Panoramica sulla geochimica dello stronzio (Sr)
L’elemento stronzio ha quattro isotopi naturali: 84Sr, 86Sr, 87Sr, e 88Sr. Solo l’isotopo 87Sr è radiogenico: viene prodotto per decadimento beta a partire dall’87Rb, che ha un’emivita di 48,8 miliardi di anni. L’isotopo dello stronzio più abbondante è l’88Sr, che costituisce circa l’83% dello stronzio presente in natura, seguito dall’ 86Sr al 10%, l’ 87Sr al 7% e l’84Sr a meno dell’1%. Nelle indagini geologiche e ambientali, è il rapporto 87Sr/86Sr a essere usato più spesso, poiché questi due isotopi hanno un’abbondanza simile (rispettivamente 7% e 10%).
I quattro isotopi dello stronzio. Il rapporto 87Sr/86Sr viene comunemente usato nell’ambito della geochimica.
Lo stronzio è un elemento ubiquitario presente in tracce nelle rocce, nel suolo, nell’acqua, nelle piante e negli animali. Il rapporto 87Sr/86Sr è determinato dall’origine geochimica, dalla concentrazione di Rb e dall’età della roccia. A causa della massa elevata dello stronzio, il rapporto resta essenzialmente invariato mentre il materiale roccioso viene eroso e si sposta nel ciclo dell’acqua e nella catena alimentare. Per questo motivo, il rapporto 87Sr/86Sr viene utilizzato per il fingerprinting geochimico, il tracciamento delle fonti, la previsione delle contaminazioni e gli studi su migrazioni e mobilità. Un cambiamento sistematico nel rapporto 87Sr/86Sr dell’acqua di mare nel corso del tempo costituisce la base per la stratigrafia e la cronologia dei carbonati e dei fosfati biogenici marini.
Ulteriori informazioni sui tipi di materiale e la selezione dei campioni per l’analisi dello stronzio.
Archeologia
Rapporto isotopico dello stronzio (87Sr/86Sr) di denti decidui umani che mostra la mobilità umana nell’Italia meridionale durante i periodi Gravettiano ed Epigravettiano (32157-19097 anni cal BP), nel corso dell’Ultimo Massimo Glaciale. Adattato da Lugli et al., 2019.
Ogni regione del mondo presenta un rapporto 87Sr/86Sr specifico correlato alla sua geologia e alle fonti d’acqua. Le formazioni geologiche e, di conseguenza, i suoli hanno una specifica firma 87Sr/86Sr legata alla loro origine. Gli esseri umani, le piante e gli altri animali ereditano la firma isotopica dello stronzio dal loro habitat quando lo stronzio viene incorporato nelle loro cellule insieme ad altri elementi (ad esempio il calcio).
Quando umani e animali migrano da un habitat a un altro, vengono a contatto con acqua e alimenti vegetali e animali provenienti da fonti diverse. L’analisi del rapporto 87Sr/86Sr nelle ossa e nei capelli umani e animali è un potente strumento per studiare la mobilità e le migrazioni delle popolazioni. Per esempio, poiché sia i denti permanenti sia quelli decidui sono presenti alla nascita, l’analisi isotopica del rapporto 87Sr/86Sr nei denti umani può fornire informazioni sul luogo di nascita di un individuo. Il rapporto 87Sr/86Sr dei capelli e delle unghie, che crescono continuamente, può invece indicare la zona in cui l’individuo ha vissuto nel periodo precedente alla morte.
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The use of isotopic analysis on bones: dating, environmental analysis & migration
Tracing the diet of herbivores and omnivores through isotopic analysis to learn more.
Acque sotterranee
Intrusione di acqua salata nella falda acquifera di Biscayne evidenziata dal rapporto isotopico dello stronzio (87Sr/86Sr) in campioni d’acqua raccolti nella contea di Miami-Dade nel 2009. Dati da Prinos et al., 2014.
I processi fisici come la meteorizzazione non causano il frazionamento degli isotopi dello stronzio. Poiché la degradazione meteorica non altera il rapporto 87Sr/86Sr ratio , questo valore rappresenta la firma isotopica delle formazioni rocciose circostanti.
Inoltre, il rapporto 87Sr/86Sr dell’acqua sotterranea è correlato sia alla firma isotopica della sorgente sia a quella delle formazioni rocciose che l’acqua attraversa lungo il suo percorso. L’analisi del rapporto isotopico e della concentrazione di Sr nell’acqua è un metodo potente per studiare il mescolamento e la contaminazione delle acque sotterranee, oltre a individuare l’intrusione di acqua salata.
Per esempio, la concentrazione dello stronzio e i suoi valori isotopici possono essere utilizzati per risalire alla fonte e al livello di contaminazione nelle acque sotterranee, come dimostrato da Nigro et al. (2017).
Ulteriori informazioni sugli isotopi di Sr-Nd per lo studio della meteorizzazione.
Geocronologia-stratigrafia
Il rapporto isotopico dello stronzio (87Sr/86Sr) dell’acqua di mare nel corso del tempo, misurato attraverso campioni di sedimenti, brachiopodi inalterati, belemniti, conodonti e foraminiferi provenienti da varie località del mondo. L’area rossa indica l’intervallo di confidenza al 95%. Adattamento da McArthur et al., 2001.
La precipitazione di carbonati e fosfati biogenici marini comporta l’assorbimento di stronzio dall’acqua marina con un rapporto 87Sr/86Sr identico a quello oceanico al momento della formazione. Il rapporto 87Sr/86Sr dell’oceano varia nel tempo, creando una curva prevedibile che costituisce il riferimento per la calibrazione delle date. Questa curva rappresenta gli ultimi 850 milioni di anni ed è stata sviluppata utilizzando calcite di foraminiferi, rostri di belemniti, aragonite di ammoniti, carbonati da atolli e cemento marino (McArthur et al. 2012).
Misurando il rapporto 87Sr/86Sr di un campione e inserendolo nella curva Sr standard per l’acqua di mare è possibile determinarne l’età (minerali marini). Questo metodo funziona al meglio per i periodi di tempo con spostamenti unidirezionali a lungo termine nel rapporto 87Sr/86Sr, come il Terziario, ma tecnicamente può essere utilizzato per gli ultimi 600 milioni di anni. Offre una risoluzione temporale massima di 1 milione di anni.
Scienze forensi
87Sr/86Sr di substrati geologici (caselle vuote) e di vini (caselle piene) provenienti da vigneti in diverse regioni d’Italia. Ridisegnato, da Marchionni et al., 2013.
“Siamo quello che mangiamo” è un concetto che si traduce in realtà quando si tratta della firma isotopica degli organismi viventi. Le cellule degli esseri umani, delle piante e di altri animali presentano la stessa firma isotopica del cibo e dell’acqua disponibili nei loro habitat, incluso il rapporto isotopico dello stronzio, 87Sr/86Sr. Questa proprietà è stata sfruttata con successo nel campo delle scienze forensi per determinare l’origine dei narcotici, studiare il background etnico o i pattern di migrazione di una comunità, individuare il luogo della morte di un individuo e tracciare l’adulterazione degli alimenti, specialmente nel settore vinicolo. Questa tecnica è simile a quella utilizzata dagli archeologi per studiare le migrazioni, il commercio e lo stile di vita delle civiltà antiche.
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Industria petrolifera
I rapporti isotopici dello stronzio dei sali residui nello strato di petrolio della formazione Tilje, che si trova in Norvegia e risale al Giurassico inferiore, indicano che gli strati di scisto isolano i reservoir di petrolio. Alcuni strati costituiscono una barriera più efficace di altri. Da Peters et al., 2005, modificato.
Il fingerprinting geochimico dello stronzio ha diverse applicazioni nel settore petrolifero. Poiché formazioni geologiche diverse presentano firme isotopiche specifiche, il rapporto 87Sr/86Sr può essere usato per studiare la migrazione del petrolio, oltre al grado di miscelazione o separazione tra le unità geologiche. Il rapporto isotopico dello stronzio è ampiamente utilizzato anche per il tracciamento delle acque di produzione e la stratigrafia isotopica.
Riferimenti
Bentley, R.A., (2006). Strontium isotopes from the earth to the archaeological skeleton: a review. Journal of archaeological method and theory, 13(3), pp.135-187. DOI: 10.1007/s10816-006-9009-x
Capo, R.C., Stewart, B.W. and Chadwick, O.A., (1998). Strontium isotopes as tracers of ecosystem processes: theory and methods. Geoderma, 82(1-3), pp.197-225. DOI: 10.1016/S0016-7061(97)00102-X
Lugli, F., Cipriani, A., Capecchi, G., Ricci, S., Boschin, F., Boscato, P., Iacumin, P., Badino, F., Mannino, M.A., Talamo, S. and Richards, M.P., (2019). Strontium and stable isotope evidence of human mobility strategies across the Last Glacial Maximum in southern Italy. Nature ecology & evolution, 3(6), pp.905-911. DOI: 10.1038/s41559-019-0900-8
Marchionni, S., Braschi, E., Tommasini, S., Bollati, A., Cifelli, F., Mulinacci, N., Mattei, M. and Conticelli, S., (2013). High-precision 87Sr/86Sr analyses in wines and their use as a geological fingerprint for tracing geographic provenance. Journal of agricultural and food chemistry, 61(28), pp.6822-6831. DOI: 10.1021/jf4012592
McArthur, J.M., Howarth, R.J. and Bailey, T.R., (2001). Strontium isotope stratigraphy: LOWESS version 3: best fit to the marine Sr-isotope curve for 0–509 Ma and accompanying look-up table for deriving numerical age. The Journal of Geology, 109(2), pp.155-170. DOI: 10.1086/319243
McArthur, J.M., Howarth, R.J. and Shields, G.A., 2012. Strontium isotope stratigraphy. The geologic time scale, 1, pp.127-144.
Nigro, A., Sappa, G. and Barbieri, M., (2017). Strontium isotope as tracers of groundwater contamination. Procedia Earth and Planetary Science, 17, pp.352-355. DOI: 10.1016/j.proeps.2016.12.089
Peters, K.E., Walters, C.C. and Moldowan, J.M., (2007). The biomarker guide: Volume 1, Biomarkers and isotopes in the environment and human history. Cambridge university press.
Prinos, S.T., Wacker, M.A., Cunningham, K.J. and Fitterman, D.V., (2014). Origins and delineation of saltwater intrusion in the Biscayne aquifer and changes in the distribution of saltwater in Miami-Dade County, Florida (No. 2014-5025). US Geological Survey. DOI: 10.3133/sir20145025