Panoramica sulla geochimica del piombo (Pb)
Sono noti 43 isotopi del piombo (Pb), incluse alcune specie sintetiche molto instabili, ma solo cinque sono usati comunemente nel campo della geochimica (figura 1). Il piombo ha quattro isotopi relativamente stabili: 204Pb, 206Pb, 207Pb e 208Pb. Gli ultimi tre rappresentano le estremità di una catena di decadimento: 206Pb è alla fine della catena di decadimento dell’uranio, il 207Pb di quella dell’attinio e il 208Pb di quella del torio. Il 210Pb è un isotopo naturale a vita breve con un tempo di dimezzamento di 22,6 anni, caratteristica che permette di utilizzarlo per la datazione di sedimenti recenti e depositi di torba.
Le cinque specie di isotopi del piombo comunemente usate negli studi geochimici.
I rapporti isotopici del piombo nella catena di decadimento dell’uranio sono una funzione della quantità di uranio e torio presenti. Dato che i processi geologici influenzano la quantità di U e Th presente, gli isotopi del piombo rappresentano uno strumento utile per comprendere la natura e le tempistiche di questi processi. Poiché la composizione isotopica del piombo in un materiale geologico è il prodotto di tre catene di decadimento indipendenti, esiste una grande variabilità isotopica nei diversi minerali.
Ulteriori informazioni sui tipi di materiale e la selezione dei campioni per l’analisi del piombo.
Geochimica della terra solida / petrologia
I rapporti isotopici del piombo possono essere utilizzati nella datazione e nello studio della petrogenesi delle rocce ignee, metamorfiche e idrotermali. Poiché l’uranio, il torio e i loro elementi figli hanno un comportamento chimico diverso, molti processi geologici possono causare un notevole frazionamento dei vari isotopi. Questo genera pattern distintivi che permettono di determinare la storia delle rocce. Per esempio, la composizione isotopica del piombo nelle rocce vulcaniche e plutoniche può essere sfruttata per determinare la fonte di diversi tipi di magma provenienti da diversi contesti tettonici.
Analisi isotopica del Pb dei sedimenti dell’Oceano Pacifico e delle lave dell’arco attivo delle Marianne, da Woodhead e Fraser, 1985.
Fingerprinting geochimico: polvere e archeologia
I pattern isotopici del piombo che caratterizzano rocce a diversa litologia (e i suoli sovrastanti) permettono di correlare gli isotopi del piombo ad aree specifiche della superficie terrestre. Rocce diverse presentano rapporti genitore/figlio distinti, una proprietà che è stata ampiamente sfruttata per lo studio della provenienza dei materiali meteorizzati ed erosi, ovvero la polvere. Poiché ogni fonte di polvere è contraddistinta da una diversa firma isotopica del piombo, anche la polvere che è stata trasportata per grandi distanze può essere ricollegata alla sua regione d’origine.
Composizione isotopica del Pb di polvere raccolta a Barbados a confronto con varie fonti possibili in Africa, da Bozlaker et al., 2018, modificato.
Il fingerprinting geochimico può essere utilizzato anche negli studi archeologici. Fin dalle origini dello studio dei metalli antichi, uno degli obiettivi di questa disciplina è stato quello di stabilire l’origine geologica del metallo usato per la produzione dei manufatti e, di conseguenza, ottenere informazioni sul commercio, le relazioni commerciali e il movimento degli oggetti. Poiché gli isotopi del piombo non cambiano di forma dalla loro origine geologica (o forma minerale) al manufatto, i manufatti contengono informazioni sulla posizione del sito da cui il piombo è stato estratto.
Tracciamento delle fonti di inquinamento
Il piombo è un metallo non essenziale e tossico il cui ciclo biogeochimico è stato notevolmente influenzato dall’attività umana. Il piombo entra nell’ambiente durante la produzione (compresa l’estrazione e la fusione), l’uso (batterie, pigmenti, ceramica, plastica), il riciclo, lo smaltimento, la combustione di combustibili fossili (carbone, benzina con piombo), l’uso di fertilizzanti minerali e fanghi di depurazione. Dato che specifici intervalli di rapporti isotopici sono correlati a differenti tipi di attività umane, analizzare gli isotopi del piombo permette di studiare l’impatto antropico nel corso del tempo. Negli ultimi anni, gli isotopi di piombo sono stati sempre più spesso utilizzati per tracciare le fonti e le origini (geogenica o antropogenica) delle contaminazioni e per valutare la persistenza di questo elemento nell’ambiente. Per esempio, analizzare gli isotopi del piombo nella benzina permette di individuare il suo continente di origine e i cambiamenti nella composizione nel corso del tempo.
Firma isotopica del Pb della benzina prodotta in diversi continenti (grafico di sinistra, da Larsen et al., 2012) e cambiamenti nella firma isotopica del Pb della benzina statunitense nel tempo (grafico di destra, da Dunlap et al., 2008)
Studi forensi
Non è raro che in un caso di omicidio manchino prove fisiche che permettano di identificare il colpevole. L’analisi isotopica del piombo di piccoli frammenti di proiettile può essere d’aiuto nell’identificazione del colpevole, supponendo che tutte le cartucce di proiettile appartenenti a uno specifico lotto abbiano la stessa composizione isotopica. Per esempio, marche diverse di proiettili presentano spesso firme isotopiche distinte. Gli isotopi del piombo permettono quindi di associare un proiettile trovato in una scena del crimine con quelli di un sospettato nei casi in cui il proiettile intero non è disponibile per i test balistici.
Ulteriori informazioni sull’analisi isotopica in geografia forense.
Firma isotopica del Pb in proiettili di diversi produttori di tutto il mondo (da Sjåstad et al., 2016).
Riferimenti
Bozlaker, A., Prospero, J.M., Price, J. and Chellam, S., (2018). Linking Barbados mineral dust aerosols to North African sources using elemental composition and radiogenic Sr, Nd, and Pb isotope signatures. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 123(2), pp.1384-1400. DOI: 10.1002/2017JD027505
Dunlap, C.E., Alpers, C.N., Bouse, R., Taylor, H.E., Unruh, D.M. and Flegal, A.R., (2008). The persistence of lead from past gasoline emissions and mining drainage in a large riparian system: Evidence from lead isotopes in the Sacramento River, California. Geochimica et Cosmochimica Acta, 72(24), pp.5935-5948. DOI: 10.1016/j.gca.2008.10.006
Larsen, M.M., Blusztajn, J.S., Andersen, O. and Dahllöf, I., (2012). Lead isotopes in marine surface sediments reveal historical use of leaded fuel. Journal of Environmental Monitoring, 14(11), pp.2893-2901. DOI: 10.1039/c2em30579h
Sjåstad, K.E., Lucy, D. and Andersen, T., (2016). Lead isotope ratios for bullets, forensic evaluation in a Bayesian paradigm. Talanta, 146, pp.62-70. DOI: 10.1016/j.talanta.2015.07.070
Woodhead, J.D. and Fraser, D.G., (1985). Pb, Sr and 10Be isotopic studies of volcanic rocks from the Northern Mariana Islands. Implications for magma genesis and crustal recycling in the Western Pacific. Geochimica et Cosmochimica Acta, 49(9), pp.1925-1930. DOI: 10.1016/0016-7037(85)90087-0