Introduzione alla datazione in Paleontologia e Paleoantropologia: Metodi radiometrici ed Incrementali

Quando si studia un fossile, o comunque un reperto antico, si pongono sempre due domande: la prima è "da dove viene", mentre la seconda è "ma quanto anni ha"? Sono le domande essenziali per riuscire a dare una collocazione spazio-temporale al reperto, altrimenti senza di esse sarebbe impossibile avviare qualsiasi tipologia di studio. Il tempo è un fattore fondamentale nel campo evoluzionistico perché ci permette di capire quando un organismo è comparso (nel record fossile), ed ipotizzare tutti i processi che caratterizzavano la vita di un organismo, come per esempio capire quando è vissuto, e se è vissuto contemporaneamente ad altre specie.

Esistono tanti metodi di datazione, ma in generale esistono 2 grandi categorie:

• Datazione/cronologia relativa. Riguarda perlopiù l'ambito sedimentologico e ne parlerò in un articolo apposito.
  
  
• Datazione/cronologia assoluta, serve per datare i fossili ed eventi accaduti anche prima, durante e dopo la comparsa dell'organismo studiato. Serve a disporre in sequenza i vari eventi, indipendentemente dall'età reale del reperto studiato, e ciò permette di capire se un contesto geologico è continuo o discontinuo e se sono avvenuti certi mutamenti ambientali, oltre al fatto che la datazione assoluta richiede una certa quantità di tempo affinché possa essere quantificata e misurata, il più delle volte il tutto è aiutato dai cosiddetti "fossili guida".

I metodi, invece, si dividono in: 

• Radiometrici. Studia l'abbondanza di un determinato isotopo radioattivo ed i suoi "prodotti di decadimento";
  
  
• Incrementali. Si basano sull’accumulo regolare di materiale biologico o di materiale sedimentario;
  
  
• Makers stratigrafici. Stabiliscono l’equivalenza dell’età.

I metodi radiometrici

 Questo metodo si basano sull’abbondanza di un determinato isotopo radioattivo e dei suoi prodotti di decadimento, che decade secondo tempi ben precisi permettendoci di datare. Prima di spiegare ogni tipo di metodo di datazione radiometrica, dobbiamo soffermarci su su alcuni termini e definizioni di chimica e fisica presenti nella seguente immagine (non spaventatevi!).

C è il simbolo dell'elemento, A il numero di massa e Z il n. atomico

Questo metodo si basa sulle proprietà radioattive di alcuni isotopi instabili che subiscono un cambiamento dell’organizzazione atomica, spontanea, per acquisire una forma atomica più stabile. Facciamo il ripasso dei seguenti termini:

• Numero atomico: è il numero di protoni in un atomo.
  
  
• Peso atomico: somma delle masse di neutroni e protoni.
  
  
• Numero di massa atomica: somma del numero di neutroni e protoni.
  
  
• Isotopo: specie atomica di un elemento in cui varia il numero di neutroni, modificando di conseguenza il numero di massa atomica.

Il nucleo è costituito da protone e neutroni, legati tra di loro, mentre attorno al nucleo si muovono gli elettroni. Il numero di protoni e neutroni è in genere stabile fino a quando il numero di neutroni diventa elevato o troppo poco elevato (particella instabile), aumentando le forze repulsive tra le particelle dello stesso segno (negativo con negativo, o positivo con positivo) superando la forza di coesione che teneva unite le particelle. Questo evento dà luogo ad un rilascio spontaneo di energia o particelle che sta alla base della radioattività. Vengono rilasciate:

• Particelle alfa: consistono in 2 protoni e 2 neutroni(nuclei di elio carichi positivamente che scontrandosi con le particelle circostanti acquisiscono elettroni per formare l’elio gassoso). La loro emissione cambia il numero atomico;
  
  
• Particelle beta: sono elettroni carichi negativamente e la loro emissione non cambia la massa ma il numero atomico. Quindi l’elettrone può spostarsi tra un’orbita ed un’altra, oppure persino trasferirsi nel nucleo che entrerà in uno stato sovraeccitato emettendo raggi gamma;
  
  
• Raggi gamma: donano proprietà termoluminescenti ai minerali.

Decadimento radioattivo. Dopo aver rinfrescato la mente con questi termini, procediamo con la conoscenza del decadimento radioattivo. È un processo fisico-nucleare nel quale alcuni nuclei atomici instabili, o radioattivi, si trasformano (decadono) in un certo periodo di tempo chiamato tempo di decadimento, producendo nuclei con energia minore e raggiungendo così uno stato di maggiore stabilità. Esamineremo più nel dettaglio il decadimento attraverso i vari metodi.

• Il radiocarbonio (o carbonio-14) è probabilmente uno dei metodi più conosciuti che ci permette di datare reperti antichi fino a 40.000 anni (in certi casi anche 60.000 anni). Si forma negli strati della troposfera e della stratosfera da neutroni di azoto. Il C-14 può decadere (quindi trasformarsi di nuovo) in azoto-14, ed il tempo di dimezzamento è di 5730 anni. Gli atomi di C-14 vengono ossidati in CO2 e mescolati assieme ad altre molecole di anidride carbonica nell’atmosfera per essere assorbiti dagli esseri viventi e dagli oceani. Se l’organismo è vivo, il C-14 viene rimesso in circolo, altrimenti rimane all’interno dell’organismo nel caso della morte dello stesso. Non venendo rimesso in circolo, il C-14 decadrà all'interno dei tessuti organici o mineralizzati, calcolando l’età di morte dalla residua attività del C-14. Con il Carbonio-14 esistono due metodi di datazione:

1. La datazione tradizionale al radiocarbonio, in cui si contano e si registrano le particelle beta emesse dagli atomi di 14-C in un dato periodo di tempo;
2. La spettrometria di massa con acceleratore, che usa acceleratori di particelle come spettrometri di massa per contare gli atomi di C-14. Cambia dal primo metodo in quanto non si contano i numeri di prodotti dovuti al decadimento.

Il radiocarbonio ha una vita media di quasi 8300 anni e un tempo di dimezzamento di 5700 anni; è un isotopo radioattivo. Quando studiamo il Carbonio, ci interessano tre isotopi: il 12-C (comprende una concentrazione di circa il 99%), il 13-C (1%) e il 14-C (una concentrazione davvero infinitesimale). Se vogliamo entrare un po' nel dettaglio, tutti e tre gli isotopi possiedono Z=6, mentre il 12-C ha 6 neutroni, il 13-C 7 e il 14-C 8. I primi due sono isotopi abbondanti e stabili, mentre il 14-C è instabile. Dopo aver accennato a queste informazioni, possiamo parlare di un fenomeno che forse conoscete un po' tutti: il decadimento radioattivo. In parole povere, un atomo si trasforma in un altro atomo, radioattivo o stabile, e questa trasformazione è molto probabile quando un isotopo è instabile. Si può avere una sorta di 'curva', proprio perché il decadimento è esponenziale, e ciò è visibile nell'immagine che vedete qui sotto.

Fonte: Wikiversity

Questa curva può essere spiegata con alcune formule matematiche. Bisogna tenere conto che, essendo un decadimento esponenziale, si ha un'equazione differenziale per il calcolo della quantità di 14-C, indicata con N (N con 'o' significa quantità iniziale, mentre con 't' si indica la quantità odierna). In genere, se si conosce o si usa un parametro stabile, la quantità da calcolare di 14-C è quella 'odierna'.

dN/dt = - λN

Aggiungiamo anche altre integrazioni:

N(t) = N(0)e-λt

Possiamo scriverla così

N(t) = N(0)e-t/τ

Dove

λ = probabilità di decadimento

τ = vita media

T1/2 = tempo di dimezzamento (il tempo dopo il quale il numero di isotopi di un dato elemento risulta essere la metà del numero iniziale: T1/2).

Le vite medie possono essere brevi o lunghe, e ciò dipende dalle proprietà chimico-fisiche dell'elemento (e da altri parametri).

A che serve sapere ciò che abbiamo appena detto? Sembrano dei concetti complessi esposti senza un'apparente connessione, ma in realtà ci permettono di comprendere meglio il processo di formazione, trasformazione e arrivo del carbonio-14 sul nostro pianeta. Per prima cosa, bisogna ricordare che il carbonio-14 ha una vita media di 8270 anni, e la "popolazione" di questo isotopo viene rifornita dai raggi cosmici, costituiti da protoni ad altissima energia, che interagiscono con azoto e ossigeno nella troposfera (16-20 km) attraverso reazioni nucleari, emettendo neutroni. Come suggerisce il nome, questi neutroni sono 'neutri', quindi non reagiscono in alcun modo ma possono collidere con il nucleo di un elemento, rallentare e perdere energia. Una volta che hanno perso energia sufficiente, possono reagire con l'isotopo 14-N (azoto) e formare nuovamente 14-C. Sì, sono stato impreciso in precedenza a non menzionare che questo fenomeno di "dimezzamento", o di 'decadimento', comporta la trasformazione del 14-C in 14-N, un elemento con energia inferiore.

Tempo di dimezzamento legato agli isotipi del Carbonio e dell'azoto

Cerchiamo di essere sintetici in questo paragrafo analizzando i punti salienti su ciò che riguarda la datazione del Radiocarbonio:

1. Si ha un perfetto equilibrio tra isotopi che rinascono e muoiono in quanto, come detto prima, i raggi cosmici riforniscono la popolazione dell'isotopo di protoni ad altissima energia;
2. Ciò che abbiamo appena letto, che riguarda l'interazione tra neutroni e 14-N, avviene solo in atmosfera (troposfera) in quanto in neutroni non riescono ad arrivare sul suolo terrestre;
3. Si formano moltissimi 14-C, che si uniranno all'O2 che, essendo un gas, riesce a diffondersi un po' ovunque (naturalmente, avete già capito che parliamo della CO2);
4. I moti convettivi dell'atmosfera sono relativamente veloci, quindi in ore-pochi giorni il nostro 14-C riuscirà a distribuirsi un po' ovunque sul nostro pianeta (non in modo omogeneo, ma ne parleremo dopo);
5. Una volta giunto sulla terra, il 14-C (legato all'O2 come CO2), entra a far parte dei meccanismi metabolici degli organismi. Quindi, viene assunto dalle piante e queste verranno mangiate dagli animali con una dieta prevalentemente erbivora (anche se non esiste una dieta ben delineata nel mondo animale, ma ne parleremo in un prossimo post), che a loro volta verranno mangiati da altri animali. 

 In questo modo il 14-C riesce ad arrivare ai cosiddetti 'carnivori', con il cibo che compensa la perdita del decadimento radioattivo. Con la morte (questo punto è importantissimo per la datazione), il 14-C non è più compensato perché nei cadaveri decade e diminuisce secondo tassi ben precisi, e rimangono solo gli isotopi stabili (come il 12-C e il 13-C). Quindi, tutto sommato, ci basta mettere in relazione la quantità 'odierna' 14-C di un elemento studiato con il 12-C per sapere la concentrazione attuale, appunto, di 14-C, che ci permette di capire da quando un organismo è morto (questa tecnica, per essere un po' rompiballe, non misura quanto è antico un reperto organico, ma indica da quanto tempo è morto). Naturalmente, le operazioni sono più complesse di quanto ci si possa immaginare, questo perché non sempre si conoscono le concentrazioni inziali di 14-C, con la conseguenza che si fanno assunzioni perlopiù schematiche in quanto l’età del radiocarbonio convenzionale non coincide il più delle volte con la migliore stima dell’età, che andrà corretta sempre. Vediamo alcune problematiche: 

1. Si utilizza un valore convenzionale di 1.18 x 10-12 pmc come 'concentrazione iniziale'. Alla fine dei nostri conteggi, seguendo anche altri studi, si "aggiusta il tiro" con tecniche di calibrazione (che possono variare da studio a caso a caso);
2. La concentrazione di 14-C è diversa a seconda della latitudine e della longitudine. Per esempio, la formazione di quest'isotopo è 5 volte maggiore al Polo superiore rispetto all'Equatore. Questo perché al Polo le traiettorie dei raggi cosmici vengono deflesse dal campo elettromagnetico. Inoltre, l'atmosfera circola molto velocemente e di conseguenza in almeno un mese le concentrazioni all'Equatore e al Polo si mescolano. C'è da aggiungere, giusto per complicare la situazione, che si hanno pochi rimescolamenti tra i due emisferi, questo perché le perturbazioni in genere non superano l'Equatore;
3. La concentrazione di 14-C non è mai stata uguale, sia per via di fenomeni antropici che naturali: Può variare il flusso dei raggi cosmici (per via di cicli dell'attività solare); Le eruzioni vulcaniche non ci aiutano molto in quanto si ha un effetto simile a quello di Suess; Si ha il cosiddetto "effetto Suess", strettamente legato all'evoluzione industriale. Nell'Ottocento è stato bruciato carbone fossile che conteneva 14-C milioni di anni fa, ma bruciandolo è stata rilasciata solo CO2 senza il 14-C, e questo effetto ha abbassato la concentrazione di quest'isotopo; I test nucleari (durante la Guerra Fredda tra il 1950 e il 1960) hanno liberato enormi quantità di neutroni, liberando così una grossa quantità di 14-C (per questo non si datano reperti relativamente recenti, e già la datazione di reperti medievali sta diventando complessa. Ne parlo nella sezione 'approfondimenti'); Nelle acque marine non si ha la stessa concentrazione di 14C dell’atmosfera in quanto l'aria "gira" più velocemente, mentre nelle acque marine i moti sono più lenti, quindi la CO2 decade. Un pesce morto da qualche secolo ha/avrà meno 14-C rispetto ad un animale terrestre, e secondo le tecniche di datazione un pesce appena morto risulterebbe deceduto da 200-300 anni. Un effetto simile a quest'ultimo si verifica nei fiumi o nelle acque lacustri, questo perché possono essere presenti calcari privi di 14-C.

Quindi, in conclusione, l'età del radiocarbonio convenzionale non coincide con la migliore stima dell’età, che andrà corretta con altre tecniche "storiche", come la dendrocronologia (la conta delle cerchie degli alberi). 

Come si misurano le concentrazioni di 14-C? In generale si mette in relazione le quantità 14C/12C (da cui si ha la cosiddetta età convenzionale), come anche il 13-C perché si sa che la quantità è rimasta la stessa, mentre quando un organismo muore il 14-C decade e diminuisce la concentrazione. Quindi, tutta quest'operazione prevede ri-calibrazioni e la misura più precisa possibile della concentrazione di 14-C, in quanto da essa dipende l'età convenzionale. Per concludere, possiamo dire che per T=8300 anni, se si fa 1% sulla misura di concentrazione del 14-C, l'errore assoluto è di 80 anni. Se faccio misure fino allo 0,5%, l'errore assoluto sull'età convenzionale sarà di 40 anni circa. 

Eccovi uno schema riassuntivo sullo svolgimento della formula:

Errori assoluti, e la necessità di aggiungere il termine "circa" quando parliamo di datazioni in un articolo divulgativo. In questo piccolo paragrafo, spero, conto di risolvere un annoso problema che riguarda l'utilizzo delle date/datazioni quando si parla di reperti antichi. Dopo aver letto tutta la roba che ho scritto prima, in un modo o nell'altro, avrete capito sicuramente che quando si fanno queste misurazioni un minimo di errore c'è sempre. Magari è dovuto alla strumentazione, magari alla mancanza di alcuni dati, ma non saranno mai misure 'perfette'.

Fonte: International Commission on Stratigraphy

Ecco, come potete vedere nell'ultima immagine, le datazioni sono accompagnate da un range di errore. Cioè, sicuramente in quell'intervallo di tempo (indicato da + e da -) ci sarà il reale valore, ma la strumentazione a nostra disposizione non riuscirà mai a dare un risultato assoluto, tranne in alcuni casi dove il range è davvero infinitesimale. Per esempio, in Calabria, esiste la famosa 'Vrica', un riferimento stratigrafico che rappresenta una datazione quasi assoluta e con un margine di errore davvero minimo (ma, come potete vedere dall'immagine, anche ISPRA inserisce il 'circa' dopo la datazione (questo perché un minimo di errore ci sarà sempre e comunque)).

Qui entriamo nel mondo della statistica, ma vi parlerò brevemente solo dell'Errore assoluto attraverso un'immagine, così da capire cosa sono quei "+" e "-" dopo l'età.

201.4 milioni è la media di un'infinità di calcoli che ha portato a questo risultato, e 0.2 milioni (o duecentomila) è il range di errore/l'intervallo di tempo nel quale è possibile trovare tutte le misure effettuate. Diciamo che i valori misurati si aggirano tra il valore minimo (201.2) e un valore massimo (201.6), ma non è assolutamente 201.4 milioni la reale datazione ma soltanto la media. Il dato reale? Non possiamo saperlo, ma sappiamo che si trova in quell'intervallo, per questo più di così non si può essere precisi (nemmeno con il radiocarbonio. Anche se studia reperti 'recenti', la quantità di 14-C non è mai la stessa e tutto ciò implica sempre una certa approssimazione, minore o maggiore, che dipenderà dai dati a disposizione e dagli strumenti analizzati). Quindi, cercate di utilizzare il termine "circa" quando parlate di datazioni. Non fa schifo, e non c'è da vergognarsi.

"Houston. Abbiamo problemi di datazione con il radiocarbonio" (Per la fonte, clicca qui. Lo studio è del 2022). Il metodo del C-14 (carbonio 14, un isotopo del carbonio), o del radiocarbonio, è una delle tecniche di datazione più famose ed utilizzate, che permette di stimare la "quantità", o meglio l'abbondanza di vari isotopi stabili e comuni (C-12 e C-13) che vengono relazionati con quella del C-14, che tende a diminuire dopo la morte di un organismo. Questo perché, in vita, assorbono queste tipologie di carbonio, mentre con la morte non vi è più un ricambio del C-14, che rimarrà intrappolato nell'organismo, o nel reperto, diminuendo nel tempo. Il tempo di dimezzamento medio (o emivita) del C-14 è di circa 5700 anni, e in parole povere possiamo datare reperti antichi massimo fino a circa 50.000 anni: minore è il rapporto di C-14, e più è antico un reperto.

Naturalmente, l'abbondanza del C-14 varia nel corso del tempo, a causa di eruzioni vulcaniche o della latitudine, pertanto è necessario ricalibrare sempre gli strumenti per ottenere la stima più precisa possibile. Ma questo pone un limite: è impossibile datare reperti recenti, soprattutto a partire dall'inizio della Rivoluzione Industriale. Di conseguenza, la datazione al carbonio è sempre più "ostacolata" dall'aumento delle emissioni dei combustibili fossili, poiché questi rilasciano velocemente CO2 che non contiene 14-C. E non solo, tra il 1952 e il 1962, i test nucleari hanno praticamente raddoppiato la quantità di C-14, tanto da aver assorbito il carbonio dall'oceano e dagli esseri viventi.

Ma questo lo sapevamo già. Ma, qual è la novità?

A partire dal 2021, gli effetti appena citati sembrano essersi "annullati a vicenda", e questo comporta che il C-14 che può essere rinvenuto negli odierni materiali è lo stesso di quelli del periodo preindustriale. Considerando anche che i combustibili fossili vengono ancora bruciati, la quantità di C-14 nell'aria tenderà a diminuire. Questa 'simulazione del passato' renderà problematico datare i reperti più recenti. Le previsioni non sono delle più rosee: si prevede che entro il 2050 il rapporto di C-14 sarà simile a quello del Medioevo (V-XV secolo). Di conseguenza, in futuro, le tecniche di datazione al radiocarbonio potrebbero far sembrare reperti recenti più antichi, magari proprio appartenenti al Medioevo, proprio perché potrebbe non esserci più distinzione tra il presente e il passato in termini di abbondanza per quanto riguarda il C-14.

Altri metodi radiometrici

Datazione potassio/argon e argon/argon: questi metodi sono estremamente utili per la datazione di rocce vulcaniche, con una precisione che diventa più affidabile dai 100.000 anni in su, a condizione che le rocce in questione contengano potassio. Il K-40 decade attraverso l'emissione di raggi beta, trasformandosi in Ca-40 (calcio), ma questo non è un processo affidabile in quanto il calcio è molto abbondante. Al contrario, il potassio può anche decadere in Ar-40 (argon) attraverso la cattura elettronica, rimanendo intrappolato nel reticolo cristallino. Poiché l'argon è un gas, la premessa fondamentale è che esso non debba fuoriuscire dal reticolo cristallino, fortunatamente molti campioni riescono a trattenere efficacemente questo gas. Un altro metodo di datazione è l'argon/argon (Ar-40/Ar-39), che può essere utilizzato per datare sia rocce recenti che antiche, a patto che il campione studiato non superi i 10 grammi.

Datazione con la serie dell'uranio: qui si aprono interessanti possibilità poiché l'uranio-235, l'uranio-238 e il torio-232 decadono tutti in piombo, formando una serie di nuclidi intermedi utilizzati per la datazione dei reperti. L'uranio è generalmente contenuto in prodotti solubili in acqua, mentre i prodotti contenenti torio tendono a sedimentare. In fisica nucleare, l'equilibrio è una situazione in cui la quantità di un isotopo radioattivo rimane costante, poiché il suo tasso di produzione è uguale al suo tasso di decadimento. Se la serie di decadimento non viene interrotta, gli isotopi genitori e figli rimangono in equilibrio radioattivo. Se la serie è interrotta, il sistema va in disequilibrio (ad esempio, a causa della perdita di radon) per tornare in uno stato di equilibrio attraverso un nuovo decadimento. Quando il decadimento dell'uranio viene interrotto e alcuni prodotti vengono espulsi, quindi ci troviamo in uno stato di disequilibrio, possiamo iniziare a datare:

1. Th-230/U-234 viene utilizzato per datazioni fino a circa 350.000 anni;
2. Pa-231 (protoattinio)/U-234 e Pa-231/Th-230 vengono utilizzati per datazioni comprese tra i 200.000 e i 250.000 anni.

 L'età dei sedimenti di fondo lacustre e marino viene stimata misurando il tasso di decadimento del torio o del protoattinio, mentre l'età dei carbonati fossili, dei denti e delle ossa viene misurata e derivata dagli accumuli dei prodotti di decadimento dell'uranio contenuto nei carbonati. Questi due metodi di datazione si basano sull'eccesso o la deficienza di nuclidi che si formano durante il disequilibrio radioattivo.

La datazione a tracce di fissione è un metodo utilizzato per datare i cristalli che contengono U-238 e si basa sulla fissione spontanea di quest'isotopo, che provoca l'ionizzazione degli atomi vicini, creando una serie di "schegge di esplosione". Calcolando il numero di tali schegge, è possibile determinare il tempo trascorso dalla fissione.

La termoluminescenza è un metodo che può essere applicato a qualsiasi materiale contenente uranio, torio o potassio, o a qualsiasi materiale nelle vicinanze di questi isotopi poiché verranno bombardati da raggi alfa, beta e gamma. I materiali si ionizzano catturando elettroni che verranno rilasciati attraverso il riscaldamento del materiale, emettendo una luce. L'intensità di questa luce è proporzionale al numero di elettroni catturati nel reticolo cristallino, quindi l'intensità della termoluminescenza è proporzionale alla quantità di radiazione ricevuta ogni anno.

Luminescenza stimolata otticamente: in questo metodo, il materiale viene bombardato con radiazioni, e la risposta luminescente è correlata al numero di elettroni presenti. Questo metodo viene utilizzato esclusivamente per datare i minerali, permettendo di calcolare un'età massima di circa 300.000 anni.

Electron spin resonance (ESR): in questo metodo, il materiale viene immerso in un campo elettromagnetico, e la quantità di radiazioni immagazzinata è calcolata e correlata con l'età del campione.

Berillio-10: questo metodo permette la datazione dei ghiacciai attraverso il calcolo della quantità di radiazioni cosmiche che bombardano il materiale glaciale.  

I METODI INCREMENTALI

Si basano sull’accumulo regolare di materiale biologico o di materiale sedimentario. Vediamone alcuni:

• La cronologia delle varve glaciolacustri si basa sull’accumulo di sedimenti in laghi proglaciali, che si formano con lo sbarramento di una morena o durante il ritiro del ghiacciaio, o dall’acqua intrappolata per fusione, e in bacini poco profondi in seguito a una veloce fusione del ghiaccio nel periodo estivo. Le particelle più grandi, come quelle di argilla, si depositeranno per prime, mentre quelle più fini rimarranno in sospensione. Durante l’inverno, le particelle fini si depositano producendo delle sorta di lamine argillose che si sovrappongono a quelle grossolane estive. Si tratta di un processo annuo che permette di contare quante volte il sedimento fine entra in contatto con quello più grossolano.

  Ho iniziato con la spiegazione delle varve glaciolacustri perché è l’esempio più semplice per spiegare questo tipo di datazione. Inoltre, i casi in cui si può utilizzare questa tecnica sono molti e si basano solitamente su accumuli stagionali e ritmici di qualsiasi tipo di sedimento che presenta lamine organizzate a coppie (una lamina sottile ed una lamina grossolana). Questi sedimenti sono chiamati ritmiti.

Esempio di ritmite preso da ResearchGate che rappresenta gessi laminati nella Cava Ronco

• La lichenometria è una tecnica basata sulla relazione diretta tra la dimensione del lichene e la sua età, che aiuta a stimare l'età del substrato su cui cresce. I licheni sono forme di simbiosi tra alghe, che forniscono carboidrati mediante la fotosintesi, e funghi che forniscono una sorta di protezione alle alghe stesse.

  Un esempio lampante è quello della specie Rhizocarpon geographicum, che può crescere per migliaia di anni e viene utilizzata per datare campioni dell'Olocene. In ambienti estremi, questa specie può essere utilizzata per datare campioni fino a circa 4500 anni fa, mentre in ambienti meno estremi può essere utilizzata per datare campioni fino a circa 500 anni fa.

  
  

  Immagine di Rhizocarpon geographicum presa da wikipedia

• La dendrocronologia sfrutta la contabilità delle serie di anelli di crescita all'interno del tronco degli alberi, una pratica molto comune. Questi anelli, o cerchi annuali, si formano grazie alle cellule preposte al trasporto dell'acqua e dei nutrienti che vengono aggiunti stagionalmente nella sezione più esterna del tronco. Contando questi cerchi di crescita, è possibile determinare l'età dell'albero. Tuttavia, ci sono alcune problematiche da considerare. I legni non sono tutti uguali poiché la dimensione degli anelli è influenzata dal clima, dall'apporto di acqua e nutrienti, e non tutti gli alberi hanno anelli ben definiti. In condizioni stressanti, gli anelli sono più piccoli, mentre in ambienti più favorevoli sono più larghi. Il metodo di datazione si suddivide in diverse fasi:

  • Misurazione: Gli alberi morti o fossili vengono spesso tagliati per osservare meglio gli anelli di crescita tramite carotaggi o l'uso del microscopio.
  • Cross-datazione: Si datano più alberi provenienti da una ristretta area geografica. Questo perché gli anelli possiedono caratteristiche simili in aree ristrette, consentendo di correlare temporalmente i vari alberi e di raggiungere una datazione massima di circa 20.000 anni.
  • Standardizzazione: Con questo metodo si cerca di trovare una sorta di via di mezzo per la correlazione dell'età tra gli alberi. Gli alberi più giovani hanno una crescita più vigorosa rispetto a quelli più anziani, rendendo difficile la cross-datazione. Pertanto, ogni serie di anelli va standardizzata, trasformando i valori dell'ampiezza degli anelli in indici di ampiezza annuale.
              

  

  Immagine di una dendrocronologia presa da Wikipedia

  
                                                                                     

• I maker stratigrafici sono utilizzati principalmente per depositi quaternari e si basano sull'individuazione di strati o eventi specifici che fungono da punti di riferimento temporali nella serie stratigrafica. Questi marker devono essere prima datati con metodi radiometrici o incrementali. Successivamente, consentono di estendere le stime delle date su altri strati, rappresentando così una sorta di metodo di 'datazione indiretta'. Un esempio di questo approccio è la tefrocronologia, utilizzata per datare certi strati successivi a un'eruzione vulcanica. Durante un'eruzione, le ceneri e la tefra (l'insieme di materiali piroclastici prodotti durante l'eruzione) si estendono in aree relativamente ampie e si depositano su sedimenti lacustri o marini, terrazze fluviali, estuari, eccetera. L'età delle ceneri viene stabilita utilizzando metodi come il radiocarbonio o le tecniche potassio-argon/argon-argon. Ciò consente di datare gli strati sedimentari che sono entrati a contatto con queste emissioni vulcaniche, così come gli altri strati sedimentari.

   
  
  
  
• La cronologia basata su processi di alterazione chimica si basa sull'analisi dei cambiamenti chimici che avvengono dopo la morte di un organismo. Quando un organismo muore, una serie di processi chimici alterano i tessuti demolendoli e producendo composti con una struttura più semplice. Un esempio eclatante di questo approccio è la geocronologia degli aminoacidi, che si basa su cambiamenti molecolari che avvengono periodicamente. Le proteine esposte ad agenti biologici e/o atmosferici si degradano più lentamente se protette dai gusci o dalle ossa, quindi alcuni tempi di reazione hanno un range temporale tra i 50.000 anni ed alcuni milioni di anni o anche range molto più bassi. L'età relativa dei fossili con questo metodo si basa su due processi diagenetici:

1. Idrolisi: Questo processo libera aminoacidi che, legati ai peptidi, si accumuleranno nel tempo. Quindi, contando gli aminoacidi, è possibile stimare l'età.

2. Racemizzazione: In questo meccanismo, gli L-isomeri vengono convertiti in D-isomeri. Contando il rapporto L/D nel materiale fossile, è possibile calcolare il tempo trascorso dalla morte di un organismo.

Un altro tipo di alterazione chimica si basa sullo studio del contenuto di fluoro e uranio e sulla perdita di azoto nelle ossa fossili.

In pratica, il rapporto Fluoro-Fosforo fornisce informazioni sull' 'arricchimento' e permette di calcolare il tempo trascorso, poiché l'apatite assorbe fluoro dalle acque interstiziali nel corso del tempo. Il fluoro fissato nelle ossa difficilmente viene rimosso, quindi è possibile determinare se un organismo rimosso da un certo deposito sia autoctono o alloctono. Lo stesso discorso si applica all'uranio incorporato nelle ossa fossili, utilizzando lo stesso metodo del fluoro, contando le emissioni di uranio. L'età relativa dei fossili, invece, viene stabilita analizzando il contenuto di azoto nelle ossa: quando i materiali proteici scompaiono dal collagene dell'osso, scompare anche l'azoto, indicando un'età crescente.

• L'idratazione dell'ossidiana è un metodo di datazione che si basa sull'assorbimento di acqua dalle superfici esposte dell'ossidiana, formando uno strato chiamato perlite. Lo spessore di questo strato di idratazione riflette l'intervallo di tempo trascorso dall'esposizione della superficie dell'ossidiana all'ambiente circostante. Utilizzando questo metodo, è possibile ottenere età comprese tra circa 200 anni e 200.000 anni, a seconda dello spessore dello strato di idratazione.
  
  

• L'alterazione meteorica delle superfici rocciose è un processo che avviene a causa dell'esposizione alle condizioni atmosferiche, come pioggia, vento, temperatura e umidità. Un esempio di questo tipo di alterazione è la dissoluzione del cemento carbonatico, che porta alla formazione di una sorta di "vernice di roccia" composta da quarzo e titanio. Questa vernice si forma quando i minerali si dissolvono e si depositano sulla superficie rocciosa.

                                                             

Breve riassunto dei vari metodi:

Decadimento radioattivo:

• 14-C. Si possono datare le ossa, il legno, le conchiglie e il carbone, e ci permette di capire quando è morto un organismo (0-50.000 anni);
• Serie dell'Uranio. Permette di datare ossa, travertino, stalagmiti, coralli, fosfati e ossa, e permette di datare la formazione o geologica o la deposizione (1.000-500.000 anni);
• 40-K/40-Ar e 40-Ar/39-Ar. E' un metodo che permette di datare i minerali contenenti potassio, e l'evento datato è la formazione dei minerali vulcanici (>1000 anni).
  
  

Tassi di crescita (processi biologici):

• Dendrocronologia. Il soggetto di studio sono gli alberi e i loro anelli di accrescimenti, che si formano e crescono in certi range temporali (stagionali o annui. 0-14.000 anni);
• Lichenometria. Si prende in considerazione l'inizio di crescita dei licheni (0-5.000 anni).

Processi chimici:

• Racemizzazione degli aminoacidi. Possono essere studiate ossa, o comunque resti organici e permette di capire quando è avvenuta la morte dell'organismo (età studiabile variabile).
• Idratazione dell'ossidiana. Il soggetto di studio è l'ossidiana, e permette di capire quando si è formato il vetro e quando è stata scheggiata (200-200.000 anni).

Danni da radiazione:

• Tracce di fissione. Si studia quando si è formata la miche o l'ossidiana (>5.000 anni);
• Termoluminescenza. Data l'ultimo riscaldamento della ceramica o dell'ossidiana (0-8.000 anni) e l'ultima radiazione solare "ricevuta" (permette di datare i sedimenti fino ad un massimo di 200.000 anni);
• Ultima esposizione alla luce. Si data l'ultima volta nel quale granuli di quarzo o feldspati sono stati esposti alla luce (1.000-1.000.000 di anni)
• Electron spin resonance. Permette di ricavare la data di deposizione di certi contesti geologici attraverso lo studio di denti, conchiglie e coralli (1.000-3.000.000 di anni)

Accumulo di radioisotopi:

• 10-Be, 26-Al e 36-Cl. Permette di capire quando avvenne la deposizione del sedimento o l'esposizione superficiale dello stesso contenenti gli isotopi degli elementi citati prima(100-5.000.000 di anni).