DATAZIONE

DATAZIONE

Introduzione. - In geologia "datazione" significa l'assegnare un'età a una formazione geologica, a un fossile, a una roccia, a un minerale o a un evento geologico. Ciò può essere espresso in temini relativi o in termini assoluti. In senso relativo, si può stabilire se una formazione o un fossile sono più antichi, più recenti o contemporanei rispetto ad altri; in senso assoluto, si tratta di assegnare un'età in anni dal presente o rispetto a un conveniente termine di riferimento. Nelle serie sedimentarie normali l'età relativa è stabilita in base al principio della sovrapposizione, per cui gli strati che si trovano alla base sono più antichi di quelli sovrapposti. Tale principio non vale ovviamente qualora fenomeni tettonici abbiano modificato, talora invertendolo, l'ordine di sovrapposizione. Diversi metodi consentono di stabilire, in una pila di strati, se l'ordine è normale o invertito o ripetuto.

Considerazioni giaciturali possono essere impiegate nella determinazione dell'età relativa di formazioni non sedimentarie: colate di lava, filoni, filoni strato, batoliti e complessi metamorfici.

L'applicazione del criterio paleontologico, basato sull'impiego dei "fossili guida", specie caratteristiche a larga diffusione orizzontale e limitata estensione verticale, ha fornito il mezzo più valido per la costruzione di una cronologia geologica relativa.

La geologia stratigrafica e la paleontologia hanno così potuto stabilire una successione degli eventi attraverso i quali si è svolta la storia della Terra e una cronologia sistematica relativa la quale è espressa in una successione di "ere" suddivise in "periodi" e nei relativi "piani".

Generalità sui metodi di datazione. - I metodi intesi a fornire determinazioni cronologiche in scala assoluta possono essere basati su differenti principi e si possono classificare in metodi geologici, paleobiologici e biologici, astronomici e geochimici.

Fra i metodi geologici possiamo annoverare quelli basati sul conteggio delle varve, sul contenuto salino degli oceani, sulla velocità di denudazione e di sedimentazione. La valutazione della velocità di evoluzione delle specie animali e vegetali è un esempio di applicazione di criteri biologici e tale è anche la dendrocronologia, impostata sull'esame degli anelli di accrescimento degli alberi.

Calcoli basati sullo studio di eventi astronomici a carattere periodico, quali la precessione degli equinozi con periodo di 21.000 anni, la variazione dell'obliquità dell'eclittica con periodo di 40.000 anni e l'eccentricità dell'orbita con periodo di 92.000 anni, conducono a calcolare l'effetto combinato delle dette perturbazioni sotto forma di massimi e minimi dell'insolazione. Il calcolo, effettuato dal Milankovitch per gli ultimi 600.000 anni ed esteso recentemente fino a 1.000.000 di anni dal presente, fornisce una cronologia assoluta di uno dei parametri fondamentali che determinarono le variazioni climatiche del quaternario. Questa cronologia (cronologia di Milankovitch) costituisce un termine di riferimento a cui, sia pure con notevoli incertezze, possono venire riferiti gli eventi glaciali.

I metodi geochimici, che sono basati su criteri chimico-fisici, s'identificano principalmente con i metodi radiochimici (d. radiometrica) ma comprendono anche procedimenti più strettamente chimici, come quelli basati sul contenuto di azoto e di fluoro delle ossa fossili, e sulla racemizzazione degli amminoacidi.

Come ogni misura di grandezze chimiche e fisiche è soggetta a errori accidentali e sistematici, così anche la misura del tempo geologico è accompagnata da un certo errore: sembra quindi più opportuno parlare di "valutazione quantitativa del tempo geologico" piuttosto che di "d. assoluta".

I metodi radiochimici sono basati sulla disintegrazione spontanea o decadimento dei nuclidi radioattivi naturali, fenomeno che si verifica con leggi definite, costanti nel tempo e indipendenti da fattori ambientali. I tipi di decadimento che caratterizzano i processi radioattivi che maggiormente interessano la cronologia geologica sono il decadimento α, il decadimento β, la cattura nucleare di elettroni (cattura K) e la fissione nucleare. A causa di questi fenomeni un elemento radioattivo (elemento genitore) si trasforma nel tempo in un altro elemento detto elemento radiogenico o elemento figlio. Sono ben note le leggi generali del decadimento radioattivo, espresse dall'equazione:

dove x_o è il numero di atomi dell'elemento radioattivo presenti all'origine, x_t il numero di atomi ancora presenti al tempo t, λ la costante di decadimento, caratteristica del processo in questione.

Un'altra grandezza caratterizzante ogni processo di decadimento è il "tempo di dimezzamento" t_1/2, definito dalla relazione t_1/2 = ln 2/λ = 0,693/λ; esso è il tempo necessario perché il numero di atomi dell'elemento radioattivo inizialmente presente si riduca a metà.

Poiché il numero y degli atomi dell'elemento radiogenico che si sono formati al tempo t è uguale al numero di atomi dell'elemento radioattivo che sono decaduti, si avrà:

In questo modo il numero y di atomi dell'elemento radiogenico formati al tempo t è dato in funzione del numero x di atomi dell'elemento radioattivo presenti al tempo t, nonché di λ e di t. Dalla [2] si può facilmente ricavare in forma esplicita il valore di t, cioè, nel nostro caso, l'età:

Numerosi nuclidi radioattivi sono presenti in natura: alcuni di essi si formano in continuazione nell'alta atmosfera per effetto della radiazione cosmica (per es. ³H, ¹⁴C), altri per cattura di neutroni su rocce superficiali (per es. ³⁶Cl); altri ancora sono sempre esistiti perché fanno parte del "complesso isotopico" dell'elemento che si è mantenuto, più o meno inalterato, fin dall'epoca della nucleogenesi: fra questi ricordiamo ⁴⁰K, ⁸⁷Rb, ¹⁸⁷Re, ²³²Th, ²³⁵U, ²³⁸U, che sono i più interessanti ai fini della valutazione dell'età dei minerali e delle rocce.

La validità dei metodi radiochimici dipende dal verificarsi di alcune condizioni essenziali: ovviamente debbono essere conosciuti il tipo e i prodotti di decadimento e le costanti di disintegrazione: i prodotti del decadimento debbono essere originariamente assenti nel materiale da datare o la quantità eventualmente presente dev'essere conosciuta; il sistema si dev'essere comportato come un sistema chimico chiuso nei riguardi sia dell'elemento radioattivo che dell'elemento radiogenico dal momento in cui l'elemento radioattivo ne è entrato a far parte. Ciò significa in altre parole, che non debbono essersi verificati né acquisiti dall'esterno né perdite verso l'esterno dei due elementi considerati. Infine il minerale sottoposto a d. dev'essere coevo con la roccia o la formazione che lo contiene e di cui si vuole conoscere l'età.

La tab. 1 contiene una sintesi dei metodi maggiormente in uso per le d. geologiche. In essa sono riportati gli schemi di decadimento, il valore del tempo di dimezzamento e l'espressione dell'età.

Il metodo del carbonio 14. - Il metodo del carbonio 14 si basa sulla formazione continua del ¹⁴C nell'alta atmosfera per la reazione ¹⁴N (n, p) ¹⁴C. Gli atomi carbonio così formati entrano in combinazione con l'ossigeno per formare anidride carbonica radioattiva, ¹⁴CO₂, che si mescola, nell'atmosfera, alla CO₂ ordinaria. Le piante, attraverso la funzione clorofilliana, e gli animali che di esse si nutrono contengono il ¹⁴C nello stesso rapporto fino a che sono viventi. Quando interviene la morte il processo di assimilazione cessa e rimane attivo solo il processo di disintegrazione. La quantità residua di I4C nel campione morto, espressa dalla sua attività, ne rivela perciò l'età, cioè il tempo trascorso dal momento della morte.

Il metodo ha numerose applicazioni, non solo geologiche ma anche in archeologia.

I metodi del potassio-argo, del rubidio-stronzio e del piombo. - Il metodo potassio-argo è basato sul decadimento dell'isotopo radioattivo del potassio, ⁴⁰K, che è presente in piccolissima percentuale (0,01% in atomi) nel potassio ordinario. In realtà questo isotopo subisce un duplice processo di decadimento: per circa il 90% si trasforma in calcio 40 per decadimento β e per circa il 10% in argo 40 per un processo di cattura K. La d. è basata sulla misura del rapporto ⁴⁰Ar/⁴⁰K che cresce, nel campione, con l'età secondo la formula riportata in tab.1. Le costanti λ_β e λ_K che figurano in questa formula si riferiscono ai due tipi di decadimento menzionati e la formula tiene conto che soltanto un'aliquota del ⁴⁰K si trasforma in argo. Il procedimento sperimentale è alquanto laborioso perché implica l'estrazione dell'argo dal materiale in esame e la sua misurazione che, normalmente, avviene con l'impiego di spettrometri di massa, ciò che consente inoltre di apportare la correzione per l'inevitabile presenza di argo atmosferico. I materiali più adatti per questo tipo di d. sono, ovviamente, i minerali e le rocce ricche di potassio.

I minerali ricchi di potassio si prestano bene anche alla d. con il metodo rubidio-stronzio perché contengono ⁸⁷Rb, un isotopo radioattivo del rubidio, che è un costituente minore che accompagna sempre il potassio. Opportuni accorgimenti consentono di effettuare le necessarie correzioni per la presenza quasi costante nei materiali in esame di stronzio comune, non radiogenico.

L'età di minerali ad alto contenuto di uranio e di torio, per es. le uraniniti, ma anche di alcuni a basso tenore, per es. lo zircone, può essere determinata con i "metodi del piombo" secondo le equazioni riportate in tab. 1, fatte le debite correzioni per la presenza di piombo comune, non radiogenico. I valori delle età ottenibili con i tre metodi dovrebbero, nei casi ideali, essere concordi. Eventuali discordanze possono essere interpretate in termini di perdite dell'elemento radiogenico e una conveniente trattazione di dati consente di risalire alle età vere.

Si può prevedere che il campo di applicabilità dei metodi radiometrici sia rappresentato da un intervallo di tempo pari a circa dieci volte il valore del tempo di dimezzamento a partire dall'istante iniziale. Ciascuno dei metodi descritti ha perciò un proprio campo di applicabilità ma globalmente essi consentono di esplorare tutta la storia della Terra.

Altri metodi. - Collegati con i metodi radiometrici menzionati sono quelli basati sugli stati di disequilibrio radioattivo e sullo studio dei "danni da radiazioni", ossia dei danni provocati dalle disintegrazioni radioattive alle strutture dei minerali che ospitano nuclidi radioattivi. Saranno qui semplicemente menzionati i metodi degli stati metamittici, degli aloni pleocroici, della termoluminescenza, delle tracce di fissione nucleare. Quest'ultimo metodo ha avuto negli anni recenti un enorme sviluppo.

Benché non si possa considerare fra i procedimenti più rigorosi sarà infine menzionato il metodo del fluoro: esso è basato sulla constatazione che nel processo di fossilizzazione le ossa fissano il fluoro presente nelle acque dei terreni per graduale sostituzione dello ione OH della idrossilapatite: la quantità di fluoro presente nelle ossa tende pertanto ad aumentare col tempo secondo una legge che risente fortemente di condizioni locali, fino a raggiungere un limite di saturazione. Inversamente, durante il processo di fossilizzazione, le ossa tendono a perdere il loro contenuto di azoto proteico, che perciò si viene a trovare in relazione inversa con l'età (metodo dell'azoto).

Un nuovo procedimento in fase di sviluppo è fondato sulla constatazione che gli L-amminoacidi di origine biologica presenti nei sedimenti e nelle ossa fossili subiscono col tempo un lento processo di racemizzazione. Il metodo è molto promettente e si prevede la possibilità di datare resti organici fino a qualche milione di anni dal presente.

La scala dei tempi geologici. - La cronologia geologica quantitativa, le cui basi erano state fondate dallo stesso Rutherford nel 1904, ha segnato nell'ultimo cinquantennio continui progressi e oggi disponiamo di una scala dei tempi molto particolareggiata per il Fanerozoico, i cui lineamenti essenziali sono riportati in tab. 2 e che è oggetto tuttora di continui raffinamenti.

Per il Precambriano sono stati anche datati i principali cicli orogenici nei diversi continenti. Le rocce più antiche finora datate risalgono a 3700 milioni di anni. L'età probabile della Terra è di 4600 milioni di anni.

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