Stratigrafia Datazioni Età in relativa milioni di anni · NB questi rapporti valgono per l’alta...

2016-2017 Geol Qt Datazioni 1

Stratigrafia

relativa

Datazioni… Età in milioni di anni

da Bowen (1978) : adesso il range temporale e la precisone sono molto migliorati.Due categorie: radiodatazioni e scale temporali fluttuanti, relative che devono essere tarate, fissate attraverso una datazione assoluta NB esistono altre radiodatazioni con tempi di dimezzamento lunghissimi….non interessano il Quaternario

2016-20172Geol Qt Datazioni

Metodi di datazione in

Geologia del Quaternario

2016-2017 3Geol Qt Datazioni

Un altro criterio..da non seguire

Walker, 2005: più di 25 anni dopo molte più

metodologie a disposizione dei quaternaristi2016-2017 4Geol Qt Datazioni

1 radiodatazioni. Basate sul decadimento di alcuni elementi chimici

instabili che vanno misurati. Oppure si misurano gli effetti del

decadimento sulla struttura cristallina. In ambedue i casi la velocità di

decadimento è nota. E’ scorretto parlare di datazioni assolute

2 deposti annuali metodi basati sull’accumulo regolare di sedimenti

o materiale biologico nel tempo, in livelli annuali

3 metodi relativi. Approccio stratigrafico o valutazione del grado di

alterazione, a sua volta legato al tempo..Indicatori chimici o biologici.

Idratazione dell’ossidiana, diagenesi degli amino-acidi.

4 Equivalenza di età, basata sulla presenza contemporanea degli

stessi orizzonti in diverse e separate sequenze stratigrafiche. Molto

simile alla correlazione stratigrafica attraverso le faune. Per essere

utili devono essere calibrate con un metodo indipendente.

Tefracronologia, Paleomagnetismo

5Geol Qt Datazioni

Quattro categorie..

2016-2017

Noi ci occuperemo di:

• 14C, U/Th (1)

• Be10 (1)

• Pb210 e cesio (1)

• Termoluminescenza (1)

• Dendrocronologia (2)

• Varve (2)

• Racemizazione degli aminoacidi (3)



I metodi radiometrici

• Isotopi di un atomo: stesso numero di protoni, varia il numero dei

neutroni. Cambia la massa, non il numero atomico.

Comportamento chimico simile, NON quello fisico

• ma alcuni isotopi sono instabili, ad esempio tendono a perdere

elettroni, trasformando un neutrone in protone. Vi è quindi una

trasformazione di atomi (cambia il numero atomico), con

emissione di particelle o , o di raggi , sotto forma di radiazione

• La velocità del decadimento radioattivo è costante per ogni

trasformazione

• Se conosco il tempo di dimezzamento, se conosco le quantità dei

due atomi, allora...

• Problema geologico: quando inizia a funzionare l’orologio..


Principali elementi radioattiviISOTOPO

CAPOSTIPI

TE

Isotopo

Discendente o

figlio

Tempo di

dimezzamento

Intervallo di

datazione

Minerali o

sostanze

Carbonio -14 Azoto-14 5730 70.000-

100.000

Sostanza

organica,

gusci

Uranio-235 Piombo-207 713 Ml Zircone ,

pechbelnda

Potassio 40 Argon 40 1.300

miliardi

100.000 ai

miliardi

Muscovite,

biotite,

orneblenda

Rubidio 87 Stronzio 87 4.7 miliardi 10 milioni-

miliardi

Muscovite, K

Feldspato

U-230Th sui coralli: si datano 300.000 anni

Uranio 238 Piombo-206 in 4.5 miliardi , min: 10 Ma, max 4 miliardi . Si trova nello Zircone e nell’ Uraninite

?

Parent Daughter Half-Life

Samarium-147 Neodymium-143 106 billion yrsRubidium-87 Strontium-87 48.8 billion yrsThorium-232 Lead-208 14 billion yrs Uranium-238 Lead-206 4.5 billion yrs Potassium-40 Argon-40 1.26 billion yrsUranium-235 Lead-207 0.7 billion yrs Beryllium-10 Boron-10 1.52 million yrs Chlorine-36 Argon-36 300,000 yrs Carbon-14 Nitrogen-14 5,730 yrs Uranium-234 Thorium-230 248,000 yrs Thorium-230 Radium-226 75,400 yrs


Tempi di dimezzamento troppoLunghi NON interessano iquaternaristi

Modi di decadimento radioattivohttp://www.isprambiente.gov.it/it/temi/radioattivita-ambientale/radioattivita/tipi-

di-radiazioni


Particelle α , particelle β, raggi γ

2 protoni e 2 neutroni

β+: un neutrone di trasformain protoneΒ-: un protone si trasforma inneutrone

Solo nergia


Periodi di dimezzamento

non è tanto importante ricordare il tempo di dimezzamento, quanto il periodo di applicabilità del metodo; al massimo 8-10 periodi di dimezzamento. Dopo il numero di atomi parent ( o capostipite)

sono troppo pochi e non si riesce più a misurarli


Isotopi del Carbonio

12C: stabile, 98.9 % del totale

13C: stabile, 1.1 %

14C: instabile, 1 su 1010, …

Meno di1 su un miliardo

NB questi rapporti valgono per l’alta atmosfera

Schema formazione e decadimento 14C


Questo processo avviene nell’alta atmosfera ad opera dei raggi cosmici (che portano i neutroni) che provengono dallo spazio profondo e dal sole. Quindi il carbonio che si forma nell’atmosfera forma 14CO2 ..

Attraverso processi di frazionamento isotopico nei vari comparti (reservoir: atmosfera, acque oceaniche, organismi marini, sedimenti, marini, vegetazione terrestre, carbone) e nelle varie matrici i 3 isotopi del carbonio raggiungono un equilibrio abbastanza stabile, anche se non uguale a quello dell’alta atmosfera.Attraverso la sintesi clorofilliana entra nel vegetali, dai vegetali entra nel mondo animale,La 14CO2 atmosferica viene dissolta negli oceani..

Ciclo del Carbonio


Il 14C entra nel ciclo del Carbonio, ciclo che prevede evaporazione, condensazione,precipitazione, varie reazioni chimiche organiche e inorganiche.Il 14C è più pesante del 12C..quindiAttraverso processi di frazionamento isotopico nei vari comparti (reservoir) e nelle variematrici gli isotopi del carbonio raggiungono un equilibrio abbastanza stabile, anche senon uguale a quello dell’alta atmosfera.

N2 & O2

14C6 + O = CO

2

p

14C

12C

N78% 21%

Cosmic rays

14C

12C



Metodi di misura

Beta counting: gas proportionale counting

liquid scintillation counting

AMS: accelerator mass spectrometry

Il conteggio beta è/era più preciso, più lento (giorni /settimane),Servono 1-2 grammi di carbonio, costa meno

AMS: era molto meno preciso, è veloce (teoricamente ore), basta 1 mg di C org (300 forams, poche semi, un frammento di foglia), costa il doppio (500 $). Ci sono pochissimi Laboratori in grado di fare l’analisi Uno solo in Italia

Accuracy Versus Precision

• Precisione: significa che i campionihanno un piccolo errore associatoalla datazione

• Accuratezza significa che i valoridei campioni sono vicini al valorevero (sempre che lo si conosca..)

• Le analisi ideali hanno sia elevataaccuratezza che precisione

• Se un’analisi dà risultati precisi, ma non accurati si può provare a tarare


ASSUNTI e PROBLEMI• Il rapporto C12/C14 è rimasto costante nel tempo e nei

vari settori (reservoir) del ciclo del Carbonio

• Il mescolamento del 14C è completo e rapido tra i vari reservoir (frazionamento in equilibrio)

• Il rapporto C12/C14 non si è modificato, né prima né dopo la morte dell’organismo, per motivi biologici

• I livelli naturali attuali di C12/C14 sono noti ad un livello ragionevole di accuratezza e precisione

• Il tempo di emivita è ben noto…


Le ultime due frasi sono vere, le prime tre non sono deltutto vere e la loro incertezza genera

una serie di errori


Problemi del 14C

• Frazionamenti isotopici e contaminazioni• Variazioni a breve termine del 14C atmosferico:• a partire dall’Era industriale la combustione di combustibili fossili immette carbonio vecchio nell'atmosfera (effetto Suess): questo processo crea problemi nelle misure troppo recenti• a partire dagli anni ‘50 le esplosioni nucleari immettono carbonio troppo giovane in atmosfera• Le acque degli oceani ci mettono tempo per equilibrarsi con l’atmosfera gli organismi marini appaiono più vecchi: effetto reservoir.

Frazionamento isotopico

• Nei processi biologici (fotosintesi) vi è la tendenza a utilizzare gli isotopi leggeri (12C) Età più antiche

• Mentre invece l’acqua oceanica (e di conseguenza gli organismi marini ) è arricchita negli isotopi pesanti (14C) età più recenti (questo effetto..attenua l’effetto reservoir)

• Ovvero ogni compartimento (reservoir) ha il suo rapporto fisso 14C/ 13C/12C che consente di correggere gli errori di cui sopra…

• SOLUZIONE. Misurare il rapporto 13C/12C, (δ13C) facile da misurare in quanto sono tutti e due isotopi stabili



Ambiente continentale: valore medio del legno rispetto alla belemnite: -25 permille. Si da per scontato che il rapporto 14C/12C sia arricchito il doppio delrapporto 13C/12C. Ogni spostamento rispetto al rapporto -25 per mille significauna correzione di data

Rapporto su rapporto:Rapporto 13C/12C nel campioneE rapporto 13C/12C su uno «standard»

Standard di riferimento:


Lo standard di riferimento è la composizione isotopica

della Belemnitella americana del Cretaceo superiore della

PeeDee Formation, South Carolina),PDB o la VPDB

(corrispettivo artificiale creato all’AIEA di Vienna).Altro standard: N.B.S. Oxalic Acid. (C2H2O4) la cui attività è pari al 95 % del primo standard assoluto “1890 wood”

Contaminazione:

• Voglio datare il carbonio delle diatomee di un lago. Ma nel bacino idrologico del lago c’è del carbone. Poco grave..il campione vecchio ha poca attività 14C

• Torbiera: in un livello profodo (50-60 cm)..si infiltra una radice di una pianta vivente..

• Prendo il campione con le mani e mi cade dentro una goccia di sudore…Grave..aumenta di molto il contenuto di 14C del campione vecchio e la sua età diventa molto recente



Vi sono una serie di errori

Correzione δ13CPDB legata al

frazionamento isotopico che porta

ad un arricchimento in 12C

Matrici che hanno subito un forte

arricchimento in 12C saranno…più

povere in 14C, a parità di tempo.

Per questo motivo viene misurato il

rapporto 12C/13C nel campione,

confrontato con quello dello standard (

e normalizzato ad un valore di -25

(valore normale per il legno)

Questa correzione viene applicata

direttamente in laboratorio e l’età

radiometrica indicata ne tiene contoEsempio di risultati di laboratorio

Un esempio


Esempio di risultati di laboratorio

Errori di laboratorio

L’età radiometrica è accompagnata

dalla deviazione standard:

17,330 ± 120 anni

Significa che c’è il 68 % di probabilità

Che il valore vero della datazione entri

nell’intervallo 17,210 – 17,450

Rimane il 22 % di possibilità di

datazioni più giovani o più

vecchie…fuori dal range media +/- dev.

st.

Alcuni esperimenti (pochi) di ripetere il

campionamento della carota sullo

stesso livello: l’errore di

campionamento + l’errore di laboratorio

sembrano essere il doppio…

Come se: 17,330 ± 240

Effetto “reservoir” in Antartide


Età apparente di conchiglieattuali

Età apparente di alghe

Tempo di residenza delle acque..che ci mettono anni, secoli per arrivare al fondorisultato :il 14C si consuma, l’età degli organismi marini «invecchia» Viene solo parzialmenteattenuato dal frazionamento (vedi slide 20). NB vale per tutti gli organismi marini, nei mari Antartici è più elevato. Anche dati su campioni di pinguini, balene, pesci, krillMax 1400 anni Mare di Ross, min 1000 -750 South Georgia

Età radiometrica del top delle carote (total organic matter/TOC: total organic carbon/AIO matter: Acid insoluble organic matter


ANTA02 –CH41

Sorta di effetto reservoir locale


Carota ANTA02-CH41

Dati corretti non calibrati0-1 cm: 070-71 cm: 9400-1790= 7601

E così per gli altri livelli


Il problema del carbonioVecchio NON è facilmenteRisolvibile !Composti organici labili estabili..(più vecchi)Devo datare solo i labili

Perché calibrare ?

Una macchia solare è una regione della superficie del Sole (la fotosfera) che è distinta dall'ambiente circostante per una temperatura minore ed una forte attività magnetica. Anche se in realtà le macchie solari sono estremamente luminose, perché hanno una temperatura di circa 4000 kelvin, il contrasto per emissività termica rispetto alle regioni circostanti, ancora più luminose grazie ad una temperatura di 6000 kelvin, le rende chiaramente visibili come macchie scure. Il numero di macchie che appaiono sulla superficie del Sole è stato misurato a partire dal 1700, e stimato all'indietro fino al 1500. La tendenza è quella di un numero in aumento, e i valori più grandi sono stati registrati negli ultimi 50 anni. Il numero di macchie solari è correlato con l'intensità della radiazione solare. Tra il 1645 e il 1715, durante il cosiddetto minimo di Maunder, esse quasi scomparirono, e la Terra nello stesso periodo si raffreddò in modo consistente. La correlazione tra i due eventi è oggetto di discussioni nella comunità scientifica (vedi riscaldamento globale).


L’intensità del Sole interagisce con i raggi cosmici: la «produzione» di 14C NON è costante nel tempo !

https://it.wikipedia.org/wiki/Sole

https://it.wikipedia.org/wiki/Fotosfera

https://it.wikipedia.org/wiki/Temperatura

https://it.wikipedia.org/wiki/Magnetismo

https://it.wikipedia.org/wiki/Kelvin

https://it.wikipedia.org/wiki/Emissivit%C3%A0

https://it.wikipedia.org/wiki/Sole

https://it.wikipedia.org/wiki/Radiazione_solare

https://it.wikipedia.org/wiki/1645

https://it.wikipedia.org/wiki/1715

https://it.wikipedia.org/wiki/Minimo_di_Maunder

https://it.wikipedia.org/wiki/Terra

https://it.wikipedia.org/wiki/Correlazione_statistica

https://it.wikipedia.org/wiki/Comunit%C3%A0_scientifica

https://it.wikipedia.org/wiki/Riscaldamento_globale

Calibrazione: da età radiometrica a età calendario


Si datano con il 14C campioni di legno..datati anche con la dendrocronologia e/o livelli di coralli datati con U/Th, e sedimenti marini laminati (Cariaco Basin, Venezuela, anossico)Ovviamente non si usa un grafico ma un software…


INTCAL 98: curva di calibrazione completa viene estesa fino a 24.000:primi anni dendrocronologia, poi poche datazioni U/Th su coralliVa usata in termini statistici: +/- 1 σ, ma vedi graficoUna radiodatazione di 4500 +/- ? anni BP diventa 5050 – 5275 AD !


Curva di confronto ottenuta su uno speleotema datato con il Th: allungata fino a 45.000 anni

2016-2017

Geol Qt Datazioni35

http://www.c14dating.com/

Sintesi errori 14C

Serie U /Th/Pb+ Radon, Attinio, Protoattinio

catene complesse, ma alcuni tempi di dimezzamento lunghissimi, altri cortissimi


Si usano soprattutto i rapporti:230Th/234U; 231Pa/235U; 234U/238U

Qualche applicazione


+ sedimenti marini fini, di piana batiale, flusso verticale continuoSistema chiuso: gli isotopi non possono né entrare né uscire,quindi i loro rapporti sono dovuto solo ai tempi di dimezzamento

U/Th nei sedimenti marini (dati ISMAR-CNR-Bo)


Dati grezzi Dati elaborati(Ceccaroni et al, 1998)

Correggere i dati del Th in relazione ai dati di U, valutare la profonditàIn cui in Th si annulla, quella profondità corrisponde a 300.000 yr


Eccesso di Th:Attivita del 230Th –att. 234 Uranio

Modello di età (Age model): 1) datazioni 14C, nella parte alta della carota1 solo punto U/Th, cambiamenti tessiturali correlati ai cicli glaciale/interglaciale

Altre applicazioni U/Th

• Coralli

• Speleotemi

• Incrostazioni di calcite su depositi alluvionali di terrazzi

• Ossa riempite di calcite


Be10: datare il tempo di esposizione delle superfici


Principio: i raggi cosmici ad alta energia collidono con nuclei si genera unacascata di neutroni che interagiscono con altri nuclei nelle rocce..Si formano i nuclidi in tabella. Più lungo è il tempo di esposizione, + elevataè la concentrazione di Be10 che si forma. Adatto per datare quando il ritiro dei

ghiacci ha messo in luce le superfici rocciose. Le superfici NON devono esserealterate. Si misura su cristallei di Quarzo

CN: nuclidi cosmogenici


La datazione dei depositi attuali: i tassi di sedimentazione.

Piombo 210: emivita di 22 anni. geochimica complessa. Aiuta a capire se si è conservato il top e a misurare il tasso di sedimentazione attuale

Cesio 137:(emivita: 30 anni) radionuclide artificiale, immesso nell’atmosfera dagli esperimenti atomici in atmosfera e da incidenti a centrali nucleari

Complesso !



LuminescenzaPrincipio base:

Del materiale (roccia, sedimento, ceramica) contiene degli elementi

radioattivi (Uranio, Torio, 40K) o è in contatto vicino / sepolti accanto a

materiali radioattivi. Il materiale viene sottoposto a radioattività

naturale, alcuni loro atomi vengono ionizzati, liberando elettroni che

vengono intrappolati in “buchi” o difetti del lattice

Questi elettroni possono venire liberati in laboratorio, in condizione

controllate (riscaldamento), e la loro liberazione «artificiale» produce

luce. Quanto più elevata è la “luce” prodotta in questo modo quanto

più lungo è stato il periodo di seppellimento

Quando un elettrone si libera per riscaldamento: Termoluminescenza

(TL)

Gli elettroni di alcuni tipi di trappole vengono liberati invece da un

fascio di luce, sempre emettono un segnale luminescente: OSL.

Optical stimulated luminescenze

TermoluminescenzaMATRICI:

Quarzo, Felspati ,calcite, smalto , ceramiche


Segnale naturale di termoluminescenza.: proporzionale al tempo. Se il materiale viene riscaldato gli elettroni nei difetti reticolari si staccano, emettendo luce., da cui il termine Thermoluminescenza (TL)Misurare la luce emessa implica valutare il tempo in cui il campione è rimasto a contattoQuindi sepolto oppure, per le ceramiche il momento della cotturaAltre trappole sono sensibili alla luce variante del metodo OSL opticallystimulated luminescence.

• A complicare la situazione l’esposizione alla luce…sbiadisce il segnale lo attenua. Il calore fa lo stesso effetto

• Si usa molto per sabbie quarzose, dune eoliche e soprattutto in archeologia..e anche per scoprire se un vaso etrusco è vero o falso.


TermoluminescenzaMATRICI: Qz, Felspati ,

calcite, smalto, ceramiche


Depositi fluviolacustri: sabbie quarzose + silt tra depositi + grossolani e

mal classati intreglaciale eemiano o piccolo ritiro pre LGM (Wurm II) ?

2 campioni datati in Polonia: Risultato: 110.000 ± 16.000

L. Sirovich, J. Quaternary Sc., 13, 1988


Datazione di dune storiche: si data l’evoluzione degli ambienti costieri


Dendrocronologia

Pinus longaeva:

California e Nevada, vive 4500 anni,

NB: non solo il numero degli anelli, ma spessori e densità. Importanti informazioni sul clima. Metodo basato sugli strati annuali: anche ghiaccio e varve

problemi


Gli alberi giovani crescono più velocemente degli alberi vecchi.Bisogna standardizzare...dividendo lo spessore del singolo anello per lo spessore ricavato dalla curva di regressione

Cross-dating: correlazione tra sequenze di anelli


Marker rings

Master chronolgy: si parte dall’attuale e/o ci sono altri punti fissiAltrimenti si parla di floating chronology, che andrebbe“confrontata con una master»

Molto importanti per le variazione ambientali


In alcuni ambienti le variazione climatiche sono poco sensibili, o comunque gli alberi non le segnalano, e quindi non si riescono ad identificare anelli particolari (marker). In altri ambienti invece…- In certe stagioni particolarmente rigide non viene prodotto un vero e proprio

anello oppure se la primavera è interrotta da una grossa gelata si formano due anelli..

- Segnali ambientali ricostruzione del clima: PRECIPITAZIONI

Varve


Quasi sempre sedimenti glacio –lacustriDue lamine rappresentano un anno di sedimentazioneV. clastiche: una lamina grossolane e una fine: grossolana: sedimentazione primaverile ed estiva; fine sedimentazione invernalev. organo-clastiche : lamina grossolana detritica in primavera, lamina fine organica in estateVarve solo organiche..


Età del ritiro ( numero di varve)

Varve marine e lacustri in bacini anossici (non c’è bioturbazione)UTILISSIME per calibrare datazioni 14C


In alto: Cariaco basin: varve marine, bacino anossicoSotto: lago Suigetsu (Giappone) : argille scure + diatomee chiare: 75 m, 29100 varve+ 300 14C ams

Racemizzazione degli aminoacidi


Le proteine sono grandi molecole organiche, fondamentale per la vita, composte da una serie di aminoacidi legati da ponti peptidici. Esistono circa 80 aminoacidi, di cui solo 20 nel corpo umano. Di questi 20, 9 sono sintetizzati, gli altri 11 devono essere introdotti con la dieta.

Tutti gli aminoacidi presentano forme isomere levogire e destrogireNegli organismi viventi solo forme levogire. Durante la degradazione delle proteine si formano le forme destrogireCon un tasso di trasformazione da calcolare.Si usano soprattutto molluschi


Rapporto D/L Valina (Alanina, Guanina, …)Basso: - tempoAlto + tempo+ TL + inversione magnetica

Datazione di terrazzi nella valle Della Somme (Francia)

NB più passa il tempo e più si genera la forma destra. Ma è solo una Cronologia relativa

Tefra: cenere vulcanica in depositi marini


Santorini

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