto listrado, to-suportado na base passando a matriz- raramente ultrapassando os 2cm e envoltos suportado, com abundantes clastos de fili- numa matriz pelítica na base, passando a tos, metarenítica fina a sericítica para o topo. - vulcanitos (0,5m de espessura) cons- Os clastos de quartzo cuja dimensão oscila tituídos por metarenitos de matriz sericí- entre os 2 e 6cm desaparecem para o topo tica e da bancada. A observação em lâmina del- - filitos cinzento escuros (1m de espes- gada evidenciou uma foliação definida sura). pela orientação das micas brancas e achata- Esta sequência repete-se 3 vezes, tor- mento dos cristais de quartzo, cortada por nando-se mais fina para o topo. outra onde recristalizaram micas brancas e Em síntese, a passagem ao Ordovícico quartzo e se concentram óxidos. A textura faz-se de forma aparentemente gradual, é clástica, de aspecto arenítico, definida onde é notório o paralelismo entre os por grãos de quartzo monocristalinos, que níveis abaixo e acima da desconformidade. raramente ultrapassam 1mm, de bordos Sobrepõe-se à Fm. de Quinta da Ventosa irregulares e curvos ou angulosos, frequen- (REBELO, 1983), constituída por alter- temente estirados e com forte extinção nâncias de conglomerados polimíticos de ondulante. Alguns grãos apresentam bor- "fabric" clasto-suportado, e matriz sericíti- dos irregulares/corroídos ou com contactos ca. Na sua base é rica em elementos filíti- de reacção com a mica branca. A matriz é cos, alguns dos quais listrados, níveis de constituída essencialmente por mica bran- material de natureza vulcano-sedimentar, ca e quartzo, com rara biotite e minerais opacos, finamente cristalizados. Ocorre, CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) O Vulcanismo na transição Câmbrico/Ordovícico 129 esporadicamente, zircão em cristais idio- dos xistos verdes. A composição química mórficos. destas rochas corresponde a um basalto. SB. Horizonte metarenítico com SF. Sequência com mais de 10m de Skolithos, de cor beije e matriz sericítica, espessura constituída por alternâncias cen- compreendendo lentículas micro-conglo- timétricas a decimétricas de filitos e psa- meráticas. A espessura desta bancada é mitos, com aspecto semelhante à Fm. de 2m. Desejosa. SC. Nível com 7m de espessura de No geral, a passagem ao quartzitos impuros de cor beije a cinzento- Cambrico/Ordovícico faz-se de forma apa- avermelhado para o topo e aspecto maciço. rentemente gradual, iniciando-se o Os planos de clivagem no topo apresentam Ordovícico por uma sequência constituída óxidos de ferro. por um conglomerado basal matriz-supor- SD. Sequência com 6m de espessura, tado, com cerca de 6m de espessura, pas- constituída por níveis decimétricos (15- sando a alternâncias de quartzitos impu- 20cm) de quartzitos com Skolithos alter- ros, tufitos, e filitos aos quais de sobrepõe nantes com níveis centimétricos de siltitos um nível espesso de vulcanitos básicos sericíticos. seguindo-se uma sequência de alternâncias SE. Vulcanitos básicos, de cor cinzen- de filitos e psamitos (figura 3). to-esverdeada e aspecto maciço com cerca de 20m de espessura. Nas zonas mais S. Gabriel (Castelo Melhor) deformadas apresenta foliação definida pelo estiramento dos minerais, concordan- A Fm. de Desejosa nesta região apre- te com a foliação da rocha encaixante. senta o seu aspecto listrado característico Apresentam textura microgranular afírica. conferido por uma sequência espessa de Os cristais raramente atingem dimensões alternâncias centimétricas de filitos e de 1mm. Os minerais mais abundantes metassiltitos. A passagem ao Ordovícico são: plagioclase, anfíbola incolor e carbo- faz-se de forma aparentemente gradual. natos. Em quantidades subordinadas oco- Verifica-se um aumento generalizado da rrem clorite, quartzo, magnetite, ilmenite, componente siliciosa traduzido por varia- leucoxena e apatite. As plagioclases apre- ção de tonalidade para colorações mais sentam-se saussuritizadas de forma variá- esbranquiçadas. Para o topo, os níveis de vel, cedendo lugar a agregados de calcite, filitos tornam-se mais claros face ao enri- epídoto e, por vezes, uralite. Ocorrem quecimento em sericite e quartzo e dimi- ainda agregados de calcite e tremolite que nuem de espessura, enquanto que os níveis podem corresponder a produtos de altera- de metassiltitos se tornam dominantes, ção de um mineral aumentando de espessura e passando a are- anterior, possivelmente uma piroxena. nitos no topo da sequência. Alguns níveis Embora a rocha, nos domínios menos têm cor branca, são macios ao tacto e deformados, mantenha a textura ígnea, a apresentam aspecto pulverulento. sua composição mineralógica corresponde A observação em lâmina delgada de a uma paragénese metamórfica de fácies uma amostra desta sequência mostrou 130 COKE et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Figura 3. Colunas litoestratigráficas referentes aos cortes efectuados na transição Câmbrico/Ordovícico da região NE da Zona Centro Ibérica.
alinhamento dos minerais opacos e orien- quartzo, opacos e de mica branca. As tação das micas, definindo uma foliação rochas são predominantemente constituí- S1, fortemente deformada por uma cliva- das por grãos de quartzo irregulares e gem posterior, S(1+x), com recristalização de angulosos, por vezes alongados, que rara- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) O Vulcanismo na transição Câmbrico/Ordovícico 131 mente atingem 0,1mm, incluídos numa transporte prévio aparente (tufos e tufitos matriz onde predomina mica branca (seri- - Castelo Melhor). cite), finamente cristalizada. Reconhecem- No ramo S da Serra do Marão, foram se ainda disseminações de pequenos grãos observados corpos intrusivos de natureza de minerais opacos que, quando se concen- básica "impregnando" conglomerados tram, definem bandas milimétricas de cor num estádio anterior à sua litificação mais escura. Dispersos pela rocha, ocorrem (COKE et al., 1995b, 1999), sugerindo também cristais de turmalina verde-acas- uma idade Tremadociana para o evento. tanhada de dimensões variáveis, que Em Eucísia, identifica-se um horizonte podem atingir 0,2mm, e cristais matri- espesso (cerca de 20m) de vulcanitos de ciais de moscovite. composição basáltica, com o mesmo padrão de deformação das unidades encai- DISCUSSÃO xantes, correspondendo muito provavel- mente a uma escoada básica ocorrida A atribuição de idades às formações durante o Tremadociano. baseou-se unicamente em critérios relacio- O local onde se registou a ocorrência de nados com o seu contexto litoestratigráfi- turbiditos de baixa densidade e ausência co - acima do Grupo do Douro (SOUSA, de discordância e conglomerados (Castelo 1982) e abaixo dos quartzitos do Melhor) sugere ambientes de maior pro- Arenigiano – para além do tipo de contac- fundidade onde não terá havido interrup- to observado. Perante este contexto, pen- ção na sedimentação. samos que a discordância ou desconformi- Nos locais onde a base do Ordovícico dade separa o Câmbrico do Ordovícico, se inicia por litologias conglomeráticas iniciando-se este com uma sequência de (Marão, Eucísia e Moncorvo), observam-se natureza vulcano-sedimentar de idade clastos de filitos listrados, nitidamente da Tremadociana. formação subjacente (Fm. de Desejosa), Em todos os afloramentos onde foi pos- sugerindo a existência de algumas áreas sível observar a passagem do Câmbrico emersas no final do Câmbrico. para o Ordovícico registamos níveis de A ocorrência de conglomerados poli- material vulcano-sedimentar, não imedia- míticos brechóides com clastos pouco tra- tamente em contacto com a Fm. de balhados, alguns de grandes dimensões, Desejosa mas cerca de 1-2m acima. O aponta para uma situação de depósitos de carácter vulcanoclástico silicioso das base de talude, muito provavelmente rela- rochas observadas está bem documentado cionados com escarpas de falha resultantes nas várias colunas litoestratigráficas exa- de movimentos isostáticos de "up-lift" sín- minadas, sendo a espessura relativa dos cronos da deposição, hipótese já sugerida diferentes níveis função da taxa de acumu- por outros autores (McDOUGALLl et al., lação de cinzas, quer transportadas para a 1987; RIBEIRO et al., 1991; OLIVEIRA bacia juntamente com outros sedimentos et al., 1992). (tufitos - Marão, Eucísia e Moncorvo) quer A existência de desconformidade nuns depositadas directamente na bacia, sem locais e de discordância noutros, associada 132 COKE et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) a um dobramento amplo das formações do idades anteriormente obtidas por WILD- Câmbrico, parece confirmar a ideia da BERG et al. (1989) com base no mesmo existência de uma inversão tectónica no método e considerando a intersecção infe- final deste período, assegurando a passa- rior de fracções de zircão discordantes, gem de um regime distensivo para outro colocam, contudo, os gneisses de Cardoso compressivo (RIBEIRO et al., 1991). em 540±30 Ma. Face a esta discrepância A existência de clastos de vulcanitos de idades absolutas e tendo em conta as ácidos, aliada à ocorrência de grandes colunas litoestratigráficas explicitadas quantidades de plagioclases no sedimento anteriormente, pensamos que não será de (Moncorvo), parece sugerir uma relativa todo descabida a idade aproximada de 500 proximidade à fonte emissora. Colocando a Ma para o vulcanismo que ocorre no hipótese destes detritos resultarem de um Ordovícico Inferior. soco de natureza granítica em desmantela- Os dados de campo e as datações efec- mento, correlacionável com os ortogneis- tuadas, quer no Domínio Olho de Sapo, ses de Miranda do Douro (que eventual- Serra de Guadarrama (WILDBERG et al., mente se encontrariam hoje debaixo dos 1989; VIALETTE et al., 1986, 1987; metasedimentos paleozóicos mas que à LANCELOT et al., 1985; GEBAUER et data poderiam aflorar?), a presença de clas- al., 1993 e VAQUERO et al., 1996; 1997) tos de vulcanitos ficariam por explicar, a e Miranda do Douro (LANCELOT et al., menos que estes fossem atribuíveis a frag- 1992), quer mesmo nos pórfiros graníticos mentos de riólitos, contemporâneos ou não da região de Mação (MENDES, 1967/68; do corpo granitóide. Outra hipótese seria ABRANCHES et al., 1981/82), apontam correlacioná-los com os gneisses de Cardoso para uma actividade ígnea escalonada no localizados na serra de Guadarrama tempo, traduzida por vários episódios que (Espanha) a ESE, descritos como uma terão ocorrido desde o Câmbrico Superior rocha vulcânica ou vulcano-sedimentar até ao Ordovícico Médio a Superior. No com características explosivas (de tipo entanto, não é de excluir a possibilidade da igninbrítico - VAQUERO et al. 1997). existência de vulcanismo ácido no Esta hipótese levanta, no entanto, um pro- Arenigiano, aliás, já assinalado a N de blema relacionado com a cronologia relati- Moncorvo, no cabeço da Mua, num hori- va dos diversos eventos vulcânicos e sedi- zonte conglomerático intercalada em mentares. Com efeito, os gneisses de quartzitos com ferro, cujos clastos são Cardoso foram recentemente datados pelo maioritariamente de vulcanitos ácidos, e método U-Pb, sendo-lhes atribuída uma no bordo SW da Zona Centro Ibérica na idade concordante de 480±2 Ma, região de Mação (ROMÃO et al., 1999), ( VAQUERO et al., 1997), isto é, onde o pórfiro granítico de Mação- Arenigiano alto, o que implicaria que a Penhascoso intrui a base dos quartrzitos discordância "Sárdica" passasse a ser consi- arenigianos. derada correlativa da base do Arenigiano e A possibilidade de considerarmos a que a Fm. de Desejosa fosse, muito prova- discordância "Sárdica" de idade Arenigiana velmente, de idade Tremadociana?!. As não é de admitir do ponto de vista da CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) O Vulcanismo na transição Câmbrico/Ordovícico 133 deformação pois a distribuição das lineaçõ- pois afecta horizontes conglomeráticos es de intersecção registadas nas formações acima dos primeiros níveis de tufitos. abaixo e acima dela é distinto, observando- As observações efectuadas são global- se uma maior dispersão destas abaixo da mente compatíveis com o modelo propos- discordância, denunciando um dobramen- to por RIBEIRO et al. (1991) para a evo- to anterior. lução da ZCI, o qual preconiza a formação Os vários níveis tufíticos sugerem a e preenchimento de um rift intracratónico, ocorrência de vários episódios vulcânicos limitado por falhas activas seguido de uma durante o Ordovícico Inferior. Se a sua inversão tectónica precoce em transpressão importância relativa for passível de corre- direita no Proterozóico Superior- lação com a espessura dos níveis, então os Câmbrico, seguido da compressão Varisca primeiros eventos são indubitavelmente os em transpressão esquerda, perpendicular mais importantes. ao eixo do fosso (responsável quer pelo desencadear de vulcanismo bimodal, quer CONCLUSÕES pelo desenvolvimento de dobras de com- primento de onda amplo, sem produção de Em todas as situações observadas, o clivagem). Este tectonismo sindeposicio- televulcanismo foi sempre observado nal estaria na origem do rejogo de falhas, acima da descontinuidade estratigráfica com movimentações isostáticas associadas, que separa o Câmbrico do Ordovícico. controlando consequentemente a sedimen- O vulcanismo básico, menos notório, tação. O quadro estrutural acima referido parece ser posterior ao vulcanismo ácido, explicaria (figura 4):
Figura 4. O tectonismo sin-deposicional associado a um provável rift intracratónico seria o res- ponsável pelo rejogo de falhas com as movimentações isostáticas e pelo controle da sedimentação. (Adaptado de HOFFMAN et al., 1974 e SURLYK, 1990). 134 COKE et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
· a passagem brusca através de discor- · a passagem gradual, observada em S. dância angular ou disconformidade com Gabriel, que corresponderia a áreas imer- erosão das partes emersas que iriam forne- sas de maior profundidade e mais distantes cer os clastos listrados pertencentes a sedi- do litoral. mentos recém-litificados, · a mistura de sedimentos grosseiros AGRADECIMENTOS com vulcanoclastitos, · o desenvolvimento de cones de detri- O trabalho de campo realizado foi par- tos de base de talude, leques aluviais, flu- cialmente financiado pelo projecto TEC- vio-marinhos, fluvio-deltáicos ou subma- T I B E R - P R A X I S / 2 / 2 . 1 / C TA/353/94 da rinos ( McDOUGALL et al., 1987; OLI- JNICT. Os autores agradecem aos Profs. VEIRA et al., 1992), Drs. Rui Dias da Univ. de Évora e António · as sequências mais ou menos espessas Mateus da Fac. Ciências da Univ. de de conglomerados brechóides da base do Lisboa las inúmeras sugestões apontadas Ordovícico, e na realização deste trabalho. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) O Vulcanismo na transição Câmbrico/Ordovícico 135
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Estruturas Filonianas do Paleozóico Superior da Serra do Marão (N de Protugal); o resultado de extensão intra- orogénica? Upper Paleozoic Dikes of the Marão Mountain (Northern Portugal); results of intra orogenic extension?
COKE, C.1, GOMES, M.E.P.1, DIAS, R.2 & RIBEIRO, A.3
AB S T R A C T
In the Marão mountain occur hercynian mafic veins cutting the Schistose Formation of the Landeilian age. The geochemistry of these rocks present high concentrations on Ti,
P, Zr, Nb, Ba, and REE (TiO 2= 1.23-1,39 %, P2O5 = 1.32-1,60 %, Zr = 565-641 ppm, Nb = 33-46 ppm, Ba = 2531-3219 ppm, SREE = 295-430 ppm) and indicate significant REE
fractionation (CeN/Y b N = 10.46) similar to that reported for alkaline mafic rocks. These characteristics and their patterns in TH O M P S O N (1984) diagram are typical of alkaline rocks. The dikes intrusion occurred in a late stage of the tectonic evolution of the Centro-Iberian autochthon prior to the granitic magmatic phase. Their intrusion was facilitated, either by the reorientation of the stress field due to the emplacement of the NW Iberian nappe complex or local extensions common in transpressive regimes. This geodynamical context could produce the generation of alkaline magmatism due to par- tial melting of the upper mantle, induced by adiabatical decompression in the major crustal NW-SE shear zones.
Key words: Marão mountain, mafic veins, alkaline rocks, intra-orogenic extension, Variscan orogeny. (1) Dep. Geologia, Universidade Trás-os-Montes e Alto Douro, Ap. 202, 5001 VILA REAL - Portugal (2) Dep. Geociências e Centro de Geofísica, Universidade de Évora, Ap. 94, 7002-554 ÉVORA, Portugal (3) Dep. Geologia, Fac. Ciências da Univ. Lisboa, Ed. C2 piso 5 Campo Grande, 1749-016 LISBOA, Portugal 138 COKE et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
INTRODUÇÃO mesmos autores referem ainda ocorrências de alguns corpos filonianos subparalelos Trabalhos recentes desenvolvidos no aos anteriores, de composição anfibolítica. domínio da cartografia estrutural no ramo PEREIRA (1989) na unidade parau- sul da Serra do Marão (área do Ramalhoso) tóctone de Mouquim refere várias ocorrên- revelaram a existência de dois corpos filo- cias de metabasitos, sob a forma de diques nianos intrusivos na Formação Xistenta e soleiras, apresentando a mesma deforma- (figura 1) cuja idade é atribuída ao ção do encaixante, isto é, terão intruído Landeiliano. O corpo A localizado mais a antes do Devónico médio, nada referindo Oeste foi já objecto de um estudo sumário sobre as suas orientações. As composições (COKE et al., 1995). Neste trabalho são variam entre o metabasito, meta-traquian- retomados os estudos anteriores no sentido desito e o metadolerito. de os aprofundar sendo para o efeito apre- A Oeste, na região de S. Pedro da Cova, sentadas análises químicas de elementos MEDEIROS et al. (1980) referem a pre- maiores, menores e terras raras dos dois sença no CXG de numerosos filões dolerí- filões, com vista à sua caracterização e ticos (diabases), intruídos segundo a direc- determinação das afinidades magmáticas e ção NW-SE nada referindo sobre a sua do ambiente geodinâmico em que se inse- idade, deformação e dinâmica de instala- rem. ção. Os mesmos autores referem ainda na Os dois corpos parecem estar associa- margem direita do rio Tâmega, perto da dos ao mesmo evento tectonomagmático e, foz, a presença de um filão semelhante o facto de se encontrarem intruídos num intrusivo no granito porfiróide de Entre- plano subparalelo à clivagem S , mas esta- 1 os-Rios. rem cortados por estruturas correlacioná- veis com a implantação dos granitos tardi- ENQUADRAMENTO LITOESTRA- D3, prova o seu contexto intra-orogénico. A ocorrência de corpos filonianos de TIGRÁFICO natureza básica na região de Tr á s - o s - O ramo sul da Serra do Marão localiza- Montes tem sido referida por vários auto- se em pleno autóctone da Zona Centro res. No entanto, devido à frequente ausên- Ibérica, confrontando a NW com os terre- cia de alguns elementos que os correlacio- nos parautóctones das unidades de nem com as fases tectono-metamórficas Mouquim e Canadelo (PEREIRA, 1987). variscas regionais, torna-se muito difícil Para o autóctone do ramo sul da Serra estabelecer um paralelismo com os filões do Marão foram definidas as seguintes agora estudados. unidades litoestratigráficas: SOUSA & SEQUEIRA (1989), refe- - Formação de Desejosa: pertence ao rem a Este da Serra do Marão, na região de Grupo do Douro a que se atribui idade Sabrosa e Alijó, a ocorrência de dois filões câmbrica (SOUSA, 1982; REBELO, subparalelos à clivagem primária (S ), com 1 1983; DIEZ BALDA, 1980; RODRI- orientação NW-SE e composição dacítica. GUEZ ALONSO, 1982). É constituída Associados a estes pórfiros dacíticos, os CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Estruturas Filonianas da Serra do Marão 139
Figura 1. Esboço geológico do ramo Sul da Serra do Marão com a localização dos filões A e B. 140 COKE et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) por alternâncias centimétricas de metassil- Lanvirniano (TEIXEIRA e GONÇALVES, titos e filitos de cor cinzenta a negra. 1980; ROMANO, 1982). - Formação Vulcano-Sedimentar de - Formação Xistenta: Trata-se de uma Vale de Bojas (C O K E, 2000): o formação monótona, constituída por fili- Ordovícico inicia-se com uma sequência tos cinzentos a negros, maciços cuja idade vulcano-sedimentar, que assenta em dis- é atribuída ao Landeiliano (TEIXEIRA e cordância angular ou disconformidade GONÇALVES, 1980; ROMANO, 1982). sobre a Formação de Desejosa. É constitu- É nesta formação que intruíram os corpos ída essencialmente por conglomerados filonianos estudados neste trabalho. polimíticos grosseiros de matriz sericítica Para Oeste os filitos cinzentos do ou areno-sericítica com intercalações de Ordovícico cedem lugar aos xistos grafito- tufitos ou arenitos tufáceos. A esta forma- sos do Silúrico e aos níveis grauvacóides ção tem sido atribuída uma idade provável possivelmente do Devónico (PEREIRA, Tremadociana (RIBEIRO et al., 1962; 1987). TEIXEIRA et al., 1964; TEIXEIRA & GONÇALVES, 1980; ROMANO, 1982), ENQUADRAMENTO TECTÓNICO E sendo de referir que, os critérios usados na ESTRUTURAL atribuição desta idade têm a ver exclusiva- mente com o seu posicionamento (abaixo O ramo sul da Serra do Marão como o dos Quartzitos Armoricanos e acima da restante autóctone da Zona Centro Ibérica discordância angular que separa o foi particularmente deformado pela oroge- Câmbrico do Ordovícico). No entanto, nia Varisca sendo a primeira fase de defor- todas as evidências resultantes de trabal- mação D1 de grande intensidade. A estru- hos recentes na Zona Centro Ibérica turação hoje observada desenvolveu-se no (BONJOUR et al., 1988; SAN JOSÉ et seu essencial durante aquele evento. No al., 1992; VAQUERO & DUNNING, entanto, não podemos deixar de referir os 1997) apontam para que nesse período já efeitos da inversão Sarda visíveis quer na estavam instaladas as faunas do Formação de Desejosa quer na formação Arenigiano pelo que a sua idade deverá ser basal do Ordovícico. Na primeira, esta Arenigiano basal. A sua espessura é apro- inversão tectónica foi responsável pela ximadamente 230m; geração em regime transpressivo direito - Formação Quartzítica: Esta unidade é (RIBEIRO et al., 1991) de dobras amplas constituída na sua base por conglomerados sem clivagem a que estaria provavelmente quartzosos de matriz arenítica alternando associada a emersão de vastas áreas duran- com níveis pelíticos pouco espessos. Para o te o Câmbrico Superior e Tremadociano. topo os conglomerados dão lugar a banca- Na segunda, os efeitos deste curto episódio das de quartzitos geralmente com ferro, compressivo ante-Ordovícico, regional- diminuindo gradualmente de espessura ao mente designado por fase Sarda (RIBEI- contrário dos níveis pelíticos agora mais RO et al., 1991; DIEZ BALDA et al., espessos. Esta formação tem idades com- 1990) terão sido responsáveis pela deposi- preendidas entre o Arenigiano e o ção do conglomerado polimítico grosseiro CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Estruturas Filonianas da Serra do Marão 141 com elementos líticos da unidade infraja- ponente de desligamento direita bem cente e no vulcanismo bimodal aí observa- representadas no intervalo N10º - 20ºW. do (COKE et al., in press). · Falhas inversas com uma importante A primeira fase de deformação varisca componente de desligamento esquerda e ocorre em regime transpressivo esquerdo direcções entre N70º e 80ºW e, (RIBEIRO et al., 1990; DIAS & RIBEI- · Desligamentos esquerdos com a dis- RO, 1994) e pode ser caracterizada pela tribuição das direcções muito concentrada ocorrência de dobras, ligeiramente vergen- segundo o intervalo N60º - 70ºW e que tes para NE com eixos a inclinar cerca de teriam como conjugados os 12º para WNW a que se associa uma forte · Desligamentos direitos cujas direcçõ- clivagem de plano axial (S1) de direcção es mais representativas se distribuem pelo WNW-ESE. As lineações de intersecção intervalo N30º - 40ºE. estratificação/clivagem primária (S 0/S1) são A movimentação destes acidentes não subparalelas ao eixo das dobras e o estira- foi sempre a mesma, tendo-se verificando mento mineral é sub-horizontal, estando em alguns deles reactivações com cinemá- por isso também muito próximo do eixo tica distinta. É o que se passa com a famí- das dobras. lia N30º - 40ºE que funcionou inicialmen- As fases subsequentes são nitidamente te como desligamento esquerdo e mais tar- menos expressivas traduzindo-se geral- diamente com movimentação normal. mente pela ocorrência em alguns locais de No que respeita às suas idades, embora uma segunda clivagem ou simplesmente nem sempre seja fácil estabelecer uma cro- por crenulações com maior expressão nos nologia relativa, as falhas paralelas às níveis mais pelíticos. Este contexto apenas estruturas da primeira fase são indubita- se modifica no domínio anexo à falha de velmente as mais antigas, pois na grande Seixinhos. Aqui, verificamos que a defor- maioria dos casos estas são cortadas por as mação associada à D1 se traduz por uma falhas de direcção NE-SW ou N-S. ligeira ondulação das camadas e por uma clivagem de plano axial muito ténue. A Dados de campo estas estruturas sobrepõem-se uma fase mais intensa (D3 regional) responsável pelo Os corpos filonianos encontrados no dobramento coaxial das estruturas anterio- vale da ribeira do Ramalhoso são de natu- res (PEREIRA, 1987, RIBEIRO et al., reza máfica e ambos intruem a Formação 1990, COKE et al., 1998) e pela produção Xistenta. A rocha encaixante é um xisto de uma clivagem secundária muito inten- cinzento escuro a negro de aspecto maciço sa. e homogéneo. No que se refere à fracturação foram O corpo A (estampa I, fotos 1 e 1a), de identificados dois sistemas principais res- aspecto geralmente pouco alterado, apre- ponsáveis por quatro famílias de falhas senta exfoliação em bolas nas zonas mais (figura 2): alteradas, tem uma atitude N63ºW; 40ºS
· Falhas normais com uma forte com- subparalela à clivagem primária (S1), uma espessura de 63 cm e um comprimento 142 COKE et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Figura 2. Diagramas de rosetas evidenciando as principais famílias de falhas registadas no ramo sul da Serra do Marão. reconhecido de aproximadamente 50 m. afectada por uma crenulação geométrica e No contacto da rocha filoniana com o cinematicamente correlacionável com a encaixante pode observar-se uma orla de deformação associada à intrusão dos grani- metamorfismo de contacto com cerca de tos que afloram a Oeste. Esta crenulação é 5cm. A rocha que constitui este filão está CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Estruturas Filonianas da Serra do Marão 143
também observável a afectar a S1 dos xistos feldspatos muito alterados, intersectando encaixantes. nitidamente o filão. Na interface filão/xisto foram observa- As atitudes observadas nos dois corpos das estrias 30ºS; 73ºW denunciadoras de filonianos, bem como a ligeira curvatura movimentação normal com uma compo- observada no corpo B (estampa I, foto 4) nente de desligamento direita e que terão mostram que no seu conjunto esta estrutu- resultado de um rejogo tardio deste plano ra está dobrada, sendo a dobra bastante de anisotropia. ampla. Este tipo de dobramento é caracte- Este corpo filoniano está cortado por rístico da terceira fase de deformação um filonete de constituição pegmatítica, Varisca. de direcção N40ºE; 80ºN que produz uma Cerca de 1 km a Oeste afloram os gra- franja de metamorfismo de contacto com nitos de Amarante, considerados como cerca de 5mm (estampa I, foto 1a) afectan- granitos tardi D3 (dominantemente biotí- do o filão. ticos), cuja idade tem sido referida no Tanto a rocha hospedeira como o filão intervalo 306-311 Ma. por DIAS et al. estão afectados por metamorfismo de con- (1998). Este extenso batólito granítico tacto associado às intrusões graníticas, prolonga-se para NW e SE de Amarante e expresso por moscas de andaluzite nos xis- desenvolve-se subparalelamente à zona de tos e de biotite no filão. cisalhamento de Vigo-Amarante-Régua. O corpo B (estampa I, fotos 2 e 2a) de São frequentes nesta área as ocorrências composição química e mineralógica de filões aplito-pegmatíticos constituindo semelhante ao corpo A, apresenta a atitu- uma rede cujas direcções predominantes de N60ºW; 30ºS, uma espessura de média são NE-SW e NW-SE. de 60 cm e um comprimento de 22 m. A rocha encaixante é também um xisto PETROGRAFIA E GEOQUÍMICA negro com uma clivagem S1 N65ºW;50ºS apresentando junto ao contacto com o filão uma banda de metamorfismo térmico com Métodos analíticos cerca de 5 cm de espessura. O grau de alte- ração deste corpo filoniano é bastante A determinação de elementos maiores avançado, sendo notória a exfoliação do e menores das rochas metabásicas do tipo "casca de cebola", característica das Ramalhoso foi feita respectivamente por rochas máficas. A densidade da fracturação Espectrometria de Emissão Atómica (ICP- na região é alta, tendo sido registadas AES) e Espectrometria de Massa (ICP- algumas falhas intersectando o filão donde MS). A digestão ácida de 0,2 g de pó da se destacam as falhas N60ºW; 55ºS com amostra foi feita com 2,5 ml de HNO3 movimentação esquerda e estrias a mer- concentrado e 10 ml de 40% v/v HF em gulharem 12ºS; 50ºE e N25ºW; 85ºSW e cadinhos de 50 ml P.T.F.E. durante duas movimentação aparentemente direita. horas a alta temperatura e pressão seguida Associada a esta última falha, foi observa- de evaporação até à secura e subsequente do um filonete pegmatítico com quartzo e dissolução em 20 ml de 1% v/v HNO3. As 144 COKE et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) análises químicas foram obtidas no ICP- ças composicionais significativas entre as AES JY 24 e com plasma ICP-MS VG na diferentes secções de biotite. Universidade de Bristol. As determinaçõ- Alguns cristais mostram descoloração e es foram feitas em triplicado 100 ppb In quase todos os cristais mostram abundan- como padrão interno. tes inclusões de agulhas de rútilo forman-
S i O2 e FeO foram analisados por do estrutura sagenítica (estampa I, foto 3). Espectrometria de Absorção Atómica num São também comuns na biotite inclusões equipamento Perkin Elmer 303 e a perda de apatite, monazite e zircão com halos ao rubro (PR) por aquecimento a 900 °C fortemente pleocróicos. no Laboratório do Departamento de A anfíbola com pleocroísmo de b = g = Química da UTAD. verde muito pálido a a = incolor, ocorre Os minerais silicatados foram analisa- em cristais hipidiomórficos a automórfi- dos na microssonda electrónica Cameca cos, associado a agregados de epídoto ao Camebax do Instituto Geológico e longo das clivagens. A anfíbola presente Mineiro, S. Mamede de Infesta; com um neste filões é uma anfíbola cálcica com potencial de aceleração de 15 kW e um Ca>1,919, classificando-se de acordo com feixe de 20 nA. LEAKE et al. (1997) como actinolite (estampa I, foto 4). Petrografia e Geoquímica de O quartzo é em geral anédrico, com Minerais extinção ondulante e mostra algumas vezes formas poligonais indicando recris- Estas rochas filonianas correspondem a talização. O feldspato predominante é a metadiabases com aspecto maciço e cor plagioclase de tipo andesina-oligoclase cinzenta escura. Microscopicamente mos- (An33-An24) que ocorre sob a forma de cris- tram uma textura intergranular com cris- tais hipidiomórficos com maclas polissin- tais tabulares de biotite a definirem local- téticas, apresentando em alguns bordos mente uma foliação pela sua orientação. mirmequites. A plagioclase encontra-se Alguns cristais de biotite em geral xeno- bastante alterada para mica branca e epí- mórficos estão bem desenvolvidos e pare- doto, sendo na maior parte das vezes inde- cem ser mais tardios. A biotite ocorre em cifrável a presença de maclas. O feldspato cristais isolados ou em agregados de tipo potássico é raro nestas amostras e apresen- clot associada também a anfíbola, plagio- ta-se bastante caulinizado. clase, calcite e opacos. O pleocroísmo varia A apatite é o acessório mais frequente, de a = amarelo palha a b = g =¹ castanho com formas por vezes prismáticas e secçõ- alaranjado escuro. Projecta-se na transição es hexagonais. Foram também identifica- dos campos da biotite de tipo subalcalino dos zoisite de cor rosa, com pleocroísmo e e calco-alcalino no diagrama de NACHIT maclas bem desenvolvidas, esfena, pirite e et al. (1985), pois apresenta baixo teor em calcopirite. Al total e elevados teores de Mg (tabela 1). Cristais secundários de clorite com ple- A biotite tem composição química que ocroismo de tipo ripidolite, epídoto e cal- se aproxima da flogopite. Não há diferen- cite foram também observados. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Estruturas Filonianas da Serra do Marão 145
Tabela 1. Análises químicas e fórmulas estruturais das biotites dos filões máficos do Ramalhoso.
Geoquímica de rocha total ma TAS. Classificam-se como traqui-ande- sitos (figura 3) no diagrama de WIN- As análises químicas médias de ele- CHESTER E FLOYD (1977). A utilização mentos maiores, menores e terras raras de deste diagrama é recomendada porque uti- cada um dos filões estudados são dadas na liza elementos muito pouco móveis duran- tabela 2. Trata-se de rochas de composição te o metamorfismo, oferecendo uma boa intermédia, pois o teor de SiO é de cerca 2 informação sobre a natureza dos materiais de 56%, Atendendo à sua mineralogia, originais. Nos diversos diagramas, que escassez de quartzo e feldspato potássico, à combinam elementos estáveis durante o sua textura e composição química, a clas- metamorfismo (Ti, P, Zr, V e Nb) propos- sificação mais adequada destas rochas é de tos por WINCHESTER E FLOYD (1976) doleritos ou metadiabases. para discriminar se o magma original será Em termos composicionais estas rochas basalto toleítico ou alcalino estas amostras projectam-se no campo dos andesitos ou projectam-se sempre no domínio alcalino no limite deste com os basaltos, no diagra- (figura 4). 146 COKE et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Tabela 2. Análises químicas em % e elementos menores e terras raras em ppm dos filões máficos do Ramalhoso. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Estruturas Filonianas da Serra do Marão 147
Figura 3. Diagrama de classificação dos filões máficos do Ramalhoso, adaptado do diagrama de WINCHESTER & FLOYD (1977) Símbolos: abertos -amostras do filão A e fechados amostras do filão B.
Figura 4. Diagrama P2O5-Zr proposto por WINCHESTER E FLOYD (1976) mostrando o carácter alcalino dos filões máficos do Ramalhoso. Símbolos: como na figura 3. 148 COKE et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Apresentam elevadas concentrações de maioria das rochas de tendência alcalina
TiO2, P2O5, Zr, Nb, Ba, Sr e REE e os (figura 6). espectros de terras raras são semelhantes aos de rochas alcalinas. Mostram fracciona- INTERPRETAÇÃO GEODINÂMICA
ção acentuada (CeN/ Y bN = 9,63-22,79) entre terras raras leves e pesadas e ligeiras As relações de campo mostram clara- anomalias negativas de Eu (Eu/Eu* =0,54 mente que os corpos filonianos estudados - 0,96), mostrando uma tendência forte- são posteriores à primeira fase de deforma- mente descendente com empobrecimento ção regional e anteriores à fase contempo- em terras raras pesadas, típica de rochas rânea das intrusões graníticas (D3). Estas alcalinas (figura 5). No diagrama de são igualmente as relações que podem ser THOMPSON (1984) caracterizam-se por estabelecidas para a génese das falhas nor- estarem enriquecidos em elementos litófi- mais de Pena Suar (PEREIRA, 1987; los e empobrecidas em elementos de alto RIBEIRO et al., 1990) e Seixinhos potencial iónico, com uma tendência des- (RIBEIRO et al., 1990; COKE et al., cendente e forte empobrecimento em Nb e 1998). O modelo defendido por esses Sr. Embora os diagramas não correspon- autores para a existência deste episódio dam exactamente a espectro convexos com extensivo intra-orogénico, admite que o enriquecimento em todos os elementos de aumento da carga litoestática induzida transição, aproximam-se dos diagramas da pelo empilhamento do complexo de man-
Figura 5. Diagrama de terras raras normalizadas para a média dos condritos, dos filões máficos do Ramalhoso. (factores normalizados segundo THOMPSON et al., 1984). Símbolos: como na figura 3. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Estruturas Filonianas da Serra do Marão 149
Figura 6. Diagramas de elementos traço, para os filões máficos do Ramalhoso (factores normaliza- dos segundo THOMPSON et al., 1984). Símbolos: como na figura 3.
tos do NW peninsular, associado ao rela- de Pena Suar e Seixinhos possam estar xamento das tensões regionais, que terá temporalmente mais próximas da génese sem dúvida existido após a implantação dos mantos do que o anteriormente admi- dos mantos, terão provocado uma rotação tido. do campo de tensões; a tensão compressiva Qualquer que seja o mecanismo gera- máxima, anteriormente horizontal, passará dor das falhas normais da Serra do Marão, a estar subvertical, por troca com a tensão o regime extensivo a elas associadas terá intermédia. Este novo campo de tensões é facilitado a ascensão de pequenas porções favorável à génese de falhas do tipo nor- de magma alcalino, resultante de fusão mal, que deverão assim ter tendência a for- parcial do manto superior, induzida por mar-se no autóctone subjacente aos man- descompressão adiabática, em estruturas tos. Se admitirmos uma deformação pro- NW-SE. Este processo terá sido facilitado gressiva na génese das estruturas ante-D3, pela proximidade à zona de cisalhamento um outro factor que poderá ter auxiliado a de Malpica-Lamego considerada uma das génese deste tipo de falhas terá sido a con- principais estruturas Variscas não só tinuação do regime transpressivo esquerdo durante as fases tectono-metamórficas no autóctone em simultâneo com o proces- mais tardias (LLANA-FÚNEZ & MAR- so de implantação dos mantos (figura 7); COS, 1998) mas também durante os está- sendo possível gerar estruturas extensivas dios precoces do ciclo Varisco (COKE et localizadas em regimes transpressivos al., 2000a). (figura 8) é provável que as falhas normais 150 COKE et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Figura 7. Relação geométrica e cinemática entre os cisalhamentos esquerdos regionais, a implanta- ção dos mantos e as falhas normais.
Figura 8. Cinemática das estruturas compatíveis com um regime transpressivo esquerdo. S-cliva- gem, xistosidade ou foliação. FI- Falhas inversas. FN- Falhas normais. FT- Fendas de tracção. R,R’- Cisalhamentos Riedel. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Estruturas Filonianas da Serra do Marão 151
ESTAMPA I Fotos 1 e 1a – Aspecto do filão A, com um detalhe onde se observam algumas relações de campo, destacando-se a intersecção do filão por um filonete pegmatítico. Fotos 2 e 2a – Aspecto do filão B com a localização da amostragem efectuada (M-1237). Foto 3 – Cristais hipidiomórficos de biotite com numerosas inclusões de rútilo com textura sage- nítica (ampliada 63 vezes e nicois cruzados). Foto 4 – Cristal tabular de actinolite associada a um agregado de tipo "clot" (ampliada 160 vezes e nicois paralelos). 152 COKE et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
AGRADECIMENTOS Senhor Fernando Santos, a colaboração na utilização deste equipamento. M.E.P.Gomes agradece ao Prof. B. J. Os autores agradecem ainda ao Prof. Wood e Dr. J.C.Schumacher pelas facilida- Dr. João Mata as sugestões dadas na inter- des concedidas no EUGF-Bristol, contrato pretação dos dados analíticos. ERBFMGECT980128. Agradece também Os trabalhos de campo relacionados ao Prof. Doutor Eng. M. R. Machado Leite com este estudo foram parcialmente finan- as facilidades concedidas na utilização da ciados pelo ICT e JNICT através dos pro- microssonda electrónica do Instituto jectos Tectiber (Praxis/2/2.1/CTA/353/94 Geológico e Mineiro, S. Mamede de e REDIBER (PBIC/C/CTA/2113/95) res- Infesta; ao Dr. J. M. Farinha Ramos e pectivamente. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Estruturas Filonianas da Serra do Marão 153
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Evolución metamórfica P-T-d-t y significado geodinámico de la unidad eclogítica del complejo de Cabo Ortegal (NO de España) Metamorfic evolution P-T-d-t and geodinamic meaning of the eclogitic unit of the Cabo Ortegal complex (NW of Spain)
MENDIA, M.1; GIL IBARGUCHI, J. I.1 & ÁBALOS, B.2
RE S U M E N
Se presentan los resultados obtenidos a partir del estudio petrológico detallado de las eclogitas que componen la unidad eclogítica del Complejo de Cabo Ortegal establecién- dose un modelo para la evolución metamórfica de la misma. Desde el punto de vista petrológico se han reconocido tres tipos de eclogitas: comunes, con distena y ferrotitaní- feras, definiéndose las características de afloramiento y estructurales de las mismas. La unidad eclogítica está compuesta por diversas láminas de eclogitas comunes limitadas por importantes zonas de cizalla en las que afloran principalmente las eclogitas con dis- tena. Se han reconocido y cuantificado (condiciones P-T) los distintos estadios en la evo- lución metamórfica de estas rocas, los cuales se han relacionado con los datos estructu- rales y geocronológicos disponibles para obtener una idea global de la evolución P-T- deformación-tiempo que han seguido las eclogitas. Los datos obtenidos indican condi- ciones de 780-800 °C y c. 22 kbar para el máximo metamórfico asociado a la primera fase de deformación reconocida, D1, relacionada con un proceso de subducción. Posteriormente se produjo una segunda fase de deformación en condiciones todavía eclogíticas, a 660 - 700 °C y 20 kbar, relacionada con el apilamiento de las unidades y pro- bablemente con el comienzo de la exhumación tectónica de estas rocas. La evolución retrógrada se caracteriza por un primer estadio de descompresión casi isotérmica con un posterior enfriamiento más importante. Durante este periodo tuvieron lugar las fases de Cadernos Lab. Xeolóxico de Laxe Coruña. 2001. Vol. 26, pp. 155-178
deformación D3 y D4 en condiciones extensionales y relacionadas con el emplazamien- to final del complejo. El ascenso de las rocas de la unidad eclogítica habría sido funda- mentalmente tectónico lo que permitió una preservación considerable durante los pos- teriores eventos metamórfico-deformativos de menor grado. La evolución de la unidad eclogítica constituye un ejemplo de un fragmento de corteza oceánica subducida hasta profundidades superiores a 70 km con formación de una cuña orogénica relacionada con la superposición tectónica de las diferentes unidades estructurales que componen el alóctono superior del complejo. Este proceso se considera que marcó el comienzo de la Orogénesis Hercínica en este sector hace unos 390-400 Ma. (1) Departamento de Mineralogía y Petrología de la Universidad del País Vasco /EHU (2) Departamento de Geodinámica de la UPV/EHU, e-mail: [email protected] CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Evolución metamórfica y significado geodinámico 157
INTRODUCCIÓN indicadores cinemáticos, debido a la recristalización estática o incompleta en Los avances realizados en el campo de las rocas (máficas y ácidas) de alta presión, la Petrología Metamórfica derivados de la limita en gran manera el alcance de los determinación sistemática de las condicio- estudios petrológicos y estructurales en nes físicas del metamorfismo mediante este tipo de rocas a pesar de su interés geotermómetros y geobarómetros experi- manifiesto. mentales y modelos termodinámicos, así Las eclogitas que aparecen en las zonas como la aportación de datos geocronológi- internas de las cadenas orogénicas juegan cos cada vez más precisos han permitido un papel fundamental en la elaboración de refinar substancialmente en los últimos modelos geodinámicos de márgenes de años las trayectorias presión-temperatura- placa convergentes. Esto se debe al poten- tiempo (P-T-t) de las áreas metamórficas. cial que ofrecen las rocas metamórficas de La integración de los datos estructurales y alta presión para determinar las condicio- geomecánicos (evolución P-T-t-deforma- nes físicas de la cristalización metamórfica ción), aunque menos frecuente, ha permi- y reconstruir la evolución termo-mecánica tido por otra parte un mejor conocimiento de los cinturones de alta presión (HP) y de la evolución de los orógenos. zonas de subducción. Uno de los rasgos El estudio de las relaciones entre las más significativos de las zonas internas del trayectorias P-T-t y los mecanismos de Macizo Ibérico (Galicia-Tr á s - o s - M o n t e s , evolución en rocas metamórficas de alto zona Centro-Ibérica) es la presencia de grado representa una importante llave complejos alóctonos con rocas metamórfi- para el conocimiento de la litosfera en pro- cas de alta presión. El complejo de Cabo fundidad. Las condiciones que prevalecen Ortegal en el noroeste de España constitu- en las zonas de subducción infieren a las ye uno de los mejores ejemplos por lo que rocas texturas específicas y asociaciones se refiere a las condiciones de afloramiento minerales características. En algunos de tales rocas. Así, dentro de las unidades casos, se ha podido establecer la formación alóctonas superiores del complejo de Cabo de asociaciones eclogíticas de alta presión, Ortegal, aparece un gran volumen de eclo- a partir de rocas granulíticas formadas pre- gitas junto con granulitas y gneises de alta viamente en condiciones de menor pre- presión y rocas ultramáficas. Todas estas sión, en relación con la circulación de flui- rocas forman afloramientos kilométricos dos y la deformación a lo largo de zonas de que, en el caso de las eclogitas, hacen de cizalla dúctil. Sin embargo, el estudio de éstas el que probablemente sea el mayor los mecanismos de deformación en rocas afloramiento continuo de eclogitas conoci- metamórficas de alta presión es bastante do en todo el mundo. escaso, con la excepción quizás del clinopi- Se ha realizado un estudio detallado de roxeno onfacítico presente en dichas rocas. campo, estructural y mineralógico de las Por otra parte, la escasez de afloramientos eclogitas del complejo de Cabo Ortegal a importantes de eclogitas deformadas, así fin de comprender las relaciones entre el como la ausencia generalizada de buenos desarrollo de las características macro y 158 MENDIA et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) microestructurales y la evolución de las máficas, se trata de la unidad eclogítica condiciones P-T. La información sobre la que será descrita a continuación (figura 1). respuesta química y morfológica de los minerales eclogíticos al cambio en las con- DATOS GEOQUÍMICOS Y GEOCRO- diciones físicas debe permitir una mejor NOLÓGICOS comprensión de la estructura de la corteza profunda y del manto litosférico durante Los datos sobre composición química los eventos de subducción / obducción. de las eclogitas (incluyendo tierras raras e Los datos obtenidos servirán, así mismo, isótopos de Sr y Nd) indican que se trata para obtener un conocimiento más preciso probablemente de un fragmento de litos- de la evolución del Orógeno Hercínico con fera oceánica metamorfizada (BERNARD- anterioridad a la etapa carbonífera intra- GRIFFITHS et al., 1985; PEUCAT et al., continental. 1990; GRAVESTOCK, 1992; MENDIA, 1996, 2000). Los diferentes tipos de eclo- MARCO GEOLÓGICO gitas podrían estar relacionados genética- mente desde el punto de vista geoquímico. El Complejo de Cabo Ortegal es uno Sus protolitos podrían representar distin- de los cinco complejos alóctonos situados tos términos de una serie toleítica con gra- en el noroeste del Macizo Ibérico caracte- dos variables de diferenciación geoquími- rizados por la presencia de rocas con meta- ca. Así, podrían distinguirse desde térmi- morfismo de alta presión y/o la abundan- nos poco evolucionados y empobrecidos en cia de rocas máficas y ultramáficas. Está elementos incompatibles que corresponde- formado por un apilamiento de unidades rían a las eclogitas con distena ricas en Mg que pueden agruparse en dos grupos prin- y Al, hasta los términos más diferenciados cipales: (i) las unidades basales, constitui- ricos en Fe y Ti, pasando por las eclogitas das por rocas metamórficas de grado bajo a comunes con composición de basaltos de medio de origen oceánico junto con restos dorsal medio oceánica empobrecidos en del correspondiente margen continental, y elementos incompatibles (N-MORB). La (ii) las unidades superiores o alóctono edad de los protolitos de las eclogitas no se superior formadas principalmente por tec- conoce con precisión habiéndose obtenidos tonitas de grado alto y alta presión. Este edades de zircones entre 473 y 507 Ma alóctono superior presenta una estructura (P E U C AT et al., 1990; O R D Ó Ñ E Z, compleja con imbricaciones tectónicas de 1998). Por lo que respecta al metamorfis- las diferentes unidades, aunque a grandes mo de alta presión, ORDÓÑEZ (1998) rasgos está formado por un apilamiento de obtuvo edades de 397 ± 28 Ma para las gneises migmáticos de alta presión en la eclogitas masivas y de 382 ± 13 Ma para base sobre los que aparecen rocas máficas y las de las zonas de cizalla eclogíticas, que ultramáficas. En el sector oriental del aunque presentan un error importante son complejo, una potente banda de eclogitas coherentes con edades en torno a 390-400 aparece entre los gneises y las granulitas Ma obtenidas para diferentes minerales de CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Evolución metamórfica y significado geodinámico 159 alta presión en otras unidades del comple- de las unidades supra e infrayacentes (figu- jo (SANTOS et al., 1996). ra 1). Desde el punto de vista estructural, estas eclogitas suelen estar por lo general TIPOS LITOLÓGICOS Y ESTRUC- deformadas y variablemente retrograda- TURA das. El hecho de que las eclogitas con dis- tena se encuentren normalmente más La unidad eclogítica de Cabo Ortegal deformadas formando las zonas de cizalla, conforma un macizo alargado de c. 20 km se debe a una diferencia de comportamien- de longitud y hasta 700 m de espesor que to con respecto a la deformación, ya que aflora en la mitad oriental del complejo. Se estas rocas deben ser más dúctiles debido ha realizado una cartografía detallada al mayor contenido en minerales hidrata- (escala 1:10.000) que ha permitido distin- dos. Las eclogitas ferrotitaníferas se han guir tres tipos litológicos: eclogitas comu- encontrado de dos maneras diferentes: (i) nes (oscuras), eclogitas con distena (claras) formando láminas similares a las anterio- y eclogitas ferrotitaníferas (muy oscuras), res, pero de potencia decimétrica, situadas en orden de abundancia. El primer tipo también en las zonas de contacto entre dos tiende a aflorar de forma masiva y los otros láminas de eclogitas comunes o entre eclo- dos en zonas de cizalla. No obstante, no gitas comunes y granulitas, (ii) menos son infrecuentes en toda la unidad las ban- abundantes, como niveles centimétricos das y/o lentejones de tamaño variable de dentro de las eclogitas comunes. Las que unos tipos de eclogita en otros. se encuentran en láminas en las zonas de La unidad eclogítica está compuesta contacto están algo más deformadas y por tres grandes láminas de eclogitas retrogradadas. comunes masivas, limitadas por zonas de Se han reconocido 4 fases de deforma- cizalla en las que afloran principalmente ción en estas rocas en base a un estudio eclogitas con distena. En estas zonas de petro-estructural. D1 sería la fase respon- cizalla aparecen otras litologías menores sable de la orientación de los minerales como eclogitas Fe-Ti o gneises miloníti- formadores de la paragénesis eclogítica en cos. las eclogitas masivas, y estaría relacionada Las eclogitas comunes afloran formando con un proceso de subducción. D2 se láminas de potencia variable, de 100 a 300 reconoce principalmente a escala cartográ- m, y su desarrollo lateral alcanza 5-10 km. fica y es la responsable del apilamiento de Desde el punto de vista estructural son láminas y unidades durante un proceso de generalmente masivas y muestran distin- acreción activa que se produce todavía en tos grados de deformación y retrograda- condiciones eclogíticas. Las fases tercera y ción. Las eclogitas con distena afloran princi- cuarta D3 y D4, son extensionales, des- palmente en zonas de cizalla dúctil que a arrollan paragénesis de anfibolitas y escala cartográfica rodean escamas o uni- esquistos verdes respectivamente y se rela- dades mucho mayores de eclogita masiva cionan con la posterior extensión que con potencias también variables (en oca- actuó durante la exhumación de estas siones de hasta 200 m), o bien la separan rocas. 160 MENDIA et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Los tres tipos de eclogitas descritos tra plegada (figura 1). El buzamiento varía muestran una foliación muy constante en desde 30° en dicho pliegue hasta subverti- torno a N20E, salvo en la parte meridional cal, siendo el buzamiento medio de ca. (Sierra de Moles) donde la lámina de eclo- 50NW. La lineación mineral y de estira- gitas comunes más importante se encuen- miento contenida, definida fundamental-
Figura 1. A.- Mapa geológico simplificado del Complejo de Cabo Ortegal. B.- Cartografía de la Unidad Eclogítica. Modificado de MENDIA (1996, 2000). CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Evolución metamórfica y significado geodinámico 161 mente por la orientación de los piroxenos, define la foliación originada durante la está orientada 15/010 (ÁBALOS et al., primera fase de deformación, D1, en con- 1994). diciones eclogíticas. El bandeado compo- La estructura que muestra la banda de sicional es el resultado de diferentes con- eclogitas es la de un dúplex antiformal centraciones de los minerales mencionados (ÁBALOS et al., 1994), según se ha obte- y de variaciones en el tamaño de grano. nido a partir de un corte en dirección per- Existe otro bandeado resultado de las ciza- pendicular a la foliación y que contiene la llas que afectaron a estas rocas y en las cua- lineación. Las distintas láminas de eclogi- les se produjo una retrogradación variable tas han sido apiladas y están limitadas por durante las sucesivas fases de deformación importantes zonas de cizalla. Así mismo, posteriores. el apilamiento de unidades se refiere tam- Los granates contienen inclusiones de bién a las unidades superior e inferior, por rutilo, cuarzo, zoisita y, menos frecuente- lo que los contactos de la banda de eclogi- mente, de anfíbol verde azulado y marrón tas con las granulitas, estructuralmente claro, piroxeno, distena, fengita, paragoni- situadas encima, y los gneises, situados ta, plagioclasa, feldespato potásico, ilme- debajo, son tectónicos. nita y pirita. Los granates de las eclogitas con distena son los que poseen mayor PETROGRAFÍA abundancia de inclusiones, pudiendo pre- sentar un aspecto muy turbio. Los minera- Las eclogitas comunes y ferrotitaníferas les incluidos tienen un origen diverso: son de grano fino a medio, poseen onfaci- residuales del protolito, pre-eclogíticos, ta, granate, cuarzo, rutilo ± zoisita ± anfí- sin-eclogíticos, e incluso formados duran- bol ± fengita y textura granonematoblás- te el estadio de anfibolitización. La zona de tica orientada. Las eclogitas ferrotitanífe- inclusiones delimita ocasionalmente un ras tienen más rutilo y los minerales son núcleo limpio con bordes idiomorfos, aun- más férricos, además de no poseer zoisita, que también pueden aparecer sólo en el por todo lo cual estas rocas son más oscu- núcleo, o bien repartidas por todo el gra- ras que las eclogitas comunes. Las eclogi- nate. En ocasiones se reconocen inclusio- tas con distena son de color más claro, nes con disposición sigmoide que indican varían de grano fino a grueso, poseen onfa- un crecimiento sintectónico del granate. cita, granate, anfíbol, distena, rutilo, cuar- Las variedades masivas no son abun- zo ± zoisita ± fengita ± dolomita y textu- dantes entre las eclogitas con distena o ras que varían de granonematoblástica ricas en Al-Mg, pudiéndose distinguir orientada a porfidonematoblástica orienta- toda una serie de variedades petrográficas, da (fotografías I.A, I.B, I.C, I.D) según la mineralogía predominante y En las eclogitas comunes y ferrotitaní- según los diversos grados de milonitiza- feras, en general los clinopiroxenos mues- ción y retrogradación registrados. Las eclo- tran una disposición orientada que, junto gitas con distena de las zonas de cizalla con la orientación preferente de zoisita (± mayores tienen la característica común de distena), rutilo y los agregados de cuarzo, presentar granates relativamente grandes 162 MENDIA et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
(centimétricos) mientras que los minerales llada formada en condiciones post-eclogí- de la matriz, piroxeno, distena, zoisita y ticas. Las bandas de cizalla en las que apa- cuarzo, se han reducido ligeramente en rece este tipo de rocas se han relacionado relación con las mismas eclogitas masivas, con la tercera fase de deformación, D3. El y muestran una foliación y lineación bien tipo petrográfico correspondiente a las desarrolladas (fotografías II.A y II.B). Esta rocas afectadas por la D3 es bastante simi- asociación demuestra que la deformación lar en los otros dos grupos de eclogitas, las se produjo en condiciones eclogíticas y se comunes y ferrotitaníferas: se produce un ha interpretado como el resultado de la aumento en el tamaño del granate (aunque segunda fase de deformación, D2, recono- no tanto como en las eclogitas con distena) cida a escala cartográfica. Las eclogitas y se desarrolla una matriz milonítica com- comunes y ferrotitaníferas no desarrollan puesta principalmente por piroxeno tipos equivalentes al descrito para las eclo- secundario (más plagioclasa), anfíbol y zoi- gitas con distena afectadas por la D2. sita. Las eclogitas con distena dan lugar fre- Existen eclogitas afectadas por bandas cuentemente a una roca que forma aflora- miloníticas a ultramiloníticas, de tamaño mientos hectométricos caracterizada por la centimétrico a milimétrico en las que se presencia de porfidoclastos de granate de observan porfidoclastos de granate, anfíbol gran tamaño (fotografía II.C), general- y zoisita férrica o epidota en una matriz de mente unos 2 cm de diámetro, aunque grano muy fino con aspecto de pseudota- pueden llegar hasta 6 cm, en los que es quilita (fotografía II.D). Estas bandas de habitual la presencia de inclusiones de cizalla se han relacionado con la cuarta fase piroxeno onfacítico apreciable incluso a de deformación, D4. Los porfidoclastos de simple vista. Éstos granates han crecido granate se encuentran completamente antes de la milonitización de la matriz y redondeados, reducidos de tamaño (£ 1 algunos se forman por unión de granates mm) y, frecuentemente, alterados a clorita más pequeños sobre los cuales crece un a lo largo de las fracturas. El cuarzo forma borde común. Este hecho indica condicio- colas de presión asimétricas muy alargadas nes de alta difusión iónica que estaría favo- (hasta 1 cm) en torno a algunos granates. recida por la presencia de fluidos Los porfidoclastos de anfíbol y zoisita, de (GOLDBLUM & HILL, 1992). Los flui- menor tamaño, presentan extinción ondu- dos podrían proceder de reacciones de des- lante y a menudo textura en mortero. Es hidratación a alta P/alta T en los gneises prácticamente imposible distinguir mine- asociados a las eclogitas, mas abundantes rales en la matriz debido a la reducción en relación con las eclogitas con distena, lo extrema del tamaño de grano. Por las que explicaría la mayor deformación y características de los porfidoclastos, se retrogradación de éstas. Los minerales de deduce que esta deformación muy intensa la matriz de estas rocas, distena, zoisita, afectó a una eclogita fuertemente anfiboli- anfíbol, clinopiroxeno simplectitizado tizada y retrogradada previamente. Son (más plagioclasa secundaria) y cuarzo defi- rocas prácticamente sin recristalización o, nen una foliación milonítica bien desarro- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Evolución metamórfica y significado geodinámico 163 en todo caso, en facies de los esquistos ver- den mayoritariamente a eclogitas del tipo des. B (eclogitas de terrenos metamórficos de La retrogradación puede darse también grado medio-alto), en menor proporción a sin deformación asociada, especialmente eclogitas del tipo C (eclogitas de zonas en las eclogitas comunes, en cuyo caso se orogénicas alpinas asociadas con esquistos desarrollan simplectitas de clinopiroxeno- azules), y sólo algunos poseen composicio- plagioclasa secundarios a partir de la onfa- nes de eclogitas tipo A (eclogitas mantéli- cita primaria, así como anfíboles a partir cas o relacionadas con kimberlitas o peri- de granate y piroxeno, los cuales crecen dotitas). La variación composicional de los con una orientación cristalográfica próxi- granates refleja las diferencias en el qui- ma a la de la onfacita. Las coronas de anfí- mismo de la roca total siendo los de las bol secundario alrededor de granate centi- eclogitas ferrotitaníferas los más ricos en métrico así como los agregados simplectí- molécula de almandino, con una composi- ticos dan un aspecto característico a las ción media de Alm48Grs29Prp23, los de las eclogitas retrogradas. eclogitas con distena los más ricos en piro-
po, Alm37Grs21Prp42, mientras que la com- MINERALOGÍA posición media en las eclogitas comunes es
Alm45Grs24Prp30. El contenido en espesar- Se han realizado unos 700 análisis de tina es < 2 % generalmente. Los granates minerales de 50 muestras seleccionadas de pueden estar zonados y presentar composi- eclogitas. Los análisis se han realizado con ciones variables dentro de una misma una microsonda electrónica Camebax muestra. Entre los granates zonados se Micro en la Universidad Clermont- pueden distinguir las siguientes pautas: Ferrand (Francia) con las siguientes condi- 1) Granates con zonado de crecimien - ciones físicas: 15 kV de tensión de acele- to progrado (HOLLISTER, 1966; TRACY, ración, 10 nA de intensidad del haz y 10 s. 1982; FROST & TRACY, 1991, SPEAR, De tiempo de contaje. Los patrones utili- 1993, entre otros), se conserva sobre todo zados han sido óxidos y silicatos suminis- en granates de las eclogitas con distena, trados por el B.R.G.M. y los resultados donde Mn, Ca y la relación XFe disminuyen obtenidos fueron corregidos por el progra- de centro a borde mientras que el Mg ma ZAF de CAMECA. Las fórmulas aumenta (figura 2). Pueden presentar un estructurales y las cantidades de Fe3+ se zonado inverso en el borde (generalmente han calculado mediante balance de cargas en las últimas 100 mm) con aumento de asumiendo estequiometría de los minera- Mn, Ca y XFe y disminución de Mg, que se les. Para establecer el modelo de zonación interpreta como un zonado retrógrado debi- que presentan los granates se ha utilizado do al intercambio del granate con las fases la técnica del barrido y análisis puntuales de la matriz durante el enfriamiento de la realizados sobre una transversal. roca (MEDARIS et al., 1995, entre otros). Granate. Según la clasificación de 2) Granates con zonado de difusión COLEMAN et al. (1965), los granates de (ROBINSON, 1991; CHAKRABORTY las eclogitas de Cabo Ortegal correspon- & G A N G U LY, 1991; S P E A R, 1993, 164 MENDIA et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Figura 2. A) Granate con perfil progrado de eclogita con distena; B) Detalle del borde retrógrado (aprox. 50 mm) de un granate zon zonado progrado. Grs: molécula de grosularia; Prp: de piropo; Alm: almandino; Sps: espesartina; Fe*: relación Fe/Fe+Mg. Unidades en proporciones molares, salvo Fe*. entre otros), esto es, con perfil totalmente eclogitas con un grado de retrogradación plano para todos los elementos, o para nulo o incipiente, el zonado presenta osci- todos excepto el Ca (que puede disminuir laciones de algunos elementos como el hacia el borde). Implicaría una difusión Mn, lo que podría reflejar la presencia de intracristalina a T suficientemente elevada varios núcleos de granates; (ii) en eclogitas como para borrar la zonación preexistente. que muestran una deformación y retrogra- Los granates homogeneizados también dación mayores (aunque se conserva el presentan en ocasiones un zonado retró- piroxeno primario), el perfil tiene dos par- grado, ya sea en la zona de borde o afec- tes claramente diferenciadas con tenden- tando a la mayor parte del cristal, con Mn, cias inversas: zona central con disminu-
Fe y XFe aumentando hacia el borde, Mg ción del contenido en Mg a partir del cen- disminuye y Ca es variable. tro y zona externa con aumento considera- 3) Los granates con zonado irregular ble de dicho elemento hacia el borde; Fe y presentan perfiles que no se puede asignar XFe varían a la inversa, mientras que el Mn a ninguno de los tipos descritos anterior- muestra un perfil continuo de disminu- mente. Se pueden distinguir dos subtipos, ción del contenido de centro a borde (figu- que además están relacionados con el ra 3); una variante a este perfil correspon- grado de deformación de la roca: (i) en de a granates con un núcleo homogéneo. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Evolución metamórfica y significado geodinámico 165
Figura 3. Perfil de granate con zonado irregular. Grs: molécula de grosularia; Prp: de piropo; Alm: de almandino; Sps: de espesartina; Fe*: relación Fe/Fe+Mg. Unidades en proporciones molares, salvo Fe*.
Zonados irregulares análogos en eclogitas fico (sin-D1) y registrarían un segundo se han interpretado como dos estadios evento en el que se produjo un recreci- diferentes del metamorfismo, o bien como miento del granate en condiciones progra- el producto de un cambio durante el das. Este crecimiento progrado se correla- mismo evento metamórfico (e.g., ciona con los efectos de la D2 (zonas de GHENT, 1988; O'BRIEN, 1993). cizalla) y posteriormente se cuantificará Los granates con perfiles irregulares se (P-T) como tal. Los mencionados eventos encuentran generalmente en rocas miloni- metamórficos podrían estar relacionados tizadas de zonas de cizalla, las cuales ade- primero con la formación de la roca (eclo- más, han sufrido una recristalización con gitización) y segundo, posterior apila- crecimiento de los granates y disminución miento de láminas con formación de las del tamaño de los minerales de la matriz zonas de cizalla. (especialmente Omp y Ky), de donde se Otras características observadas en deduce que ambos procesos están relacio- estos granates son que el tamaño del nados. Así, estos granates con perfiles irre- mismo no siempre se correlaciona directa- gulares tendrían una zona de núcleo for- mente con el tipo de zonado, existiendo mado durante el primer evento metamór- granates centimétricos homogéneos y 166 MENDIA et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) otros milimétricos zonados, dependiendo composiciones de los anfíboles varían del proceso que los ha formado, es decir, desde tschermakita a tremolita y de parga- por unión de varios núcleos previos o sita ferrosa a hornblenda edenítica, recrecimiento. Los zonados retrógrados no habiendo unos pocos que se proyectan en son muy frecuentes, lo que junto a la con- el campo de las hastingsitas. No existe una servación de zonaciones progradas sugiere clara relación entre composición y textura. velocidades de exhumación relativamente Los cambios en la composición de los anfí- rápidas. boles se pueden describir en general en Clinopiroxeno. Su composición refle- términos de sustitución tipo pargasita y ja también, aunque en menor medida, la tschermakita (Al-, Ti- y Fe-) en las eclogi- composición de la roca. La composición tas con distena y ferrotitaníferas, y de ede- media de los clinopiroxenos primarios nita, tschermakita (Ti-, y menos, Al-) y en (componentes según ESSENE & FYFE menor medida otras sustituciones no (1967) de eclogitas comunes es de comunes con participación de otros catio-
Aeg0Aug69Jd31, (con un contenido máximo nes, en las eclogitas comunes. en Jadeita de 44 mol %), en las eclogitas Grupo de la epidota. La zoisita pri- con distena es de Aeg0Aug70Jd30 (Jdmax, 47 maria ortorrómbica posee composición de mol % ) y en las ferrotitaníferas de zoisita a zoisita férrica dependiendo del
A e g6A u g5 9J d3 5 ( J dm a x, 41 mol %). contenido en Fe de la roca y se encuentra Localmente el piroxeno puede contener tanto en la matriz en forma de cristales importante cantidades de Cr (hasta 4.08 prismáticos como incluida en granate. En
% de Cr2O3). En general el piroxeno está eclogitas retrogradadas puede aparecer cli- poco zonado y las zonaciones observadas nozoisita secundaria. La epidota sólo está no siguen pautas sistemáticas. presente en algunas venas tardías en eclo- Existe otro tipo textural de clinopiro- gitas muy retrogradadas en facies de los xeno sódico, cpx 2, observable sólo en eclo- esquistos verdes. gitas con distena de las zonas de cizalla. En Distena. Contiene cantidades de Al2O3 estas rocas la onfacita primaria aparece en que varían entre 61.73 y 63.87 % y posee agregados granoblásticos (cpx1) rodeados contenidos bajos de Ti O2 (0-0.08 %), de onfacita (cpx2) y distena orientadas y de Fe2O3 (0.06-0.65 %) y Cr2O3 (0-0.42 %). menor tamaño (fotografía II.B). Los cpx2 Excepcionalmente aparece distena cromí- no muestran cambios importantes en fera con contenidos en Cr2O3 de hasta cuanto a su composición con respecto a los 10.87 %. No existen diferencias composi- cpx1. cionales significativas entre las distenas de También aparece piroxeno secundario la matriz y las incoloras incluidas en otros en simplectitas con plagioclasa y composi- minerales. ción variable desde onfacita menos sódica Micas. La mica potásica estable pre- que el clinopiroxeno primario hasta augita sente en los tres tipos de eclogita es fengi- sódica. ta. El valor del Si puede tomarse como A n f í b o l. Las eclogitas con distena una función lineal de la sustitución tscher- poseen loa anfíboles más magnesianos. Las makítica, y puede ser aplicado con fines CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Evolución metamórfica y significado geodinámico 167 termobarométricos. En las eclogitas ricas zación a mayor profundidad estaría repre- en Fe-Ti la biotita es relativamente abun- sentado por los minerales de la matriz (cli- dante, tanto incluida en otros minerales nopiroxeno con Jdmax, fengita con Si max) y el como en la matriz. Es por tanto, un mine- granate progrado de máximo contenido en ral estable en la asociación eclogítica. Mg (sin evidencias de retrogradación) en Entre los minerales considerados relic- contacto y equilibrio textural con los mis- tos debido a que únicamente se encuen- mos. No obstante, aunque tal asociación tran como inclusiones en granate y a veces permite calcular las condiciones P-T distena se encuentran: paragonita, estau- máximas, no es seguro que corresponda al rolita (ky-eclogitas) y albita texturalmen- máximo real del metamorfismo dado que te primaria (Ab97). El feldespato-K puede el granate presenta a menudo indicios de representar una fase de alta presión resul- homogeneización (los granates con perfiles tado de la fusión parcial, o bien tener un homogéneos representarían una asociación origen secundario. La presencia de carbo- muy próxima al máximo metamórfico nato primario indica en primer lugar que siempre que no muestren bordes retrógra- la actividad del agua ha sido en muchos dos). casos < 1, y su composición dolomítica podría indicar altas P (LAPPIN & Estadio eclogítico II (EE-II) o esta- SMITH, 1981; SMITH, 1988). dio post-pico metamórfico
EVOLUCIÓN METAMÓRFICA Este estadio está mejor representado en las eclogitas con distena deformadas de las zonas de cizalla, caracterizadas por el cre- Estadio eclogítico I (EE-I) cimiento de granates centimétricos y reducción del tamaño de grano de la
En las rocas mejor preservadas la para- matriz (formación de cpx2). Se ha conside- génesis eclogítica está representada por la rado como representativo de este estadio, asociación presente en la matriz: onfacita1 EE-II, el borde progrado recrecido del gra- + granate + cuarzo + rutilo ± zoisita ± nate (máximo de Mg) en contacto con los distena ± anfíbol ± fengita, formada minerales eclogíticos de menor tamaño de durante la primera fase de deformación la matriz. Los datos texturales que apoyan (D1). Se puede distinguir una etapa pre- esta interpretación (ver apartado de des- via al máximo eclogítico representada por cripción) son la existencia de grandes cris- los núcleos de granates progrados y los tales de onfacita en agregados granoblásti- minerales incluidos ocasionalmente en las cos (cpx1) rodeados por agregados de onfa- zonas centrales de éstos: anfíbol, mica y, cita y distena orientados y de menor tama- más raramente, clinopiroxeno o, en las ño (cpx2) (fotografía IIB). Este segundo eclogitas con distena, estaurolita, los cua- estadio, todavía en condiciones eclogíticas les constituyen la asociación en equilibrio es sintectónico con la segunda fase de que registra la trayectoria prograda previa deformación, D2, responsable del apila- al máximo bárico. El estadio de recristali- miento de las diferentes láminas de eclogi- 168 MENDIA et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) tas (y otras unidades del Complejo) y el ausencia general de equilibrio textural comienzo del levantamiento del conjunto. entre las fases descritas, las variaciones composicionales (e.g., plagioclasa sódica o Estadio anfibolítico y subsecuentes, cálcica según se forme a partir de piroxeno post-HP o de granate; piroxeno más o menos pobre en Na dependiendo del estadio de sim- Corresponde a las reacciones de deses- plectitización, etc.) o la imposibilidad de tabilización de las fases primarias con sim- cuantificar el momento en el que se pro- plectitización de piroxeno y fengita y for- dujeron estos equilibrios locales. mación generalizada de anfíbol secunda- rio. La onfacita da lugar a clinopiroxeno CONDICIONES P-T secundario y plagioclasa sódica con des- arrollo de varios tipos de simplectitas. Así Las estimaciones termobarométricas se mismo, la fengita se desestabiliza para dar han realizado utilizando las calibraciones lugar a biotita más plagioclasa. La distena experimentales o formulaciones considera- se altera generalmente a un agregado de das más fiables, de entre las que destaca- micas de muy pequeño tamaño entre las mos: Grt-Onf (ELLIS & GREEN, 1979; que se han podido determinar fengita y P O W E L L, 1985; K R O G H, 1988; margarita, aunque otras veces se producen B E R M A N et al., 1995), Grt-Phe simplectitas formadas por corindón y pla- (GREEN & HELLMAN, 1982), Grt-Am gioclasa. Esta retrogradación puede ir (P O W E L L, 1985; P E R C H U K, 1991), acompañada de deformación. Si la tasa de Grt-Bt (LAVRENT'EVA & PERCHUK, deformación es alta se produce una consi- 1981), etc. así como el contenido de jadei- derable reducción del tamaño de grano de ta en el clinopiroxeno para calcular la pre- la matriz dando lugar a rocas miloníticas a sión mínima según el método de ultramiloníticas. El proceso de retrogra- HOLLAND (1980, 1990). Las T obteni- dación se continúa con la formación de das para el par Grt-Cpx presentan una asociaciones típicas de la facies de los gran dependencia del contenido en Fe2 del esquistos verdes con clorita, albita, actino- clinopiroxeno, reflejo a su vez del conteni- lita y epidota a partir de los minerales pre- do en Fe de la roca. La formulación de existentes. POWELL (1985) es la que ha proporcio- Se considera que los primeros estadios nado los resultados más coherentes para o comienzo de la retrogradación de las eclogitas comunes y ferrotitaníferas, y la eclogitas están representado por los bordes de ELLIS & GREEN (1979) para las eclo- retrógrados del granate en contacto con el gitas con distena. Los resultados se pre- piroxeno secundario (menos onfacítico o sentan como valores promedio de los obte- diopsídico), anfíbol secundario y plagio- nidos para cada tipo de rocas en cada esta- clasa. Las asociaciones con plagioclasa per- dio. miten estimaciones relativamente precisas Así mismo, se ha utilizado el método de la P para este estadio, sin embargo, del multiequilibrio basado en la asociación existe una gran incertidumbre debido a la Grt-Omp-Phe ± Am para lo cual se ha CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Evolución metamórfica y significado geodinámico 169 utilizado la versión PTAX del programa más elevadas y presiones más bajas (c. 20 GE0-CALC de BROWN et al. (1988), con °C y 2 kbar, método del multiequilibrio), la base de datos modificada por lo que implicaría un máximo térmico a P MASSONNE (1992). Esta modificación algo inferior al máximo bárico como resul- consiste en una ampliación de la base de tado de la recuperación térmica al inicio datos previamente existente, añadiendo del levantamiento. nuevas fases (e.g., celadonita, cloritoide, etc.) y datos termodinámicos para fases ya Condiciones del estadio eclogítico II existentes (e.g., piropo y moscovita) a par- tir de nuevos datos experimentales del Las condiciones obtenidas para las autor y modelos de a-X para las fases Grt, rocas en las zonas de cizalla de las eclogi- Ms, Cpx y Am. Este último método per- tas con distena: 650 °C, > 14 kbar (méto- mite calcular la presión independiente- do convencional), y c. 660 °C, 20,3 kbar mente del contenido en Jd de la onfacita, (multiequilibrio), corroboran que el lo que, en principio, daría presiones más segundo evento de recristalización impor- acordes con la realidad, superiores a las tante se produjo, así mismo, en facies de mínimas. Este método permite también las eclogitas. Los resultados obtenidos calcular la actividad del agua en presencia para granates homogeneizados (granates de anfíbol y cuarzo en equilibrio con la centimétricos homogéneos y matriz de asociación eclogítica. Los resultados obte- grano más fino) proporcionan valores de T nidos son bastante coherentes para las con- algo más altos, c. 700 °C, y P unos 2,5 diciones eclogíticas (estadios EE-I y EE-II) kbar más bajas. obteniéndose datos en un rango bastante limitado del espacio P-T. Condiciones de la retrogradación
Condiciones del estadio eclogítico I La evolución retrógrada se caracteriza en primer lugar por un rápido levanta- Las condiciones del m e t a m o r f i s m o miento con una descompresión importan- progrado previo al máximo eclogítico te bajo condiciones de T aproximadamen- corresponden ya a la facies de las eclogitas te isotérmicas: c. 700 °C y 14 kbar para las de acuerdo con los dos métodos utilizados: asociaciones del tipo Grtb o r d e- C p x2-Pl y c. 700 °C y 15 kbar. La trayectoria pro- Grtborde-Am-Pl, en rocas con restos eclogíti- grada de estas rocas indicaría un simple cos. Siguió un proceso de descompresión aumento de P-T hacia el máximo registra- menos acusada acompañada de enfria- do, para el que se han obtenido las miento, hasta llegar a condiciones de c. siguientes condiciones: c. 780 °C y 22 600 °C y 12 kbar, en rocas sin restos eclo- kbar por el método de multiequilibrio, y gíticos. Posteriormente tuvo lugar la ter- c. 770 - 800 °C, y > 17,9 kbar, por el cera fase de deformación, D3, que se des- método convencional. Los resultados arrolló en condiciones anfibolíticas y para obtenidos utilizando granates homogenei- la que los anfíboles secundarios y la pla- zados indican temperaturas ligeramente gioclasa formados durante esta etapa dan 170 MENDIA et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) condiciones de c. 550 °C y 8-10 kbar. La único mecanismo de exhumación de estas evolución posterior, relacionada con el des- rocas como se deduce de los datos estruc- arrollo de zonas de cizalla centimétricas turales y los valores de P-T para los suce- (D4) tuvo lugar en condiciones de la facies sivos estadios de recristalización. Tras el de los esquistos verdes y durante la misma inicio del levantamiento de los materiales la unidad alcanzaría los niveles corticales eclogíticos tuvo lugar una fase de recrista- mas superficiales. lización sin-cinemática (sin-D2) en condi- ciones aún eclogíticas pero de menor P y T EVOLUCIÓN P-T-DEFORMACIÓN, (660 °C, 20 kbar). El proceso ha quedado INTERPRETACIÓN GEODINÁMI- registrado principalmente en las rocas CA Y CONCLUSIONES situadas en zonas de cizalla mayores de la unidad eclogítica que limitan distintas Los resultados obtenidos permiten láminas de eclogitas comunes o aparecen reconstruir buena parte de la evolución entre dichas eclogitas y las unidades supra seguida por las eclogitas de Cabo Ortegal e infrayacentes. La deformación y recrista- (figura 4). La evolución prograda alcanzó lización asociada se han relacionado con el condiciones de la facies eclogítica (c. 700 apilamiento de las unidades que formarían °C, 15 kbar) antes del máximo bárico parte del prisma de acreción (ÁBALOS et aumentando tanto la T como la P hasta al., 1996) y sería el responsable del levan- llegar a unos 780 °C y 22 kbar. Durante tamiento tectónico del conjunto hacia esta etapa tuvo lugar la deformación, D1, niveles de la corteza media. que dio lugar a la orientación preferente La evolución retrógrada incluye una de la onfacita y el desarrollo de las folia- fase posterior de recristalización con escasa ciones y lineaciones principales (ENGELS, deformación asociada (simplectitas de 1972; ÁBALOS, 1997). La recuperación grano fino no orientadas) que indica que de las isotermas subsecuente al máximo tuvo lugar una rápida descompresión en enterramiento provocó un ligero aumento condiciones prácticamente isotermas o con de temperatura alcanzándose el máximo un débil descenso de la temperatura (hasta térmico a una presión ligeramente inferior 14 - 15 kbar, y 700 °C). Dos nuevos epi- (c. 800 °C, 20 kbar), lo que indica una tra- sodios de deformación, D3 y D4, dieron yectoria en sentido horario análoga a la lugar a abundantes estructuras extensiona- reconocida en numerosos terrenos meta- les desarrolladas en facies de las anfibolitas mórficos de alta presión (ENGLAND & y esquistos verdes, respectivamente, lo que RICHARDSON, 1977; THOMPSON & sugiere una evolución con un descenso E N G L A N D , 1984; THOMPSON & continuo de P y T hasta el emplazamiento R I D L E Y, 1987). Dicha temperatura de la unidad en su posición actual . correspondería, así mismo, a la de homo- Teniendo en cuenta los datos de edad geneización de los granates en las eclogitas disponibles para los distintos episodios estudiadas. descritos es posible precisar la trayectoria Sin embargo, esta relajación térmica no P-T-deformación con una dimensión tem- debió extenderse mucho tiempo ni ser el poral. Los protolitos de las eclogitas, rocas CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Evolución metamórfica y significado geodinámico 171
Figura 4. Trayectoria P-T-d-t para las eclogitas del complejo de Cabo Ortegal. A: condiciones del pico metamórfico estimadas en rocas que han registrado D1 (multiequilibrio). B: condiciones del máximo metamórfico calculado para D2 en zonas de cizalla. Límites de las facies metamórficas según Spear (1993). Silicatos de aluminio según HOLDAWAY (1979). 172 MENDIA et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) básicas de afinidad MORB con diversos tización generalizada de las rocas con grados de evolución magmática metamorfismo de alta presión del (MENDIA, 1996, 2000) se habrían for- Complejo se produjo entre 375 y 385 Ma mado hace unos 480-510 Ma, al igual que (Van CALSTEREN et al., 1979; PEUCAT los de otras rocas básicas del Complejo et al., 1990; VALVERDE VAQUERO & afectadas por el metamorfismo de alta pre- FERNÁNDEZ, 1996). La evolución pos- sión. Podría tratarse de un segmento de terior hasta condiciones de facies de los corteza oceánica desarrollado durante el esquistos verdes se relaciona con el des- Paleozoico Inferior correspondiente en tér- arrollo de estructuras extensionales de minos generales al océano situado entre carácter local (D4) y culminaría hace unos Gondwana y Laurentia. La formación de 350-360 Ma (P E U C AT et al., 1990; las eclogitas durante la primera fase de DALLMEYER et al., 1997). Estos últimos deformación (D1) se habría producido a c. episodios tectonometamórficos estarían 70-75 km de profundidad, lo que unido a relacionados con las etapas finales de exhu- la afinidad oceánica de los protolitos de mación y emplazamiento del Complejo en estas rocas sugiere un contexto de subduc- su posición estructural actual. El levanta- ción. Este evento tectono-térmico de alta miento tectónico de las eclogitas, junto presión y alta temperatura ocurrió hace c. con la localización en zonas discretas de las 390-400 Ma (P E U C AT et al., 1990; últimas fases de deformación producidas a SANTOS ZALDUEGUI et al., 1996; T netamente más bajas (£ 400 °C) y tasas VA LVERDE & FERNÁNDEZ, 1996; de deformación bastante más rápidas (c. 7 ORDÓÑEZ, 1998) y puede considerarse mm/ año) permitió la conservación de el inicio del ciclo orogénico Hercínico en estas rocas y las preservó de una deforma- estos materiales. El gradiente geotérmico ción interna tardía más penetrativa resultante para la formación de las eclogi- (ÁBALOS et al. 1996). La exhumación se tas sería inferior a 12 °C/km. relacionaría, al igual que en el caso de El apilamiento subsecuente de las dis- otros complejos de Galicia (e. g., Órde- tintas láminas de eclogitas y de las distin- nes), con un proceso de extensión sin-coli- tas unidades del complejo durante D2 sional. Los datos estructurales, petrológi- atestiguan que nos hallamos ante un frag- cos y geocronológicos sugieren una evolu- mento de cuña orogénica relacionada con ción común para las distintas unidades el margen activo de Gondwana. La edad que componen el 'alóctono superior' o del episodio de apilamiento no ha sido 'Unidad Catazonal Superior' del establecida con precisión aunque algunos Complejo, esto es, para el conjunto de gra- datos de recristalización en zircones de nulitas, eclogitas, metaperidotitas y gnei- eclogitas apuntan a una edad próxima a ses con metamorfismo de alta presión. 385 Ma (ORDÓÑEZ, 1998). La anfiboli- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Evolución metamórfica y significado geodinámico 173
LÁMINA I A.- Eclogita común (oscura) con textura granoblástica orientada. Ancho de fotografía: 4 mm B.- Fengita primaria en equilibrio con granate y onfacita en eclogita con distena. Ancho de fotogra - fía: 0,8 mm C.- Eclogita con distena (clara) con textura granonematoblástica. Ancho de fotografía: 4 mm D.- Eclogita rica en Fe y Ti (muy oscura) con textura granoblástica orientada. Ancho de fotografía: 4 mm Abreviaturas utilizadas: Omp: onfacita; Grt: granate; Zo; zoisita; Rt: rutilo; Qtz: cuarzo; Phe: fen- gita; Ky: distena. 174 MENDIA et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Evolución metamórfica y significado geodinámico 175
LÁMINA II A.- Eclogita con distena de una zona de cizalla eclogítica (D2), mostrando granates relativamente grandes (el de la foto mide 1,3 cm) y matriz de tamaño reducido, mostrando una foliación y linea- ción bien desarrolladas. Ancho de fotografía: 6 mm B.- Detalle de clinopiroxenos primarios (Omp I) rodeados por un agregado de distena y clinopiro- xeno (Omp II) recristalizados de menor tamaño. Ancho de fotografía: 2,3 mm C.- Eclogita con distena retrogradada y deformada en zonas de cizalla (condiciones anfibolíticas, D3), con textura milonítica donde destacan los de porfidoclastos de granate de gran tamaño, los cuales le dan el aspecto característico a estas retroeclogitas. La matriz se compone de distena, zoi- sita, anfíbol, clinopiroxeno totalmente simplectitizado (más plagioclasa secundaria) y cuarzo, los cuales definen la foliación milonítica bien desarrollada que presentan estas rocas. Ancho de fotogra - fía: 6 mm D.- Retroeclogita ultramilonítica en bandas de cizalla centimétricas relacionadas con D4. Destacan los porfidoclastos de granate, y de menor tamaño, de anfíbol y zoisita, en una matriz de gano muy fino. Ancho de fotografía: 4 mm Abreviaturas utilizadas: Omp: onfacita; Grt: granate; Zo; zoisita; Rt: rutilo; Qtz: cuarzo; Phe: fen- gita; Ky: distena 176 MENDIA et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
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Geostatistical interpolation of topographical field data in order to obtain a DEM of a small forest catchment in Northwest Spain Interpolación geoestadística de datos topográficos para obtener un MED de una pequeña cuenca forestal en el noroeste de España
THONON, I.1 & CACHEIRO POSE, M.2
AB S T R A C T
This article gives an example of the elaboration of a digital elevation model (DEM) with the aid of geostatistics, using the case of a small experimental catchment near Arcos de la Condesa in Galicia, Spain. A DEM is a necessary tool in present-day erosion and lands- cape modelling. The geostatistical method of DEM construction involves six steps, star- ting with the removal of the drift and ending with the final interpolation. The drift was almost completely eliminated by a first order trend surface. After it had been confirmed that no heteroscedacity is present in the data set, the resulting experimental variogram was fitted by an anisotropic Gaussian variogram model, which is the variogram model that is generally used for DEM interpolation. Cross validation was used to determine the optimal number of data points to be used in interpolation. The interpolation results were found to be satisfactory and the interpolation standard deviations are below the data set standard deviation. It is yet noted that this uncertainty in the DEM – although small – may influence its derivatives and subsequent model results. However, when Cadernos Lab. Xeolóxico de Laxe Coruña. 2001. Vol. 26, pp. 179-190
compared to other methods of DEM elaboration, the method as used here is an easy, ade- quate and relatively fast method, that has the major advantage of providing interpola- tion errors, enabling an evaluation of the interpolation result.
Key words: geostatistics, kriging, interpolation, anisotropy, DEM, GIS. (1) Department of Physical Geography, Faculty of Geographical Sciences, Utrecht University, PO Box 80.115, 3508 TC, Utrecht, The Netherlands. (2) Department of Soil Sciences, Faculty of Sciences, University of A Coruña, A Zapateira, 15.071, A Coruña, Spain. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Geostatistical interpolation 181
INTRODUCTION the points in space, the z co-ordinates denote the height. In table 1, the descrip- A DEM is a necessary tool for the cal- tive statistics of the data set are given. culation of slope, aspect, drainage direc- Note that also the height has an arbitrary tion and other landscape variables, which origin at 1000 m. It is therefore unsound are frequently used in erosion modelling. to calculate the CV (coefficient of varia- Examples of other DEM elaborations with tion). the aid of so-called geostatistics or kriging In figure 1, the histogram of the data can be found in CACHEIRO POSE et al. set is given. It can be seen that the distri- (1999) and DAFONTE DAFONTE et al. bution appears to be about normal. This is (1999). In this paper, the delineation of a important, because kriging (the method digital elevation model (DEM for short) that is to be used for interpolation) works on basis of geodetic measured field data is best with normally/Gaussian distributed described. The catchment under conside- data (ISAAKS & SRIVASTAVA 1989), ration is about 2.5 ha and is located in the although, strictly spoken, it is not obliga- region of Galicia in the northwest of tory neither a prerequisite. A normal dis- Spain. tribution only aids in optimisation of the The following assumes a basic kno- interpolation. wledge of geostatistics. When this is not There was made use of the computer present, it is referred to general textbooks programs PCRaster (Van DEURSEN & such as ISAAKS & SRIVASTAVA (1989), WESSELING 1992; KARSSENBERG BURROUGH & McDONNELL (1998) 1996), version 2, and Gstat (PEBESMA & or ARMSTRONG (1998) for this back- WESSELING 1998; PEBESMA 1999), ground. versions 2.0b and 2.1.0. PCRaster is a ras- ter based GIS program, while Gstat is a MATERIAL AND METHODS geostatistical program for interpolation and simulation. The data set that was used in the ela- Kriging is a geostatistical method to boration of the DEM consists of 307 data interpolate spatially distributed point entries with an (arbitrary, officious) x, y data in a sound and unbiased manner, i.e. and z co-ordinate. Point elevations were it looks for the BLUE (best linear unbia- measured using an Abney Level geodetic sed estimate) (ARMSTRONG 1998) instrument (Sokkia SET5A). The x and y using sophisticated matrix algebra and co-ordinates are used to fix the position of mathematical rules. This means that
Table 1. Basic statistics of the data set. *): skewness has an associated error of 0.14; **): kurtosis has an associated error of 0.28. 182 THONON & CACHEIRO POSE CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
(i.e., graphs that denote the amount of correlation between points) in the several wind directions are different from each other. Incorporating this anisotropy in the fitting of the variogram model can impro- ve the quality of the subsequent interpola- tion. A check for the presence or absence of anisotropy (when absent, the data set is called to be isotropic) can be made by making a variogram map, i.e. a 3D semi- variogram or semivariogram surface of the area. 4. fitting of a variogram model. When Figure 1. Distribution of the data set. Note that the trend is subtracted from the data set, a the distribution follows more or less a normal distribution but seems to exhibit a slight bimo- residual data set remains. The semivarian- dality as well (as demonstrated by the presence ce of these residuals is calculated and a of two peaks). (semi)variogram model is fitted, usually using fitting techniques as ‘weighted least squares’ or ‘ordinary least squares’; interpolation errors are minimised, becau- 5. cross validation. In this exercise, the se minimisation of these errors is part of models are checked on integrity and the the solution of the kriging system. different models that may be used can be Kriging (named after KRIGE (1966)), compared to each other on basis of objec- i.e. the interpolation itself, is normally tive statistical measures; carried out only after the implementation 6. Both, the semivariogram model and of a few other basic steps: the trend surface, are used for the final 1. checking for a trend or tendency in interpolation of the data set. This type of the data set. If a trend can be spotted kriging is called Universal or KT kriging. (using exploratory data analysis, map The trend surface is used to interpolate analysis etc.), removal of it will improve the global trend in the data set, the resi- and ease the next steps; dues are interpolated by the kriging 2. checking for heteroscedacity in the action with the variogram model. data set. Heteroscedacity means that the Hereafter, the steps are explained and different sub areas of the area that is to be the results of the steps are presented and interpolated exhibit different amounts of discussed. variation. If this heteroscedacity is indeed present, the area has to be divided in these RESULTS AND DISCUSSION sub areas, because otherwise a sound inter- polation cannot be guaranteed; 3. checking for anisotropy in the data Step 1: delineation of a possible trend set. Anisotropy means that the variograms CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Geostatistical interpolation 183
The most general used trend surface is tribution the best (this is impossible, for a based on x and y co-ordinates. With these second and third order trend surface have spatial co-ordinates, the data set values are more degrees of freedom), but the vario- to be predicted in the total area. This pro- gram that can be constructed afterwards is ceeds through the use of ‘least squares’ fit- more sound in geostatistical sense. This ting techniques in combination with the will be explained later. Besides, the qua- following formula: lity of the fit in terms of the size of the residuals of the trend surface is rather
z(x, y) = b1· x + b2· y + b0 (Eq. 1) unimportant: the residuals are after all fit- ted by the kriging. Kriging is not influen- with: z = value (in this case height) ced by the size of the residuals, only by that has to be interpolated [m]; bn = a their distribution. constant derived from the ‘least squares’ In figure 2a, the fitted first order trend fitting of the trend surface through the surface can be seen, while in figure 2b the data set; x = x co-ordinate [m]; y = y co- distribution of the residuals is depicted. ordinate [m]. There also exist second, third and hig- Step 2: checking for heteroscedacity her order trend surfaces. Gstat can inter- polate up to a third order trend surface. In figure 2b, it can be seen that the The second and third one were also eva- distribution of the residuals is confined to luated, but these were not used here since a narrow region around 10.4 to 10.8. the first order trend surface proved to be Because the residuals can be regarded as the better one. The first order trend surfa- the unexplained variance of the trend sur- ce did not prove to be the best one in the face, and therefore as a pseudo variance of sense that the surface fitted the data dis- the data set, this is a first indication that
Figure 2a. The height according to the first Figure 2b. The distribution of the residuals. order trend surface. 184 THONON & CACHEIRO POSE CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
However, when it is decided that the area exhibits anisotropy, the anisotropy ratio may aid in the determination whether it is necessary or not to interpolate with an anisotropic variogram model: the closer it is to 1, the less necessary. The anisotropy ratio is calculated by dividing the range of the minor axis by the range of the major axis (see figure 4 for the explanation of these terms) in the case of geometric ani- sotropy. In the case of zonal anisotropy, the anisotropy ratio is the lowest sill divided Figure 3. The standard deviation per cell as cal- culated for a split moving window of 30 by 30 by the highest sill, provided that the m. Note the small differences in values and the directions in which these sills are measu- general homogeneity of the area. red are perpendicular to each other, as in figure 4. The variogram map is depicted in figure 5. It can be seen that the major axis the data set probably is homoscedastic: the is trended Northwest–Southeast (the low variance is about equally distributed over semivariances), directing about 140º the whole area. clockwise from North. By definition, the This is confirmed by a PCRaster model minor axis is thus directed 50º clockwise that calculates the standard deviation per split moving window: see figure 3. Note that the differences in this case are larger (the calculation method is different) but a range in standard deviation of about 2 m on a range in the data set of about 35 m is still rather small. Therefore, the data set can be considered homoscedastic. However, there does not exist an objective method to determine whether an area is homoscedastic or not; ‘expert judgement’ on a visual basis is the only method.
Step 3: checking for anisotropy Figure 4. Example of geometric anisotropy, i.e. The check for anisotropy basically anisotropy in the range of the variograms. The evolves in the same way as step 2: through longest axis (trending approximately the creation of a variogram surface and Southwest–Northeast) is called the major axis. The axis perpendicular to this axis is called the visual interpretation of this map surface. minor axis. Source: PEBESMA (1999). CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Geostatistical interpolation 185
(ISAAKS & SRIVASTAVA 1989; ARMS- TRONG 1998). These nuggets were rai- sed up to little above zero, in order to assure the soundness of the variogram model. To correct for the larger nugget, the sill was lowered with the same amount. In almost all cases, variogram models that fit topographical data (i.e., height) are of the Gaussian type (BURROUGH, pers. comm.; PAZ GONZÁLEZ, pers. comm.; CACHEIRO POSE & VA L C Á R C E L Figure 5. 2D representation of the variogram surface. The nugget is in the centre of the map, ARMESTO 1999). Also in this case, only the semivariance increases to the outer rims of Gaussian variogram models were fitted. the map. This is because topography a very smo- othly changing surface and this characte- ristic is reflected in the Gaussian model. In figure 6, the three isotropic vario- from North. This is an example of geome- grams with their fitted models are shown. tric anisotropy, because the sill that the It can be seen that the two variograms for minor axis reaches is later reached in the the second and third order trend surface direction of the major axis. When this fact have a decrease in semivariance after the is incorporated in the interpolation action, sill is reached, i.e. at distances longer than the kriging results are expected to be the range. This was the main reason for more reliable than without this aniso- the choice of the first order trend surface tropy. to underlay the interpolation of the data set: its semivariogram can also be fitted Step 4: fitting of a variogram model adequately after the range with a single model. When the variogram decreases In this step, a graph of the semivarian- after the sill, this can be fitted by imple- ce is drawn and a variogram model is fit- menting an additional periodic variogram ted by adjusting the fitting parameters by model (incorporating a sine function) but hand or automatically through one of the this model is hard to fit and results in an several methods of possible in Gstat. In interpolation more prone to floating point this case, the first fitting was done by and other errors. Gstat using ‘weighted least squares’ The variogram of the first order trend (WLS), the later ‘fine tuning’ was done surface however has an increase after the manually. This optimising of the fit had to sill, indicating that the trend is not com- be done manually, because Gstat delivered pletely removed yet. Still, the variogram variogram models with negative nuggets. for the first order surface was chosen These are known to be inadmissible because of its better fit and longer range 186 THONON & CACHEIRO POSE CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Figure 6a. The isotropic semivariogram after Figure 6b. The isotropic semivariogram after the application of the first order trend surface. the application of the second order trend sur- face.
Figure 6. The three different isotropic vario- grams after implementation of a trend surface. Note the non-fit of the variograms after the range and the increase and decreases, respecti- vely. Note also that the decrease of residuals Figure 6c. The isotropic semivariogram after with the increase in order is reflected in the the application of the third order trend surface. semivariance values on the y axis [m2].
than the second order trend surface vario- The two variograms that emerge were eva- gram. The higher the sill and the longer luated to obtain the anisotropy ratio. In the range of a variogram, the more struc- this case, this ratio is 0.5, i.e. the range in tured it is and the better the interpolation the direction of the major is half of that in results are (ARMSTRONG 1998). the direction of the minor axis (geometric Note that the above depicted vario- anisotropy). grams are only for illustration purposes, The two anisotropic variograms for the for they are all isotropic and an anisotropic residuals that are left after the application variogram was used during kriging. In the of the first order trend surface are shown subsequent variogram fitting, the aniso- in figure 8, one for the major axis and one tropy that was detected in Step 3 was for the minor axis. The fit for the vario- implemented. This was done by adjusting gram in the direction of the minor axis is in Gstat the search radius to a confined not as good as that for the major axis, but region, that has the same trend as either still acceptable. Note that the sills are the major or the minor axis (see figure 7). almost the same, about 12.3 m2. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Geostatistical interpolation 187
Figure 7. In the left figure, only the data that are located around the East–West trending major axis are used and subsequently only the data in the North–South direction are used for the calculation of the semivariogram in the direction of the minor axis (in the case of geometric anisotropy). In the right figure, the search radius that is normally used for isotropic variogram calculation is shown.
Figure 8a. The semivariogram in the direction Figure 8b. The semivariogram in the direction of the minor axis (50º clockwise from North). of the major axis (140º clockwise from North).
Step 5: cross validation variogram and between different radii for interpolation. In cross validation (also called x valida- Cross validation proceeds through the tion or jack-knifing), normally a compari- interpolation on points were already a data son between different models (spherical, point is available. The data value that is Gaussian, exponential etc.) that could be measured on the interpolated point is left fitted through a data set is made. In this out of the interpolation routine. This is comparison, the model with the best sta- done for all points and the measured and tistics is used in the final interpolation. predicted results are compared. This com- Here, the cross validation was used to cho- parison results in a correlation coefficient, ose between either anisotropic or isotropic which lies between 0 and 1; 0 denotes no 188 THONON & CACHEIRO POSE CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) correlation at all between measured and special search radius of the anisotropic predicted values, 1 denotes perfect correla- case, the interpolation was carried out tion. Gstat calculates the Z score and the using this special search radius. The s e standard deviation as well. The Z score is value for this case is however still too calculated as the observed minus predic- high, but because the other two parame- ted value divided by the kriging standard ters indicate a well validated model and deviation and should be as close to zero as the parameter s e is rather sensitive, the possible. The standardised kriging stan- model was still considered validated. dard deviation should be as close to one as possible. Step 6: final interpolation In table 2, the results of the cross vali- dation exercises are summarised. It was The final interpolation was carried out chosen to check for four different radii, i.e. with the above mentioned ‘flexible’ search 20, 30 and 40 m and a special radius opti- radius and the prerequisite that at least 20 mised for the anisotropic variogram. This points were used in the interpolation. special radius is longer in the direction of When this amount of data point could not the major axis and shorter in the direction be found within the search radius, Gstat of the minor axis (see also figure 7). was commanded to look for points outside The r and Z statistics are satisfactory: the radius until the amount of 20 data both are close to one and zero, respecti- points was reached. vely. The standardised standard deviation The results are depicted in figure 9a, s e, however, is far higher than one. The while the kriging standard deviations per small kriging standard deviations are the pixel are depicted in figure 9b. Note that explanation for this phenomenon. The the borders exhibit high interpolation (predicted minus observed) values are errors. This is due to a somewhat larger divided by these standard deviations. This area of interpolation than the catchment causes the extremes of the Z distribution in reality covers and a low amount of data to be far away from zero (although the points along the catchment borders. The median and mean remain close to zero) delineation of the catchment borders and its standard deviation s e to be high. follows later. Because the lowest s e is reached by the Of the 26,225 m2 that is covered by
Table 2. Cross validation results for isotropic and anisotropic variograms, for different interpola- tion radii. *): i denotes isotropic variogram and a denotes anisotropic variogram; **) 12 is the ‘semi- variance distance’ in m2. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Geostatistical interpolation 189
Figure 9a. The results of the interpolation, the Figure 9b. The kriging standard deviations digital elevation model (DEM) of the catch- after the interpolation. ment.
the interpolation, 21,500 m 2 has an inter- several other methods of DEM elabora- polation error between three quarter of a tion. The knowledge of these errors helps meter and one meter. This sounds reasona- in the evaluation of the outcomes of ble, but in a low-relief landscape like this models that use the derivatives of DEM’s. catchment, this can have large influences on notably the runoff direction. CONCLUSIONS Furthermore, kriging is an interpola- tion method that generates a ‘smoothed’ Of the above discussion and presenta- interpolation surface, without the natural tion of the results, the following may be discontinuities or abrupt changes that in concluded: reality may be present in the landscape. · An interpolation with an anisotropic An alternative method such as Monte Gaussian variogram with the search radius Carlo simulation simulates a more natural adjusted to the anisotropy, applying ‘rough’ surface on basis of a given vario- Universal kriging with a first order trend gram and the (estimated) population stan- surface, was the best kriging action possi- dard deviation. ble in this case study. However, if the results are compared · The quality of the interpolation is with another method of DEM creation, rather satisfactory when compared to like digitising and rasterisation of analo- other methods of DEM creation, but gue maps and remote sensing techniques, interpolation errors still may influence the then it emerges that this method is relati- derivatives of the DEM and so the subse- vely precise and determinate. Besides, the quent outcome of the models that use errors are known and this is not the case in these derivatives. 190 THONON & CACHEIRO POSE CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
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Dependencia espacial de datos topográficos a escala de ladera y pequeña cuenca agrícola Spatial dependence pattern of topographical data at hillslope and small catchments scale
CACHEIRO POSE, M.1; PAZ GONZÁLEZ, A.1 & VALCÁRCEL ARMESTO, M.2
AB S T R A C T
Landscapes are characterized by both, random and non-random variability components. Random variability of topographical data, summarized by the semivariance, may be used to elaborate DEMs. The main objective of this work was the study of the spatial depen- dence pattern of topographical data, using geostatistical techniques. The experimental data sets were directly measured by means of an Abney level in six relief units, hill slo- pes or elementary first-order small catchments ranging from about 0,62 to 5,72 ha. For all the six landscape units, the spatial variation of elevation could be expressed as the sum of a deterministic term given by a lineal function and a stochastic component given by spatially correlated height residuals. For the residual elevation data sets, the experi- mental semivariograms were best fitted by gaussian isotropic models with a small nug- get effect. Scaled semivariograms, using the sample variance as scaling factor, allow the comparison of the variability pattern for different landscape units. Cross-validation was used to determine the number of data points for DEM elaboration by block kriging.
Key words: geoestatistics, semivariogram, Gaussian model, scaling, topography. (1) Facultad de Ciencias. Universidad de A Coruña. A Zapateira s/n. 15071. A Coruña. (2) E. P. S. de Lugo. Universidad de Santiago de Compostela. Campus Universitario, s/n. 27002. Lugo. 192 CACHEIRO POSE et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
INTRODUCCIÓN una escala dada" (BURROUGH, 1986). Desde el punto de vista conceptual resulta El relieve de un paisaje determinado más precisa la definición de MED debida a está caracterizado por tipos de variabilidad KRAAK & ORMELING (1996) "u n a que pertenecen a dos categorías diferentes: representación numérica de aspectos altimétricos aleatoria y no aleatoria. Dado que la com- del terreno". Para estos autores un MDT ponente no aleatoria presenta, con frecuen- consiste en "una representación tridimensional cia, una magnitud importante, muchos de de la superficie del terreno y de objetos que pre - los procesos que ocurren a escala de ladera sentan cero, una, dos o tres dimensiones espacia - o cuenca se han podido predecir en base a les y que están relacionados con dicha superfi - modelos deterministas. Por otra parte, cie". Por tanto, un MDT difiere de un más recientemente, se ha comenzado a MED en que contiene no sólo datos de explotar la variabilidad aleatoria de los altura, sino también otros elementos del datos topográficos, caracterizada mediante paisaje, que se encuentran superpuestos la función de semivarianza, para la des- sobre la representación topográfica. cripción tridimensional del relieve Para elaborar un MED es necesario dis- mediante Modelos de Elevación Digital poner de datos puntuales de altitud, que se (MED). pueden medir directamente, mediante Los modelos digitales del terreno instrumentos como estaciones topográfi- (MDT) suponen un nuevo método de cas, GPS o con altímetros aerotransporta- identificar las características del paisaje y dos ó indirectamente, en general por digi- de manejar la información territorial. talización de la cartografía disponible. Los Además, integrados en un sistema de métodos directos son más precisos, pero información geográfico (SIG), permiten el por razones de accesibilidad y rapidez se tratamiento de grandes cantidades de utilizan muchas veces como un sistema de datos por medios informáticos. Esta meto- apoyo, y los datos de altitud se obtienen dología presenta interés en cualquier dis- con frecuencia a través de métodos indi- ciplina que se ocupe del manejo de bases rectos. Un inconveniente que presentan de datos y la cartografía asistida por orde- los métodos indirectos es la dificultad de nador, como la geomorfología, la hidrolo- llevar a cabo una validación de los datos gía, la edafología, la climatología, etc., de puntuales digitalizados. modo que conforman actualmente una Los MED se encuentran en pleno des- valiosa herramienta informática para el arrollo y aún quedan problemas por sol- análisis de la variabilidad espacial en las ventar, principalmente la estructura idó- Ciencias de la Tierra. nea de los datos de entrada y la interpola- Los MDT constituyen una línea de ción de las medidas experimentales, bus- investigación concreta dentro de la carto- cando un compromiso entre exactitud, grafía del terreno. El MDT básico y más resolución espacial y facilidad de opera- conocido es el modelo de elevación digital ción. Para analizar y representar la eleva- (MED), que consiste en "una representación ción del terreno, ha sido especialmente digital de la variación continua del relieve a diseñada una estructura denominada TIN CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Dependencia espacial de datos topográficos 193
(Triangulated Irregular Network) que permi- efectuar estimas en otras posiciones dentro te tratar e interpolar valores distribuidos de la región estudiada. Se admite que las irregularmente; se trata de una estructura principales ventajas de esta herramienta de tipo vectorial, que codifica eficiente- frente a otros métodos de interpolación mente la topografía. son: 1) las estimas obtenidas no tienen Frente a esta concepción, las estructu- sesgo; 2) es un método exacto, es decir, el ras en que los valores se distribuyen regu- valor estimado coincide con el muestral en larmente, tipo ráster, aunque menos com- aquellos puntos en donde se dispone de pacta, presenta ventajas como la eficiencia datos experimentales; 3) permite determi- en el tratamiento de imágenes digitales y nar la precisión de las estimas y 4) los erro- su mayor versatilidad para la integración res de estimación son minimizados. En en un sistema de información geográfica síntesis las ventajas de este método de (SIG). interpolación estriban en que permite Por otra parte, existen numerosos obtener "las mejores estimas entre las line- métodos de elaboración de un MED, entre ales e insesgadas" (JOURNEL & HUIJ- los que cabe citar algunos manuales y BREGTS, 1978; SAMPER & CARRERA, otros muy automatizados. En consecuen- 1990; PAPRITZ & WEBSTER, 1995.) cia, el nivel de precisión vertical también En trabajos previos (CACHEIRO puede ser muy diferente, lo que depende POSE et al.,1999; DAFONTE et al. , tanto de la calidad de los datos de entrada 1999) se presentaron modelos de elevación como de las herramientas utilizadas en la digital obtenidos a partir de datos topo- elaboración del MED, en particular el pro- gráficos para cuencas agrícolas de diferen- cedimiento de interpolación. tes dimensiones, hasta un máximo de El método de interpolación usado en aproximadamente 25 ha. El método utili- este trabajo se conoce como krigeado y zado combina la interpolación espacial está basado en el análisis de la dependen- mediante herramientas geoestadísticas y el cia espacial mediante herramientas geoes- uso de un SIG, tipo ráster. Por ello, pre- tadísticas. Las técnicas geoestadísticas, que viamente también se revisó en profundi- se desarrollaron para resolver problemas dad la metodología para efectuar la inter- prácticos en minería (MAT H E R O N , polación geoestadística de datos topográfi- 1965; JOURNEL & HUIJBREGTS, cos, cuando el objetivo es elaborar un 1978), se han exportado a otros muchos MED. (CACHEIRO et al., 1998a, b, c; campos de las Ciencias de la Tierra y, en la THONON & CACHEIRO, 2001). actualidad, las áreas de trabajo más activas La medida de los procesos erosivos en se encuentran en hidrología, ciencias del pequeñas cuencas y laderas agrícolas de suelo y medio ambiente. Galicia desde el año 1997 y el uso de La principal característica de la geoes- modelos para el análisis de los mismos tadística, frente a otros métodos de inter- ( VALCÁRCEL ARMESTO, 1999, polación, es la utilización de la dependen- VALCÁRCEL ARMESTO et al., 2000a, b) cia espacial entre valores de una variable y el análisis de estos fenómenos en relación medidos en puntos o áreas vecinos, para con los factores del medio físico, entre 194 CACHEIRO POSE et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) ellos la topografía, ha proporcionado datos lectores interesados pueden encontrar en de relieve medidos con estación total para manuales especializados tanto la teoría de un número cada vez mayor de unidades la variable regionalizada (MATHERON, paisajísticas de pequeñas dimensiones, 1965; JOURNEL & HUIJBREGTS, localizadas en la unidad geológica conoci- 1978; VIEIRA et al., 1983; SAMPER & da como Complejo de Órdenes. En este CARRERA, 1990; PEBESMA & WESSE- trabajo se aplica la metodología puesta a LING, 1998; PEBESMA, 1999) como la punto previamente para el elaborar MED a descripción de las características de los los datos topográficos de seis laderas o SIG (BURROUGH, 1986, BURROUGH pequeñas cuencas de primer orden ele- & Mc DONELL, 1998; Van DEURSEN & mentales. El objetivo del mismo es com- WESSELING, 1992; KARSSENBERG, parar el modelo de dependencia espacial 1996). Por ello a continuación se presen- inferido a partir de datos topográficos tan los elementos básicos del procedimien- medidos directamente, y analizar las carac- to seguido, con especial referencia a los terísticas del patrón de variabilidad espa- programas utilizados. cial a la escala de estudio. Previamente al análisis geoestadístico, se calcularon los momentos estadísticos MATERIAL Y MÉTODOS elementales mediante el programa STAT, elaborado por VIEIRA et al. (1983). De las seis unidades paisajísticas consi- Se puede convenir que el análisis geo- deradas en este estudio, cinco están situa- estadístico consta de las siguientes fases: das en el Centro de Investigaciones - Verificación de la presencia o ausencia Agrarias de San Tirso de Mabegondo de una tendencia en los datos y, en su caso, (Abengondo, A Coruña) y la sexta en el retirada de la misma. término de Liñares (Culleredo, A Coruña). - Verificación de la heteroscedicidad de Los datos topográficos se obtuvieron las series de datos y de la isotropía/ aniso- mediante una estación total (Sokkia tropía de la misma. SET5A). Los datos experimentales pun- - Cálculo del semivariograma de los tuales son del tipo x, y, z, lo que permite datos originales y/o residuales. el análisis de cada serie mediante técnicas - Ajuste de un modelo teórico al semi- geoestadísticas. variograma experimental El procedimiento usado durante el aná- - Validación de la bondad del ajuste del lisis geoestadístico y el método de elabora- modelo teórico a los datos muestrales. ción del MED, a partir de medidas direc- - Interpolación mediante krigeado y tas de topografía, ha sido descrito en tra- elaboración de mapas de valores medios y bajos previos (CACHEIRO et al., 1998a, errores de krigeado. CACHEIRO et al., 1999b). Una revisión De acuerdo con la teoría de la variable exhaustiva del estado actual de la metodo- regionalizada, la dependencia espacial de logía que se emplea en el actual trabajo cualquier atributo, en este caso al altitud también fue efectuada recientemente por puede ser expresada como la suma de tres THONON & CACHEIRO (2001). Los componentes: CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Dependencia espacial de datos topográficos 195
- Un término asociado con un valor que se lleva a cabo a través de la siguiente medio constante o en su caso una tenden- ecuación: cia y por lo tanto determinista. - Un componente estocástico, que pre- senta dependencia espacial. (2) - Un término residual o ruido blanco, no correlacionado espacialmente. En consecuencia, una variable regiona- Donde, N(h) es el número de pares de 2 lizada Z(x i) puede describirse mediante la valores medidos [Z(x i), Z(xi + h)] separa- expresión: dos por un vector h, y xi es la posición espacial de la variable Z, en este caso la cota. En este trabajo el semivariograma se (1) calculó mediante el programa XGAMA de VIEIRA et al. (1983). Los cálculos se efec- tuaron asumiendo que los valores residua-
En donde el término m(xi) puede les de altitud se comportaban como isótro- representar la media o, en el caso particu- pos. lar de que la serie datos presente una ten- Una vez calculado el semivariograma dencia, m(xi), es la función que describe muestral, se dispone de pares de valores de dicha tendencia y cuyo valor depende semivarianza g*(h) y de distancia (h), que exclusivamente de la posición de la mues- se representan gráficamente, tomando tra; R(x i) es el término aleatorio que pre- como ordenadas los valores de la semiva- senta dependencia espacial y e’’ es un valor rianza y como abscisas las distancias. residual no autocorrelacionado de media 0 Con objeto de establecer similitudes y varianza 1. entre la dependencia espacial de diferentes Por tanto, si existe una tendencia defi- series de datos, los semivariogramas mues- nida, la variable regionalizada es una fun- trales se transformaron mediante escalona- ción de dos variables, y tendrá que ser miento. Para ello el valor de semivarianza establecida la tendencia con el fin de res- calculado de en cada intervalo se dividió tarla a la variable inicial, y así obtener el entre la varianza muestral, de acuerdo con residuo R(x i). La retirada de tendencia en la expresión: este trabajo se efectuó mediante el progra- ma TREND, que permite efectuar un fil- trado con distintas expresiones matemáti- (3) cas, también elaboradas por VIEIRA et al. (1983). La variación del valor de la función ale- En donde gsc, es la semivarianza escalo- atoria, R(xi), según su posición en el espa- nada y Var (z) es la varianza muestral. cio viene descrita por la semivarianza. El Los parámetros de cada semivariogra- cálculo de este parámetro permite verificar ma teórico son definidos a partir del ajus- la existencia de dependencia espacial, lo te de un modelo matemático a los valores 196 CACHEIRO POSE et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
de g*(h). Estos parámetros básicos son las medias en los puntos xi (CAHEIRO tres: C0 = efecto pepita; a = rango de POSE et al., 1999) se puede simplificar del dependencia espacial y C 0+C1 = meseta. siguiente modo: En este estudio, todos los semivario- gramas muestrales fueron ajustados a un (5) modelo gaussiano, que viene definido por la expresión:
siendo (4) Es necesario tener en cuenta que para obtener, finalmente, el mapa de los valores La bondad del ajuste de los parámetros estimados, es necesario sumar (o restar) la se verifica por prueba y error, a través de deriva a los resultados obtenidos por kri- los mínimos cuadrados, junto con el análi- geado. sis visual. Cuando fue necesario discernir En cuanto a los errores de predicción o entre dos o más modelos de semivariogra- errores de krigeado, es necesario recordar mas con aparentes similitudes se utilizó, que dependen exclusivamente de las carac- además, la técnica de validación cruzada, terísticas del semivariograma y de la con- mediante el programa JACK (VIEIRA et figuración de la red de muestreo. Para un al. 1997). bloque particular, intervienen: el tipo de Una vez analizada la dependencia espa- semivariograma y los parámetros del cial de los datos de relieve, se utilizó la mismo, el número de datos puntuales en la información obtenida, y sintetizada en el vecindad del bloque utilizados en la inter- semivariograma de cada área estudiada, polación, la red de muestreo, el tamaño para elaborar el modelo de elevación digi- del bloque y la disposición de los datos tal (MED) de las mismas, mediante la téc- puntuales con respecto al bloque. nica de krigeado en bloques. El MED se En este trabajo, la principal caracterís- elaboró, por tanto, por krigeado, técnica tica de la configuración de la red de mues- de interpolación cuyas principales ventajas tro era su irregularidad, lo que viene se destacaron anteriormente. Dado que el impuesto por la rutina en la toma de datos tipo de MED que se pretende obtener está topográficos. Por ello, al verificar el krige- constituido por celdas cuadradas (formato ado en bloques se prestó particular aten- raster), se utilizó en krigeado en bloques. ción al análisis mediante validación cruza- Imponiendo las condiciones de sesgo da del número de vecinos idóneo para efec- nulo y mínima varianza, el sistema de tuar la interpolación. Para ello en cada ecuaciones del krigeado en bloques, per- unidad estudiada se consideraron los resul- mite determinar los coeficientes o pesos l i tados para diferentes números de vecinos, que son necesarios para predecir el valor de en particular: 4, 8, 12, 16, 20 y 24; poste- la variable Z en un bloque xB, a partir de riormente se estudia cuál de estos resulta CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Dependencia espacial de datos topográficos 197 más idóneo en base a los siguientes crite- Leiteira y 2083 en Agra de Pardo. El rios: media y varianza de los errores abso- número de datos es, en todos los casos muy lutos, media y varianza de los errores redu- superior a la cifra de 150, que algunos cidos y pendiente de la recta de regresión autores (PAPRITZ & WEBSTER, 1995) y coeficiente de correlación entre valores consideran necesario para llevar a cabo un medidos y estimados. análisis geoestadístico detallado, sin que el El krigeado en bloques se llevó a cabo número de pares de puntos resulte limi- mediante el programa GSTAT (PEBESMA tante. & WESSELING, 1998) que presenta la El uso del suelo en las áreas estudiadas ventaja de que es totalmente compatible es agrícola. A la escala analizada, las ope- con el sistema de información geográfico raciones de laboreo pueden influir nota- PCRaster (Van DEURSEN & WESSE- blemente en la geometría de la red de dre- LING, 1992; KARSSENBERG, 1996) naje (AUZET et al., 1993; VALCÁRCEL utilizado para representar los MEDs de las ARMESTO, 1999). Por ello, dicha red unidades estudiadas. está constituida por la superposición de elementos de origen topográfico, que se RESULTADOS Y DISCUSIÓN mantienen invariables a lo largo del tiem- po y otros motivos lineales de origen agra- Como se aprecia en la tabla 1, la exten- rio, más o menos coyunturales (muros, sión de las laderas y pequeñas cuencas caminos, linderos, surcos, rodadas de trac- estudiadas oscila entre aproximadamente tor) que contribuyen a canalizar el exce- 0,62 y 5,72 ha y la pendiente media de las dente de agua cuando se genera escorren- mismas entre 6,10% y 15,26 % . En la tía. tabla 1 también se consigna el número de En las unidades topográficas denomi- puntos/ha medidos en cada una de las nadas Barrós, Agra de Pardo, Igrexa Vella áreas estudiadas, de donde se infiere que y Liñares, el contorno es cóncavo (al menos las series de datos topográficos constan de en la zona próxima al cierre), de modo que un número total de puntos que oscila la red de cauces efímeros de origen topo- entre 607 en la zona denominada Unidade gráfico confluye en el punto más bajo. El
Tabla 1.- Información general sobre las parcelas y las series de datos utilizadas. 198 CACHEIRO POSE et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) hecho de que estas unidades estén indivi- Esto pone en evidencia que, como cabía dualizadas del entorno y desemboquen a esperar, debido al relieve, en pendiente través de una vaguada, que funciona a más o menos acusada, los semivariogramas modo de cauce efímero para la escorrentía de las altitudes no son estacionarios. El producida aguas arriba, permite que pue- incremento monotónico de la semivarian- dan ser consideradas como pequeñas cuen- za en función de la distancia puede estar cas de primer orden. Por el contrario, Trus motivado porque el relieve de la unidad y Unidade Leiteira presentan un contorno paisajística considerada presente una ten- convexo, lo que de acuerdo con el modelo dencia global definida o bien puede ser el descriptivo de RUHE (1960, 1975) tiende resultado de que éste se comporte como un a originar un sistema de escorrentía diver- fractal autosimilar (BURROUGH, 1983; gente, por lo que en este trabajo se les SAMPER & CARRERA, 1990). La ausen- denominará laderas. No obstante el térmi- cia de estacionariedad significa que, en no ladera es suficientemente ambiguo y todas las series experimentales de datos de podría ser aplicado también a las cuatro altura, el valor medio y la varianza depen- unidades con un cierre definido. de, en parte, del tamaño del área estudia- Se efectuó un análisis preliminar de da. La teoría de la variable regionalizada, todas las series de datos. Para ello se calcu- por el contrario, requiere como condición laron los principales momentos estadísti- necesaria que los atributos cuya dependen- cos como media, máximo, mínimo, des- cia espacial se analiza presenten, como viación estándar, coeficiente de variación, mínimo, estacionariedad de segundo asimetría y curtosis. La presencia de datos orden. anómalos, debido a errores experimenta- Debido a la forma de los semivariogra- les, se pone, a veces, de manifiesto, mas de los datos originales, se llevó a cabo mediante el examen de los valores medios una retirada de la tendencia de las cotas y extremos. Para evaluar si las series de medidas experimentalmente. Para ello, se datos se ajustaban a una distribución nor- utilizaron en cada una de las parcelas estu- mal, se tomó como criterio aproximado diadas tres funciones diferentes: parabóli- que los coeficientes de asimetría y curtosis, ca, cúbica y lineal. Se pudo comprobar a se situasen en el entorno de 0 y 3, respec- sentimiento, por análisis visual de los tivamente. Una distribución normal de los semivariogramas residuales, que la fun- datos experimentales permite optimizar la ción lineal mostró los mejores resultados interpolación por krigeado. en todos los casos. A continuación se comprobó que la Análisis estructural de los datos dependencia espacial de los datos de alti- topográficos tud se pudo caracterizar mediante los semivariogramas residuales una vez retira- Al utilizar los datos originales de topo- da la tendencia lineal. Al calcular las semi- grafía, se comprobó un aumento sostenido varianzas experimentales, se tuvieron en de la semivarianza en función de la distan- cuenta los criterios habituales referidos al cia de los datos topográficos puntuales. número mínimo de pares de puntos en CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Dependencia espacial de datos topográficos 199 cada clase, distancia máxima de autocorre- de la semivarianza a grandes distancias lación e intervalo de distancia para cada observada en algunos casos (Igrexa Vella, clase. Debido al tamaño de la muestra, el Unidade Leiteira) era debida, al menos en número de pares de puntos vecinos resulta parte, al hecho de no haber tenido en muy elevado, en comparación con los estu- cuenta una débil anisotropía; no obstante dios habituales, por lo que no condiciona la magnitud de dicha anisotropía era poco el cálculo del semivariograma. La distancia importante como para ser considerada en máxima de comparación de pares e cotas la interpolación. En Agra de Pardo se (tabla 2) fue del mismo orden de magni- observan tres parcelas separadas por cami- tud que el de la distancia máxima entre nos de tierra que se encuentran en una datos medidos en cada parcela. Dado que posición más elevada que la de los bordes las medidas no estaban espaciadas regular- (VALCÁRCEL ARMESTO, 1999); estas mente, y debido a la importante densidad estructuras quedan bien reflejadas en el de las mismas, se eligieron intervalos más semivariograma, observándose un máximo bien pequeños (cada metro) de distancia relativo, si bien de pequeña magnitud de para efectuar los cálculos de semivarianza la función semivarianza exactamente a una experimental. Los cálculos se efectuaron distancia de 100 m y la posterior disminu- previo escalonamiento de los datos resi- ción de ésta. La dispersión observada en duales para facilitar la comparación entre Liñares a distancias superiores al rango de diferentes series experimentales. dependencia espacial puede ser explicada Procediendo de este modo, se encontró en parte por la existencia de muros entre una fuerte autocorrelación entre pares de las diversas parcelas (VA L C Á R C E L puntos topográficos vecinos de todas las ARMESTO, 1999). parcelas. En la figura 1 se observa como en Finalmente, se llevó a cabo el ajuste de todos los semivariogramas experimentales un modelo teórico al semivariograma el valor de la semivarianza a pequeñas dis- experimental de los residuos, obteniéndo- tancias es próximo a cero, y luego crece, se el mejor resultado con un modelo gaus- primero lentamente y posteriormente de siano. La bondad de este modelo frente a modo exponencial hasta alcanzar una otros modelos utilizados con frecuencia meseta más o menos estable. A grandes como el esférico o el exponencial, se com- distancias, los valores de la semivarianza probó mediante validación cruzada. presentan en algunos de los casos estudia- Dado que los fenómenos representados dos cierta dispersión, de modo que para por el modelo gaussiano son continuos en distancias mayores que el rango de depen- todos sus puntos, y derivables en su mayo- dencia espacial, no siempre se estabilizan. ría, se considera adecuado para representar A pesar de ello, los resultados generales fenómenos continuos o con pequeñas osci- obtenidos tras filtrar una tendencia lineal, laciones. Las variables descritas por este pueden ser considerado como muy satis- tipo de modelo presentan una mayor factorios, dada la complejidad y las dife- dependencia espacial que en otros tipos. rentes formas de relieve estudiadas. Por ello, el modelo gaussiano es considera- Se pudo comprobar que la dispersión do el más adecuado para representar varia- 200 CACHEIRO POSE et al. CAD. LAB. XEOL. 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Figura 1. Semivariogramas experimentales y modelos gaussianos ajustados. bles continuas como el relieve. Los resulta- de los parámetros de los semivariogramas dos confirman desde el punto de vista escalonados. cuantitativo que las series de datos topo- Se puede comprobar la pequeña mag- gráficos presentan, a la escala estudiada, nitud del efecto pepita que, en porcentaje una buena autocorrelación espacial. con respecto al valor de la meseta, oscila Los semivariogramas residuales y el entre 0,024% en Liñares y al 7,7% en modelo gaussiano ajustados a los mismos Unidade Leiteira, lo cual indica una alta se pueden observar en la figura 1. En la dependencia espacial y gran continuidad tabla 2 se presenta un resumen con el valor en los datos para pequeñas distancias. El CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Dependencia espacial de datos topográficos 201
Tabla 2. Distancia máxima para el cálculo del semivariograma, meseta, alcance y efecto pepita de los semivariogramas gaussianos ajustados. efecto pepita se interpreta como el resulta- uso agrícola; sin embargo, no se apreció do de errores experimentales, o de variabi- ninguna relación entre este tipo de irregu- lidad a distancias inferiores a la mínima laridades debidas a la ordenación del terri- distancia entre puntos vecinos. La preci- torio y el efecto pepita. A título de ejem- sión de la estación total utilizada el del plo, el semivariograma de Unidade orden de las unidades centimétricas. En el Leiteira, formada por una parcela indivi- microrrelieve de las parcelas estudiadas se dual, presentó el efecto pepita más alto, observaban, durante las fechas de medida, con una cifra que supone el 7,7% del valor diversas irregularidades debidas al laboreo de la varianza muestral, mientras que en agrícola y, en algunos casos, estaban pre- Liñares, formada por parcelas separadas sentes regueros y cárcavas, consecuencia de entre sí por muros, el efecto pepita solo fenómenos erosivos. Los surcos de mayores supuso el 0.024 % de la varianza muestral. dimensiones eran decamétricos, mientras Considerando valores absolutos, el que algunas de las cárcavas efímeras pre- alcance de los semivariogramas fue el pará- sentes durante la toma de datos topográfi- metro que osciló más ampliamente, entre cos presentaban más de un metro de ancho 30 y 150 m. Dado que todas las laderas y (VALCÁRCEL ARMESTO, 1999). pequeñas cuencas estudiadas presentan un En consecuencia, cabe atribuir a las modelo de dependencia espacial del irregularidades del microrrelieve a una mismo tipo, y dada la poca entidad del escala inferior a la mínima utilizada para efecto pepita, parece ser este el parámetro el cálculo del semivariograma muestral que mejor permite establecer diferencias buena parte del efecto pepita, que por otra entre distintas unidades paisajísticas. parte resulta en todos los casos estudiados Comparando la pendiente media (tabla muy poco importante a los efectos de 1) con el alcance (tabla 2), se aprecia una interpolación. Algunas de las laderas estu- cierta tendencia a la disminución del diadas contenían además estructuras como rango de dependencia espacial, conforme linderos, muros o pequeños caminos de las zonas estudiadas son más escarpadas. 202 CACHEIRO POSE et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
De hecho no existe una correspondencia aumenta la pendiente más rápido crece la total entre ambas variables, de modo que semivarianza muestral. la pendiente media disminuye en el orden A pesar del número limitado de datos, Liñares > Unidade Leiteira > Trus > la correlación entre pendiente media y Barrós > Igrexa Vella > Agra de Pardo, alcance, que se cifra en un valor r2 = 0.44, mientras que el alcance de los semivario- resultó débilmente significativa (p < 0.1). gramas crece según el orden Unidade Por tanto, la variable pendiente media es Leiteira < Liñares < Agra de Pardo < Trus capaz de explicar algo menos del 50% de = Barrós < Igrexa Vella. la varianza total del semivariograma Para facilitar la comparación de la muestral. Sin embargo estos resultados autocorrelación espacial que presentan los ponen también de manifiesto que, además datos de altura de las seis unidades paisa- de la pendiente media, pueden existir jísticas, se elaboró la gráfica presentada en otros factores, entre ellos el contorno, que la figura 2, en la que se pueden apreciar los pueden influir en buena medida la veloci- distintos semivariogramas escalonados dad de crecimiento de la semivarianza en superpuestos. En todo caso en esta figura función de la distancia. Los datos disponi- se aprecia netamente como Unidade bles parecen poner de manifiesto la Leiteira y Liñares, las laderas con mayor influencia del contorno (cóncavo o conve- pendiente media presentan un semivario- xo) sobre la velocidad de crecimiento de la grama con menor alcance. Este comporta- semivarianza en función de la distancia, de miento parece significar que a medida que modo que este factor explica en gran
Figura 2. Superposición de semivariogramas escalonados. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Dependencia espacial de datos topográficos 203 medida la dispersión de la regresión entre En la figura 3 se puede comprobar que, pendiente media de la parcela y alcance para Barrós, la media de los errores abso- del semivariograma. lutos está más próxima a cero si se efectúa el krigeado en bloques con 4 puntos veci- Validación cruzada e interpolación nos y si se usan 20 vecinos está un poco más lejos de este valor. Sin embargo, la Par utilizar de un modo eficiente la varianza de los errores absolutos es míni- información contenida en el semivariogra- ma para 8 vecinos y máxima para 24. Por ma teórico, conviene optimizar las condi- su parte, la media de los errores reducidos ciones en que se lleva a cabo el krigeado en está más próxima a cero si se efectúa la bloques de los valores residuales de alti- validación cruzada con 4 vecinos y con 16 tud. El número de vecinos más idóneo o 20 vecinos esta más alejada del valor para efectuar el krigeado en bloques se óptimo. En este caso para decidir acerca infirió por validación cruzada. Los resulta- del número óptimo de vecinos, es impor- dos para el conjunto de las parcelas y para tante considerar la oscilación que sufre la los seis criterios considerados se presentan varianza de los errores relativos, muy ale- en la tabla 3. Asimismo, y, para facilitar la jada de 1 cuando sólo se consideran 4 veci- discusión, en la figura 3 se lleva a cabo la nos, pero que se va aproximando progresi- representación gráfica de los resultados de vamente a dicho valor, alcanzando 0.973 Barrós. para 24 vecinos. No todos los criterios tenidos en cuen- Por último los coeficientes de correla- ta presentan la misma importancia (SAM- ción son muy elevados y similares en todos PER & CARRERA, 1990). La media de los casos (0.998) y las pendientes de las los errores absolutos debe de ser, obvia- rectas de regresión difieren como mucho mente, tan próxima a cero como sea posi- en 0.01 unidades del mejor valor posible. ble y la varianza de los errores absolutos Por tanto en el caso de Barrós, consideran- dependerá de la magnitud de la variable do la varianza de los errores reducidos estudiada, por lo que estos dos parámetros como el criterio más robusto, el número de aportan poca información acerca de los vecinos idóneo es de 24. Las oscilaciones errores de krigeado. Por el contrario, la de los cinco parámetros restantes obteni- media de los errores relativos (calculada dos por validación cruzada es tan poco dividiendo los errores absolutos por el importante que prácticamente no se ven error estándar de krigeado) y, sobre todo, afectados por el número de vecinos. la desviación estándar de los errores relati- De los datos consignados en la tabla 3, vos, que deben de estar próximas a 0 y 1, para el conjunto de las superficies estudia- respectivamente se consideran como pará- das, se puede generalizar diciendo que al metros más robustos. Un coeficiente de igual que en Barrós, si se exceptúa la correlación elevado entre los datos medi- varianza de los errores reducidos en reali- dos y simulados es un indicio de un buen dad, los valores de los cinco criterios res- ajuste, si bien este criterio por si sólo no es tantes oscilan muy poco en función del suficiente. número de vecinos. En todos los casos las 204 CACHEIRO POSE et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Tabla 3. Resultados de los parámetros obtenidos por validación cruzada para un número de veci- nos comprendido entre 4 y 24. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Dependencia espacial de datos topográficos 205
Figura 3. Representación gráfica de la validación cruzada en Barrós. medias de los errores absolutos y reducidos observa un comportamiento diferente del son muy próximos a cero; las pendientes esperado. Si se exceptúa Barrós, en las de las rectas de regresión entre datos expe- cinco unidades restantes el valor de este rimentales y simulados son siempre muy parámetro no se aproxima a 1 en ninguno próximas a 1 y el coeficiente de correlación de los casos considerados, pudiendo com- más bajo para las 36 condiciones diferen- probarse que en algunos casos se mantiene tes estudiadas es de 0.972. por encima de esta cifra idónea (Trus, Sin embargo, por lo que respecta a las Igrexa Vella y Unidade Leiteira) y otras varianzas de los errores reducidos, se veces por debajo (Agra de Pardo y 206 CACHEIRO POSE et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Liñares). Valores mayores que 1 de las Los modelos de elevación digital de las varianzas de los errores reducidos han sido seis unidades paisajísticas estudiadas, se también encontrados por THONON & presentan finalmente en la figura 4. Estos CACHEIRO (2001), quienes comproba- MED constituyen la base para la cartogra- ron que se debían a la ocurrencia simultá- fía, el análisis fisiográfico y la simulación nea de valores extremos o muy altos de los de procesos a la escala considerada. errores en algunos bloques y desviaciones El tamaño de los bloques y la posición estándar de krigeado muy bajas. Del de los puntos muestreados en relación a los mismo modo, valores menores que 1 de bloques es otro de los factores que influye este parámetro suponen errores absolutos en los resultados (BURROUGH, 1986; pequeños, en comparación con las desvia- BURROUGH & Mc DONNELL, 1998). ciones estándar de krigeado; el hecho de Las dimensiones de los bloques utilizados que en las dos pequeñas cuencas en las que para el krigeado en este trabajo oscilaron se observó este resultado presentasen brus- entre 2m x 2m y 5m x 5m, siendo de 4m cas discontinuidades en los lindes de las x 4m en Barrós, 4m x 4m en Trus, 5m x parcelas, debidas a la presencia de muros 5m en Agra de Pardo, 4m x 4m en Igrexa en Liñares y de caminos en Agra de Pardo, Vella, 2m x 2m en Liñares y 5m x 5m en puede motivar valores relativamente ele- Unidade Leiteira. vados de la desviación estándar al efectuar El análisis de la precisión de los MEDs krigeado en bloques. supera el marco del actual trabajo. Sin Si bien no se cumple un importante embargo, dado que pequeñas variaciones criterio de validación, los buenos resulta- en la características de algunas células dos obtenidos para los cinco criterios res- pueden modificar, a veces, en gran medi- tantes, autoriza a confirmar la bondad de da, las salidas de los procesos simulados en los modelos de semivariogramas teóricos base a un MED, queda por verificar la ajustados a los datos residuales de altura. influencia del tamaño de los bloques y la Para establecer el número de vecinos en configuración espacial de los datos experi- estas condiciones, se tuvo en cuenta tanto mentales sobre la magnitud de los errores el valor más próximo a 1 del parámetro de estimación por krigeado y su incidencia varianza de los errores reducidos, como el sobre la simulación de procesos basados en más próximo a 0 del parámetro media de el uso de MEDs, como por ejemplo la los errores reducidos. génesis de escorrentía y los procesos erosi- Con este criterio, en Agra de Pardo y vos. Liñares el número idóneo de vecinos resul- ta ser de 24. En Trus también se utilizaron CONCLUSIONES 24 vecinos, en base a que la media de los errores reducidos es más próxima a cero A partir de medidas puntuales de alti- para esta cifra. En Igrexa Vella y Unidade tud, junto con sus coordenadas topográfi- Leiteira el número de vecinos idóneo cas de seis unidades paisajísticas con resultó inferior, cifrándose en 8 con dichos dimensiones comprendidas entre 0,62 y criterios. 5,72 has, se verificó mediante análisis geo- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Dependencia espacial de datos topográficos 207
Figura 4. Modelos de Elevación Digital de las unidades estudiadas. estadístico que los datos residuales de autocorrelación de los datos de altura pare- altura se ajustaban en todos los casos estu- ce que, además, depende del contorno de diados a un modelo gaussiano de depen- cada una de las unidades paisajísticas. dencia espacial con pequeño efecto pepita Se estableció por validación cruzada, el y un rango que oscilaba entre 30 y 150 m. número óptimo de vecinos para minimizar El efecto pepita parece estar relacionado los errores de las varianzas de estimación, con las irregularidades de la microtopo- que osciló entre 12 y 24. Se llevó a cabo grafía. Se pudo comprobar que existía una una interpolación mediante krigeado por correlación negativa entre el rango de bloques mediante celdas que oscilaron dependencia espacial de los semivariogra- desde 2m x 2m a 5m x 5m. mas y la pendiente, si bien el alcance de la 208 CACHEIRO POSE et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha sido realizado en el marco de los Proyectos FAIR1/CT95/0458 financiado por la Unión Europea y PGIDT99MA10303, financiado por la Xunta de Galicia. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Dependencia espacial de datos topográficos 209
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Descripción y puesta a punto de un simulador de lluvia de campo para estudios de escorrentía superficial y erosión del suelo Design and operation of a rainfall simulator for field studies of runoff and soil erosion
BENITO, E.1; de BLAS, E.1; SANTIAGO, J. L.1 & VARELA, M. E.1
AB S T R A C T
The present paper describes the design, construction, calibration and operation of a spray rainfall simulator . The design of the plots used for the purpose of this study is also described in order to determine hydrological and erosion parameters. Selected rainfall intensity of 64 mm h-1 are representative of heavy storm conditions in
Galicia. Drop size distribution results in these conditions , a D50 of 1.2 mm, were simi- lar to those calculated for natural rainfall by BUBENZER (1979). Fall velocities reached were between 75 and 100% terminal velocity, depending on drop diameter and 13.05 J m-2 mm -1 kinetic energy was obtained. Surface area of the plots used was 1 m2, surronded by a metal structure connected to a V-shaped system to collect the surface runoff and sediment produced in the diffe r e n t ex p e r i m e n t s .
Key words: rainfall simulator, runoff, soil loss, infiltration. (1) Departamento de Biología Vegetal y Ciencia del suelo. Facultad de Ciencias. Universidad de Vigo. 36200 Vigo. 212 BENITO et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
INTRODUCCIÓN Existe una amplia bibliografía acerca de los distintos simuladores de lluvia que Los simuladores de lluvia son instru- han sido utilizados en los últimos años por mentos de investigación diseñados para distintos investigadores y los diferentes aplicar agua de forma similar a los episo- tipos son seleccionados en función de la dios tormentosos naturales. Son útiles para disponibilidad, costes de construcción y obtener datos de erosión, infiltración, del objetivo experimental, no existiendo escorrentía superficial y transporte de hasta la fecha una total estandarización en sedimentos. No obstante, las característi- los diseños o metodología que se emplea, cas de la lluvia natural han de ser simula- aunque se pueden diferenciar claramente das de forma adecuada, los datos de esco- dos grandes grupos: rrentía/erosión obtenidos han de ser anali- 1. Aquellos que utilizan el método de zados cuidadosamente y se debe efectuar goteo para la producción de lluvia, donde una buena interpretación de los resultados la velocidad inicial de las gotas es cero. para obtener una información fiable en las Dentro de este grupo podemos citar los condiciones para las que ha sido aplicada simuladores descritos por CHOW & la lluvia simulada. HARBAUGH (1965), WARD et al. El principal problema que presentan es (1981), SANROQUE et al. (1984) y la falta de precisión para replicar las carac- KAMPHORST (1987) entre otros. terísticas de un episodio tormentoso natu- Aunque su coste es relativamente bajo, la ral específico (BRYAN, 1981; LAL, 1988) principal desventaja de estos simuladores ya que su utilización viene determinada es que la velocidad terminal en caída libre por la necesidad de tener bajo condiciones se consigue para las gotas de lluvia de controladas las características de la lluvia, mayor diámetro solamente para alturas de intentando una aproximación lo más acer- caída de 12 m (HUDSON, 1971), siendo tada posible a las condiciones de la lluvia una altura muy elevada para trabajar con natural. Las principales características de un simulador tanto en el laboratorio como la lluvia natural que han de conseguir los en el campo. simuladores de lluvia son las siguientes 2. Aquellos que utilizan el mecanismo (MEYER, 1965; BUBENZER, 1979): de boquillas pulverizadoras, donde el agua · Distribución del tamaño de las gotas sale a una determinada velocidad por estar de lluvia similar a la de la lluvia natural. sometida a una presión inicial determina- · Velocidad de impacto similar a la da. velocidad terminal de las gotas en la lluvia Su principal ventaja es que en función natural. de la boquilla seleccionada, de la presión · Intensidad de lluvia correspondiente de salida del agua y de la altura a la que se a las condiciones naturales. sitúa, se pueden obtener lluvias de inten- · Energía cinética similar a la de la llu- sidades y energías muy diferentes y selec- via natural. cionar aquellas que correspondan a las · Lluvia uniforme y distribución alea- características de la lluvia natural de la toria de las gotas. zona. Ejemplos de estos simuladores serían CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Descripción y puesta a punto de un simulador 213 los descritos por MEYER & Mc CUNE que presentan las experiencias con lluvia (1958), BRYAN (1968), BUBENZER & simulada en el laboratorio y en el campo, JONES (1971), ROTH et al. (1985), considerando como mejor alternativa para BENITO et al. (1986), NAVAS et al. evaluar los efectos de la intensidad de la (1990), CERDÁ et al. (1997). Su mayor lluvia y de la energía cinética en la estabi- problema estriba en que suelen obtenerse lidad de agregados y pérdida de suelo el distribuciones de tamaños de gota ópti- seleccionar uno de los dos tipos de boqui- mos (similares a la lluvia natural) para llas anteriormente mencionados y emplear intensidades demasiado elevadas, por lo al menos tres de ellas con diferentes flujos que han tenido que introducirse mecanis- con el fin de alcanzar distintas energías mos que permitan disminuir la intensidad cinéticas a la vez que se varía la intensidad. manteniendo esa distribución de gotas. Además concluyen que la estandarización Como sistemas correctores de la intensi- del diseño de los simuladores de lluvia y dad se han utilizado discos giratorios con de los tests de procedimiento, es funda- una muesca radial (MORIN et al., 1967) o mental para poder realizar una adecuada bien se ha optado por situar la boquilla en comparación entre los resultados de ero- un sistema oscilante (MEYER & HAR- sión obtenidos por diferentes investigado- MON, 1979; NEIBLING et al., 1981). res. Las boquillas utilizadas para estos En este trabajo se describen las caracte- simuladores son normalmente de dos tipos rísticas y el funcionamiento de un simula- (suministradas por Spraying Systems Co.): dor de lluvia portátil tipo boquilla pulve- Fulljet, con un área de impacto circular o rizadora junto con el equipamiento de la cuadrada, proporcionando una pulveriza- parcela experimental para determinar dife- ción continua, y Veejet, con un área de rentes parámetros hidrológicos y erosivos impacto rectangular estrecha y son emple- de los suelos. adas en simuladores que proporcionan una pulverización intermitente. DESCRIPCION DEL SIMULADOR Las principales desventajas de este tipo DE LLUVIA de simuladores son que la energía de las gotas es constante independientemente de El simulador de lluvia, que se constru- la intensidad de aplicación (HIGNETT et yó artesanalmente, está formado por una al. 1995). La distribución del tamaño de estructura metálica con forma de pirámide gotas también es constante y el máximo truncada elaborada con tubos de aluminio diámetro de gota no se incrementa con la de 3 cm de diámetro (figura 1). Las patas intensidad como ocurre en los episodios telescópicas permiten adaptar el simulador tormentosos naturales. Otros inconvenien- a la pendiente el terreno. tes serían su elevado consumo de agua y la En su parte superior se ha soldado una mayor complejidad y coste de su montaje. placa metálica en la cual se conecta una Recientemente, AGASSI & BRAD- boquilla pulverizadora (Fulljet 1/8 FORD (1999) han realizado una amplia GG6SQ de Spraying Systems Co.) (figura discusión sobre los principales problemas 2) como sistema generador de lluvia con 214 BENITO et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Figura 1. Simulador de lluvia. características similares al empleado por manual la presión de salida del agua. El NAVAS et al. (1990). Este sistema genera suministro de agua se realiza desde un tan- un modelo de aspersión con una zona de que de 50 litros y mediante un sistema de impacto cuadrada, obteniendo ángulos de mangueras de goma que permiten el aspersión entre 40º y 105º y caudales de transporte hasta la boquilla. 0.9 a 7.7 L min-1 para presiones de traba- Finalmente, se coloca un protector de jo que oscilan entre 0.01 y 1 MPa. La uni- viento confeccionado con una fina tela de dad de bombeo consiste en una bomba de rejilla plástica, con el fin de evitar interfe- presión (Jabsco ITT) conectada a una bate- rencias durante el experimento. ría de 12 voltios y a un sistema regulador Las experiencias se realizaron por de presión con un manómetro y una llave duplicado en parcelas de 1 m2 de superfi- de paso que nos permite regular de forma cie delimitadas por tres láminas metálicas CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Descripción y puesta a punto de un simulador 215
Figura 2. Sistema generador de lluvia de 1 m de longitud que se colocan en el altura de caída de 2 metros que se corres- suelo, con cuidado de no alterarlo. La par- pondería con tormentas de alta intensidad cela, se cierra en su parte frontal con una en el NW de España. estructura también metálica en forma de · Distribución del tamaño de gotas: V con un orificio de salida en el vértice Debido a que las lluvias naturales presen- que permite recoger la escorrentía superfi- tan un amplio margen de tamaños de gota, cial y el sedimento generado durante el el tamaño medio de las mismas y su por- experimento (figura 3). centaje de distribución puede ser emplea- do para caracterizar el tipo de lluvia que se PUESTA A PUNTO DEL SIMULA- quiere emplear. La medida de los diáme- DOR DE LLUVIA tros de gota de la lluvia simulada se reali- zó mediante el método de las bolitas de · Intensidad de lluvia: Se seleccionó harina (HUDSON, 1964). De todas for- una intensidad de 64 mm h-1 obtenida mas no es fácil describir una distribución aplicando una presión de 0.02 MPa y una mediante este único parámetro, ya que 216 BENITO et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Figura 3. Parcela experimental. arroja poca información acerca de cómo 1997; SOTO, 1993; ASSELINE y está formada, y probablemente uno de los VALENTIN, 1978). mejores índices para las distribuciones de · Velocidad de las gotas: la velocidad gota es el diámetro del volumen mediano de caída de las gotas puede obtenerse
( D5 0), o diámetro correspondiente a la como el resultado de su peso y de la fuerza mediana del volumen: diámetro de gota de tracción. De acuerdo con BENITO et para el que la mitad, en volumen, de la al., 1986, donde el efecto de empuje de la precipitación cae en gotas menores, y la fuerza del aire es despreciado, se puede cal- otra mitad en gotas mayores. En la figura cular la velocidad de caída de las gotas a 4 se representa la distribución en % de los partir de la velocidad inicial, la altura de tamaños de gota, así como la curva de fre- caída y el coeficiente de rozamiento, cuencias acumuladas obtenida para la mediante el empleo de la siguiente ecua- intensidad de lluvia seleccionada, encon- ción: trándose una distribución muy similar a la indicada por BUBENZER (1979) para lluvias naturales. El diámetro mediano de gota para la intensidad de lluvia seleccionada resultó donde g es la aceleración de la grave- ser de 1.2 mm, similar al obtenido por dad, g el coeficiente de rozamiento, v0 la otros autores trabajando con lluvias simu- velocidad inicial y x la altura de caída. Se ladas de alta intensidad (CERDA et al., calculó para una altura de caída de 2 m y para cada uno de los tamaños de gota CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Descripción y puesta a punto de un simulador 217
Figura 4. Distribución de tamaños de gota obtenida para la intensidad de lluvia seleccionada, expresada como % del volumen de cada uno los tamaños (A) y en % del volumen acumulado (B).
correspondiente a la intensidad de lluvia rentes tamaños de gota de lluvia se presen- seleccionada. tan en la tabla 1: La velocidad inicial a la salida de la De acuerdo con los resultados experi- boquilla se obtiene mediante la expresión: mentales obtenidos por LAWS (1941) para la velocidad terminal de las gotas en
V0 = Q / S lluvias naturales, estas velocidades de caída representarían entre el 85-100 % de donde Q es el caudal en m3 s-1y S la la velocidad terminal para las gotas < 2 sección de la boquilla. Para la presión mm y entre un 75-85 % para las gotas de seleccionada (0.02 MPa) y sabiendo que la 2 a 3.5 mm. Estos resultados coinciden superficie de impacto generada por la con los obtenidos para otros simuladores boquilla es de 1.8 m2 podemos conocer el de características similares (NAVAS et al., caudal (Q = 1.95 x 10-5 m3 s-1). La sección 1990; BENITO et al., 1986). de la boquilla se calculó a partir de su diá- · Energía cinética. Conociendo pre- metro obteniéndose un valor de 4.52 m viamente el diámetro de las gotas y su m2. Calculados Q y S, la velocidad inicial velocidad de caída se puede calcular la resultó ser de 4.314 m s-1. energía cinética para cada tamaño de gota Con esta velocidad inicial y los valores y posteriormente mediante la suma de las de coeficiente de rozamiento establecidos energías parciales se obtiene la energía por LAWS (1941), se pueden calcular las total de la lluvia simulada. El valor obte- velocidades que llevarán las gotas de dis- nido fue de 13.05 J m-2 mm-1. Este valor tinto tamaño que caen desde 2 metros de es similar al obtenido por BENITO et al. altura, dotadas de dicha velocidad inicial, (1986) para una lluvia de 45 mm h-1 (13.6 utilizando la ecuación de BENITO et al. J m-2 mm-1) y NAVAS et al. (1990) (13.1 (1986) descrita anteriormente. J m-2 mm-1 para una intensidad de lluvia Los resultados obtenidos para los dife- de 48 mm h-1 y 13 J m-2 mm-1 para una 218 BENITO et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Tabla 1. Valores de coeficiente de rozamiento ( ) según LAWS (1941) y velocidad de caída calcula- da para los diferentes tamaños de gota en las condiciones de trabajo. intensidad de lluvia de 58 mm h-1). Sin Las características de la lluvia simulada embargo cuando se compara con los valo- reflejan velocidades de caída de las gotas res obtenidos por WISCHMEIER y similares a las de las lluvias naturales. Sin SMITH (1958) para lluvias naturales, la embargo, se obtiene un porcentaje peque- diferencia es del orden del 50 %. ño de las gotas de mayor tamaño, por lo que los valores de energía cinética son CONCLUSIONES inferiores a los de la lluvia natural.
El simulador de lluvia construido ha AGRADECIMIENTOS resultado ser un instrumento de fácil apli- cación en el campo, destacando su movili- Los autores agradecen a F. Díaz-Fierros dad y su fácil transporte. La autonomía del de la Universidad de Santiago de simulador permite realizar aproximada- Compostela por su contribución en el mente 4 experiencias diarias por lo que diseño original del simulador de lluvia. pueden hacerse suficientes repeticiones Este trabajo ha sido subvencionado con para una condición específica del suelo y cargo a los fondos de investigación propor- obtener así datos útiles de diferentes pará- cionados por el proyecto XUGA metros hidrológicos y erosivos. 30102A97. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Descripción y puesta a punto de un simulador 219
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Análisis geoestadístico de la microtopografía de la superficie en un suelo de cultivo Geostatistical analysis of surface microtopography on tilled soil surfaces
VIDAL VÁZQUEZ, E.1; MENEZES DE SOUZA, Z.2; TABOADA CASTRO, Mª M.1 & PAZ GONZÁLEZ, A.1
AB S T R A C T
Depressions at the soil surface influence temporal water storage and hence runoff gene- ration. Surface microtopography of tilled soils is subject to spatial and temporal changes. The objective of this study was to evaluate whether elevation data with different reso- lutions have a comparable patters of spatial dependence. Point elevation measurements were taken on 25 tilled soil surfaces after mouldboard plough across a range of cumula- tive precipitation and roughness. Height was measured with a pinmeter. The grid spa- cing of the experimental surfaces was 2 cm and sample density was diminished by lea- ning point out to obtain 4 cm x 4 cm and 6 cm x 2 cm grids. The spatial structure of the studied surfaces was modelled by spherical and exponential semivariograms with no o very small nugget components. Changing sample grid spacing didn’t influence the adjus- ted semivariogram type, but could originate small modifications of the sill and/or range va l u e s . Key words: roughness, microrelief, geostatistics, semivariogram, pinmeter.
(1) Facultad de Ciencias. Universidad de A Coruña. A Zapateira, 15.071, A Coruña.. (2) Universidade Estadual de Sao Paulo (UNESP). Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira. Av. Brasil, 56. CP: 31. 222 VIDAL VÁZQUEZ et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
INTRODUCCIÓN se manifiestan por una reducción de la rugosidad superficial, de la porosidad y de En los últimos años el estudio de la la velocidad de infiltración. Debido a la rugosidad de la superficie del suelo ha complejidad de estos procesos, la evolu- cobrado importancia ya que está directa- ción de la superficie del suelo depende de mente relacionada con la generación de condiciones específicas, difíciles de repro- escorrentía y por tanto con la pérdida de ducir. fertilidad de la superficie. La rugosidad En los suelos de cultivo, expuestos en superficial es una característica importan- estado de fragmentación a la acción de la te del suelo que afecta a sus propiedades lluvia durante períodos más o menos lar- hidrológicas siendo además un factor gos, no sólo es importante conocer la rela- importante para prevenir la erosión hídri- ción entre infiltrabilidad y estado de la ca, debido a la formación de microdepre- estructura superficial, sino que además siones en las que se acumula temporal- conviene evaluar la importancia del agua mente el exceso de precipitación (DEX- retenida en las microdepresiones dado su TER, 1977; MOORE & LARSON, 1979). efecto sobre los procesos erosivos. Este De esta forma, el volumen de las depresio- almacenamiento depende de la historia nes puede retrasar la formación de esco- reciente de la superficie del suelo, siendo rrentía (ONSTAD, 1984) lo que reduce las modificado por la acción de la lluvia, vien- pérdidas de suelo. to, laboreo y tipo de cultivo. En los horizontes superficiales de Los avances más recientes en la investi- los suelos agrícolas, la estructura natural gación de los procesos erosivos han moti- está sometida a constantes cambios por vado un interés creciente por la medida y efecto del laboreo lo que origina la frag- modelización del microrrelieve de la mentación de algunos elementos estructu- superficie del suelo. Muchos procesos que rales y la compactación de otros. Por otra ocurren en la capa superficial del suelo parte, muchos suelos de cultivo pueden tales como el impacto de las gotas de llu- constituir un medio sensible a la degrada- via, el patrón de almacenamiento de agua ción, de tal modo que a partir de un lecho o la deposición de sedimentos están con- de siembra fragmentado y permeable se trolados por la microtopografía; por lo desarrolla bajo el impacto de las gotas de tanto, cabe destacar que un modelo esta- lluvia una costra superficial que reduce dístico de la rugosidad del suelo facilita el enormemente la infiltrabilidad (LAR- conocimiento de los procesos que ocurren SON, 1962; MONTEITH, 1974; TABO- en la superficie. En efecto, el almacena- ADA CASTRO et al., 1998). En efecto, las miento de agua en la superficie del suelo se modificaciones del estado de la superficie tiene en cuenta en diversos modelos de del suelo dependen de un conjunto de erosión como EUROSEM (MORGAN et mecanismos que gobiernan los procesos de al., 1993) o LISEM (DE ROO et al., desagregación, separación de partículas, 1996). transporte y sedimentación. Estas mani- Para estudiar la variabilidad espacial de festaciones inducidas por la precipitación una propiedad diferentes autores proponen CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis geoestadístico 223 utilizar la geoestadística debido a que pre- suelo a lo largo de un perfil. Para registrar senta diversas ventajas frente a otros méto- los perfiles se usó una cámara fotográfica dos de interpolación ya que las estimas digital y posteriormente se analizaron las obtenidas no tienen sesgo, es un método fotografías con el Profile Meter Program exacto porque el valor estimado coincide (WAGNER y YIMING, 1991). Partiendo con el muestral en los puntos de interpola- de los datos puntuales de altura se obtu- ción, permite determinar la precisión de vieron redes de muestreo tridimensionales las estimas y además los errores de estima- con 4624 puntos en cada superficie. A par- ción son minimizados (SAMPER y tir de la red de muestreo de 2 cm x 2 cm CARRERA, 1990). se obtuvieron otras dos redes de muestreo: El objetivo de este trabajo es el la primera de 4 cm x 4 cm (con 1156 pun- análisis geoestadístico para estudiar la tos por medida), resulta de eliminar la dependencia espacial de datos experimen- mitad de los perfiles y la mitad de los pun- tales de microtopografía. Previa retirada tos en cada perfil y la segunda de 6 cm x 2 de la tendencia se lleva a cabo el cálculo cm (con 1564 puntos por medida) se del semivariograma muestral y el ajuste de formó eliminando dos de cada tres perfiles un modelo teórico. (tabla 1). Previo al tratamiento de los datos, es MATERIAL Y MÉTODOS necesario eliminar la componente de altu- ra debida a la pendiente de la componente El análisis geoestadístico se efec- aleatoria, que es la empleada para caracte- tuó en 25 superficies en una parcela de rizar la rugosidad (RÖMKENS y WANG, cultivo situada en la parroquia de Liñares 1986; LADO LIÑARES, 1999). Para ello (Culleredo – A Coruña). La toma de datos se ajustó a los datos originales una superfi- en el campo comprendió desde diciembre cie polinomial de orden uno (lineal) de 1998 hasta mayo de 1999, incluyendo mediante el método de mínimos cuadra- el periodo correspondiente a las labores dos. Los residuos se calcularon como la previas a la siembra del maíz. Para obtener diferencia entre la superficie original y la estos datos se utilizó un rugosímetro de ajustada. La expresión matemática utiliza- agujas, descrito en anteriores trabajos da fue la siguiente: (LADO LIÑARES y TABOADA CAS- TRO, 1998; LADO LIÑARES, 1999). (1) Este aparato permite realizar medidas puntuales de altura de la superficie del
Tabla 1. Parámetros de las redes de muestreo utilizadas en este estudio. 224 VIDAL VÁZQUEZ et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Para analizar la variabilidad espacial de tancia de separación entre muestras. Una los datos de altura se usaron técnicas geo- vez calculado el semivariograma se dispo- estadísticas descritas en VIEIRA et al. ne de pares de valores de semivarianza, (1983). El primer paso del análisis geoes- g*(h) y de distancias, h, que se representan tadístico consiste en verificar la existencia gráficamente tomando como ordenadas los de dependencia espacial mediante el cálcu- valores de la semivarianza y como abscisas lo del semivariograma experimental, las distancias. Al ajustar una ecuación a g*(h), que puede ser estimado por la este gráfico se obtiene un modelo de siguiente ecuación: dependencia espacial. Para propiedades que presentan dependencia espacial se espera que la diferencia entre los valores
(1) [Z ( xi) , Z ( xi+ h )] crezca con la distancia hasta un punto determinado a partir del cual se estabiliza, con un valor denomina- donde N(h) representa el número de do meseta, representado por el símbolo pares de valores medidos [Z(xi+h), Z(xi)] C0+C1, aproximadamente igual a la varian- separados por un vector h. Los valores de xi za de los datos. Esta distancia recibe el y (xi+h) son definidos de acuerdo con las nombre de alcance, a, y representa el radio posiciones de los datos muestrales. de un círculo, dentro del cual los valores En este trabajo los semivariogramas se de la propiedad estudiada son tan simila- han escalonado respecto a la varianza de res unos a otros que están correlacionados. acuerdo con VIEIRA et al. (1983) median- El valor de la semivarianza en la intersec- te la siguiente expresión: ción del eje de ordenadas se denomina
efecto pepita; su símbolo es C0, y represen- ta la variabilidad de la propiedad estudia- da para distancias inferiores a las muestre- adas. Así, cuanto mayor es el efecto pepi- ta, menor es la dependencia espacial de donde sc(h) es el semivariograma esca- una propiedad. Los parámetros efecto lonado, (h) el semivariograma original y pepita (C0), meseta (C0+C1) y alcance (a) se Var(z) es la varianza muestral de las obser- usan en las ecuaciones que describen los vaciones. semivariogramas mediante modelos teóri- Dependencia espacial significa autoco- cos; este procedimiento se discute amplia- rrelación, es decir, la dependencia del valor mente por VIEIRA et al. (1983). de una variable en un punto respecto al Existen diversos modelos de semivario- valor de sus vecinos. Esta característica grama. Los datos experimentales de este está expresada en la ecuación (1) como la trabajo se han ajustado al modelo esférico diferencia [Z(xi),Z(xi+h)]. Asumiendo que y al exponencial: la variación es independiente de la direc- - Modelo esférico. Su ecuación viene ción, se puede utilizar en los cálculos el dada por: módulo del vector h, que equivale a la dis- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis geoestadístico 225
y 1,2 para los tres tipos de superficies. Cabe destacar el alto valor que alcanza la (2) meseta en la superficie dtmsp003 ya que
C1= 1,50 para la red de 6 cm x 2 cm, C1=
1,54 para la red 4 cm x 4 cm y C1= 1,61 cm para la rejilla de 6 cm x 2 cm. Como este modelo se caracteriza por Respecto al alcance hay que señalar que alcanzar la meseta a una distancia finita, en la mayor parte de los casos osciló entre suele indicar fenómenos contínuos aunque 240 mm y 500 mm. En nueve superficies no derivables, es decir fenómenos que pre- aumenta el alcance al disminuir el núme- sentan fluctuaciones. Este modelo es el ro de puntos. La superficies con mayor más frecuentemente utilizado en Física de alcance poseen también los mayores valo- Suelos. res de C1. Esto puede deberse al hecho de - Modelo exponencial. Viene dado por que el haber retirado la tendencia lineal de la ecuación: los datos no haya sido suficiente para fil- trar la componente orientada de la rugosi- dad por lo que habría que realizar otros (3) tipos de retirada de tendencia como la pro- puesta por CURRENCE y LOVELY, (1970). A estos datos experimentales se les Los fenómenos descritos por este semi- ajustó un modelo esférico en 14 ocasiones variograma son similares a los considera- mientras que el modelo exponencial resul- dos por modelo esférico, pero con menores tó ser el más adecuado para las 11 superfi- fluctuaciones. cies restantes. El modelo ajustado fue el mismo dentro de cada superficie para los RESULTADOS Y DISCUSIÓN tres tipos de rejilla utilizados por lo que se deduce que el espaciado utilizado en estas En la tabla 2 se muestran los medidas no afecta al tipo de dependencia parámetros utilizados en el ajuste de los espacial. semivariogramas experimentales para En las figuras 1 y 2 se presentan dos superficies con tres densidades de mues- ejemplos de semivariogramas muestrales y treo. modelos teóricos ajustados en la superficie Se encontró un efecto pepita (C0) igual dtmsp005 y en la superficie dtmsp012 a 0 en todas las superficies salvo en dos con para los tres tipos de red estudiados. Se rejilla de 2 x 2 cm y en una de 4 x 4 cm. comprueba que al disminuir la densidad El valor de la meseta, expresado con rela- de muestreo pasando de una red de 2 cm x ción a la unidad por tratarse de semivario- 2 cm a una red de 4 cm x 4 cm disminuye gramas escalonados, fue bastante variable la porción lineal del semivariograma debi- aunque la mayoría de los semivariogramas do a que existe pérdida de información, lo poseen un valor de C1 que oscila entre 0,93 que tendrá consecuencias sobre la preci- 226 VIDAL VÁZQUEZ et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Tabla 2. Parámetros de los modelos de semivariograma ajustados a los datos experimentales. sión de los resultados obtenidos. Por lo cm x 2 cm con el semivariograma de la red tanto, aunque visualmente se mantiene 6 cm x 2 cm en la figura 2. similar el semivariograma a pequeñas dis- El siguiente paso en el análisis geoesta- tancias disminuye el número de puntos dístico sería trabajar con menor número de muestrales. puntos por medida, aumentado el espacia- Por el contrario, si se disminuye la do, para poder seguir profundizando en el densidad de muestreo pasando de una red estudio de la dependencia espacial de los 2 cm x 2 cm a una red 6 cm x 2 cm se datos de rugosidad. Un posterior análisis mantienen puntos del semivariograma de estos resultados incluirá la construcción muestral a cortas distancias aunque se de modelos de elevación digital y la vali- reduce el número de pares de datos con dación de los resultados mediante krigea- que se calcula cada uno de estos puntos. do. Además en algunos casos se observa que al Actualmente es posible estudiar con reducir la densidad de muestreo en las más resolución la microtopografía superficies de 6 cm x 2 cm se genera una mediante técnicas como el láser que per- cierta anisotropía, que se puede apreciar al mite medir con espaciados del orden de 1 comparar el semivariograma de la red 2 a 2 mm. Sin embargo existen numerosas CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis geoestadístico 227
Figura 1. Semivariogramas muestrales y modelos teóricos ajustados en la superficie dtmsp005 con los tres tipos de red de muestreo. 228 VIDAL VÁZQUEZ et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Figura 2. Semivariogramas muestrales y modelos teóricos ajustados en la superficie dtmsp012 con los tres tipos de red de muestreo. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Análisis geoestadístico 229 series de datos medidas con rugosímetro se ajustaron a un modelo esférico mientras de agujas en rejilla rectangular con un que las 11 superficies restantes se ajusta- espaciado entre puntos de un perfil del ron a un modelo exponencial. orden de 1 a 3 cm y entre perfiles sucesi- Dentro de cada superficie y para tres vos del orden de 10 a 15 cm (ALLMARAS densidades de muestreo diferentes se ajus- et al., 1966; CURRENCE y LOVELY, tó el mismo tipo de modelo por lo que se 1970; ONSTAD, 1984; LADO deduce que el espaciado de las medidas LIÑARES, 1999). Queda por determinar usado en este trabajo no afecta al tipo de si la Geoestadística puede relacionar datos dependencia espacial pero tienden a variar de microrrelieve a distinta escala. parámetros como el alcance y la meseta.
CONCLUSIONES AGRADECIMIENTOS A partir de medidas puntuales de altu- Este trabajo ha sido realizado en el ra se calcularon los semivariogramas expe- marco de los Proyectos HID 96-1085-C02 rimentales correspondientes a 25 superfi- y PGIDT99MA10303. cies de cultivo. Del total de superficies, 14 230 VIDAL VÁZQUEZ et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
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Efecto de las propiedades hidráulicas del suelo sobre la respuesta hidrológica calculada por LISEM 5.0 Effects of soil hydraulic properties on simulated hydrological response generated by LISEM 5.0
LOPEZ PERIAGO, E.1; SOTO GONZALEZ, B.2; RUBINOS GONZALEZ, D.2 & DIAZ- FIERROS, F.2
AB S T R A C T
LISEM model (Limburg Soil Erosion Model) is actually being developped in order to per- form dynamic simulations of surface runoff and erosion in catchments. This model is also proposed as analysis support system for soil erosion problems derived from agricul- tural management practices, which can be used as a kernel of an expert system for agri- cultural and environmental planning. Hydrological response of LISEM 5.0 is analysed on the basis of soil water flow parame- ter values of the Green-Ampt sub-model, which estimates infiltration rates. Observed hydrographs in the stream gauge installed in a catchment were tested with those simu- lated by LISEM 5.0. Observed hydrographs shows that the hydrological response of experimental catchment corresponds to a variable source type. By contrast, given the assumptions of LISEM 5.0 for calculating runoff , the calculated hydrological response is always hortonian. Results showed that, for any set of infiltration parameters, Green-Ampt infiltration sub- model is not able to simulate the observed streamflow discharge (variable source). This occurs because the rainfall intensity-infiltration ratii do not allow a generalized horto- nian surface runoff as predicted by LISEM 5.0. Hortonian runoff only may be possible at short times and limited to small areas, and does not appear to be significant in the obser- ved hydrographs.
Key words: LISEM, modelling, runoff, infiltration. (1) Departamento de Bioloxía Vexetal e Ciencias do Solo, Universidade de Vigo. Fac. de Ciencias Campus de Ourense, As Lagoas, 32005 Ourense. E-mail [email protected]. Tel. +43-(9)88-387258. (2) Departamento de Edafoloxía e Química Agrícola, Universidade de Santiago. 232 LÓPEZ PERIAGO et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
INTRODUCCIÓN Galicia y se determina en efecto de la humedad antecedente del suelo y propie- La erosión hídrica derivada de activida- dades hidráulicas del suelo (en concreto, la des agrícolas, en el ámbito de la política conductividad hidráulica saturada) sobre agraria comunitaria, está en la actualidad el tipo de respuesta hidrológica, emplean- siendo objeto de investigación. Los objeti- do para ello el modelo LISEM versión 5.0 vos de las investigaciones son variados, como herramienta de análisis. Estos análi- pero atienden principalmente a la necesi- sis tienen como objetivo final la optimiza- dad de definir una serie de prácticas de ción de los parámetros del modelo para manejo y de escenarios ambientalmente simular una respuesta hidrológica consis- correctos, que reduzcan la generación de tente con el funcionamiento real del siste- escorrentía superficial, la degradación de ma. la estructura del suelo y la erosión. Para realizar inferencias sobre los efectos que puedan tener las diferentes prácticas de MATERIALES Y METODOS manejo en cada tipo de escenario ambien- tal, es necesario disponer de herramientas (modelos) que permitan efectuar predic- Características de la cuenca de estu - ciones del impacto de estas prácticas, a dio partir de un conjunto establecido de con- La cuenca de estudio está situada en el diciones iniciales (escenario). Municipio de Abegondo, Provincia de A En la parte correspondiente a los cálcu- Coruña, coordenadas 43º09'10"N los hidrológicos, uno de los aspectos fun- 8º21'15"W, el material de partida es los damentales es la modelización hidrológica esquistos básicos del Complejo de vertical, donde intervienen los procesos de Ordenes. La textura es bastante homogé- interceptación, almacenamiento superfi- nea en toda la cuenca, siendo la clasifica- cial e infiltración. La infiltración puede ser ción textural franco limosa: arena 30%, estimada mediante el modelo de Green- limo 50% y arcilla 20%. Ampt para una capa de suelo. El hecho de En el período de la realización de esta emplear el modelo de Green-Ampt para la investigación, hasta junio de 1998, el estimación de la infiltración, lleva de suelo estaba destinado a varios usos: pra- forma implícita la asunción de un deter- dera polifítica con predominio de Lolium minado modelo de generación de escorren- perenne L. destinada a pasto y ensilado, y tía superficial: un modelo de tipo horto- una parte dedicada al cultivo de maíz niano en el cual la escorrentía superficial forrajero mediante técnica de mínimo únicamente se genera cuando la intensidad laboreo con siembra directa. En la actuali- de precipitación supera la velocidad de dad está dedicada a la producción de infiltración (B O R A H, 1989; V E N - T E Eucalipto. CHOW, 1994). La superficie aforada es de 10,45 ha y la En este artículo se analiza la respuesta medida del caudal se efectuó en continuo, hidrológica de una cuenca agraria de empleando como elementos de medida un CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Efecto de las propiedades hidráulicas 233 canal de aforo tipo Parshall de un pie de para el extremo seco, el flujo hidráulico en anchura de garganta y una sonda de nivel el frente de humectación ( f) es de tipo capacitivo.
El modelo LISEM 5.0 El modelo LISEM (Limburg Soil Erosion Model, DE ROO et al., 1995) está donde k es la conductividad hidráulica diseñado para el cálculo del transporte de media en la zona de transmisión. El agua agua y sedimentos durante una avenida en almacenada en el suelo tras el paso del una cuenca hidrográfica. Los cálculos son frente es: efectuados mediante ecuaciones de la físi- ca y acoplados a ecuaciones empíricas y a listas de coeficientes empíricos tabulados. La secuencia de operaciones que realiza el LISEM 5.0 se puede enumerar en la siendo D el contenido hídrico medio tabla 1. en el frente de humectación y t el tiempo. Integrando respecto a t se obtiene la El submodelo de cálculo de la infil - ecuación que calcula la posición del frente tración (Green-Ampt) de humectación: Durante el proceso de infiltración se puede observar que se desarrolla un frente de humectación que se desplaza vertical- mente hacia abajo, a través del suelo. El Combinando estas ecuaciones se obtie- contenido hídrico en el frente de humecta- ne el flujo de infiltración (F i) ción es aproximadamente constante en un perfil hidráulicamente homogéneo. Si el espesor del frente de humectación es zf, y los potenciales en los extremos del frente son f para el extremo húmedo y i
Tabla 1. Secuencia de operaciones realizadas por LISEM 5.0 234 LÓPEZ PERIAGO et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Finalmente, integrando esta expresión escorrentía y del registro pluviométrico. con respecto a t se obtiene el volumen de El registro contiene las medidas de preci- infiltración acumulado en el tiempo: pitación acumulada en intervalos de 5 minutos y el caudal instantáneo medido en los mismos intervalos. El análisis del registro, en el cual se determina la precipitación efectiva (la que El modelo de Green-Ampt determina da origen a la escorrentía superficial), a que la velocidad de infiltración disminuye partir de la descomposición de los hidro- proporcionalmente a la raíz cuadrada del gramas en sus componentes respectivos de tiempo. Una de las limitaciones del mode- flujo superficial y flujo subterráneo, y de la lo consiste en que no incorpora ningún determinación de los tiempos de retardo proceso de redistribución de la humedad entre el pico del hietograma y el pico de en el suelo. avenida, determina que la respuesta hidro- lógica de la cuenca de estudio es de tipo RESULTADOS fuente variable. En las figuras 1-3 se muestran los hidrogramas correspondien- tes a tres eventos registrados. Respuesta hidrológica de la cuenca El tiempo de concentración es un pará- metro que indica el modo de respuesta La respuesta hidrológica de la cuenca se hidrologica de la cuenca. Un procedimien- analizó a partir del registro de caudal de to empírico para calcularlo lo constituye la
Figura 1. Hidrograma e hietograma correspondiente a un evento con bajas intensidades de lluvia (Ip < 20 mm/h) y de duración prolongada. Este tipo de eventos no puede ser simulado por LISEM 5.0 dado que no puede originarse escorrentía según un modelo hortoniano. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Efecto de las propiedades hidráulicas 235
Figura 2. Hidrograma e hietograma correspondiente a una secuencia de dos eventos, uno de inten- sidad moderada y otro de elevada intensidad. Este evento puede ser simulado parcialmente por el modelo LISEM 5.0 si se determina el tiempo óptimo de inicio de la simulación y las condiciones de humedad inicial.
Figura 3. Hidrograma e hietograma correspondiente a una secuencia de dos eventos, el primero de intensidad muy elevada y muy corta duración y otro menos intenso y más prolongado. El primer evento presenta dificultades para ser simulado por LISEM 5.0, porque el bajo contenido hídrico ini- cial del suelo supone una elevada velocidad de infiltración, lo cual no permite la generación de escorrentía superficial. 236 LÓPEZ PERIAGO et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) fórmula de California y puede servir como LISEM 5.0 se fueron realizadas a partir de una primera estimación: una serie de parámetros distribuidos que son los que determinan la infiltración, la generación de escorrentía superficial y su circulación a través de la red de drenaje (figura 4). De estos parámetros, uno de los más importantes es la conductividad La longitud del cauce principal (L) es hidráulica saturada (Ks), cuya representa- de 560 m y la diferencia máxima entre ción espacial aparece en el mapa de la figu- cotas (dH) es de 36 m, la estimación del ra 5, la distribución de Ks se determinó a tiempo de concentración según esta fór- partir de medidas efectuadas in situ mula (Tc) es de 7 minutos y 30 segundos. mediante infiltrómetros de disco Este valor indica el retraso de la respuesta (REYNOLDS & ELRICK, 1991) y medi- hidrológica respecto a un evento de preci- das de la permeabilidad en el laboratorio pitación. efectuadas sobre testigos de suelo estruc- Los tiempos de retraso calculados a turado mediante el procedimiento de partir de hidrogramas registrados (retraso Flannery y Kirkhan (K L U T E & del centro de masa del pico de escorrentía DIKERSEN, 1986). Los valores de con- respecto al centro de masa del hietograma) ductividad hidráulica fueron geo-referen- oscilan entre 14 minutos y 1 hora. ciados y la interpolación de los valores se Finalmente, los tiempos de concentra- efectuó sobre una red de puntos dispuestos ción determinados a partir de la descom- sobre una malla regular de 5 metros de posición del hidrograma y la determina- lado ocupando la superficie exacta de la ción del período de lluvia efectiva indican cuenca. La interpolación se llevó a cabo que el tiempo de concentración oscila mediante Krigging estratificado (VIEIRA entre 17 y 26 minutos. Estos valores indi- et al., 1981), empleando los tres modelos can una contribución importante de esco- de varianza espacial mejor ajustados a cada rrentía subsuperficial en la descarga total uno de los estratos. Las tres categorías o de la cuenca. estratos que se definieron son: zonas de El Tc calculado a partir de los resulta- vagoada, laderas y promontorios o inter- dos de LISEM 5.0 en condiciones de fluvios. humedad a saturación oscila en un rango Otros parámetros distribuidos son el de 6 a 9 min, valores que son acordes con contenido de humedad inicial, el conteni- obtenidos mediante la fórmula de do hídrico a saturación y el potencial California, por contra, no se ajustan a las matricial en el frente de humectación, observaciones hidrométricas. todos ellos, intervienen en el submodelo Green-Ampt para el cálculo de la veloci- Simulaciones en condiciones de dad de infiltración. humedad a saturación En este estudio se efectuaron dos análi- sis: la sensibilidad del modelo frente a la Las simulaciones efectuadas con el variación de la conductividad hidráulica CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Efecto de las propiedades hidráulicas 237
Figura 4. Aspecto de las líneas de flujo de escorrentía superficial obtenido a partir del modelo de elevación digital. saturada y el efecto de la humedad inicial condiciones de humedad a saturación, del suelo. variando únicamente el valor medio de Ks en un pequeño porcentaje con respecto al Efecto de la conductividad hidráulica determinado experimentalmente, y con- saturada servando la estructura de la variación espacial de los valores. Es decir, multipli- La variación de Ks tiene un efecto muy cando el valor de Ks en cada punto del marcado sobre la respuesta hidrológica, en mapa por unas constantes. En la figura 6 la figura 6 se muestran los resultados de se observa que pequeñas variaciones de los simulaciones efectuadas con el LISEM, en valores medios de Ks (del orden del 30 %) 238 LÓPEZ PERIAGO et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
Figura 5. Mapa de los valores de conductividad hidráulica saturada (Ks) en la cuenca del Abelar.
se expresan en variaciones del 200% tanto nido hídrico respecto a la saturación) el del caudal máximo de escorrentía como efecto de la conductividad hidráulica satu- del volumen total de escorrentía. Por otra rada es mucho más pronunciado. Este efec- parte, en la misma figura se observa la to se debe a que se pone de manifiesto una diferencia de la forma entre los hidrogra- de las limitaciones del LISEM para la mas calculados y el observado, formas que simulación de determinados tipos de even- expresan las diferencias en la repuesta tos. En la figura 7, se observa que la gene- hidrológica. ración de la escorrentía superficial con el En las simulaciones efectuadas en con- suelo no saturado solamente ocurre si la diciones de no saturación (90% del conte- conductividad hidráulica es muy baja, del CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Efecto de las propiedades hidráulicas 239
Figura 6. Efecto de la variación de Ks (cm/h) sobre la respuesta hidrológica calculada por el LISEM 5.0 en condiciones de humedad a saturación. Cada uno de los hidrogramas se corresponde con un valor medio de Ks para toda la cuenca, la cifra entre paréntesis es la desviación típica de los valo- res de cada distribución espacial.
Figura 7. Efecto de la variación de Ks sobre la respuesta hidrológica calculada por el LISEM 5.0 en condiciones de humedad no saturada. Cada uno de los hidrogramas se corresponde con un factor de multiplicación del valor medio de Ks calculado para la cuenca. Solamente producen escorren- tía valores muy bajos de Ks (5, 10 y 20%) de los valores medios calculados. 240 LÓPEZ PERIAGO et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) orden del 5% de los valores determinados aparecen en la figura 8, que no reflejan la experimentalmente. La otra forma de apa- respuesta hidrológica observada. rición de la escorrentía superficial (20% de Se realizaron otros ensayos para deter- la Ks calculada) consiste simplemente en minar el efecto de las condiciones iniciales que se sature el suelo, y una vez saturado, de humedad. En concreto, se efectuaron se forme la escorrentía. Este funciona- simulaciones con el LISEM 5.0 con idénti- miento da lugar a los hidrogramas que cos hietogramas, variando únicamente el
Figura 8. Efecto de la variación de contenido hídrico inicial en la respuesta hidrológica (figura supe- rior) y en el transporte de sólidos en suspensión (inferior). Los valores expresan el porcentaje de saturación. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Efecto de las propiedades hidráulicas 241 contenido de humedad inicial. El conteni- centración (Tc) calculado por medio de la do hídrico inicial de referencia fue obteni- fórmula de California y calculado a partir do a partir del registro continuo de datos de hidrogramas simulados confirma que la de potencial matricial y expresado en con- simulación de la circulación de la esco- tenido hídrico volumétrico mediante las rrentía superficial efectuada por LISEM es curvas características de humedad deter- correcta. minadas para el horizonte superficial del Los supuestos asumidos para el LISEM suelo. 5.0, en el proceso de generación de esco- Se observa que el efecto de variar el rrentía no son validos para la simulación contenido hídrico inicial únicamente pro- de la respuesta hidrológica en la cuenca de duce un retraso en la aparición del pico de estudio, debido a que el modelo de gene- escorrentía. Este efecto en ningún momen- ración de escorrentía asumido por el to aparece reflejado en el registro hidro- LISEM 5.0 es de tipo hortoniano, modelo métrico de la cuenca. que no describe adecuadamente la respues- Con respecto a la parte correspondien- ta hidrológica de la cuenca de estudio. te al transporte de sólidos en suspensión, el LISEM reproduce los mismos resultados AGRADECIMIENTOS que en el caso de la escorrentía. Este trabajo ha sido realizado en el CONCLUSIONES ámbito del proyecto Effective land mana- gement for surface runoff control, finan- El análisis de los hidrogramas revela el ciado y contratado por la Unión Europea predominio de la descarga por escorrentía en el marco del programa FAIR (CT95- subsuperficial en eventos de intensidad 0458). Se agradece asimismo la colabora- moderada. Este tipo de descarga corres- ción de los propietarios da la finca O ponde a un modelo de generación de esco- Abelar por permitir el acceso y realizar rrentía de fuente variable. estas experiencias. La similitud entre el tiempo de con- 242 LÓPEZ PERIAGO et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
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Disponibilidad de macro- y micronutrientes en un suelo de cultivo de Mabegondo (A Coruña) Macro- and micronutrients availability in a cropped soil in Mabegondo (A Coruña).
ULLOA GUITIÁN, M.1; ABREU, C.A.2 & PAZ GONZÁLEZ, A.1
AB S T R A C T
The Mehlich–3 extraction reagent recommended for use on a wide range of acid soil types was utilised for extracting in a simple step, both major elements (P, Ca, Mg) and micronutrients (Fe, Mn, Cu and Zn,). The study area was an elementary agricultural catchment of about 25 ha, located in the Mabegondo Experimental farm, near A Coruña, where soils develop over a basic schist underneath, referred to as Ordenes Complejo. 65 punctual soil samples were taken for nutrient determination at 0-30 cm depth. The fre- quency distributions for each of the seven studied elements were analized. There were wide ranges of variation between maxima and minima. Coefficients of skewness and kurtosis indicate that micronutrient contents can be approximated by a normal distri- bution. Coefficients of variation were medium to high, ranging from 30% to 62%. Strong correlations were found between extractable Fe, Mn, Cu and Zn. Furthermore, the relationship between the concentration of nutrients and routine analysis of orga n i c matter content, pH and texture was ascertained. The dependence between pH and extractable Ca content was not as high as expected because of the scatter of a few (one or two) individual points. The usefulness of regression analysis between extracted nutrient concentrations and on the other hand between nutrient contents and general soil properties for detecting outliers was discussed.
Key words: extractability, multielement, Mehlich-3, statistical variability, macronutrient, mi c r o n u t r i e n t . (1) Facultad de Ciencias. Universidad de A Coruña. A Zapateira, 15071, A Coruña. (2) Instituto Agronómico de Campinas. Barao de Itapura. 13001-970 Campinas (SP), Brasil. 244 ULLOA GUITIÁN et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
INTRODUCCIÓN ra aproximación, y en base a la extracción con reactivos más o menos selectivos y El contenido en nutrientes de los sue- específicos para una forma o asociación los de cultivo depende tanto del material físico-química particular, se admite de partida, como de los aportes de fertili- (ALLOWAY, 1995) que los nutrientes del zantes, sin olvidar la posible acción de la suelo se pueden encontrar en 5 fracciones o contaminación atmosférica, que puede estados: soluble, intercambiable, asociados motivar incrementos significativos de la a la materia orgánica, asociados a óxidos, concentración de determinados elementos asociados a minerales primarios y secunda- en zonas con cantidades importantes de rios. También se admite que la fracción deposición por vía húmeda y/o seca más lábil, en la que se encuentra la porción (ALLOWAY, 1995; DIXON & WEED, de un elemento asimilable a corto y medio 1989). Las raíces de las plantas absorben plazo esta formada por los tres primeros nutrientes de la solución del suelo y, como estados: soluble, intercambiable y asociada consecuencia, para mantener el equilibrio a la materia orgánica. Por tanto, el conte- entre la fase sólida y líquida se produce la nido total de un nutriente en un suelo no desorción o disolución desde la fase sólida, da idea de la cantidad que está disponible pero no toda la cantidad de un elemento para la planta. existente en la fase sólida del suelo puede La caracterización de las deficiencias (o ser transferido a la solución (RAIJ, 1998). excedentes) de elementos nutritivos puede Además de la extracción por el sistema ser hecha mediante diversos procedimien- radicular, numerosos procesos afectan a la tos de diagnóstico, entre los cuales el más movilidad y retención de los elementos en tradicional es el criterio visual, que depen- el suelo, y entre los principales cabe citar: de sólo del conocimiento del técnico y del la meteorización, la solubilización, la pre- soporte de la información bibliográfica. cipitación, la inmovilización por los orga- Este criterio tiene su limitación por nismos del suelo y el lavado. Por otro lado, depender de la aparición de síntomas, fase la disponibilidad de los nutrientes del en que normalmente la productividad suelo no sólo está relacionada con los pro- puede verse limitado. El análisis químico cesos que afectan a su retención o movili- de la planta, o de sus partes, es otro crite- dad sino que depende de diversos factores rio de diagnóstico, especialmente útil para físico-químicos. Esencialmente, los facto- plantas perennes, en vista de las dificulta- res que afectan a la disponibilidad de des de efectuar muestreos representativos nutrientes son pH, contenido en materia del suelo (ABREU et al. 1996; NAVA- o rgánica, textura y potencial redox RRO BLAYA & NAVARRO GARCÍA, (LOUÉ, 1988). 2000). Debido a la complejidad de las reaccio- Otro instrumento de diagnóstico des- nes químicas y de los procesos que deter- tacado es el análisis químico del suelo, minan el aumento o la pérdida de nutrien- pues posibilita el conocimiento de la dis- tes en el suelo, es difícil predecir el com- ponibilidad de nutrientes previo a la portamiento de los mismos. Como prime- implantación de un determinado cultivo, CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Disponibilidad de macro- y micronutrientes 245 es decir, el diagnóstico acerca del estado co-química o un estado de asociación actual de fertilidad. Además, el análisis determinado. Sin embargo, los resultados del suelo es una herramienta bastante efi- obtenidos pueden variar ampliamente en caz para evaluar el nivel de fertilidad del función de condiciones de extracción como mismo y permite efectuar pronósticos el tiempo, el volumen, la intensidad, etc, sobre las necesidades de abonado y por ello por lo que estas técnicas han sido con fre- se viene utilizando desde finales del siglo cuencia criticadas. Por ello, algunos auto- XIX como el principal criterio para diag- res para referirse a los resultados obtenidos nosticar la acidez del suelo y la disponibi- mediante estas técnicas prefieren utilizar lidad de algunos macronutrientes (P, K, el término "extractabilidad" en vez de dis- Ca y Mg) (ABREU et al. 1996; NAVA- ponibilidad. RRO BLAYA & NAVARRO GARCÍA, En la práctica, existe una gran diversi- 2000). dad de soluciones extractantes que permi- Por lo que respecta a los micronutrien- ten determinar distintas fracciones de tes (por ejemplo, B, Cu, Fe, Mn, Mo y Zn), nutrientes, pero no existe ninguna que sea el volumen de estudios efectuados es satisfactoria para todos los tipos de suelo mucho más limitado. La presencia de defi- (LEBOURG et al., 1996). Entre ellos hay ciencias en determinados cultivos, y sobre que citar: soluciones salinas -usadas princi- diferentes tipos de suelos, ha potenciado el palmente para macronutrientes intercam- análisis de la disponibilidad de micronu- biables- como el CaCl2; soluciones quelantes - trientes. Los problemas de déficit de los agentes quelantes se combinan con los micronutrientes tienden a agravarse debi- iones en solución formando complejos do, entre otros, a los siguientes factores: (a) solubles- como EDTA y DTPA; soluciones existencia de suelos con niveles bajos de ácidas –las soluciones concentradas de áci- micronutrientes, debido a la composición dos fuertes extraen nutrientes de la fase de la roca; (b) agotamiento de micronu- sólida no lábil y las soluciones diluidas trientes en suelos fértiles, acelerado por el extraerán los elementos de la solución del aumento de la productividad; (c) práctica suelo, de los lugares de intercambio y de de encalado, que reduce la disponibilidad aquellos que estén complejados o adsorbi- de todos los microelementos, excepto Mo; dos- como los reactivos Mehlich-1 y (d) prácticas de encalado deficientes, por Mehlich-3. ejemplo, aplicando en la capa de 0-10 cm Al seleccionar el método de análisis del de profundidad, cantidades recomendadas suelo se necesitan conciliar criterios de un para la de 0-20 cm. (ABREU et al. 1996) buen extractante con la realidad agronó- Para evaluar indirectamente la disponi- mica. Un buen extractante debe: (a) bilidad de macro- y micronutrientes se extraer toda o parte proporcional de las han desarrollado técnicas de extracción formas disponibles; (b) ser reproducible y mediante diversos reactivos o soluciones rápido; y (c) ser adaptable a las diferentes extractoras. La utilización de un reactivo características del suelo. Encontrar un determinado se justifica en base a su selec- extractante que atienda a todos estos crite- tividad o especificidad para una forma físi- rios es lo ideal, pero no siempre posible. 246 ULLOA GUITIÁN et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001)
En este trabajo se lleva a cabo el estu- umbrisoles y en la vaguada, gleysoles dio de las cantidades de nutrientes dispo- (FAO-WRB-UNESCO, 1998). nibles (extraídos con Mehlich-3) en 65 Las muestras se tomaron en el otoño de muestras puntuales tomadas en un área 1996, cuando más del 90% de la superfi- dedicada a cultivo. La zona muestreada se cie estudiada estaba ocupada por pradera y considera representativa de una importan- el resto a barbecho, después de la recogida te comarca agrícola de la CCAA de del maíz. La zona dedicada a pradera esta- Galicia, caracterizada por suelos relativa- ba dividida en parcelas con manejo dife- mente fértiles. Los principales objetivos rente, de modo que mientras en una de del mismo son: la evaluación del conteni- ellas el suelo estaba labrado y recién enca- do en algunos macro- y micronutrientes lado como consecuencia de las operaciones nutrientes extraídos con el reactivo de resiembra, otras no habían sido renova- Mehlich-3 y la caracterización estadística das en los últimos diez años. Además, de la variabilidad de los resultados a una algunas de las parcelas a pradera se dedica- escala de la que puedan derivarse conclu- ban a siega, otras a pastoreo y otras a siones útiles para la práctica agronómica. ambos usos. En consecuencia, cabía espe- Además, se estudia la dependencia entre la rar, a priori, una gran heterogeneidad en la extractabilidad de los nutrientes y las pro- cantidad de nutrientes dentro de la zona piedades generales del suelo como pH, estudiada. materia orgánica y textura. El muestreo se realizó al azar (figura 1) de manera que estuviesen representadas las MATERIAL Y MÉTODOS diferentes unidades de suelos y parcelas con distinto manejo de la pequeña cuenca El estudio se llevó a cabo en una zona agrícola. La toma de muestras se efectuó que quedaba delimitada por una pequeña con una sonda de 5 cm de diámetro en 79 cuenca de aproximadamente 24.5 ha de puntos diferentes y a dos profundidades extensión, situada en la finca experimental (0-30 y 30-60 cm), en los que se analiza- del Centro de Investigaciones Agrarias ron las propiedades generales (ULLOA de Mabegondo (Abegondo - A Coruña), GUITIÁN, 1998). El contenido en dedicada a policultivo en rotación. La loca- nutrientes, no obstante, se determinó lización y características topográficas han sobre 65 muestras pertenecientes a la capa sido ya descritas en trabajos anteriores superficial (0-30 cm de profundidad) por- (GONZÁLEZ GARCÍA, 1998; ULLOA que es la más importante desde el punto GUITIÁN, 1998). El material de partida de vista nutricional. son esquistos de la formación conocida como "Complejo de Órdenes" (MARTÍNEZ et al., 1984) y se pueden Propiedades generales del suelo distinguir los siguientes tipos de suelos, en función del desarrollo del perfil y la En la tabla 1, se muestra un resumen posición: sobre las laderas, cambisoles y estadístico de las propiedades generales de la cuenca considerando sólo las 65 mues- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Disponibilidad de macro- y micronutrientes 247
un 54.4% sugieren la necesidad de aplicar dosis variables de caliza. El contenido medio en materia orgáni- ca es alto a escala de cuenca (9.28 %, loca- lizándose los contenidos más bajos en las zonas de ladera y los más altos en las vaguadas hidromorfas. Desde el punto de vista granulométri- co el limo es la fracción más abundante con algo más del 50% del contenido medio de las muestras. Tanto a escala de cuenca (ULLOA GUITIÁN, 1998) como de parcela (PAZ GONZÁLEZ et al., 1996) los coeficientes de variación aumentan en el siguiente orden: pH (H2O) Tabla 1. Resumen estadístico de las propiedades generales a escala de cuenca – 65 muestras toma- das entre 0-30 cm de profundidad –. (N = número de muestras; M = media; Desv. Std. = desvia- ción estándar; C.V. = coeficiente de variación; Máx. = máximo; Mín. = mínimo; Asim. = coe- ficiente de asimetría). filtró y en el filtrado se determinaron los extraído con el reactivo Mehlich-3 presen- nutrientes mediante un ICP-AES ta una estrecha relación con las cantidades (Espectrómetro de Emisión Atómica por de nutrientes de cambio que extraería el Inducción de Plasma). NH4C2H3O2, pH 7.0, mientras que la can- El reactivo Mehlich-3 es una mezcla de tidad de Mg que se extrae con los dos reac- ácidos (0.2 M CH3COOH, 0.25 M tivos es la misma. NH4NO3, 0.015M NH4F, 0.013 HNO3) con un agente quelante (0.001 EDTA) a RESULTADOS Y DISCUSIÓN pH 2.5 que permite extraer cantidades de nutrientes de la solución, en posiciones En la tabla 2 se presentan los resulta- intercambiables y asociadas a la materia dos estadísticos de los nutrientes extraídos orgánica. Se considera que las cantidades en la cuenca con el reactivo Mehlich-3 y la de nutrientes extraídos con esta solución relación Ca/Mg. pueden dar una idea de la disponibilidad El nutriente extraído en mayor canti- para las plantas (MEHLICH, 1984; dad es el Ca, las muestras presentan JONES, 1990). Según RAIJ (1994), tanto 486.90 mg/kg de contenido medio aun- la solución Mehlich-3 como la AB-DTPA, que su rango de variación es muy amplio conocidos como "extractores universales" con 211.10 mg/kg de contenido mínimo y son en realidad soluciones extractoras de 1345 mg/kg de máximo. El siguiente multinutrientes porque pueden ser usados nutriente extraído en mayor cantidad es el para evaluar simultáneamente la disponi- Fe con 176.50 mg/kg de media. Luego bilidad de varios elementos. Según está el Mn con 57.13 mg/kg de suelo y el JONES (1990), el Mehlich-3 puede ser P 54.13 mg/kg que presentan el mismo usado para extraer P, K, Ca, Mg, Na, B, rango de variación 181 mg/kg. A conti- Cu, Fe, Mn y Zn; la cantidad de Ca y Na nuación está el Mg con 43.46 mg /kg. La CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Disponibilidad de macro- y micronutrientes 249 Tabla 2. Resumen estadístico de los nutrientes extraídos con la solución Mehlich-3 (mg/kg suelo). (N = número de muestras; M = media; Med = mediana; Mod = valor superior del intervalo modal; Desv. Std. = desviación estándar; C.V. = coeficiente de variación; Máx.= máximo; Mín.= mínimo; Rang = rango; Asim. = coeficiente de asimetría; Curt. = curtosis). muestras presentan de media un contenido decir que el Cu, Fe, Zn presentan una dis- en Cu de 1.18 mg/kg y de Zn 0.89 mg/kg. tribución próxima a la normal. Mientras Los coeficientes de variación indican que los macronutrientes y mesonutrientes una elevada variabilidad en el contenido estudiados, así como el Mn no presentan de nutrientes entre 30-60% aproximada- según estos criterios distribuciones de fre- mente. Estos coeficientes siguen de menor cuencia normales, pero si a los datos se les a mayor el siguiente orden: efectúa una transformación logarítmica si F e < C a < M g < C u < Z n < M n < P. Los coefi- presentarían un valor del coeficiente de cientes de variación de los nutrientes son asimetría menor que 1 por lo que se ajus- mayores que los que presentan las propie- tarían con más precisión a una normal dades generales tanto a escala de cuenca excepto el P que aún transformándolo no como de parcela. La relación Ca/Mg pre- se ajustaría. senta un coeficiente de variación del 31%. Al observar los histogramas tampoco se Las distribuciones de frecuencia nor- advierte que presenten claramente distri- males se caracterizan por presentar los buciones normales típicas (figura 2). Los valores de media, mediana, moda próxi- que presentan resultados más parecidos a mos y los valores de asimetría igual 0 y de una distribución normal típica son el Cu y curtosis igual a 3. Como criterio práctico el Zn coincidiendo con lo deducido según aproximado se puede admitir que una dis- los criterios anteriormente citados ya que tribución de frecuencia muestral está pró- su coeficiente de asimetría es de 0.77 y xima a la normalidad cuando el coeficien- 0.97. te de asimetría es inferior a 1. El hecho de que una propiedad del Examinando los valores de asimetría y suelo presente una distribución de fre- curtosis de las cantidades de nutrientes cuencia que se ajuste lo más posible a una extraídos en la cuenca (tabla 2) se podría normal presenta interés cuando se realiza 250 ULLOA GUITIÁN et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Figura 2. Histogramas de frecuencia de los nutrientes extraídos con Mehlich-3 y de la relación Ca/Mg. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Disponibilidad de macro- y micronutrientes 251 un estudio de la variabilidad espacial coeficiente de correlación lineal entre mediante métodos geoestadísticos ya que ambos nutrientes (r=0.602). los errores de krigeado serán menores. Observando las matrices de correlación La elevada asimetría de las distribucio- lineal entre los distintos elementos extraí- nes de frecuencia de Ca, Mg y Mn es cau- dos con Mehlich-3 (tabla 3) y también con sada por la presencia de unos pocos valores las propiedades generales (tabla 4) se de pH excesivamente altos. Los mesonu- pudo estudiar la interrelación entre ellos. trientes (Ca y Mg) presentan distribucio- Como se puede observar en la tabla 3, nes de frecuencia prácticamente idénticos los elementos que presentan una correla- desviados ligeramente a la izquierda, aun- ción más fuerte son los micronutrientes que el Ca es extraído en mayor cantidad. (Mn, Cu, Fe, Zn) ya que todos presentan Esto se puede notar también en el valor del coeficientes de correlación superiores al Tabla 3. Coeficientes de correlación lineal entre las cantidades de nutrientes extraídos con Mehlich–3. (-–: no significativo; ap<0.01; bp<0.05; p = nivel de significación). Tabla 4. Coeficientes de correlación lineal entre las propiedades generales y las cantidades de nutrientes extraídos con Mehlich-3. (–: no significativo; ap<0.01 bp<0.05; p = nivel de significa- ción). 252 ULLOA GUITIÁN et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) 50%; así se obtuvieron valores de correla- el coeficiente de correlación mejoraba lige- ción positiva altamente significativos ramente (r = 0.578). (p<0.01) entre Cu-Mn (r = 0.755), Cu-Fe El análisis de estos datos mediante (r = 0.750), Cu-Zn (r = 0.622), Fe-Mn (r regresión lineal puede permitir tomar una = 0.635) y Fe-Zn (r = 0.622). También es decisión acerca de la conveniencia o no de significativamente alta la correlación entre considerar los valores anormalmente altos los mesonutrientes Ca y Mg (r=0.650). o bajos de una variable al efectuar el análi- En la tabla 4 se puede observar que no sis geoestadístico. Las concentraciones existen fuertes correlaciones entre las pro- anómalas, con frecuencia pueden ser debi- piedades generales y los nutrientes extraí- dos a errores experimentales. Es muy dos. Los coeficientes de correlación lineal importante llevar a cabo un detallado aná- más elevados se obtuvieron entre pH y Ca lisis estadístico antes de decidir si se eli- y Mg. El pH (H2O) y el macronutriente minan o no de la muestra ya que la pre- fósforo presentan un coeficiente de correla- sencia de 1 o 2 puntos con valores anóma- ción negativa (r=-0.406). Las propiedades los modifica no sólo los valores de la media generales y los micronutrientes no presen- y otros parámetros estadísticos sino que tan en absoluto correlaciones o bien éstas condiciona también los resultados del aná- son muy débiles; una de las excepciones es lisis estructural geoestadístico; éste es un el Fe que presenta una débil correlación ejemplo de que pueden existir buenas rela- negativa con el pH (KCl) (r=-0.248). ciones entre los nutrientes y las propieda- En la figura 3 se puede observar la fun- des generales de los suelos pero la relación ción lineal ajustada al Ca y pH (H2O), se que mejor se ajusta puede no ser la lineal. pudo comprobar que eliminando dos de En la figura 3 también se observa que a los puntos que presentan una mayor dis- la relación P–pH(H2O) se ajustó mejor persión con respecto a la recta de regresión una función polinómica de orden 2 y su coeficiente de correlación (r = -0.452) es Figura 3. Relación del pH (H2O) con el Ca y el P. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Disponibilidad de macro- y micronutrientes 253 superior que el coeficiente de correlación nutrientes se aproximan a una distribu- lineal antes indicado (r = -0.406). ción de frecuencia normal. Los micronutrientes (Mn, Fe, Cu, Zn) CONCLUSIONES presentan entre ellos unos coeficientes de correlación lineal altamente significativos, Considerando los valores medios, el sin embargo, con las propiedades generales suelo de esta cuenca está bien provisto de las correlaciones no son significativas. macronutrientes P, Ca y Mg y no presenta deficiencias en micronutrientes, sin AGRADECIMIENTOS embargo, dado el amplio rango de varia- ción de los nutrientes estudiados existen Este trabajo ha sido realizado en el microzonas en donde las cantidades extra- marco del Proyecto "Uso del compost ídas con Mehlich-3 están por debajo de los urbano para la producción agrícola en la niveles considerados óptimos. zona periurbana de A Coruña" financiado Según los valores de los coeficientes de por Caixa Galicia. asimetría se comprueba que no todos los 254 ULLOA GUITIÁN et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) BIBLIOGRAFÍA NAVARRO BLAYA, S. & NAVARRO GARCÍA, G. (2000). Química Agrícola. 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Before flooding and at two week intervals during ten weeks after flo- oding, the following soil physico-chemical and chemical parameters were measured in + each of the treatments: Eh, pH, NH4 -N, extractable Mn and Fe and P. In all the three treatments two weeks after flooding a sharply Eh fall and simultaneously a sharply pH rise was observed. Lime addition showed a clear trend to lower Eh values, all over the waterlogging study period. However, the initial differences in pH between the control plot and plots amended with dolomite vanished at the end of the ten weeks experience. + Before flooding, high NH4 -N differences between treatments were also observed. In + the control plot, the trend during anaerobiosis was to increase the low initial NH4 -N + level, whereas the high NH4 -N content at the beginning of the experience in the amen- ded plots was somewhat reduced. Extractable Mn and Fe increased as a function of flo- oding duration and lime addition increased the extractability of these two elements, so that at the end of the experience Mn and Fe levels were much higher in dolomite amen- ded plots than in control. Olsen- extractable P was also initially higher in the amended plots than in the control plot and after flooding no unique fluctuation trend was obser- ve d . Key words: Puddle soils, flooding, liming, redox potential, available nutrients (1) Facultad de Ciencias Agrarias. Universidad del Nordeste. Corrientes, Argentina. (2) Facultad de Ciencias. Universidad de Coruña. Zapateira, 15.071. Coruña. 256 MORALES et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) INTRODUCCION agotamiento del gas ocurre en los prime- ros días de inundado un suelo, producien- La producción de arroz en América do un cambio en la respiración de los hori- Latina se realiza bajo dos agroecosistemas: zontes encharcados, pasando de aerobiosis en secano y bajo riego. El ecosistema de a anaerobiosis. Los microorganismos anae- secano depende de las lluvias como única róbicos se multiplican rápidamente des- fuente de agua para su normal crecimien- componiendo la materia orgánica y utili- to y no requiere la construcción de came- zando compuestos oxidados del suelo llones o muros de contención en el campo; como aceptores finales de electrones para por lo tanto este sistema no permite la su respiración. Como resultado de esto se retención de una lámina de agua sobre la producen cambios del potencial de óxido superficie de las parcelas. El sistema de reducción, provocando una disminución producción con riego tiene como principal del Eh. Los compuestos más comunes que característica el control sobre el manejo se reducen en suelos inundados son los de del agua. Este control del agua hace que nitrógeno, manganeso y hierro. Este pro- los ecosistemas de riego sean menos com- ceso es gobernado totalmente por la activi- plejos, más estables y uniformes que los de dad de los microorganismos anaerobios y secano (Centro Internacional de la secuencia de reacciones de reducción de Agricultura Tropical, 1983; Empresa de estos compuestos se detallan en la figura 1. Pesquisa Agropecuária e Difusâo de Esta secuencia de reacciones produce Tecnologia de Santa Catarina, 1992). un brusco descenso del potencial redox El arroz crece mejor en suelos inunda- (Eh) después de la inundación, llegando a dos, en anaerobiosis, que en suelos aeróbi- un mínimo a los pocos días, luego sube cos. La inundación no solo proporciona un rápidamente para posteriormente decrecer buen suministro de agua, sino que tam- lentamente con el tiempo. El descenso del bién permite el control de malezas. Eh depende entre otros factores del pH ini- Además, las propiedades físicas y químicas cial, de la cantidad de materia orgánica de un suelo seco cambian drásticamente al disponible y de la cantidad de compuestos ser inundado. Al inundarse un suelo e oxidados presentes en el suelo. En la interponer una lámina de agua de altura secuencia de reducción de estos compues- variable entre éste y la atmósfera se produ- tos hay un consumo adicional de protones, ce un retardo de la difusión de oxígeno y debido a ello los suelos ácidos pueden hacia el mismo. La concentración de oxí- incrementar sus valores de pH después de geno en el suelo depende de la tasa de la inundación, estabilizándose el mismo difusión del gas, del consumo por parte de entre 6.5 y 7.5. Por el contrario en los sue- los microorganismos y de la respiración los alcalinos el pH desciende debido al del sistema radicular de las plantas. aumento en la presión parcial de CO2. Los Cuando el abastecimiento se ve afectado, factores que determinan las variaciones de por ser el consumo por parte de los micro- pH en el suelo son su valor inicial, natura- o rganismos anaeróbicos mayor que el leza y cantidad de compuestos oxidados, suministro, el oxígeno se va agotando. El CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Efectos del encalado en suelos inundados 257 Figura 1. Oxidación de glucosa a ácido pirúvico mediante la reducción de compuestos inorgánicos. cantidad y clase de materia orgánica y manganeso es casi coincidente con la des- temperatura. nitrificación. Al descender el potencial Se admite (PONNAMPERUMA, redox, los óxidos superiores de manganeso 1972, 1986; LEÓN & ARREGOCÉS, se reducen a Mn2+ y consecuentemente su 1985, MELGAR et al., 1990) que los cam- concentración en la solución del suelo se bios químicos más importantes inducidos incrementa pudiendo llegar a cantidades por la inundación y llevados a cabo por los tan altas como 3000 mgkg-1, en suelos áci- microorganismos anaerobios son: dos pobres en materia orgánica y altos con- 1.- Transformaciones de los compues- tenidos de Mn activo. La reducción del tos del ciclo del nitrógeno. hierro férrico a ferroso es uno de los cam- 2.- Reducción del manganeso y del bios químicos más importantes que tiene hierro. lugar cuando se inunda un suelo. Para que 3.- Aumento de la disponibilidad de este proceso tenga lugar es necesaria la fósforo promovido por la reducción del ausencia de sustancias de alto nivel de oxi- - hierro. dación tales, como NO 3y MnO2, presencia La mineralización del nitrógeno orgá- de materia orgánica de fácil descomposi- nico se detiene en la producción de amo- ción y altos contenidos de Fe activo. Las nio y por ser este elemento estable en con- concentraciones de Fe en la solución del diciones de reducción tiende a acumularse suelo pueden llegar a 200 - 300 mgkg-1 en en el suelo inundado. La reducción de los primeros 50 días de inundación. Por lo 258 MORALES et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) general las concentraciones de Fe soluble · Eh en agua. Relación suelo:agua 1:1. disminuyen con los ciclos de inundación. Con electrodo de punta de platino. Esta seria una de las causas por las que las · Nitrógeno amoniacal, por extracción plantas de arroz no sufren efectos tóxicos con KCl 2M y destilación por arrastre de por exceso de Fe soluble a partir del segun- vapor, semi micro Kjeldahl. (KEENEY & do año de cultivo. La reducción de Fe en el NELSON, 1982) suelo trae aparejado un aumento en la dis- · Fósforo: Extraído con NaHCO3 0,5M ponibilidad de fósforo que se encuentra pH 8,5. (OLSEN et al., 1982) adsorbido o fijado. También puede ocurrir · Hierro y Manganeso: Extraídos por el liberación de fósforo adsorbido por inter- método doble ácidos. (DEWIS & FREI- cambio aniónico en arcillas o hidróxidos TAS, 1970), también conocido como de hierro y aluminio. Mehlich 1 (MEHLICH, 1953). Al inundarse un suelo ácido se incre- menta su pH, por lo que se produce un RESULTADOS Y DISCUSIÓN autoencalado. El uso de cal agrícola, tal como dolomita, es una práctica común en La evolución en el tiempo del potencial la zona de Corrientes (Argentina) y con redox, Eh (mV) mostró un comportamien- tendencia a difundirse en el cultivo de to similar en las parcelas que recibieron arroz bajo riego. Por estas razones este tra- diferentes dosis de dolomita, particular- bajo tiene por objetivo determinar cuales mente durante las primeras semanas des- son los cambios que produce esta práctica pués de la inundación. Las parcelas encala- en los suelos inundados. das presentaron valores menores que el MATERIAL Y MÉTODOS testigo durante todo el periodo de anaero- Se trabajó con un suelo de la serie San biosis como se puede apreciar en la figura Luis, Plintacualf, arcilloso, fina, mixta 2. hipertérmica, ubicado en la localidad de En relación con el comportamiento de Santo Tomé (Corrientes Argentina), y un este parámetro, también hay que reseñar año de cultivo de arroz bajo riego. que durante las primeras semanas después Contenido de M.O. 2,14%, pH 3,7. Se del anegamiento existe un incremento, si aplicaron dosis de 625 y 1250 kgha-1 de bien poco acusado, de los valores de Eh dolomita dos meses antes de la siembra. Se para luego descender bruscamente a medi- realizaron muestreos compuestos de suelo da que crece el periodo de inundación, lo de cada parcela en el momento de la siem- que esta acuerdo con los resultados obteni- bra, y posteriormente, después de la inun- dos por varios autores (DE DATTA , dación, a intervalos de dos semanas. Las 1986, PONNAMPERUMA, 1986). muestras obtenidas fueron congeladas, El valor de pH de la parcela testigo trasladadas al laboratorio para su inmedia- difiere con respecto al valor de los trata- to análisis. Se realizaron las siguientes mientos con dolomita, excepto al final de determinaciones: la experiencia. Esta situación se presenta · pH en agua. Relación suelo:agua 1:1. normalmente en suelos sometidos a ciclos alternantes de inundación. Como era de CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Efectos del encalado en suelos inundados 259 Figura 2. Variaciones de los valores de Eh en relación a las semanas de inundación. + esperar, las parcelas encaladas presentaron nidos de N-NH4 en la etapa inicial en las mayores valores de pH en la etapa inicial parcelas encaladas con respecto al testigo, (figura 3). El mayor incremento de pH en pueden deberse a un incremento de la acti- todos los tratamientos ocurre entre la vidad microbiana y descomposición de segunda y la cuarta semana, después de la M.O., que promovería la amonificación en inundación. Las diferencias se mantienen el período anterior al anegamiento del hasta la octava semana, a partir de la cual suelo (SCHÖN et al., 1985). Después de la comienzan a estabilizarse. En la mayoría inundación, en el testigo se puede observar de los estudios en que se analizaron las el comportamiento típico de la acumula- + variaciones de pH con relación a las sema- ción de N-NH 4 , tal como es descrito por nas de inundación se cita que el mismo otros autores (Mc LATCHEY & REDDY, comienza a estabilizarse a partir de la ter- 1998), como así también en el tratamien- cera o cuarta semana. En este trabajo las to de 625 kgha-1 de dolomita, en donde se diferencias encontradas con respecto a aprecia como comienza una neta acumula- otros estudios podría deberse principal- ción de nitrógeno amoniacal a partir de la mente, a la alta acidez inicial del suelo, cuarta semana. + que, como consecuencia, produce un retar- El balance neto de N-NH4 en suelos do en la estabilización del pH. de arrozal una vez anegados viene deter- + Los contenidos de N-NH4 (figura 4) minado por la importancia relativa de los presentan diferencias entre tratamientos procesos de amonificación e inmoviliza- tanto en la etapa inicial como a lo largo del ción, lo que depende tanto de la naturale- período de inundación. Los mayores conte- 260 MORALES et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Figura 3. Variaciones de pH en relación a las semanas de inundación. + Figura 4. Variaciones de N-NH4 en relación a las semanas de inundación. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Efectos del encalado en suelos inundados 261 za de la materia orgánica como de factores a manifestarse los efectos de los tratamien- medioambientales. La acumulación de N- tos, aumentando las concentraciones de + NH4 , frecuentemente observada en estos Mn con el incremento de la dosis de dolo- suelos, sería consecuencia del consumo mita. Bajo estas condiciones el cultivo de relativamente poco importante de los arroz no presentó síntomas de toxicidad o rganismos anaeróbicos, que determina debido al incremento del Mn en la solu- que predomine la inmovilización. Sin ción del suelo por efecto del encalado, aun- embargo, en el caso del tratamiento de que debe mencionarse que este elemento 1250 kgha-1 de dolomita se observa una es considerado como macronutriente para disminución del nitrógeno amoniacal a el mismo. través de todo el ciclo. Este resultado En la secuencia de reducción de ele- podría atribuirse a una inhibición de la mentos en el suelo, al Mn le sigue la del actividad de los microorganismos anaeró- Fe. La reducción del Fe es uno de los cam- bicos que promoverían la amonificación, bios más importantes que tiene lugar y, por tanto, estaría producido por una cuando un suelo se inunda. Esto se debe a conjunción de condiciones reductoras y que al reducirse el Fe+3 a Fe+2 se liberarían altos niveles de Fe y Mn en la solución del los fosfatos ligados al Fe y consecuente- suelo. (figuras 5 y 6) mente aumentaría la solubilidad del P. La reducción de los óxidos de manga- Aunque el Fe, al igual que el Mn, es con- neso es un fenómeno que casi coincide con siderado macronutriente en el caso parti- la desnitrificación en los suelos inundados. cular del cultivo de arroz, niveles superio- A partir de la segunda semana comienzan res a 300 mgkg-1, podrían provocar toxici- Figura 5. Variaciones del Mn en relación a las semanas de inundación. 262 MORALES et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Figura 6. Variaciones del Fe en relación a las semanas de inundación. dad directa o indirecta en el cultivo. Las ción de fosfatos extraídos de acuerdo con el concentraciones de Fe se incrementaron a método de Olsen han sido propuestos partir de la segunda semana, siendo mayor varios mecanismos: esta con el aumento de la dosis de dolomi- (i) Tanto, la disminución del pH en ta (figura 6). A pesar de los altos niveles de suelos alcalinos y el incremento en los sue- Fe encontrados, sobre todo a partir de la los ácidos después de la inundación, pro- sexta semana de inundación, el cultivo no vocan incrementos en la concentración de presentó síntomas de toxicidad, aunque P en la solución del suelo. En el primer esto podría afectar los rendimientos. caso el fosfato de calcio libera iones fosfato Se considera que el principal efecto de cuando cae el pH y en el segundo caso los la condición anaeróbica del suelo es un fosfatos de Fe y Al liberan fosfato cuando cambio en la solubilidad del fósforo. Este el pH aumenta. elemento tiende a acumularse en los suelos (ii) En suelos ácidos el incremento del inundados, dado que no existen mecanis- pH puede provocar una liberación de fos- mos por los que pueda pasar a gas en can- fato retenido por intercambio sobre la tidades significativas (LOGAN, 1982; superficie de arcillas y sesquióxidos y, con- REDDY et al., 1999). La retención de las secuentemente incrementar la concentra- diversas formas de fósforo en suelos de ción de P extraído según Olsen en la solu- arrozal viene regulada por mecanismos ción del suelo. físicos (sedimentación) y biológicos (inter- (iii) La reducción del Fe férrico a ferro- acción con vegetación y microorganismos). so causará una liberación hacia la solución Para explicar los cambios en la concentra- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Efectos del encalado en suelos inundados 263 del suelo de fosfatos adsorbidos, fijados u En el caso del tratamiento 1250 ocluidos. kgha-1 el nivel inicial de fosfato es mucho En la figura 7 se muestran los cambios más elevado, en consonancia con el pH en la concentración de P a lo largo del más alto previo a la inundación y la dismi- período de inundación. En los tratamien- nución de la concentración de fosfato tos 0 y 625 kgha-1 hubo un incremento comienza en una etapa más temprana. Este inicial del P extraído por el método Olsen, resultado podría ser atribuida a una preci- para disminuir a partir de la sexta y cuar- pitación de fosfatos de Fe, debido a la dis- ta semana respectivamente. Esta disminu- minución de la solubilidad de los iones ción podría ser atribuida a fenómenos de ferrosos al aumentar el pH reabsorción de los iones fosfatos sobre la De acuerdo con los mecanismos antes superficie de sesquióxidos y arcillas, proce- expuestos, se admite que entre valores de so que se ha puesto de manifiesto en un pH comprendidos entre 6,5 y 7,0 la solu- amplio rango de pH. La reabsorción de bilidad de los fosfatos es máxima. Los fosfato es un mecanismo opuesto al de resultados obtenidos ponen en evidencia liberación antes mencionado y que, en que, en el caso estudiado, no solo el pH del esencia, consiste en una adsorción de fosfa- suelo interviene en la solubilidad de los to por el hidróxido coloidal en primera fosfatos. Los resultados obtenidos para el etapa, que posteriormente deriva a la inso- nitrógeno amoniacal y los fosfatos justifi- lubilización lenta pero progresiva del fós- can la necesidad de continuar profundi- foro fijado. zando en el estudio de los efectos del enca- Figura 7. Variaciones del P en relación a las semanas de inundación. 264 MORALES et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) lado sobre los suelos ácidos dedicados a ron después de 10 semanas de inundación. arrozal. El encalado promovió la liberación de can- tidades adicionales de Mn y Fe durante el CONCLUSIONES período de anaerobiosis, que sobre todo en el caso del Fe fueron muy superiores en las El encalado de suelos ácidos de arrozal parcelas encaladas que en la testigo. La mediante dolomita motivó que antes de la disponibilidad de nitrógeno amoniacal y inundación aumentase no solo el pH sino fósforo se vieron incrementadas inicial- también el contenido en nitrógeno amo- mente por el encalado. Las variaciones de niacal y en fósforo extraído según el méto- estos dos elementos nutritivos a lo largo do de Olsen. Después de la inundación las del período de inundación ponen de mani- parcelas encaladas presentaron valores de fiesto que determinadas dosis de dolomita potencial redox inferior al de la parcela pueden aumentar la denitrificación o favo- testigo. Por contra, las diferencias iniciales recer la inmovilización del fosfato previa- de pH entre tratamientos ya no se aprecia- mente solubilizado. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Efectos del encalado en suelos inundados 265 BIBLIOGRAFÍA Mg, Na and NH4. North Carolina Soil Test Division Mineo. Raleigh, NC. CENTRO INTERNACIONAL DE AGRICULTU- MELGAR, R., MANOILOFF, Y. & H. D. LIGIER. RA TROPICAL (1983). Sistemas de Evaluación H. D. (1990). Niveles y factores de respuesta Estándar para Arroz. Programa de Pruebas del arroz a los fertilizantes en Corrientes. Internacionales de Arroz. 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Vol. 26, pp. 267-279 Adubação verde em Citrus: influência na porosidade e retenção de água de um latossolo vermelho-escuro do noroeste do estado de São Paulo Water use in Citrus: effect on porosity in water retention in a “Latossolo vermelho-escuro” of Northeast of Estado de Sao Paulo· CRISTINA ALVES, M.1; BARBOSA PAULINO, H2,3; CAMILLO DE CARVALHO, M. A.2,4 & MENEZES DE SOUZA, Z.5,4 AB S T R A C T The objective of this research was to study the porosity, bulk density and retention of water of an Oxisol, located in the Northwestern region of São Paulo state, Brazil. The soil was cultivated with Ci t r u s sp., to which green manure was applied between rows for three years. Each of six species of green manure crops (Crotalaria juncea L., Mu c u n a de e r i n g i a n a Steph. & Bart., Canavalia ensiformis L. DC., Cajanus cajan L., Lablab pur - pu r e u m L. and Ricinus communis L.) were seeded for three years (1995, 1996 and 1997) between Ci t r u s rows, plus a treatment with a mix of all six species and a control (natu- ral regrowth af vegetation). The experimental design was a randomized complete block design, with four replications for each of the eight treatments. Water retention, micro- po r o s i t y , macroporosity, total porosity and bulk density were analyzed in the beginning (1995) and end (1997) of the experiment, at three depth ranges (0-0.10; 0.10-0.20 and 0.20-0.40m). We concluded that there were statistically significant differences for bulk de n s i t y , macroporosity, total porosity and retention of water among the different soil depth ranges; there were no significant differences among treatments though. Key words: soil physical characteristics, Ci t r u s , green manure, total porosity, macropo- ro s i t y , bulk density. Cadernos Lab. Xeolóxico de Laxe Coruña. 2001. Vol. 26, pp. 267-279 · (1) Prof. Dr. Depto. de Ciência do Solo e Engenharia Rural, FEIS/UNESP, C.P.31, CEP 15385-000 – Ilha Solteira, SP – E-mail: [email protected] (2) Pós graduando do Depto. de Fitotecnia - FCAV-UNESP/Jaboticabal, C.P.31, CEP 15385-000 – Ilha Solteira, SP – E-mail: [email protected] e [email protected] (3) Bolsista CAPES (4) Bolsista FAPESP (5) Pós graduando FEIS/UNESP, C.P.31, CEP 15.385-000 - Ilha Solteira, SP. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Adubação verde em Citrus 269 INTRODUÇÃO O uso de adubo verde causa não só um efeito químico no solo, como também, o O desenvolvimento das plantas é físico e o biológico, isto devido a incorpo- influenciado por cinco fatores, denomina- ração do material vegetal. Porém, a taxa de dos de fatores de crescimento das plantas. decomposição dos resíduos orgânicos nas São eles: suporte para as plantas, disponi- regiões tropicais é alta. Sob o aspecto bilidade de nutrientes essenciais, disponi- agronômico, isto representa que, para se bilidade de água, disponibilidade de oxi- manter o mesmo teor de húmus no solo, é gênio na zona das raízes e ausência de fato- necessário incorporar muito mais resíduos res inibidores. Para que um solo ofereça orgânicos nas regiões tropicais e com mais boas condições de suporte às plantas, ele freqüência. deve apresentar baixa resistência mecânica O efeito benéfico da utilização da adu- à penetração de raízes e um volume ade- bação verde na melhoria das características quado de solo explorável pelas mesmas. químicas dos solos, como forma de incor- Os efeitos prejudiciais causados pela poração de nutrientes pode ser visto no falta de conhecimento e tecnologia apro- trabalho de GALLO & RODRIGUES priada no manejo de qualquer cultura (1960), onde a utilização de adubação levam à degradação do solo e do ambiente. verde permitiu a incorporação de quanti- Como conseqüência imediata, nas condi- dades expressivas de nutrientes em poma- ções físicas do solo, ocorre a modificação res cítricos. da sua relação massa/volume. Com isso há Além dos benefícios nas características uma diminuição da entrada de água no químicas do solo, a utilização de manejo perfil do solo e no comportamento da sua conservacionista, como a utilização de redistribuição e retenção. Isto acontece adubos verdes, pode proporcionar altera- devido as alterações da porosidade do solo, ções nas características físicas do solo, pos- principalmente na sua distribuição de sibilitando maior conteúdo de água dispo- tamanho de poros. nível para as culturas diminuindo o stress Os problemas resultantes do uso inade- da planta sobre curto período de déficit quado do solo requerem soluções ecléticas hídrico (verânico) ALBUQUERQUE et al. tais como a adoção de métodos integrados (1995), os quais são comuns, na região do de recuperação, que resultem na regenera- experimento, nos meses de janeiro e feve- ção dos solos, inclusive modificando suas reiro. características MAGNANINI (1966). A Na região do presente estudo, a fruti- recuperação de solos degradados pode ser cultura tem se difundido, porém os solos buscada através de cobertura vegetal com encontram-se degradados. Mediante o espécies que tenham facilidade de estabe- exposto, foi desenvolvido esta pesquisa lecimento, rápido desenvolvimento de com o objetivo de estudar as alterações na cobertura, agressividade suficiente para porosidade, densidade do solo e retenção controlar invasoras e que melhorem as de água, numa área cultivada com citrus, condições físicas e a fertilidade do solo mediante o emprego de diversas espécies SKERMAN (1971). 270 CRISTINA ALVES et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) de adubos verdes, cultivados na entrelin- dias após a semeadura, destruindo-se a ha. parte aérea com o uso de roçadeira, dei- xando-se sobre o solo o material orgânico. MATERIAL E MÉTODOS Os adubos verdes foram semeados no seguinte esquema: Mucuna anã, Feijão de O trabalho foi desenvolvido numa pro- porco, Labe-labe e Mamona: espaçamento priedade rural no município de Nova entrelinhas de 0,50 m e sete a dez semen- Canaã Paulista, no Noroeste do Estado de tes/metro linear; Crotalária: espaçamento São. As médias anuais de precipitação plu- entrelinhas de 0,25 m e 30 viométrica, temperatura e umidade relati- sementes/metro linear; Guandu: espaça- va do ar são de 1370 mm, 23 oC e 70-80 mento entrelinhas de 0,50 m e 18 semen- % respectivamente. A área de estudo pos- tes/metro linear; e mistura de espécies: sui um pomar de laranja, copa Pêra (Citrus efetuou-se a mistura de todas as espécies, sinensis L.), plantada em janeiro de 1995, guardando a devida proporção de sementes sendo o porta enxerto utilizado limão para cada espécie, e realizou a semeadura a cravo (Citrus limonia Osbeck), no espaça- lanço. mento de 7x5 m. O solo do local foi clas- No início do experimento (1995) e sificado como Latossolo Vermelho-Escuro após três anos (1997) de implantação dos textura média, sendo o relevo do local tratamentos foram realizadas as avaliações suave ondulado a ondulado. da porosidade total, macroporosidade, O delineamento experimental utiliza- densidade do solo e retenção de água na do foi de blocos ao acaso, com oito trata- capacidade de campo, nas profundidades mentos e quatro repetições, sendo cada de 0-0,10, 0,10-0,20 e 0,20-0,40 m. Para parcela composta de 5 plantas, 4 metros de cada parcela em estudo, a amostragem de largura e 25 metros de comprimento, per- solo foi realizada em abril de 1997. As fazendo um total de 100 m2 para cada par- amostras indeformadas foram coletadas em cela. Os tratamentos foram constituídos anéis volumétricos com capacidade de por seis espécies de plantas, utilizadas 10-4m3, e o método empregado para a como adubo verde: Mucuna anã (Mucuna determinação da porosidade total, macro- deeringiana (Sin. Stizolobium deerengianum) porosidade e retenção de água foi o da Steph e Bart); Feijão de porco (Canavalia "mesa de tensão", segundo V O M O C I L ensiformis L DC); Crotaláira (Crotalaria jun - (1965) e LEANER & S H AW ( 1 9 4 1 ) , cea L); Guandu (Cajanus cajan L); Labe- modificado por KIEHL (1979); b) densi- labe (Lablab purpureum L Sweet); Mamona dade do solo - com as mesmas amostras (Ricinus communis L), um tratamento com a coletadas para caracterizar a porosidade e mistura de todas as espécies e, testemunha retenção de água a 6 kPa, determinou-se a sem adubação verde (vegetação expontâ- densidade do solo, usando o método de nea). Os adubos verdes foram semeados na BLAKE (1965). entrelinha da cultura de Citrus sp em abril O estudo estatístico constou da análise de 1995, janeiro de 1996 e janeiro de da variância dos dados originais e aplica- 1997, sendo realizado seu manejo aos 70 ção do teste de Tukey a 5%, para compa- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Adubação verde em Citrus 271 ração entre as médias obtidas. dade do solo na área do experimento, no primeiro e terceiro ano de instalação, para RESULTADOS E DISCUSSÃO os diferentes tratamentos com adubação verde e testemunha. Os valores variaram No quadro 1 estão apresentados os de 1,50 a 1,61 kg dm-3, no primeiro ano, valores médios e significância de F, para e de 1,43 a 1,47 kg dm-3 no terceiro ano densidade do solo, macroporosidade, poro- de estudo. Verificou-se que todos os trata- sidade total e retenção de água na capaci- mentos, à exceção da crotalária, apresenta- dade de campo. Observa-se que houve ram uma redução significativa, ao nível de diferença significativa entre os anos de 5% de probabilidade pelo teste de Tukey, avaliação, para densidade do solo, porosi- na densidade do solo, no terceiro ano de dade total e retenção de água do solo. Com experimentação. SILVA et al. (1986) e relação aos adubos verdes, não ocorreu CAV E N A G E et al. (1999) observaram diferença significativa entre os mesmos, para Latossolos, em condições naturais, para nenhuma da características, já para valor médio de 1,25 kg dm-3, na profundi- profundidades, ocorreram diferenças sig- dade de 0-0,40 m. Nota-se que, os valores nificativas entre as mesmas, ao nível de encontrados no presente trabalho, são 1% de significância pelo teste F. Houve superiores àqueles em condições naturais, interação significativa entre ano e adubo para esse tipo de solo, e que o manejo ado- verde apenas para porosidade total. tado proporcionou melhoria na densidade Ocorreu interação significativa entre do solo, ao longo dos três anos, tempo este adubo verde e profundidade para macro- não suficiente ainda para a proporcionar porosidade, porosidade total e retenção de diferenças significativas entre os tratamen- água do solo. Não houve interação entre tos. adubo verde e profundidade e , nem entre Os valores de densidade do solo para as adubo verde, profundidade e ano. diferentes profundidades estudadas, estão Na figura 1 está representado a densi- apresentados na figura 2. Nos dois anos de Quadro 1. Valores médios e significância de F, para densidade do solo (kgdm-3), macroporosidade (m3m-3), porosidade total (m3m-3) e retenção de água do solo a 0,06 bar (m3m-3); (ns) não significa- tivo, (*) significativo a 1% e (**) significativo a 5% de probabilidade pelo teste F. 272 CRISTINA ALVES et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Figura 1. Densidade do solo em pomar cítrico, para os diferentes tratamentos, no início (1995) e após 3 anos de experimentação (1997). Letras diferentes, em cada tratamento, diferem entre si ao nível de 5% de probabilidade pelo teste de Tukey. avaliação, a camada de 0,10-0,20 m dife- adotado. Para todas as camadas ocorreu riu significativamente das demais, apre- diminuição, significativa, da densidade do sentando os maiores valores. solo após o período de três anos com os tra- Comportamento semelhante a este foi tamentos implantados. observado por C E N T U R I O N & Os valores médios de macroporosidade D E M AT T Ê (1985), C E N T U R I O N do solo em função dos tratamentos, encon- (1987), H A K O YA M A et al. (1985), tram-se apresentados na figura 3. Verifica- A L B U Q U E R Q U E et al. (1995) e se que os valores variaram de 0,08 a 0,12 e CAVENAGE et al. (1999), os quais atri- de 0,09 a 0,12 m3m-3, respectivamente buem este comportamento a utilização para os anos de 1995 e 1997. O valor con- contínua de implementos agrícolas, em siderado ideal para um bom desenvolvi- mesma profundidade, por vários anos, oca- mento do sistema radicular das plantas é sionando com isso camada de compacta- de 0,16 m3m-3, segundo KIEHL (1979) e ção. BAVER (1972). Os autores mencionam No primeiro ano de avaliação, a cama- que o valor mínimo para que não ocorra da de 0-0,10 m não diferiu da camada de prejuízos no desenvolvimento do sistema 0,20-0,40 m. Já no segundo ano a camada radicular é de 0,10 m3m-3. DA ROS et al. de 0-0,10 m apresentou o menor valor de (1997) em estudo realizado no mesmo tipo densidade, sendo este diferente significati- de solo, verificaram, para as condições vamente dos demais. Isso se deve, prova- naturais, valores variando de 0,10 a 0,14 velmente, ao efeito dos tratamentos nessa m3m-3 na profundidade de 0 a 0,21 m, camada, em virtude do sistema de manejo sendo esses próximos aos observados no CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Adubação verde em Citrus 273 Figura 2. Densidade do solo em pomar cítrico, em diferentes profundidades, no início (1995) e após 3 anos de experimentação (1997). Letras maiúsculas diferentes, as profundidades diferem entre si, dentro de cada ano. Letras minúsculas diferentes, os anos diferem entre si dentro de cada profun- didade, ao nível de 5% de probabilidade pelo teste de Tukey. CV (%) = 5,43; DMS (ano dentro de profundidade) = 0,05, DMS (profundidade dentro de ano) = 0,06. Figura 3. Macroporosidade do solo em pomar cítrico, para os diferentes tratamentos, no início (1995) e após 3 anos de experimentação (1997). presentes experimento após três anos. tamentos, com o sistema de manejo adota- Observa-se que não houve diferenças sig- do, proporcionam aumentos no volume de nificativas entre os tratamentos com rela- macroporos da ordem de 26% (feijão de ção à macroporosidade para os anos de ava- porco e lablab) a 30% (testemunha), liação. Porém, verificou-se que alguns tra- enquanto outros proporcionaram redução 274 CRISTINA ALVES et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) de até 12 % (crotalária). Esse fato deixa macroporos, de 1995 para 1997. Para as claro que a escolha do adubo verde assume camadas de 0,10-0,20 e 0,20-0,40 m veri- grande importância, não só com relação a ficou-se comportamento contrário, ou seja, redução da compactação do solo, como diminuição do volume de macroporos de também na estruturação e distribuição de 1995 para 1997. O menor volume de poros do solo, que cada adubo proporcio- macroporos na camada de 0,10-0,20 m na. indica haver uma camada compactada, o Pode-se observar na figura 4 os valores que confirma a intima relação do volume médios de macroporosidade em função das de macroporos com a densidade do solo, profundidades, para os anos de avaliação. relação essa que também foi observada por Nota-se que no ano de 1995 o maior volu- HAKOYAMA et al. (1995) e DA ROS et me de macroporos encontra-se na profun- al. (1997). didade de 0,20-0,40 m, e no ano de 1997 Observa-se na figura 5 os valores na profundidade de 0-0,10 m, sendo estes médios de porosidade total do solo em superiores, significativamente, aos demais, função dos tratamentos, os quais variaram em cada ano. Com relação a anos dentro de de 0,37 a 0,40 m3m-3, para o ano de 1995 cada profundidade, observa-se que ocorre- e de 0,39 a 0,42 m3m-3 para o ano de ram diferenças significativas entre os mes- 1997, estando estes dentro da faixa de mos. Na profundidade de 0-0,10 m 0,30 a 0,60 m3m-3 para solos minerais, notou-se um aumento do volume de encontrada por HILLEL (1970). Observa- Figura 4. Macroporosidade do solo em pomar cítrico, em diferentes profundidades, no início (1995) e após 3 anos de experimentação (1997). Letras maiúsculas diferentes, as profundidades diferem entre si, dentro de cada ano. Letras minúsculas diferentes, as os anos diferem entre si dentro de cada profundidade, ao nível de 5% de probabilidade pelo teste de Tukey. CV (%) = 35,10; DMS (ano dentro de profundidade) = 2,05, DMS (profundidade dentro de ano) = 2,46. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Adubação verde em Citrus 275 se que apenas os tratamentos com lablab, res médios encontram-se apresentados na mamona e mistura de espécies apresenta- figura 6. Nota-se que a porosidade total ram valores de porosidade total do solo não apresentou valores diferentes, signifi- superiores significativamente, quando da cativamente, no ano de 1995. Já para o ano segunda avaliação. de 1997, houve diferença entre estas, onde Com relação a porosidade total em fun- a camada de 0-0,10 m apresentou o maior ção das profundidades estudadas, os valo- valor para porosidade total, sendo esta Figura 5. Porosidade total do solo em pomar cítrico, para os diferentes tratamentos, no início (1995) e após 3 anos de experimentação (1997). Letras diferentes, em cada tratamento, diferem entre si ao nível de 5% de probabilidade pelo teste de Tukey. Figura 6. Porosidade total do solo em pomar cítrico, em diferentes profundidades, no início (1995) e após 3 anos de experimentação (1997). Letras maiúsculas diferentes, as profundidades diferem entre si, dentro de cada ano. Letras minúsculas diferentes, as os anos diferem entre si dentro de cada profundidade, ao nível de 5% de probabilidade pelo teste de Tukey. CV (%) = 6,59; DMS (ano dentro de profundidade) = 1,52, DMS (profundidade dentro de ano) = 1,82. 276 CRISTINA ALVES et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) superior as demais. Com relação ao efeito na capacidade de campo (figura 7), verifi- de anos dentro de cada profundidade, cou-se que não houve diferença entre os observa-se que houve diferenças entre os tratamentos. No entanto dentro dos trata- anos para as camadas de 0-0,10 m e 0,20- mentos mamona e mistura de espécies 0,40 m, onde os maiores valores para poro- ocorreram diferenças entre os anos de ava- sidade total para estas duas camadas foram liação, sendo que nestes dois tratamentos observados no ano de 1997. houve maior retenção de água no ano de O solo da área do experimento apresen- 1997, mostrando assim aumento nesta ta porosidade total média de 0,41 m3m-3 característica ao longo do período avalia- estando abaixo do índice citado por do. Com relação à capacidade de retenção KIEHL (1979), porém semelhante ao cita- de água do solo, nas profundidades estuda- do por BAVER (1972) e considerado como das, pode-se observar que no ano de 1995 satisfatório para que haja desenvolvimento ocorreu maior retenção na profundidade radicular. Apesar de todas as características de 0-0,10 m, sendo essa significativamen- avaliadas indicarem a existência de cama- te maior em relação à outras profundida- da compactada na profundidade de 0,10- des. No ano de 1997 já não se observou 0,20 m, essa compactação apresenta-se no diferenças significativas entre as profundi- limite para que possa haver um desenvol- dades. Dentro de cada profundidade oco- vimento satisfatório das raízes, fato este rreram diferenças significativas entre os que justifica a continuidade do experi- anos em 0-0,10 e em 0,20-0,40 m, sendo mento, visando a melhoria das caracterís- que em 0-0,10 m a maior retenção foi no ticas físicas do solo. ano de 1995 e em 0,20-0,40 m no ano de Analisando a retenção de água do solo, 1997. Figura 7. Retenção de água no solo a 0,06 bar, em pomar cítrico, para os diferentes tratamentos, no início (1995) e após 3 anos de experimentação (1997). Letras diferentes, em cada tratamento, dife- rem entre si ao nível de 5% de probabilidade pelo teste de Tukey. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Adubação verde em Citrus 277 O maior valor para retenção de água no profundidade de 0-0,10 m ocorreram mel- solo, na profundidade de 0-0,10 m, pode horias dessas, ao longo dos três anos, já estar relacionado às melhorias na estrutura para as outras profundidades ainda não se proporcionada pelos tratamentos. Na pro- observou essa melhoria para todas as carac- fundidade de 0,10-0,20 m não se nota terísticas, porém verifica-se a diminuição marcantes alterações na porosidade do da densidade do solo e aumento da porosi- solo, o que não proporcionaria grandes dade total, indicando assim efeito benéfico alterações na retenção de água. FARIAS et dos tratamentos sobre estas características al. (1985) comentam que quando não oco- do solo. rrem alterações marcantes na porosidade, é Apesar de não ter havido diferença sig- lícito supor que também não ocorrerá alte- nificativa para as características avaliadas rações semelhantes na retenção de água. com relação aos adubos verdes e testemun- A macroporosidade menor na camada ha utilizados no presente experimento, as de solo de 0,10-0,20 m mostrou que há espécies feijão de porco (Canavalia ensifor - uma maior relação entre massa/volume do mis L DC), mamona (Ricinus communis L) e solo, demonstrando a degradação das con- labe-labe (Lab-lab purpureum L.) têm se dições físicas. Este comportamento refle- mostrado mais promissoras na recuperação tiu na menor retenção de água na mesma da melhor distribuição de tamanho de profundidade do solo. poros e retenção de água no solo. Analisando-se todas as características determinadas em conjunto, nota-se que na Figura 8. Retenção de água no solo a 0,06 bar, em pomar cítrico, em diferentes profundidades, no início (1995) e após 3 anos de experimentação (1997). Letras maiúsculas diferentes, as profundida- des diferem entre si, dentro de cada ano. Letras minúsculas diferentes, as os anos diferem entre si dentro de cada profundidade, ao nível de 5% de probabilidade pelo teste de Tukey. CV (%) = 9,92; DMS (ano dentro de profundidade) = 1,71, DMS (profundidade dentro de ano) = 2,05. 278 CRISTINA ALVES et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) CONCLUSÕES to, de um período maior de estudo para verificar a variação espacial e temporal dos Com base nos resultados do presente tratamentos investigados; experimento, pode-se concluir que: · apesar do comportamento dos adubos · a porosidade total, densidade do solo verdes ter sido semelhante quanto as e retenção de água foram alteradas com o modificações na porosidade do solo, densi- uso dos adubos verdes, sendo estas altera- dade do solo e retenção de água, observou- ções benéficas para o desenvolvimento das se que as espécies feijão de porco, mamona plantas de Citrus; e labe-labe, demonstraram-se mais pro- · as diferenças entre as alterações, cau- missoras na recuperação das características sadas pelas espécies de adubos verdes, não físicas estudadas. foram significativas, necessitando, portan- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Adubação verde em Citrus 279 BIBLIOGRAFIA FARIAS, G. S.; CASSOL, E. A. & MIELNICZUK, J. (1985). 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Vol. 26, pp. 281-288 Identification of ambiguous fossil bone remains following 13C and 15N isotopic signals on bone collagen Aplicaciones inmediatas de las señales isotópicas d13C y d15N obtenidas en colágeno óseo de restos fósiles: identificación de ejemplares con caracteres ambiguos VILA TABOADA, M.1,2; LÓPEZ GONZÁLEZ, F.2 & GRANDAL d'ANGLADE, A.2 AB S T R A C T In this paper we deal with an useful application of isotopic studies on fossil bone remains. Following d13 C and d15 N signals recorded in bone collagen, it is possible to clas- sify into the proper taxon some doubtful remains. Thus, three fossil ribs from Liñares site (Galicia, NW Iberian Peninsula) have been correctly classified as belonging to Ce r v u s el a p h u s L., taking into account both some previous works on its isotopic signatures as well as morphological data. Key words: Ursus spelaeus, Cervus elaphus, Ursus arctos, stable isotopes, d13 C, d15 N. (1) Author for correspondence (2) Instituto Universitario de Xeoloxía Isidro Parga Pondal. Facultade de Ciencias. Campus da Zapateira s/n. Universidade da Coruña. E-15071. A Coruña. Galicia. Spain ([email protected]) 282 VILA TABOADA et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) INTRODUCTION issue will be focused on two Pleistocene mammals: Cervus elaphus L. and Ursus spe - Carbon and nitrogen stable isotopes laeus Ros.-Hein., and the distinction bet- are extremely useful for different biologi- ween their anterior ribs. cal fields, for instance, in order to deter- The starting point of this suggestion minate animal paleodiets and their rela- comes from those plurispecific sites as tionship with the habitat and ecosystem Liñares (LÓPEZ GONZÁLEZ et al. , changes (AMBROSE, 1991; AMBROSE 1997) and the need of a new criterion in & DE NIRO, 1989; BOCHERENS et al., order to clarity difficult identifications: 1991; BOCHERENS et al., 1994; for instance, those generated by the gene- BOCHERENS et al., 1995; BOCHE- ra Bos and Bison (LÓPEZ GONZÁLEZ et RENS et al., 1996; BOCHERENS et al., al., 1999 and included references). 1997a; BOCHERENS et al., 1997b; The rich site of Liñares (Lugo, Galicia, BOCHERENS et al., 1999; CERLING & NW Spain) has provided with fossil bone HARRIS, 1999; CORMIE & remains from several species as large bovid S C H WARCZ, 1994; FERNÁNDEZ (LÓPEZ GONZÁLEZ et al., 1999), wild MOSQUERA, 1998; FERNÁNDEZ boar (Sus scrofa), horse (Equus caballus), MOSQUERA et al., 2000; HOBSON & though most of the remains belongs to red MONTEVECCHI, 1991; KOCH et al., deer, 50.0 %, (Cervus elaphus) and cave 1997; VILA TABOADA et al., 1999; bear, 30.9%, (Ursus spelaeus) (GRANDAL WANG & CERLING, 1994; WANG et d'ANGLADE & LÓPEZ GONZÁLEZ, al., 1994). Some striking works on this 1998). This site has been dated by 14C topic have been, for example, when using AMS at 35.220 ± 1.440 years Before 15 nitrogen and carbon collagen d N as a Present [yBP] (GRANDAL d'ANGLADE proxy for paleoprecipitation levels follo- et al., 1997) and >38,000 yBP (GRAN- wing analyses on fossil kangaroos ranging DAL d'ANGLADE & LÓPEZ a specific period of time (GRÖCKE et al., GONZÁLEZ, 1998). 1997). Or when revealing strong marine It has been selected three ribs for this and El Niño effects on island food webs isotopic study, firstly identified as belon- (STAPP et al., 1999), and also when reflec- ging to Ursus spelaeus regarding their ana- ting African winter quarters when exami- tomical description. They show strong ned across a migratory divide in different and little arched body. Their articular bird subspecies (CHAMBERLAIN et al., head is at an almost right angle, level with 2000). the rib tuberosity. The problem lies in In this paper, carbon and nitrogen sta- that these three ribs are the most anterior ble isotopes in bone collagen are proposed of the thoracic cage, just where it is most as paleontological tool in order to classify difficult to distinguish between U. spelaeus ambiguous fossil remains, when metric or and Cervus elaphus ribs. Towards posterior anatomical comparisons are not signifi- positions, the ribs from each species are cant enough, or when fragmented speci- getting more and more different, espe- mens have lost they key characters. This CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Identification of ambiguous fossil bone remains 283 cially at the body, the articular head and metrical analysis is useful to carry the dis- the articular surface. In any case, the tinction out. a) b) Figure 1. (a) The three analysed fossil ribs showing where they were cut in order to extract colla- gen. (b) Detail of one of the rib heads. 284 VILA TABOADA et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) SAMPLES AND TECHNIQUES international stardards: PDB (Pee Dee Bee limestone) and atmospheric N2, respecti- The studied ribs were, named as LXL- vely. The atomic ratio of the heavy isotope 400, LXL-372 and LXL-399, were provi- m n to the lighter one (RX = X/ X, m>n ) in ded by the Laboratorio Xeolóxico de Laxe. the sample is compared to the one of a Their preservation condition was fairly standard material. The difference between good. both, "d", can be calculated following this As %N is a first indicator about colla- formula: gen preservation, 0.5 mg of bone powder (got after cleaning by sandblasting, alter- d(‰)= [(R - R )/R ]x1000 native acetone/distilled water sonicating, sample stamdard stamdard sewing, crashing and finely ground) was The computer program Statgraphics analysed in a Carlo-Erba 1108 Elemental Plus 3.0 for Windows has been used for sta- Analyser with analytical reproducibility tistical analysis. better than 0.1 %. Once those bones not suitable enough for isotopic determina- tion were evaluated (IACUMIN et al., RESULTS AND DISCUSSION 1997), we followed a common collagen After considering which bones were extraction method (BOCHERENS et al., confident enough for isotopic studies, 1997b), based on alternative reactions and following the atomic [2.9-3.6] C/N ato- filtratings with HCl and NaOH, lyophili- mic ratio (DE NIRO, 1985), the initial sing and analysed by SIRMS (Stable number of 3 samples was reduced to 2. Isotopic Rations Mass Spectrometry). Data and information available about Carbon and nitrogen isotope measure- their origin are shown in table 1. ments were performed on a Finnigan Mat In order to classify fossil remains as Delta Plus spectrometer joint to an belonging to a particular species taking as Elemental Analyser Carlo-Erba 1108 with a basis isotopic values, some previous refe- analytic reproducibility better than 0.1‰ rences are necessary. Literature provides for carbon, and 0.2‰ for nitrogen. with a lot of data from cave bears 13 15 Results, d C and d N, are referred to (BOCHERENS et al., 1994; BOCHE- Table 1. Site information and isotopic data of bones whose isotopic information is proper for palaeoenvironmental inference. Absolute ages are shown as an average value, see exact radiocar- bon datings in Sample and Techniques. [*] above sea level; [#] Kiloyears Before Present. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Identification of ambiguous fossil bone remains 285 RENS et al., 1997b; BOCHERENS et al., 1999; FERNÁNDEZ MOSQUERA, 1998; LIDÉN & ANGERBJÖRN, 1999; NELSON et al., 1998; VILA TABOADA et al., 1999) ranging very different time- spans, individual age stage and type of site. The Cervus elaphus isotopic record is not so plentiful (BOCHERENS et al., 1997a; IACUMIN et al., 1997; NOE- NYGAARD, 1995; VILA TABOADA et al., 1999), though rich enough to charac- terize our specimens. Due to the high variability of the iso- topic data for Ursus spelaeus –depending on the environment conditionings, diet and dormancy period (FERNÁNDEZ MOS- QUERA et al., 2000)- and also to the exis- tence of isotopic data of both species at Liñares (VILA TABOADA et al., 1999), we will only take these as reference for the statistical tests. Figure 2 shows a graphic approach to both species, even adding -in a indicative way- some data from fossil Ursus arctos (VILA TABOADA et al. , 1999) coming from a near site. Thus, it is Figure 2. Isotopic results for Liñares Ursus spe - shown that different species (spelaeus-arc - laeus, Liñares Cervus elaphus and Tarelo Ursus arctos, as well as the LXL-399 and LXL-400 tos) from the same genus (Ursus) have no ribs. reason to show close values and that such values depend on the ecological niche and metabolism natural for each species. Thus, the comparison of these isotopic values with those previously published for (both variables: d13C and d15N) with the this site clearly shows (Kruskal-Wallis Cervus elaphus group. There is a significant test, p-value <0.005, n=28) the similarity difference with the Ursus spelaeus data. See of the medians of the "ambiguous" bones figure 3. 286 VILA TABOADA et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) a) b) Figure 3. Box and Whisker plot for 13C and 15N depending on the species. (a) 13C (b) 15N. All data come from Liñares site. Notches mark the median, whereas dots show the sample mean. Bars length represents the standard deviation. CONCLUSIONS the identifications and also the accuracy of the paleoenvironmental reconstructions. This paper shows a new application of ACKNOWLEDGMENTS stable isotopes as identification tool at species level, when morphometric deter- The authors are very grateful to the mination is not possible. The increase of Laboratorio Xeolóxico de Laxe for providing isotopic database in different species, pro- highly valuable fossil samples and to Prof. per age stage assignments of the speci- J.R. Vidal Romaní and D. Fernández mens, as well as good datings for each Mosquera for improving early versions of sample will allow to rise the reliability of this paper with their comments. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Identification of ambiguous fossil bone remains 287 REFERENCES Palaeoenvironmental and palaeodietary impli- cations of isotopic biogeochemistry of last AMBROSE S. H. (1991). Effects of diet, climate interglacial neanderthal and mammal bones in and physiology on nitrogen isotope abundances Scladina Cave (Belgium). Journal of in terrestrial foodwebs. J. Arch. Sci., 18: 293- Archaeological Science, 26 (6): 599-607. 317. CERLING T. E. & HARRIS J. M. (1999). Carbon AMBROSE S. H. & DE NIRO M. J. 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AB S T R A C T This paper reports the results of the study of age and sexual composition of the cave bear (Ursus spelaeus) ‘population’ of the Zoolithenhöhle, a classic cave site in Bavaria, sou- thern Germany. Radiocarbon dating indicates that the assemblage dates to c. 29-24 ka BP . The osteometrical analysis shows that the great majority (ca. 90%) of the bears den- ning in the site were females. The tooth eruption and wear reveal the presence of a large proportion of young and some mature animals but a marked paucity of very old adults. The reason(s) for this very skewed sex ratio and the almost total absence of senile indi- viduals is unclear. Key words: cave bears, demography, sexual dimorphism, ageing, Germany Department of Archaeology. University of Southampton, Southampton SO17 1BJ, UK E-mail: [email protected] 290 WEINSTOCK, J. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) INTRODUCTION Swabian Alb (Baden-Württemberg , south-western Germany), notably the In the last 20 years there has been an Bärenhöhle-Hohlenstein in the Lone interesting shift in cave bear research Valley and the Sibyllenhöhle near the (both Ursus spelaeus and U. deningeri) from town of Kirchheim/Teck (figure 1), have almost purely anatomical and palaeopa- been famous for their vast amount of cave thological questions to more palaeobiolo- bear remains since the second half of the gicaly oriented studies such as those focu- 19th century, when they were presented in sing on demography, diet, or evolution. publications by O. FRAAS (1862) and E. Witness to this shift are the numerous FRAAS (1899) respectively. In spite of publications based on Austrian, British, this long history, very few investigations Spanish, and Turkish collections (e.g. on cave bears (either Ursus spelaeus or U. ANDREWS & TURNER, 1992; deningeri) from southern Germany have FERNÁNDEZ MOSQUERA, 1998; been carried out – or published – in the G R A N D A L -d' A N G L A D E , 1 9 9 3 ; last few decades (see BOESSNECK & von G R A N D A L -d' A N G L A D E & V I D A L den D R I E S C H, 1973; W E I N S T O C K, R O M A N Í, 1997; G R O I S S , 1 9 9 4 ; 2000a). RABEDER, 1983, 1991; REISINGER & One of the reasons for the paucity of HOHENEGGER, 1998; STINER, 1998; studies on cave bears from southern STINER et al., 1998; TORRES PÉREZ- Germany is probably the destruction or H I D A L G O, 1984; TORRES PÉREZ- dispersal of some of the most important HIDALGO et al., 1991). It is only though collections, such as that of the old excava- understanding of the palaeobiology of this tions at the Zoolithenhöhle, the taxon that we will be able, eventually, to Bärenhöhle and the Sibyllenhöhle. explore some of the many questions that According to K.-D. Adam, former curator remain to be answered, such as the reasons of Quaternary Mammals in the State for its relatively restricted (basically Museum for Natural History in Stuttgart, European) geographical range, or the Germany, large parts of the collections cause(s) for its extinction. from the last two of these sites were lost, I n t e r e s t i n g l y, southern Germany, or selectively removed, so rendering any while being one of the ‘classic’ cave bear study at the population level useless areas, has not contributed much to this (K U RT É N, 1976). Nonetheless, these new research. It was, in fact, in southern collections remain of value Germany that the earliest discoveries of (WEINSTOCK, 2000a). In this contribu- cave bear bones were made by J. Esper in tion, however, I concentrate on the mate- 1774, and the holotype specimen of Ursus rial from the Zoolithenhöhle that was spelaeus comes from the Zoolithenhöhle recovered from more recent excavations by (also known as the Gaillenreuth cave), a Heller and Groiss in 1971 (HELLER, site in the Franconian Jura in south-eas- 1972; GROISS, 1979). While the investi- tern Germany (ROSENMÜLLER & gation of this material has not yet been HEINROTH, 1794). Some sites in the completed, enough preliminary informa- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Age structure and sex ratio of cave bears 291 Figure 1. Map of Germany showing the locations of the Zoolithenhöhle, Bärenhöhle and Sibyllenhöhle. tion is available to suggest some very inte- remains of extinct mammals he found in resting patterns in the sex ratio and age the cave. He realized that the vast majo- structure of this population. rity of the finds belonged to bears. According to H E L L E R (1972), the THE ZOOLITHENHÖHLE remains of more than 1000 individuals were recovered at the site. From the very The Zoolithenhöhle is located near abundant faunal material from the early Burggaillenreuth (470m above sea level) investigations, the whereabouts of only a in the Franconian Alb, Bavaria. The struc- small fraction is known (HELLER, 1972; ture of the Zoolithenhöhle is complicated Groiss, personal communication). In (figure 2). The entrance is located in the 1971, new excavations were carried out in North and from here a large chamber a number of different areas which had not extends south for about 40m. Beyond runs been dug or disturbed previously a maze of irregular chambers, which are (G R O I S S, 1972). Again, considerable often interconnected through narrow, quantities of faunal material dating to the sometimes vertical passages. The cave last glacial were recovered, consisting owes its name to the word ‘zooliths’ that mostly of Ursus spelaeus, but also including E S P E R (1774) coined to denote the other taxa, notably Gulo gulo, Canis lupus, 292 WEINSTOCK, J. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Figure 2. The Zoolithenhöhle (after NIGGEMEYER & SCHUBERT, 1972). Crocuta crocuta, and Panthera leo (HELLER, assemblage. In this investigation, measu- 1972; GROISS, 1979). Absolute radiocar- rements were taken on a number of pos- bon dates from two different locations tcranial limb elements showing fused within the cave range from ca. 29-24 ka epiphyses (humerus, radius, intermedio- BP (GROISS, pers. comm.). radiale, astragalus, metacarpus II-V, and metatarsus II-IV), as well as on the lower METHODS and upper canines. Measurements were taken with a pair of digital callipers to the Among the Ursidae, males are always nearest 0.1mm following the definitions larger than females. This size difference is of GRANDAL-d'ANGLADE (1993) and apparent in the width and depth of the von den DRIESCH (1976). long bones. However, the degree of sexual The distribution of absolute values in dimorphism varies, according to species, some measurements of postcranial ele- between 10-20% to 50% (STIRLING, ments shows an overlap between males 1993). A clear sexual dimorphism exists and females, however, bivariate plots can also in the canines (KOBY, 1949). Thus usually separate between the sexes accura- osteometrical data can be used to establish tely and absolutely, and can thus be used the relative proportions of both sexes in an to calculate sex ratios. Sex ratios were cal- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Age structure and sex ratio of cave bears 293 culated for each of the postcranial ele- teeth which are fully (or nearly) erupted, ments and the canines. It must be stressed their roots more than 50% complete, but that different skeletal elements can, and with no visible wear on their occlusal sur- often do, show somewhat varying sex face. By stage III, some wear of the occlu- ratios, not only in bears but in ungulates sal enamel is evident but little or no den- as well (c.f. GRANDAL-d'ANGLADE & tin is exposed. At the other extreme, sta- VIDAL ROMANÍ, 1997; WEINSTOCK, ges VIII and IX include teeth which are 2000a, 2000b; see below). These varia- very heavily worn, with little or no enamel tions may sometimes be related to sample remaining on its occlusal surface, and size but they are also a result of the fact where the pulp cavities are frequently that different skeletal elements represent exposed (S T I N E R, 1998). These nine somewhat different age classes cohorts can be collapsed into three age (WEINSTOCK, 2000b). stages: juvenile (I-III), prime adult (IV- The age structure was analysed using VII), and old adult (VIII-IX) (STINER, the method developed by STINER (1994, 1998). 1998). In this method, each tooth is assig- In the Zoolithenhöhle mandibles and ned to one of nine different categories or loose mandibular teeth are much more cohorts (I-IX, from young to old) accor- abundant than maxillaries and maxillar ding to its stage of eruption and/or its teeth, and therefore the age structure occlusal wear (figure 3). Stage I, for exam- analysis was based only on the former. It ple, includes all permanent teeth from the must be stressed that mandibles and loose germ stage to those with root formation teeth from individuals in cohorts I and II up to 50% complete. Stage II comprises (i.e. very young animals) are less resistant Figure 3. Wear stages (cohorts) of M1 (after STINER, 1998). 294 WEINSTOCK, J. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) to mechanical damage than those in older German sites. This is important as it cohorts and therefore this age group may demonstrates that a very biased sex ratio be underrepresented due to post-deposi- need not be attributed to post-excavatio- tional events. nal factors. RESULTS Age structure The large numbers of mandibles and Sex ratios quantity of dental material present at the Zoolithenhöhle allow a reliable analysis of As mentioned above, not all of the the age structure of the bears (figure 5). Ursus skeletal elements from this site have figure 5 shows the relative frequencies of been investigated yet. Nevertheless, preli- nine age cohorts (STINER, 1994, 1998) minary results show a very clear trend based on the three mandibular molars. In concerning sex-ratios. Canines, metapo- these graphs, loose teeth are disregarded; dials, humeri, and radii all indicate that their inclusion, however, leads to identical adult and subadult males were very rare at results. A number of facts are apparent. the site (figure 4 and table 1). The percen- The distribution is clearly unimodal with tage of females fluctuates according to the peak at cohort III. These are probably skeletal element varying between 81% older juveniles which had just become and 96% (mean = 90%; median = 87%). independent from their mother. It must be stressed that no part of the Somewhat older individuals (stage IV) are material retrieved in the 1971 excavations also well represented. Prime adults other at the Zoolithenhöhle has been subse- than those in stage IV (V-VII) are, howe- quently lost, in contrast to the other south ver, very rare. New-born and very young Table 1. Number of bones from male and female cave bears and relative abundance of females in the Zoolithenöhle. Counts made from bivariate plots. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Age structure and sex ratio of cave bears 295 Figure 4. Examples of bivariate plots of different skeletal elements used to calculate sex ratios. animals (stages I-II) are relatively scarce. well represented at other sites regarded as Since the fragile mandibles and bones of hibernation dens, such as the Bärenhöhle- individuals in these age categories - espe- Hohlenstein (WEINSTOCK, 2000a) and cially in stage I - are more prone to mecha- Yarimburgaz (STINER, 1998). nical destruction than those of older ani- mals, this could have taphonomic rather DISCUSSION than behavioural or demographic causes. All in all, juveniles (stages I-III) comprise The interpretation of the sex ratio and 62%-87% of the assemblage – depending age structure of the cave bear assemblage on which tooth is being analysed. from the Zoolithenhöhle in palaeobiologi- However, the most striking characteristic cal terms is not straightforward. On the of the age structure of the cave bears from basis of their location beneath a steep the Zoolithenhöhle is the almost comple- ledge, finds from the original excavations te absence of very old individuals (stages (ESPER, 1774) were regarded as being VIII-IX). These age classes are usually rests from individuals which, while roa- 296 WEINSTOCK, J. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) probably more complicated. The larg e accumulations of bear bones in some parts of the cave are regarded as being caused by water transport (G R O I S S, 1972). The sources of these accumulations, nonethe- less, are skeletons of bears that died else- where inside the cave (GROISS, 1972). Did most of these bears therefore perish during hibernation? The relatively com- mon presence of mandibles with erupting permanent canines would seem to point in this direction. In Ursus arctos the eruption of this tooth takes place between 12-14 months of age (DITTRICH, 1960). Since brown bears are born in winter (November to February), these mandibles represent individuals who died during their second winter. Likewise, mandibles with still unerupted M1 (i.e. younger than 5 months) also suggest winter mortality. If mortality did occur during hiberna- tion, the age-at-death profile should be U- shaped, corresponding to an attritional mortality (S T I N E R, 1994, 1998). However, as Figure 5 shows, this is not the Figure 5: Age structure histogram for the case. On the other hand, while it is con- Zoolithenhöhle bear population based on erup- ceivable that some bears were attacked by tion and occlusal wear of mandibular molars. other predators during hibernation, the ‘Young’ (stage III) and animals slightly older mortality profile in the Zoolithenhöhle (Stage IV) comprise most of the population. Neonates (stages I-II) and 'prime adults' (stages does not take the 'living structure' pattern IV-VII) are very rare, while 'old adults' (stages which would be expected in that case VIII-IX) are virtually absent. (STINER, 1998). Perhaps the most puzzling aspect of the assemblage is the very biased sex ratio in the cave, with females comprising bet- ming around the cave, accidentally tum- ween 82%-96%, depending on the skele- bled down and either died from the fall or tal element analyzed. Great variability in were unable to climb out (KURTÉN, cave bear sex ratios has been observed bet- 1976; ZAPFE, 1954). The more recent ween assemblages from different sites (e.g. excavations show, however, that the KURTÉN, 1976; WEINSTOCK, 2000a) taphonomic history of many of the finds is but has not yet been satisfactorily explai- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Age structure and sex ratio of cave bears 297 ned (WEINSTOCK, 2000a). The assem- Aurora Grandal for the invitation to make blage from the Zoolithenhöhle shows that a contribution to this volume. Special this variability cannot be dismissed as a thanks are due to J. Sofaer-Derevenski for product of post-excavation factors; it must commenting on the manuscript and for have some palaeobiological significance. the camomile tea. ACKNOWLEDGEMENTS Many thanks are due to Prof. Th. Groiss for allowing me to examine the material from the Zoolithenhöhle and to 298 WEINSTOCK, J. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) REFERENCES Reichenau und von Ursus spelaeus Rosenmüller (Mammalia, Ursidae) an Schädelausgüssen ANDREWS, P. & TURNER, A. (1992). Life and quartärer Funde aus österreichischen Höhlen. death of the Westbury bears. Annales Zoologici Abh. Geol. B., 50: 115-123. Fennici, 28: 139-49. HELLER, F. (1972). Die Forschungen in der BOESSNECK, J. & VON DEN DRIESCH, A. Zoolithenhöhle bei Burggaillenreuth von Esper (1973). 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Vol. 26, pp. 301-310 New excavation campaigns in the Upper Pleistocene cave bear site Potocka zijalka, Slovenia - state of investigation Nuevas campañas de excavación en Potocka zijalka, Eslovenia (Pleistoceno Superior): estado de la investigación PACHER, M. AB S T R A C T Potocka zijalka is a unique site with rich archaeological and palaeontological remains. From 1997 onward new excavation campaigns were carried out in co-operation with the Institute of Geology in Ljubljana and the Institute of Palaeontology in Vienna. This paper comprises the state of investigation and gives a short overview of major discussion points concerning the role of Palaeolithic man and cave bears at this site. Key words: Upper Pleistocene, cave bear, Upper Palaeolithic, large mammals, Potocka zi j a l k a Institute of Palaeontology. Althanstraße 14. 1090 Vienna, Austria 302 PACHER, M. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) GEOGRAPHICAL POSITION campaigns a rich palaeontological mate- rial mainly consisting of cave bear bones Potocka zijalka is situated on the south has been recovered. Of even greater - western slope of the Olseva (1930m) in importance are the archaeological remains the mountain range of the Karawanken in of Brodar’s excavation campaigns. It beca- Slovenia, near the Austrian border. The me clear Potocka zijalka was not only a cave is developed in Triassic limestone rich cave bear site but also a unique (Dachsteinkalk). Its large entrance faces palaeolithic place. southwards and lies at about 1700m above Unfortunately most of the faunal sea level. The whole cave has a length of remains of Potocka zijalka have been des- 115m. troyed during the Second World War and Prior to the excavation of Srecko some artefacts are lost. The Collection Brodar the entrance had a width of 17m Grosz was therefore the only more nume- and a maximum height of 6,20m (S. & M. rous complex of cave bear bones preserved. BRODAR, 1983). Large rocks divide the This material consists of 935 identifiable entrance part into a western and eastern specimens (PACHER, 1998a) and of one section. bone point (BRODAR, 1994). Today this collection is stored at the Regional HISTORY OF INVESTIGATION Museum of Carinthia in Klagenfurt, where more recently another very small The cave was well known through the complex (collection Gressl) of brown and decades by local people from Austria and cave bear remains from Potocka zijalka Slovenia. The history of investigation was found in the depots. Beside climatolo- began with unauthorized excavations. gical and chronological aspects the gap in Especially Josef C. Grosz, a student of the fauna material was one of the reasons medicine from the nearby austrian village to start a new excavation campaign in of Vellach, collected cave bear bones in the Potocka zijalka. back of this cave from 1926 until 1928 From 1997 onwards the Institute of (GROSZ, 1930). His activities led to a Geology in Ljubljana represented by Prof. dispute with Srecko Brodar. The latter Dr. Vida Pohar carried out a new series of visited Potocka zijalka after coming to excavations in co-operation with the known from unauthorized investigations. Institute of Palaeontology in Vi e n n a Josef Bayer a prehistorian from Vienna under Prof. Dr. G. Rabeder (POHAR & accompanied him (BAYER & BRODAR, PACHER, 1997, PACHER, 2000a). In 1928). order to find undisturbed layers we insta- Srecko Brodar carried out the first offi- lled four excavation areas in unexploited cial excavations in Potocka zijalka induced parts of the cave. Especially area 2 and 3 by the Museum of Celje. From 1928 until yielded a rich material and interesting 1935 about one fourth of the cave sedi- finds. ments became excavated (S. & M. Area 1 lies in the western part of the BRODAR, 1983:176). In course of these cave and includes 2 square meters. We CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) New excavation campaigns in Potocka zijalka 303 recovered only a few identifiable bones sed wood and remains of fossil crinoids. and some undistinguishable fragments During our excavation only small lentils between large bloc debris. Therefore we of gravel were retrieved in the area around stopped excavating in this area. section SW-NE, a fact that coincides with In front of area 1 we started to clean a Brodar’s distribution pattern. BRODAR SW-NE orientated section of 4 meters (1960:123) discussed a possible input by length. Therefore it was necessary to exca- palaeolithic men but cenozoic gravel is vate an area of 4x2 meters in front of the known from other caves in the region, too section. In these squares the border betwe- (PAVLOVEC, 1998) and can be explained en undisturbed layers and the end of by the geological history of this mountain Brodar’s excavation trench was retrieved. range. We tried to compare the stratigraphy Area 3 lies next to area 2 and consists of our section with the sequence of layers of 6 squares (T9/10 to V9/10). The rich described by Brodar. Section 69-70 after material of this area still needs to be analy- S. & M. BRODAR (1983) was used as sed. reference. Layers were less developed and disturbed by large blocs in section SW - RADIOMETRIC DATA NE. Nonetheless stratigraphy corresponds more or less with section 69-70 (POHAR, By now seven 14C - data are available 1998). (see table 1). The first one is from a cave Area 2 was installed at the eastern side bear bone of the Collection Grosz and was of the cave. It comprises nine squares (R/Q made in course of the re-examination of 5 to R/Q 8 and R4). This part of the cave this material (PA C H E R , 1998a). The is completely dry and also the sediments others are from bones derived during the are different from the western side. S. & new excavation campaigns. M. BRODAR (1983) already described in Data from cave bears are derived from detail the various sequences of layers in two samples from the back of the cave and Potocka zijalka. The large rocks between four samples from area 2. The retrieved the eastern and western side of this cave results indicate a homogenous assemblage might be responsible for this phenome- of Ursus spelaeus in Potoka zijalka of upper non. They probably divided the entrance Middle Würmian age. This time span part into two different sedimentation coincides with dates obtained from areas. various alpine cave bear sites (see localities Another interesting point concerning in DÖPPES & RABEDER, 1 9 9 7 ) . the sedimentation history is the great Furthermore the dates correspond with amount of small sized gravel ("Kleinkies") the human use of Potocka zijalka, espe- in Potocka zijalka. According to S. & M. cially the lower Upper Palaeolithic tradi- BRODAR (1983) gravel can be found tion (Aurignacien). mostly in the middle of this cave ranging Micro-mammal remains in Potocka from the entrance part into the inside. It is zijalka a numerous and revealed a great accompanied by cenozoic molluscs, fossili- variety of taxa. According to BRODAR, 304 PACHER, M. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Table 1. 14C - data from Potocka zijalka. S. & M. (1938) their remains could be great amount of bone points. 130 bone mainly obtained from the lowermost layer points are described, together with the 9 as well as near large blocs. This observa- one of the collection Grosz (BRODAR, tion might indicate a transport of small 1994) and two finds during the excavation bones into the shadow of blocs. Yet only 1997. one radiocarbon date from a mandible of Because of certain characteristics reve- Microtus mirotus collected from the surfa- aled by the Palaeolithic remains of this ce at the back of the cave is available. site J. BAYER (1929) defined a distinct Nonetheless this sample gives evidence of Upper Palaeolithic tradition under the an unknown portion of micro-mammals term "Olschewien". Only 17km on air line in Potocka zijalka accumulated during the apart lies Mokriska jama, another cave site Upper Pleistocene. ascribed to the Aurignaien tradition (M. BRODAR 1960). HAHN (1977:81) and STATE OF INVESTIGATIONS - M. BRODAR (1971) explain differences PALAEOLITHIC AND FAUNAL in various assemblages of by a different REMAINS use of these sites. HAHN (1977:81) clas- sified Potocka zijalka as "kill site", becau- Potocka zijalka is an important Upper se bone points outweigh the number of Pleistocene cave site. Various categories of stone tools. A definition leading us to the finds revealed many interesting aspects question of possible prey animals determi- contributing to our knowledge concer- ned in the material. ning high alpine cave bear and The fauna remains of Potocka zijalka is Palaeolithic sites. Brodar’s campaigns characterised by the great amount of cave yielded 305 stone artefacts whereas 80 bear bones. BRODAR, S. & M. (1983) specimens are determined as tools. The assume more than 1500 individuals pre- majority of pieces are attributed to the served in the assemblage. In addition to Aurignacien tradition and only some cave bear eight taxa of other carnivores remains revealed characteristics of the and seven species of herbivores are deter- Middle Palaeolithic Moustèrien tradition mined (see table 2). Furthermore or are untypical pieces (BRODAR, S. & molluscs, fishes, amphibians, reptiles, M. 1983). Potocka zijalka yielded also a birds and a great diversity of micro-mam- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) New excavation campaigns in Potocka zijalka 305 Table 2. Large mammals of Potocka zijalka and Mokriska jama. mals are reported. Many of these small of caves by various carnivores leading to animal remains were probably brought in natural episodical input. In contrary to by owls (S. & M. BRODAR 1983) or our first impression (PACHER, 1998b) could have been hunting game of the there is no certain evidence for Panthera small carnivores evident in the fauna. spelaea in Potocka zijalka until today. Only In this discussion special attention is wolves are quite abundant in the fauna given to the large mammal remains, material. Up to now 16 remains of 2 or 3 although fishes, small mammals like hare individuals are derived during the new or marmot or birds are also possible prey campaigns in the area around section SW animals of Palaeolithic man. – NE, area 2 and 3. These animals are pro- Among large mammals carnivores out- bably responsible for typical gnawing weigh herbivores. According to marks on numerous cave bear bones and BRODAR S. & M. (1983) beside cave the origin of pseudo-artefacts discussed by bear 5 taxa of carnivores are reported from various authors (K O S , 1931; M. layer 3 to 9, ascribed to the Pleistocene by BRODAR, 1985). The most famous piece the authors. This list has to be completed among these controversial specimens is by wolverine (D Ö P P E S , 2000), first certainly a mandible of cave bear descri- determined during the new campaigns. bed as bone flute (S. BRODAR, 1938: Brown bear is only obtained from the 153). Holocene layer 1. In general carnivore Herbivore remains are less frequent in remains in alpine cave bear sites are often Potocka zijalka. The new campaigns reve- mentioned but seldom numerous. Their aled only few fragments of small bones occurrence is explained by a common use until today. Omitting the remains of 306 PACHER, M. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) domestic cattle and roe deer of Holocene Palaeolithic man is also evident by layer 2 leaves 4 taxa ascribed to the fewer artefacts than in Potocka zijalka. Pleistocene by BRODAR, S. & M. (1983). Three stone tools and 24 chips as well as Ovibos moschatus is evident by nine teeth of nine bone points were retrieved from this one individual (R A K O V E C , 1 9 3 8 ) site (M. BRODAR, 1960). making it impossible to decide whether humans or carnivores were responsible for CAVE BEAR REMAINS OF AREA 2 the input. The remains are described from a layer without Palaeolithic artefacts. The cave bear remains of area 2 consist Nonetheless the importance of this find of 9630 identified specimen (NISP), whe- lies in the second evidence of musk ox in reas 3017 bones are derived from adult the southern alpine region bears (31,33%), 3571 from juvenile indi- (RAT H G E B E R , 1994: 30). The three viduals of various ontogenetic stages other taxa of herbivores are red deer, cha- (37,08%) and 1208 remains are obtained mois and an unidentified ruminant. The from neonates (12,54%). Furthermore first two are also evident in the Holocene 1834 isolated teeth (19,05%) comprising layer 2 and still belong to the modern 878 permanent and 956 milk teeth fauna of the region. belong to the assemblage. The material Unfortunately the majority of fauna studied up to now revealed a minimum remains of Brodar’s excavation are lost, number of 21 adult individuals (MNI) as thus it is not possible to calculate precise well as 51 juvenile and 63 neonate ani- numbers of elements preserved or to exa- mals. mine bones for modifications due to The overall preservation of bear bones human activity. Taking into account a in Potocka zijalka is quite good, although transport of finds after deposition the evi- various observations indicate a secondary dence of artefacts and fauna remains in the deposition of cave bears in area 2. In the same layer are yet not enough to prove uppermost layers small skeletal elements hunting game. like metapodials, rib-fragments and teeth A comparison with the nearby cave site are frequent. Many specimen were verti- Mokriska jama shows a similar fauna dis- cally orientated in the sediment tribution with a majority of cave bear (PACHER, 1998b). Beginning with layer remains and few bones of other taxa 3 and 4 the density of finds increased in (R A K O V E C , 1967). In contrary to squares near to the middle of the cave, Potocka zijalka the diversity in the fauna indicating a transport of bones from the material is low. Among other carnivores back and middle of the cave towards the Canis lupus is again most abundant. Pine side. marten, brown bear and cave lion yielded On the other hand area 2 revealed seve- fewer elements. Herbivores are represen- ral vertebrae in correct anatomical posi- ted by one species, only. Therefore Capra tion (see figure 1). As in the case of ibex is the only possible hunting game Schwabenreith – cave these finds are no among Ungulates at Mokriska jama. proof of bear remains on primary deposi- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) New excavation campaigns in Potocka zijalka 307 Figure 1. One layer of cave bear bones of area 2 (graphik: N. Frotzler). tion (PACHER, 2000b) in regard to the tibiae. According to studies on the beha- excavation area. Transport in Potocka viour of recent carnivores long bones and zijalka is also indicated by a dense pattern elements of the shoulder- and pelvic-gir- of scratches on the surface of many bones. dle are often exposed to extensive gnawing Some of these scratches as well as rounded (HAYNES, 1983). Gnawing marks on edges might also be due to trampling. cave bear remains from Potocka zijalka are Gnawing marks are evident on various mainly attributed to Canis lupus. Wolves kinds of cave bear bones. The percentage probably also produced bone fragments of gnawed bones is especially high in rips, revealing spiral fractures and cones, a type vertebrates, scapulae, femora and calca- of bone modification also attributed to neii. A high degree of modified bones is human activity. In general hunting of cave also evident in pelvis, ulnae radii and bear by Palaeolithic man cannot be gene- 308 PACHER, M. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) rally excluded but has to be proved by detailed taphonomic analyses in combina- thorough investigations. tion with other investigations is it possi- In contrary to the assemblage from ble find out more about site formation Hohle Fels in Germany (MÜNZEL & processes, the role of various categories of LANNGUTH, 2001) the fauna material finds or to distinguish between human from Potocka zijalka studied so far by the versus carnivore influence on the assem- author revealed no evidence for cave bear blage (MIRACLE, 1991: 208). One of the hunting or butchering by Palaeolithic most controversial aspects at this site is man. As in many alpine cave bear sites the certainly the role of Palaeolithic man and influence of Palaeolithic man on cave bear cave bears. assemblages has long been overestimated in course of the theory of specialised cave ACKNOWLEDGEMENTS bear hunters during the Middle and Upper Palaeolithic (for a detailed discus- We owe special thanks to the authori- sion see J E Q U I È R , 1975; PA C H E R , ties in charge in Slovenia, the Museum in 1997; PA C H E R , 2000c). The great Celje as well as the Institute of archaeo- amount of bone points in Potocka zijalka logy ZRC SAZU and all persons involved led also to the idea of cave bear bones as for the permission to carry out excavations raw material for the production of these in Potocka zijalka. Furthermore we have artefacts (S. BRODAR, 1957; MOTTL, to thank both Institutes and the Academy 1966). of Science in Vienna for the financial sup- The material of Potocka zijalka revea- port. The latter also supported a first led many interesting aspect. Only with a analysis of the material. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) New excavation campaigns in Potocka zijalka 309 REFERENCES H A H N, J. (1977). Aurignacien, das ältere Jungpaläolithikum in Mittel- und Osteuropa. BAYER, J. (1929). Die Olschewakultur eine neue Fundamenta, A/9, Köln. Graz. Fazies des Schmalklingenkulturkreises in HAYNES, G. (1983). A guide for differentiating Europa. Eiszeit und Urgeschichte, 6: 83-100, mammalian carnivore taxa responsible for gnaw Leipzig. damage in herbivore limb bones. Paleobiology, 9: BAYER, J. & S. BRODAR (1928). Die Potocka 164-172. zijalka, eine Hochstation der J É Q U I E R, J.-P. (1975). Le Moustérien Alpin. Aurignacschwankung in den Ostalpen. Eburodunum 2, Yverdon. Praehistorica, I: 1-13, Wien. KOS, F. (1931). Studien über den Artefaktcharakter BRODAR, M. (1960). Die hochalpine Aurignac- der Klingen aus Höhlenbärenzähnen und der Station Mokriska jama (1500 m). 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Recent European brown bear (Ursus arctos arctos) is appearing in the Western Carpathians Mountains at the beginning of the Holocene or already at the end of the Pleistocene Period respectively. So far, osteological remains of arctoid bears have been described from 23 Slovak locali- ties. The most frequently, these remains belong to the taxon Ursus arctos ssp. or to the recent subspecies Ursus arctos arctos. The fossil findings of brown bears from the Late Pleistocene are less frequent. Key words: brown bears, Late Pleistocene, Holocene, Western Carpathians, Slovakia Department of the Geology and Paleontology, Faculty of Sciences, Mlynská dolina, SK-842 15 Bratislava, SLOVAKIA 312 SABOL, M. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) INTRODUCTION remains of the arctoid ursid from the Besenová-Bána travertine quarry belong The fossil findings of representatives of to this taxon too (see figure 1). This rela- the family Ursidae are known in the terri- tively big bear species came from the tory of Slovakia from sediments dated south, whereas it probably had reached the from the Middle Miocene to the begin- southwestern areas as the first ones in the ning of the Holocene Period. They are Slovak territory. found relatively frequently, especially in The other relatively big bear taxon the karst sediments of the Late from the arctoid branch of ursid phylo- Pleistocene. Most of these fossil remains g e n y, which lived in the territory of belong to cave bears (Ursus spelaeus), which Slovakia during the Last Glacial Period, lived in the Slovak territory of the was fossil subspecies Ursus arctos priscus Western Carpathians Mountains from the GOLDFUSS, 1822. The taxon probably end of the Middle Pleistocene to the end evolved from some local population of of the Late Pleistocene. However besides brown bears in the territory of Middle or cave bears, two taxa of fossil brown bears Western Europe, but it is not descendant (Ursus taubachensis, Ursus arctos priscus) of brown bears from southern Europe have been present in the same territory (Ursus arctos arctos) (MUSIL, 1996). These during the Late Pleistocene Period too. fossil brown bears, as large as a grizzly, Recent European brown bear (Ursus arctos were rarely extended between paleopopu- a r c t o s) is appearing in the We s t e r n lation of cave bears (MUSIL, 1996) in the Carpathians Mountains at the beginning extensive European territory of the of the Holocene or already at the end of Paleoarctic area (SCHMIDT, 1970). They the Pleistocene Period respectively. lived in the same territory and in the same environment (MUSIL, 1964) together GEOGRAPHICAL DISTRIBUTION with them. However, there were ascertai- OF FOSSIL BROWN BEARS IN THE ned some morphological differences bet- TERRITORY OF SLOVAKIA ween these single taxa, especially in the shape of the both cranium and teeth. As the first of fossil brown bears, pro- These fossil brown bears have been exten- bably Ursus taubachensis (RODE, 1931) ded in Slovak territory especially in the rarely occurred in the Slovak territory mountainous areas of the Middle Slovakia. during the Last Interglacial. However, it They expanded here probably from the suddenly began dying out here by the end west (Moravia?), but it is not out of ques- of this warm climatic period or by the tion their next migration to the east. The beginning of the Last Glacial respectively. fossil remains of these ursids are not as Thus, the fossil findings of this bear spe- abundant as the ones of cave bears, but cies have some stratigraphical value. they have been solitarily described as U. MUSIL (1996) has been described the fos- arctos priscus or U. arctos cf. priscus from sil remains from the Certova pec Cave as some Slovak caves – the Vazec Cave, the U. cf. taubachensis. Probably, the fossil Vyvieranie Cave, the Lisková Cave CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Fossil Brown Bears of Slovakia 313 (SABOL, in press), the Kupcovie izbicka tely 1.000 individuals in Slovak moun- Cave and probably from the Okno Cave tains today. However, their distribution (SABOL, 1999) too (see figure 1). here is restricted only to area of some However similarly to cave bears, these big mountains (the Strázov Highland, the fossil brown bears began dying out in Malá Fatra Mts., The Velká Fatra Mts., Slovak territory at the end of the Last the Beskydy Mts., the Oravská Magura Glacial too. Mts., the Choc Hills Mts., the Tatras Mts., In the time between the end of the Last the Low Tatras Mts., the Levoca Hills Glacial Period and the beginning of the Mts., the Slovenské rudohorie Mts., the Holocene Period (approximately 10 000 Polana Mts., the Stiavnica Hills Mts., the years BP) the recent European brown Kremnica Hills Mts., the Vtácnik Mts. bears (Ursus arctos arctos LINNÉ, 1758) are and the Ziar Mts.) (FERIANCOVÁ- appearing in the Slovak territory of the MASÁROVÁ & HANÁK, 1965), where- Western Carpathians Mountains. as it was much larger in the past (see figu- Similarly as brown bears from the Last re 2). The fossil and subfossil findings of Interglacial (U. taubachensis), their presen- osteological remains of these bears from ce in the territory of Slovakia is also the the Lukac Abyss, the Silická Brezová result of some migration waves of brown (HOKR, 1951), the Bear Cave near Ruzín bears from the southern Europe, probably (AMBROS, 1990), the Fox Cave in the from the Balkan Peninsula (MUSIL, Little Carpathians Mts., the Bear Cave – 1996). But to the different from the Huciaky, Klenovec, and the Sípová Cave Taubach bears, the recent brown bears (see figure 1) are evidence of that. Also it expand probably from the south-east in is not out of the question that findings the Slovak territory. The findings from the described only as Ursus arctos ssp. from the Lukác Abyss can be the evidence of that. Jasov Cave (VOLKO-STAROHORSKY, They belong among the geologically 1929), the N III Cave in the Belianske oldest (end of the Pleistocene – beginning Tatry Mts. (FEJFAR & SEKYRA, 1964), of the Holocene) osteological remains of Lucivná (SKUTIL, 1938), the Nová éra this subspecies in Slovakia. The biotope of Cave, the Belianska Valley, the Cervená recent European brown bears consists of Magurka Cave, the Pod Úplazom Cave, coniferous and mixed forests in the near the Psie diery Cave and the Moldava Cave inaccessible rocky terrain with sufficient probably belong to the representatives of number of dry refuges (such as caves), and the subspecies Ursus arctos arctos too (see the presence of water. The original distri- figure 1). bution (nearly in all Europe) of these ursids is only insular and imperceptible in CONCLUSION the present in Western Europe, whereas Slovakia makes the western boundary of On the basis of our knowledge about their more continuous distribution in fossil and subfossil taxa of brown bears we Eurasia (FERIANCOVÁ-MASÁROVÁ & are able to draw that these ursids were HANÁK, 1965). There live approxima- relatively abundant in the Slovak territory 314 SABOL, M. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) of the Western Carpathians Mountains in recent subspecies Ursus arctos arctos. The the past. They were relatively abundantly fossil findings of brown bears from the represented to the rate of the single paleo- Late Pleistocene are less frequent. population states and to the rate of the taxa in the single geological periods. ACKNOWLEDGEMENTS So far, their osteological remains have been described from 23 Slovak localities. The author is indebted to the Grant The most frequently, these remains belong Agency for Science, Slovakia, for financial to the taxon Ursus arctos ssp. or to the support (project No. 1/6192/99). CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Fossil Brown Bears of Slovakia 315 Figure 1. Location of brown bear localities in Slovakia. 1, Belianska valley; 2, Besenová-Bána; 3, Certova pec; 4, Cervená Magurka Cave; 5, Pod Uplazom Cave; 6, Vyvieranie; 7, Lisková Cave; 8, Lukác Abyss; 9, Klenovec; 10, Kupcovie izbicka; 11, Bear Cave - Huciaky; 12, Moldava Cave; 13, Fox Cave; 14, Okno; 15, Psie diery Cave; 16, Sipová Cave; 17, Vazec Cave; 18, Silická Brezová; 19, Bear Cave near Ruzin; 20, Jasov Cave; 21, N III Cave; 22, Lucivná; 23, Nová éra Cave. Figure 2. The geographical distribution of brown bears (Ursus arctos arctos) in the territory of Slovakia. a) area of geographical distribution in the present. b) area of assumed geographical dis- tribution in the past 316 SABOL, M. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) REFERENCES MUSIL, R. (1996). The Certova pec Cave and its fauna (in Czech). Slovensky kras, Liptovsky AMBROS, C. (1990). The osteological findings Mikulás, XXXIV: 5-56. from the Bear Cave near Ruzín (in Slovak). SABOL, M. (1999). 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The compared fossils could be inserted in two typological forms: archaic and modern. To the first belongs a part of Venetia Region remains and to the second, the Buco dell’Orso Cave fossils and some of the Venetia Region caves too. The probable thesis of derivation of U. spelaeus by U. arctos is mentioned, although the phylogenetic hypothe- sis U. etruscus ® U. deningeri ® U. spelaeus, is still effe c t i v e . Key words: Ursus spelaeus, archaic and modern forms, comparison (1) Museo Civico di Storia Naturale, L.go Adige, I-45100 Verona (Italy) (2) Dipartimento di Scienze della Terra, Via Ferrata 1, I-27100 Pavia (Italy) 318 ROSSI & SANTI CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) INTRODUCTION formula is very variable and the lack of second premolar remain, as in this case, The Ursus spelaeus R o s e n m ü l l e r- has been signalled. Heinroth, 1784 remains are very abun- 2) THE NASAL AREA, as in U. spe - dant in the Northern Italy caves (SANTI l a e u s, is lightly concave (MAZZA & & ROSSI, in press, for a bibliographic RUSTIONI, 1994). analysis), but the last discoveries taken in 3) THE ZYGOMATIC ARC presents the Venetia Region have shown the pro- an arcuated profile with the convex boun- bably presence of archaic elements of this dary in the upper side and the concave species. The fossils (about fifteen among below. Dorsally, the orbits’ profile of the the skulls and mandibles) come particu- specimens as in U. spelaeus, is rounded and larly from Cerè Cave, near Verona: this a little protruding (TORRES, 1988, figu- cave is placed along the Falconi Vajo near re 1.8 a). On the contrary, in U. arctos is Ceredo (figure 1 A). Together with these protruding and triangular (T O R R E S, bear fossils, have been found a great quan- 1988, figure 1.9 a). tity of mammals remains that "…sembra 4) THE VERTICAL RAMUS of the rappresentare in realtà più momenti del mandible has a posterior straight boun- Pleistocene" (BON et al., 1991, p.189). dary like the inferior side of the coronoid Skulls and mandibular bears remains from crest that always link it vertically to the Cerè Cave are fragmentary, with the horizontal ramus (cf. TORRES, 1988, figs exception of two skulls and one mandible, 7.2 b, c). partially deformed by fossilization pro- Biometric data confirm the observa- cess. These ones have the typical "spelaeus" tions following the morphology, but show characters, in particular those linked to a a decrease in size in comparison to the ave- more herbivorous diet. rage found in the classic speloid elements. 1) DOME CONFORMATION OF In particular, size is intermediate between THE FRONTALS. This character is cle- the typical U. spelaeus and U. arctos (figu- arly visible in some fossils (V 160 and V res 2-3). Biometric values show that the 162), less in the V 161 specimen because skulls V 161 and V 162 (figure 2) and the of post-mortem process. The frontal mandibles belonging to the more robust region convexity has been signalled in elements (figures 3-4), fall in the field some U. deningeri "modern" elements too defined by U. spelaeus. Graphic of the figu- (KURTÉN, in TORRES, 1988), but not re 3 shows the typical speloid characters: in the "archaic" forms. Furthermore, in in fact observing that the mandible V lateral view a profile of the cranic vault lit- 4886 is the smaller among all the analysed tle convex, similar to the U. spelaeus one, is specimens, it is possible to extend similar evidenced. The small dimensions of the V morphometric characters also to the other 161 specimen suggest the possibility that mandibular remains. Therefore, conside- this fossil could belong to this species. ring the assigned age of Cerè deposit 2 The lack of P could not destroy this (BON et al., 1991) and the observed mor- hypothesis: in fact the U. deningeri dental phological and biometric characteristics, CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Archaic and recent Ursus spelaeus forms 319 Figure 1. Geographic position of the fossiliferous localities of Cerè (Verona) (A) and Buco dell’Orso (Laglio) (B) Caves. it is possible to assign the analysed fossils have demonstrated that the studied forms to the archaic forms of U. spelaeus, only fall well in the morphologic and biometric supposing, while waiting for new data, spectrum typical of U. spelaeus, although the presence of U. deningeri. the reduced size could let think to U. The U. spelaeus remains from the Buco deningeri appurtenance (RABEDER, com. dell’Orso Cave near Laglio (Como) (figure pers.) with the exception of one maxillary 1 B) have been studied by ROSSI & fragment. For it we have advanced an U. SANTI (in press a) and by SANTI & arctos appurtenance. ROSSI (in press). The effected analyses Diagrams of figures 2-3-4 propose a 320 ROSSI & SANTI CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Figure 2. Graphic relative to the relation between the Basal length and the Length of the dental row (P4-M2) (in mm) in bears skulls (by: ROSSI & SANTI, in press b, mod.). Figure 3. Graphic relative to the relation between the Absolute length and Height of the vertical ramus (in mm) in bears mandibles (by: ROSSI & SANTI, in press b, mod.). first, meaningful comparison between the meaningful parameters useful to this aim. cranial and mandibular morphometry of Therefore the few data available demons- the Buco dell’Orso Cave and Cerè remains trate until now the clear difference of the compared to the bears ones (U. spelaeus and points’ position referred to Cerè and U. arctos) from venetian (Velo and S. Laglio fossils. Referring to diagram of Donà) and foreign localities (Spain). We figure 2 the Laglio bears representative put first is that we have utilised the main points are placed in order to the boundary CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Archaic and recent Ursus spelaeus forms 321 Figure 4. Graphic relative to the relation between the Length of the dental row and Height of the mandible below P4 (in mm) in bears mandibles (by: ROSSI & SANTI, in press b, mod.). of "spelaeus" dispersion data, while in the Therefore with this first preliminary other graphics are placed very well inside comparison should confirm for the the "spelaeus" cloud. The boundary posi- moment, the hypothesis of the possible tion of the Laglio skulls representative presence of U. spelaeus archaic forms in the points could have a logic explanation in Verona Region. Notwithstanding that on the consideration that the fossils should the base of MAZZA & RUSTIONI’s belong to subadult forms and therefore (1994) considerations a possible deriva- still not come to maturity. Considering in tion of U. spelaeus from U. arctos could be particular both the Cerè bears, and the advanced, morphologically and palaeogeo- Laglio ones, we found two well distinct graphically is more acceptable until now a "spelaeus" types: the typical ones (main phylogenetic sequence U. etruscus ® U. part) and the forms that having also "spe - deningeri ® U. spelaeus with the new U. laeus" morphologic characters, have par- arctos invasion in the Middle Galerian that tially the arctoid ones (V 4886a and V 161 originated the Upper Pleistocene and for example) (ROSSI & SANTI, in press present arctoid forms (Petronio, pers. b). This "type diversity" could be explai- com.). ned by the presence of U. spelaeus archaic forms (supposing only the U. deningeri presence) and more "modern" ones. To the ACKNOWLEDGEMENTS first should be referred a part of the consi- dered Cerè elements, and to the second, those of the Laglio and others of the We would like to thank Prof. Petronio Verona and Venetia region cave ones (figu- C. (Rome) for the useful advise and for the re 5). critical reading of the manuscript. 322 ROSSI & SANTI CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Figure 5. Cranial morphologic variation on the chronological base, by Ursus deningeri at Ursus spe - laeus ("archaic" and "modern"). U. deningeri and U. spelaeus "modern" are reprised by STUART (1982). CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Archaic and recent Ursus spelaeus forms 323 REFERENCES prime osservazioni sui resti craniali e mandibo- lari di ursidi. Boll. Mus. Civ. St. Nat. Verona. SANTI G. & ROSSI M. (in press). Bears from the BON M., PICCOLI G. & SALA B. (1991). I giaci- Buco dell’Orso Cave (Laglio-Como-Lombardy, menti quaternari di vertebrati fossili nell’Italia Italy). 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La fauna pleis- metrico del craneo, 3-46. II- Estudio anatomi- tocenica della grotta del Cerè (Verona). 1- co y metrico de la mandibula, hioides, atlas y axis, 220-249. Cadernos Lab. Xeolóxico de Laxe ISSN: 0213-4497 Coruña. 2001. Vol. 26, pp. 325-340 Holocene Brown Bears (Ursus arctos L.) in natural traps : exceptional sites of Mont Ventoux (Vaucluse, France) Osos Pardos holocenos en trampas naturales: los yacimientos excepcionales de Mont Ventoux (Vaucluse, Francia) CREGUT, E.1 & FOSSE, Ph.2 with contributions by ARGANT, A.3; ARGANT, J.4; DEBARD, E.5; DONAT-AYACHE, B.1; MOURER-CHAUVIRE, C.5; MEIN, P.5; PHILIPPE, M.6 & THINON, M.7 AB S T R A C T On the northern face of the mountain Mont Ventoux (Vaucluse, Southeastern France), a dozen cavities and traps (called MV1, 2, 3, 4 ( = Aven du René-Jean), 5, 6 …) have been recently discovered by speleologists, yielding rich Holocene faunal remains. Two sites (MV2 and MV4, figure 1) have been excavated for 3 years (1997-1999) and appear to be exceptional places for their archaeological records, containing both numerous remains of brown bears and charcoal. These remains seem to have been accumulated during a short time (Bronze Age ? to late Antiquity). Here are presented some results of our first field investigations. Although these do not strictly concern cave bears, they may be useful to paleontologists, archaeologists, tapho- nomists and biologists working on (Pleistocene) bears. Key words: Ursus arctos, Holocene, natural traps, France Cadernos Lab. Xeolóxico de Laxe Coruña. 2001. Vol. 26, pp. 325-340 (1) Musée Requien, 67 rue Joseph Vernet, 84000 Avignon, France, musee; [email protected] (2) ISEM, UMR 5554 CNRS, Laboratoire de Paléontologie, 1 Place E. Bataillon, case courrier 64, 34095 Montpellier cedex 5, France ; [email protected] (3) UMR 6636-ESEP-GIRPPA, Institut Dolomieu, 15 rue M. Gignoux, 38031 Grenoble cedex, France ; [email protected] (4) Association de recherche paléoécologique en archéologie, Centre des Sciences de la Terre, Université Claude Bernard Lyon I, 43, boulevard du 11 novembre 69622 Villeurbanne cedex. (5) UFR des Sciences de la Terre Université Claude Bernard Lyon I, 43, Boulevard du 11 novembre, 69622 Villeurbanne cedex, France. (6) Muséum d'Histoire naturelle 28, boulevard des Belges 69006 Lyon, France; [email protected] (7) Institut méditerranéen d'Ecologie et de Paléoécologie, Faculté des Sciences et Techniques de Saint- Jérôme, Botanique et Ecologie méditerranéenne, case 461, avenue Escadrille Normandie-Niemen, 13397 Marseille Cedex 20, France; [email protected] CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Holocene Brown Bears in natural traps 327 THE MONT VENTOUX SITES : A 5 m), containing thousands of faunal BRIEF PRESENTATION remains. Excavations have mainly concerned The MV2 and MV4 sites are found at a MV4 site, where deposits have been expo- high altitude (1,650 m) and were formed sed 1.50 m deep. Three stratigraphical in Urgonian bioclastic limestone. levels have been recognized: However, there are important topographi- • An upper level (average depth: 20- cal differences between the two sites: MV2 30 cm), composed of medium sized limes- has a long and narrow entrance gallery (60 tone gravel and without fine-grained sedi- m long) leading to a deep hole (28 m ment, yielding numerous brown bear deep), whereas the entrance of MV4 is a remains. Skeletons are completely disarti- small and narrow place (3 m long x 1-0.5 culated and most of them belong to m width) which leads directly to a vertical adults; hole of 17 m depth (figure 2). The base of • An intermediate level (70 cm) with the hole is a small trapezoidal room (10 x limestone gravel and black small sized Figure 1. Location of Mont Ventoux natural traps. (Photos: Philippe Fosse) 328 CREGUT & FOSSE CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Figure 2. Topography of Mont Ventoux natural traps. (redrawn from EVIN 1996 (MV2) and BOU- CHET 1997 (MV4)). sediments. This level yields both paleon- of charcoal. Some of the thin bones (skulls, tological material (essentially brown bear scapulae) have been broken by rockfalls; and bats) and abundant charcoal. Most of • A lower level (30-40 cm deep) con- the bear skeletons belong to young indivi- taining only large sized limestone gravel. duals and have been discovered along the This level has so far not yielded any brown walls, often covering major concentrations bear remains. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Holocene Brown Bears in natural traps 329 MORPHOMETRICAL CHARACTERS raws, slenderness of long bones), the bear OF BROWN BEAR REMAINS at the Mont Ventoux sites is identified as a medium-sized Ursus arctos, similar to In each site, the brown bear (Ursus arc - modern southern European specimens. tos L.) is the commonest species (table 1) Skulls of adult individuals (n=7) present a and has been found in unexpected quan- regular profile and not a strongly vaulted tity, especially in the MV4 locality. In a forehead as found often in Ursus spelaeus surface of 12 square meters, 6000 bones (figure 3). Variability in form and profile and teeth belonging to 120/150 indivi- of the skulls is noticeable, in accordance duals have been discovered; an estimate of with descriptions from modern samples 300/500 bears is possible for the complete (ERDBRINK, 1953; COUTURIER, sequence. A major concentration of bones 1954; KOHL & SEPSI, 1997; CHESTIN is noticeable, especially in the northern & MIKESHINA 1998 …). Other phene- squares. tic parameters, such as presence/absence of By the morphological characteristics of some premolars can be observed but both cranial and postcranial elements without any precise subspecific or bioch- (shape of skulls, presence of premolar ronological information. Upper and lower Table 1. Faunal list of Mont Ventoux (=MV) natural traps. X = presence ; NISP/MNI. Identifications made by E. CREGUT (ungulates and carnivores), C. MOURER-CHAUVIRE (birds) and P. MEIN (bats). 330 CREGUT & FOSSE CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Figure 3. Adult and non adult skulls from Mont Ventoux natural traps. Scale = 10 cm. (Photos : Philippe Fosse). first and third premolars are present (indi- Pleistocene and early Holocene brown cating an attribution to Ursus arctos) but bear populations (Taubach: KURT E N , in different proportions (tables 2-3). These 1977; Jaurens: BALLESIO, 1983; Biache- differences might be interpretated either Saint-Vaast: AUGUSTE, 1996) does not as standard intrapopulational variability allow a closer analysis of the evolutionary (BALLESIO, 1983: 12) or the presence of significance in relation to the presence or two sub-diachronic populations. However, absence of premolars. One might hypothe- the lack of teeth series for most of the CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Holocene Brown Bears in natural traps 331 Table 2. Presence (+) absence (-) of premolars in brown bear maxillae and mandibles from Mont Ventoux natural traps. Data from DONAT-AYACHE (1997). Table 3. Frequency of premolars in several modern and pleistocene brown bear populations. Source: (1) BALLESIO, 1983; (2) ALTUNA, 1973; (3) TORRES PEREZ-HIDALGO, 1988; (4) KUR- TEN, 1977; (5) AUGUSTE, 1995. 332 CREGUT & FOSSE CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) zise that the MV4 population is older than Upper Pleistocene individuals (figure 5). the MV2 one. DNA studies have been undertaken (Y. Metrical comparison between modern TABERLET, Grenoble) in order to preci- and fossil European brown bear popula- sely locate the Mont Ventoux samples tions underlines the overall small size of within European populations. the Mont Ventoux specimens. Skulls are of the same size as modern samples, although GENERAL OVERVIEW OF BROWN slighly larger than female samples (figure BEAR ASSEMBLAGES 4). The attribution to the Holocene period is confirmed by isolated teeth measure- Currently, Mont Ventoux traps are the ments (tables 4–6). Lower carnassials pre- richest European sites with brown bear sent metrical characteristics close to remains. Other sites with Ursus arctos (fos- modern Pyrenean and Basque popula- sil or modern forms) are Eemian open-air tions, which are in every case smaller than sites of Biache-Saint-Vaast, Ehringsdorf Figure 4. Osteometric data of adult brown bear skulls (mm) from Mont Ventoux natural traps; comparisons with pleistocene and holocene specimens. Source: ALTUNA, 1973; BOURDELLE & DELIZIERE, 1949; CAMARRA, 1989; CAPASSO BARBATO et al., 1993; COUTURIER, 1954; DONAT-AYACHE, 1997; KOHL & SEPSI, 1997; TORRES PEREZ-HIDALGO, 1988. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Holocene Brown Bears in natural traps 333 Table 4. Metrical data (in mm) for brown bear skulls and upper teeth of Mont Ventoux natural traps. Data from DONAT-AYACHE (1997). Table 5. Metrical data (in mm) for brown bear mandibles of Mont Ventoux natural traps. Data from DONAT-AYACHE (1997). and Taubach, and Upper Pleistocene cave chronological background cannot be refi- sites of Grimaldi (grotte du Prince), ned without radiometric data. All of ske- Régourdou, Jaurens and Flavigny (table letal parts have been found (figure 6): 7). Most Ursus arctos discoveries come unfused bones of young individuals and from (partial) isolated skeletons for which closed epiphyseal long bones of (sub)adult 334 CREGUT & FOSSE CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Table 6. Metrical data (in mm) for brown bear lower teeth of Mont Ventoux natural traps. Data from DONAT-AYACHE (1997). Figure 5. Osteometric data of adult brown bear lower carnassials (mm) from Mont Ventoux natu- ral traps; comparisons with pleistocene and holocene specimens. skeletons are mixed and great concentra- first winter individuals (MV4 NISP= tions of bones do not allow a reconstruc- 4634; MNI= 87, table 8; MV2 NISP= tion (refittings) of all individuals. 2000; MN= 30) whose ages have been Young individuals are especially abun- estimated from lower tooth eruption/wear dant, most of them belong to new born / stages on known-age samples (DIT- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Holocene Brown Bears in natural traps 335 Table 7. Frequency (NISP/MNI) of brown bear in Pleistocene/Holocene sites. Figure 6. Frequency (%NISP) of skeletal parts of non adult and adult brown bear from MV4 natu- ral trap. NISP youngs = 4634; NISP adults = 900. TRICH, 1960). Some age classes have DITTRICH’s one). Unworn milk teeth are been rarely obtained because of the state of rare, whereas 6 weeks – 4 months old mandible preservation (lack of teeth; pre- (DITTRICH’ stages 4-6) followed by 5 sence/absence of alveoles; state of eruption months - 6 months old (DITTRICH’ sta- slightly different (intermedial) of ges 9-10) individuals are well represented 336 CREGUT & FOSSE CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) (table 8). Because birth of brown bears permanent teeth. Size of upper and lower occurs in January – February (PARDE & canines suggest that females are more CAMARRA, 1992: 10), DITTRICH’ sta- abundant than males (figure 7). Long ges 4-6 indicate March/May periods and bones extremities often present carnivore stages 9-10, July. It suggests both morta- activities: discrete pits near epiphyses, lity during and at the end of hibernation grooves along diaphyses and deep furrows (stage 4, 5 and 6) and during summer (sta- into humerus/femur heads which have ges 9, 10). The MV4 entrance may be seen been sometimes completly cancelled out as a hibernation place for female bears (figure 8). Some adult brown bears survi- with their cubs; its characteristics (mor- ved to their fall and consume (semi)fresh phology, size) are similar to pyrenean or bones, by gnawing epiphysis. abbruzzean rockshelters used as winter refuges (CAMARRA, 1987, 1989; CONCLUSIONS ZUNINO, 1986). Presence of bears during summer might be explained either Mont Ventoux sites contain one of the by their behaviour (frequentation of the richest brown bear samples in Europe. highest zones of territory in search of food Goals of studies on such original sites have and coolness) or by first human activities to draw up detailed data sheets both on in this area (refuge in front of clearings, biological characteristics of bears (presen- pastoralism …). ce of so many youngs suppose a recurrent The 11 adult specimens are identified frequentation of these sites for a very long by 900 bones and teeth. Material belongs period -several centuries?- by a same to subadult and young adult with unworn population; inter site correlations …) and Table 8. Age estimation of non adult brown bears from MV4 site. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Holocene Brown Bears in natural traps 337 on methodological researches in bear authorize access to sites and to counciles of taphonomy (age estimations, anatomical Bédoin and Brantes, CDS 84 and refittings …). Speleological Group of Carpentras for their kind and efficient assistance during excavations. Many thanks to Alex ACKNOWLEDGEMENTS Chepstow-Lusty who has kindly reviewed the english version of this manuscript and Aknowledgements are due to ONF to Laurence Meslin (ISEM-Montpellier) (Office National des Forêts) of Avignon to for the figures. Figure 7. Sexual dimorphism in modern and Pleistocene brown bear populations, based on Transverse Diameters of Upper (above) and Lower (below) canines. 338 CREGUT & FOSSE CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Figure 8. Brown bear gnawed femurs from MV4. Scale = 10 cm. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Holocene Brown Bears in natural traps 339 REFERENCES arctos) dans les Pyrénées occidentales. Gibier Faune Sauvage, 4: 391-405. CAMARRA, J. 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Publicaciones (Ursus arctos L.) im Gouffre de La Pentecôte especiales del boletín geológico y minero: 316 pp. (P23), Sieben Hengste, Eriz BE. Osteologische Cadernos Lab. Xeolóxico de Laxe ISSN: 0213-4497 Coruña. 2001. Vol. 26, pp. 341-348 Cave Bear ancestors Los antepasados del oso de las Cavernas ARGANT, A. AB S T R A C T The lineage of the cave bear Ursus deningeri --> U. spelaeus is well known, but to draw a limit in this evolution is not easy. The real difficulty is met when this cave bear linea- ge has to be linked to its ancestors... Dating physical methods, paleoclimatic and paleo environmental data, works on teeth and bones morphology, progress in paleogenetics are means our disposal to give essential information to phylogeny. A large collaboration is needed. Practical information are given about a possible discussion group. Key words: Cave Bear, phylogeny CR CNRS. UMR 6636 - ESEP- Institut Dolomieu, 15 rue Maurice Gignoux F-38031 GRENOBLE Cedex 342 ARGANT, A. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) 1. INTRODUCTION tologist is to draw a limit in this evolution to distinguish two chrono-species. The U. The topic of cave bear ancestors is sel- deningeri from Château (Saône-et-Loire), dom discussed. And yet it's an important the U. spelaeus from Azé and the one, very question which partly conditions our rese- typical from the Balme à Collomb arch. The aim of this communication is to (Entremont-le-Vieux, Savoie) constitute a review the subject and above all to launch good illustration of this evolution. The a debate and a discussion. ancient form, U. deningeri, presents a com- bination arctoid and etruscoid features 2. A PRECISE EXAMPLE time and again reported, but already mar- ked spelean features. The real difficulty is Circumstances have made me study met when this cave bear lineage has to be four important paleontological sites, rich linked to its ancestors. in Ursids remains, spanning a long period The large group of Ursids from the of time, and well grouped together geo- Early Plio-Pleistocene, U. etruscus, widely graphically (Europe scale) (figure 1). spread on a vast area, logically constitutes The elimination of some variable para- the genetical reservoir from which the two meters (geology, hydrology, major clima- great species U. arctos and U. deningeri-spe - tic zone) is due to the geograhic proxi- aleus have their direct or indirect origin. mity, well knowing that at the time scale The basic question is to know if these two used, some factors likely to vary always lineages diverge from the U. etruscus form exist ; such are the local climate (different in a distinct way, or if the lineage of the environments), the variations of the condi- brown bears emerges alone, and then, in tions of fossilization and preservation spe- the process of evolution, sees some of its cific to each place, etc... populations evolve towards the cave bear. How to establish the phyletic links U. etruscus is mainly found in open between the four Ursids populations ? sites. Probably, it didn't use caves to What are the means currently at disposal hibernate. This explains the rarity of its to scientists to base their research ? Most remains and sites. From the Saint-Vallier of the studies are done on dental material bear to the Château bear, time is far too for classical reasons. Teeth which are har- long to reveal a direct link. The interme- der and more resistant are well preserved ; diate forms between U. etruscus and U. their determination and comparison (mor- deningeri are lacking. This can be applied phology, measurement) are easier, explai- to the whole Europe. This gap is easily ning the large number of studies which explained by several reasons : rarity of use them. sites, lack or scarceness of paleontological The lineage of the cave bear Ursus material, or difficulty or poor reliability of deningeri --> U. spelaeus is well known: U. datings. This is why so many hypothesis spelaeus obviously succeeds without dis- are always difficult to back up for the early continuity or break to U. deningeri. The Pleistocene, almost one million years. only difficulty encountered by the paleon- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) The Cave Bears ancestors 343 344 ARGANT, A. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) 3. DIFFERENT CURRENT PHYLE- environmental data now systematically in TIC APPROACHES the scientifically led excavations. - The works of G. Rabeder since 1983, The main phylogenic interpretations, using the teeth as precise tracers of the which are currently met dealing with the cave bear evolution which is quantified by Eurasian bears, are summed up in the tree morphodynamic index, a useful tool diagrams of figure 2. They correspond to (RABEDER, 1983, 1989, 1990, 1992, ideas which were suggested a long time 1999...; R A B E D E R , et al., 2000; ago and abundantly debated. Diagram 1, ARGANT, 1995). that I approve, seems to be nowadays - Progress in paleogenetics, due to widely accepted, without any absolutely improved techniques in mitochondrial decisive arguments, particularly about the DNA analysis which can be traced back relation between U. etruscus/ U. arctos/ U. up to 130,000 years. spelaeus. 5. CONCLUSION 4. SOME REMARKS The preceding remarks allow us to Why can't we conclude for so long ? reconsider phylogenetics on current basis. Three main reasons can be put forward: A methodical and coordinate research can - The rarity of Early and Middle already be organized at the European Pleistocene sites. scale. It must associate the two lineages - The difficulty of dating these sites. Ursus spelaeus and Ursus arctos which are - The rarity of usable paleontological historically linked, and maybe the Ursus material, since many of these ancient bears stehlini/thibetanus one ? It's impossible to didn't systematically use caves to hiberna- ignore paleogenetic information which is te. brought by the mitochondrial DNA, whi- Which relaible tracers record the Ursid thin its application chronological limits. evolution and their phyletic links ? They are the only ones able to give this The greatest importance has been kind of essential information to phylo- given up till now to dental studies. It geny. They should be carefully considered seems to me that we must go beyond that and always controlled by paleontological stage and use all the avalable recorded data. information : metapods, carpus, tarsus... The question is so wide that a large Fortunetly, they have been used more collaboration is needed, on equal footing often for some years. and with mutual respect between the Which new means are our disposal ? teams dealing with Ursids. - First, improvements of dating physi- As a discussion basis, I propose the cal methods. They are more numerous and following phyletic tree (figure 3) which performing for the ancient periods and includes the current information of the some of them are more and more reliable. mitochondrial DNA (LOREILLE, et al. - Then, all the paleoclimatic and paleo 2001). The genetic distances suggest a CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) The Cave Bears ancestors 345 346 ARGANT, A. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Figure 3 : phyletic tree proposed for discussion CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) The Cave Bears ancestors 347 divergence between U. spelaeus and U. arc - cussion group, which could be called tos between 1.2 et 1.6 million years, prior "URSID", should set up on the Internet. to the divergence of the two Eastern and Then, more structured and official consul- Western lineages of U. arctos (TABERLET tations should follow on the interest and & BOUVET, 1994). This allows us to rule the results. But, please, at first, contact out the model of diagram 2 and reinforce REFERENCES RABEDER, G. (1990). Über die Auffindung und Bedentung der Conturineshöhle. Ladinia, San ARGANT, A. (1995). Un essai de biochronologie à Martin de Tor, XIV: 5-20. partir de l'évolution dentaire de l'ours des RABEDER, G. (1992). Das Evolutionsniveau des cavernes. Datation du site de la Balme à Höhlenbären aus dem Nixloch bei Losenstein- Collomb (Entremont-le-Vieux, Savoie, France). Ternberg (O.O.). Mitt. Komm. 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Key words: species, species concept, chronospecies, cave bear phylogeny Instituto Universitario de Xeoloxía Isidro Parga Pondal. Facultade de Ciencias. Campus da Zapateira s/n. University of A Coruña. E-15071. A Coruña. Galicia. Spain. ([email protected]) 350 VILA TABOADA & GRANDAL d’ANGLADE CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) INTRODUCTION of generation, produce other forms, but always similar to themselves: thus, there It is well know the complexity of usual are as many forms as number of structures phylogenetic disussions in living groups before present. such as Ursidae (panda, polar bear...). But, The Linnaean species concept was that when fossil taxa are involved, the problem species were static entities of fixed charac- remains in the very concept of species. teristics which defined them as being part It should be wondered whether the of a group. He did not explicitly define concept of species comes from an empiric "species". Indeed, there is some conflation reality or if it has arisen from the scienti- between the Linnaean category "genus" fic need of sorting out organisms. The and what we consider a "species" or a spe- evolutive concept of speciation, as well as cies taxon today. its "methods" seem to be based in the term population. Hence, as meaningful discus- sions on speciation require a common Lamarck (1802) definition of its end result, namely spe- Species is every collection of similar cies, a solution to the tricky issue of defi- individuals which the process of genera- ning species probably lies in a deeper kno- tion perpetuates within the same stage. wledge of the processes behind speciation Thus, the circumstances of their situation itself (ÖDEEN 1996). do not change enough as to vary their cos- tumes, habits or form. HISTORICAL EVOLUTION OF THE Darwin (1859) SPECIES CONCEPT It s absolutely undefined the number of differences considered as necessary in Aristotle (384-322 BC) order to give the category of "species" to two forms (...) I just consider the species An animal, an individual, cannot be concept as something arbitrarely used for eternal, because the reality of every being a group of individuals with strong simila- is found in its characters... which is speci- rities, but this concept do not differ of the fic (eidei). And thus, it always exists a variety term which is given to less diffe- genus (génos) for humans, for animals, for rent and variable forms. plants. Ernst Mayr (1942) Linneaus (1751) Species are groups of actually (or There are many species which the potentially) interbreeding natural popula- Supreme Being has created with a lot of tions which are reproductively isolated different forms. They, following the laws from other such groups. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) The problem of the species concept 351 Theodosius Dobzhansky (1935). and-fast definition, for since most evolu- Dynamic nature of the species con- tion is a gradual process, borderline cases cept must occur. And in the second place, we must not expect a single or a simple basis Species is a stage of evolutionary pro- for definition, since species arise in many cess at which the once actually or poten- different ways. tially interbreeding array of forms beco- mes segregated in two or more separate arrays which are physiologically incapable Smith (1994) of interbreeding. Species are distinguished on phenetic differences, be they morphological, Huxley (1942) physiological , biochemical, or genetic. All characters that very among the speci- In general, it is becoming clear that we mens under study are scored and a taxon- must use a combination of several criteria character matrix constructed. This matrix in defining species. Some of these are of is the subjected to multivariate analysis in limiting nature. For instance, infertility order to identify discrete clusters of indi- between groups of obviously distinct viduals based on total morphological mean type is a proof that they are distinct variation. The smallest clusters recognisa- species, although once more the converse ble then are a species. is not true. Thus, in most cases, a group can be distinguished as a species on the basis of the following points: DIFFERENCES AMONG THE 1.- a geographical are consonant with a CURRENT SPECIES CONCEPTS single origin 2.- a certain degree of constant mor- phological and presumedly genetic diffe- Biologic rence from related groups The Biologic Species Concept (BSC) 3.- absence of intergradation with rela- has undergone a number of changes over ted groups the years. Du Rietz defined it (1930) as: In most cases a species can thus be the smallest natural populations permanently regarded as a geographically definable separated from each other by a distinct discon - group, whose members actually interbre- tinuity in the series of biotypes. Barriers to ed or are potentially capable of interbree- interbreeding are implicit in this defini- ding in nature, which normally in nature tion. Some years later, Dobzhansky defi- does not interbreed freely or with full fer- ned a species as we have seen above, but tility with related groups, and is distin- later (1951) he relaxed this definition to guished from them by constant morpholo- the point that is substantially agreed with gical differences. Thus, we must not Mayr’s (1942), which is the accepted BSC. expect too much of the term species. In Strengths: fits within population gene- the first place, we must not expect a hard- tics. Gives an unambiguous empirical cri- 352 VILA TABOADA & GRANDAL d’ANGLADE CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) teria. It provides an important conceptual Complements the biological species framework for speciation concept Weaknesses: Only really applicable to Mate recognition can be more easily the present (paleobiological work on evo- determined than ability to breed (espe- lution cannot use this concept). Doesn’t cially in non-living species) apply to asexual organisms (it is less use- We a k n e s s e s: Isolation mechanisms, ful in botany). No evolutionary dimension which lead to speciation are more difficult to conceptualise. No evolutionary dimen- Phenetic sion Cronquist (1988) proposed an alterna- Ecological tive to the BSC that he called a renewed practical species definition: "the smallest Strengths: it corresponds to the fin- groups that are consistently and persis- dings of a considerable body of ecological tently distinct and distinguishable by research which suggests that species ordinary means". occupy "adaptative" zones which are deter- Strengths: is in fact the way we recog- mined and reinforced by the resources nize species differences. Works well for exploited an the habitats occupied sexual and asexual organisms. Applies Weaknesses: Is only loosely connected well to past species. to genetics Is rigidly tied to ecological Weaknesses: does not connect with niches determining species (consider that genetics. even in different life stages an organism Comments: the requirement that spe- will occupy different niches). Perhaps the cies be persistently distinct implies a cer- best that can be said is that ecological pro- tain degree of reproductive continuity. cesses influence phenetic and genetic This is because phenetic discontinuity aspects of species. Has no evolutionary between groups cannot persist in the dimension. absence of a barrier to interbreeding. This definition places a heavy, though not Cladistic/Phylogenetic exclusive, emphasis on morphological characters. It also recognizes phenetic cha- There are several definitions. All of racters such as chromosome number, chro- them assert that classifications should mosome morphology, cell ultrastructure, reflect the best supported hypotheses of secondary metabolites, habitats and other the phylogeny of the organisms. There are features. two types of phylogenetic species con- cepts: Recognition 1.- A species is the smallest cluster of organisms that possesses at least one diag- S t r e n g t h s: Fits within population nostic character. This character may be genetics (it is based on reproduction). morphological, biochemical or molecular and must be fixed in reproductively cohe- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) The problem of the species concept 353 sive units. it is important to realise that to explain evolution on all taxonomic this reproductive continuity is not used in levels. But to "pluralists" like S.J. Gould the same way as in the BSC. Phylogenetic crossing the level of species requires the species may be reproductive communities. postulate of a different process: macroevo- Reproductively compatible individuals lution. Macroevolution, as Gould sees it, need not have the diagnostic character of a is signified by large and sudden change, species. In this case, the individual need greater than what would be expected from not be conspecific. allopatric divergence alone (Ö D E E N, 2.- A species must be monophyletic 1996) and share on or more derived character. It should be reminded, no matter the There are two meanings to monophyletic: mode of speciation, the four forces which the first defines monophyletic group as all lead evolution: m u t a t i o n, m i g r a t i o n, the descendants of a common ancestor and selection and genetic drift. All of them, the ancestor. The second defines a are finally reduced or constraint by the monophyletic group as a group of orga- first one: mutation, its different rates and nisms that are more closely related to each its relationship with the other. other than to any other organism. Mechanisms that prevent gene exchan- Strengths: A clear evolutionary dimen- ge have been broadly termed i s o l a t i n g sion. Establishing phylogenies and, hence mechanisms. Some authors include in this branching points uses micro (e.g. DNA) category all factors that prevent gene and macro characteristics. It is the richest exchange, even geographical and spatial concept in palaeontological studies. isolation. Such geographically separated, Weaknesses: Only a very small number or allopatric, populations, obviously do of lineages have been uncovered given the not have the opportunity for gene exchan- detail required for this approach. ge, and it has been debated whether, given Disconnected from population genetics the opportunity, many of them would remain reproductively isolated. Another SPECIATION PROCESS question related to allopatry is the specia- tion due to founder effect (originated from Speciation is a special case in the evo- only a few coloniser individuals) and bot - lution of biological diversity. tleneck (group which has been substantially Traditionally, we know evolution as the diminished in size). Other authors have process where new forms of life are shaped therefore proposed that the term isolating through selective screening of biological mechanisms be restricted to those that variation, is this a real concept ? How does prevent gene exchange among populations speciation modify taxa ? Is it done by in the same geographic locality, that is, small, almost unnoticeable steps, ofter mechanisms that isolate sympatric popu- caller "missing links", as envisioned by lations. The latter have been classified by gradualists ? or is evolution less gradualis- Mayr into two categories: i) before fertili- tic ? To the modern synthesis it is natural zation (premating), as seasonal or habitat to extrapolate microevolutionary change isolation, behavioural or sexual isolation 354 VILA TABOADA & GRANDAL d’ANGLADE CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) and mechanical isolation. ii) after fertiliza- Evolutionary changes may occur in tion (p o s t m a t i n g) as gametic mortality, species even if a speciation event (split) zygotic mortality or hybrid inviability does not occur. This kind of categorization and hybrid sterility (STRICKBERGER, results in naming chronospecies. Unlike 1990). biological species, chronospecies are arbi- The rate at which new taxa form is dif- trary divisions of a single evolutionary ficult to determine, as evolutionary rates lineage, defined on the basis of morpholo- differ even within phylogenetic groups. gical change (figure 2). These inconsistencies probably relate to Although the criteria used to delimit variations in selection pressures on the chronospecies boundaries are not descri- population at different times. Whether or bed in his formal definition, Simpson sug- not microevolutionary forces inducing gests that morphologic differences betwe- change within species are identical to en species should be at least as large as macroevolutionary forces generating new those between living species of the same species is a matter of contention taxonomic group. In our example, those (STRICKBERGER, 1990). differences should be similar to these found between the living representants of FOSSILS, URSIDS AND FOSSIL the genus Ursus (U. arctos, U. americanus, URSIDS U. maritimus...) But what are, in the cave bears, these For the Paleontology, the presence of morphological differences? Sometimes the the time dimension makes it impossible difference between U. deningeri and U. spe - to apply the commonly accepted biologi- laeus is defined by the variation of some cal species concept. Thus, the continuous features, like the progressive Evolutionary Species Concept (ESC) was reinforcement and doming of the skull defined by Simpson as "a single lineage of and the jaw, or discrete ones, like the loss a n c e s t o r-descendant populations which of the three anterior upper and lower pre- maintains its identity from other such molars. lineages and which has its own evolutio- Continuous features are often difficult nary tendencies and historical fate" to be used as taxonomic character. The (SIMPSON, 1961). variability of size and morphology is a As fossil material carries the dimension constant in U. spelaeus and U. deningeri, of time, it often shows sequences of species even into the same population. This that are obviously related to one another, intraspecific variability is increased due to that follow one another in time, and are sex dimorphism or the existence of dwarf generally interpreted as evolutionary line- forms, like in high alpine populations. ages. Thus, according KURTÉN (figure Moreover, some sites from the Middle 1) it is no doubt that Ursus savini-Ursus Pleistocene show intermediate forms betwe- deningeri-Ursus spelaeus form a sequence of en both species, whatever it means evolutionary descent as well as a sequence (A LT U N A, 1972; RABEDER & of related species in time. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) The problem of the species concept 355 Figure 1. Phylogeny of Ursids. Adapted from KURTÉN (1976). There is a clear difference betwe- en U. deningeri and U. spelaeus. Figure 2. Rapid and large morphological chan- ges in a single evolving lineage may lead to define different species (a and b) in successive geological intervals, wich are called chronospe- cies. The boundary between a and b is often subjective, but in any case it should be well defined. 356 VILA TABOADA & GRANDAL d’ANGLADE CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Figure 3. Phylogeny of Ursids. Adapted from MAZZA & RUSTIONI (1994). U. deningeri and U. spelaeus are considered as a same group. T S O U K A L A, 1990; A R G A N T, 1991, those based on a large number of samples. AUGUSTE, 1992). There is a lack of such studies that should The discrete features could be more be solved. But, despite of many paleonto- conclusive. But the study of the jaws of logists still consider both bears as separa- the Savini’s bear from Bacton reveals the ted species, there are other well documen- lack of the first, second and third premo- ted papers on Ursidae phylogeny that con- lar as a general feature. And concerning U. sider both bears as the same "group", i.e., deningeri, even some Mosbach’s skulls and the same species (MAZZA & RUSTIONI, jaws present a long diastema with no ante- 1994) as is shown in figure 3. rior premolars. These ones are seldom pre- Taking into account the definition of sent and, when present, the percent varies chronospecies, it is clear that only the from one population to another. morphological differences between two There is no doubt that the only reliable groups from a single lineage are conclu- studies on Cave Bear phylogeny would be ding for establish two different species. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) The problem of the species concept 357 The stratigraphic position of the bone basis, it is not possible, at present time, to remains gives not enough evidence to afirm that U. spelaeus and U. deningeri are make a separation. Moreover, the morpho- different species. Even KURTÉN (1976) logical change must be cuantified. In this left room for some doubt on this issue. 358 VILA TABOADA & GRANDAL d’ANGLADE CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) REFERENCES L’espèce: définitions d’auteurs. C. R. Acad. Sci. Paris, Sciences de la vie 323: 153-165. ALTUNA, J. (1972). Fauna de mamíferos de los MAZZA, P. & RUSTIONI, M. (1994). On the yacimientos prehistóricos de Guipúzcoa. phylogeny of Eurasian bears. Palaeontographica Munibe, 24: 1-461 Abt. A, 230 (1-3): 1-38. ARGANT, A. (1991). Carnivores quaternaires de ÖDEEN, A. (1996). Hybrid zones and speciation by Bourgogne. Docum. Lab. Geol. Lyon, 115: 1-301. reinforcement. Introductory Research Essay 65. AUGUSTE, P. (1992). Etude archeozoologique des Uppsala. 37 pp. grands mammiferes du site Pleistocene Moyen RABEDER, G. & TSOUKALA, E. (1990). de Biache-Saint vaast (Pas-de-Calais, France): Morphodynamic analysis of some cave bear apports biostratigraphiques et paleoethnogra- teeth from Petralona cave (Chalkidiki, North phiques. L’Antropologie, 96: 49-70 Greece). Beitr. Paläont. Österreich, 16: 103-109 KURTÉN, B. (1976). The Cave Bear Story. Life and S I M P S O N, G.G. (1961) Principles of Animal Death of a Vanished Animal. New Yo r k : Ta x o n o m y. New York: Columbia University Columbia University Press. Press. 247 pp. LHERMINER, P. & SOLIGNAC, M. (2000). S T R I C K B E R G E R, M.W. (1990). E v o l u t i o n. Boston: Jones & Bartlett Pub. 579 pp. Cadernos Lab. Xeolóxico de Laxe ISSN: 0213-4497 Coruña. 2001. Vol. 26, pp. 359-364 Phylogenetic Problems of the Alpine Cave- Bears Problemas filogenéticos de los Osos de las Cavernas Alpinos RABEDER, G. & NAGEL, D. AB S T R A C T The metric and morphological characteristics of 23 alpine cave bear fauna are been stu- died and compared with the normal lowland form. The phylogenetic conclusions are drawn: 3 new subspecies? Key words: Alpine cave bears, phylogeny, taxonomy Institute of Paleontology, University of Vienna, Althanstraße 14, A-1090, Vienna, AUSTRIA 360 RABEDER & NAGEL CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) INTRODUCTION The difference is even less when it comes to body mass. Large quantities of fossil teeth and bones have been found in caves throug- hout Europe. They belong to the so-called METHOD AND RESULTS cave-bear. These animals probably used The shifting of morphological features caves as hibernation places, which would during a geological time-period is an evo- explain the mass occurrences of skeletal lutionary process. The so-called remains. More than 30 cave sites are Morphodynamic method quantifies this known in Austria alone and some of these process. On the fourth premolar, for exam- caves are situated at an altitude of 2.000m ple, the increase of cusps per tooth and the or more. enlarging of the occlusal surfaces – suited The rapid evolution from the Middle to grinding functions – is an adaptation to Pleistocene Deninger bear, U. deningeri, to a more herbivorous way of live. The com- the more recent cave bear, U. spelaeus, was parison of the evolutionary level of the the central focus of many publications fourth upper and lower p4 results in a (e.g. EHRENBERG, MOTTL, KUR- P4/4-Index. In diagrams, the P4/4 –Index TEN, MUSIL, etc.). This evolution from versus the standardised dimensions of an omnivorous ancestor to a herbivorous teeth - e.g. mean value of length of m1 cave bear took less than 150.000 years. (figure 1) or m3 (figure 2) in percent to Radiocarbon and uranium-series dates Gamssulzen standard (RABEDER, 1999) constrain these palaeontological results. - results in five units. They are characteri- This evolutionary speed is only challenged sed in a provisional taxonomic frame as by micromammals. follows (figure 3): The high alpine cave bears remains are smaller in size than the comparable ones U. deningeri d e n i n g e r o i d e s M O T T L , found in lowland sites. This was the rea- Repolusthöhle son that EHRENBERG (1926) addressed A small form of U. deningeri. The fauna them as" high alpine small form" from the Repolust cave is presently deter- (Schreiberwand-Höhle: 2200m and mined as "late Middle Pleistocene" becau- Salzofen: 2005m), which lead to a contro- se of uncertain Uranium-Thorium data. versially discussion. The existence of such a small form was U. deningeri n.ssp., Conturineshöhle very much doubted by some scientists. A small high alpine cave bear, combi- They suspected a dominance of females ning features from the Deninger bear with over males in these caves which would typical U. spelaeus characteristics. U. denin - give the impression of a "small form" – not geri features are P3, length of m3, metapo- a dwarf form! Cave bears had an obvious dials; U. spelaeus feature is the spelaeoid accentuated sexual dimorphism, in which P4/4-index, higher then in Early females were about 15 % smaller than Würmian U. spelaeus-faunas. The separa- males, based on the comparison of canines. tion probably occurred during the denin- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Phylogenetic problems of the Alpine Cave-Bears 361 Figure 1. Scatter diagramm of m1 length (in percent to mean m1 length from Gamssulzen cave) versus p4/4 index. Figure 2. Scatter diagramm of m3 length (in percent to mean m3 length of Gamssulzen) versus p4/4-index. 362 RABEDER & NAGEL CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Figure 3. Proposed phylogeny of the Alpine cave bear group. geri-level. The Conturines bears are dated indicated by the present taxonomic kno- into the Middle Würm. A connection wledge. with U. d. deningeroides is possible. If the cave bear remains from the U. spelaeus n.ssp., Ramesch-cave Schreiberwandhöhle, Brettsteinhöhle and The evolutionary level of these bears is Chilchi-Höhle belong to this new species the result of a regressive evolution. This is cannot be answered yet. the conclusion from many data of the two- meter high profile in the Ramesch- The "Drachenloch-bears" Knochenhöhle. Bears from high alpine caves of the From approximately 35.000 years on, western part of Switzerland (Drachenloch, both mean size and morphodynamic indi- Wildkirchli, Sulzfluh) show morphologi- ces of the premolars declined in the upper cal results as the "normal" cave bear. They parts of the Ramesch profile. A possible are from the Riss-Würm or Early Würm, reason was a change to colder climate. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Phylogenetic problems of the Alpine Cave-Bears 363 U. spelaeus n.ssp., Gamssulzenhöhle lower altitude with such a high evolutio- Large cave bears of a high evolutionary nary level were not described yet. level immigrated into the alpine region between 38.000 and 35.000 years before We hope to get new insights into the present. They didn’t mix with the U. spe - very complex taxonomy of the alpine cave laeus n.ssp. from the Ramesch-cave living bears by investigating the postcranial ske- in the same area. This bear is known only letons more thoroughly and by including from alpine caves of the East Alps cave bear DNA data, currently under (Gamssulzenhöhle, Potocka, Mokriska) investigation by the ancient DNA group and West Alps (Schnurenloch). Bears of of the Max-Planck society. 364 RABEDER & NAGEL CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) REFERENCES Südostösterreich. Mitt. Mus. Bergbau, Geol. Tech. 15, Graz. EHRENBERG, K. (1992). Die Ergenbnisse der MUSIL, R. (1980/81): Ursus spelaeus, der Ausgrabungen in der Schreiberwandhöhle am Höhlenbär. Weimarer Monogr. Ur- und Frühgesch. Dachstein. Paläont. Z., 11 (3): 261-268, Berlin. 2, 1-3, Weimar. K U RTEN, B. (1958): Life and death of the R A B E D E R, G. (1999). Die Evolution des Pleistocene cave bear. – Acta Zool. Fennica, 95: Höhlenbärengebisses. Mitt. Komm. 1-59, Heslinki. Quartärforsch. Österr. Akad. Wiss. 11: 1-102, MOTTL, M. (1964). Bärenphylogenese in Wien. Cadernos Lab. Xeolóxico de Laxe ISSN: 0213-4497 Coruña. 2001. Vol. 26, pp. 365-371 The Evolution of Metapodial Bones in the Cave Bear Group and its biostratigraphical Implications La evolución de los metápodos en el grupo del Oso de las Cavernas y sus implicaciones bioestratigráficas WITHALM, G. AB S T R A C T A short description of the methods is followed by some central results obtained from the analyses of metapodial bones in the cave bear group from sites in Austria and Italy. The evolution of metapodials shows, in general, a tendency towards increasing plumpness, and backs the results obtained from the morphodynamic analyses of the teeth. Key words: evolution, metapodials, Ursus spelaeus, Ursus deningeri Institute of Paleontology, University of Vienna, Althanstraße 14, A-1090, Vienna, AUSTRIA 366 WITHALM, G. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) INTRODUCTION Since the work done by TORRES (1988) and KUNST (1989) there was not too much attention drawn to the metapo- dial bones of Ursus spelaeus and its prede- cessor, Ursus deningeri. Torres tried to provide a range of cha- racters to differentiate U. spelaeus from U. deningeri and U. arctos as well as a general description and comparison of the skeletal elements of these animals, collected in sites from Spain. Kunst tried to use the metapodial bones to exemplify differences between several cave bear sites of Austria. RESULTS The current investigation is aimed at the evolutionary changes of the metapo- Figure 1. Measurements taken from metapo- dial bones throughout time by means of dials. Graphics: from TORRES (1988), altered. morphometrics. Therefore eight different measurements were taken and five indices were calculated from 4459 metapodial bones from U. spelaeus and U. deningeri Herdengel cave, Windener Bärenhöhle from eight different sites in Austria and and Gamssulzen cave. Italy. Basic statistical analysis was carried The measurements are: proximal out on this data set to see wether there is width and depth, smallest diaphyseal a possibility to sex a population or not, for width and depth, distal width and depth, comparison with the results from distal epicondyleal width and greatest OSWALD (1999). The obtained results length. The indices are: proximal area, are totally inhomogenous and so it is not smallest diaphyseal area, distal area, index possible to sex a cave bear fauna by means of robustness and K–index, the latter of metapodials. Further investigation sho- according to GUZVICA & RADANO- wed that there is a correlation between the VIC–GUZVICA (2000). index of robustness, the K–Index and the The sites from Austria and Italy are: smallest diaphyseal area and the stratigra- Hundsheimer Spalte, Repolust cave, phic position of the site. Therefore it is Schwabenreith cave, Ramesch cave, not only possible to predict the age of a Conturines cave (Southern Ty r o l ) , cave bear population by analysing the evo- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) The evolution of metapodial bones 367 Figure 2. Map showing the distribution of the sites in Austria and Italy. lutionary level of the teeth, but also by the cave bears. At first this material was divi- analysis of the metapodial bones. ded into two parts corresponding to the Special attention was drawn to the strata and the result was astonishing. In analysis of the material from Ramesch contradiction to the results obtained from cave (Upper Austria), because of the long the other sites, that is a trend towards period of time this cave was inhabited by plumper metapodial bones with a gro- Figure 3. Development of metacarpus (left) and metatarsus (right). Please note the astonishing dif- ference between the populations from Hundsheimer Spalte and Repolust cave as well as the decli- ne towards Conturines cave. Abbreviations: HH- Hundsheimer Spalte, RE- Repolust cave, SW- Schwabenreith cave, CU- Conturines cave (Southern Tyrol, Italy), HD- Herdengel cave, RK- Ramesch cave, WI- Windener Barenhöehle, GS- Gamssulzen cave. 368 WITHALM, G. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) wing smallest diaphyseal area, there was a of the bears from Conturines cave, follo- decline in the mean of the evolutionary wed by those from Herdengel cave in level in the upper part of the profile for Lower Austria. Despite their age these most of the metapodial bones. This decli- bears are plumper than one would expect. ne in dimensions is a phenomenon, which The high position of the Herdengel cave is was discovered first by RABEDER (pers. an artefact, which is based upon the pre- comm.) when he analysed the evolution of dominance of young bears in the profile, the teeth from the profile of the Ramesch i.e. there are much more metapodial bones cave in relation to the strata. Now it beco- from the upper parts of the profile and the mes more and more evident, that this problem that there are not enough meta- trend is not only visible in the evolution of podial bones to split the material. Here it the teeth, but also in the evolution of is clearly visible that plumpness is the hands and feet of this cave bear popula- speciality of the Conturines bear whereas tion. We assume that the reason therefore the dimensions show a significant decline. is a climatic change towards colder condi- Figure 5 shows that there is neither an tions. This reversion of the normal trend obvious nor a hidden correlation between towards bigger and plumper bears implies average of the index of plumpness and the some problems, especially for the predic- altitude of the site, what could have been tion of geological age. But it seems not to a plausible assumption as well. be a general trend even if there seems to be Another interesting fact is the big dif- a similar trend in the profile of the ference between the bears from the Herdengel cave but this can be due to a Hundsheimer Spalte (Lower Austria) and lack of material. those of the Repolust cave in Styria. For In figure 4, left diagram, there is a very stratigraphic and skeletal features the interesting peak representing the position bears from the Hundsheimer Spalte are Figure 4. The left diagram shows the development of the overall index of plumpness. The right diagram shows the development of the smallest diaphyseal area. Abbreviations: HH- Hundsheimer Spalte, RE- Repolust cave, SW- Schwabenreith cave, CU- Conturines cave (Southern Tyrol, Italy), HD- Herdengel cave, RK- Ramesch cave, WI- Windener Barenhöehle, GS- Gamssulzen cave. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) The evolution of metapodial bones 369 Figure 5. Index of plumpness versus altitude of site, left and index of plumpness and sex, right. This diagram shows that there is obviously no correlation between the mean index of plumpness of a cave- or deninger bear population and the altitude of the site. There is no correlation betwe- en the index of plumpness and sex too. known as U. deningeri, but they do have to the species U. deningeri it should be nearly spelaeoid dimensions, and, in some used for the same purpose. But now it will cases, they become even bigger than nor- be Ursus deningeri "deningeroides" mal cave bears do. The dimensions of the Furthermore, a really tiny metatarsal 5 bears from the Hundsheimer Spalte differ was found in the material of the from the deninger-bears from Hundsheimer Spalte, which fits perfectly Repolusthöhle (Styria) in a range from 6 well into the range of robustness of Ursus % until 16,6 % ! These differences could arctos. But it is not only the plumpness, be sufficient to define a new species. The which is responsible for the difference to really small deninger bears from the those of the cave bear, it is also the mor- Repolust cave are so different, that it phology, showing all the features of a seems to be more correct to separate this modern brown bear. In respect to the age form the other deninger bears on the subs- of this site the metapodial in question is pecies level. I would like to suggest the described as Ursus cf. arctos, which is new usage of the old terminus "deningeroides", to the faunal list of this site as well as for which was introduced into literature by the Lower Pleistocene. Maria MOTTL (1947). She used this term Another very interesting cave is the to mark the peculiarities of this bear from Windener Baerenhöhle. There were two which she believed that it was a cave bear. different species of bears found: a big cave Now that it is clear that this bear belongs bear and a very big brown bear. These 370 WITHALM, G. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) bears do not differ in greatest length of the plumpness. We should take into account metapodial bones but in robustness and in the smaller dimensions of these animals in some morphological details of the diaphy- addition to their dental status and we have sis. The brown bear was determined by a combination that makes this bear uni- THENIUS (1956) and its name is U. arc - que. There is no doubt, that further inves- tos priscus. It inhabited this cave about 17 tigation in the Conturines bear will bring ky and was thus much younger than the more interesting results. In future it could cave bears. Further investigations, inclu- be possible to separate this bear taxonomi- ding new 14C-datings and DNA-Analyses cally as a new, persisting subspecies of U. will shed some more light on this big deningeri. See also RABEDER & NAGEL brown bear. (this volume). And last but not least there is the pro- blem of the bears from Conturines cave (Southern Tyrol, Italy) showing characters CONCLUSIONS from U. spelaeus as well as from U. deninge - ri. The peculiarities of these bears are the The analysis of metapodial bones is significantly plumper and, in relation to another method to determine the age of a the rest of the body, bigger feet, in combi- cave bear population in a biostratigraphic nation with the well developed teeth and way and might also shed some light on a relatively common P3 (> 25 %). some yet unsolved taxonomical problems Especially the metacarpal 1 and the meta- with diverging forms within the cave bear tarsal 1 show a tendency towards increased group. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) The evolution of metapodial bones 371 REFERENCES Diplomarbeit, 51 S., Formal- und Naturwiss. Fakultät, Universität Wien. KUNST, G. K. (1992). Hoch- und spätglaziale RABEDER, G. (1999). Die Evolution des Großsäugerreste aus dem Nixloch bei Höhlenbärengebisses. Mitt. Komm. L o s e n s t e i n - Te r n b e rg (O.Ö.). Mitt. Komm. Quartärforsch., 11: 1-102, Wien. Quartärforsch., 8: 83-127, Wien, RABEDER, G & NAGEL, D. (2001). Phylogeny GUZVICA, G. & RADANOVIC–GUZVICA, B. and new taxonomy of Alpine cave bears. This (2000). Comparative-–evolutional Analyses of volume. Cave Bear Metapodial Bones from North- THENIUS, E., (1956). Zur Kenntnis der fossilen Western Croatia. Geol. zbor., 1 5: 17-19, Braunbären (Ursidae, Mammalia). Anz. Österr. Ljubljana. Akad. Wiss., math.-naturw. Kl., Abt. I, 165: 153- MOTTL, M. (1947). Die Repolusthöhle, eine 172, Wien. Protoaurignacienstation bei Peggau in der TORRES PEREZ-HIDALGO, T. de, (1988). Osos Steiermark. Verh. Geol. Bundesanst ., 1947: 200- (Mammalia, Carnivora, Ursidae) del 205, Wien. Pleistoceno de la Peninsula Ibérica. B o l e t í n OSWALD, J. (1999). Geschlechtsdimorphismen an den Geológico y Minero, X C I X / I – V I : 1 - 3 1 6 , Eckzähnen von Höhlenbären. Unpubl. Instituto Geológico y Minero de España, Madrid. Cadernos Lab. Xeolóxico de Laxe ISSN: 0213-4497 Coruña. 2001. Vol. 26, pp. 373-398 Pleistocene small cave bear (Ursus rossicus) from the South Siberia, Russia Un pequeño Oso de las Cavernas (Ursus rossicus) del Sur de Siberia, Rusia BARYSHNIKOV, G.1, FORONOVA, I.2 AB S T R A C T The skull, mandibles and cheek teeth of U. rossicus from four localities of the South Siberia are examined. This species inhabited the steppe regions in early Middle and Late Pleistocene. By odontological characters it is more close to U. r. rossicus from Krasnodar, than to U. rossicus uralensis from Kizel Cave in Ural. Discriminant analysis, based on measurements of lower cheek teeth of the cave bears from seven sites of Europe and Siberia, demonstrated that U. rossicus most resembles morphometrically U. savini. As a result of cladistic analysis employed 17 characters of skull, limb bones, and dentition, the phylogenetic tree has been obtained for 7 species of the genus Ur s u s . A four species of the cave bears are included in the subgenus Spelearctos: U. savini, U. rossicus, U. denin - geri and U. spelaeus. Key words: cave bears, Ur s u s , Siberia, Pleistocene, evolution (1) Zoological Institute, Russian Academy of Sciences, Universitetskaya naberezhnaya 1, 199034 St. Petersburg, Russia; e-mail: [email protected] (2) Institute of Geology, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, pr. Akad. Koptiuga 3, 630090 Novosibirsk, Russia; e-mail: [email protected] 374 BARYSHNIKOV & FORONOVA CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) INTRODUCTION V E R E S H C H A G I N & T I K H O N O V, 1994; BA RY S H N I K O V , 1995). These Small cave bear Ursus rossicus Borissiak, findings are also associated with the zones 1930 has been widely distributed in of spreading of the Pleistocene grass com- Northern Eurasia in the Middle and Late munities. Pleistocene. In East Europe this species ALEXEEVA (1980), who gave brief was found in the south of Ukraine, characteristics of U. rossicus from Krasnyi Northern Caucasus, Lower Volga River, Ya r, came to the conclusion that the Bolshoi Irgiz River basin, Ural River and Siberian bear had been more specialized to in foothills of Ural Mountains consume plants than other geographic (BORISSIAK, 1932, VERESHCHAGIN races. In the later paper she (ALEXEEVA, 1959, 1982, K U Z M I N A, 1975, 1996) proposed a new subspecies name U. BARYSHNIKOV et al., 1991). It is also rossicus obensis, but did not give a diagno- known from the plain areas of Kazakhstan sis and did not designate the type, which (KOJAMKULOVA, 1969). Two subspe- makes this name not acceptible according cies were distinguished: U. r. rossicus from to the Code of Zoological nomenclature. Northern Caucasus (Krasnodar), Lower Vereshchagin & Tikhonov (1994) gave the Volga (Kopanovka) and adjacent plains, map of findings of the small cave bear in and U. r. uralensis Vereshchagin, 1973 Siberia. FORONOVA (1999, in press) from Kizel Cave and other cave localities published the photographs and brief mor- of Middle and South Ural. The geography phological description of mandibles of U. of fossil findings points out that the small rossicus from Kuzbass localities. The com- cave bear was mainly a dweller of open plete morphological analysis of the herbaceous areas including the steppe Siberian material is still absent. ones. It did not evidently penetrate to This paper presents the first detailed West Europe where its remains are not description of skull fragments and teeth of recorded. the small cave bear from the collection of In Siberia, N. Vereshchagin first iden- Zoological Institute Russian Academy of tified U . r o s s i c u s by os penis from Sciences in Saint Petersburg (ZIN) and Strashnaya Cave in Altai Institute of Geology (IG), and Institute of (OKLADNIKOV et al., 1973). It was elu- Archaeology and Ethnography (IAE), cidated later that small cave bear was dis- Siberian Branch of Russian Academy of tributed over the whole of South Siberia. Sciences in Novosibirsk. It was recorded at Irtysh River (Omsk Region), Ob River (Krasnyi Yar), Altai Mountains (Strashnaya Cave, Denisova MATERIAL AND METHODS Cave), Kuznetsk Basin (Bachatsk and The material studied contains the skull Mochovsky quarries), Yenisei River fragment (ZIN 32748) and the right man- (Kurtak) and in Transbaikalia (Tologoi on dible (ZIN 35075) from Krasnyi Yar in Selenga River) (A L E X E E VA, 1980; Tomsk Province, the right mandible (IG F O R O N O VA , 1982, 1999; 328) from Bachatsk quarry (figure 1) and CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Pleistocene small cave Bear 375 Figure 1. Right mandible of Ursus rossicus from Bachatsk quarry, IG 328. Lateral view. the left mandible (IG 10128) from and University of Helsinki), and from the Mokhovo quarry (figure 2) in Kemerovo Secrets Cave, Ural Mountain (our data). Province, 19 mandible fragments (IAE For the cranial characters analysis, we 36, 63, 81, 88, 89, 93, 122, 171, 235, examined also skulls of recent U. arctos L. 330, 331, 455 et al.) from Berezhekovo, and U. maritimus Phipps from ZIN collec- Kurtak archeological region, Krasnoyarsk tion. We used the information on U. etrus - Territory (figure 3, 4), and also several iso- cus G.Cuvier published by MAZZA & lated check teeth and limb bones from RUSTIONI (1992). Additional data on these localities. We have also used the cave bear was obtained from Andrews photograph of the skull from Kurtak, (1922), BORISSIAK (1932), RABEDER kindly provided by Dr. Nikolai Ovodov (1983), RABEDER & TSOUKALA (Novosibirsk). (1990), M A Z Z A et al. (1995), The material examined was compared Baryshnikov (1998), VERESHCHAGIN with the collections of Ursus savini & BARYSHNIKOV (in press). Andrews from Bacton Forest Bed and U. In the mode of measurements for skull deningeri von Reichenau from Westbury and mandible we follow von den Quarry Cave, England (Natural History DRIESCH (1976). Cheek teeth were mea- Museum, London) and Kudaro 1 Cave, sured following B A RY S H N I K O V Caucasus (ZIN), U. rossicus uralensis from (1998). Dimensions were taken with dial Kizel Cave, Ural (ZIN), U. spelaeus calipers with accuracy up to 0.1 mm. The Rosemüller from Arcy-sur-Cure, France data were processed by Factor Analysis, (Laboratoire díEthnologie prehistorique, Cluster Analysis and Discriminant Nanterre), from Odessa, Ukraine (ZIN Analysis from STATISTICA, 6.0. In 376 BARYSHNIKOV & FORONOVA CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Figure 2. Left mandible of Ursus rossicus from Mokhovo quarry, IG 10128. Lateral view. Figure 3. Fragment of right mandible Ursus rossicus from Berezhekovo 4, IAE 171. Occlusal view. Discriminant Analysis, we used the for- Pleistocene mammal fauna in the south of ward stepwise method. PAUP computer Western and Middle Siberia: Kuznetsk program (version 3.1.1) was applied for Basin, Krasnyi Yar at the Ob River, and the phylogenetic analysis. Kurtak archaeological region. The Kuznetsk Basin is situated in the GEOLOGICAL SETTING AND southeast of the Western Siberia. It was STRATIGRAPHY formed in the Late Cenozoic as an enor- mous intermountain depression, restricted The studied material is originated by the Kuznetsk Alatau, Gornaya Shoriya, from the famous localities of the and Salair Ridge. This region is one of the CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Pleistocene small cave Bear 377 Figure 4. Left mandible of juvenal Ursus rossicus from Berezhekovo, IAE 268. Occlusal view. most biostratigraphically important in the and hydromorphic fossil soils. These depo- non-glacial zone of Northern Asia. Thick sits mainly have lacustrine-alluvial gene- Quaternary sediments (seven alternated sis, fill the pits in lower layers and reach sub aerial and sub aquatic formations) the thickness of 45 m. In Kuznetsk Basin, with a great number of fossil bone remains Kedrovka Formation is associated with uncovered in opencast coalmines. More the most of Pleistocene large mammals than 60 taxa of the carnivores, probosci- remains. In the morphology and ecologi- des, perissodactyls and artiodactyls of cal peculiarities, recorded species from various geological age were recorded here, lower and upper levels of this formation allowing reconstruction of the faunal his- belong to the different faunistic comple- tory in the south of Western Siberia from xes. the Early Pleistocene to Holocene, to trace In the basal part, represented by the phylogenetic lines in basic mammalian Krasnogorsk Member, the fossil remains groups, and also to elucidate the successi- contain Gulo cf. schlosseri, Mammuthus tro - ve stages of their evolution gontherii (corresponding in its morphome- (FORONOVA, 1982, 1986, 1998, 1999, trical data to those of this species from in press). Süßenborn locality in Germany), Equus The bear remains (mandibles and pos- mosbachensis, Rangifer sp., and a very large tcranial elements) have been recorded in bison, Bison aff. priscus. This fauna is corre- the Kuznetsk Basin in situ at different lated with the Tiraspolian and Viatkian stratigraphical levels. The mandible IG faunas in East Europe and West Siberia 328 of Ursus rossicus was found in and the Cromerian faunas of We s t e r n Latyshovo levels of Kedrovka Formation Europe. in Bachatsk quarry. Kedrovka Formation The overlying Latyshevo Member con- represents bluish-gray loam and clay, plas- tains Ursus rossicus, Panthera spelaea, tic, flaky, with wood debris, basal shingle Mammuthus aff. chosaricus, Equus aff. tauba - 378 BARYSHNIKOV & FORONOVA CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) chensis, E. ex gr. mosbachensis-germanicus, the riverbank. These were not associated Coelodonta antiquitatis, Cervus elaphus, with geological layers, but mainly origi- Megaloceros giganteus, Bison priscus. The nated from the Middle and Late teeth of M. aff. chosaricus, in comparison Pleistocene levels. The degree of conserva- with its ancestor M. trogontherii, differ in tion of the bones allows suggesting that less enamel thickness, the length of plates the main part of the bone assemblage had and larger plate frequency. Generally, the been formed in the Later Pleistocene. species composition and evolutionary level Castor fiber, Canis cf. lupus, Ursus cf. denin - of the fauna representatives correspond to geri (large form), Crocuta spelaea, Panthera the Holstein, which conform to Tobol spelaea, Equus caballus subsp., E. cf. prze - interglacial in Western Siberia. walskii, E. hemionus, Dicerorehinus kirchber - The mandible IG 10128 was found in g e n s i s, Coelodonta antiqutatis, M e g a l o c e r o s the sediments of Krasnobrodsk Formation giganteus, Cervus elaphus, Alces alces, Bison in Mokhovo quarry. These are lacustrine- priscus, Saiga borealis were recorded here alluvial loam with ferruginous shingle at (ALEXEEVA, 1980). its base and cryoturbations and frost- Kurtak archaeological region is situa- wedge casts in its upper part. ted in the south of Middle Siberia, in the Accompanied fauna is represented by Northern Minusinsk Basin. The sites were remains of Vulpes vulpes, Panthera spelaea, discovered after the flooding of the Yenisei Equus przewalskii, Equus ex gr. gallicus, River valley and forming of Krasnoyarsk Equus aff. hydruntinus, Coelodonta antiquita - Reservoir. The thickest Quaternary sedi- tis, Cervus elaphus, Megaloceros giganteus, ments of various origins are exposed in the Alces alces, Rangifer tarandus, Bison priscus, left riverbank, at Berezhekovo sites. There S a i g a sp., and Mammuthus primigenius. are opened here the ancient alluvial depo- Both thin and thick-enamel variations of sits of high Yenisei terraces, colluvial for- mammoth teeth can be distinguished. The mations (filling of the former ravines cut- first group may correspond to the begin- ting through terraces), and covering, ning of the Weichselian, while the second mainly eolian loess-like loams and sandy one having the radiocarbon dates 39.1, loams, containing several paleosoil hori- 31.9 and 28.9 thousand years belongs to zons. At the present time these sections the Middle Weichselian (Karginsk) war- have been examined geologically, archaeo- ming. Creating of these formations finis- logically, and paleontologically, and ther- hes apparently in the Late Weichselian moluminescent and radiocarbon data have cooling, as evidenced by cryoturbation been obtained (DROZDOV, et al. 1990a, features in the uppermost part of the 1992; DROZDOV, et al. 1990b). The sequence. bear remains described in this study, have The locality Krasnyi Yar that is the been found at the Berezhekovo 2,3 and 4 place of finding the skull ZIN 32748 and sites in the Middle and Late Quaternary mandible ZIN 35075, is situated 0 t Ob eroded brown loams, in the basement of River in Tomsk Province. A lot of bones section, and on the river beach. There have been gathered over several years on were found remains (determineted by CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Pleistocene small cave Bear 379 I.Foronova) of Canidae gen. indet., arch is thickened; its height equal to 40 H o m o t h e r i u m sp., Panthera spelaea, mm. The infraorbital foramen is small, Mammuthus primigenius, Mammuthus sp., situated over the posterior part of 1. Equus sp. (large form), Equus aff. hydrunti - Nasal bones are short, narrow, in anterior nus, Equus cf. przewalskii, Coelodonta anti - half being parallel to the palate. Their quitatis, Cervus elaphus, Megaloceros gigan - anterior end is finished at the level of 4. teus, Alces alces, Rangifer tarandus, Capreolus Nasal aperture is large, nearly as high as capreolus, Ovis cf. ammon, Bos sp., Bison pris - broad. The palate is comparatively broad. cus. The mandible IAE 36 was recorded in Its breadth increases greatly in front of the Berezhekovo 2, IAE 1681 in Berezhekovo anterior border of 4 (68.3 mm) to the 4, IAE 93, 330, 331, 455 in Berezhekovo canine alveoli (89 mm). The distance bet- 3-4. These localities are also associated ween medial margins of the latter exceeds with the Middle and Late Pleistocene that between 2, resembling in this featu- small mammals fauna (KRUKOVER & re the specimens from Krasnodar CHEKHA, 1999). (BORISSIAK, 1932). The length of inci- sors row is 62.4 mm. The anterior premo- DESCRIPTION lars P1-3 are absent; ALEXEEVA (1980) mistakenly considered the alveolus of P3 as an anterior alveolus of P4. The length of Skull post canine diastema is 38.5 mm. The dis- tance from the level of P4 anterior margin The skull of the bear from Krasnyi Yar to I1 alveolus is somewhat shorter than (ZIN 32748) has only the facial portion. the length of P4-M2. Cheek teeth are heavily worn. Their occlu- This specimen is peculiar in a rather sal surface nearly lost enamel, demonstra- posterior position of incisive foramina, ting the patches of dentine. Small size and which exceed beyond the level of posterior slender canines (length at enamel border edges of canines. This is not characteristic 16.3 mm, width 12.7 mm) indicate this for the cave bears and is probably caused specimen as an old female. by the very old age of the individual. Frontal bones are convex, abruptly rai- The skull ZIN 32748 in its size and sed over the nasal bones. The postorbital morphology is similar to those of U. rossi - process is short but broad and blunt. c u s from Krasnodar and Kizel Cave Orbits are placed closer than minimum (BORISSIAK, 1932, VERESHCHAGIN breath between orbits in the nominative & BARYSHNIKOV, in press). subspecies from Krasnodar (BORISSIAK, Measurements (mm): "snout" length - 1932). The orbit is comparatively large 138, length C1-M2 - 137.5, length P4- (greatest diameter 52 mm) and directed in M2 - 79.6, least breadth between the its upper portion more anterior than in U. orbits - 74.6, greatest palatal breadth - 84, arctos (ALEXEEVA, 1980). There are two breadth at the canine alveoli - 89, breadth lacrimal foramina approximately equal in between for. infraorbitale - 73.8, greatest size. The anterior root of the zygomatic breath of nasal opening - 57.6. 380 BARYSHNIKOV & FORONOVA CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) The skull from Berezhekovo is com- size common to U. rossicus. Anterior pre- pressed and belongs to the young indivi- molars p1-p3 are absent, the length of dual. The palatine between posterior diastema changes from 34.5 to 46 mm. molars is narrow. The anterior premolars The body of the mandible is high; the line are absent. of its inferior border is curved. The height of the body is considerably decreasing Mandible anteriorly, reaching its minimum at the diastema. The angular process rising, the Most specimens have worn to heavily condylar process is situated at the level of worn cheek teeth. In Berezhekovo, only articular surface. There are two mental three of 19 mandible fragments studied foramina, the posterior one being larger may be attributed to young animals. The and situating below p4, and sometimes it specimen from Mokhovo quarry also is divided in several small openings. belonged to a young bear. By the total size and the length of the Males of U. rossicus were probably dental row, the samples from Siberia are much larger than females very similar to those of U. rossicus from (VERESHCHAGIN & BARYSHNIKOV, Krasnodar (BORISSIAK, 1932) and from in press), sexual dimorphism is shown Kizel Cave (table 3). They are somewhat mainly in the canine size. In the material smaller on average than mandibles of U. investigated, three mandibles were attri- savini from Forest Bed, but this difference buted to males due to their greater total is not statistically reliable. length and width of the lower canine Factor analysis has been carried out for (table 1, 2). 11 measurements of male mandibles. The Mandibles demonstrate structure and results are shown in the figures 5, 6 and in Table 1. Sizes of mandibles in males of Ursus rossicus from the South Siberia. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Pleistocene small cave Bear 381 Table 2. Sizes of mandibles in females of Ursus rossicus from the South Siberia. Table 3. Comparison of mandibles in Ursus rossicus. table 4. In plote of the Factor 1 (c1-m3 morphometrical resemblance not only length, m2 length, m2 width) and Factor between the U. rossicus from Siberia and 2 (m1 length), the samples are divided in from Ural, but also the similarity of this two groups. The first one comprises U. small cave bear with U. savini. savini from Forest Bed and U. deningeri from Kudaro 1 Cave; the second contains Dentition U. rossicus from Siberia localities and from Kizel Cave (figure 5). In space of the Upper teeth. Upper cheek teeth of Factor 2 and Factor 3 (p4-m3 length, m1 the skull ZIN 32748 are heavily worn and width), the sample of U. deningeri appea- are not suitable for a morphological analy- red to be separated from others (figure 6). sis. Therefore only M2 has been measured Despite the fact that we dealt with a in this specimen. Additionally, three sam- rather small collection, we can suggest a ples of this tooth with obliterated occlusal 382 BARYSHNIKOV & FORONOVA CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Figure 5. Plot of factor scores of Factor 1 and Factor 2 from principal component analysis of man- dibles. d- Ursus deningeri, Kudaro 1 Cave; f- U. savini, Bacton Forest Bed; k- U. rossicus, South Siberia; z- U. rossicus, Kizel Cave. Figure 6. Plot of factor scores of Factor 2 and Factor 3 from principal component analysis of man- dibles. The symbols are as in figure 4. surface were recorded in Berezhekovo. On (table 5). The paracone is large, with a a Berezhekovo skull, judging from photo- blunt top. One specimen demonstrates the graph, the upper molars bear numerous lack of the additional tubercle in front of additional tubercles. the paracone, which is represented on the M2. The greatest length and width of teeth from Krasnodar (B O R I S S I A K, this tooth is correspondent to those in U. 1932) and is commonly present in U. spe - rossicus from Krasnodar and Kizel Cave laeus. The metacone is undivided, conside- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Pleistocene small cave Bear 383 Table 4. Correlations of characters with the first three principal components for mandibles. Table 5. Comparison of cheek teeth in Ursus rossicus. rably smaller than the paracone, and its Lower teeth. The lower cheek teeth apex is moved anteriorly. The row of lin- are more numerous; all of them were retai- gual tubercles in all specimens is heavily ned in mandibles and show the various worn. In U. savini, this tooth is on avera- degrees of crown abrasion. Relative values ge somewhat shorter and narrower, and in of the average length for p4, m1, m2 and U. deningeri from Westbury, it is, on the m3 are 16,3-27,7-29,1-26,9%. For this contrary, longer and wider, but in both index, the small cave bear from Siberia is cases the differences are not statistically similar to U. rossicus from Kizel Cave and reliable. It differs more noticeably with Krasnodar, although the former has relati- that of M2 in U. spelaeus from Odessa, vely longer m1 (29,1%). All the cave where it is apparently larg e r bears show m1 on average is shorter than (BARYSHNIKOV, 1998). m2, with exception for U. savini, having 384 BARYSHNIKOV & FORONOVA CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) in contrary m1 longer than m2 (a primiti- cus, Siberia (n=5), U. spelaeus from Arcy- ve character inherited from U. etruscus). sur-Cure (n=41), from Odessa (n=40), and p4. The crown is of the equal width in from Secrets Cave (n=13). The results of the anterior and posterior parts. The pro- this analysis are present in figure 9, which toconid is high, blunt-pointed, and shows the centroid of each group plotted without crests. Its base bears two large onto the first two canonical variates. A lit- adjacent cusps on the lingual side (paraco- tle over 85% of dental variation is explai- nid and metaconid), these sometimes ned by the first canonical axis, 13% by the being linked with a small denticle (figure second. The first canonical variate discri- 7, 8). The paraconid commonly extends in minates greatest width, on the second front of the protoconid. A slender ridge canonical variate including greatest runs from the metaconid posteriorly. The length (table 6). The bivariate plot of cen- posterior tooth part is abruptly bent back- troids clearly shows an ordination into 2 ward, without additional tubercles, which separate groups, with savini/deningeri are recorded in the Krasnodar specimens samples on the one hand and all the other (BORISSIAK, 1932). There are two well- samples on the other. Squared separated roots. Mahalanobis distances between members The multiple discriminant function of these groups are high (from 5.59 to analysis based on three measurements 14.5). In the second group, which con- (greatest length, greatest width, and dis- tains U. rossicus from Siberia, the distances tance between paraconid and metaconid are lower (less than 3.87). The Siberian tips) was carried our for six samples: U. sample shows statistically reliable diffe- savini (n=10), U. deningeri (n=8), U. rossi - rences only from U. deningeri (p<0.001). Figure 7. Lower premolar p4 of Ursus rossicus from Berezhekovo. Occlusal view. Figure 7. Plot of centroids for each locality on the plane canonical variate 1 and 2 for p4. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Pleistocene small cave Bear 385 Figure 8. Lower cheek teeth p4 (a-d) and m1 (e- g) of Ursus rossicus from South Siberia. Lingual view. a-c, e-f - Berezhekovo, d- Bachatsk, g- Mokhovo. Figure 9. Plot of centroids for each locality on the plane canonical variate 1 and 2 for p4. Table 6. Correlations of canonical variate for p4. 386 BARYSHNIKOV & FORONOVA CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Based on the results of this analysis, we hypoconid is large, with well-developed may conclude that p4 proportions in U. lingual part. The entoconid is in the form rossicus are similar to those of U. spelaeus, of a longitudinal ridge consisting of two being different with those U. savini, and or three closely placed cusps; their length more sufficiently from U. deningeri. gradually increases backwards (figure 8). Among teeth of U. rossicus studied, the At the place of trigonid and talonid con- mean of the greatest length is at a maxi- tact, there is a weak labial cingulid. mum in Krasnodar and minimum in The discriminant analysis based on Kizel Cave (table 5), and the differences seven measurements (greatest length, between them are reliable for this measu- length of trigonid, length of posterior rement (p<0.01). The greatest crown entoconid tubercule, length of anterior width in the all samples slightly varies. entoconid tubercule, width of trigonid, U. etruscus and U. maritimus exhibit a width of talonid and width in the middle simple p4 without additional cusps. U. part of crown) was carried out for seven a r c t o s sometimes demonstrates a weak samples: U . s a v i n i (n=7), U. deningeri paraconid. Cave bears are characterized in (n=11), U. rossicus from Siberia (n=6) and the complication of the crown with acces- from Kizel Cave (n=12), U. spelaeus from sory tubercles ("molarization"). In U . A r c y - s u r-Cure (n=31), from Odessa deningeri, there is a paraconid and occasio- (n=29), and from Secrets Cave (n=8). The nally a small metaconid, these cusps being results of this analysis are present in figu- usual for U. savini. Both species show the re 10. Nearly 86% of dental variation is two cusps well separated. In U. rossicus, explained by the first canonical axis, paraconid and metaconid are larger and almost 10% by the second. The first cano- more approached together; sometimes nical variate discriminates greatest length additional tubercles are developed near and length of posterior entoconid tubercu- paraconid and metaconid and on the pos- le, on the second axis length of anterior terior crown side. This trend is continued entoconid tubercule contributes to discri- in U. spelaeus, demonstrating the larger mination (table 7). The plot of centroids tooth size and dilation of the posterior demonstrates division into 3 separate tooth part; the paraconid is slightly groups: 1) U. savini and U. rossicus, 2) U. moved anteriorly and together with the d e n i n g e r i and 3) U. spelaeus. Squared metaconid is separated from protoconid Mahalanobis distances between the first by a deep groove. Consequently, p4 in U. and the second groups (from 5.73 to 6.42) rossicus exhibits an advanced morphology are noticeably lower than between the (tooth enlargening, development of the second and third ones (from 7.99 to additional crown structures). 11.38). In the first group, the both sam- m 1. Lower carnassial tooth in the ples of U. rossicus are well-separated from Siberian samples is considerably wide. The one another (Mahalanobis distance 9.17), protoconid is considerably lower than the the Siberian specimens being closer to U. metaconid. The latter is moved posteriorly savini (1.17). Statistically reliable differen- and divided in two or three denticles. The ces (p<0.001) are observed between all CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Pleistocene small cave Bear 387 Figure 10. Plot of centroids for each locality on the plane canonical variate 1 and 2 for m1. Table 7. Correlations of canonical variate for m1. samples with the exception of U. rossicus deningeri, this place is approximately as from Siberia/U. savini. Thus the m1 pro- wide as trigonid. U. etruscus, U. maritimus portions among U. rossicus are rather diffe- and U. arctos show the complicated meta- rent, but demonstrate more resemblance conid and entoconid, the latter consisting with those in U. savini, than with other of one or two cusps. Cave bears demons- cave bears (in the least degree with U. spe - trate a trend toward further development laeus). of entoconid portion. In U. rossicus, U. In the samples of U. rossicus, the lon- savini and U. deningeri, it is formed by two gest m1 has been recorded in Kizel Cave or three adjacent tubercles, while in U. (table 5), however its differences in this spelaeus the entoconid more often has a measurement with Siberian and shape of two large well-separated tuber- Krasnodar specimens are not statistically cles of almost equal height. Thus, U. rossi - reliable. cus demonstrates a rather primitive m1 In U. spelaeus, the crown is most structure. narrow at the trigonid and talonid junc- m2. This tooth is rectangular in shape, tion but in U. rossicus, U. savini and U. with talonid wider than trigonid. The 388 BARYSHNIKOV & FORONOVA CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) protoconid is undivided, situating below of U. savini (5.76, 5.81). Statistically relia- the metaconid. The latter is divided in ble distances (p<0.001) seperate all sam- two or three nearly equal cusps, the mid- ples, with the exception of the samples dle one being the longest. This tubercle is from Siberia and Kizel Cave. The results not moved medially, which often takes indicate the resemblance of both samples place in U. spelaeus. The hypoconid is of U. rossicus in m2 measurements, but wider than the entoconid. The latter is they are well separated from the other longer than hypoconid and consists of two collections examined. Among cave bear l a rge and well-separated tubercles. species, the proportions of m2 in U. rossi - Sometimes an additional denticle between cus are similar to those of U. savini, being the metaconid and the entoconid occurs. more remote from U. deningeri, and espe- The discriminant analysis based on cially from U. spelaeus. The morphometri- seven measurements (greatest length, cal resemblance of U. rossicus and U. savini labial length of trigonid, lingual length of in this character has been already noted by trigonid, labial length of talonid, lingual KURTÉN (1959). length of talonid, width of trigonid, and Three samples of U. rossicus are similar width of talonid) was carried out for seven in m2 length (table 5), the collections samples: U. savini (n=11), U. deningeri from Krasnodar and Kizel Cave being sig- (n=31), U. rossicus from Siberia (n=9) and nificantly distinguished in the greatest from Kizel Cave (n=13), U. spelaeus from width of crown (<0.02). A r c y - s u r-Cure (n=43), from Odessa The m2 has a complicated metaconid (n=37), and from Secrets Cave (n=8). The and the large cusp of entoconid in U. etrus - results of this analysis are presented in cus, U. maritimus and U. arctos but the lat- figure 11. More than 76% of dental varia- ter is associated anteriorly with two or tion is explained by the first canonical three small denticles. In contrary, U. spe - axis, 11% by the second. The first canoni- laeus demonstrates two-cusped entoconid cal variate discriminates labial length of complicated by additional enamel folds. talonid, greatest length and width of tri- There is a cingulid on the crown lingual gonid, on the second axis lingual length of side, which is only slightly developed in talonid contributes to discrimination U. rossicus. (table 8). The plot of centroids demonstra- m3. The m3 crown is somewhat elon- te an ordination into 3 separate groups: 1) gated, with straight anterior and round U. savini and U. rossicus, 2) U. deningeri, posterior edges. It is shorter than that of and 3) U. spelaeus. Squared Mahalanobis m1, and wider than m2 crown. The large distances between the first and second talonid bears a clear notch on the labial groups (from 2.95 to 6.74) are approxima- tooth side. The protoconid is longer than tely the same to those between the second metaconid. The latter is high and divided and third ones (from 4.57 to 8.94). In the in two tips. The hypoconid is large, appro- first group, both samples of U. rossicus aching the protoconid. The entoconid is situate more close with one another represented by a serrate ridge. The crown (Mahalanobis distance 1.75), than to that area between tubercles is large and rugous. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Pleistocene small cave Bear 389 Figure 11. Plot of centroids for each locality on the plane canonical variate 1 and 2 for m2. Table 8. Correlations of canonical variate for m2. The discriminant analysis based on spelaeus on the one hand and all the other four measurements (greatest length, examined samples on the other. Squared length of talonid, greatest width, and Mahalanobis distances between samples of width of talonid) was carried out for six these groups are rather low (from 2.59 to samples: U. savini (n=11), U. deningeri 5.06). In the first group, all the samples (n=47), U. rossicus, Siberia (n=6), U. spe - distribute very close to one another laeus from Arcy-sur-Cure (n=41), from (Mahalanobis distances from 0.16 to Odessa (n=42), and from Secrets Cave 1.65). Differences between the samples of (n=8). The results of this analysis are pre- U. rossicus and U. spelaeus are statistically sented in figure 12. Nearly 74% of dental reliable (p<0.001); there are no consistent variation is explained by the first canoni- differences between the samples of the cal axis, almost 16% by the second. The first group. Based on the results of this first canonical variate discriminates inclu- analysis we may conclude that by m3 des all measurements (table 9). The plot of measurements U. rossicus is more similar centroids clearly shows an ordination into to U. savini/deningeri, than to U. spelaeus. 2 separate groups, with all samples of U. Although the Krasnodar collection 390 BARYSHNIKOV & FORONOVA CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Figure 12. Plot of centroids for each locality on the plane canonical variate 1 and 2 for m3. Table 9. Correlations of canonical variate for m3. demonstrates the largest m3 in three sam- General remarks ples examined of U. rossicus (table 5), only the specimens from Krasnodar and Kizel Comparison of the lower cheek teeth Cave reliably differ in the greatest crown size in U. rossicus from Siberia, Krasnodar width (P<0.02). and Kizel Cave indicates a large metric In U. etruscus, U. maritimus and U. arc - resemblance of the first two samples. In tos, m3 is moderate in size, resembling an contrast, there are reliable differences elongated triangle or oval in occlusal view. (p<0.01) between the material from Commonly it is not clearly divided into Siberia and Kizel Cave by the greatest trigonid and talonid. In contrary, the cave width of p4, and between samples from bears and especially U. spelaeus and U. ros - Krasnodar and Kizel Cave by the greatest sicus are characterized by an increase of length of p4, width of talonid in m2 and tooth size, mainly of its talonid being well the greatest width of m3. Cluster analysis separated from trigonid. based on the average length and width of the lower teeth p4, m1, m2 and m3, has also confirmed (figure 13) that the sam- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Pleistocene small cave Bear 391 Figure 13. Similarity dendrogram of samples of genus Ursus based on length and width means of lower cheek teeth p4, m1, m2 and m3. ples from Siberia and Krasnodar constitu- VERESHCHAGIN & BARYSHNIKOV te one cluster, while the sample from in press). The specimens examined resem- Kizel Cave groups with that of U. savini. ble in size the corresponding bones from The obtained results of the discrimi- Kizel Cave (table 10). The single fourth nant analysis show the resemblance of U. metacarpal, unlike those from Kizel Cave, rossicus with U. savini in proportions of the does not have the incision on the distal lower molars m1, m2 and m3. However in articulate ridge. proportions of the lower premolar p4, the former species is more close to U. spelaeus. CLADISTIC ANALYSIS OF CAVE The enlargement and complication of p4 BEARS may be treated as a specialization of U. ros - sicus to consume rough herbaceous food. The subgenus Speleartos E.Geoffroy, 1833 includes four species: U. savini Postcranial skeleton Andrews, 1922 (early Middle Pleistocene), U. deningeri von Reichenau, The isolated limb bones of a small 1904 (Middle and Late Pleistocene), U. cave bear have been found in Mokhovo rossicus Borissiak, 1930 (Middle and Late quarry and in Berezhekovo. To identify Pleistocene) and U. spelaeus Rosenmüller, their sex we used the data on the size sex 1794 (late Middle and Late Pleistocene). dimorphism in U. rossicus, established for The first and fourth species are found in the sample from Kizel Cave (see Europe only, the both others are found in 392 BARYSHNIKOV & FORONOVA CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Table 10. Sizes of limb bones in Ursus rossicus from South Siberia. the many localities of the Northern 4. Body of the mandible: relatively Eurasia. low, its inferior border being straight (0), We scored seven ursid taxa and 17 cha- high, and the inferior border is curved, racters of skull, cheek teeth, limb bones, forming a prominence under m2 (1). and body size (see table 00). We used U. 5. Entepicondylar foramen of humerus: etruscus G.Cuvier, 1823 as an outgroup. present (0), absent (1). Among recent This species is considered to be ancestral bears this foramen is observed in primiti- both for the cave bears and the recent spe- ve Ailuropoda and Tremarctos, and is absent cies of the genus Ursus (U. arctos and U. in the representatives of all other genera. m a r i t i m u s) (E R D B R I N K, 1953, In U. etruscus, this feature varies (MAZZA KURTÉN, 1968). & RUSTIONI, 1992). Characters. 1. Frontal profile: gentle 6. Metacarpal and metatarsal bones: (0), steep, so the frontal bones are strongly short (0), relatively long (1). raised over the nasal bones (1). 7. Ridge of the distal articulate surface 2. Nasal bones: long, terminating on metacarpal and metatarsal bones: anteriorly over the posterior edge of the round, without incision (0), with small upper canine (0), short, the anterior end incision on the distal border (1). situated over 4 (1). 8. Premolars P2-3/p2-3: present com- 3. Condylar process: lies at the level pletely (0), present partly (1), absent (2). with the occlusal surface of the lower 9. Anterior premolars P1/p1: present cheek teeth (0), elevated higher than the (0), absent (1). level of the latter (1). 10. Protocone of P4: simple (0), subdi- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Pleistocene small cave Bear 393 vided or associated with additional tuber- confirm the distinct taxonomic status of cles (1). this subgenus. Peculiarity of the cave 11. Medial wall of the metacone P4: bears is caused by the high rate of their without tubercle and enamel fold (0), morphological evolution, and mainly by those present (1). changes of their masticatory system, pro- 12. Talon of M2: short and relatively voked by transition from omnivorous to narrow (0), long and moderately wide (1), chiefly vegetable diet. long and very wide, its inner field with Relationships within S p e l e a r c t o s a r e large rugae (2). The genus Ursus is charac- determined by two synapomorphies (cha- terized by the elongation of 2 talon, racters 14(2) and 3). These indicate the which is secondary reduced in U. martimus further specialization of the cave bears to (MAZZA, et al. 1995). various plant food. 13. Lower carnassial tooth m1: large, The obtained phylogenetic tree gene- longer than m2 (0), slender, shorter than rally agrees with the data on the sequence m2 (1). of cave bear species appearance in the geo- 14. Lower premolar p4: simple (0), logical record. U. spelaeus, for example, complicated with labial cusps (paraconid seems to be not only the most advanced and metaconid) (1), complicated with but also the youngest among them. labial cusps and additional tubercles (2). 15. Endoconid of m1: usually with a DISCUSSION single tip (0), with two tips or comb-sha- ped (1). Our investigation confirms that U. ros - 16. Talonid of m3: not developed (0), sicus was widespread in South Siberia in wide, separated from trigonid (1). Middle and Late Pleistocene. In propor- 17. Body size: medium or small (0), tions of the cheek teeth, the Siberian bear large (1). is more similar to the nominative subspe- Results. The data matrix was run by cies than to U. rossicus uralensis. Therefore, heuristic search option of PAUP and one the range of the nominative taxon inclu- tree was produced (TL=23, CI=0.826, ded the steppe zone from Ukraine to the RI=0.852). A parsimony analysis resulted Northern Caucasus in the west to in the phylogenetic hypothesis shown in Kazakhstan and south of Middle Siberia in figure 14. the east. The specimens from the Middle Among the selected features of the and Late Pleistocene do not show suffi- group U r s u s a r c t o s / m a r i t i m u s p l u s cient differences, possibly the former are Spelearctos character 5 are here considered somewhat larger. equivocal, but character 8(1) is considered BORISSIAK (1932: 190) suggested U. an unambiguous synapomorphy. Both rossicus was a steppe race of the cave bear, peculiarities separate this group from pri- which had more progressive dental struc- mitive ursids. tures than in U. spelaeus from Europe. Monophyly of the subgenus Spelearctos However, archaic characters of its denti- is supported by 12 synapomorphies. These tion allow him to treat these bears as a 394 BARYSHNIKOV & FORONOVA CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Figure 14. Proposed phylogenetic hypothesis for the genus Ursus according to either accele- rated (ACCTRAN) optimization (L=23, CI=0.826, RI=0.852). See text for the descrip- tion of inferred synapomorphies 1-17. Character matrix is in table 11. Symbols: *- parallelism, R- revers. Table 11. Character matrix for genus Ursus. parallel branch, originating from the com- level of differentiation of its dentition mon ancestor. does not exceed that in U. savini/deningeri. The obtained results partly support the Judging by material examined, publis- Borissiak opinion. U. rossicus has a specia- hed data (B O R I S S I A K , 1 9 3 2 , lized lower premolar p4. The trend to VERESHCHAGIN & BARYSHNIKOV, complication of this tooth among cave 2000), and distribution, we can imagine bears is demonstrating by U. savini (see that U. rossicus was a small bear of 1.5 m ANDREWS, 1922), reaches its greatest in length and 0.8 m in height in scapular development in U. rossicus and U. spelaeus. area. It seems to have been relatively slug- U. deningeri, in contrast, demonstrates gish and fed mainly on the vegetative simplification of p4. The morphology of parts of plants, roots, berries, fruits, and the other lower cheek teeth in U. rossicus is occasionally invertebrates, smaller verte- rather primitive and consequently, the brates, and carrion. This bear inhabited the open landscapes of plains and lower CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Pleistocene small cave Bear 395 mountains, where its small height allowed reconstruct for the cave bears, suggests it to hide from enemies in grass and relief their wide distribution in Eurasia and cavities. For over wintering, it evidently rapid adaptive radiation. We agree that dug earth dens at slopes and ravines, using they originated in the end of the Early caves rather seldom. Pleistocene. Among Spelearctos, a small U. The phylogenetic analysis carried out, savini seems to be the most ancient, retai- demonstrated the systematic unity of the ning to a considerable degree the omnivo- cave bears. They may be treated either as a rous characters of dentition (the lower car- subgenus of Spelearctos within the genus nassial tooth being large; additional Ursus, or as a distinct genus as has been tubercles on molars are slightly develo- repeatedly proposed by different authors ped). It was probably a forest species (BORISSIAK, 1932; VERESHCHAGIN, mainly. Its remains are recorded only in 1973; BARYSHNIKOV, 1998). Such a Europe (England, Austria), but we believe point of view may be supported by the fact it may be found also in Asia. To this spe- that distinctions, which subdivide the sis- cies, probably, belongs also U. "etruscus" ter species-group (U. arctos and U. mariti - gombaszoegensis from Gombaszog, in denti- mus), are quite often considered to be the tion of which one may recognize the ten- generic ones (for example, ELLERMAN & dency to U. savini and in some degree to MORRISON-SCOTT, 1966; McKeNNA U. deningeri (KRETZOI, 1938). & BELL, 1997). In the early Middle Pleistocene, U. ros - Our phylogenetic hypothesis (figure sicus and U. deningeri appeared. The former 14) is topologicaly identical with the retained a small size and settled the phylogenetic tree for the genus Ursus pre- Asiatic steppes. It did not reach the skele- sented by MAZZA & RUSTIONI (1994). ton proportions of U. spelaeus, but its THESE authors interpreted the hypothe- cheek teeth were already partly specialized tical ancestors for (deningeri + spelaeus) + for consuming vegetable food. (artos + maritimus), and for arctos + mariti - U. deningeri, in contrast, was an inhabi- mus clades as belonging to "Ursus gr. arc - tant of the forest and forest-steppe lands- tos". The latter was originated, in their capes of Europe, Caucasus, Central Asia opinion, from the early Ursus aff. etruscus, and south of Siberia. Its size has increased. which was more omnivorous than the later The crowns of the upper and lower molars U. etruscus. Really, the brown bear retained became more complicated but even the in dental morphology many features, latest representatives of the species did not which are primitive for the cave bears. reach the level of complication observed in However, the hypothesis of the origina- U. spelaeus. tion of the both cave and polar bears from In the late Middle Pleistocene, the U. arctos, is unacceptable in our opinion, forms transitional to U. spelaeus had appe- because if this a case U. arctos would repre- ared in Europe, this species predomina- sent the paraphyletic association (see also ting in the Late Pleistocene faunas. These TALBOT & SHIELDS, 1996). were very large bears, inhabiting various The evolutionary scenario, which we plain and mountain biotopes. In compari- 396 BARYSHNIKOV & FORONOVA CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) son with U. rossicus and U. deningeri, it David (Paris), Dr. A. Forsten and Dr. M. shows the further strengthening of masti- Fortelius (Helsinki) for the help in study catory structures, which were necessary for the collections. We are also obliged to more effective fragmentation of plant Prof. N. Drozdov and Dr. N. Ovodov food. This contributed to the successful (Krasnoyarsk), Dr. A. Averianov and Dr. competition of U. spelaeus with other N. Abramson (St. Petersburg), and Dr. E. omnivorous large mammals of the Late Alexeeva (Izhevsk) who contributed in Pleistocene and species penetration far to this investigation. Dr. Svetlana north, up to the Northern Ural Baryshnikova (St. Peterburg) assists us in (Medvezhiya Cave at 620 N; see Kuzmina the work with manuscript. Dr. I. Barnes 1971). (Oxford) improved the English version of the paper. Photographs were made by ACKNOWLEDGEMENTS P.Labezkyi (Novosibirsk). We thank Dr. Aurora Grandal d’Anglade (La Coruña) for We express our gratitude to Prof. N. the wonderful organization of the Cave Vereshchagin (St. Peterburg), Dr. A. Bear symposium and editing our manus- Lister and Dr. A. Currant (London), Dr. F. cript. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Pleistocene small cave Bear 397 REFERENCES V. P. et al. (1990b). Kurtak archaeological region. Part 2. Geology and archaeology of Berezhekovo plot. ALEXEEVA, E. V. (1980). Pleistocene mammals from Razlog II locality. Krasnoyarsk, 114 pp. (in southeast of Western Siberia (carnivores, proboscides, Russian). u n g u l a t e s ) . M o s c o w, Nauka. 188 pp. (in ELLERMANN, J. R. & MORRISON-SCOTT T. C. Russian). S. (1966). Checklist of Palaearctic and Indian ALEXEEVA, E. V. (1996). The fossil bear remains mammals 1758 to 1946. Second edition. from caves of the Sakhalin Island. Kraevedcheskii London, 810 pp. B u l l e t i n, 1: 80-84, Yuzhno-Sakhalinsk (in ERDBRINK, D. P. (1953). 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Vol. 26, pp. 399-405 A review of the cave bear sex dimorphism Revisión del dimorfismo sexual del Oso de las Cavernas GRANDAL d'ANGLADE, A. AB S T R A C T In this paper the influence of sex dimorphism in the population of cave bears from Cova Eirós (Triacastela, Galicia, Spain) is reviewed. The study will be centred in the skull, jaw and teeth, and principally in those parts that are commonly considered as not markedly di m o r p h i c . Key words: Ursus spelaeus, sex dimorphism, Eirós cave Instituto Universitario de Xeoloxía Isidro Parga Pondal. Campus da Zapateira s/n. Universidade da Coruña. E-15071. Galicia. SPAIN 400 GRANDAL d’ANGLADE, A. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) INTRODUCTION dimorphism in the cheek teeth. finally we will consider the differences in the sex The sex dimorphism in the cave bear dimorphism between populations. was studied extensively (KOBY, 1949; The skulls and jaws of the cave bears K U RT É N 1955, 1976; G R A N D A L, from Eirós 1993; REISINGER & HOHENEGGER, The main problem when studying cave 1998). Undoubtfully the cave bears, like bear populations in statistical terms, is the the extant members of the genus Ursus, often small number of complete bones for presented a well marked sexual dimor- an accurate analysis. Even in a site with a phism. However this dimorphism does good preservation of the remains, such as not affect all bones of the skeleton with Eirós, the sample is scarce. Figure 1 shows the same intensity. the ratio diagrams of some measuremets of In bears, the transversal diameter of the skull and jaw of the cave bears from the canines (upper and lower) presents Eirós. The average of female values is generally a complete separation of the ran- expresed as a percent from the averages of ges of variation for both sexes. This would males that are the 100%. Number of cases be a "complete" sex dimorphism (as defi- is 8 female skulls, 5 male skulls, 10 fema- ned by KURTÉN, 1955) and it is a very le jaws and 5 male ones. accurate method for sexing skulls and jaws Ratio diagrams of skull and jaw show of a cave bear population. When, in a the difference between females and males given measurement, the standard ranges from Eirós. Female skulls and jaws are cle- of males and females overlap, then the sex arly smaller than those from males, but dimorphism is "partial", according to not all measurements reflect the sexual KURTÉN (1955) and the sexing of the dimorphism in an equal proportion. sample becomes more difficult, and often Concerning the females, the upper and impossible. lower canines show an important degree of Consequently, in our opinion, metric sex dimorphism, whilst the cheek teeth comparisons between different popula- length is more close to that of males. The tions lose all their value, as one cannot dis- diastema is proportionally longer in fema- tinguish between differences produced by les because of the more slender canine and a real eco-geographic variation, and those shortened cheek teeth. This feature is arising from the existence of a different more marked in the maxilla. sex ratio in each deposit. Even in the case The female jaws present a narrower of larger sized samples, the sex ratio is not condylus than those from males, being the always comparable in each deposit (for a difference of averages even greater than review of differences in sex ratio see the difference of averages in the lower WEINSTOCK, 2000). canine. In this paper we will present first the The frequency distribution of these size differences between sexes studied on commented measurements are presented the sexable remains for the population of in figure 2. The distribution of the diaste- Eirós, and then we will consider the sexual ma length shows the striking feature alre- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) A review of Cave Bear sex dimorphism 401 Figure 1. Ratio diagrams of skulls and jaws from the cave bears of Eirós ady commented. In all other cases, bar re 3) shows that the overlapping between diagrams show not normal distribution, the female ranges and the male ones does but clear bimodality. mask the possible bimodality and only in 4 The sex dimorphism in the cheek teeth the cases of the P , M1 and M2 the distri- The histograms of the length of the bution is clearly not normal. cheek teeth rows in figure 2 show a mar- How does this affect to the study of the ked bimodality that allow us to affirm population? There are an important point: that there is an, at least, partial sex dimor- if the sex distribution is balanced (about phism in the size of the cheek teeth. 50% males and 50% females) then it However, the study of the total length should be possible to assume that the dif- of isolated specimens of cheek teeth (figu- ference in the size of the cheek teeth due 402 GRANDAL d’ANGLADE, A. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Figure 2. Frequency distribution of some measurements of the skull and jaw of the cave bear from Eirós to sex dimorphism could be bypassed. But 1998; REISINGER & HOHENEGGER, this balanced ratio is not always present in 1998; W E I N S T O C K, 1999, 2000; the cave bear populations (KU RT É N , GRANDAL et al., 2000). Thus, a predo- 1955; TORRES et al., 1991; ANDREWS minance of males in the population would & TURNER, 1992; GRANDAL & lead to a increment in the average values, VIDAL, 1997; GRANDAL & LÓPEZ, CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) A review of Cave Bear sex dimorphism 403 Figure 3. Frequency distribution of total length of each cheek teeth (upper and lower) of the cave bears from Eirós whilst a predominance in females would the existence of a different degree of sex decrease the average. dimorphism in different populations. The influence of sex dimorphism in Figure 4 shows the ratio diagrams for different populations some of the measurements of skulls and Another important question that jaws from four different sites. Specially in should be examined is the possibility of the jaw, the different incidence of sex 404 GRANDAL d’ANGLADE, A. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Figure 4. Compared ratio diagrams of skull and jaw from four cave bear popula- tions dimorphism in each population is well marked. This is an interesting matter that should be studied with more detail. One ACKNOWLEDGEMENTS of the possible explanations could be the effect of sexual selection, more marked in those sites corresponding to a non favoura- This paper is a contribution to the ble environment, although this hypothesis Research Project XUGA PGIDT 00 must be tested further on. PXI16201PR. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) A review of Cave Bear sex dimorphism 405 REFERENCES KURTÉN, B. (1955). Sex dimorphism and size trends in the cave bear. 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LAXE 26 (2001) INTRODUCTION the Ser river with a variety of relifs, from subtile to abrupt. The site is also located The fossil register shows a plentiful at about 3 hours from the relevant natural presence of the Ursus spelaeus on the north and south passway along the Middle Palaeolithic in Europe, but during Prelitoral Catalan Depressions, and near the Upper Palaeolithic a progessive decli- the Fluvià river, which also serves as a ve was registered, which inevitably took natural way into the inland territories, as the Ursus spelaeus to its extintion the massif of Alta Garrotxa, for exemple. (A LT U N A, 1971; P R AT 1 9 7 6 ; Digging was undertaken by J.M. GAMBLE, 1986; GUÉRIN & PATOU- Corominas on 1972 and 1973. Since MATHIS, 1996). In order to explain the 1975, excavations have been systematic, reasons of extintion of the Ursus spelaeus but with a few interruptions. Nowdays, we will provide data concerning the tran- the excavations are supervised by sition between the Middle and Upper Professors Narcís Soler and Julià Maroto, Palaeolithic based on two archaeological from the University of Girona. sites, the Arbreda Cave and the Ermitons The stratigraphic sequence of the site Cave (Catalonia), located on the Northeast is complete, for its chronology includes of the Iberian Peninsula, one of the meri- from Middle Palaeolithic (approximately dional areas of distribution of this 100.000 years) to well into Upper Ursidae. Palaeolithic (about 15.000 years ago). THE ARBREDA CAVE The Levels of Middle Palaeolithic The diggings have not yet reached the Natural surroundings and Site’s lower levels of the stratigraphic sequence Excavation of the site, which we only know from the 1972-73 sounding (Alfa Sector). The The Arbreda Cave belongs to the constant presence along the Mousterian group of the Reclau Caves (Serinyà). These register of the Ursus spelaeus is evident on caves are located at a heigh of 200 and 210 the work of ESTÉVEZ (1987) about the metres, and they open to a cascading tra- fauna materials corresponding to this vertine backing the west margin of a sounding. plain, the Pla d’Usall, formed by limesto- Level I (recent Middle Palaeolithic ne of lacustrine origin and constituent of a known from new excavations) is dated small but relative abrupt talus. with 14C AMS in 39,9 ± 0,6 ka (average The territory as easily accessible and resulting from four datings). offers many natural resources within an Excluding the rabbit, abundant but hour radius: the great plain of the Pla only partly hunted, the presence of carni- d’Usall, the Lake of Banyoles and the vores dominates (MNI=28). Within them swamps that surround it, a long stretch of we mostly find Ursus spelaeus predominant the middle Fluvià river, and the valley of over the ungulates (MNI=14) (Table 1). CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) The Ursus spelaeus disappearance 409 The cave bear is represented by 21 ungulates dominates, even though the individuals: 16 fetals-newborns-infantils, amount of individuals found is approxi- 2 juvenile, 2 adults (1 male, 1 female) and matly the same (MNI=15). The number 1 senile. With this information we infer of ungulates double the number of carni- that the cave was used by bears as an vores (MNI=6). hibernation and breading site when it was The Ursus spelaeus is registred only not occupied by the Neanderthals. The with 5 deciduous teeth. The presence of abundance of Ursus spelaeus (together with wolf, fox, hyena and lynx is found with other carnivores as the wolf, fox, hyena, equally low frequency (table 1). lynx and wild cat) seems to indicate a low There is a remarcable increase of anth- frequency of human presence during ropic signs documented on the fauna, spe- Middle Palaeolithic. cially among the ungulates (horse, roe None of the carnivores remains show deer, deer and large bovine) as well as any anthropic activity, for this reason we among the carnivores. At this level, the think they have a clear paleonthologic anthropic fauna is most significant in rela- character. On the other hand, some of the tion to the nonanthropic. ungulates remains (deer, horse, large bovi- The material culture of this period suf- ne) show evident signs of having been fers at this level a clear rupture in compa- consumed and digested by some carnivore. rison to the culturewhich is closer to the But the percentage of ungulates remains Middle Palaeolithic. into the cave brought by carnivores is still At the Level H, the culture material unknown. corresponds to early Aurignacian, with a Regading burned remains 5% of the lithic industry manufactured with foreign total remains, we were able to verifly that flint possibly, fruit of the first modern they belong strictly to ungulates. humans in Europe (M A R O T O et al. , Cultural material is essentially repre- 1996). sented by the lithic industry, typical of the On the other levels of the Upper Middle Palaeolithic (Mousterian), mostly Palaeolithic there is a complete disappea- cut in quartz and quarzite, found locally rance of the cave bear, and the presence of and made by the Neanderthals (Maroto et the rest of the great carnivores (ESTÉVEZ, al., 1996). 1987; GALOBART et al., 1996). The Levels of Upper Palaeolithic Level H (inicial Upper Palaeolithic THE ERMITONS CAVE known from recent excavation) is dated with 14C AMS in 38,3 ± 0,5 ka (average resulting from four datings). Natural surroundings and Site’s Again, rabbits are is the most domi- Excavation nant, but this time, this species shows evi- dence of anthropic activity. Disregarding The Ermitons Cave (Sales de Llierca) is rabbit, contrary to the period mentioned located inland of the calacareous massif at in the previous section, the presence of the Alta Garrotxa, belonging to the most 410 MAROTO et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Table 1. Arbreda Cave, levels I and H. Number of Speciments and Minimum Number of Individuals of large and medium mammal fauna species, excluding the rabbit. oriental sectors of the Prepyrenean. The For these reasons our interpretation of cave is located at a altitude of 400 metres, the human presence isn’t accidental, but 95 above Sant Aniol stream. These situa- taking into account that you need two tion is different from the Reclau Caves, hours, from the archeological site, to go the surrounding relif is extremely abrupt out of the massif and that the majority of due to the lithology (mainly of massive animals and the raw material come from limestone) and to its intensely folded and the surrounding of the cave, we think that broken structure. it was used as sporadic shelter for seasonly Deep-carved rivers are the only way of hunting of the wild mountain goats penetration into the massif: you can get (Capra pyrenaica). The Ermitons Cave was into the massif from the Fluvià valley by excavated by Muñoz & Pericot between following the Llierca river and after taking 1970-71. Sant Aniol stream upwards. In 1996, J. Maroto began renewed CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) The Ursus spelaeus disappearance 411 excavations. Stratigraphic sequences con- Modern humans would adopt a different tain material from final Bronze Age and model of settlement in territory than the Neolithics in the upper strata. In the Neanderthals. The Modern humans would lower strata they contain material of the occupy the caves with continuosly, which Middle Palaeolithic. implies a greater pressure for the large car- nivores that inhabit of the caves. The strata of the Middle Palaeolithic In this way, in the Arbreda Cave, we observe that within a short time (around A predominance of anthropic remains 1.500 years according to 14C dating) the is the main characteristic of the fauna of cave bear evolves from being the most this stratum VI. The wild mountain goats represented great mammal to practically is more abundant than the other species (ª disappearing from its register. On the 85% NISP), but Ursus spelaeus, which is other hand, the transition from Middle to paleontologic is also present (ª 8% NISP). Upper Palaeolithic in theses sites, does not Stratum IV dated absolutely the 14C have a correspondence with a climatic result 33.190 ± 660 BP, contain mouste- change according to the palinologic rian industry. (BURJACHS & RENAULT- In stratum IV we find predominance of M I S K O V S K Y, 1992; B U R J A C H S, the cave bear (» 57%), which nonanthro- 1993), anthracological (M. Ros), fish-fos- pic, we also find some carnivores (hyena sil (MUÑOZ & CASADEVALL, 1997), and panthera, for exemple, » 4%) and amphibian and reptile (Fèlix), bird goats (» 38%). (GARCIA, 1995), chiropter and insecti- The bear bones findings are well dis- vore (Galobart), and rodent studies tributed over the animal’s entire body. We (ALCALDE, 1987). find offsprings, adults and senile indivi- At stratum IV at Ermitons Cave, pos- duals. terior in time to the documented disappe- With this information we infer that arence of the Ursus spelaeus in the neigh- the cave was used by bears as an hiberna- bouring Arbreda Cave, still of tion and breeding site (MAROTO et al., Neanderthal culture, cave bears are plenti- 1996). fully present. We could postulate the hypothesis that DISCUSSION cave bears and Neanderthals followed the same steps at the beginning of Upper The documented register at both Palaeolithic. Territorial pressure of archeologic sites –Arbreda Cave and Modern human beings would have direc- Ermitons Cave– indicates that the arrival ted them to more marginal areas, as for of the first modern human from the begi- example Alta Garrotxa. ning of the Upper Palaeolithic was very In regions netx to Aude and the influencial over the frequency and distri- Cantabric we find parallels to the fact that bution of the cave bear in Catalonia, and has been explained above and that reinfor- probably also in other areas nearby. The 412 MAROTO et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) ces the hypothesis that we had forseen for "partial time" caves, which means that Catalonia. they are both used by carnivores and In Aude, the Tournal Cave (Bize- human beings, to the "full time occupa- Minervois) presents Middle Palaeolithic tion" by human groups during the Upper levels (33.650 ± 1250 BP) with Palaeolithic. Mousterian industry (TAVOSO, 1987). In the same Cantabric area we have a From the study by PAT O U - M AT H I S concrete example in the Ekain Cave (1994) we know that during these mous- (ALTUNA & MERINO, 1984). While in terian levels the Ursus spelaeus is more fre- the X level there has been 1109 remains of quent than the rest of carnivores (70% of Ursus spelaeus registered and in the IX these in the richer level) and that it is the level (transition Middle Palaeolithic / second after the horse if we take into Upper Palaeolithic) there has been a total account all the fauna. amount of 248, in the posterior levels of Above these Aurignacians levels to be Upper Palaeolithic there has been hardly found, with a cultural break. In these any register (level VIII, 0 remains; level levels cave bears are absent or at last pre- VII, 3 remains; level VI, 7 remains; level sent with an anecdotical number of V, IV and III, 1 remains and in the level II, remains (2 maximum); the anthropic note one). fauna is mainly represented by horses, Finally we think that this fact concer- large bovines and rein deers. ning territorial pressure from Modern STRAUSS (1982) studied the intensity human towards cave bears taking must be of use of Cantabric caves from the relative into account, but other factors should not presence of carnivores which has been be excluded in the explanation of the great estracted from archeological sites. cave ursidae extinction. If carnivores are well represented this fact is taken as a prove of a less frequent ACKNOWLEDGEMENTS use of this sites by human beings. The author infers that during Middle This research has been sponsored by Palaeolithic there is a tendency as time PB97-0656 del Ministerio de Educación i passes by that goes from what he names Cultura. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) The Ursus spelaeus disappearance 413 Figure 1. Geographic situation of Ermitons Cave and Arbreda Cave in the northeast of the Iberian Peninsula. 414 MAROTO et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) REFERENCES Española de Paleontología, núm. extraordinario, pp.: 248-255. ALCALDE, G. (1987). Els rosegadors del Paleolític GARCIA, Ll. (1995). Preliminary study of Upper Superior de la cova de l’Arbreda (Serinyà, Pleistocene bird bone remains from l'Arbreda Catalunya). Significació paleoecològica i paleo- Cave (Catalonia), Courier Forschungsinstitut climàtica, Cypsela, VI: 89-96. Senckenberg, 181: 215-227. ALTUNA, J. (1971). Fauna de mamíferos de los GAMBLE, C. (1986): The Palaeolithic Settlement of yacimientos prehistóricos de Guipúzcoa. E u r o p e. 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Once considered the effects of the preservational biass in the deposit, the demographic particularities of each population can be explained in terms of the different climatic conditions suffered by the studied cave bear populations. Key words: Cave bear, demography, paleobiology, Galicia Instituto Universitario de Xeoloxía Isidro Parga Pondal. Facultade de Ciencias. Campus da Zapateira s/n. University of A Coruña. E-15071. Galicia. SPAIN 416 LÓPEZ GONZÁLEZ & GRANDAL d’ANGLADE CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) INTRODUCTION The structure of the populations is dif- ferent in both caves. For the interpretation The Cave Bear became widely distri- of this structure, a detailed taphonomic buted throughout Europe during the study must be carried out previously in Pleistocene The findings are restricted order to avoid the misinterpretation of the almost exclusively to calcareous areas, and data produced by the preservational biass. more specifically in karstic cavities which The taphonomical processes implied in they tended to occupy during hibernation. the formation of the deposits differ from The westernmost limit of the distribution one cave to the other, and were described reach Galicia, in the NW of the Iberian extensively in previous papers ( Peninsula, the Eirós Cave (GRANDAL GRANDAL d’ANGLADE & V I D A L d’ A N G L A D E, 1993), in the Serra de ROMANÍ, 1997; LÓPEZ GONZÁLEZ et Rañadoiro. The second of the Galician al., 1998, GRANDAL d’ANGLADE et sites considered in this paper, the Liñares al., 2000). They can be summarized as Cave, is situated in the Serra do Courel follows: (Figure 1). In the deposit of Eirós the bones are Figure 1. Geographic situation of the studied sites. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) A palaeobiological approach to the cave bears 417 well preserved, and not rounded. In some individuals, and not to an acretional depo- cases anatomic connections are preserved, sit with different levels that represent a though in an approximated way large timespan. The chronology of the stu- (GRANDAL d’ A N G L A D E & V I D A L died sites is different: Eirós corresponds to ROMANÍ, 1997). There are no indica- a cold phase in the Oxigen Isotopic stage tions of selection by size in the deposit of 2 (24,090 ± 440 years BP) whilst Liñares the bones, that can be interpreted as a corresponds to a warmer phase in the stage zone of occupation of the bears during the 3 (35,220 ± 1,440 years BP) (figure 2). dormancy period (G R A N D A L The cave bears are suposed to be indif- d’ANGLADE, et al., 2000). ferent to the environmental conditions In Liñares the studied area corres- and not conditioned by the biotope ponds to a deposit placed in a lateral hole (TOEPFER, 1963). They seem to respond running downwards, progresively narrow to climatic changes not by means of and filled in with limestone and slate migration, such as other large hervivors, blocks, clays and bones, intercalated with but with different periods of dormancy. thin stalagmitic floors (L Ó P E Z For instance, in American black bears G O N Z Á L E Z, 1996; L Ó P E Z periods from 5 to 7 months in cold regions GONZÁLEZ et al., 1997). The bones and (ROGERS, 1987) to cases where there was the blocks moved down, together with the no dormancy at all (HELLGREN & clay, along this hole by gravity and spora- VAUGHAN, 1987) have been documen- dic slides. A marked difference is observed ted. on the position of the bones: the large H o w e v e r, the cold glacial periods ones, like cave bear skulls, were found at would produce a strong impoverishment the beginning of the hole, almost closing of the Cave bears' biotope. The presence of the entrance, whilst the smaller were in large areas covered by ice and the changes lower positions, reflecting a strong selec- in the vegetation would lead to scarcity of tion of sizes along the slope. Most of the food or different food sources, that would smallest bones (most of the juvenile have a direct influence in the survivorship remains included) seem to have been lost of the populations. downwards. This fact must be taken into account when a demographic study is SEX RATIO made. Distribution of the populations by sex CHRONOLOGY AND ENVIRON- was calculated from the sexable pieces MENT with almost complete reliability: skull, jaw, limb bones, and canines. The results In order to make a paleobiological are shown in table 1. The sex ratio is dif- interpretation it is necessary to have accu- ferent in both populations. According to rate datings of the deposit, and to know several groups of sexable remains (table 1) that all the bones involved in the study the sex ratio is balanced in Eirós and more correspond to more or less contemporary biased towards females in Liñares. 418 LÓPEZ GONZÁLEZ & GRANDAL d’ANGLADE CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Figure 2. Climatic changes during the Upper Pleistocene and Holocene, and the chronology of the studied sites In Eirós a slight predominance of than those of females. The sexing was females over males can be seen, though the carried out by the transversal diameter of difference is not significant. Only in the the canine. case of the limb bones is the difference The interpretation of the sex ratio in a between the sexes found to a degree grea- cave bear site is not simple. It has been ter than that expected (50% 50%). The suggested that the caves of smaller dimen- population of Liñares shows a greater sions could be occupied preferredly by number of females than males. The skull, females with their young, whereas those of canines, and limb bones show a high pro- greater development they would be lived portion of females in the population. This by males (KURTÉN, 1958) However, in is not the case of the jaws, that give a con- the cases studied here, both caves could be tradictory result. All but two skulls considered "small". Another explanation correspond to female bears, whilst the for the different sex ratios was proposed by number of male jaws is slightly higher REISINGER & HOHENEGGER (1998), CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) A palaeobiological approach to the cave bears 419 Table 1. Sex distribution in the populations of Eirós and Liñares, according to various kinds of sexable remains, in absolute values (a. v.) and percents (%). Data from GRANDAL d’ANGLADE & VIDAL ROMANÍ, 1997, GRANDAL d’ANGLADE et al., 2000. according to whom the females would Nevertheless, during cold global episodes, occupy the highest caves, whilst the males such as in Eirós, the individuals of both would prefer caves at lower altitudes sexes would undergo an equally long dor- above sea level. At first sight, this could mancy and the probabilities of dying be the explanation for the difference within the cave would be also even. observed between Liñares (1,100 m.a.s.l.) and Eirós (780 m.a.s.l.). However, the MORTALITY PROFILES comparison in this terms is not accurate, since both sites are not contemporary. In Eirós the proportion between adults A more accurate palaeoecological and juveniles depends on the type of bone interpretation can be made taking into considered (table 2). Regarding the results account the chronology of both sites, and obtained for some of the strongest remains the different climatic conditions, would such as skulls and long bones, the juveni- provide a better aproximation to the phe- les represent a high percent of the popula- nomenon. STINER (1998), according to tion (60-80 %). However in some of the the ecology of present ursids, propose a most fragile juvenile remains such as sca- model to explain the differences in sex pulae, pelvis or jaws, the proportion ratio. During the tempered times with decreases considerably. In our opinion, abundance of nourishing resources, the this would be the result of a process of males undergo very brief periods of dor- fragmentation that affected the more deli- mancy whereas the females have to remain cate bones that was not detected in pre- more months in the cave to give birth the vious studies. The causes of this fragmen- young and to feed them until (partial) tation are not known for the moment, but weaning. This supposes a more a longer could be due to trampling or as a diagene- occupation of the cavity by the females, tic process. that therefore would have more probabili- In Liñares the percent of adult indivi- ties of dying inside the cave that the duals is much greater than that of juveni- males, who already would have left it les, as is shown in table 2. This is not com- before. This would be the case in Liñares. mon in most of the Cave Bear sites. In our 420 LÓPEZ GONZÁLEZ & GRANDAL d’ANGLADE CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Table 2. Percent of juvenile and adult individuals in the populations of Eirós and Liñares, accor- ding to the most reliable kind of remains. opinion, this phenomenon may be caused cheek teeth from Eirós and Liñares. Also by two reasons: First, because of the pro- the age groups calculated from these sta- cess of washing that affected the filling ges, according to the method proposed by (LÓPEZ GONZÁLEZ, 1996, L Ó P E Z ANDREWS & TURNER (1992). GONZÁLEZ et al. 1997). According to FIG. 3 this, most of the smallest remains, inclu- The mortality profile in Eirós is biased ding the juvenile ones, would have been towards juveniles, whilst in Liñares there lost towards the lake at the bottom of the are more senile individuals. It is necessary hole. This would be the reason why only to remark that the degree of wearing is not the bigger remains of the juveniles have sinonimous of the age, but should be been found, whilst the smaller bones such correlated. Also, the "age" is not neces- as phalanges or metapodials are inexistent saryly equivalent in both populations. (LÓPEZ GONZÁLEZ et al., 1997, If the bears have a mainly herbivorous GRANDAL d’ANGLADE, et al., 2000) diet, as was proposed by many authors A more accurate method to determine (KURTÉN, 1976, BOCHERENS et al., the age at death of the bears can be the 1994; B O C H E R E N S et al., 1997; analysis of the degree of formation and FERNÁNDEZ MOSQUERA, 1 9 9 8 ; wearing of the teeth. Only a very few stu- N E L S O N et al., 1998; LIDÉN & dies of this tipe were made on cave bear A N G E R B J Ö R N , 1999; V I L A populations (ANDREWS & TURNER, TABOADA et al., 1999), the changes in 1992; D E B E L J A K, 1997; G R A N D A L the vegetation could become decisive for d’ A N G L A D E & VIDAL ROMANÍ, the survivorship of the populations. 1997; S T I N E R, 1998; W E I N S T O C K, Studies on stable isotopes of N were made 1999, 2000 and this volume), although on Eirós and Liñares and show an inequi- the results can be highly significative. vocally herbivorous diet (FERNÁNDEZ Figure 3 shows the grouping into MOSQUERA, 1998; VILA TABOADA et development and wear stages (percents) of al., 1999). CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) A palaeobiological approach to the cave bears 421 Figure 3. Wear stages and mortality profiles of the studied populations according to the cheek teeth wearing. The number of specimens is 240 in Eirós and 102 in Liñares. Data from Eirós are from GRANDAL d’ANGLADE & VIDAL ROMANÍ, 1997. Wear stages: 1, germen; 2, unworn; 3, slightly worn, 4, heavily worn. Age groups: I, neonates; II, juveniles; III, prime adults, IV, senile individuals. The changes in the vegetation from the in Eirós has another explanation, and it Liñares time to the Eiros time are known was most probably due to the shortage of to be from open woodlands to steppe-like food supplies, combined with the inexpe- with predominance of grass (HUNTLEY, rience of younger bears, that produces a 1988, WATTS, 1988). Grass are more lack of fat reserves to overcome the long abrassive than other herbaceous plants winter dormancy. The milder climate con- because of their siliceous stems. Thus, a ditions in Liñares would allow the bears to high percent of cheek teeth with heavy reach an older age. degree of wearing could be expected in Eirós, independently of the age at death of the bears. ACKNOWLEDGEMENTS However, the interpretation of these profiles indicates that, at the age of death, This paper is a contribution to the the bears from Liñares had more worn Research Project XUGA PGIDT 00 cheek teeth than those from Eirós. The PXI16201PR. It is also a part of the hypotesis of the abrassive diet as a cause of Doctorate Thesis of one of the authors (F. death in Eirós can be rejected. The death LÓPEZ GONZÁLEZ). 422 LÓPEZ GONZÁLEZ & GRANDAL d’ANGLADE CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) REFERENCES (Lugo). Tesis de Licenciatura. Universidade da Coruña, 90 pp. ANDREWS, P. & TURNER, A. (1992). Life and LÓPEZ GONZÁLEZ, F.; G R A N D A L death of the Westbury bears. Ann. Zool. Fennici, d’ANGLADE, A. & VIDAL ROMANÍ, J. R. 28 (3-4): 139-149 (1997). Análisis tafonómico de la muestra ósea BOCHERENS, H.; FIZET, M. & MARIOTTI, A. de Liñares Sur (Lugo, Galicia). Cad. Lab. Xeol. (1994). 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AB S T R A C T The dental morphology of the cave bear Ursus spelaeus (Rosenmuller & Heinroth, 1794) indicates its specialisation as a vegetation eater. Although vegetal matter plays also an important role in the diet of most living bears, the dental wear exhibited by cave bears di f fers qualitatively from that seen in brown bears even on gross inspection. The diet of the extant brown bear Ursus arctos (Linnaeus, 1758) is well known from present-day stu- dies involving direct observation as well as scat analysis. The ingestion of tubers and other gritty foods has repeatedly been suggested as the cause for the extreme wear obser- ved on cave bear teeth. In this work we seek to analyse the modes and degrees of ena- mel-wear in brown and cave bears from Northern Spain with the objective of shedding some light on the cave bear diet as regards to grit ingestion. We examine the incidence of gross wear features and enamel micro-fractures on the bear molars, and from this it is concluded that the cave bears analysed here did not ingest gritty foods and seemed to avoid putting into their mouth any object at all soiled with gritty dirt. Key words: Ursus spelaeus, Ursus arctos, dental wear, diet Palaeontology Department, The Natural History Museum, Cromwell Rd, London SW7 5BDUNITED KINGDOM 424 PINTO & ANDREWS CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) INTRODUCTION MATERIALS & METHODS In recent years, dental wear studies We have analysed the first lower M1 have been increasingly employed to assess throughout our samples: Cave bears from different ingestion behaviours in mam- Troskaeta Ko-kobea (Basque Country) (21 mals, extant as well as extinct specimens), Tito Bustillo cave (Asturias) (TEAFORD, 1988; KING et al. 1999). (6 specimens) and Cova Eirós (Galicia) (5 This is based on the fact that many abrasi- specimens); fossil brown bears from seve- ves contained or associated with the diet ral caves in Asturias (SH5: 3 specimens, leave marks on the teeth, and different CCV: 1 specimen, LCF: 1 specimen) and patterns of dental wear reflect the beha- extant brown bears from Asturias, from viours that produced them. private hunters collections (12 speci- The study of dental wear yields there- mens). The original teeth have been repli- fore information on behaviours related to cated employing high precision techni- nutritional habits. Enamel is a harder ques (KING et al., 1999), and our analysis substance than most food items, which have been carried out on these replicas. nevertheless produce alterations on it. Every cusp (paraconid, protoconid, Grit is certain to contain substances har- entoconid, metaconid, hipoconid and der than enamel, and the different quanti- hipoconulid) of the M1 has been indivi- ties of ingested grit are bound to show in dually looked at throughout the light dental wear studies. Grit ingestion has microscope, and the following macro-wear been repeatedly suggested as the main features have been recorded for each indi- cause for the extreme wear on Cave bear vidual cusp: teeth (K O B Y, 1940, 1953; S T I N E R, a) Tip cusp loss (rough wear) 1997). b) Discrete ante-mortem enamel micro- On the other hand Brown bear diet is fractures known from several studies, and it does Figure 1 is a sketch of a right M1, involve the ingestion of roots, tubers and naming the cusps and their orientation. gritty foods in varying degrees, and the Figure 2 gives the distribution of foods- ingestion and processing of hard substan- tuffs throughout the year in the diet of ces is reflected in the wear of teeth as European Ursus arctos according to micro-fractures or enamel chipping. This COUTURIER (1954). degree of wear can be seen clearly at low According to COUTURIER (1954), magnification with the binocular micros- roots and tubers account for a 13,2% of cope. The wear on teeth of extant brown the foodstuffs ingested yearly by European bears of known diet is compared with that brown bears. Particularly important are one of Holocene brown bears and cave the tubers of Conopodium majus, that are bears from the same geographical region. the staple from mid May to mid July. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Dental wear and grit ingestion 425 ANALYSIS The breakage of the enamel on cusp tips produces a rough morphology due to enamel micro-chipping, and this gene- rally happens early during the life of the brown bears. Figure 3 is a sample of these enamel micro-fractures as they appear on a present day brown bear (specimen COC- 002) from Asturias. This specimen is two years old and shows a high degree of ena- mel fractures, both on cusp tips and also generally affecting all the oclusal surface. Figure 4, below, is the graphic repre- sentation the data obtained for cusp-tip Figure 1. Right first low M1 of Ursus. As seen from the lingual side. loss with rough topography. Greatest modification is seen on Holocene brown bears, followed by present day brown bears. Cave bears show consistently low values for this kind of tooth wear. This Figure 2. Extant European brown bear diet (COUTURIER, 1954). 426 PINTO & ANDREWS CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Figure 3. COC-002. Extant brown bear from Asturias, two years old. Enamel microfractures. figure strongly suggests that this degree and tubers. In this paper we analyse and of damage is related to grit ingestion in compare the presence and degree of ena- brown bears, and the lack of similar mel chipping on the oclusal surfaces of damage to cave bear teeth indicates that extant brown bears of known diet with they did not eat food encrusted with grit. that of fossil brown bears and extinct cave Discrete chips in the enamel may be bears from the same geographical area. produced by the ingestion of very hard Firstly we revise (binocular lens) sepa- substances, presumably grit amongst rately each cusp tip in the low M1 of the them. Figure 5 below is the graphic repre- bear teeth (paraconid, protoconid, entoco- sentation of the data obtained for these nid, metaconid, hipoconid and hipoconu- discrete ante-mortem enamel fractures. lid) analysed. We record whether the tip Again cave bears display consistently of these cusps appear broken acquiring a low values. Only the mesial cusps are rough morphology, and conclude that affected in our reduced sample of while a very high proportion of brown Holocene brown bears. The low M1 of bears –fossil as well as extant- do show extant brown bears is affected by enamel this alteration, the presence of enamel chipping in all the cusps. cusp tip loss by cause of enamel microfrac- tures (rough topography) is almost negli- SUMMARY AND DISCUSSION gible in cave bears. Secondly we record (binocular lens It has been suggested that the extreme again) any microfracture or enamel chip wear on cave bear teeth is due chiefly to appearing elsewhere on the cusp surfaces the ingestion of grit associated to roots –that is, not in cusp-tips. While all the CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Dental wear and grit ingestion 427 Figure 4. Lower M1 from brown and cave bears. Cusp tip loss with rough morphology. Figure 5. Enamel chips on the low M1 of Ursus. cusps in extant brown bears have some with the 13,19% tubers and roots that enamel chipping, fossil brown bears show they are known to ingest yearly these chips only in the anterior cusps (tri- (COUTURIER, 1954), it has to be con- gonid). The presence of enamel chipping cluded that the consumption of these in cusp surfaces other than cusp tips is also foods by the cave bear Ursus spelaeus was negligible in the case of the cave bears much lower and indeed negligible, and Ursus spelaeus. can not be the cause of the intense wear If we accept that the enamel chipping seen on cave bears. documented here for Ursus arctos correlates 428 PINTO & ANDREWS CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) ACKNOWLEDGEMENTS cave bear collections studied here, and to the Federación Asturiana de Espeleología This research has been made possible and its members, that helped to locate fos- thanks to research projects subsidized sil brown bear specimens. We are grateful firstly by the Fundación Oso Pardo and to Dr. T. King for her kindly teaching us the Fundación para la Investigación high resolution tooth replicating techni- Ciencia y Tecnología (FICYT) of Asturias ques. Also to the Photo Unit of the and later by a joint agreement by DuPont Natural History Museum (London) that Ibérica, Fundación Oso de Asturias and photographed the specimens displayed in The Natural History Museum (London). this paper. Dr. J. Naves provided advice Our thanks also to Sociedad de Ciencias and relevant literature on the subjects tac- Naturales Aranzadi and to the Laboratorio kled. To all of them, our heartfelt thanks. Xeolóxico de Laxe, that hold many of the CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Dental wear and grit ingestion 429 REFERENCES KOBY, F. E. (1953). Modifications que les ours des cavernes ont fait subir à leur habitat. Premier COUTURIER, M. A. J. (1954). L'Ours Brun. Ed. Congrès International de Spéléologie, IV (4): 15-27. 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AB S T R A C T The Ursus spelaeus diet has always been a controversial topic in Paleontology. Both, mor- phometric and isotopic studies, have raised the hypothesis of herbivorism for this extinct ursid that belongs to the order Carnivora. However, the specific composition of its diet is still in doubt. In this paper, and dealing with stables isotopes of 13 C and 15 N in bone collagen, we point out the possibility of Ursus spelaeus feeding basically on nitrogen fixing plants, because of its low d15 N signature, the lowest one among the published data from other Pleistocene herbivores. Key words: Ursus spelaeus, d15 N, bone collagen, diet, nitrogen-fixing plants. Instituto Universitario de Xeoloxía Isidro Parga Pondal. Facultade de Ciencias. Campus da Zapateira s/n. University of A Coruña. E-15071. Galicia. Spain. ([email protected]) 432 VILA TABOADA et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) INTRODUCTION food resources had different 1 5N /1 4N ratios (AMBROSE & DE NIRO, 1989). The cave bear presents a specific tooth Isotopic ratios for nitrogen and carbon are morphology with wide grinding surfaces, presented as d values where and muscle insertions in the skull and the d= ( R / R )-1 x 1000, being jaw which show a great biting power, s a m p l e s t a n d a r d R=15N/14N and 13C /12C, respectively. which is the reason why it is thought to The relative amount of both nitrogen follow a basically herbivorous diet stable isotopes (15N y 14N) vary in soils (KURTÉN, 1976). In recent years, diffe- and tissues, due to the fact that their iso- rent approaches have been followed as to topic compositions depend on the 15N the reconstruction of this species´ diet inputs into the system as well as on the through the analysis of stable isotopes, fractionations of each physic and/or usually 13C and 15N, preferably in bone physiologic process. Nevertheless, it can collagen and in dentine collagen and be noticed a clear enrichment in 15N as we hydroxyapatite (B O C H E R E N S et al. , get higher trophic levels. This enrichment 1994; B O C H E R E N S et al., 1997; ranges from 2.8 up to 5.7‰ for terrestrial FERNÁNDEZ MOSQUERA, 1 9 9 8 ; ecosystems (BOCHERENS et al., 1997). N E L S O N et al., 1998; LIDÉN & It is assumed, as typical fractionation, the A N G E R B J Ö R N, 1999; V I L A value 3 ‰ (KOCH et al., 1994), which is TABOADA et al., 1999). The results deri- added to every step of the trophic chain ved from these studies can be summed up (figure 1). in the following points: Nitrogen isotopes distinguish plants, a) Preferably herbivorous diet based on such as legumes, that have symbioses with C plants. 3 atmospheric nitrogen-fixing bacteria from b) Marked lactation effect, which cau- those that do not. The d15N values of ses an increase in d15N values in bone fixing plants average around 0‰ whilst collagen of young individuals, and in den- other plants have higher average d15N tine values of young and adult individuals, values (SCHOENINGER & DE NIRO, the latter of which maintain the lactation 1984), although some of the variation in signature due to non- renewing of dentine plant d15N values may be due to variation collagen after weaning. in soil d15N values. The biological nitro- c) In some cases, there is a hint of a gen fixation causes a decrease in 15N in the possible influence of winter dormancy on tissues of fixing-plants related to those isotopic signatures (BOCHERENS et al., from no fixing (KOCH et al., 1994). In 1997; FERNÁNDEZ MOSQUERA, this process of fixation, the atmospheric 1998; VILA TABOADA et al. 1999). This nitrogen is enzymatically converted into fact has been confirmed in Fernández organic nitrogen, included in aminoacids, Mosquera et al. (2001). nucleotides and other molecules. Fixation It is know that isotopic analysis of ani- may be caused by a symbiosis of nodules mal nitrogen can also be used to recons- in the roots of several plants (for instance, truct aspects of the diet when potential the family Fabaceae) with some bacteria of CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Cave bear’s diet 433 Figure 1. Relationship between different trophic levels and 15N in terrestrial trophic chains (Adapted from KOCH et al., 1994). the genus Rhizobium, although it may also res than between herbivores and the rest of be a non symbiontic fixation, carried out trophic levels, the d13C signature provides by aerobic bacteria as A z o t o b a c t e r, by little information about the diet of omni- Cianobacteria and there is also a fixation vores and carnivores. due to the rain (STRASBURGER et al., 1994). PLEISTOCENE HERBIVORE’S ISO- 1 3 Regarding the d C signature, it TOPIC SIGNATURES mainly reflects the type of photosynthetic plants which are primery producers in the We have assembled published isotopic food web. Herbivore’s d13C bone collagen carbon and nitrogen data from bone colla- allow us to estimate the amount of C3 and gen of fossil European Pleistocene herbi- C4 plants in the diet because of their very vores. Only adult individuals have been different isotopic signals. Herbivores fee- taken into account. We have no used data ding on C3 plants, which are all the trees from present specimens because most of and herbaceous plants from cold and tem- the papers do not specify anything about perate climates, will show d13C values diet, so it could be no natural. Thus, a pre- around -20‰. On the other hand, herbi- liminary plot would be: vores feeding on C4 plants, which are tro- In figure 2 we have assembled data pical herbaceous plants, will show d13C from the following papers: Bos primigenius values around -8‰. As the fractionation (n=36) from Marillac (BOCHERENS et step is larger between plants and herbivo- a l., 1991) and from Paglicci cave 434 VILA TABOADA et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) (IACUMIN et al., 1997); Equus caballus rity of the graphic, since they show com- (n=22) from Paglicci cave (IACUMIN et parable values to the plotted ones. al., 1997); Mammuthus primigenius (n=10) By taking into account that the typical from Yakutia (B O C H E R E N S et al. , fractionation is 3‰ and that the interval 1996); Coelodonta sp. i.e.: woolly rhinoce- of Ursus spelaeus values is [0.81-5.53], it ros (n=5) from Kent Cavern could be inferred that the basis of the tro- (B O C H E R E N S et al., 1995); R a n g i f e r phic chain would show a negative d15N, t a r a n d u s (n=5) from Marillac corresponding to that of N2 fixing plants, (BOCHERENS et al., 1991); Ursus spelaeus from -1 up to +2, whereas the d15N of non (n=20) from Liñares (VILA TABOADA et fixing ones ranges from +3 up to +6 al., 1999); Ursus spelaeus (n=12) from (LAJTHA & MARSHALL, 1994). Alpine sites (F E R N Á N D E Z As the isotopic studies are from diffe- MOSQUERA et al., 2001); Ursus spelaeus rent geographical locations: NW Spain (n=12) from Divje Babe (NELSON et al., (FERNÁNDEZ MOSQUERA, 1998, 1998); Ursus spelaeus (n=8) from Eirós VILA TABOADA et al., 1999), Central (FERNÁNDEZ MOSQUERA, 1998); Europe (N E L S O N et al., 1998, Cervus elaphus (n= 32) from Paglicci cave FERNÁNDEZ MOSQUERA et al. , (I A C U M I N et al., 1997) and Liñares 2001), Pyrenees sites (BOCHERENS et (VILA TABOADA et al., 1999, 2001). al., 1991, BOCHERENS et al., 1994), Other published data of Ursus spelaeus Belgium (B O C H E R E N S et al., 1997, have not been plotted to improve the cla- BOCHERENS et al., 1999), we do not Figure 2. 15N versus 13C from different fossil herbivores. Notice that Ursus spelaeus 15N values are clearly lower that the rest of herbivores, but data from reindeer (Rangifer tarandus). See Discussion for further explanation. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Cave bear’s diet 435 have to take into account specifically site factors as soil, altitude or endemic vegeta- tion. Thus, even the highest d15N cave bear values, which are related to the dor- mancy length (F E R N Á N D E Z MOSQUERA, et al., 2001) are always lower than those from other herbivores, but the reindeer (Rangifer tarandus L.) DISCUSSION Coeval isotopic signatures from diffe- rent species have been preserved in the fossil remains from Liñares site (Lugo, Galicia, NW Iberian Peninsula). Liñares (G R A N D A L d ’ANGLADE & LÓPEZ GONZÁLEZ, 1998) has provided with contemporary specimens of both species: Cervus elaphus and Ursus spelaeus {37,865 ± 2,070 years Before Present [yBP]; 37,690 Figure 3. Isotopic data of Cervus elaphus and Ursus spelaeus from Liñares site. Data from ± 1,955 yBP and >38,000 yBP for red VILA TABOADA et al. 1999 and V I L A deer (LÓPEZ GONZÁLEZ et al., 1997) TABOADA et al. 2001. and 35,220 ± 1,440 yBP and >38,000 yBP for cave bears (G R A N D A L d’ANGLADE & LÓPEZ GONZÁLEZ, 1998)}. Then, they are supposed to feed dering that: i) the typical frationation is on the same ecosystem, i.e: they are mem- around 3‰, ii) d15N values of Cervus ela - bers of trophic chains based on the same phus from Liñares are [5.71-7.42] (n=8, soil. By comparing adult specimens of the mean: 6.33, standard deviation: 0.53) and same site and same time-span we can iii) Ursus spelaeus d15N values from Liñares remove the influence of soil d15N varia- are included into the interval [2.11-3.61] tion. (n= 20, mean 3.03, standard deviation: It should be pointed out that the red 0.44), there is a difference of 3.3‰ betwe- deer (Cervus elaphus) is a ruminant en the red deer and the cave bear d15N (KOWALSKI, 1981) and this kind of her- average. bivores have rather low d15N values whe- This difference could correspond to the reas the non-ruminant herbivores, spe- one between fixing N2 fixing plants, cially mammoth (Mammuthus primigenius), whose d15N ranges from -1 up to +2, and present high d15N values (BOCHERENS non fixing plants, which range from +3 et al. 1996 and included references). up to +6 (LAJTHA & MARSHALL, As we have proposed before and consi- 1994). It could be possible that cave bears 436 VILA TABOADA et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) from Liñares (d15N mean: 3.03‰) fed on tial aminoacid Lysine (G O N Z Á L E Z fixing plants whose d15N was around 0‰. MONTERO, 1995). Red deer would feed, mainly, on non Whether cave bears ate fruits (more fixing plants as it makes, at present time, protein storage than leaves or stems), and this differentiation in their diet could tubercules or other plant components is explain such a difference in d15N of both not important for our isotopic discussion. herbivorous. This is because the d15N values are no In addition some other issues lead us to influenced by the amount of proteins, but wonder about the possibility of cave bears by the ratio of the two nitrogen isotopes, which is similar in every vegetal tissue. feeding on N2 fixing plants. Thus, it is reasonable to think of cave I.- Vegetation bears feeding on nitrogen-fixing plants (no matter grazing, browsing or bitting) Our hypothesis of feeding on nitrogen- which are more nutritive than any other, fixing plants (not only on Fabaceae) is and less negative than Poaceae for their reliable because they are taxonomically Carnivora-structure teeth. diverse trees, herbs and shrubs, occurring in eight families and 23 genera III.- Dental wearing (SALISBURY & ROSS, 1992) including, for instance, the genus Alnus, pollen from The Cave Bear, despite belonging to which has been positively found in the the Order Carnivora, is an hervivorous Ramesch site, Austrian Alps (FRANK & whose dental formula lacks the three first RABEDER, 1997). This means that fee- upper and lower premolars (in U. deninge - ri P3 and/or P are sometimes preserved) ding on N2 fixing plants would not be a 1 restricted diet, because they range a wide showing instead a long diastema. The variability of forms, climates and condi- cheek teeth show rounded cusps, fre- tions. There are no pollen records publis- quently splitted into several cusplets, and hed for the best isotopically known sites: broad occlusal surfaces often covered by Eirós or Liñares. tubercles, ridges and cusplets that enlarge the masticatory surface to the detriment of II.- Nutritional value the cutting fuction of other carnivores molars. The nutritive value of nitrogen-fixing This morphological feature that gives plants is fairly rich, as much as to the Ursus spelaeus cheek teeth a buno- Graminaceae (cereals), and without the dont appearance, very similar to those of problem of Silicium nodules, which many the omnivorous artiodactyl Sus, is not Graminaceae (=Poaceae) show, and cause a correlationated with the structure of the strong abrasion in the herbivore teeth. It tooth enamel. The enamel of Ursus spelaeus should be noted that the family of fixing does not differ basically from that in other plants Fabaceae (legumes) provides with a carnivores. This vegetarian carnivore significantly higher amount of the essen- retains the typical enamel of its phyloge- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Cave bear’s diet 437 netic group (Von K O E N I G S WA L D, such a different animals about their 1992). physiology nor metabolism ? As a direct consequence of such featu- On one hand we should remark that res, cave bears teeth show a low strength lichens are a symbiosis between a fungal to the abrasion caused by a vegetarian member (Mycobiont) and an Green Algae diet. The high degree of wearing in adult (Eukariota) or Cianobacteria. Thus, some teeth is a commpon characteristic in most of them show the ability of fixing nitro- sites os this species. (KURTÉN, 1976). gen. A diet based in N2 fixing plants would Even though reindeers were thought to cause a determined teeth wearing depen- feed only on Cladina lichens (non N2- ding on the kind of plants and depending fixing), recent studies on present on which part of the plant. It is clear that American Rangifer tarandus (caribou) show a diet based on Poaceae, with siliceous that although it appears to be able to stems and leaves, could cause a stronger balance the low protein content of the abrasion. reindeer lichens by including in its diet a H o w e v e r, there are no comparative portion of the nitrogen-fixing lichens of studies about dental wearing among diffe- the genera Stereocaulon and Peltigera which rent time-span and/or location sites other have relatively high protein contents than the presented in this volume (KLEIN, 1982). (LÓPEZ & GRANDAL, 2001). Besides, Thus, the explanation of the low d15N there is not a study of the degree of wea- of the Pleistocene reindeer plotted in the ring and the age in years of the indivi- figure 2 (B O C H E R E N S et al., 1991) duals. could be a lichen diet with a significant The current research on dental micro- nitrogen-fixing component. Even though wearing will hopefully clarify the Ursus it is not a true neither reliable comparison, spelaeus diet, as it has happened with other the low d15N of cave bears could also be species (HAYEK et al., 1992). due to feed basically on nitrogen-fixing organisms. IV.- Rangifer tarandus CONCLUSION We have noticed that the other fossil herbivore with such low d15N is the rein- It is demonstrated that physiology and deer. This striking fact is very interesting metabolism are two important factors if we bear in mind that current reindeer when dealing with isotopic signatures. If show a very restricted diet: the reindeer Cervus elaphus from Liñares, which –as lichens (Genus C l a d o n i a, Subgenus ruminant- is supposed to show low d15N, Cladina), which are are a good source of and presents a d15N 3‰ higher than Ursus energy. spelaeus from the same site and absolute How is this related to cave bears and age, we might infer that the extremely their diet if it is not possible to compare low d15N of cave bears could be due to feed on nitrogen fixing plants. 438 VILA TABOADA et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) REFERENCES A. (2001). Stable isotopes data (d13C, d15N) from cave bear (Ursus spelaeus). A new approach AMBROSE, S. H. & DE NIRO, M. J. (1989). to its paleoenvironment and dormancy. Proc. R. Climate and habitat reconstruction using stable Soc. London B, 268: 1159-1164 carbon and nitrogen isotope ratios of collagen FRANK, C. & RABEDER, G. (1997). Ramesch. in prehistoric herbivore teeth from Kenya. In: Pliozäne und Pleistozäne Faunen Österreichs Quart. 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Vol. 26, pp. 441-446 Ursus spelaeus and Late Pleistocene associated faunal remains from Loutraki (Pella, Macedonia, Greece)-Excavations of 1999 Ursus spelaeus del Pleistoceno Superior y fauna asociada de Loutraki (Pella, Macedonia, Grecia): excavaciones de 1999 TSOUKALA, E.1; RABEDER, G.2 & †VERGINIS, S.3 AB S T R A C T The large mammal assemblage from the bear-cave A in Loutraki, Pella, Macedonia, Greece, mostly very well preserved, is described and analysed. Among Ursus spelaeus remains, other large mammalian faunal remains, found up to 1999 (the excavation is still in progress) in association with the cave-bears belong to: Crocuta spelaea, Panthera par - du s , Vulpes vulpes, Capra ibex, Da m a sp . One pyrite artefact, found also in association with the ursid remains, adds great interest to this site. The preliminary study showed the predominant presence of the cave-bear, while only very few specimens represent other animals. The presence of abundant deciduous bear teeth, in spite of their fragility, is remarkable. On some bones there are carnivore trace, either of other ursids or scaven- gers. The taphonomical approach would show interesting results. Key words: Large mammals, Late Pleistocene, Loutraki bear-cave, Macedonia, Greece (1) School of Geology, Aristotle University, 54006 Thessaloniki, Macedonia, GREECE (2) Institute of Paleontology, University of Vienna, Althanstraße 14, A-1090, Vienna, AUSTRIA (3) Institute of Physical Geography, University of Vienna, AUSTRIA 442 TSOUKALA et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) INTRODUCTION 150m of this gorge, to the bottom of which the Thermopotamus River is flo- About 10.000 ursid bones, bone frag- wing. The intense erosion of the gorge ments, and teeth from the Loutraki Late may also show relatively recent (post- Pleistocene cave-site besides other samples Pliocene) elevation of the north part of the representing large and small carnivores great Loutraki fault. Extensional tectonic and herbivores, have resulted from five events such as slide planes, high angle seasons of extensive excavations (1992- normal faults and joints, as well as the ero- 1999), which were carried out under the sion, are the reasons of the vertical deve- direction of Dr. Evangelia Tsoukala, in co- lopment of the caves (MOUNTRAKIS, operation with Ministry of Culture 1976). According to the speleological (Ephory of Paleoanthropoly and research of the area the speleological park Speleology). The excavations of 1996 and complex consists of 6 caves, 4 rock shelters 1999 were carried out also with the con- (ambries), 2 potholes, many holes and cave tribution of Vienna University (Profs G. formations. The bear-cave A is at altitude Rabeder and S. Verginis). of 540m. In the broder area there are fin- dings dated to the Paleolithic or the Late LOCATION OF THE SITE Neolithic period and of the Bronze Age with many pottery-remains, while indica- The cave-site of Loutraki (LAC: LOU- tions of Roman habitation in the Almopia TRAKI ALMOPIA CAVES) is located in plain have been noted. A rock shelter, 50 North Greece on the slopes of the Voras m West of cave A, at the same altitude, mountain (2.524 m), very close to the for- presents on its base an old travertine layer, mer Yugoslavian border, about 120 km as well as a very cohesive conglomerate, north-west of Thessaloniki. The caves remains of an old river bed, at the height have been developed mainly in the north of about 70m from the surface of the river. side of the V-shaped Rema Nicolaou The thickness of this occurrence is 3-4m, gorge. It is a part of the "speleological and consists of various stones and sand park", with very rich vegetation, in the deriving from the erosion of the surroun- region of the Loutra spa. ding rocks. These stones are permeated with CaCO3, giving a clast-supported GEOLOGY conglomerate, the imbrication of which is not clearly shown. In some places it is The whole area is a fault ore-bearing shown a flow direction opposite to the zone of NW-SE direction. The Rema today’s river flow direction. Thus the pale- Nicolaou gorge consists of Maestrichtian ogeographical structure was different in limestone with intense karstik phenomena the period of the old riverbed deposition. that have been caused due to the Tertiary There are 3 more old riverbed remains in faulting of the area. The results of these various altitudes. In one of the two potho- tectonic events are many fault surfaces. les, 50m of depth, a recent human skele- The erosion resulted a depth of about CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Ursus spelaeus from Loutraki 443 ton was found and it belongs to a middle- TECHNIQUE OF THE EXCAVA- aged man. TIONS In the area extensive travertine occu- rrences are due to the old geothermal The excavations in the bear-cave A liquids or to the active thermal springs of followed strictly the archaeological rules. this area. After the definition of 0 point, which is common for the ABCD, KLMN and VW block of squares, the orientated sontages HISTORICAL OVERVIEW in the chambers have dimensions: 4x4 m The investigation of this area was star- for the LAC II; 3x3 m for the LAC I; 1x1 ted in 1990, when the speleologist K. m for LAC Ia; and 1x2 m for the LAC Ib. Ataktidis showed to the first author fossil The excavation started in 1992 first, in bones, that were brought to light by trea- the B10 square of chamber LAC II, with sure seekers in the bear cave A. Then a only two layers with many fossil-findings. group of scientists visited the new site and In 1993 the excavations were continued in because of the great paleontological inte- the B10 and B11 squares as well as to the rest, and permission for excavation was trench-square D10 of the same chamber. asked from Ministry of Culture. The first Three coordinates were measured for the excavation circle started in 1992 by bones: the west east, the north south, the School of Geology of Aristotle University, depth from the 0 point, and to the long also sponsored by the former community bones the azimuth. of Loutraki, under the supervision of As it is shown, the brownish deposits Ephoria of Paleoanthropology and are rather homogenous, of a thickness of Speleology (EPS) of Ministry of Culture, about 70cm, mainly of silt sediments in cooperation with Prof. G. deposited under calm conditions of the Chourmouziadis of Archaeology, with the paleoenvironment. All the material and contribution of Prof. Eitan Tchernov. The the sediment have been washed to two excavations were continued in 1993 and double systems of sieves, one for micro- 1994 in cooperation with EPS (Dr. E. mammals of 0.3mm diameter and the Kambouroglou, archaeogeomorpholo- other for large mammal remains of gist). In 1996 and 1999 the excavations 0.5mm. During the last excavation, three- were carried out by Aristotle University, sieve system was used in order the mate- EPS, with the contribution of the Vienna rial of the latter sieve to be more homoge- University (Profs G. Rabeder, S. Verginis nous, the third one of 0.7mm. All this and their team). The local authorities also material will be exhibited to a local gave financial support, first of the former Museum among other archaeological and Loutraki community and Physiographical local folkloric samples. Museum of Almopia, and then by the Over than 10.000 large mammal sam- Aridea Municipality and the direction of ples were found, from the three block of the Loutra spas company. squares (ABCD, LMN, VW in chambers 444 TSOUKALA et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) LAC II, I and Ib respectively). They from that of the LAC I floor Pleistocene mainly belong to very or to juveniles, sediments. There are many disturbances in many in situ (such as the whole metapo- all chambers, made by the treasure-see- dial range of very juvenile with no fusion kers. The excavations followed strictly the of their epiphyses). On some bones there archaeological rules. The brownish rather are carnivore traces. An artifact, found in homogenous deposits, are of a thickness of association with the ursid remains, in the ~70cm, mainly of silty sediments deposi- sieving of the third layer of B10 square ted under calm conditions of the paleoen- adds great interest to the excavations. vironment. Seeds found during sieving were determi- ned by the archaeologist †Maria Magafa as PALEONTOLOGY Rumex crispus, Picris echioides, Matricaria c h a m o m i l l a (Chamomila recutita) , Loutraki U. spelaeus is a rather robust Compositae, typical Mediterranean plants. type, with complicated morphotype of the The first one is the most common and premolars, especially of the lower premo- loam, clay and nutrient indicator. The lar P4, which is at the stage of three or four second is stony wasteland indicator and cuspids, thus showing clearly a tendency the third one indicates fresh or sandy for molarization and an advanced evolu- loams, rich in nutrients, also saline soils. tionary stage. The bear remains represent animals of all ages (males or females) but THE CAVE A the young ages dominant, as it commonly occurs in bear-caves. The presence of the Small fragments of recent stalagmite most abundant milk teeth, in spite of that covered cranial fragments and mandi- their fragility, is remarkable and unique ble of a child were found. The LAC Ib for the Greek bear-caves, as well as of chamber, with the VW sontage gave inte- teeth, which have just been substituted, resting material, especially in 1999, espe- shows clearly, that bears used the cave as a cially of hyaenid bones, as well as large den. They are hundreds of teeth, represen- stones and large ursid specimens, such as ting all the milk tooth-row. The prelimi- skulls, complete pelvis, long bones etc. nary study, except the dominant presence Therefore the presence of the "unknown" of U. spelaeus, showed only few specimens scavenger that was described in 1993 in to represent a small bovid, cervid and car- the study of the Taphonomy is now con- nivores, such as a large felid, fox and cro- firmed. The Ia small chamber is very dif- cuta. Prehistoric humans seem not to have ficult of access, as it is more than 6m hig- used the cave, as the findings so far (except her on the LAC I floor, on the top of a one lithic pyrite artefact) do not show this, slippery rock. During the 1996 a quick but the excavation is still in progress excavation of this chamber resulted abun- (TSOUKALA 1994, 1996; TSOUKALA dant material of macro- and micromam- et al., 1998). mals of Holocene age. Obviously, the fee- The following faunal elements have ding source of these sediments differs CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Ursus spelaeus from Loutraki 445 been determined in the bear-cave up to almost complete skulls of sub-adults and now: juveniles. • The majority of the tooth and bone remains belong to juveniles and sub- adults, while very few belong to very old individuals and few to adults, indicating thus an extremely high incidence of young and neonate mortality. There are many bear carcasses as a result of death during hibernation. The abundance of the milk teeth, in spite their fragility, is very remarkable. • The presence of both sexes has been established due to the sexual dimorphism either of the teeth (mainly canines) or of the postcranial skeleton, with a slight pre- dominance of females over males. • Very few bones, such as a complete right anterior foot, have been found in situ, but the majority has been found scat- Some of the conclusions are: tered, and this is due either to the animals • The Loutraki bear-cave is very rich in themselves or to the action of flowing paleontological material. water. • Carnivores are represented in scarce • The rounding and abrasion of some diversity, but ursids are extremely abun- bones such as metapodials, phalanges and dant. patellas also establish the action of flo- • The study of about half of the wing water. The not so good preservation ~10.000 bones, bone fragments and teeth of certain remains, as well as their position of the bears, the most representative, sho- within the sediments, indicate a rather wed the presence of the U. spelaeus. considerable, but not great (few were • The bones are mostly well preserved. found in situ), flow over the deposit. Few long bones are complete and well pre- • Few bones, have traces of large carni- served. vore teeth and this can be explained either • The abundance of the material shows by the presence of the other carnivores relatively long occupation of the cave by (felid, hyaenid, canid) or by cannibalism. bears. The cave does not seem to be used • Some bones have cutting marks, by humans, as only one lithic (pyrite) arti- which are probably due to many rodents. fact was found in B10 square. • The bears used the cave as a den. • The absence of well preserved com- The abundance of the material, the juve- plete skulls of adults, among this rich nile remains, establish the inhabitation. material is remarkable, while there are few 446 TSOUKALA et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) REFERENCES remains from the Quaternary of Greece, Turkey and Israel. Acta Zool. Cracoviensa, 39 (1): 571- MOUNTRAKIS, D. (1976). Geological study of the 576, Krakow, Poland. Pelagonien and Va rdar Zone boundary in the TSOUKALA, E.; RABEDER, G. & †VERGINIS, Almopia area (North Macedonia). Thesis Dissert. S. (1998). Ursus spelaeus and associated faunal Aristotle University, pp.: 1-164, Thessaloniki. remains from Loutraki (Pella, Macedonia, TSOUKALA, E. (1994). Bärenreste aus Loutraki Greece) - Excavations of 1996. Geological and (Macedonien, Griechenland". "Ursus spelaeus", geomorphological approach". 4th International 2nd Höhlenbären Symposium, 15-18 September, H o h l e n b ä r e n - S y m p o s i u m, 17-19 September, Corvara, Italy. Velenje, Slovenia. TSOUKALA E. (1996). Comparative study of ursid Cadernos Lab. Xeolóxico de Laxe ISSN: 0213-4497 Coruña. 2001. Vol. 26, pp. 447-455 The updated record of cave bear and other members of the genus Ursus on the territory of Czech Republic Registro actualizado de Oso de las Cavernas y otras especies del género Ursus en la República Checa WAGNER, J. AB S T R A C T During the 2nd half of 20th century, a succession of new Pleistocene localities was dis- covered and some classical paleontological sites were revised. From many of those pla- ces also bear remains were recorded. Nine localities provided large material of bear remains in good stratified layers. Bear record from Moravian localities were studied in details by Prof. R. MUSIL from Brno. This paper presents a review of updated kno- wledge on this localities - especially about their stratigrafical position (based on micro- mammalian evidence) and basic information on bear remains studied. Key words: Pleistocene, Ur s u s , cave bear, brown bear, Czech Republick, Bohemian karst, Moravian Karst Charles University. Faculty of Sciences. Department of Palaeontolog. Albertova 6.12843 Praha 2. CZECH REPUBLIC 448 WAGNER, J. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) INTRODUCTION The most important informations are given by new discovered sites with both Palaeontological investigation of fossil large and small mammals together, which cenozoic mammals has a tradition in the allows morphometric studies of bears territory of the Czech Republic. Already combined with their exact stratification. from the begining of this investigations The most importent are as follows: remains of bears were among the most fre- 1) Holstejn (Moravian karst) quent finds. The first phase research star- Stratigraphy: zona B of Early Biharian st ted in area of Moravian karst in the 1 half 1 (FEJFAR & HORACEK, 1990) th of the 19 century (e. g. WANKEL made Stratigraphicaly significant taxa from in 1850 first skeleton of cave bear in the this locality: Microtus (Allophaimys) pliocae - Austria-Ungarn from bones founded in n i c u s KORMOS, Mimomys pusilus nd th Vupustek cave). From the 2 half of 19 (MÉHELY), Pliomys episcopalis MÉHELY, century lot of data about bear finds from P. lenki (HELLER), Hypolagus beremendensis Moravia (WANKEL. 1867; MASKA, (PETENYI) (according MUSIL, 1966). 1884, 1886; KNIES, 1891, 1893 etc.) and The others species of carnivores from from Bohemia (KREJCI, 1865; LAUBE, this locality: P a n t h e r a cf. g o b a s z o e g e n s i s 1874; WOLDRICH, 1890, 1893, etc.) (KRETZOI), Putorius cf. stromeri KOR- th has been recorded. At the end of 19 and MOS, Meles meles (LINNAEUS) (according st th during the 1 half of 20 century first MUSIL, 1966). lists of vertebrates fossils finds (incl. bears) Locality was discovered in 1965 were given from the area of Bohemia during limestone-mining. It was a chim- (WOLDRICH, 1897; KAFKA, 1901; ney cave infilled with terra rossa deposits. B AYER, 1905) and Moravia (KNIES, Fauna was published by MUSIL (1966). 1929; STEHLIK, 1929; SKUTIL & The locality provided about 30 items STEHLIK, 1932). The old authors deter- of bears, all identified as Ursus sp. by mined their finds mostly as U. spelaeus or MUSIL who compared them to the bears Ursus arctos/priscus. Some of these finds are of Biharian age (U. deningeri, U. mediterra - but lost, the most of remaining is not revi- neus, U. e. ? d. gombaszoegensis) but did not sed and without stratigraphical level or coidentified the Holstejn bears with anyo- nd st correct localization. Till in 2 half of 20 ne of them. The form was very near to U. century began modern palaeontological e. ? d. gombaszoegensis but exhibited some research. New and revised old localities more primitive features. are discovered, with emphasis to stratigra- The following items were published: phical signification. The most important fragment of mandible with M2 and M3, researchers of this period are FEJFAR in free C, fragment of mandible with C, and Bohemia (FEJFAR, 1956, 1961, 1993, a lot of fragments of long bones, hand and etc.) and MUSIL (MUSIL, 1959, 1962, food bones and ribs. 1965, 1968, etc.) in Moravia. The papers 2) Stranska Skala (Brno) of the last author brougt detailed studies Stratigraphy: Late Biharian 2 (FEJ- of cave and brown bear. FAR & HORACEK, 1990) CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) The updated record of cave bear on Czech Republic 449 Stratigraphicaly significant taxa from Pitymys gregaloides HINTON, P i t y m y s this locality: Allocricetus bursae SCHAUB, s c h m i d t g e n i KRETZOI (according FEJ- Pliomys episcopalis M E H E LY, Mimomys FAR, 1961). savini HINTON, Pitymys hintoni KRET- The others species of carnivores from ZOI, Pitymys gregaloides HINTON (accor- this locality: Canis mosbachensis S O E R- ding LOZEK & FEJFAR, 1957 and GEL, Vulpes angustidens T H E N I U S , MUSIL & VALOCH, 1968) Mustela palerminea (PETENYI), Meles ata - The others species of carnivores from vus KORMOS, Xenocyon lycaonoides KRE- this locality: Canis mosbachensis S O E R- ETZOI, Hyaena brevirostris AY M A R D , GEL, ?Cuon sp., Vulpes angustidens THE- Panthera fossilis (VON REICHENAU), NIUS, Vulpes praeglacialis, ?Vu l p e s s p . , Panthera gombaszoegensis KRETZOI, Felis Xenocyon lycaonoides KREETZOI, Crocuta sp., Lynx issiodorensis (CROIZET & crocuta ssp., Hyaena brevirostris AYMARD, JOBERT), Homotherium moravicum (WOL- Gula schlosseri KORMOS, H o m o t h e r i u m DRICH) (according FEJFAR, 1961, moravicum (WOLDRICH), Lynx sp., Meles WOLSAN, 1993 and MAZUCH, 1997) atavus KORMOS, Panthera gombaszoegensis This is a karst filling - relict of an KRETZOI, Panthera pardus (LINNAEUS) extent cave entrance. It was studied by (according (MUSIL & VALOCH, 1968 FEJFAR (1956, 1961 etc.). From this and WOLSAN, 1993) filling exist detailed description of layers This is a classical palaeontologic site and their micromammalian remains, the- repeatedly investigated since the begin- refore all record of bears collected by ning of 20th Century. The history of inves- Fejfar is stratigraphically fixed. tigation was described in details by From this locality two bear species MUSIL (1965). Besides of the main sec- were described: U. deningeri and a smaller tion (site 4 by MUSIL), a number of diffe- form, which is usually reported as U. medi - rent fissures and caves nearby it was also terraneus (of course, it could be a member investigated. of Ursus gr. arctos sensu MAZZA & RUS- The finds of bears before 1945 was TIONY, 1994, in fact). The material is revised by MUSIL (1972) and new mate- rich. It is partly deposited in Charles rials was discribed by the same author University (FEJFAR collection), partly in (MUSIL & VALOCH, 1968; MUSIL, National Museum (PETRBOK collection) 1995). All Biharian bears were designated and a few pieces (about 14) in Museum of as U. deningeri. Bohemian karst in Beroun (LYSENKO 3) C 718 (Bohemian karst) collection). Stratigraphy: Late Biharian 2 (FEJFAR 4) Stranska Skala cave (Brno) & HORACEK, 1990); this is one glacial Stratigraphy: earlier part of Toringian cycle probably at the end of biharian. (FEJFAR & HORACEK, 1990) (based on Stratigraphicaly significant taxa from the micromammalian from cave clay) this locality: Allocricetus bursae SCHAUB, Stratigraphicaly significant taxa from Pliomys episcopalis MEHELY, Mimomys savi - this locality: Microtus gregalis type "grega - ni HINTON, Pitymys hintoni KRETZOI, loides", Microtus arvalis type "arvaloides", 450 WAGNER, J. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Dicrostonyx simplicior, Pliomys episcopalis The material is deposited in The National (according FEJFAR & HORACEK, 1990) Museum Prague. It is a spacious cave where a large The Würmian (= Weichselian) finds number of bear remains was found just at are fairly poor. They were identified as the surface of deposits. These bears was Ursus arctos ssp. by MOSTECKY (1969). determinated as U. deningeri (MUSIL, SEI- Between these two bear-containing stratas TEL in litt. ex FEJFAR & HORACEK, is a considerable time gap from which no 1990). By MUSIL`s opinion (MUSIL in bear remains are available (W 1-2) (MOS- litt.) the bears remains are of the TECKY, 1969). Cromerian age (i.e. the late Biharian), the 6) Cave “Barova” (Moravian karst) microfauna obtained from the deposits by Stratigraphy: Upper Toringian (sensu HORACEK (in litt.) was apparently of FEJFAR & HORACEK, 1990); Würm the post-Biharian age. glacial ( MUSIL, 1959) 5) Chlupacova sluj (Bohemian karst) This is a typical bear-cave. It was dis- Stratigraphy: toringian (FEJFAR & covered in 1947. The section of the cave HORACEK, 1990); in this cave are the bearing a large concentration of cave bear interglacial and glacial deposits of Eemian bones was discovered in 1958 during the and Weichselian speleological investigation. The matere- I n t e rglacial micromammalian: rial was collected by R. MUSIL. Microtus arvalis, Apodemus sp., Glis sp. The most bear remains were in red- (FEJFAR in litt.) brownish (ferruginous) soil (W1-2). The others species of integlacialy car- Anyhow, the bones were found also in the nivores from this locality: Vu l p e s s p . , overlying layers but in much smaller com- Panthera spelaea (GOLDFUSS), Crocuta spe - centration. Excavated were only the W1-2 l a e a (GOLDFUSS) (according MOS- remains. Tooth (e. g. 6x P4, 17x M1, 22x 2 TECKY, 1969). M , 9x P4, 12x M1, 28x M2 and 18x M3) This is a remain of vertical karst cavity. from this layer were studied by MUSIL It was discovered during limestone (1959). The bears were determinated as mining at the end of 19th or beginning of Ursus spelaeus. 20th century. 7) Cave “Sveduv stul” (Moravian The R/W (= Eemian) interglacial bears karst) were studied by MOSTECKY (1963) and Stratigraphy: Upper Toringian (sensu determinated as Ursus arctos taubachensis. FEJFAR & HORACEK, 1990); Würm Besides the isolated tooth (e. g. 4x P4, 5x glacial (MUSIL, 1962) 1 2 M , 7x M , 3x M1, 2x M2 and 2x M3) and The others species of carnivores from postcranial elements (published by MOS- this locality: Panthera pard u s ( L I N- TECKY) a nearly complete skull is avaial- NAEUS), Crocuta spelaea (GOLDFUSS), ble from the interglacial layers of the site Canis lupus LINNAEUS, Vulpes vulpes (HORACEK in litt.). The most of the (LINNAEUS), Alopex lagopus seu corsac, items were collected in the sixties by Meles meles (LINNAEUS) (according J.Peterbok and latter by MOSTECKY. MUSIL, 1962). CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) The updated record of cave bear on Czech Republic 451 This is a one of the typical palaeonto- Mustela cf. minuta (POMEL), Putorius cf. logical localities in Moravian karst. The putorius (LINNAEUS) (according MUSIL, investigation has begun here at the end of 1965) 19th century. This is a typical hyaena-cave. The site known since the end of 19th The results of the recent investigation century was newly studied during 1956- (1953-1955) was published by MUSIL 1958 by MUSIL (1965). (1962). The Pleistocene layers were subdivided The locality provided more than 700 into 5 sections (W1, W1-2, W2, W2-3, tooth and some bones (not so many). All W3). All these stratas were fossiliferous, were dated to the Würmian, covering and, in general, quite a large collection of either W1-2 (+? R/W), W2, W2-3 and bears was obtained from this locality. The W3. The bear remains were found in all most of remains belong to Ursus spelaeus, a the stratas. The largest number of remains few finds (remains of three mandubles) come from W1-2 (320 tooth) and W2 from W1-2 were designated as Ursus arctos (343 tooth). Both Ursus spelaeus and Ursus priscus. Teeth and bones were described in a r c t o s were determinated but most of details by MUSIL (1965) who compared remains belong to cave bear. tham with those of the cave bears from Worth of particular interest are some "Barova" cave and "Sveduv stul" and tooth from W1-2 and W2, called "tooth demonstrated morphometric changes with simple morphology". They are assigned during Pleistocene in morphometric pat- to cave bear, but have only main cusps, terns of cave bear populations and mor- simple inner field and are mostly without phometric differences between separate cingulum. These characters states are even populations of this species over such a here quite a rare, of course. small area as that of the Moravian karst. 8) Cave “Pod hradem” (Moravian The morphogenetic analysis of cave bears Karst) from cave "Pod hradem" was further Stratigraphy: Upper Toringian (sensu undertaken by G. RABEDER (1989). FEJFAR & HORACEK, 1990); Würm 9) Predmosti near Prerov glacial ( MUSIL, 1965) Stratigraphy: Upper Toringian (sensu Stratigraphicaly significant taxa from FEJFAR & HORACEK, 1990); würm this locality: Citellus citellus LINNAEUS, (MUSIL, 1965) Microtus gregalis (PALLAS), Microtus oecono - This locality ranks among the classical mus (PALLAS), Microtus nivalis (MARTIS) palaeontological and archaeological loca- ( according MUSIL, 1965) lity. The records come from an extensive The others species of carnivores from loess deposit very rich in fossil remains this locality: Panthera spelaea (GOLD- (the station of the Mammoth hunters). FUSS), Crocuta spelaea ( G O L D F U S S ) , The bear material was revised by MUSIL Canis lupus LINNAEUS, Vulpes vulpes (1964). (LINNAEUS), Alopex lagopus ( L I N- The former descriptions coidentified NAEUS), Martes sp., Mustela erminea LIN- the bear material with Ursus spelaeus. NAEUS, Mustela nivalis L I N N A E U S , During revision by MUSIL also a larger 452 WAGNER, J. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) collection of Ursus arctos priscus was here morphological and metrical comparision identified which come from the end of of this form with the cave bear from the W2 (or W2-3) or from the begining of cave "Pod hradem"., "Sveduv stul" and W3. MUSIL (1964) undertook a detailed "Barova". A biostratigraphic table with stratigraphical position of refered localities (the base of the Biharian is a FAD of Microtus) (accordina FEJFAR et HORACEK, 1990) CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) The updated record of cave bear on Czech Republic 453 454 WAGNER, J. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) REFERENCES MAZUCH, M. (1997). Felids carnivores (Felidae, Mammalia) in the Pleistocene of the Bohemian karst. BAYER, F. (1905). Fossilia vertebrata Bohemia. Ceská Dipl. Práce, PrF UK, 74 pp. (unpubl.) (in Akademie cisare Fr. Josefa pro vedy, slovesnost czech) aumeni. 102 pp. Praha. 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AB S T R A C T As a result of detailed discussion under different points of view, this study has neither endorsed evidence of any early belief system nor of cave bear worship. All relevant con- ceptions of that kind are either products of a certain mental climate at the time of the discovery of the fossils or of ideologies. The current hypothesis of the existence of an ancient bear cult is based partly on discoveries, but mainly on ethnographic analogies. Ho w e v e r , the discussion of religious customs among recent hunter-gatherers proves that what remains of the practise of their cult differs markedly from the fossil remains found in the Mousterian bear-caves. An examination of the fossil bone formations from a palaeontological point of view makes clear that supposed ancient bear cult sites are bone beds of natural origin. The characteristic appearance of the sites is a result of the activi- ties of the bears themselves and of geological and sedimentary processes. Conceptions of cave bear worship during the early and middle Palaeolithic period belong to the realm of legend. Key words: Cave bear, worship, Palaeolithic University of Hannover. Seminar für Religionswissenschaft. Klingerstr. 1. D-30655 Hannover. GER- MANY 458 WUNN, I. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) 1. THE SCIENTIFIC BACKGROUND the Wildenmannlisloch in Switzerland and in Slovenia’s Mornova Cave. In 1946 Up to now anthropologists have taken André Leroi-Gourhan excavated seven for granted that a bear cult, which is com- cave bear skulls arranged in a circle in mon in recent hunter-gatherer communi- Furtins Cave, Saône-et-Loire. In 1950 ties, was already practised during the mid- Kurt Ehrenberg secured a deposit of long dle Palaeolithic period. The opinion that bones arranged together with cave bear Palaeolithic man already had a complica- skulls in the Salzhofen Cave in the ted religion with certain apprehensions of Austrian Alps (LASCU et al., 1996: 19- the holy and different rituals, can be found 20, MARINGER, 1956: 91 - 96). The in nearly every religious reference work. latest find of supposed traces of prehistoric FRITZ HARTMANN (1957: 403) writes cave bear worship was published in 1996. for example: "The magic of the hunt In the Rumanian Bihor- M o u n t a i n s belongs to this typically human concep- Christian Lascu et al. discovered a cave tion of the world." rich in palaeontological cave bear deposits The concepts in the interpretation of (LASCU et al., 1996). Scholars such as the archaeological findings are based on Johannes Maringer or Å K E excavations in the caves of the Alps during H U LT K R A N T Z (1998) refer to the the first decades of the twentieth century, reports of the excavators, when they inter- where the remains of cave bears were pret the deposits as the remainder of cult detected. The excavators got the impres- practise. The historian Karl Narr also sion that the arrangement of the fossil gives an account of the deposits of cave bones could hardly be due to nature, so bear skulls and long bones, but remains they attributed this to the activities of sceptical (NARR, 1957: 10). Homo neanderthalensis who were assumed to have killed the animals and arranged their bones during certain ceremonies. In histo- 2. INTELLECTUAL ABILITIES OF rical and even recent times nearly every- Homo neanderthalensis where in the Arctic, primitive peoples The assumption that Homo neandertha - knew about rituals connected with the lensis practised the cult of the bear, is hunting of the bear (EDSMAN, 1957: based on several fundamental require- 841). The first excavators of the caves, ments. One of the presuppositions is that Emil Bächler and Karl Hörmann, took the intellectual abilities of H. neandertha - these ceremonies of circumpolar peoples lensis were sufficient to develop any reli- to prove their hypothesis of an ancient gion, and, as a consequence, that there are b e a r-cult in prehistoric times empirical facts proving the existence of a (MARINGER, 1956: 95ff). In the follo- symbol system in the Palaeolithic period. wing years several discoveries of similar From an anthropological point of view, bear-caves seemed to support the hypothe- the European Middle Palaeolithic is cha- sis of cave bear worship. Emil Bächler racterised by Homo neanderthalensis himself discovered bear bone deposits at (HENKE & ROTHE, 1999: 272f). This CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Cave bear worship in the Palaeolithic 459 early representative of the genus Homo of fundamental difference between the lived over a period of nearly 100 000 mind of H. neanderthalensis and H. sapiens years, during which the landscape, clima- (HENKE & ROTHE, 1999: 275, te and living conditions changed dramati- REYNOLDS, 1990: 263 ff). Theoretically cally. These environmental changes might at least the late Homo neanderthalensis may have contributed to the special anatomical have been capable of developing a symbol features of Neanderthal man. Surely the system or thinking in abstract terms, need to adapt to a frequently changing which is essential for any religious habitat forced H. neanderthalensis to deve- thought. lop sociocultural abilities which were clo- sely related to the progressive evolution of 3. SUPPOSED TRACES OF RELI- intelligence and psychological abilities. GION The intellectual skills of Neanderthal man are, however, the source of heated debate. Just as the religion of Neanderthal As the British archaeologist and psycholo- man was regarded as irrefutable fact, there gist Steven Mithen emphasises, the was hardly any doubt that Homo neander - obvious lack of creativity is only due to thalensis subjected the heads of the decea- the meagre interaction between the diffe- sed to a special treatment and set them up rent domains of the mind. Cognitive flui- for ritual purposes. Other scholars are still dity only took place between the domains convinced that Neanderthal man hunted of social and linguistic intelligence fellow humans to kill and eat them (MITHEN 1996: 143 and 147ff). Other (ULLRICH, 1978: 293 ff, HENKE & authors share a different opinion. In gene- ROTHE, 1999: 277). It is said that the ral the lithic culture of Neanderthal man victims’ skulls later became the focal is the Mousterian, which is still simple point of a ritual. Latest investigations in compared to the technology of the upper archaeology prove that all finds of isolated Palaeolithic. On the other hand the lithic heads or jaws are the result of taphonomic cultures are not strictly related to the one processes (HENKE & ROTHE, 1999: 54- or the other human species. Homo neander - 56). After a careful re-examination of the thalensis too was found together with the original reports of the excavations, technically more advanced and creative FABIENNE MAY (1986: 17 and 33-34) tools of the Upper Palaeolithic, and fossils states that none of the descriptions of the of Homo sapiens were found together with excavations is sufficient to confirm the the more plain tools of the Mousterian hypothesis of a ritual. Since it could be culture. Therefore direct relations betwe- shown that even the assumed skull depo- en a certain human species and its lithic sition of Monte Circeo was not the result culture cannot be proved. Technical skills of human activities, but the damage to the of the younger H. neanderthalensis and skull was rather due to the work of hungry early H. sapiens obviously did not differ. hyenas, the last argument in favour of a Those facts lead to the assumption that skull cult is disproved (HENKE & there is no palaeanthropological evidence ROTHE, 1994: 527). 460 WUNN, I. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Not only head-hunting, even ritual deserve that name. Only few places, e.g. cannibalism is imputed to Neanderthal La Chapelle-aux-Saints or Shanidar allow man. But the facts, on which the theory of us to assume that intentional funerals took prehistoric cannibalism are based, are place at all. It must seem natural, that usually poor. Frequently it was sufficient Neanderthal man knew feelings such as to assume cannibalism existed, if a skele- mourning, rage, despair and incredulity at ton was found incomplete or not in anato- the final loss of a beloved person. mical order (MARINGER, 1956: 81f). It Obviously those feelings induced is still considered as strong proof for can- Neanderthal man from time to time, to nibalism, when split human bones occur, handle the corpse of the deceased in an as they were excavated for example at affectionate way. This does not mean, that Krapina. However, due to the fact that the he had to believe in life after death or that excavators operated with dynamite, the he was capable of religious feelings. condition of the bones hardly allows any Especially the lack of any funeral rites pro- conclusions about the cause of death ves the absence of a certain common (PETER-RÖCHER, 1998: 41). Scratches belief. On the other hand those rare fune- on the bones, which were supposed to be rals can be a first hint of an initial feeling traces of stone tools, have not been exami- or hope, that there might be a certain ned with the help of a scanning electron form of existence even after death. microscope. Without such an examination the cause of the scratches cannot be detec- 4. BEAR-CULT ted at all. In the long run there is not a single point of reference which could As archaeological facts prove, the prove the theory of ritual cannibalism in current hypothesis of a fully-developed the Palaeolithic period. religion during the Middle Palaeolithic An intended funeral is considered a including cult-practice, funeral-rites and clear indication of conceptions of life after belief in an afterlife has to be refuted. death (HEILER, 1979: 516, WIßMANN, Only the assumption of early cave bear 1980: 730). Therefore reports of alleged worship supports the idea of religious cus- funerals always cause attention, even if toms originating in the Middle cautious archaeologists warn about overin- Palaeolithic up to now. Instead of suppor- terpreting badly documented excavations. ting the hypothesis of the magic of hun- The excavation reports seem to prove that ting, the most impressive arg u m e n t s the hunter of the Moustérien already against cave bear worship come from the believed in life after death. All documents bone deposits itself: Crucial biological of the excavations, which scholars of the objections are to be stated first of all. Both humanities used to prove their opinion of the cave bear (Ursus spelaeus), which was funeral rites in the Palaeolithic period, extinct at the end of the last ice age, and were recently examined by FABIENNE the brown bear (Ursus arctos), which spre- MAY (1986: 11 - 35). She comes to the ad all over Eurasia since the Eem period, conclusions that not all so called funerals show a strong preference for cave accom- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Cave bear worship in the Palaeolithic 461 modation. There they hide during winter- 45). But not only decomposition influen- time and give birth to their young. The ces the state of the bones. During their caves where the relics of alleged bear history the caves were flooded several worship were found are the natural habitat times, as the accumulated sediments of the animals, where they spend the long prove. Such floodings do not remain winters and hide their young. In those without influence on the fossil material. surroundings, the bears often died of natu- With high water levels and stronger ral causes, for example age, illness or lack currents all loose material is either rinsed of food. Therefore their bone fossils are away or carried for a certain distance and bound to be found in those places, if they then dropped at a place where there is a were not carried off by carrion eaters or weaker current. During these processes removed by sedimentological processes. the anatomical bone order is radically alte- The occurrence of cave bear bones in the red. Therefore the accumulation of several caves of the ice age, which served genera- skulls in one place and the absence of tions of bear families as shelter, is just other bones is due to geological and sedi- what a palaeontologist would expect. mentological processes and not to human The proponents of Palaeolithic bear intervention. The floating ability of sedi- worship did not only think the mere occu- ments can be reduced by prominent parts rrence of bear bones in the caves to be of the walls or unevenness of the floor, remarkable, but also their alleged assort- resulting in some bone parts being depo- ment and arrangement in which they were sited in the proximity of obstacles. A con- found. However, there first takes place an crete example of this effect is the discovery amassment of bear bones in certain places of several skulls deposited in a crosslike by the activities of the bears themselves. pattern in the Cold Cave of the Bihor The parts of skeletons of the deceased ani- Mountains. The obstacle, which reduced mals, which are originally in their anato- the transportability of the skulls crucially, mical order, are thrown into disarray or was a stone, at which the fossil skulls were scattered by later generations of bears. deposited (LASCU et al., 1996: 30 plate. Sometimes they are pressed to the walls, 3). Just as little as the assortment of the were they are relatively protected against bone material is proof of human activities, further decay (L E R O I - G O U R H A N, so the adjustment of the fossils is an unna- 1981: 39). Also the outweighing of skulls tural process. The movements of a trans- and long bones is a result of a process of port medium, be it wind, sediment or natural decay and not due to human acti- water, are transferred to the material to be vities. The mentioned parts of the skele- transported, so that the movement in a ton are relatively heavy and compact, so special direction leads to its assortment. that they are more able to resist decompo- Therefore the assortment of bear skulls is sition processes than the small vertebrae, not due to human activities, but to the ribs, foot-bones or hand-bones. A result of flowing water or other transport mediums those processes is the natural selection of in the caves. The bear caves show exactly the bone material (ZIEGLER, 1975: 44 - what a palaeontologist would expect. 462 WUNN, I. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Nothing suggests that the natural process the bear to help the deity to return. The of decay and sedimentation was at any dead bear is showered with gifts and trea- time interrupted or disturbed (WUNN, ted with honour. After the ceremonies the 1999, S. 6 ff). skull of the bear is put on a long stick, which is erected at the holy fence of the 5. THE ETHNOGRAPHIC ANALO- village. All Arctic people deal similar GUE with the remnants of the dead bear. Only the nomadic tribes of northern Europe Even a detailed discussion of the finds carefully bury the skeleton of the killed of cave bear bones under an ethnographic game. All mentioned hunter- g a t h e r e r point of view leads to the same results communities are not restricted to the cult (WUNN, 1999: 3 - 23). The careful and of the bear, but also know about further critical use of ethnographic analogies, on rituals in connection to the hunt of other which the theories of a cave bear cult is dangerous and important animals. The founded in the end, just serves to prove Ainu for example have similar rituals for the non-existence of Palaeolithic cave bear the big mammals of the Arctic sea, which worship. The East-Asian Ainu, the North- belong to their favourite game. In American Ojibwa, the nomadic tribes of Northern Europe complicated rites con- Northern Europe and other peoples living cerning reindeer are common. The in the Arctic region still know the magic American Indians’ knowledge covers of the hunt and especially the cult of the rituals concerning salmon, which is an bear. All those hunter-gatherer communi- important food supply. All those ethno- ties have a complicated religion with graphic examples force the following con- detailed ideas about gods and goddesses or clusion: the so-called master of the animals, an If H. neanderthalensis had known cave afterlife, the realm of the dead, or ghosts bear worship, its traces would have been and spirits. The cult of the bear is not the found inside the settlements. The remains only sign of the religiosity of Arctic peo- of such a cult would have been the bone ples, but is integrated into a complicated deposits of Neanderthal man’s favourite symbol system. The bear festival of the and most dangerous game, among which, Ainu for example starts with the capture however, the bear did not rank. Recent of a young bear, which is transported into peoples, who know the bear cult, catch or the village and carefully brought up by kill a bear in his winter accommodation the villagers. After a certain period the and bring it to their settlement. There it bear is slaughtered accompanied by com- is killed and eaten by the villagers under plicated rituals and ceremonies. different ritual regulations. The bones of According to Ainu belief the bear is a the dead game are put into a holy place or deity, which visits the realm of man for a are carefully buried near the village, but certain period. If the deity wants to travel never brought back again to the bear’s back into his own realm, he has to leave dwelling. his material body. Therefore the Ainu kill CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Cave bear worship in the Palaeolithic 463 REFERENCES LEROI-GOURHAN, A. (1981). Die Religionen der Vorgeschichte, Frankfurt/Main. EDSMAN, C.-M. (1957). Bärenfest, Die Religion in MARINGER, J. (1956). Vorgeschichtliche Religion, Geschichte und Gegenwart Bd. I, 3rd edition, eds. Zürich, Köln. Campenhausen, Hans Frh. von, Erich Dinkler, MAY, F. (1986). Les Sepultures Préhistoriques, Paris. Gerhard Gloege & Knut Logstrup, Tübingen, MITHEN, S. (1996). 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Vol. 26, pp. 564-477 Description of pathological conditions in the skeleton of an adult male brown bear Ursus arctos from the Cantabrian range of mountains (Reserva Nacional de Caza de Riaño, León) Patologías óseas en un esqueleto de Oso pardo macho adulto de la Cordillera Cantábrica (Reserva Nacional de Caza de Riaño, León) PINTO, A. C.1 & ETXEBARRÍA, F.2 AB S T R A C T In this paper we describe with detail the pathological conditions found on the skeleton of an adult male brown bear from the Cantabrian Mountains. This specimen shows a great number of pathologies, some of infectious origin and others of traumatic origin, as well as pathologies such as caries. We discuss the possible aetiology of the lesions, deve- lopment and consequences, as well as how they did affect the living animal and its sur- vival opportunities. (1) Palaeontology Department, The Natural History Museum, Cromwell Rd. London SW7 5BD, UNITED KINGDOM (2) Antropología, Sociedad de Ciencias Aranzadi, Alto de Zorroaga s/nº Donostia. SPAIN 466 PINTO & ETXEBARRÍA CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) INTRODUCTION (León). It has a very great number of rele- vant pathological conditions, some of Bears are generally big-sized animals traumatic origin, some of infectious ori- and have few natural enemies. A wound gin, throughout the skeleton, chiefly bear therefore has good chances of recove- affecting the functioning of the vertebral ring from trauma or disease without being spine, pelvis and limb elements as descri- meanwhile attacked. The lack of natural bed. enemies also implies that many of these animals can reach advanced ages, favou- ring the quantitative as well as qualitative DESCRIPTION OF THE PATHOLO- increase in pathological conditions. GIES The literature dealing with skeletal This is the complete skeleton of a pre- diseases in the extinct cave bears is very sent day brown bear, an adult male with a rich. This is due to the very many fossils of cementum age of 20±2 years (J. Seijas, this species recovered in caves throughout pers. comm), and therefore a very old bear Europe, many of them displaying specta- by modern Cantabrian Mountains stan- cular pathological conditions. On the dards. The skeletal remains of this speci- other hand, the literature dealing with men show grave lesions, that have affected skeletal conditions on present day brown to its locomotion and general quality of bears is much more scarce, as these ani- life. Below we describe all the alterations mals do not use limestone caves as inten- observed in each one of the skeletal ele- sively as cave bears did, and therefore their ments. Almost all of them suffer from remains are, more frequently than not, anomalous conditions, in greater or sma- lost. ller degree. When thinking on the ecological implications of cave bear skeletal condi- tions, we can only use as comparation our present knowledge of its extant counter- Mandible part, the brown bear or other temperate • Lost post-mortem: Right M2, left M3, modern bears, in order to make inferences. right P1 and right and left I1. It is therefore important to create a log of • Lost intra-vitam: Left I2. Advanced information on present day bear patholo- alveolar resorption. gies. • Alveolar resorption affecting the In this paper we describe in detail the external bone wall of right M3 and left pathological conditions found in the ske- M2 leton of a present-day brown bear Ursus • The enamel of the crown of the cheek arctos from the Cantabrian range of moun- teeth is completely worn, and secondary tains in N. Spain. This specimen is kept in dentine protects the pulp cavity the Centro de Recuperación de Animales • Caries: Affecting distally the right Silvestres (Valladolid), and was found dead M2 and M3, and also to the left M2 at the Reserva Nacional de Caza de Riaño • Intra-vitam breakage of the canine CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Description of pathological conditions 467 teeth, probably in events related with sexual competition. The stumps appear very rounded. The pulp cavity is exposed. Dorsal vertebrae • The temporo-mandibular joint shows eburneation. These vertebrae (14) are affected in varying degrees by eburneation of the arti- Maxilar cular surfaces, rings of osteophytes along the edges and exostoses. These exostoses • Post-mortem loss of right P3, left P1 acquire great size from the 6th vertebra and left I1. downwards, affecting the anterior surface. • Intra-vitam loss: Right I1. The alve- Vertebrae 7t h, 8t h and 9t h are fused olus has been resorbed and there is a fistu- through great exostoses and calcifications lae discharging towards the nasal bone in its anterior area. The body of vertebra 9 between I1 and I2. is greatly disfigured. The anterior exosto- • Resorption of the external wall of the ses and articular osteophytes appear alveoli affecting right M2. through till the last vertebra, very modi- • Right M2: loss of oclusal enamel and fied also with de-calcification and anoma- caries lous disorganised new bone production. It • Agenesia right P1 appears also fused to the first lumbar ver- • Fistulae at the root of right M1, dis- tebra. charges towards bucal • Right canine has an intra-vitam brea- Lumbar vertebrae kage of the cusp and resorption of the external wall of the alveolus as well as The first lumbar vertebra appears some signs of periodontal pathology. almost entirely fused with the last dorsal • There are also some lesions with vertebra. Exostoses and disorganised bone bone resorption in the palate. formation affect the 1st and the 2nd lumbar • The enamel in all molars has been vertebrae. The three last ones have also entirely worn down exposing the pulp exostoses, although of smaller size. cavity, which appears protected by secon- dary dentine. Tail vertebrae The three first ones show abundant Cervical vertebrae great sized exostoses (21x12x4 mm.). Las three last ones do not show lesions. Around the articular surface of the atlas there is a complete circle of oste- Scapula ophytes. The axis is in a comparatively good condition. The next five cervical ver- The right scapula shows an osteochon- tebrae also show osteophytes and exostoses droma, eburneation that exposes the along the antero-distal edge. spongy bone tissue and osteophytes in the 468 PINTO & ETXEBARRÍA CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) articular surfaces. It also has an intra-vitam The edges of the distal articulation in rip on the blade, that appears healed the left radius show an incipient circle of without infectious processes and without osteophytes. The left ulna shows oste- production of new bone. ophytes surrounding the distal articula- tion. Humerus Carpal and metacarpal bones The right humerus has an eburneation in the inner proximal articular surface. It The carpal bones of the right hand shows also a great circular exostose (11 show an intense wear and eburneation of mm. diameter) in the middle of the arti- the articular surfaces, leading to the gene- cular surface and circle of osteophytes ral loss of bone mass and to the formation along its inner edge. Distally the humerus of rows of osteophytes. The metacarpal shows great wear of the joint and pseudo- bones have similar pathologies. The 1st articular surfaces produced by the intense has distally a healed fracture, a fistulae and pathologies affecting radius and ulna, osteophytes. The second one seems to have explained below. also a healed fracture, as well as anomalous The left humerus shows in the proxi- bone production on the diaphysis and mal articulation eburneation and oste- exostoses, that extend to the remaining ophytes. Probably to compensate the great metacarpal bones. The 4th metacarpal has lesions in the right side, the muscular exostoses in proximal. insertion appears very developed. The dis- The carpal bones of the left arm are tal articulation has a circle of osteophytes, bigger and have great osteophytes, that not so developed. The diaphysis of the left affect also the metacarpal bones. The 1st humerus is notoriously wider and stronger left metacarpal shows crushing, exostoses, than that of the right arm. As we will see, osteophytes around articular surfaces and the left arm is the only healthy limb this pseudo-arthrosis in mid diaphysis. The animal had. remaining metacarpal bones are affected by osteophytes in varying degrees at the Radius and ulnae joints and exostoses at the diaphysis.. The right radius and ulnae appear Falanges crushed or with multiple fractures affec- ting both bones. These are old fractures The articular surfaces in the right hand with formation of new bone tissue, that falanges are circled by osteophytes, have fuses both bones. They appear very distor- exostoses in the diaphysis, eburneations ted and their functionality must have been and arthritic deformations. The 3rd falan- very limited. This lesion affects the tota- ge of the 2nd finger is distally anomalous. lity of both bones and plays also a role in The 3rd finger has two falanges fused in an the deformations suffered by the proximal anomalous position. The 5th finger has an and distal joints and by adjacent bones. amputation in the first falange, with new CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Description of pathological conditions 469 bone growth over the stump. The fingers also exostoses in the diaphysis, in the mus- of the left hand have similar alterations. cle insertion area and in the articulation with the fibula. The right fibula shows Innominate also amputation of the distal third and anomalous bone production covering its Luxation of the left innominate, that whole surface. has then formed a secondary sub-articula- The left tibia has osteophytes around tion with great proliferation of newly for- the proximal articulation, exostoses and med bone that grows disorganised sugges- alterations in the articulation with the ting an infectious. The right side appears fibula. The left fibula shows pseudo-arth- relatively healthy, and the innominate rosis in the diaphysis. Distally, the head keeps its general symmetry. has a healed fracture with new bone for- mation forming lobes. Femur Calcaneum, astragalus and tarsal The right femur head has eburneation (left) with wear discovering spongy bone tissue. Distally, osteophytes in the articulation Both show eburneation and bone for- with the tibia. The diaphysis show in pos- mation, osteophytes around articular sur- terior a great development of lobular exos- faces and exostoses affect these bones. toses, probably result of the ossification of the muscle insertions. Tibia and fibulae Metatarsal and falanges (left) show amputation of the distal third. The left femur shows bone degenera- The five are kept, and they show the tion and resorption and loss of bone mass following alterations: anomalous bone for- and shape at the femur head, possibly due mation as lines of osteophytes, exostoses, to an infectious process associated to the decalcifications, eburneations, sindes- great lesions in the innominate, descried mophytes, fistulas and infectious osteo- above as luxation. Dorsally the diaphysis mielitis. The falanges have similar arthri- shows new bone in formation. tic alterations in lesser degree. Rotulae Ribs Both rotulae have osteophytes around The 14 right ones have osteophytes the articular surfaces. and deformations in the proximal area. Eburneation, osteophytes, arthrosis and Tibiae and fibulae healed fractures are also present. As for the 14 left ribs, 4 have osteophytes and defor- The right tibia shows amputation of mations in the articulation with the verte- the distal third, with bone formation as brae. One has a healed fracture with ano- lobular exostoses in the stump area. It has malous bone formation. 470 PINTO & ETXEBARRÍA CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Penis bone infections, and are not an age triggered degeneration. Healed fracture As for the healed baculum fracture, this is a relatively frequent lesion produ- CLASSIFICATION OF THE PATHO- ced in the heat of mating, and is of no con- LOGIES: TRAUMA VERSUS INFEC- sequence for bears. TIONS Therefore, and summarising, the main traumatic lesions suffered by this speci- The lesions descried have two origins: men were: traumas or infections. Both can be related, a) Ripping of the right scapula with when the soft tissues get an infection and osteolysis transmit it to the bones through the b) Polytraumatic "catastrophic mem- blood. ber" right forearm. c) Traumatic amputation of right tibia Traumatic pathologies and fibula, with a well healed stump, affecting the ability to move. These affect to the front right limb and d) Double fracture of the left fibulae to the bones in both legs. The right sca- with pseudoarthrosis of the most proximal pula has a breakage which is a direct trau- fracture. ma. Although there is no bone formation in this wound, this trauma could have affected to soft tissues around the scapula. Infectious pathologies An infectious process started then, and There is an infectious process affecting manifests itself in the vertebral spine. sectors of the vertebral spine, producing The right forearm shows alterations the fusion of some vertebrae and the consistent with several traumatic lesions almost complete disintegration of others. –crushing or multiple fractures- affecting While the affected ones are very much the whole of radius and ulnae. Healed altered, the ones out of the affected zones fractures can be seen that affect to both appear normal and healthy. diaphysis, now fused and shortened. The anomalies concentrate in two The right leg has a traumatic amputa- spots: there is a great decalcification and tion of part of the tibia and fibula. This complete fusion of the 7th and the 8th amputation does not appear to have been through great exostoses that affect also the infected. Doubtless it has affected the abi- 9th with a great distortion of the body. lity to move of this animal, that in its The second area with important altera- movements had to rely strongly in the left tions goes from the 12th dorsal vertebrae leg and arm. The left leg shows a double to the 1st lumbar, that appears greatly dis- fracture of the fibula. The proximal frac- torted. ture never re-fused and there is a pseudo- The infectious process can be detected arthrosis. The bones of hands and legs also in the left innominate and proximal have lesions which are consistent with femur. It could be therefore a septic arth- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Description of pathological conditions 471 ritis, infectious process that has produced opposed to the exuberant formation of a proliferation of bone in the left innomi- new bone in Neiburger’s specimen. After nate as well as a very important resorption finding treponema antigens in a sample in the femur head. This process has closed from this bear, they proposed alternatively the major sciatic scooping. that it was treponematosis or syphilis The symmetry between the right and what was causing these lesions. Neiburger left side of the pelvis, the lack of disorga- however answered that the formation of nisation or disharmony in the general new reactive bone is not incompatible structure, and the conservation of all the with tuberculosis (N E I B U R G E R & skeletal elements suggests that this is not TURNBULL, 1990). The fact that the a healed fracture of the innominate, with scientific magazine Nature echoed twice an open wound and an infectious compo- this debate, is a reflect of the interest arou- nent, but that the infection arrived here sed by the origins of a disease as syphilis. from a focus placed in other lesion in the In a subsequent paper, ROTHSCHILD body, through the blood stream. et al. (1993) analyse bear collections of every genus in several museums, and they POSSIBLE AETIOLOGY OF THESE diagnose them with spondiloarthropaty. PATHOLOGIES They consider first rheumatoid arthritis, but dismiss it because of the lack of reac- The particular disposition of the infec- tive tissue; then consider tuberculosis and tious lesions reminds of the developmen- dismiss it because of the distinct appea- tal mechanism of tuberculosis in human rance of the new bone. There is only then being. In men, Pott’s disease lodges itself left arthritis, be it psoriasic or be reactive. in the 12th dorsal vertebrae, inserted in The first has not been documented in the hideosoas muscle, responsible for the bears, and therefore the only option left is upward movement of the thigh. The reactive arthritis of sexual transmission. infection gets into this muscle, from Although the argument till here is inte- which it spreads to its distal insertion resting, then the authors put this into point, in the lesser trochanter of the relation with baculum fractures, which femur, entering from underneath the left leaves us short of an entirely satisfactory innominate, and producing the infection answer to this problem. and subsequent alterations in this bone. A biomedical analysis of a sample from This similarity with how this disease the Riaño bear with this orientation will develops in human beings suggested doubtless yield data relevant in this con- NEIBURGER (1984) his interpretation text. Antigen as well as DNA studies will of the pathologies observed in a specimen allow to determine whether this specimen of extinct fossil bear (Arctodus simus) . has been affected by any of these two dise- Other workers dismissed this diagnosis ases. (R O T S C H I L D, 1988; R O T S C H I L D & In the meantime, the great abundance TURNBULL, 1987), because of the lack of grave traumatic lesions in the Riaño of new bone formation in tuberculosis as bear, that compromise the functional sta- 472 PINTO & ETXEBARRÍA CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) bility of the animal, can suffice to explain by our collaboration with the Fundación the sequence of later lesions. For example, Oso Pardo in the ellaboration of the if this animal lost a leg to a poacher’s Catálogo de Osos Cantábricos. Dr. Naves leash, as it does happen to bears in the gave notice of this specimen, the Servicio area, will later be more liable to falling de Vida Silvestre (Valladolid) authorized down, and generally be more liable to fur- this study and lent instalations and radio- ther damage. graphy facilities. Domingo Villalba, tech- nical staff at C.R.A.S. (Valladolid) kindly ACKNOWLEDGEMENTS helped us in various ways during our repe- ated visits to the centre. Dr. F. Pastor This research has been made possible (Facultad de Medicina, Valladolid) radio- by a grant from the Fundación para la graphed these bones for us, helping also in Investigación, Ciencia y Te c n o l o g í a photographing them. We are grateful to (FICYT) del Principado de Asturias, and all of them for their help. Figure 1. Caries. Figure 2. Fistulization towards nasal. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Description of pathological conditions 473 Figure 3. Diagram of the skeleton showing all the areas affected by pathologies in this specimen. Figure 4. Cervical vertebrae with osteophytes Figure 5. Dorsal vertebrae intensely altered. and exostoses. 474 PINTO & ETXEBARRÍA CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Figure 6. Dorsal vertebrae with pathologies. Radiograph. Figure 7. Rip in the right scapula. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Description of pathological conditions 475 Figure 8. Right radius and ulnae, wich together form a "catastrophic limb'. Figure 9. Right radius and ulnae. Radiograph. 476 PINTO & ETXEBARRÍA CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Figure 10. Left area of the innominate bone, articulation with the femur head. Figure 11. Radiograph of the innominate: great new bone formation in the innominate, and bone resorption in the femur head. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Description of pathological conditions 477 REFERENCES COUTURIER, M. A. J. (1954). L'Ours Brun. Ed. ROTSCHILD, B. & TURNBULL, W. (1987) Marcel Couturier, Grenoble. Treponemal infection in a Pleistocene bear. NEIBURGER, E. J. (1984). Lesions in a Prehistoric Nature, 329 (6134): 61-62. bear: Differential diagnosis. P a l e o p a t h . ROTSCHILD, B. (1988). Existence of Syphilis in a Newsletter, 48: 8-11. Pleistocene bear. Nature, 335 (6191): 595. NEIBURGER, E. J. & TURNBULL, W. (1990). ROTSCHILD, B.; WANG, X. & CIFELLY, R. Differential diagnosis in lesions in the extint (1993). Spondyloarthropaty in Ursidae: A Short-faced bear, arctodus simus. Jour. of Vert. sexually transmitted disease? Nat. Geogr. Res. & Paleo., 9 (3): 36A. Explor., 9 (3): 382-384. Cadernos Lab. Xeolóxico de Laxe ISSN: 0213-4497 Coruña. 2001. Vol. 26, pp. 479-484 The wolverine (Gulo gulo L.) in Spain – one of the south most spreading during the Pleistocene El Glotón (Gulo gulo L.) en España: una de las distribuciones más meridionales durante el Pleistoceno DÖPPES, D. AB S T R A C T This paper is a contribution to the study of the wolverine (Gulo gulo) in Europe. The scarce findings of this species in the Iberian Peninsula are described and metrically com- pared with those living representants from Scandinavia. Key words: Wolverine, Iberian peninsula, Pleistocene Institute of Paleontology, University of Vienna, Althanstraße 14, A-1090, Vienna, AUSTRIA 480 DÖPPES, D. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) FINDINGS system is 20 m long. There are also 2 stone windows on the eastern side (direc- On the occasion of my dissertation tion of the valley of Kobate). theme "The wolverine in Europe during Justo Jáuregui found Lezetxiki in the Pleistocene" I am going to give a brief 1927. A big excavation campaign started summary of the Spanish wolverine in 1956 and ended 1968. The archaeolo- remains (figure 1 and table 1) and compa- gical founds where made at the south re them with the living Gulo gulo from entrance, in an area of 6m x 8m. During Scandinavia. these excavations they found a new cave The first wolverine findings of the (cueva de Leibar) at the coordinates 9A Peninsula Iberia are located in Lezetxiki and 11A. During the 13 excavations cam- (province Guipúzcoa). This cave is situa- paign 3773 bones (334 MIN) were be ted in the NW of Mondragón, in the eas- determined (table 2). Approx. half of the tern slope of the Karrasksgain Mountain bones belonged to the group of bears near Garagarza. You can reach the entran- (Ursus spelaeus and U. deningeri). Further ce trough the valley of the river Kobate. they found carnivores, ungulates, mar- The cave has two entrances, which are mots and finally the group of micromam- connected by a straight tunnel system. mals. The south and north entrance are approx. The archaeological findings present 2 m wide and 2,5 m high and the whole the whole spectrum of the Palaeolithic Figure 1. Sites of the wolverine and other arctic compangions in North Spain (ALTUNA, 1996). Table 1: General account of the Spanish wolverine sites. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) The wolverine in Spain 481 period (A LT U N A , 1996): 28: Magdalenian (layer I), Solutrian (II), Gavettian (II), Aurignacian (III, IV) and Mousterian (V, VI, VII). The rest of the wolverine comes from the layer II and consists of a left maxilla fragment with P3, P4 and M1. The first time this fossil find was mentioned in Spain by J. ALTUNA in 1963. He publis- hed further details of this finding (1972: Taf. VI, figure 3). The companions of the wolverine were wolf (MNI 1), fox (MNI 2), cave bear (MNI 2), red deer (MNI 3), roe (MNI 2), great bovid (MNI 2), cha- mois (MNI 8), ibex (MNI 3), horse (MNI 1) and woolly rhinoceros (MNI 1). In other words, the ungulates of the layer II were dominated with 90,2 % (ALTUNA, 1972: 144). The second wolverine site in Spain is located in Mairuelegorreta XI. This cave is situated in the N of the province Alava, Table 2. mammal – fauna of Lezetxiki (Lz, between Bilbao and Vitoria. This karstic ALTUNA, 1972: 141) and Mairuelegorreta XI zone is named Macizo del Gorbea with the (Mx, ALTUNA & BALDEÓN, 1986). Monte Gorbea (1.475 m). The small cave is situated on the SE site of Monte Gorbea. The size of its CONCLUSION entrance measures 1 m wide and 3 m high In this short summary of wolverine in near by Mairuelegorreta I. Its total length North Spain the sexual dimorphism of is 23 m. The first and only excavation these species can be shown - especially in took place from November 1977 to May the skull. The univariate and multivariate 1988. In the 8 layers there was only a lit- analysis of WIIG (1989) demonstrate a tle fauna (see table 2). A double scraper clear-cut sexual dimorphism in the skull was found in layer I (0-45 m). of Norwegian wolverines, the males are 6- The wolverine rests consist of a left 14 % larger than the females. The teeth of distal tibia-fragment, a left metatarsus II the maxilla fragment of Lezetxiki (table 5) and a left metatarsus V- f r a g m e n t underline these studies (ALTUNA, 1972). (ALTUNA & BALDEÓN, 1986: 56). The The elements of the postcranial skele- rests came from the layer V (112-120 cm) ton are more difficult to differenciate bet- together with Ursus spelaeus and Cervus ela - ween male and female (table 3 and 4). At phus. 482 DÖPPES, D. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Table 3. Tibia-measurements of Mairuelegorreta XI and living Gulo gulo (mm). Table 4. Metatarsus V-measurements of Mairuelegorreta XI and Gulo gulo (mm). the moment the measurements are too to Norway, Sweden, Finland and N- small to show the same result as at the Russia. skull. Further investigations at other European Pleistocene material and recent ACKNOWLEDGEMENTS material will follow in regard these results (DÖPPES, in print). I want to thank Dr. Aurora Grandal d’Anglade (Univ. A Coruna) for her help The European spreading in the and the possibility to publish my new Pleistocene reached from Great Britain in results of the Pleistocene wolverine, Prof. the west (Tornewton cave, KU RT É N , Dr. Gernot Rabeder for the idea of my 1968) to N-Spain (ALTUNA, 1996). His thesis theme, Martina Döppes for her help current living areas in Europe are limited at the English paper and my husband for his help at the graphics. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) The wolverine in Spain 483 Table 5. Teeth measurements of Lezetxiki (Lz, ALTUNA, 1972: 141) and Gulo gulo of Scandinavia (mm). 484 DÖPPES, D. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) REFERENCES im spanischen Baskenland. Thorbecke Verlag, Sigmaringen. ALTUNA, J. & BALDEÓN, A. (1986). Resultados DÖPPES, D. (in print). The wolverine in Europe del sondeo estratigrafico particado en la cueva during the Pleistocene. Diss. Inst. de Mairruelegorretta xi, Gorbea (Alava). Palaeontology, Univ. Vienna. Estudios de Arqueologia Alavesa, 13: 47-62. KURTÉN, B. & RAUSCH, D. (1959). Biometric ALTUNA, J. 1963. Primer hallazgo de glotón comparisons between North American and (Gulo gulo L.) en la Peninsula Ibérica. Munibe, European Mammals. Acta Arctica, 11: 5-20, 15: 128. Copenhagen. ALTUNA, J. (1972). Fauna de Mamiferos de los KURTÉN, B. (1968). Pleistocene mammals of Europe. yacimientos prehistóricos de Guipúzcoa. London. Munibe, 24 (1-4): 1-464. W I I G, O. (1989). Craniometric variation in ALTUNA, J. (1996). Ekain und Altxerri bei San Norwegian wolverines Gulo gulo L. Zoolog. J. Sebastian. Zwei altsteinzeitliche Bilderhöhlen Linnean Society, 95: 177-204, London. Cadernos Lab. Xeolóxico de Laxe ISSN: 0213-4497 Coruña. 2001. Vol. 26, pp. 485-495 Preliminary report on the Late Pleistocene small mammal fauna from the Loutraki Bear-cave (Pella, Macedonia, Greece) Estudio preliminar de micromamíferos del Pleistoceno Superior de la cueva de Loutraki (Pella, Macedonia, Grecia) CHATZOPOULOU, K.1; VASILEIADOU, A.1; KOLIADIMOU, K.1; TSOUKALA, E.1; RABEDER, G.2 & NAGEL, D.2 AB S T R A C T The Loutraki Bear-cave (Northern Greece) yielded a rich Pleistocene fauna including mammals, amphibians and reptiles. In the present study the small mammal fauna asso- ciated with cave-bear remains is studied. The material comes from a long-time excava- tion project, which is still in progress. This study allows us to propose a Late Pleistocene age for the Loutraki fauna. The composition of the LAC-micromammalin fauna suggests a complex environment. Key words: Rodents, Late Pleistocene, Greece, Macedonia, Loutraki, Paleoecology (1) School of Geology, Aristotle University, 54006 Thessaloniki, Macedonia, GREECE (2) Institute of Paleontology, University of Vienna, Althanstraße 14, A-1090, Vienna, AUSTRIA 486 CHATZOPOULOU et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) INTRODUCTION-METHODOLOGY in the Aristotle University of Thessaloniki and the local Physiographical Museum of The cave-site of Loutraki (LAC: Almopia. There are three excavation- Loutraki Almopia Caves) is located in blocks of squares in three chambers (LAC North Greece on the slopes of the Voras I, LAC II and LAC Ib) of the cave. During mountain, very close to the former the excavation in 2000 a new square- Jugoslavian border, about 120km north- trench was opened in the chamber LAC III west of Thessaloniki (figure 1). The inves- in order to add data to the study. The aim tigation of this area started in 1990 due to of the research is the sediments as well as the great palaeontological interest. Five the palaeontological material of all cham- systematic excavation circles took place in bers to be correlated. Two dating projects 1993, 1994, 1996, 1999 and 2000 by of the sediments are in progress, one in School of Geology of Aristotle University cooperation with Laboratory of in cooperation with Ephoria of Archaeometry of "Demokritos", Athens Palaeoanthropology and Speleology, (ESR method) by Bassiakos and the Ministry of Culture and Vi e n n a second in cooperation with Vi e n n a University. All the material is stored both University (U/Th method). About 10.000 Figure 1. Loutraki Bear-cave, location and ground-plan. On the ground-plan the excavated trench squares are shown. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Preliminary report on the small mammal fauna 487 ursid remains, which are described and clastic and chemical sediments is evident analysed from three blocks of squares, are in both columns. The calc-crust layers determined as Ursus spelaeus (TSOUKALA (oblique stripes) were deposited during E., 1994, 1996; TSOUKALA et al. , warm and humid intervals, while the clas- 1998). Other large mammalian fauna tic sediments (sand, clay, silt) were accu- remains found in association with cave- mulated during colder periods. The study bears, confer to: Panthera pardus, Crocuta of the small grain size of the clastic sedi- spelaea, Capra ibex, Dama sp. mentation of the floor of the Bear-cave is In order to study the micromammalian an evidence of slow water flow in the fauna from the chosen trench squares D10 deposition site. This is the result of the (LAC II chamber) and N10 (LAC I cham- increase of water mass surface flowing ber) (figure1), the sediments were first put inside the cave, as well as of probable cli- into water and perhydrol (H2O2) and then mate change from wet to dry (TSIRAM- all the material was washed through two BIDIS, 1998). The micro and macromam- double system of sieves, one for micro- mal remains were found in brown clay, mammals (1mm) and the other (3mm) for between the two first calc-crust layers larger, mainly ursid remains. Then the (D10). The ESR-absolute dating of the material was dried, packed up and trans- second crust indicated an age more recent ported to the Aristotle University’s labs than 50.000 years (KAMBOUROGLOU for further processing, such as dry sieving & CHATZITHEODOROU, 1999). The through a set of sieves with diameters of U/Th absolute age of the fossiliferous layer 1.6mm, 1.0mm, 0.63mm and 0.35mm ranges from 35.000 to 30.000 (dating of for easier sorting. Then the teeth were pla- the two first crust layers). ced in special plates and they were num- bered. The measurements of the teeth PALAEONTOLOGY were taken at University of Vienna, with Video Measuring System (VIA-100) Among rodents, the abundance of microscope. bone remains is remarkable, as well as the The teeth were figured in the number of isolated teeth, especially from University of Vienna as well as in the square D10. In N10 the number of teeth Aristotle University. and bones was reduced. In contrary no complete mandibles were found, only very STRATIGRAPHY few broken parts of them, with few teeth. The teeth of arvicolids (plate I) are in Two stratigraphical columns are pre- remarkable abundance. For the determi- 3 sented from the two square-trenches D10 nation only the M1 were used, but M and N10 of the Chambers LAC II and have also been described. The murids LAC I respectively (figure 2). The excava- (plate II) are following in abundance and tion in the third trench is in progress. The all the teeth from both jaws were found accumulation of sediments in Bear-cave and used for the determination of the spe- was in cyclic intervals. The alternation of cies. The same thing applies to the crice- 488 CHATZOPOULOU et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Figure 2. Stratigraphical sections of trench square D10 and N10. tids (plate II) as well. The glirids (plate III) are relatively few but well representa- tive. The spalacids (plate III) are even Vespertilionidae fewer but also well representative. Only Myotis sp. one tooth was found from the family of sciurids (plate I) (CHATZOPOULOU & INSECTIVORA VASILEIADOU, 1998). The chiropters Soricidae and insectivors are under preliminary Sorex sp. study. In the microfauna were also found few remains of amphibians, reptiles and RODENTIA fish, which could not be interpreted in Sciuridae this paper. The following taxa were found Spermophilus sp. from Bear-cave: Arvicolidae Arvicola terrestris (LINNAEUS, 1758) CHIROPTERA Microtus arvalis (PALLAS, 1778) Rhinolophidae Microtus nivalis (MARTINS, 1842) Rhinolophus sp. Pitymys cf. subterraneus Miniopterus sp. Clethrionomys sp. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Preliminary report on the small mammal fauna 489 Muridae Chios (STORCH, 1975) and Emirkaya-2 Apodemus mystacinus (DANFORD & (MONTUIRE et al., 1994) is composed ALSTON, 1877) by species that show a much more advan- Apodemus sylvaticus/flavicollis ced evolutionary stage. Cricetidae The provenance of the microfauna fos- Cricetulus migratorius (PALLAS, 1773) sils is being discussed. Micromammals Mesocricetus cf. newtoni probably got into the cave from the surfa- Gliridae ce through fissures with claysilt material. Dryomys nitedula (PALLAS, 1778) Some teeth and bones show traces of trans- Muscardinus sp. portation by water. This observation rela- Glis sp. ted to the taphonomy of the macromam- Spalacidae mals could be the result of the increase of Spalax cf. leucodon water mass surface flowing inside the cave. Finally, they could be the remains of meals of various predators-owls and others rap- DISCUSSION-CONCLUSIONS tors that primarily feed on small mam- mals hunting over a variety of habitats The faunal list shows a remarkable and returning to the cave to digest and abundance of the small mammals: 19 spe- regurgitate their meals, and mammal car- cies belonging to 9 families. The LAC nivores which carried carcasse of their pray assemblage, only for rodents, shows a into the cave. Among the numerous bones diversity of 14 species belonging to 6 and teeth, there were sometimes more or families. Such a variable diversity is also less complete mandibles, but no complete common in recent faunas. The material skull is found, which is characteristic for from the Vraona cave near Athens does not owl pellets. This source of origin is also show such diversity (RABEDER, 1995). supported by the presence of erosion on The LAC microfauna has a very similar the enamel and dentine of many of the composition to that from the Smolucka teeth due to digestion by predatory birds. cave in Southwest Serbia (DIMITRIJE- Bats inhabited the cave. A small curved VIC, 1991). The LAC assemblage is com- drain found in B11 indicates that some pared to the material from the fissure- species of small mammals, dwellers of filling near Arnissa (MAYHEW, 1977) forests and rocky slopes could have visited and the absence of Sisista sutilis, Lagurus seasonally the cave on their own. l a g u r u s, Microtus guentheri and O c h o t o n a The composition of the micromammal pusilla is observed. The absence of Sisista, fauna concludes a Late Pleistocene age. Allactaga and Ochotona shows a less steppe Most of the species show an advanced evo- environment in view of its presence in the lutionary stage. This conclusion is confir- fossil fauna from the Bacho Kiro cave in med by the age that macromammal fauna Bulgaria (KOWALSKI & NADA- indicates as well as by the absolute dating CHOWSKI, 1982). The LAC-material of ESR (KAMBOUROGLOU & CHAT- compared to Middle Pleistocene faunas of 490 CHATZOPOULOU et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) ZITHEODOROU, 1999) and U/Th In the surroundings of the cave and on methods. the nearby mountains, deciduous and The surroundings of the Bear-cave are coniferous forest and bushy vegetation was geomorphologicaly very complex-forest developed, which was inhabited by nume- peaks, rocky slopes, vast fields and moun- rous species such as the wood mouse tain plateaus alternate in a small area (Apodemus sylvaticus/flavicollis), the pine (figure 3). Just like today, in the Late vole (Pitymys cf. subterraneus), three species Pleistocene geomorphological density had of glirids (Dryomys nitedula, Muscardinus to result in vegetational and faunal sp. and G l i s sp.) and the bank vole variety. (Clethrionomys sp.). On the rocky slopes and neighboring In the mountain plateaus and fields mountain peaks lived high mountain spe- some species lived related to drier climate cies such as the snow vole (Microtus niva - and grassy vegetational cover, like the lis). The common vole (Microtus arvalis) souslic (Spermophilus sp.), the common vole inhabited mountain meadows, while the (Microtus arvalis), the golden hamster rock mouse (Apodemus mystacinus) lived in (Mesocricetus cf. newtoni) as well as the mole dry woodland and calcareous rocky rat (S p a l a x cf. l e u c o d o n) (ONDRIAS, scrubby hillsides. In the vicinity of rivers 1966). the water vole (Arvicola terrestris) could have been occasionally found. Figure 3. Composition of the LAC assemblage according to ecological indicators. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Preliminary report on the small mammal fauna 491 PLATE I LOUTRAKI BEAR CAVE Arvicola terrestris 1. M1dex. 3 3 Microtus arvalis 2. M1dex. 3. M1dex. 4. M1sin. 5. M1sin. 6. M dex. 7. M sin. 3 3 Microtus nivalis 8. M1dex. 9. M1dex. 10. M1dex. 11. M1sin. 12. M sin. 13. M sin. 3 3 Microtus (Pitymys) cf. subterraneus 14. M1dex. 15. M1sin 16. M1sin 17. M1sin. 18. M sin 19. M sin. 2 Clethrionomys sp. 20a. M2dex. 20b. labial view. 21a. M dex. 21b. labial view. Spermophilus sp. 22a. M3sin. 22b. posterior view. PLATE II LOUTRAKI BEAR CAVE 1 1 1 2 3 Apodemus mystacinus 1. M sin. 2. M sin, 3. M dex. 4. M dex. 5. M sin. 6. M1sin. 7. M1dex. 8. M2sin. 9. M3dex 1 1 2 3 Apodemus sylvaticus/flavicollis 10. M sin. 11. M sin. 12. M sin. 13. M dex. 14. M1dex, 15. M1dex. 16. M2sin. 17. M3dex. 1 2 3 Cricetulus migratorius 18. M sin. 19. M , M sin. 20. M1sin. 21. M2sin. 22. M3sin. 3 Mesocricetus cf. newtoni 23. M sin. 24a. M1dex. 24b. labial view. 25. M2sin. 26. M3sin. PLATE III LOUTRAKI BEAR CAVE 4 4 1 2 Dryomys nitedula 1. P dex, 2. P dex, 3. M sin, 4. M sin. 5. M1dex. 6. M2 sin, 7 M3sin, 8. M3sin. 2 Muscardinus sp. 9. P4dex. 10. M dex Glis sp. 11. M3dex. 1 3 Spalax cf. leucodon 12a. M dex. 12b. labial view. 12c. lingual view. 13. M sin. 14a. M1dex. 14b. labial view. 14c. lingual view. 15. M3dex. 492 CHATZOPOULOU et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) PLATE I CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Preliminary report on the small mammal fauna 493 PLATE II 494 CHATZOPOULOU et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) PLATE III CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Preliminary report on the small mammal fauna 495 REFERENCES Landwirtschaftsverlag (eds), Münch. Basel, Wien. C H ATZOPOULOU, K. & VASILEIADOU, A. RABEDER, G. (1995). Jungpleistozäne und (1998). 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Vol. 26, pp. 497-502 Preliminary report on sediments from Pocala Cave: sedimentological and heavy mineral analysis Estudio sedimentológico preliminar y análisis de minerales pesados en la cueva Pocala TREMUL, A.1,2; CALLIGARIS, R.1; LENAZ, D.2 & PRINCIVALLE, F.2 AB S T R A C T In 1999 two borings were performedin the area of Pocala Cave, one outside the cave and the other inside in the cave. In particular four samples of the first boring were studied. It seems that mineralogy is strictly connected with sedimentology where quartz and pla- gioclase are present. It could be a consequence of a periodical floods of flysch sediments during interglacial period. Key words: Pocala Cave, borings, mineralogy, stratigraphy (1) Museo Civico di Storia Naturale, Pza A. Hortis 4, 34123, Trieste, ITALY (2) Dipartimento di Scienze della Terra, Via E. Weiss 8, 34127, Trieste, ITALY 498 TREMUL et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) INTRODUCTION performed only on the boring outside the cave. The Pocala Cave, (Aurisina, Trieste Sedimentological analysis regarded in Karst, Italy) is an important Cave of particular the first 10 meters of the boring Trieste Karst, discovered at the end of where sand and clay are present. Cobbles 1800. Pocala Cave is important for pale- and limestone levels constitute the remai- ontology because between 1894 to 1929 ning sediments. 54 samples of about 70gr about 300 Ursus spaelaeus were found in it. of weight were baked, disaggregated and During those years a lot of people excava- sieved by a mechanical sieve. ted in Pocala, among them we remember On the same samples L.O.I. (loss on here Marchesetti (1905 - 1908), Moser ignition) were measured. (1894), Perko (1904), Neumann (1907 - Sandy fraction of four selected samples 1914), Battaglia (1926 - 1929). Battaglia was analysed by means of X-ray diffracto- was the first one presenting the complete metry (XRD). stratigraphy of the cave (Battaglia 1958- Heavy mineral analyses were perfor- 59). In 1928 Borghi performed the first med on the same four selected samples: chemical analyses on sediments from the - 3A located at a depth of 2.2 meters bottom of the cave. and constituted by superficial sediments; During the 90es mineralogical and - 6B located at a depth of 5.4 meters sedimentological analyses were performed and constituted by red/yellow lamination; by the University of Trieste. - 8A located at a depth of 7.2 meters In the 1998 the "Museo Civico di and constituted by yellow sediments; Storia Naturale" of Trieste, resumed exca- - 10C located at a depth of 9.6 meters vation, stratigraphy and mineralogical and constituted by yellow sediments. studies (C A L L I G A R I S, 1999; According to MORTON (1985), heavy CALLIGARIS, 2000). minerals were looked for in the 63-250 In the 1999, two borings were perfor- mm where heavy minerals better concen- med in the area of the Pocala Cave, one trate. A magnetic concentrate was separa- outside and the other inside the cave. ted using a Frantz electromagnetic separa- This work is part of the degree thesis tor. of the first Author (A. Tremul). DISCUSSION METHODOLOGY From the top of the boring to a depth The borings were performed by means of about 3 meters the colour of the sedi- of a mechanical drill. The first one, ments ranges from dark brown to brown actually located outside the cave, was (5YR3/3 – 5YR4/4; Munsell Soil Colours about 12 meters deep. The second one, Charts). These sediments are considered as located inside the cave, was about 17 superficial sediments. Then, colour turned meters deep. At now, the analyses were in reddish brown and at a depth of about 5-6 meters it is pink or pink – grey CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) A preliminary report on sediments from Pocala Cave 499 (5YR6/2 – 7.5YR8/2; Munsell Soil As regards the L.O.I. the mean values Colours Charts) due to calcite levels. At range between 10 and 15 wt.%. It is pos- about 7 meters it turned to ochre and red- sible to recognise where calcite is abun- dish (10YR6/6 – 5YR4/6; Munsell Soil dant because the L.O.I. value increase (up Colours Charts). In this level and for about to about 40 wt. % in the calcite level) 50 cm are present a succession of thin (figure 2). layers (millimetric to centimetric) of red As regards the mineralogy of the main and yellow sands (7.5YR4/4 – 10YR5/6; components, as individuated by XRD, in Munsell Soil Colours Charts). Ashes are the 63-250 mm fraction in the sample 3A present in all the boring but they are most quartz and plagioclase are the main com- abundant in this level. Yellow sands ponents while quartz and calcite (less than (10YR5/6; Munsell Soil Colours Charts) 10%) are present in the fraction 0.6-1.18 constitute the bottom of the boring. mm. In the 6B quartz and calcite are pre- As regards the sedimentological analy- sent in both of the analysed fraction. In ses the results are similar from the top to the 8A quartz and plagioclase are present the bottom of the boring (apart of the cal- in the 63-250 mm fraction while quartz cite level). The sediments are bimodal, the and calcite (less than 10%) are present in first being in the coarse sand (0.6 mm) the fraction between 0.6-1.18 mm. In the and the second in the array of silt/clay 10C quartz, muscovite and calcite are pre- (0.063 mm) (figure 1); these results con- sent while quartz and calcite are present in firm the analysis performed on some levels both of the analysed fraction. inside cave (CUCCHI et al., 1992). As regards the heavy minerals, the Figure 1. Cumulative curve of four selected samples. 500 TREMUL et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) Figure 2. L.O.I. value in the boring outside the Pocala Cave following minerals were recognised: ruti- CONCLUSIONS le, muscovite, Fe-oxides and hydroxides, Cr-spinel, tourmaline, chlorite, amphibole It seems that the mineralogy is strictly and staurolite. Rutile, muscovite, Fe-oxi- connected with the sedimentology, in fact des and hydroxides, Cr-spinel, tourmaline, where quartz and plagioclase are present chlorite are present in all the samples. It is in the silt-size material (samples 3A and to notice that amphibole and staurolite 8A) this fraction is more abundant than in were recognised only in the superficial the samples where quartz and calcite are sediment (3A) where Cr-spinel and tour- present (6B and 10C). maline are scarce. A great amount of mus- We suggest that the quartz-plagioclase covite and chlorite is present in the yellow silt-size deposition could be a consequen- sands present at the bottom of the boring ce of periodical floods during interglacial (10C). period. During these periods flysch sedi- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) A preliminary report on sediments from Pocala Cave 501 ments were drained and heavy minerals Apart from amphibole and staurolite, there present accumulated in the cave all the heavy minerals here recognised are sediments too. It is to notice that the same present in the flysch surrounding the origin was proposed for the sediments of Karst area. We suggest that the presence the dolina of the Trieste Karst (LENAZ et of amphibole and staurolite in the superfi- al., 1996; LENAZ, 1999). cial sediments could be related to a, pro- The quartz-calcite deposition seems to bably eolian, supply. be related to a source where the carbonate content is greater. 502 TREMUL et al. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) REFERENCES CUCCHI, F.; FINOCCHIARO, F. & PRINCIVALLE, F. (1992). Yellow sands with gibbsite in sediments of Pocala Cave : paleoen- viromental consideration. Acta Carsologica, BATTAGLIA,R. (1958-59). 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Key words: Pocala cave, unroofle cave, Borgo Grotta Gigante, boring Museo Civico di Storia Naturale di Trieste. Pza A. Hortis 4, 34123, Trieste, ITALY 504 TREMUL & CALLIGARIS CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) INTRODUCTION brown clay or reddishbrown clay with fragment of limestone (0.30-3.00), calca- One of the most important Karst areas reous and calcite fragments in brown or is Borgo Grotta Gigante area, where diffe- light brown clay (3.00-7.40), limestone rent karst forms and an unroofle cave are (7.40–8.00) limestone in brown clay present. In the year 2000 five borings (8.00–8.55) grey limestone (8.55–9.45). were performed in this unroofle cave, four The third boring in Borgo Grotta of which are very interesting to study Gigante shows vegetable soil (0.00-1.30) stratigraphy, sediment components and red clay with calcareous fragments (1.30- datation. 1.85), grey rudist limestone (1.85–2.00), One of these borings can be compared red clay with calcite(2.00–2.20), rudist with the last year boring made in Pocala limestone with red clay and red clay with Cave, particularly with that outside the calcareous fragments (2.20–4.00), limes- cave. tone fragments in red yellow clay (4.00- The unroofle cave is a "canyon" about 4.68), yellow ochre clay with calcareous 4-6 meters wide, 50 meters long and 3-4 fragments (4.68–6.00), rudist limestone meters high,in the part which is not filled (6.00-6.40) yellow ochre clay (6.40-7.10), with sediments, and is part of a still grey rudist limestone (7.10-8.20) recognizable and partially existent hypo- The fifth boring in Borgo Grotta geal complex. Gigante shows vegetable soil (0.00-0.20), The unroofle cave is about 250 meters brownish red clay (0.20-0.55) red clay above sea level, while Pocala cave is about with calcite fragment and vegetable rests 134 meters above sea level and the two (0.55-2.00) red clay with calcareous frag- spots are distant about 9 kilometres bet- ments and calcite crystals (2.00-2.10) dif- ween them. ferent types of calcite and levels of limes- tone (2.10-8.00), empty space (8.00- METHODOLOGY AND DESCRIP- 8.15) , calcite and calcite in red yellow TION clay (8.15-8.80) grey limestone and calci- te , as stalactite, in yellowish red clay A mechanical drill performed the (8.15-9.10) grey limestone (9.10-9.75) borings. The external boring of Pocala cave The first boring in Borgo Grotta shows brown clay with ash fragments, sto- Gigante shows vegetable soil nes and ochre inclusions (0.00-4.00 (0.00–0.50metres), brown clay with metres), stones in red clay (4.00-4.10), limestone fragments (0.50–3.00) reddish calcareous stones in pink sand and calcite brown clay and calcite (3.00–4.65), calci- levels more or less disgregated te and calcite in brown clay (4.65–6.90), (4.10-4.85), red clay with calcite frag- calcite and grey rudist limestone ments ( 4.85-5:20), red and yellow lami- (6.90–8.00). niti (5.20-5.60), yellow clay with calcites The second boring in Borgo Grotta (5.60-5.80), pink sand (5.80-6.00), calci- Gigante shows vegetable soil (0.00-0.30), tes in clay and calcitic stratum (6.00- CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) A preliminary comparison between boring 505 6.20), brown and yellow laminiti (6.20- borings for the presence of calcite and red 7.00), red yellow sand levels (7.00-8.00), clay brown clay (8.00-9.00), ochre clay (9.00- 10.15), calcite (10.15-10.60), ochre clay DISCUSSION (FUTURE PROS- (10.60-0.75), calcite (10.75-11.00) grey PECTS) limestone (11.00-12.40). The Borgo Grotta Gigante sediments The study started as a revisitation of are very different among them and they Pocala Cave, with an Ursus spelaeus depo- have some correlations with sediments sit, has changed rapidly into the study of coming from Pocala Cave. It is very inte- the whole stratigraphycal column, contai- resting to see how ,at a distance of few ned in the cave itself. Two borings 10 and metres, boring stratigraphy is similar but 14 meters deep represent it. The study different for the presence or absence of extended to other deposits in still existent calcite or other materials. or unroofle caves . The correlation between the borings Recent paleomagnetic datation (Bosak performed in Pocala Cave and in Borgo et alii) on the near Kozina Karst Grotta Gigante unroofle cave is possible (Slovenia), dated back the bottom of the for some aspects. yellow sediments to 5.3 million years ago. The most similar boring is the third These yellow deposits are well known one of Borgo Grotta Gigante, because it and very wide in Southern Istria: we sup- presents some parts which can be corre- pose they are a large quantity of filling lated with the boring made outside Pocala sediments of river caves. cave, in particular the levels where calcite The geological characteristics of and laminiti. are present They coincide in Southern Istria and Trieste Karst, should the strata thickness and in the strati- have carried ,at present, to a different con- graphy. servation of the filling sediments in the The other borings have some parts horizontal caves. similar to Pocala cave boring: in fact, the In particular the subhoryzontal posi- first and the second borings of Borgo tion of Istrian Cretaceous limestone has Grotta Gigante are similar at the top ( developed a little deep karsism. 0.00-3.00 m) because in all cases sedi- On the contrary, the antyclinal struc- ments are made of brown clay. At the bot- ture of the Trieste Karst developed an tom of both borings there aren't yellow easier washing away of cavities. laminiti levels but the first boring pre- The events of the last millions of years sents calcite and limestone levels in red could have caused the consumption of the clay and the second one presents brown ancient caves leaving some wide deposits clay with limestone fragments. on the present surface in Istria where the The central part of the fifth boring in washing away was lower because of the Borgo Grotta Gigante corresponds to the almost horizontal geologic situation in bottom part of the first and second the tertiary limestones. On the Trieste Karst, in antyclinalic 506 TREMUL & CALLIGARIS CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) situation, the water percolation and the sussession in different borings, though water -bearing stratum actions have been performed at a distance of few metres one more incisive with a consequent absorp- from the other , seems to prove in the so tion action of the filling sediments in the far studied deposits the possible empt- wide hypogeal complexes. ying occured in different periods. . If we consider an average lowering of The strata position studied by R. the limestone of about 0.02 millimetres Battaglia in 1929 and confirmed by our per year we can estimate that rocks con- recent reexamination of the deposit (exca- sumed by 100 meters in the last 5 million vation of trench n° 8/1999) . shows a clear years compared with the present level. phase of absorption of the cave bottom together with the possible prosecution of CONCLUSIONS the cave itself according to the position of the limestone strata. The first result has been obtained by observing the absence of collapsed rocks, The different methods of datation in particular in the unroofle cave of Borgo (paleomagnetism, U/Th, racemization of Grotta Gigante. Clearly limestones have aminoacids , C14) will enable us to recons- dissolved. truct the most ancient history of this The irregularity of the stratigraphycal Karst area. CAD. LAB. XEOL. LAXE 26 (2001) A preliminary comparison between boring 507 REFERENCES C A L L I G A R I S, R. (1999). Bhorungen in der BATTAGLIA, R. (1930). Notizie della stratigrafia Pocala–Hohle (Abs.) V International Cave Bear del deposito quaternario della caverna Pocala di S y m p o s i u m, Bad Mittendorf, Sseptember Aurisina. Le Grotte d’Italia, IV (1): 17-44. 24/26/1999 BATTAGLIA, R. (1933). L’età dei più antichi depo- CALLIGARIS, R. (2000). 1999 Ritorno in Pocala. siti di riempimento delle caverne. 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