La cronologia uranio-torio
La datazione U-Th si basa sull’analisi dei rapporti isotopici dell’isotopo genitore (l’uranio) e dell’isotopo figlio (il torio). Questi rapporti permettono di misurare il decadimento dell’isotopo genitore e la conseguente produzione dell’isotopo figlio nel corso del tempo. Il metodo di analisi prevede la misurazione dei prodotti del decadimento dell’isotopo genitore (234U) e dell’isotopo figlio (230Th) in un campione tramite la tecnica della spettrometria di massa. Nel corso del processo di decadimento, l’uranio passa attraverso una serie di fasi: a partire dal 238U, raggiunge lo stato di isotopo stabile sotto forma di 206Pb (vedi sotto).
La datazione U-Th misura il rapporto tra l’attività dell’isotopo genitore (uranio) e del suo prodotto (torio) attraverso un calcolo del decadimento del genitore in figlio nel corso del tempo.
La datazione U-Th dei carbonati è possibile a condizione che il materiale:
- Si sia formato all’interno dell’intervallo databile della sistematica U-Th
(fino a 500.000 anni), - Contenga una concentrazione sufficiente degli
isotopi minori 234U e 230Th per l’analisi di diluizione isotopica
ad alta precisione, - Abbia incorporato una quantità nota o trascurabile di 230Th iniziale
(in eccesso) al momento della deposizione, - Sia rimasto un sistema chiuso (senza variazioni negli isotopi U e Th)
in seguito alla deposizione originaria.
La perdita di uranio e l’incorporazione di 230Th in un sistema aperto possono portare a risultati errati. I campioni con un rapporto U/Ca e una concentrazione di uranio iniziali relativamente bassi generano età aberranti perché tendono ad assorbire uranio dopo la deposizione e attraverso i processi diagenetici.
Ulteriori informazioni:
Datazione U-Th
Il metodo U-Th viene utilizzato per datare i carbonati fino a 500.000 anni, ma i campioni moderni non producono date U-Th affidabili, a causa della loro ridotta concentrazione di 230Th e dei limiti di questo metodo. I tipi di materiale più comuni includono speleotemi, corallo, conchiglie e pitture rupestri.
Pitture rupestri
Il metodo dell’uranio-torio permette di determinare l’età approssimativa delle pitture rupestri attraverso la datazione dei sottili strati di calcite depositati sulla pittura. L’analisi fornisce quindi un’età minima, ovvero un terminus ante quem. . Nei casi in cui è possibile accedere allo strato di calcite al di sotto della pittura, può essere identificata anche l’età massima (terminus post quem) della pittura (Pons-Branchu et al. 2014). È possibile verificare i risultati confrontando la data ottenuta con i risultati della datazione al 14C e analizzando diversi strati, dato che le incrostazioni calcaree sono considerate sistemi aperti (Sauvet et al. 2015).
(Fotografia di Arash Sharifi)
Depositi in grotta: speleotemi e concrezioni
L’analisi degli isotopi stabili degli speleotemi fornisce informazioni sui cambiamenti ambientali avvenuti nel corso della formazione di uno speleotema. Le cronologie che supportano questi record paleoclimatici si basano su una datazione precisa, con il metodo U-Th e/o 14C, che mette in relazione distanza (crescita) ed età. Le stalagmiti, ovvero gli speleotemi che si sviluppano dal basso verso l’alto, sono spesso preferite alle stalattiti, che si sviluppano dall’alto verso il basso, poiché hanno un piano di crescita più regolare e una struttura interna più definita (Spötl & Boch, 2019). Nonostante il metodo U-Th e il metodo 14C possano entrambi essere utilizzati per la datazione degli speleotemi, l’effetto reservoir del carbonio e le impurità chimiche degli speleotemi possono introdurre incertezze significative, di diverse migliaia di anni, nelle serie che si basano sulla datazione al 14C rispetto a quelle che si basano sull’uranio-torio (Goslar et al. 2000).
(Fotografia di Arash Sharifi)
Corallo
I coralli di età uguale o inferiore a 500.000 anni possono essere datati con il metodo U-Th. La tendenza a incorporare e perdere uranio e torio, osservata nei coralli, genera delle discrepanze nelle età misurate. Quando i coralli incorporano U e perdono Th, le loro età risultano inferiori, mentre quando incorporano Th e perdono U, l’età misurata aumenta (Andersen et al. 2009). Tuttavia, è possibile applicare delle correzioni sistematiche seguendo una metodologia di controllo (ad es. Thompson et al. 2003). La ricostruzione dei cambiamenti ambientali nel corso del tempo deve essere basata su una solida cronologia. La datazione U-Th dei coralli fornisce risultati affidabili per campioni di età maggiori dell’intervallo misurabile con il 14C . Questo materiale può inoltre essere analizzato per ottenere ulteriori informazioni sui periodi umidi/asciutti (Yehudai et al. 2017), la mortalità e il recupero delle barriere coralline (Clark et al. 2017), la temperatura (DeCarlo et al. 2016) e il pH degli oceani (Stewart et al. 2016; Pauly et al. 2015).
Conchiglie
Il metodo U-Th è stato utilizzato per decenni per datare le conchiglie. Questo metodo si basa sul presupposto che il campione abbia incorporato uranio durante la sua formazione e abbia un input limitato di torio da fonti esterne, quindi che sia un sistema chiuso e contenga solo torio prodotto dal decadimento dell’uranio. Non tutti i sistemi deposizionali soddisfano questi requisiti, perciò la “datazione isocrona” delle conchiglie può essere effettuata datando più conchiglie dallo stesso orizzonte temporale con vari livelli di apporto di Th detritico (Bischoff & Fitzpatrick, 1991) per ottenere il livello iniziale di U-Th da utilizzare per la datazione (ad esempio, Placzek et al. 2006). Nonostante la datazione delle conchiglie sia complessa, poiché si tratta di sistemi aperti, l’analisi U-Th permette di datare campioni di età superiore all’intervallo misurabile con il 14C (circa 40.000 cal BP).
(Fotografia di Arash Sharifi)
Riferimenti:
Andersen, M.B., Gallup, C.D., Scholz, D., Stirling, C.H. and Thompson, W.G., (2009). U-series dating of fossil coral reefs: consensus and controversy. Pages News, 17, pp.54-56.
Bischoff, J.L. and Fitzpatrick, J.A., (1991). U-series dating of impure carbonates: an isochron technique using total-sample dissolution. Geochimica et Cosmochimica Acta, 55(2), pp.543-554. DOI: 10.1016/0016-7037(91)90011-S
Clark, T.R., Roff, G., Zhao, J.X., Feng, Y.X., Done, T.J., McCook, L.J. and Pandolfi, J.M., (2017). U-Th dating reveals regional-scale decline of branching Acropora corals on the Great Barrier Reef over the past century. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(39), pp.10350-10355. DOI: 10.1073/pnas.1705351114
DeCarlo, T.M., Gaetani, G.A., Cohen, A.L., Foster, G.L., Alpert, A.E. and Stewart, J.A., (2016). Coral Sr‐U thermometry. Paleoceanography, 31(6), pp.626-638. DOI: 0.1002/2015PA002908
Goslar, T., Hercman, H. and Pazdur, A., (2000). Comparison of U-series and radiocarbon dates of speleothems. Radiocarbon, 42(3), pp.403-414. DOI: 10.1017/S0033822200030332
Pauly, M., Kamenos, N.A., Donohue, P. and LeDrew, E., (2015). Coralline algal Mg-O bond strength as a marine p CO2 proxy. Geology, 43(3), pp.267-270. DOI: 10.1130/G36386.1
Placzek, C., Patchett, P.J., Quade, J. and Wagner, J.D., (2006). Strategies for successful U‐Th dating of paleolake carbonates: An example from the Bolivian Altiplano. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 7(5). DOI: 10.1029/2005GC001157
Pons-Branchu, E., Bourrillon, R., Conkey, M.W., Fontugne, M., Fritz, C., Gárate, D., Quiles, A., Rivero, O., Sauvet, G., Tosello, G. and Valladas, H., (2014). Uranium-series dating of carbonate formations overlying Paleolithic art: interest and limitations. Bulletin de la Société préhistorique française, pp.211-224. DOI: 10.3406/bspf.2014.14395
Sauvet, G., Bourrillon, R., Conkey, M., Fritz, C., Gárate-Maidagan, D., Vilá, O.R., Tosello, G. and White, R., (2017). Uranium–thorium dating method and Palaeolithic rock art. Quaternary International, 432, pp.86-92. DOI: 10.1016/j.quaint.2015.03.053
Spötl, C. and Boch, R., (2019). Uranium series dating of speleothems. In Encyclopedia of caves (pp. 1096-1102). Academic Press.
Stewart, J.A., Anagnostou, E. and Foster, G.L., (2016). An improved boron isotope pH proxy calibration for the deep-sea coral Desmophyllum dianthus through sub-sampling of fibrous aragonite. Chemical Geology, 447, pp.148-160. DOI: 10.1016/j.chemgeo.2016.10.029
Thompson, W.G., Spiegelman, M.W., Goldstein, S.L. and Speed, R.C., (2003). An open-system model for U-series age determinations of fossil corals. Earth and Planetary Science Letters, 210(1-2), pp.365-381. DOI: 10.1016/S0012-821X(03)00121-3
Yehudai, M., Lazar, B., Bar, N., Kiro, Y., Agnon, A., Shaked, Y. and Stein, M., (2017). U–Th dating of calcite corals from the Gulf of Aqaba. Geochimica et Cosmochimica Acta, 198, pp.285-298. DOI: 0.1016/j.gca.2016.11.005
Foto del corallo: https://www.pexels.com/photo/corals-920161/