1.

Introduzione

Metodi di datazione Metodi utilizzati in geologia per assegnare un’età alle rocce e ai minerali e, così facendo, definire la cronologia della Terra. Le tracce di tutti gli eventi del passato geologico, come il sollevamento di catene montuose, l’apertura e chiusura di oceani, le trasgressioni marine sui continenti e i cambiamenti climatici, sono conservate negli strati della crosta terrestre.

2.

Sviluppo di metodi relativi e assoluti

Con i metodi di cui potevano disporre, i geologi del XIX secolo furono in grado di realizzare solo una scala di tempi relativi (in cui i fenomeni studiati erano descritti come anteriori o posteriori rispetto ad altri); cosicché la vera età della Terra e la durata in milioni di anni delle unità della sua scala temporale rimasero sconosciute fino agli inizi del XX secolo. Dopo la scoperta della radioattività vennero sviluppati metodi di datazione radiometrica, che furono utilizzati per tarare la scala relativa dei tempi geologici e definire quindi una scala assoluta.

La scala relativa era stata definita principalmente applicando principi della stratigrafia, ad esempio la legge della sovrapposizione secondo cui, in una successione indisturbata di strati, gli strati più antichi risultano più profondi di quelli più giovani.

In base al loro contenuto di fossili, furono correlati strati rocciosi di diverse località; al crescere delle correlazioni accertate, i geologi definirono grandi raggruppamenti di strati, in base ai quali venne definita la suddivisione in vasti blocchi dei tempi geologici. La storia della Terra è stata così ripartita in grandi ere (Precambriano, Paleozoico, Mesozoico, Cenozoico e Neozoico), a loro volta suddivise in periodi. Vedi anche Scala dei tempi geologici.

3.

Metodi di datazione assoluta

Sebbene sia stato lo sviluppo delle tecniche di datazione radiometrica a consentire la definizione della cronologia assoluta della Terra, esistono altri metodi, usati in applicazioni limitate. Se ne elencano di seguito alcuni.

1.

Dendrocronologia

Questo metodo, applicabile al passato recente, si basa sul numero, lo spessore e la densità degli anelli annuali di crescita di alberi secolari o millenari. La dendrocronologia ha permesso di datare, con grande precisione, eventi e condizioni climatiche degli ultimi 3000-4000 anni.

2.

Analisi delle varve

Uno dei primi metodi di datazione assoluta, l’analisi delle varve, fu sviluppato in Svezia agli inizi del XX secolo. Una varva è un sottile strato di sedimenti depositato in un tranquillo corpo d’acqua nel corso di un anno. Il conteggio e la correlazione delle varve hanno permesso di misurare l’età dei depositi glaciali del Pleistocene.

3.

Datazione delle ossidiane

Questo metodo si basa sulla misurazione dello spessore degli orli di idratazione prodotti dalla lenta diffusione di vapore acqueo nelle superfici scheggiate di manufatti in ossidiana, o vetro vulcanico. Il metodo è applicabile a vetri di età compresa fra i 200 e i 200.000 anni.

4.

Datazione per termoluminescenza

La radiazione ionizzante naturale provoca l’intrappolamento degli elettroni liberi di un minerale, entro i difetti della struttura cristallina. Questi elettroni, se il cristallo viene portato a una temperatura poco al di sotto dell’incandescenza, sfuggono dal campione, dando luogo a un fenomeno di termoluminescenza; cosicché è possibile datare un minerale registrandone l’emissione e assumendo come costante il livello naturale della radiazione.

5.

Datazione radiometrica

Le tecniche radiometriche furono sviluppate poco dopo la scoperta della radioattività, avvenuta nel 1896. I regolari tassi di decadimento degli elementi instabili costituiscono “orologi” virtuali nelle rocce che compongono la crosta terrestre.

5.1.

Teoria di base

Gli elementi radioattivi, come l’uranio e il torio, decadono naturalmente in elementi diversi o in isotopi dello stesso elemento.

Il decadimento è accompagnato da emissione di radiazione o di particelle dal nucleo (raggi alfa, beta e gamma), da cattura di neutroni, o da espulsione di elettroni dai loro orbitali. Molti isotopi, ad esempio il carbonio 14, decadono in un atomo stabile con un solo passaggio, altri invece attraversano una complessa serie di decadimenti prima di giungere all’isotopo stabile che, durante il processo, continuerà ad accumularsi fin quando l’isotopo genitore non sarà completamente decaduto.

Un indice della radioattività di un elemento è il tempo di dimezzamento (o emivita), che rappresenta il tempo impiegato perché si riduca a metà la sua attività caratteristica di decadimento; esso varia, a seconda dell’elemento, da pochi microsecondi a miliardi di anni. Alla fine di un periodo corrispondente al tempo di dimezzamento, metà della quantità iniziale dell’elemento radioattivo risulta decaduta; dopo un altro periodo uguale, rimane metà della metà della quantità iniziale, e così via. Ogni elemento radioattivo ha un proprio tempo di dimezzamento: ad esempio, per il radiocarbonio esso è di 5730 anni mentre per l’uranio 238 è di 4,5 miliardi di anni.

Le tecniche di datazione radiometrica si basano sull’analisi di serie radioattive con tassi costanti di decadimento isotopico. Infatti, se la quantità di un elemento radioattivo presente in un minerale decade con tasso costante, è possibile risalire al tempo trascorso dalla formazione del minerale stesso misurando la quantità dell’isotopo prodotto dal decadimento. La serie di decadimento funge pertanto da “orologio geologico”.

5.2.

Metodo del radiocarbonio

Questa tecnica, sviluppata nel 1947 dal chimico statunitense Willard Libby e dai suoi colleghi dell’Università di Chicago, è spesso utile per risolvere problemi cronologici in archeologia, antropologia, oceanografia, pedologia, climatologia e geologia recente.

Attraverso l’attività metabolica, il livello di carbonio 14 in un organismo vivente si mantiene pari a quello presente nell’atmosfera o nelle parti dinamiche della Terra, come l’oceano. Dopo la morte dell’organismo, il carbonio 14 comincia a decadere con tasso di decadimento noto, senza che sia possibile una reintegrazione di carbonio dall’atmosfera. Una misura del livello di carbonio consente quindi un calcolo dell’età dei resti; tuttavia il rapido decadimento del carbonio fa sì che l’applicazione di questo metodo sia limitata alla datazione di oggetti di circa 50.000 anni, benché con tecniche moderne e sofisticate sia a volte possibile estendere l’intervallo di tempo a circa 70.000 anni; l’incertezza aumenta tuttavia con l’età del campione.

Nel 1962 il tempo di dimezzamento del radiocarbonio è stato ridefinito da 5570 ± 30 anni a 5730 ± 40 anni, cosicché alcune date determinate in precedenza necessitano di correzione; inoltre, per tener conto della radioattività recentemente introdotta nell’atmosfera, le date al radiocarbonio vengono calcolate con riferimento all’anno 1950. Tra i fattori di incertezza che possono portare a errori nella definizione di una scala temporale, il problema più serio consiste nella contaminazione successiva di un campione, che può essere causata da percolazione di acque, da incorporazione di carbonio più giovane o più antico, e dalla contaminazione sul campo o in laboratorio causata dagli stessi ricercatori.

5.3.

Metodo potassio-argo

Il decadimento del potassio 40 in argo è ampiamente usato per la datazione di rocce, in particolare di miche, feldspati e orneblende, in cui questo elemento è presente in grandi quantità. La fuga di argo costituisce un problema se la roccia è stata esposta a temperature superiori a 125 °C: in questo caso l’età determinata indicherà l’ultimo episodio di riscaldamento subito dalla roccia, e non il tempo trascorso dalla formazione.

5.4.

Metodo rubidio-stronzio

Usato per datare antiche rocce terrestri ignee e metamorfiche, e campioni di rocce lunari, questo metodo si basa sul decadimento del rubidio 87 in stronzio 87, con emissione di particelle beta. È frequentemente usato per verificare l’esattezza delle datazioni potassio-argo, dato che lo stronzio, anche se esposto a temperature moderatamente alte, non tende a disperdersi come l’argo.

5.5.

Metodi che utilizzano il torio 230

Questi metodi vengono impiegati per datare sedimenti oceanici che risalgono a un intervallo di tempo compreso tra 300.000 e 700.000 anni fa. L’uranio presente nell’acqua di mare decade in torio 230 (detto anche ionio) che precipita nei sedimenti del fondo; dalla concentrazione di questo isotopo e dall’analisi dei prodotti del suo decadimento, è possibile risalire all’età del sedimento stesso.

5.6.

Metodi che utilizzano il piombo

Nel metodo piombo-alfa, l’età in anni viene valutata determinando per via spettrografica il contenuto totale di piombo e la radioattività alfa (data dal contenuto di uranio-torio), in concentrazioni di zircone o monazite. Nel metodo uranio-piombo, l’età in anni viene calcolata sulla base del tasso di decadimento dell’uranio 238 in piombo 206, e dell’uranio 235 in piombo 207. Affiancando i tassi di decadimento del torio 232 in piombo 208, per lo stesso campione possono essere ottenute tre datazioni indipendenti. Il rapporto fra il piombo 206 e il piombo 207 può essere convertito in una cosiddetta età piombo-piombo. Il metodo è perlopiù applicabile a rocce precambriane. Inoltre, un’età uranio-uranio (calcolata dal rapporto fra uranio 235 e uranio 238) può essere calcolata a partire dalla datazione uranio-torio-piombo.

5.7.

Datazione attraverso le tracce di fissione

Questo metodo studia le tracce lasciate, nei minerali o nei vetri, dal passaggio di particelle nucleari emesse dalla fissione spontanea di impurità di uranio 238. L’età in anni viene calcolata determinando il rapporto tra la densità di tracce di fissione spontanea e quella di tracce di fissione indotta. Questo metodo, particolarmente efficiente per miche, tectiti e meteoriti, è stato usato per datare il periodo compreso tra circa 40.000 anni fa e un milione di anni fa, un intervallo che non è coperto né dal metodo del radiocarbonio né da quello potassio-argo. Le rocce che abbiano subito forti riscaldamenti o che siano state esposte al bombardamento di raggi cosmici, tuttavia, possono fornire date non corrette.

6.

Sviluppi recenti

Tecniche di recente messa a punto consistono nella determinazione della concentrazione degli isotopi di renio e osmio in formazioni rocciose. Uno sviluppo interessante riguarda invece la tecnica radiometrica del berillio 10, già nota per l’analisi di campioni geologici e applicata ora anche a manufatti preistorici. Il berillio 10 è un isotopo radioattivo che si forma dal berillio stabile per effetto dell’esposizione all’azione dei raggi cosmici. Alcuni campioni di selce utilizzata in epoca preistorica per la costruzione dei primi manufatti – come punte di frecce e utensili da taglio – sono stati appunto sottoposti all’analisi del berillio 10, nell’ipotesi che la loro esposizione ai raggi comsici abbia avuto inizio nel momento della lavorazione dei manufatti. L’impiego di questa tecnica per la datazione di reperti preistorici apre nuove prospettive agli studi archeologici e paleontologici.