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.