sabato 1 dicembre 2018

Datazione assoluta al Potassio - Argon

La datazione assoluta permette di risolvere l’enigma della reale età del reperto analizzato, che sia una roccia o un fossile in essa contenuto. Il più importante sistema di datazione assoluta è quello radiometrico, basato cioè sul confronto fra l’abbondanza di un isotopo radioattivo e dei suoi prodotti di decadimento, vale a dire gli atomi in cui si trasforma. La caratteristica che consente tale tipo di analisi è la regolarità del cosiddetto tempo di dimezzamento (in inglese half-life), il numero di anni che passano affinché la metà degli atomi radioattivi di un certo elemento (genitore=parent) si sia trasformato in atomi stabili di un altro elemento (figlio=daughter):
traduzione: percentuale dell’isotopo genitore rimasto/numero di tempi di dimezzamento
Ecco alcuni esempi di coppie genitore-figlio utilizzati (nella colonna centrale il tempo di dimezzamento, in anni):
Elemento genitore
Anni

Elemento figlio
Carbonio 14
5.730
Azoto 14
Potassio 40
1,3 miliardi
Argon 40
Uranio 238
4,5 miliardi
Piombo 206

Facciamo un esempio. Gli antropologi che hanno trovato i resti di ominidi in Africa negli anni ’70 del secolo scorso, non potevano datare le rocce sedimentarie in cui si trovava il fossile, poiché tali rocce non sono che un aggregato di frammenti di altre rocce, ognuno con un’età differente. Ciò che fecero fu invece di datare strati di ceneri vulcaniche presenti sopra e sotto la zona in cui si trovava il fossile:
traduzione: dirt=sedimento; volcanic ash=cenere vulcanica; B.P.= before present (anni fa)
L’osso dunque doveva essere appartenuto ad un ominide vissuto fra 1, 75 milioni di anni fa e 1,5 milioni di anni fa.
Il metodo usato era quello potassio-argon, applicabile unicamente a rocce vulcaniche di età non inferiore ai 100 000 anni (in rocce più giovani l’argon liberato è troppo poco per essere rilevato). Il fenomeno che azzera l’orologio radioattivo di questo sistema è la formazione delle rocce attraverso l’attività vulcanica, che elimina ogni traccia di argon presente in precedenza. A quel punto il tempo riparte da zero:


Il potassio si presenta naturalmente in 3 isotopi: 39K (93,2581%), 40K (0,0117%), 41K (6,7302%). Due sono stabili, mentre l'isotopo radioattivo 40K decade con un'emivita di 1,248 × 109  a 40Ca e 40Ar. La conversione in 40Ca stabile si verifica mediante emissione di elettroni (decadimento beta) nell'89,1% degli eventi di decadimento. La conversione in 40Ar stabile si verifica mediante cattura elettronica nel rimanente 10,9% degli eventi di decadimento.
L'argon, essendo un gas nobile, è un componente minore della maggior parte dei campioni di roccia di interesse geocronologico: non si lega con altri atomi in un reticolo cristallino. Quando 40K decade ad 40Ar (argon), l'atomo tipicamente rimane intrappolato dentro il reticolo perché è più grande degli spazi tra gli altri atomi lattice in un cristallo minerale. Ma può fuggire nella regione circostante quando sono soddisfatte le condizioni corrette, come il cambiamento di pressione e/o temperatura. Gli atomi di 40Ar sono in grado di diffondersi attraverso il e di fuggire dal magma fuso perché la maggior parte dei cristalli si sono fusi e gli atomi non sono più intrappolati. L'argon trasportato – l'argon diffuso che non riesce a fuggire dal magma  può diventare di nuovo intrappolato nei cristalli quando il magma si raffredda per trasformarsi di nuovo in roccia solida. Dopo la ricristallizzazione del magma, altro 40K decadrà e il 40Ar si accumulerà di nuovo, insieme agli atomi di argon trasportato, intrappolati nei cristalli minerali. La misurazione della quantità di atomi di 40Ar si usa per computare la quantità di tempo che è passato da quando un campione di roccia si è solidificato.
Malgrado il 40Ca sia il nuclide figlio preferito, raramente è utile per la datazione, in quanto il calcio è comune nella crosta e il 40Ca è l'isotopo più abbondante. Perciò, la quantità di calcio originariamente presente non è nota con abbastanza accuratezza da essere in grado di misurare il piccolo aumento prodotto dal decadimento radioattivo.

Calcolo dell'età della roccia

Il potassio 40 è un isotopo radioattivo che si disintegra secondo i seguenti modi di disintegrazione:
λε = 0,581 × 10-10 
λβ = 4,962 × 10-10 
L'età del campione si ottiene per mezzo della formula seguente:
  avec  
Quando il rapporto isotopico , uguale al rapporto delle concentrazioni di argon 40 e di potassio 40, è sufficientemente debole, la formula si simplifica in:
.

Ottenere i dati

Per ottenere il rapporto tra il contenuto di isotopi 40Ar e 40K in una roccia o in un minerale, la quantità di argon si misura mediante la spettrometria di massa dei gas liberati quando il campione di una roccia viene fuso nel vuoto. Il potassio è quantificato mediante la fotometria di fiamma o la spettroscopia di assorbimento atomico.
La quantità di 40K raramente si misura direttamente. Piuttosto, si misura il più comune 39K e quella quantità si moltiplica poi per il rapporto accettato di 40K/39K (cioè, 0,0117%/93,2581%, vedi sopra).
Si misura anche la quantità di 36Ar per valutare quanto dell'argon totale è di origine atmosferica.

Assunzioni

Secondo McDougall ed Harrison perché si possa accettare che le date computate rappresentano l'età vera della roccia, devono essere confermate le seguenti assunzioni:
  • Il nuclide padre, 40K, decade a un tasso indipendente dal suo stato fisico e non è influenzato da differenze di pressione o di temperatura. Questa è un'assunzione importante, ben fondata, comune a tutti i metodi di datazione basati sul decadimento radioattivo. Sebbene nel decadimento parziale per cattura elettronica, costante per il 40K, possano probabilmente verificarsi cambiamenti ad alte pressioni, i calcoli teorici indicano che per pressioni sperimentate all'interno di un corpo delle dimensioni della Terra gli effetti sono trascurabilmente piccoli.
  • Il rapporto 40K/39K in natura è costante, così raramente il 40K si misura direttamente, ma si assume che sia lo 0,0117% del potassio totale. A meno che non sia attivo qualche altro processo al momento del raffreddamento, questa è un'ottima assunzione per i campioni terrestri.
  • L'argon radiogenico misurato in un campione era stato prodotto dal decadimento in sito del 40K nell'intervallo a partire da quando la roccia si era cristallizzata o ricristallizzata. Le violazioni di questa assunzione non sono infrequenti. Esempi ben noti di incorporazione di 40Ar estraneo includono basalti vetrosi raffreddati in alto mare che non hanno completamente degassato l'40Ar* preesistente,[6] e la contaminazione fisica di un magma per inclusione di materiale xenolitico più antico. Il metodo di datazione Ar-Ar fu sviluppato per misurare la presenza di argon estraneo.
  • Grande cura è richiesta per evitare la contaminazione dei campioni mediante assorbimento di argon 40 non radiogeno dall'atmosfera. L'equazione può essere corretta sottraendo dal valore dell'40Armisurato la quantità presente nell'aria dove l'40Ar è 295,5 volte più abbondante dell'36Ar. 40Ardecaduto = 40Armisurato − 295,5 × 36Armisurato.
  • Il campione deve essere rimasto un sistema chiuso a partire dall'evento che viene datato. Così, non dovrebbero esserci state perdite o guadagni di 40K o di 40Ar*, diversi dal decadimento radioattivo del 40K. Deviazioni da questa assunzione sono abbastanza comuni, particolarmente in aree di storia geologica complessa, ma tali deviazioni possono fornire informazioni utili che sono preziose per chiarire le storie termiche. Una deficienza di 40Ar in un campione di età nota può indicare una fusione totale o parziale nella storia termica dell'area. L'affidabilità della datazione di una caratteristica geologica è aumentata campionando aree disparate che sono state soggette a storie termiche leggermente diverse.
Sia la fotometria di fiamma sia la spettrometria di massa sono test distruttivi, perciò è richiesta una particolare cura per assicurare che le aliquote usate siano veramente rappresentative del campione. La datazione Ar-Ar è una tecnica simile che confronta gli isotopi radioattivi della stessa porzione del campione per evitare questo problema.

Referenze

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