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datazióne (geologia)

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Generalità

La datazione in ambito geologico si può ottenere secondo due vie e ciascuno dei tipi di datazione che ne conseguono si basa su diversi metodi: se si determina l'età di una roccia o di un fenomeno geologico in rapporto ad altre rocce o fenomeni anteriori o posteriori a quelli in esame, si parla di datazione relativa; se invece se ne determina l'età in anni o milioni di anni rispetto al presente, si parla di datazione assoluta. Nel primo caso si perviene a una cronologia relativa, nel secondo a una cronologia assoluta. La misura degli intervalli di tempo geologico rappresenta una componente necessaria nello studio dei processi tettonici in quanto la determinazione della durata di certi processi è essenziale per poter pienamente descrivere la loro natura dinamica ed è ugualmente importante per poter misurare il tempo di ritorno e la frequenza degli eventi tettonici se si vuol ottenere un quadro completo della evoluzione della Terra. Molti sistemi naturali il cui stato o la cui composizione sono cambiati lentamente col tempo possono, in teoria, essere utilizzati per datazioni geologiche, ma in pratica i processi geologici che entrano in questi sistemi sono così irregolari e così poco conosciuti da non poter permettere di ottenere stime realmente valide dei valori numerici dell'età. Il requisito principale per una datazione accurata è infatti che il processo avvenga in modo conosciuto e indipendentemente dalle condizioni ambientali. Inoltre il processo di datazione deve iniziarsi o rendersi immediatamente indipendente dall'evento che dovrà essere datato e deve consentire una registrazione che possibilmente sia ininterrotta e indisturbata già dall'inizio dell'evento. Gli unici metodi che danno sufficienti garanzie di esattezza sono quelli basati sulla radioattività residua sia di rocce sia di resti organici: infatti, tali metodi hanno fornito i primi attendibili dati sull'ordine di grandezze dei tempi geologici indicando che l'età delle più antiche rocce della Terra è compresa tra i 3500 e i 4500 milioni di anni. "Per i radionuclidi naturali usati per la datazione con metodi radioattivi vedi tabella al lemma del 7° volume." "Vedi la tabella alla pagina 32 dell’8° volume." Tra l'altro hanno permesso di conoscere l'estensione e le relazioni di età di alcune grandi masse di terreni del Precambriano (che da solo rappresenta l'85% del tempo geologico e nei terreni del quale sono scarsi o assenti i reperti fossili), anche quando le complicazioni strutturali e il metamorfismo impediscono l'osservazione diretta delle successioni originali degli strati, eccezion fatta per episodi locali. La datazione di terreni antichi, associata al metodo basato sulla correlazione, ha permesso altresì di datare i resti fossili contenuti in questi terreni; per resti fossili abbastanza recenti si è rivelato fondamentale il metodo del radiocarbonio che consente datazioni dirette. La datazione con metodi basati sulla radioattività è attendibile, secondo il metodo, entro delimitati intervalli di tempo.

Metodi di datazione basati sulla radioattività

Si basano sul decadimento dell'uranio e del torio in piombo e considerano la trasformazione degli isotopi radioattivi 238U, 235U e 232Th in tre distinti isotopi stabili del piombo (rispettivamente 206Pb, 207Pb e 208Pb) attraverso una serie di 8-12 isotopi che hanno però un semiperiodo (cioè tempo necessario perché una data quantità di un radionuclide si riduca per decadimento alla metà) molto più breve del rispettivo capostipite e quindi possono essere trascurati agli effetti della cronologia. L'uranio 238 si trasforma nel piombo 206 con un semiperiodo di 4,5∤109 anni, l'uranio 235 si trasforma in piombo 207 con un semiperiodo di 0,71∤109 anni e il torio 232 dà l'isotopo piombo 208 con un semiperiodo di 13,9∤109 anni. Se in un minerale è presente una miscela di queste coppie di isotopi (238U+206Pb, 235U+207Pb, 232Th+208Pb), le misure delle età calcolate sulle differenti coppie offrono la possibilità di confrontare i valori ottenuti e stabilirne la validità. Per esempio, in uno dei più antichi campioni rocciosi proveniente dalla Rhodesia il rapporto tra 238U e 206Pb indicava un'età di 2675 milioni di anni, quello tra 235U e 207Pb un'età di 2680 milioni di anni e quello tra 232Th e 208Pb un'età di 2645 milioni di anni. Un calcolo indipendente eseguito sullo stesso campione e basato sul rapporto 207Pb e 206Pb ha dato un'età di 2680 milioni di anni. Si sono avuti, cioè, tre risultati assai prossimi. Il metodo dell'elio si basa sul fatto che in tutte le trasformazioni radioattive con emissione di particelle si ha formazione di elio: pertanto se la roccia è sufficientemente impermeabile l'elio vi rimane occluso. La misura delle quantità relative di elio e di uranio presenti in una roccia consente, tenendo altresì conto del torio che generalmente accompagna l'uranio e che decade anch'esso con emissione di particelle, di determinare l'età della roccia stessa. Il metodo rubidio-stronzio, proposto da Goldschmidt (1938), si basa sul fatto che un isotopo radioattivo del rubidio, il rubidio 87, si disintegra con un semiperiodo di ca. 1,47∤1010 anni e produce stronzio 87, con emissione di particelle β. Il metodo potassio-argo si basa sul fatto che un isotopo radioattivo del potassio, il potassio 40, si disintegra, con semiperiodo di 1,33∤109 anni, in un 12% di argo (40A) e in un 88% di calcio (40Ca). Anche se il 40K rappresenta solo lo 0,012% del potassio che si trova in natura, questo elemento è così largamente distribuito come costituente dei feldspati e di altri minerali delle rocce che l'impiego di questo metodo dà numerosi risultati e le misure così ottenute coincidono bene con le correlazioni che si fanno con i metodi paleontologici. Tutti questi metodi consentono datazioni per intervalli di tempo superiori a 4,5∤104 anni; per la determinazione di età relativamente recenti si ricorre a elementi radioattivi di vita breve; quello più usato è il metodo del radiocarbonio, sviluppatosi da quando Libby (1947) e i suoi collaboratori determinarono che l'isotopo 14C è prodotto dall'isopoto dell'azoto 14N nell'alta atmosfera sotto il bombardamento dei raggi cosmici. Ciascun atomo di 14N dà un atomo di 14C e un protone; il 14C si combina con l'ossigeno per dare biossido di carbonio radioattivo, 14CO₂, che raggiunge la superficie della Terra e viene assorbito dalla materia vivente. Successive osservazioni hanno messo in evidenza che per ciascun tipo di organismo il rapporto 14C/12C è costante. È stato anche verificato che quando un animale o una pianta muore, il carbonio 14 contenuto nell'organismo si disintegra con un semiperiodo di 5730 anni e che quindi con questo metodo è possibile datare oggetti fino a un massimo di ca. 40.000 anni, anche se le apparecchiature sempre più sofisticate di alcuni laboratori francesi permettono già di estendere questo intervallo di tempo a circa 70.000 anni fa. Il metodo delle tracce di fissione, è basato sul rilevamento dei danni provocati alle strutture cristalline dalle disintegrazioni radioattive. Le impronte di impatto dovute alla fissione del 238U vengono messe in evidenza mediante opportuni procedimenti chimici e poi vengono contate, con l'ausilio del microscopio ottico. Il rapporto tra il numero di tracce di fissione vecchie (cioè già presenti nel campione) e il numero di tracce di fissione “nuove” (cioè ottenute sottoponendo il campione a un bombardamento mediante quantità note di 238U) corrisponde al tempo trascorso da quando il minerale subì un certo raffreddamento. L'ampiezza degli intervalli misurabili con questo metodo va da 300.000 a 300 milioni di anni. Il metodo ionio-torio si basa sul fatto che nelle acque marine sono contenuti sia il 230Th che il 232Th, in un rapporto costante. Il primo deriva dal decadimento del 238U mentre il secondo deriva dall'alterazione delle rocce terrestri. Se non vi è apporto di nuovo torio di origine detritica l'entità del discostamento tra il rapporto ionio-torio nella roccia da datare e il valore attuale di tale rapporto forniscono l'età assoluta della roccia. Con questo metodo si può datare l'intervallo di tempo da 400.000 a 700.000 anni fa. Tutti i metodi qui esposti presentano limitazioni e complicazioni che ne rendono l'applicazione non del tutto immediata: per esempio, nell'uso del metodo del piombo bisogna tener presente che nella crosta terrestre non tutto il piombo è di origine radioattiva, così come l'applicazione del metodo del radiocarbonio è resa più complessa dal fatto che può variare per cause diverse la quantità iniziale di 14C presente negli organismi. Un nuovo metodo di datazione è stato messo a punto per valutare l'età dei grandi sedimenti di arenaria che costituiscono una larga parte della crosta terrestre. Il sistema si basa sulla misurazione delle quantità di piombo e uranio contenute in un minerale piuttosto raro, la xenotina, attraverso l'impiego di una sonda che proietta un fascio di ioni (il più delle volte di ossigeno) sul campione da analizzare. La xenotina si sviluppa nel processo di trasformazione dei sedimenti in rocce. I precedenti metodi basati sulla radioattività funzionavano solo nei casi di cristallizzazione del granito o per l'eruzione di un antico vulcano, ma non davano esito sull'arenaria. Anche la biostratigrafia non consente datazioni di strati di arenaria, in quanto i fossili presenti risalgono al massimo a 540 milioni d'anni; di conseguenza i sedimenti anteriori (il 90% della stratificazione geologica) non sono databili.

Altri metodi di datazione

Una conferma dei valori ottenuti con la datazione basata su elementi radioattivi, almeno per tempi non eccessivamente remoti, si ottiene anche con altri metodi, che in determinati casi permettono di misurare in anni alcuni intervalli specifici o di esprimere il tempo richiesto per la formazione di certi corpi rocciosi. Tra questi sono da ricordare: il metodo delle varve, che si basa sull'alternanza stagionale dei sedimenti deposti nei laghi periglaciali; poiché ciascuno strato, composto di un letto chiaro e uno scuro, rappresenta l'intervallo di tempo di un anno, il numero di varve in un deposito ne definisce il tempo di formazione. Con questo metodo sono state datate, nei depositi glaciali scandinavi e americani, delle sequenze fino a 15.000 anni dai giorni nostri. Con analoga impostazione si è cercato di definire il tempo di formazione di alcune sequenze di rocce finemente laminate come certe argilliti del Cenozoico, calcari del Cretacico ed evaporiti del Permico nell'America Settentrionale. Il metodo di Milanković viene applicato alla datazione assoluta dei depositi quaternari e si basa sulle variazioni periodiche del moto della Terra e sulle conseguenti variazioni della quantità di radiazione solare ricevuta sulla superficie terrestre. I risultati di queste analisi (che vengono espressi da una curva detta di Milanković) permettono di determinare l'età assoluta degli avvenimenti climatici verificatisi in un periodo di ca. 600.000 anni (a partire cioè dall'inizio delle espansioni glaciali quaternarie) e dei depositi corrispondenti. Il metodo dell'ossido di titanio si basa sul presupposto che in una determinata zona la quantità di tale composto che si deposita su un cm² di fondo marino nell'unità di tempo è praticamente costante. Pertanto se si riesce a calcolare la quantità di ossido di titanio depostosi in un determinato periodo di tempo è possibile stimare proporzionalmente l'età di serie sedimentarie marine. Il metodo del fluoro è basato sul fatto che se ossa di vertebrati fossili vengono permeate da acque fluorurate si origina un composto insolubile, la fluoroapatite, per sostituzione di un ossidrile dei fosfati da parte di ogni ione fluoro; il processo continua fino a saturazione. Il metodo non ha valore generale, ma serve a stabilire l'età di ossa sepolte in depositi per i quali sia noto il tempo necessario per giungere alla saturazione e permette di differenziare o correlare campioni sulla base del contenuto in fluoro. Direttamente sugli organismi vengono applicati anche i metodi di datazione basati sulla racemizzazione degli amminoacidi e, in particolare, sulle ossa di vertebrati viene applicato il metodo della racemizzazione dell'acido aspartico, mentre sui resti di conchiglie carbonatiche viene applicato il metodo dell'epimerizzazione dell'isoleucina. Entrambi si basano sul fatto che le molecole di amminoacido sono otticamente attive, cioè possono sintetizzarsi con un atomo di carbonio asimmetrico a destra (molecole destrogire) o a sinistra (molecole levogire). Il rapporto, chimicamente stabile, tra molecole destrogire e molecole levogire in ciascun campione fornisce informazioni sull'intervallo di tempo trascorso dalla morte dell'organismo. Il metodo paleontologico, o del tasso di evoluzione organica, è stato applicato da Lyell nella seconda metà del secolo scorso. Questo autore, analizzando i mutamenti della fauna a Molluschi durante il Cenozoico e paragonandoli con quelli verificatisi dopo l'inizio dell'epoca glaciale, stabilì per il Miocene una durata di 20 milioni di anni e pose l'inizio del Cenozoico a 80 milioni di anni e a 240 quello del Paleozoico, valori abbastanza vicini a quelli ottenuti con i metodi radioattivi. Analogamente Matthew nel 1914, basandosi sull'evoluzione del cavallo, calcolò in 60 milioni di anni la durata del Cenozoico. È stato però dimostrato (Welles, 1963) che l'accrescimento negli scheletri di alcuni organismi dimostra una diminuzione della lunghezza dell'anno attraverso i tempi geologici e questo limita l'applicazione del metodo il quale si fonda sull'asserto che il tasso di evoluzione non sia drasticamente cambiato durante i tempi geologici. Il metodo della salinità degli oceani, proposto già dall'astronomo Halley intorno al 1700, parte dal presupposto che all'origine le acque non fossero salate e che i sali presenti negli oceani siano stati portati dai fiumi. Conoscendo la quantità di sodio attualmente presente negli oceani e l'incremento annuale dovuto al sodio portato dai fiumi si può stimare il tempo necessario per raggiungere la concentrazione attuale. I difetti di questo metodo sono evidenti in quanto non esistono prove della costanza dell'apporto di sodio nel tempo, non si può stimare quanto cloruro di sodio sia stato sottratto per evaporazione e inoltre molto di quello presente deriva dalla dissoluzione di preesistenti depositi salini. Un altro metodo di datazione basato sul chimismo delle acque oceaniche è il metodo degli isotopi dell'ossigeno, basato sul rapporto tra l'16O e l'18O. Quest'ultimo, più pesante, tende a evaporare in quantità minore per cui, durante le fasi di raffreddamento climatico le acque degli oceani si arricchiscono di 18O. Gli isotopi dell'ossigeno vengono fissati nei gusci carbonatici degli organismi marini e la concentrazione originaria si mantiene invariata post mortem. L'analisi chimica dei gusci consente quindi di rilevare diversi rapporti tra gli isotopi dell'ossigeno, dipendenti dal momento in cui l'organismo era in vita. Il metodo del tasso di sedimentazione è stato applicato da diversi autori ed è basato sulla velocità di sedimentazione attuale dei vari tipi di sedimento, supponendola costante. Conoscendo lo spessore di una formazione e valutandone la diminuzione in conseguenza dei processi di compattazione, è possibile risalire al tempo necessario alla deposizione del sedimento. Alcune stime del tasso di sedimentazione sui fondali oceanici (Hamilton, 1961) danno valori di 0,4-1,0 cm di materiali calcarei per ogni millennio e di 0,05-0,5 cm di argilla. Va però osservato che le diverse stime del tasso di deposizione da parte dei ricercatori e il dubbio che esso possa essere rimasto costante nei tempi geologici, rendono molto incerti i calcoli basati su questo metodo. Holmes (1947 e 1960) ha posto a confronto gli spessori massimi misurati dei sistemi stratigrafici dal Cambrico all'attuale con le misure di tempo ricavate con i metodi radioattivi ottenendo statisticamente un tasso di sedimentazione medio di ca. 23 cm per ogni millennio e l'indicazione dell'aumento del tasso nelle parti più recenti della colonna. Altri metodi proposti sono: il metodo del tasso di accumulazione di polvere cosmica nei sedimenti di mare profondo; e il metodo del tasso di alterazione e di erosione proposto per definire la cronologia delle epoche pleistocenica e attuale attraverso la profondità dell'alterazione e della lisciviazione e il tasso di formazione del suolo. Per la geocronologia dell'epoca attuale sono state prese in considerazione anche le velocità di recessione delle cascate, delle falesie, dei terrazzi marini e delle scarpate. Per la datazione di reperti culturali preistorici recenti e protostorici è stato proposto un metodo basato sull'accrescimento degli anelli annuali delle piante fossilizzate o no (dendrocronologia). Lo sviluppo di tecnologie sempre più sofisticate permette di rilevare misurazioni assai dettagliate del campo magnetico terrestre a partire dalle rocce della crosta. Il metodo di datazione magnetico è basato sul fatto che in passato il campo magnetico terrestre non è stato sempre uguale a quello attuale, sia per intensità sia per orientazione (il paleomagnetismo ne studia le variazioni nel tempo). Sulla base di questo metodo è stato possibile costruire una scala stratigrafica degli eventi magnetici (magnetostratigrafia), particolarmente dettagliata per gli eventi del Plio-Quaternario. Sempre basato sul fenomeno del magnetismo è il metodo ESR (Electron Spin Resonance). Esso è basato sulla misurazione dei centri paramagnetici presenti nel carbonato di calcio dei gusci degli organismi fossili. Riportando sul grafico questi valori si ottiene un picco (detto picco C) la cui altezza è proporzionale all'età.