Idade do Homo sapiens mais antigo conhecido da África Oriental

• Celine M. Vidal ,
• Christine S. Lane ,
• Asfawossen Asrat ,
• Dan N. Barfod ,
• Darren F. Mark ,
• Emma L. Tomlinson ,
• Amdemichael Zafu Tadesse ,
• Gezahegn Yirgu ,
• Alan Deino ,
• William Hutchison ,
• Aurelien Mounier &
• Clive Oppenheimer  

Natureza ( 2022 ) Citar este artigo

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Resumo

Esforços para datar os fósseis humanos modernos mais antigos na África Oriental, de Omo-Kibish ^{1 , 2 , 3} e Herto ^{4 , 5} na Etiópia, basearam-se em uma variedade de evidências cronométricas, incluindo idades de ⁴⁰ Com/ ³⁹ Ar de tufos estratigraficamente associados. As idades geralmente relatadas para esses fósseis são em torno de 197 mil anos (kyr) para o Kibish Omo I ^{3 , 6 , 7} , e em torno de 160-155 kyr para os Herto hominídeos ^{5 , 8} . No entanto, as relações estratigráficas e as correlações tephra que sustentam essas estimativas foram desafiadas ^{6 , 8} . Aqui relatamos análises geoquímicas que ligam o Tuff ⁹ do Kamoya's Hominid Site (KHS) , que se sobrepõe conclusivamente ao membro da Formação Omo-Kibish que contém Omo I, com uma grande erupção explosiva do vulcão Shala no principal Rift etíope. Ao datar os depósitos proximais desta erupção, obtemos uma nova idade mínima para os fósseis do Omo de 233 ± 22 anos. Ao contrário dos argumentos anteriores ^{6 , 8} , também mostramos que o KHS Tuff não se correlaciona com outra camada de tefra amplamente difundida, o Waidedo Vitric Tuff, e, portanto, não pode ancorar uma idade mínima para os fósseis de Herto. Mudando a idade do Homo sapiens mais antigo conhecido fósseis na África Oriental antes de cerca de 200 mil anos atrás é consistente com evidências independentes de maior antiguidade da linhagem humana moderna ¹⁰ .

Principal

Apenas oito sítios na África forneceram possíveis fósseis de Homo sapiens anatomicamente modernos do final do Pleistoceno Médio (aproximadamente 350-130 mil anos atrás (ka)) ¹¹ . A maioria destes tem uma incerteza de idade considerável ou apomorfia do H. sapiens discutível ¹¹ . Um método principal para restringir as idades fósseis é o uso de datação por isótopos ⁴⁰ Com/ ³⁹ Ar de cristal único aplicada a leitos de cinzas vulcânicas (tephra) estratigraficamente associados ^{12 , 13 , 14} . No entanto, muitos depósitos de tefra distais consistem em grande parte de vidro e carecem de cristais adequados para datação. Nesse caso, a impressão digital geoquímica pode ser usada para combinar uma camada de tefra com depósitos proximais mais prontamente datados com fenocristais maiores e mais abundantes. Os fósseis mais amplamente aceitos que são interpretados como possuindo apomorfias cranianas modernas inequívocas (ou seja, uma abóbada craniana alta e um queixo) e classificados como H. sapiens são dois achados etíopes ^{11 , 15 , 16} , ou seja, os espécimes de Omo I ¹ e Herto ⁴ . Assim, a evidência que limita suas idades assume particular importância, mas é um tópico de considerável controvérsia geocronológica ^{3 , 6 , 8} .

Os restos de Omo I foram descobertos no final da década de 1960 no vale inferior do Omo no sul da Etiópia ^{1 , 14} , na superfície de um siltito próximo ao topo do Membro I da Formação Omo-Kibish (Fig. 1a, b ). A idade máxima de Omo I foi derivada da idade de ⁴⁰ Com/ ³⁹ Ar de 196 ± 4 anos (2 σ ) ^{3 , 6 , 17} obtida para fenocristais de feldspato alcalino dos três clastos de pedra-pomes mais jovens que foram amostrados de um depósito tufáceo heterogêneo correlacionado com o tufo de Nakaa'kire ³ , que é relatado como estando “perto, mas provavelmente um pouco abaixo” dos fósseis ³ (FIG. 1b ). Recalculada usando uma idade mais amplamente adotada de 28,201 milhões de anos (Myr) para o monitor de irradiação (sanidina do Fish Canyon Tuff do Colorado) ¹⁸ , a idade Nakaa'kire Tuff muda marginalmente para 197 ± 4 kyr. Devido à relação estratigráfica incerta entre este tufo e os fósseis de hominídeos ¹⁹ , muita atenção tem sido focada na datação do tufo KHS - um depósito generalizado de mais de 2 m de espessura de precipitação de cinzas finas na base do Membro II de a Formação Omo-Kibish (Fig. 1b ). O KHS Tuff se sobrepõe ao Membro I, onde Omo I foi recuperado cerca de 1,4 m abaixo da seção inferior, e é comprovadamente mais jovem que os fósseis ^{3 , 9} . Embora o tufo Nakaa'kire tenha sido identificado em várias seções abaixo do tufo KHS, este último não foi encontrado na mesma seção da qual os clastos de pedra-pomes datados correlacionados com o tufo Nakaa'kire (com base na composição do elemento principal) foram amostrados ³ . O tamanho do grão fino do KHS Tuff impediu a datação direta de ⁴⁰ Com / ³⁹ Ar, e nenhuma correlação com um vulcão de origem ou unidade piroclástica proximal foi feita anteriormente. No entanto, com base em composições de vidro de elementos principais publicadas, foi correlacionado com a tephra TA-55 ^{20 , 21} da Formação Konso e a unidade D ^{22 diretamente 40} Com/ ³⁹ Ar datada de 184 ± 10 kyr (idade recalculada) da Formação Gademotta ⁶ (FIG. 1b ). Relacionando o fluxo de sedimentos na bacia do Omo-Kibish com os altos níveis dos lagos que correspondem à deposição de sapropel mediterrâneo ^{9 , 23} , uma idade ligeiramente mais jovem para o KHS Tuff de cerca de 172 kyr também foi proposta ⁶ . Qualquer uma dessas idades (184 ou 172 anos) seria consistente com a idade proposta de 197 ± 4 anos para Omo I.

Fig. 1: Tefroestratigrafia do Pleistoceno Médio tardio da principal fenda etíope.

a , Mapa do MER mostrando vulcões silícicos e as formações sedimentares do final do Pleistoceno Médio e unidades tefra relevantes. Caixas brancas com bordas azuis representam antigos correlatos do KHS Tuff ^{6 , 8} b , Logs estratigráficos sintéticos do final do Pleistoceno Médio mostrando antigas correlações para o Alyio Tuff ⁶ (verde), Konso SVT (rosa, também identificado no sedimento Chew Bahir core ³³ ), novas correlações para a unidade Konso TA-56 (amarelo) e erupções de origem (estrelas). LHM, Membro Herto inferior; UHM, membro superior da Herto. c , Tephra ETH18-8 acima do Tufo KHS na localidade KS na Formação Omo-Kibish ⁹ .

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Os fósseis de Herto H. sapiens foram recuperados no final da década de 1990 no Médio Awash ^{4 , 5} (Rift Afar; Fig. 1a ). Eles foram preservados em um arenito dentro do Membro Herto superior da Formação Bouri (Fig. 1b ). Este arenito é coroado pelo Waidedo Vitric Tuff (WAVT) (Fig. 1b ), que se estende por todo o Afar ocidental e também está presente em Gona ²⁴ , 50 km a norte de Herto. A datação direta do WAVT permaneceu inconclusiva devido à contaminação do cristal, mas a datação de clastos de pedra-pomes e obsidiana no arenito fossilífero rendeu uma idade máxima de cerca de 160 kyr (ref. ⁵ ). O WAVT foi identificado como um correlativo distal de tephra TA-55 (Fig. 1b ), com base na análise de elementos principais de grãos individuais e análise de elementos principais e traços de separações em massa purificadas ^{5 , 25} . Em Konso, a unidade TA-55 fica abaixo dos 155 ± 14 kyr Silver Tuff ⁵ (SVT) (idade recalculada) (Fig. 1b ), sugerindo uma idade para os fósseis de Herto de cerca de 160-155 kyr (ref. ⁴ ). Esse achado foi contestado, no entanto, em um estudo ⁶ que correlacionou o Kibish KHS com o Konso TA-55 e, portanto, com o Herto WAVT (Fig. 1b ). Este argumento sugere uma idade de cerca de 172 anos para a WAVT, contrariando a estratigrafia Herto estabelecida. O grupo de pesquisa Herto⁸ corroborando sua estratigrafia original, com o WAVT acima dos fósseis Herto, desafiando assim uma idade de cerca de 172 kyr para o KHS. Eles concluíram que KHS, unidade Konso TA-55⁵ , unidade Gademotta D (cerca de 184 anos) ²² e WAVT ⁵ pode representar um único tefroestratigráfico situado acima dos fósseis Omo-Kibish Herto H. sapiens , mas que fontes eruptivas históricas plausíveis também podem ser encontradas⁸ (Fig. 1b ). Dadas as incertezas persistentes da relação estratigráfica do Tufo Nakaa'kire com Omo I, a idade do Tufo KHS torna-se crítica para a cronoestratigrafia desses locais.

Reamostramos o KHS Tuff e outros depósitos de cinzas pertinentes em Omo-Kibish, Konso e Gademotta para avaliar as correlações geoquímicas das quais as idades dos fósseis humanos modernos mais antigos são inferidas. Ao revisitar a localidade de amostragem do Tufo KHS (seção tipo KS) ⁹ em Omo-Kibish, amostramos outra camada de tefra no Membro II (Fig. 1c ) em um afloramento a cerca de 100 m da seção tipo KS. A unidade ETH18-8 é uma camada de tefra cinza de areia fina rica em cristais com aproximadamente 15 cm de espessura, muito bem classificada, situada 40 cm acima do tufo KHS (Fig. 1c ). É onipresente entre a seção KHS (KS) e a seção Chibele (CB), e pode corresponder estratigraficamente à unidade CRF-23 anteriormente identificada acima do KHS Tuff na seção CB ⁹ , embora isso não possa ser confirmado por meio de análises geoquímicas devido às diferentes condições de microssonda usadas.

Na tentativa de identificar e datar a erupção que gerou o tufo KHS, incluímos amostras de ignimbritos das erupções formadoras de caldeiras dos vulcões Shala e Corbetti. Shala e Corbetti são os únicos sistemas Main Ethiopian Rift (MER) conhecidos por terem produzido grandes erupções entre cerca de 170 ka e 250 ka ²⁶ . Em Shala, a maior caldeira no MER central (Fig. 2a ), amostramos em uma exposição de mais de 20 m de espessura do ignimbrito Qi2 não soldado ²⁷ (FIG. 2b, c ), a sudoeste do Lago Shala e 350 km a nordeste de Omo-Kibish (Fig. 2a ). Também analisamos o vidro de um ignimbrito soldado (COI2E) atribuído à formação da caldeira Corbetti, datada de 177 ± 8 kyr (ref. ²⁶ ). Um desafio de correlações geoquímicas entre depósitos de tefra proximal e distal na região é a semelhança nas composições de elementos principais e traços entre produtos piroclásticos, não apenas do mesmo vulcão, mas de vulcões diferentes no MER ²⁸ . Assim, as correlações são idealmente baseadas em um conjunto detalhado de análises de fragmentos de vidro de grão único ou de pedra-pomes de elementos maiores, menores e traços.

Fig. 2: Estratigrafia e idade do ignimbrito Shala Qi2.

a , Localização do site ETH17-14 próximo ao Lago Shala no MER. b , Estratigrafia sintética do ignimbrito Qi2 de Shala na localização ETH17-14. c , Fotografias das unidades 14A, 14B e 14C do ignimbrito Qi2 no local ETH17-14. Observações de campo indicam que os depósitos 14A e 14B são subunidades da mesma fase da erupção Qi2. d , ⁴⁰ Com/ ³⁹ Ar dados agrupados de idade plotados em ideogramas para amostras 14A e 14C do ignimbrito Qi2 (parte inferior) produzindo uma idade de erupção composta preferida de 233 ± 22 anos (parte superior). Os dados são médias ponderadas. As barras de erro mostram dados e resultados em 2 σ . ^{40 Ar*, 40} Ar radiogênico ; MSWD, quadrado médio dos desvios ponderados; P , probabilidade de que os resíduos sejam explicados exclusivamente por erros de medição; n , número de grãos aceitos.

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Os cacos de vidro KHS são riolito pantelerítico homogêneo em composição (77,0 ± 0,3% em peso de SiO ₂ , 9,7 ± 0,1% em peso de Al ₂ O ₃ , 5,0 ± 0,1% em peso de FeO* (FeO* refere-se ao Fe total como FeO) e 7,1 ± 0,4% em peso de Na2O+ _K2O ; Tabela Suplementar ₁ ) . Abundâncias de óxidos imóveis, incluindo FeO*, CaO, Al ₂ O ₃ e TiO ₂ (FIG. 3 , Tabela Suplementar 1 ), correspondem aos vidros dos produtos proximais da erupção Qi2 do vulcão Shala (amostras ETH17-14A1, B1 , B5 e C) (Figs. 2b, c , 3, Fig. 4 Complementar , Tabela Complementar 1 , Informações Complementares ). Essas correlações são corroboradas pela comparação de razões de elementos traços imóveis para vidros Qi2 e KHS e análise de componentes principais (Fig. 3 , Figs. 4 , 5 , Tabela Suplementar 2 , Informações Suplementares ).

Fig. 3: Impressões geoquímicas de MER tephra e suas fontes.

Abundâncias de elementos principais e proporções de elementos traço de vidros do ignimbrito Shala Qi2 (cerca de 233 kyr), o ignimbrite Corbetti (cerca de 177 kyr), a unidade Gademotta D (cerca de 184 kyr), os tufos Kibish KHS e ETH18-8, e o Tufos Konso TA-56 (todos os dados deste estudo). Os dados do elemento principal são normalizados para 100% anidro. As barras de erro mostradas são desvios padrão relativos derivados de medições repetidas de padrões secundários de vidro compatível com matriz STH-S6 (para FeO*, n  = 91; Tabela Complementar 6 ) e ATHO-G (para Al ₂ O ₃ , CaO e TiO ₂ , n  = 70; Tabela Suplementar 6). Eles são plotados no canto superior direito de cada gráfico para maior clareza e redimensionados para o valor do ponto central. No caso de razões de elementos, a propagação de erros foi aplicada usando análises do padrão ATHO-G ( n  = 15; Tabela Complementar 7 ). Observações de composição adicionais e biplots são apresentados na Fig. 5 Suplementar .

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Além disso, descobrimos que o vidro de riolito pantelerítico COI2E do ignimbrito Corbetti de 177 ± 8 kyr (ref. ²⁶ ) (74,3 ± 0,2% em peso de SiO2 _, 9,1 ± 0,1% em peso de Al2O3 _{, 5,6} ± 0,2% em peso de FeO* e 10,1 ± 0,2% em peso de Na ₂ O+K ₂ O) (Fig. 3, Fig. 4 Suplementar, Tabela 1 Suplementar, Informações Suplementares ) tem óxidos imóveis e abundâncias de oligoelementos que correspondem aos da unidade Kibish ETH18-8 e Konso TA -56 (Fig. 3 , Figs. Suplementares 4 , 5 , Tabela Suplementar 2 , Informações Suplementares ).

Usamos o método de datação ⁴⁰ Ar/ ³⁹ Ar para analisar 113 cristais de sanidina individuais extraídos de amostras de pedra-pomes ETH17-14A1 (base, 68 cristais) e ETH17-14C (topo, 45 cristais) coletadas dos depósitos de Shala Qi2 (Fig. 2 ) . Os dados resultantes foram filtrados para excluir grãos com baixos rendimentos de gás, no nível ou abaixo do branco, e xenocristais com idades significativamente mais velhas que a média do conjunto de dados (seis grãos com idades superiores a 1 Myr). As distribuições de idades de cada amostra eram indistinguíveis em 2 σ de incerteza (Fig. 2d ). A combinação de análises de ambas as amostras de pedra-pomes produziu uma média ponderada de 233 ± 22 kyr a 2 σ (Fig. 2d , Tabela Suplementar 3), datando assim a erupção Qi2 e o tufo KHS.

Uma idade de 233 ± 22 kyr para KHS é consistente com a idade de 177 ± 8 kyr que associamos com a tefra ETH18-8 sobrejacente (Fig. 1b ). No entanto, lança dúvidas sobre a correlação sugerida entre os altos fluxos de deposição na bacia do Omo com grandes influxos de água doce do sistema do rio Nilo para o mar Mediterrâneo ^{6 , 7 , 9} , pelo menos durante a formação do Membro II. Nossa idade KHS é incongruente com a formação do Mediterrâneo Sapropel S6 em 172 ka ⁶ e, em vez disso, se sobrepõe ao tempo de formação do sapropel S8 (217 ka) ^{9 , 29} . Embora a idade de 177 ± 8 kyr de ETH18-8 seja consistente com a formação de sapropel S6 (172 ka) ²⁹, apenas uma unidade de lamito de cerca de 40 cm de espessura separa KHS de ETH18-8, o que não pode explicar a deposição rápida sugerida na bacia concomitante com sapropel S7 (192–199 ka) ³ .

A estratigrafia Omo-Kibish revisada também é incompatível com a idade de 197 ± 4 kyr relatada para o Tufo Nakaa'kire ^{3 , 7 , 9} , que se encontra no Membro I da formação ^{3 , 7 , 9} e que deve, portanto, ser mais velho que 233 ± 22 anos. A idade de 197 ± 4 anos foi inferida a partir de três de cinco clastos de pedra-pomes datados de lentes encontradas em 'uma matriz arenosa tufácea' ⁷ . Embora essas amostras tenham composições de elementos principais semelhantes ao Tufo Nakaa'kire, elas foram coletadas de um afloramento lateral e não na seção ^{3 , 7 , 9}. Dada a incerteza na idade e localização estratigráfica do Nakaa'kire Tuff, bem como sua litologia e geoquímica heterogênea, a identificação da erupção de 233 ± 22 ka Qi2 de Shala como a fonte do KHS Tuff fornece uma idade mínima mais robusta para Omo I H. sapiens .

Além disso, nossos dados de composição do vidro, correlação de fontes e estimativa de idade para KHS nos permitem reavaliar sua identificação em outros sítios arqueológicos na Etiópia. Novo exame litológico da unidade TA-55 pedogenicamente alterada na Konso (Fig. 1 suplementar ) em frações de tamanho de grão maiores que 125 µm, maiores que 80 µm e maiores que 25 µm, após separação de densidade, não identificou fragmentos de vidro neste depósito, que anteriormente era correlacionado com o WAVT em Herto. Isso impossibilitou a avaliação da correlação relatada com o KHS Tuff ⁶ . No entanto, com a unidade subjacente TA-56 agora correlacionada com a unidade Kibish ETH18-8 e o ignimbrito de Corbetti de 177 ± 8 kyr (Fig. 3 , Figs. 4 , 5 complementares), é claro que o TA-55 tem menos de 177 ± 8 kyr e, portanto, não pode se correlacionar com o Qi2 ou o KHS Tuff.

Embora a unidade D de 184 ± 10 kyr de Gademotta apareça perto de KHS em conteúdo de elementos principais, nem a abundância de elementos principais nem de elementos traço se sobrepõe claramente (Fig. 3 , Figs. 4 , 5 , Informações Suplementares ), impedindo uma correspondência. As razões de elementos vestigiais imóveis e a análise de componentes principais mostram que a unidade D também difere de TA-56 (Fig. 3 , Figs. 4 , 5 suplementares , Informação Suplementar ).

A correlação do Herto WAVT com a unidade Konso TA-55 ⁵ , cerca de 800 km ao sul de Herto, levou pesquisadores anteriores a aceitar a idade de 155 ± 14 kyr do SVT em Konso como o terminus ante quem dos fósseis Herto. Essa correlação tem sido debatida ³⁰ , mas reforçada por dados geoquímicos adicionais ²⁵ . Não conseguimos encontrar vidro preservado em nossa amostra TA-55, mas nossos resultados minam as correlações tefroestratigráficas propostas entre as formações Omo-Kibish, Gademotta e Konso ⁶ e a idade do tufo Konso TA-55 varia entre 177 ± 8 kyr (TA-56) e 155 ± 14 kyr (SVT). Embora sua correlação com o WAVT em Herto deva ser confirmada no futuro usando análises de vidro de ponto único com grão discreto, essa faixa etária é consistente com o arenito fossilífero Herto subjacente (aproximadamente 160 kyr) ⁵ , e confirma que o Herto H. sapiens fósseis são consideravelmente mais jovens do que Omo I em Omo-Kibish.

Nossas novas restrições de idade são congruentes com a maioria dos modelos para a evolução dos humanos modernos, que estimam a origem do H. sapiens e sua divergência dos humanos arcaicos em torno de 350-200 ka (refs. ^{16 , 31 , 32} ). O desafio permanece para obter uma idade máxima robusta para Omo I. Nossa tefroestratigrafia revisada demonstra que os espécimes de Herto são posteriores aos restos de Omo I de Omo-Kibish, e que eles não estão abaixo do mesmo horizonte de tefra que os fósseis de Kibish, como inferido anteriormente ⁸ . Dados geoquímicos adicionais são necessários para esclarecer a relação entre o WAVT e outras tefras MER e podem, em última análise, identificar a fonte do WAVT, prometendo uma idade mínima mais confiável para os fósseis de Herto. De maneira mais geral, os esforços contínuos para desenvolver a estrutura tefrocronológica para a África Oriental ajudarão a abordar uma série de questões vulcanológicas, paleoambientais e paleoantropológicas inter-relacionadas.

Métodos

Amostragem

Descrições estratigráficas e amostragem foram realizadas durante duas temporadas de campo em 2017 e 2018. Amostramos a erupção ²⁷ Qi2 do vulcão Shala previamente descrita e revisitamos o Konso ^{20 , 21} , Omo-Kibish ^{3 , 6 , 9} e Gademotta ^{22 , 34} formações (Fig. 1 ). Em cada local descrevemos extensivamente a estratigrafia dos afloramentos, medimos a espessura das unidades e amostramos os depósitos onde melhor expostos e menos alterados.

⁴⁰ Com/ ³⁹ Ar namoro

Os feldspatos foram extraídos de amostras de pedra-pomes nos Departamentos de Geografia e Ciências da Terra da Universidade de Cambridge. As rochas foram trituradas em um britador de mandíbulas e peneiradas para obter uma fração de tamanho de 250-500 μm, limpas sob água e passadas por um separador de laboratório de barreira magnética Frantz para isolar os fenocristais de sanidina da massa de solo. Como as separações ainda conteriam outras fases (principalmente vidro e quartzo), 100 a 200 grãos de sanidina foram escolhidos a dedo e depois lixiviados em 5% de HF para remover qualquer vidro preso aos cristais.

Amostras e monitores de fluxo de nêutrons foram embalados em folha de cobre e empilhados em tubos de quartzo com as posições relativas dos pacotes medidas com precisão para posterior reconstrução dos gradientes de fluxo de nêutrons. O pacote de amostra foi irradiado por 2 h no reator da Oregon State University, instalação blindada com Cd (CLICIT). Sanidina Fish Canyon (28,294 ± 0,036 (1 σ ) milhões de anos atrás; Ma) (ref. ³⁵ ) foi usada para monitorar a produção de ³⁹ Ar e estabelecer valores de fluxo de nêutrons ( J ) para as amostras (Tabela Complementar 4 ). O gás foi extraído das amostras por meio de aquecimento passo a passo usando um infravermelho médio (10,6 µm) CO ₂ laser com perfil de energia uniforme não gaussiano e diâmetro de feixe de 1,5 mm. As amostras foram alojadas em uma célula de laser de janela ZnS duplamente bombeada e carregadas em uma prancheta de aço inoxidável contendo 208 poços redondos de 2,0 mm de diâmetro. O argônio liberado foi purificado de gases ativos - por exemplo, CO ₂ , H ₂ O, H ₂ , N ₂ e CH ₄ —usando três getters Zr-Al; um a 16°C e dois a 400°C. Os dados foram coletados em um espectrômetro de massa de coletor único Mass Analyzer Products MAP-215-50 usando um coletor multiplicador de elétrons no modo de coleta dinâmica (pico de salto). Os dados de intensidade de tempo foram regredidos ao tempo de entrada com ajustes polinomiais ou lineares de segunda ordem aos dados. As corridas de amostra foram corrigidas usando o desvio padrão dos brancos ao longo das corridas. A discriminação de massa foi monitorada diariamente, entre e dentro de execuções de amostra por análise de uma alíquota padrão de ar fornecida por um sistema de pipeta automatizado (consulte a Tabela Suplementar 4 para Dvalores). Todos os cálculos de branco, interferência e discriminação de massa foram realizados com o pacote de software MassSpec (MassSpec, v.8.058, A. Deino, Berkeley Geochronology Center). Constantes de decaimento e correções (Tabela Complementar 5 ) foram feitas usando a abordagem de Renne et al. 2010 ³⁶ com os parâmetros de Renne et al. 2011 ³⁵ .

Seguindo a abordagem de Kuiper et al. ¹⁸ , amostras com baixos rendimentos radiogênicos ( ⁴⁰ Ar* < 10%, 23 grãos) e outliers óbvios (idade > 1 Myr, 6 grãos) foram rejeitadas. Após essa filtragem inicial, as distribuições de idade de pico foram definidas determinando a população mais jovem de análises de grãos individuais ( n  ≥ 10) que está em conformidade com uma distribuição gaussiana com a dispersão esperada, conforme indicado pelo valor do quadrado médio dos desvios ponderados (MSWD)) ; esta segunda etapa de filtragem resultou na rejeição de mais dez grãos mais velhos, deixando 71 grãos aceitos.

As idades para amostras unitárias ETH17-14A1 e ETH17-14C são relatadas com dois erros sigma na Tabela Suplementar 3 com os dados brutos na Tabela Suplementar 4 . Essas duas subamostras do topo e do fundo da mesma unidade estratigráfica são indistinguíveis em idade com 2 σ de incerteza, o que permite que sejam combinadas em uma única amostra composta. A idade aceita para esta população é de 234 ± 22 anos (em relação à referência ³⁶ ) ou 233 ± 22 anos (em relação à referência ¹⁸ ). Uma isócrona inversa plotada através dos dados (Fig. 2 Suplementar ) produz uma idade de 219 ± 27 kyr ( ⁴⁰ Ar/ ³⁶ Ar _(i)  = 314 ± 24, MSWD = 1,1, P = 0,19, n  = 71), que é indistinguível da idade aceita.

Embora estejamos usando o método de Kuiper et al. (ref. ¹⁸ ), a calibração de Renne et al. A calibração de 2011 (ref. ³⁶ ) tem incertezas quantificáveis ​​e é nossa idade preferida para a amostra. No entanto, para consistência com o trabalho anterior, a última idade (233 ± 22 anos) é usada em todo o manuscrito.

Preparação de amostras para análises geoquímicas

A preparação das amostras foi realizada no Cambridge Tephra Laboratory de acordo com os protocolos do International Focus Group on Tephrochronology (INTAV) ^{12 , 37}para caracterização geoquímica de vidro vulcânico. Amostras de pedra-pomes da erupção do Qi2 Shala foram trituradas, peneiradas a 500, 250 e 125 μm e lavadas em água purificada e ácido clorídrico (1%) em banho ultrassônico. Grãos de vidro da fração 125-250 μm foram escolhidos a dedo ao microscópio, montados em stubs de resina epóxi, depois seccionados e polidos. Amostras de tefra distal das formações Gademotta (unidade D), Konso (TA-55/ETH18-14B e TA-56/ETH18-14A) e Omo-Kibish (KHS, ETH18-08) foram lavadas através de uma peneira em água purificada a 80 ou 25 μm, depois secos, descritos ao microscópio e montados em stubs de resina epóxi, depois seccionados e polidos. Amostras fortemente alteradas de unidades TA-56 (ETH18-14A) e TA-55 (ETH18-14B) da formação Konso foram extraídas por densidade para facilitar a busca por vidro vulcânico ^{38 ,39} . A amostra ETH18-14B do TA-55 foi peneirada a 125, 80 e 25 μm e os resíduos inspecionados ao microscópio, mas nenhum vidro foi encontrado.

Análise de elementos principais

Amostras montadas foram analisadas para composições de elementos principais com uma microssonda eletrônica SX100 CAMECA no Departamento de Ciências da Terra, Universidade de Cambridge. Os elementos principais foram medidos com uma tensão de aceleração de 10 kV e um feixe desfocado de 10 nA. Os elementos foram contados no pico por 10 s (Na, Si), 20 s (Al, Fe e K), 60 s (Ti, Mg, Ca e Cl), 90 s (P) e 120 s (Mn). O sódio foi medido primeiro para minimizar a perda de álcali. A precisão analítica foi verificada em relação aos padrões internacionais ATHO-G, STH-S6 e obsidiana peralcalina interna de Lipari (74% em peso de SiO2 _, 3,8% em peso _de Na2O e 5,3% em peso _de K2O). Replicar análises padrão e desvios padrão são relatados na Tabela Suplementar 6. Estes últimos são usados ​​para barras de erro em biplots em vez do desvio padrão de cada amostra, que é afetado por sua variabilidade natural. Sempre que possível, analisamos 40–50 pontos por amostra. Todas as análises são relatadas na Tabela Suplementar 1 .

Análise de elementos traços

As composições de elementos traço de fragmentos de tefra individuais foram analisadas por espectrometria de massa de plasma indutivamente acoplado a ablação a laser (LA-ICP-MS) no laboratório iCRAG no Trinity College Dublin. O instrumento utilizado foi um Thermo iCAPQ acoplado a um laser Photon Machines 193 nm G2 e uma célula Helex de dois volumes. Usamos um tamanho de ponto de 40 µm, dependendo da área disponível para análise, uma taxa de repetição de 6 Hz e um tempo de contagem de 33 s (200 pulsos) na amostra e 30 s no branco de gás (fundo). Analisamos fragmentos de vidro grandes o suficiente analisados ​​por análise de microssonda eletrônica (EMPA) para elementos principais; no entanto, os pontos não são vinculados por meio de códigos, pois usamos a concentração média de Ca de cada amostra como fator de correção de Ca. As concentrações foram calibradas usando NIST612 com ²⁹Si como padrão interno. A redução dos dados foi realizada no Iolite v.3.4 e um fator de correção secundário de Ca foi aplicado ⁴⁰ . A precisão das análises de vidro ATHO-G e StHs6/80-G MPI-DING são normalmente melhores que 6% para a maioria dos elementos. A precisão é refletida pelos desvios padrão de análises padrão replicadas (Tabela Suplementar 7 ), usadas para barras de erro na Fig. 3 , Fig. 4 Suplementar . Os desvios padrão das razões de elementos traços (Fig. 3 ) levam em consideração a propagação de erros. As composições detalhadas das amostras são relatadas na Tabela Suplementar 2 .

Resumo do relatório

Mais informações sobre o projeto de pesquisa estão disponíveis no  Nature Research Reporting Summary vinculado a este artigo.

Disponibilidade de dados

Todos os dados que suportam os achados deste estudo estão disponíveis no documento e em seus arquivos de Informações Complementares. Os mapas de fundo para a Fig. 1 são dados do Modelo de Elevação Digital de Missão de Topografia de Radar de Ônibus Espacial com resolução de um segundo de arco do Centro de Arquivo Ativo Distribuído de Processos Terrestres da NASA ( https://earthexplorer.usgs.gov/ ); assentamentos, lagos e outros recursos são de ( https://www.naturalearthdata.com/ ). Imagem de fundo para o canto superior esquerdo da Fig. 1 do Google Earth e dados de limites de placas cortesia do US Geological Survey.

Referências

1. 1.

   Dia, MH Restos primitivos do Homo sapiens da região do rio Omo, no sudoeste da Etiópia: restos de esqueletos humanos Omo. Nature 222 , 1135-1138 (1969).

   PUBLICIDADES  CAS  Artigo  Google Scholar 

2. 2.

   Fleagle, JG, Assefa, Z., Brown, FH & Shea, JJ Paleoantropologia da Formação Kibish, sul da Etiópia: introdução. J. Hum. Evoluir 55 , 360-365 (2008).

   Artigo  Google Scholar 

3. 3.

   McDougall, I., Brown, FH & Fleagle, JG Colocação estratigráfica e idade dos humanos modernos de Kibish, Etiópia. Nature 433 , 733-736 (2005).

   PUBLICIDADES  CAS  Artigo  Google Scholar 

4. 4.

   Branco, TD et ai. Pleistoceno Homo sapiens de Middle Awash, Etiópia. Nature 423 , 742-747 (2003).

   PUBLICIDADES  CAS  Artigo  Google Scholar 

5. 5.

   Clark, JD et ai. Contextos estratigráficos, cronológicos e comportamentais do Pleistoceno Homo sapiens do Médio Awash, Etiópia. Nature 423 , 747-752 (2003).

   PUBLICIDADES  CAS  Artigo  Google Scholar 

6. 6.

   Brown, FH, McDougall, I. & Fleagle, JG Correlação do KHS Tufo da Formação Kibish para camadas de cinzas vulcânicas em outros locais, e a idade do Homo sapiens inicial (Omo I e Omo II). J. Hum. Evoluir 63 , 577-585 (2012).

   Artigo   Google Scholar  

7. 7.

   McDougall, I., Brown, FH & Fleagle, JG Sapropels e a idade dos hominídeos Omo I e II, Kibish, Etiópia. J. Hum. Evoluir 55 , 409-420 (2008).

   Artigo   Google Scholar  

8. 8.

   Sahle, Y. et ai. em Origens e Dispersão Humanas Modernas (eds Sahle, Y. et al.) 73-104 (2019).

9. 9.

   Brown, FH & Fuller, CR Estratigrafia e tefra da Formação Kibish, sudoeste da Etiópia. J. Hum. Evoluir 55 , 366-403 (2008).

   Artigo   Google Scholar  

10. 10.

    Richter, D. et ai. A idade dos fósseis de hominídeos de Jebel Irhoud, Marrocos, e as origens da Idade da Pedra Média. Natureza 546 , 293-296 (2017).

    PUBLICIDADES   CASO   Artigo   Google Scholar  

11. 11.

    Mounier, A. & Mirazón Lahr, M. Decifrando a diversidade de hominídeos do Pleistoceno Médio Africano e a origem de nossa espécie. Noite. Comum. 10 , 3406 (2019).

    PUBLICIDADES   Artigo   Google Scholar  

12. 12.

    Lane, CS, Lowe, DJ, Blockley, SPE, Suzuki, T. & Smith, VC Avançando a tefrocronologia como uma ferramenta de datação global: aplicações em vulcanologia, arqueologia e pesquisa paleoclimática. Quat. Geocronol. 40 , 1-7 (2017).

    Artigo   Google Scholar  

13. 13.

    Abbott, P., Jensen, BJL & Lowe, DJ Cruzando novas fronteiras: estendendo a tefrocronologia como ferramenta de pesquisa geocientífica global. J. Quat. Sci. 35 , 1–8 (2020).

    Artigo   Google Scholar  

14. 14.

    Lowe, DJ Tefrocronologia e sua aplicação: uma revisão. Quat. Geocronol. 6 , 107-153 (2011).

    Artigo   Google Scholar  

15. 15.

    Mirazón Lahr, M. A formação da diversidade humana: filtros, fronteiras e transições. Fil. Trans. R. Soc. B 371 , 20150241 (2016).

    Artigo   Google Scholar  

16. 16.

    Stringer, C. A origem e evolução do Homo sapiens . Fil. Trans. R. Soc. B 371 , 20150237 (2016).

    Artigo   Google Scholar  

17. 17.

    Butzer, KW & Thurber, DL Algumas formações sedimentares do final do Cenozóico da bacia inferior do Omo. Natureza 222 , 1138-1143 (1969).

18. 18.

    Kuiper, KF e ai. Sincronizando relógios de rocha da história da Terra. Ciência 320 , 500-504 (2008).

    PUBLICIDADES   CASO   Artigo   Google Scholar  

19. 19.

    Fleagle, J., Assefa, Z., Brown, F. & Shea, JJ Paleoantropologia da Formação Kibish, sul da Etiópia: introdução. J. Hum. Evoluir 55 , 360-365 (2008).

    Artigo   Google Scholar  

20. 20.

    Nagaoka, S. e ai. Litoestratigrafia e ambientes sedimentares da Formação Konso do Plioceno-Pleistoceno com hominídeos no sul do Main Rift Etíope, Etiópia. Paleogeogr. Paleoclimatol. Paleoeco. 216 , 333-357 (2005).

    Artigo   Google Scholar  

21. 21.

    Katoh, S. et ai. Cronoestratigrafia e correlação das camadas tefra do Plio-Pleistoceno da Formação Konso, sul do Main Etíope Rift, Etiópia. Quat. Sci. Rev. 19 , 1305-1317 (2000).

    PUBLICIDADES   Artigo   Google Scholar  

22. 22.

    Morgan, L. & Renne, P. Alvorecer diacrônico da Idade da Pedra Média na África: novas idades ⁴⁰ Com/ ³⁹ Ar do Rift Etíope. Geologia 36 , 967-970 (2008).

    PUBLICIDADES   CASO   Artigo   Google Scholar  

23. 23.

    Rossignol-Strick, M. Mediterrâneo Quaternário sapropels, uma resposta imediata da monção africana à variação da insolação. Paleogeogr. Paleoclimatol. Paleoeco. 49 , 237-263 (1985).

    Artigo   Google Scholar  

24. 24.

    Quade, J. e ai. A geologia de Gona. Geol. Soc. Sou. Touro. 446 , 1-31 (2008).

    Google Scholar  

25. 25.

    Hart, WK e ai. Datação dos fósseis de hominídeos Herto. Natureza 426 , 622-622 (2003).

    PUBLICIDADES   CASO   Artigo   Google Scholar  

26. 26.

    Hutchison, W. et ai. Um pulso de vulcanismo de fenda do Pleistoceno na Etiópia no início dos humanos modernos. Noite. Comum. 7 , 13192 (2016).

    PUBLICIDADES   Artigo   Google Scholar  

27. 27.

    Mohr, P., Mitchell, JG & Raynolds, RGH Vulcanismo quaternário e falha na caldeira O'A, rift etíope central. Touro. Vulcão. 43 , 173-189 (1980).

    PUBLICIDADES   CASO   Artigo   Google Scholar  

28. 28.

    Fontijn, K. et ai. Estilos contrastantes de vulcanismo pós-caldeira ao longo da principal fenda etíope: implicações para os riscos vulcânicos contemporâneos. J. Vulcão. Geotérmica. Res. 356 , 90-113 (2018).

    PUBLICIDADES   CASO   Artigo   Google Scholar  

29. 29.

    Kroon, D. e ai. Estratigrafia de isótopos de oxigênio e sapropel no Mediterrâneo Oriental durante os últimos 3,2 milhões de anos. Proc. Broca Oceânica. Prog. Sci. Resultados 160 , 181-189 (1998).

    CASO   Google Scholar  

30. 30.

    Faupl, P., Richter, W. & Urbanek, C. Geocronologia: datação dos fósseis de Herto hominídeos. Natureza 426 , 621-622 (2003).

    PUBLICIDADES   CASO   Artigo   Google Scholar  

31. 31.

    Bergström, A., Stringer, C., Hajdinjak, M., Scerri, EML & Skoglund, P. Origens da ascendência humana moderna. Natureza 590 , 229-237 (2021).

    PUBLICIDADES   Artigo   Google Scholar  

32. 32.

    Schlebusch, CM et ai. Os genomas antigos da África Austral estimam a divergência humana moderna de 350.000 a 260.000 anos atrás. Ciência 358 , 652-655 (2017).

    PUBLICIDADES  CAS  Artigo  Google Scholar 

33. 33.

    Roberts, HM et ai. Usando vários cronômetros para estabelecer um registro lacustre longo e datado diretamente: restringindo mais de 600.000 anos de mudanças ambientais em Chew Bahir, Etiópia. Quat. Sci. Rev. 266 , 107025 (2021).

    Artigo   Google Scholar  

34. 34.

    Laury, RL & Albritton, CC Geologia dos sítios arqueológicos da Idade da Pedra Média no principal Vale do Rift Etíope. Geol. Soc. Sou. Touro. 86 , 999-1011 (1975).

    PUBLICIDADES   Artigo   Google Scholar  

35. 35.

    Renne, PR, Balco, G., Ludwig, KR, Mundil, R. & Min, K. Resposta ao comentário de WH Schwarz et al. sobre “Determinação conjunta de constantes de decaimento de ^{40 K e 40} Com*/ ⁴⁰ K para o padrão de sanidina Fish Canyon, e precisão melhorada para geocronologia de ⁴⁰ Com/ ³⁹ Ar” por PR Renne et al. (2010). Geoquímica. Cosmochim. Minutos 75 , 5097-5100 (2011).

36. 36.

    Renne, PR, Mundil, R., Balco, G., Min, K. & Ludwig, KR Determinação conjunta de constantes de decaimento de ^{40 K e 40} Ar*/ ⁴⁰ K para o padrão de sanidina Fish Canyon e precisão aprimorada para ⁴⁰ Ar/ ³⁹ Ar geocronologia. Geochim. Cosmochim. Ata 74 , 5349-5367 (2010).

    PUBLICIDADES  CAS  Artigo  Google Scholar 

37. 37.

    Lowe, DJ et ai. Correlacionando tefras e criptotefras usando análises composicionais de vidro e métodos numéricos e estatísticos: revisão e avaliação. Quat. Sci. Rev. 175 , 1–44 (2017).

    PUBLICIDADES  Artigo  Google Scholar 

38. 38.

    Blockley, EPS e AI. Um novo e menos destrutivo procedimento laboratorial para a separação física de fragmentos de tefra de vidro distal de sedimentos. Quat. Sci. Rev. 24 , 1952-1960 (2005).

    PUBLICIDADES   Artigo   Google Scholar  

39. 39.

    Lane, CS, Cullen, VL, White, D., Bramham-Law, CWF & Smith, VC Cryptotephra como ferramenta de datação e correlação em arqueologia. J. Arqueólogo. Sci. 42 , 42-50 (2014).

    Artigo   Google Scholar  

40. 40.

    Tomlinson, EL, Thordarson, T., Müller, W., Thirlwall, M. & Menzies, MA Microanálise de tephra por LA-ICP-MS—estratégias, vantagens e limitações avaliadas usando o ignimbrite de Thorsmörk (sul da Islândia). Química Geol. 279 , 73-89 (2010).

    PUBLICIDADES   CASO   Artigo   Google Scholar  

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Reconhecimentos

Este estudo foi apoiado pelo Leverhulme Trust ('Natureza e impactos do vulcanismo do Pleistoceno Médio na Fenda Etíope', 2016-21) e o Fundo de Pesquisa Cambridge-Africa ALBORADA ('linhas de ligação vulcânicas entre registros de climas passados ​​e humanos modernos primitivos na Etiópia, 2019-21'). A datação Ar-Ar foi apoiada pela concessão NIGFSC IP-1683-1116 através do Conselho de Pesquisa do Ambiente Natural do Reino Unido. A instalação iCRAG LA-ICP-MS no Trinity College Dublin é apoiada pelo prêmio SFI 13/RC/2092. Agradecemos às autoridades locais e regionais da Etiópia por facilitar o trabalho de campo e a exportação de amostras, incluindo a Escola de Ciências da Terra da Universidade de Addis Abeba, o Estado Regional de Oromiya, a Administração Local de Ngangatom Woreda e o Ministério de Minas, Petróleo e Gás Natural do FDRE. Somos gratos a Y.Beyene pela assistência no acesso às localidades de Konso tephra; Ethioder e seus motoristas para apoio logístico; e assistentes de campo Alex em Omo-Kibish e Demelash em Konso. Agradecemos a D. Colby por facilitar o acesso à amostra de Corbetti e A. Piermattei, I. Buisman e J. Day pela assistência na preparação da amostra e análises de microssonda em Cambridge. O manuscrito se beneficiou dos comentários de W. Hart e C. Feibel, e somos gratos a eles por suas contribuições.e somos gratos a eles por sua contribuição.e somos gratos a eles por sua contribuição.

Informação sobre o autor

Afiliações

1. Departamento de Geografia, Universidade de Cambridge, Cambridge, Reino Unido

   Céline M. Vidal, Christine S. Lane & Clive Oppenheimer

2. Fitzwilliam College, Universidade de Cambridge, Cambridge, Reino Unido

   Celine M. Vidal

3. Escola de Ciências da Terra, Universidade de Adis Abeba, Adis Abeba, Etiópia

   Asfawossen Asrat & Gezahegn Yirgu

4. Departamento de Mineração e Engenharia Geológica, Botswana International University of Science and Technology, Palapye, Botswana

   Asfawossen Asrat

5. NEIF Argon Isotopes, Universidade de Glasgow, SUERC, Glasgow, Reino Unido

   Dan N. Barfod & Darren F. Mark

6. Trinity College Dublin, Universidade de Dublin, Dublin, Irlanda

   Emma L. Tomlinson

7. Departamento de Geociências, Ambiente e Sociedade, Université Libre de Bruxelles, Bruxelas, Bélgica

   Amdemichael Zafu Tadesse

8. Berkeley Geochronology Center, Berkeley, CA, EUA

   Alan Deino

9. Escola de Ciências da Terra e Ambientais, Universidade de St Andrews, St Andrews, Reino Unido

   William Hutchison

10. História Natural do Homem Pré-Histórico (HNHP, UMR 7194), MNHN/CNRS/UPVD, Musée de l'Homme, Paris, França

    Aurelien Mounier

11. Leverhulme Center for Human Evolutionary Studies, Departamento de Arqueologia, Universidade de Cambridge, Cambridge, Reino Unido

    Aurelien Mounier

12. McDonald Institute for Archaeological Research, Cambridge, Reino Unido

    Clive Oppenheimer

Contribuições

CMV, CO, CSL, AA e WH desenharam o estudo. CMV e CSL projetaram e conduziram trabalho de campo e laboratório e adquiriram, analisaram e interpretaram dados estratigráficos e geoquímicos. AA, GY, AZT e AD projetaram o trabalho de campo e adquiriram e interpretaram dados estratigráficos em campo. DNB e DFM analisaram e interpretaram dados radiométricos. A ELT analisou amostras para oligoelementos. AM contribuiu para a discussão paleoantropológica do manuscrito. Todos os autores contribuíram para a preparação e revisão do manuscrito e aprovaram a versão submetida.

autor correspondente

Correspondência para Céline M. Vidal .

Declarações de ética

Interesses competitivos

Os autores declaram não haver interesses competitivos ou financeiros.

Informações de revisão por pares

Uma Natureza agradece a Craig Feibel, William Hart e outros revisores anônimos por sua contribuição para a revisão por pares deste trabalho.

Informação adicional

Nota do editor Springer Nature permanece neutro em relação a reivindicações jurisdicionais em mapas publicados e afiliações institucionais.

Informação suplementar

Informação suplementar

Este arquivo contém informações sobre geoquímica tephra, Figs Suplementares. 1–5 e referências adicionais.

Resumo do relatório

Tabela Complementar 1

Composição normalizada do elemento principal de amostras de tephra.

Tabela Complementar 2

Abundâncias de oligoelementos (ppm) de amostras de tefra.

Tabela Complementar 3

^{Monocristal 40} Com/ ³⁹ Ar idades para unidade A e unidade C do ignimbrito Qi2 de Shala .

Tabela Complementar 4

Dados isotópicos de argônio para as amostras de Qi2.

Tabela Complementar 5

Constantes de decaimento e fatores de correção.

Tabela Complementar 6

Composições médias dos padrões secundários da EPMA para os anos 2018–2019.

Tabela Complementar 7

Composições padrão para análises LA-ICP-MS.