Datazione isotopica - Università degli Studi di Firenze
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12 - Stratigrafia e cronologia geologica
Tempo geologico<br />
La maggiore <strong>di</strong>fferenza fra i geologi e gran parte <strong>degli</strong> altri scienziati è il <strong>di</strong>verso<br />
atteggiamento nei confronti del parametro “tempo”<br />
Un lasso <strong>di</strong> tempo normalmente inteso come “lungo” può non essere importante per il<br />
geologo, a meno che non sia superiore a un milione <strong>di</strong> anni<br />
Due mo<strong>di</strong> per datare<br />
gli eventi geologici<br />
Legno pietrificato<br />
1) <strong>Datazione</strong> relativa (fossili,<br />
strutture)<br />
2) <strong>Datazione</strong> assoluta (isotopi,<br />
dendrocronologia, ecc.)<br />
12.2<br />
Ammoniti
12.3<br />
Intervalli <strong>di</strong> tempo richiesti da<br />
alcuni eventi e processi geologici
Leggi <strong>di</strong> Stenone (1669)<br />
Si applicano sia alle rocce se<strong>di</strong>mentarie che a quelle magmatiche<br />
Più recenti<br />
Principio <strong>di</strong> sovrapposizione stratigrafica<br />
In una sequenza <strong>di</strong> rocce stratificate in<strong>di</strong>sturbate,<br />
quelle più antiche stanno alla base<br />
Più antiche<br />
12.4<br />
Principio <strong>di</strong> orizzontalità<br />
originale<br />
Gli strati sono depositati<br />
orizzontali, o quasi orizzontali, o<br />
quasi paralleli alla superficie<br />
terrestre
12.5<br />
Uso dei fossili per le correlazioni stratigrafiche <strong>di</strong><br />
affioramenti (outcrops)) non continui
12.6<br />
Formazione <strong>di</strong> una <strong>di</strong>scontinuità (unconformity)<br />
Superficie <strong>di</strong> erosione sepolta<br />
Grand<br />
Canyon<br />
del<br />
Colorado<br />
(USA)
12.7<br />
Formazione <strong>di</strong> una <strong>di</strong>scontinuità angolare<br />
(angular unconformity)<br />
Successione temporale <strong>di</strong> eventi geologici<br />
che hanno interessato una certa regione<br />
I) Se<strong>di</strong>mentazione della serie A-I - II) Piegamento della<br />
serie A-I - III) Intrusione magmatica – IV) Erosione<br />
superficiale – V) Faglia
12.8<br />
Sequenza A formatasi<br />
durante un<br />
abbassamento del<br />
livello del mare<br />
(regressione)<br />
Sequenza B formatasi<br />
durante un<br />
innalzamento del<br />
livello del mare<br />
(trasgressione)
12.9<br />
Ricostruzione <strong>di</strong> una<br />
sequenza relativa<br />
<strong>di</strong> eventi
12.10<br />
Sezione stratigrafica delle<br />
formazioni geologiche affioranti<br />
nel Grand Canyon
12.11<br />
La scala dei tempi<br />
geologici<br />
Divisione cronologica (“colonna<br />
stratigrafica”) valida per tutto il<br />
pianeta e basata sulle variazioni<br />
del contenuto in organismi fossili<br />
conservati<br />
E’ stata costruita combinando<br />
relazioni stratigrafiche, eventi<br />
tettonici, intrusioni magmatiche ed<br />
età (isotopiche) assolute
12.12<br />
Geocronologia assoluta<br />
Aggiunge valori assoluti (numeri) alla colonna stratigrafica basata sui<br />
fossili<br />
Si basa sul regolare deca<strong>di</strong>mento ra<strong>di</strong>oattivo <strong>di</strong> alcuni elementi chimici<br />
Isotopi<br />
Differenti forme dello stesso elemento che contengono lo stesso numero <strong>di</strong><br />
protoni, ma un variabile numero <strong>di</strong> neutroni<br />
Es.: 235<br />
235 U, 238<br />
238 U - 87 Sr,<br />
Sr, 86 Sr - 14<br />
86 Sr<br />
14 C, 12 C<br />
Mezza-vita<br />
La mezza vita <strong>di</strong> un isotopo ra<strong>di</strong>oattivo è definita come<br />
il tempo richiesto per il quale la sua presenza si riduce<br />
della metà
12.13<br />
<strong>Datazione</strong> <strong>isotopica</strong><br />
Glielementira<strong>di</strong>oattivi(primario “genitori”) decadono in elementi<br />
nonra<strong>di</strong>oattivi e stabili (secondari o “figlie”)<br />
L’in<strong>di</strong>ce <strong>di</strong> deca<strong>di</strong>mento è costante e riconoscibile<br />
Proporzione <strong>di</strong> atomi<br />
“genitori” residui in<br />
funzione del tempo<br />
Quin<strong>di</strong>, se<br />
conosciamo l’in<strong>di</strong>ce <strong>di</strong><br />
deca<strong>di</strong>mento e la<br />
quantità presente <strong>di</strong><br />
genitore e figlia,<br />
possiamo calcolare per<br />
quanto tempo questo<br />
processo è stato attivo
Principali elementi ra<strong>di</strong>oattivi utilizzati per le datazioni isotopiche<br />
Genitore<br />
Isotopi<br />
Figlia<br />
Mezza-vita<br />
del genitore<br />
(anni)<br />
Intervallo<br />
effetivo <strong>di</strong><br />
datazione (anni)<br />
Minerali e altri materiali<br />
che possono essere datati<br />
Uranio 238 Piombo 206 4,5 mld 10 mil - 4,6 mld<br />
Zircone<br />
Uraninite<br />
Potassio 40 Argon 40 1,3 mld 50,000 – 4,6 mld<br />
Muscovite<br />
Biotite<br />
Orneblenda<br />
Rocce vulcaniche<br />
Rubi<strong>di</strong>o 87 Stronzio 87 4,7 mld 10 mil – 4,6 mld<br />
Muscovite<br />
Biotite<br />
Feldspato potassico<br />
Rocce metamorfiche o magmatiche<br />
Legno, carbone, torba<br />
Carbonio 14 Azoto 14 5730 100 –70.000<br />
Ossa e tessuti<br />
Conchiglie e carbonato <strong>di</strong> calcio<br />
Acque profonde, oceaniche – ghiaccio con<br />
anidride carbonica <strong>di</strong>sciolta<br />
12.14
12.15<br />
Uniformitarismo<br />
Il presente è la chiave per ricostruire il passato (James Hutton)<br />
Le leggi naturali non cambiamo col tempo,<br />
ma l’intensità e il ritmo dei processi possono cambiare
12.16<br />
Paleontologia<br />
E’ lo stu<strong>di</strong>o della<br />
vita nel passato,<br />
basato su piante e<br />
animali fossili. I<br />
fossili sono la<br />
migliore evidenza<br />
della vita nel passato<br />
I fossili conservati<br />
nelle rocce<br />
se<strong>di</strong>mentarie sono<br />
usati per<br />
determinare:<br />
1) Età relativa<br />
2) Ambienti <strong>di</strong><br />
deposizione
12.17<br />
Molti meto<strong>di</strong> sono stati usati per determinare l’etl<br />
età della Terra<br />
1) Bibbia: nel 1664, l’Arcivescovo Usher <strong>di</strong> Dublino usò la cronologia del<br />
Libro della Genesi per calcolare che il mondo avrebbe avuto inizio a<br />
partire dal 26 Ottobre dell’anno 4004 a.C.<br />
2) Salinità <strong>degli</strong> Oceani: (ca. 1899): supponendo che all’inizio gli Oceani<br />
fossero costituiti da acqua dolce, il ritmo col quale i fiumi trasportano<br />
sali agli oceani avrebbe fatto raggiungere la salinità attuale in circa 100<br />
milioni <strong>di</strong> anni<br />
3) Spessore dei se<strong>di</strong>menti: Supponendo un ritmo <strong>di</strong> deposizione nel passato<br />
simile all’attuale, la sequenza se<strong>di</strong>mentaria più potente (es. Grand Canyon)<br />
sarebbe stata depositata in circa 100 milioni <strong>di</strong> anni<br />
4) Calcolo <strong>di</strong> Kelvin (1870): Lord Kelvin calcolò che l’attuale gra<strong>di</strong>ente<br />
geotermico <strong>di</strong> circa 30°C/km sarebbe il risultato del progressivo<br />
raffreddamento in 30 – 100 milioni <strong>di</strong> anni <strong>di</strong> un pianeta Terra,<br />
originariamente allo stato <strong>di</strong> fuso
12.18<br />
Punti deboli delle precedenti teorie<br />
‣ La Bibbia non è un testo scientifico né storico<br />
‣ I sali sono precipitati entro le formazioni se<strong>di</strong>mentarie<br />
‣ L’erosione e la non-se<strong>di</strong>mentazione sono le fasi principali del ciclo<br />
se<strong>di</strong>mentario<br />
‣ La ra<strong>di</strong>oattività fornisce ulteriori fonti <strong>di</strong> calore<br />
Il calore interno della Terra<br />
La scoperta della ra<strong>di</strong>oattività alla fine del 1800 - da parte <strong>di</strong><br />
Bequerel, Curie e Rutherford - non solo spiegò la sorgente <strong>di</strong> calore<br />
per superare i calcoli <strong>di</strong> Kelvin, ma costituì la base per tutte le stime<br />
quantitative dell’età delle rocce
12.19<br />
Età della Terra<br />
Sebbene le rocce più antiche trovate sulla Terra abbiano<br />
un’età <strong>di</strong> 3.96 (o anche 4.4) miliar<strong>di</strong> <strong>di</strong> anni (Ga), cre<strong>di</strong>amo<br />
che l’età della Terra sia approssimativamente <strong>di</strong> <strong>di</strong> 4.6. Tutte<br />
le rocce fra 4.6 e 4.0 Ga sono state <strong>di</strong>strutte (ciclo <strong>di</strong><br />
erosione) o sono attualmente coperte da rocce più recenti.<br />
Questa affermazione si basa sull’età delle rocce trovate<br />
sulla Luna (4.4 Ga) e delle meteoriti (4.6 Ga) che sono ritenute<br />
essere sufficientemente rappresentative delle prime fasi<br />
dello sviluppo del sistema solare, e anche <strong>di</strong> un più complicato<br />
modello geochimico. Questi dati suggeriscono che l’attuale<br />
composizione chimica della crosta terrestre deve essersi<br />
evoluta per più <strong>di</strong> 4.5 Ga.
La cronologia geologica e l’età assoluta<br />
La datazione <strong>isotopica</strong> <strong>di</strong> rocce vulcaniche intercalate in serie<br />
stratigrafiche permette l’attribuzione <strong>di</strong> un’età assoluta a<br />
particolari facies se<strong>di</strong>mentarie fossilifere, favorendo l’esatta<br />
collocazione cronologica delle tappe dell’evoluzione biologica<br />
Il grande assunto<br />
Le mezze-vite <strong>degli</strong> isotopi ra<strong>di</strong>oattivi sono le stesse <strong>di</strong> miliar<strong>di</strong> <strong>di</strong> anni fa<br />
Verifica<br />
Le meteoriti e le rocce lunari (che sono ritenute aver avuto una storia molto<br />
semplice dalla loro formazione), sono state datate da più <strong>di</strong> 10 sistemi<br />
isotopici in<strong>di</strong>pendenti, ciascuno dei quali ha fornito la stessa risposta.<br />
Tuttavia, gli scienziati continuano a valutare criticamente questi dati<br />
12.20