Datazione Uranio-Torio
I metodi di datazione basati sul disequilibrio della famiglia dell'uranio sono stati sviluppati nell'ultimo trentennio. Nelle rocce vecchie di qualche milione di anni tutti i discendenti dell'uranio, presente sin dal momento della formazione della Terra, sono ora all'equilibrio con il capostipite (equilibrio secolare), a patto che non ci siano state alterazioni del sistema. In tali rocce il solo cronometro possibile è la misura dell'accumulazione di un discendente stabile, il 206Pb per la famiglia dell'238U e il 207Pb per la famiglia dell'235U. Questi metodi possono essere applicati soltanto a rocce molto antiche a causa dei tempi di dimezzamento molto lunghi dei radionuclidi presenti. Per questo motivo si è recentemente cercato di sviluppare dei metodi basati sui radionuclidi a vita più corta per poterli applicare a domini quali l'archeologia, lo studio del Quaternario e la geomorfologia, per esempio. Tuttavia poche tecniche radiometriche sono disponibili per periodi superiori al limite del 14C, che è di circa 40 mila anni. Fra queste una fra le più comuni è la tecnica 230Th/234U, comunemente detta dell'Uranio-Torio.
Il metodo 230Th/234U utilizza isotopi della catena dell'238U secondo lo schema:
dove i tempi di dimezzamento sono di 4.49 109 anni per l'238U, 24.1 giorni per il 234Th, 1.18 minuti per il 234Pa, 2.48 105 anni per l'234U e 7.52 104 anni per il 230Th. E' possibile quindi considerare il 234Th e il 234Pa sempre all'equilibrio con l'238U, da cui si assume lo schema semplificato:
Generalmente la solubilità dell'uranio e l'insolubilità del torio nelle acque naturali creano una rottura dell'equilibrio della famiglia dell'238U al livello dell'234U e del 230Th. Per alcuni tipi di campioni, per esempio i coralli, che ricavano tutti gli elementi di cui sono composti dall'acqua di mare, si può fondatamente ipotizzare che al tempo t=0, cioè al momento della loro formazione, il torio sia assente, mentre l'uranio è presente con tutti i suoi isotopi. Con la condizione che 230Th=0 a t=0, e sfruttando l'equazione fondamentale del decadimento radioattivo, si può giungere ad un'equazione d'evoluzione del rapporto di attivitè 230Th/234U in funzione del rapporto di attività 234U/238U e del tempo. In questo modo inoltre non è necessario conoscere il rapporto iniziale 234U/238U, che varia secondo il campione, tranne nel caso di campioni che incorporano l'uranio a partire dall'acqua marina e senza frazionamento isotopico. Infatti è stato mostrato che in mare il rapporto di attività 234U/238U è costante e uguale a 1.14±0.03. La misura della quantità di torio formatasi e di uranio rimasto permette quindi di ricavare l'età del campione, secondo l'equazione:
in cui i rapporti si riferiscono alle attività specifiche misurate e la sola incognita è il tempo t, che corrisponde all'etè del campione.
In spettrometria alfa questo metodo ha un limite inferiore che si situa verso i 3000 anni a causa della scarsa quantità di 230Th formatosi, e un limite superiore verso i 350 mila anni, perchè il 230Th, ormai a cinque periodi, è vicino all'equilibrio secolare. In spettrometria di massa, notevolmente più precisa, è possibile estendere i margini ed arrivare a circa 100 e 500 mila anni, rispettivamente.
Uno dei materiali più facilmente databili con questa tecnica è, oltre il già menzionato corallo, il carbonato di calcio. La Figura seguente mostra i precipitati di carbonato di calcio più tipici rinvenibili in una grotta e la loro localizzazione. La crescita di un precipitato dipende da diversi fattori ma il principale è un lento flusso continuo di acqua in un ambiente aperto all'aria. Se la crescita si arresta, per la cessazione del flusso o al contrario per un suo aumento troppo importante, la continuità dei cristalli è compromessa e uno strato di sedimento detritico, come sabbia o argilla, si accumula spesso sul precipitato.
Sezione di una tipica grotta formatasi nel calcare con i carbonati di calcio più spesso rinvenutivi, le stalattiti, le stalagmiti e i letti carbonatici che ricoprono i sedimenti o eventualmente i fossili
Di solito questo materiale non viene completamente rimosso quando la precipitazione ricomincia, e un arresto della crescita è chiaramente riconoscibile in un carbonato fossile e in alcuni casi può essere interpretato come un'indicazione di un cambiamento climatico della regione.
Un'altra forma con la quale i carbonati di calcio possono entrare nelle grotte è costituita dalle argille di decalcificazione. L'acqua, passando attraverso i terreni e le rocce sovrastanti la grotta, può disciogliere delle quantità importanti di carbonati molto contaminati in argilla, che quindi viene trasportata all'interno della grotta e dà origine a depositi carbonatici molto ricchi in argilla.
Numerosi tipi di materiale sono tuttavia databili, almeno in alcuni casi, attraverso l'Uranio-Torio o comunque con tecniche simili basate sui disequilibri della famiglia dell'Uranio. Si va dai denti e dalle ossa fossili ai sedimenti marini e lacustri, passando attraverso le colate laviche e le conchiglie fossili, per citare solo alcuni esempi di campi di applicazione.
Siamo disponibili ad effettuare datazioni U-Th su reperti fossili e su varie matrici e ad avviare nuove attività di ricerca di valenza internazionale.
L'esperienza accumulata è testimoniata dalle pubblicazioni scientifiche e dalle ricerche condotte.
Pubblicazioni su riviste scientifiche internazionali con fattore di impatto ISI:
- Esposito, M., Chaimanee, Y., Jaeger, J.-J. and Reyss, J.-L.,
1998.
Datation des concrétions carbonatées de la "Grotte du Serpent" (Thaïlande) par la méthode Th/U.
C. R. Acad. Sci. Paris, 326, 603-608. - Esposito M. et al. (2002)
U-series dating of fossil teeth and carbonates from Snake Cave, Thailand.
Journal of Archaeological Science 29, 341-349. - Benzi, V., Abbazzi, L., Bartolomei, P., Esposito, M., Fasso, C.,
Fonzo, O., Giampieri, R., Murgia, F., Reyss, J.-L.
(2007).
Radiocarbon and U-series dating of the endemic deer Praemegaceros cazioti (Deperet) from "Grotta Juntu", Sardinia.
Journal of Archaeological Science 34[5], 790-794. - Magnani, G., Bartolomei, P., Cavulli, F., Esposito, M., Marino,
E.C., Neri, M., Rizzo, A., Scaruffi, S., Tosi, M. (2007).
U-series and radiocarbon dates on mollusc shells from the uppermost layer of the archaeological site of KHB-1, Ra's al Khabbah, Oman.
Journal of Archaeological Science 34[5], 749-755.
Altre pubblicazioni:
- Bartolomei, P., Cini, S., Giampieri, R., Rizzo, A. and Esposito, M.,
1998.
Radiometric techniques for environment and cultural heritage.
Proceedings of XI National Congress "Research activities in Radiochemistry, Radiation Chemistry, Nuclear and Radioelements Chemistry" (Ed. G. Angelini), Rome. - Agnoli, G.,Bartolomei, P, Esposito, M., Poluzzi A. e Rizzo, A.,
1999. Età 230Th/234U e radiocarbonio di
coralligeno al largo di Cesenatico (Adriatico settentrionale).
Atti I Convegno Nazionale Associazione Italiana di Archeometria, Verona. - Bartolomei, P., Esposito, M., Rizzo, A., Salvatori, S. e Tosi, M.,
1999.
Misure chimico-fisiche ed età radiometriche di campioni dello scavo archeologico di Ras'al Hadd, Oman.
Atti I Convegno Nazionale Associazione Italiana di Archeometria, Verona. - Bartolomei, P., Esposito, M., Marino, E., Plastino, W., Rizzo, A. e
Severi, P., 1999.
Età radiometriche di campioni provenienti da sondaggi geologici in Emilia-Romagna.
Atti I Convegno Nazionale Associazione Italiana di Archeometria, Verona.