Il lavoro di geologi è raccontare la vera storia della storia della Terra - più precisamente, una storia della storia della Terra che è sempre più vera. Cento anni fa non avevamo idea della lunghezza della storia: non avevamo un buon metro per il tempo. Oggi, con l'aiuto di metodi di datazione isotopica, siamo in grado di determinare quasi l'età delle rocce e di mappare le rocce stesse. Per questo, possiamo ringraziare la radioattività, scoperta all'inizio del secolo scorso.
La necessità di un orologio geologico
Cento anni fa, le nostre idee sull'età delle rocce e sull'età della Terra erano vaghe. Ma ovviamente le rocce sono cose molto vecchie. A giudicare dal numero di rocce presenti, oltre alle percentuali impercettibili dei processi che le formano: erosione, sepoltura, fossilizzazione, elevazione: la documentazione geologica deve rappresentare milioni di anni non raccontati. È questa intuizione, espressa per la prima volta nel 1785, che ha reso James Hutton il padre della geologia.
Quindi sapevamo di "
tempo profondo, "ma esplorarlo è stato frustrante. Per più di cento anni il metodo migliore per organizzare la sua storia è stato l'uso di fossili o biostratigrafia. Funzionava solo con rocce sedimentarie e solo alcune. Le rocce di età precambriana avevano solo i più rari frammenti di fossili. Nessuno sapeva nemmeno quanta parte della storia della Terra fosse sconosciuta! Avevamo bisogno di uno strumento più preciso, una sorta di orologio, per iniziare a misurarlo.The Rise of Isotopic Dating
Nel 1896, la scoperta accidentale della radioattività di Henri Becquerel mostrò ciò che poteva essere possibile. Abbiamo appreso che alcuni elementi subiscono un decadimento radioattivo, cambiando spontaneamente in un altro tipo di atomo emettendo allo stesso tempo uno scoppio di energia e particelle. Questo processo avviene a un ritmo uniforme, costante come un orologio, non influenzato dalle temperature normali o dalla chimica ordinaria.
Il principio dell'utilizzo del decadimento radioattivo come metodo di datazione è semplice. Considera questa analogia: una griglia per barbecue piena di carbone ardente. Il carbone brucia a una velocità nota e se si misura la quantità di carbone rimasta e la quantità di cenere che si è formata, si può dire da quanto tempo è stata accesa la griglia.
L'equivalente geologico di accendere la griglia è il momento in cui si è solidificato un grano minerale, che sia tanto tempo fa in un antico granito o solo oggi in un flusso di lava fresca. Il grano minerale solido intrappola il atomi radioattivi e i loro prodotti in decomposizione, contribuendo a garantire risultati accurati.
Poco dopo la scoperta della radioattività, gli sperimentatori hanno pubblicato alcune date di prova delle rocce. Rendendosi conto che il decadimento dell'uranio produce elio, Ernest Rutherford nel 1905 determinò un'età per un pezzo di minerale di uranio misurando la quantità di elio intrappolata in esso. Nel 1907 Bertram Boltwood usò il piombo, il prodotto finale del decadimento dell'uranio, come metodo per valutare l'età dell'uraninite minerale in alcune antiche rocce.
I risultati furono spettacolari ma prematuri. Le rocce sembravano sorprendentemente vecchie, con un'età compresa tra 400 milioni e più di 2 miliardo anni. Ma a quel tempo nessuno sapeva degli isotopi. Una volta gli isotopi sono stati spiegati, negli anni 1910, divenne chiaro che i metodi di datazione radiometrica non erano pronti per la prima serata.
Con la scoperta di isotopi, il problema della datazione è tornato al punto di partenza. Ad esempio, la cascata di decadimento dell'uranio-piombo è in realtà due: l'uranio-235 decade a piombo-207 e l'uranio-238 decade a piombo-206, ma il secondo processo è quasi sette volte più lento. (Quello fa datazione al piombo-uranio particolarmente utile.) Circa altri 200 isotopi furono scoperti nei decenni successivi; quelli che sono radioattivi hanno poi determinato i loro tassi di decadimento in accurati esperimenti di laboratorio.
Negli anni '40, questa conoscenza fondamentale e i progressi negli strumenti hanno permesso di iniziare a determinare le date che significano qualcosa per i geologi. Ma le tecniche avanzano ancora oggi perché, con ogni passo in avanti, è possibile porre e rispondere a una serie di nuove domande scientifiche.
Metodi di incontri isotopici
Esistono due metodi principali di datazione isotopica. Uno rileva e conta gli atomi radioattivi attraverso la loro radiazione. I pionieri della datazione al radiocarbonio hanno usato questo metodo perché il carbonio-14, l'isotopo radioattivo del carbonio, è molto attivo, decadendo con un'emivita di soli 5730 anni. I primi laboratori di radiocarbonio furono costruiti sottoterra, utilizzando materiali antichi risalenti all'era della contaminazione radioattiva degli anni '40, con l'obiettivo di mantenere basse le radiazioni di fondo. Anche così, possono essere necessarie settimane del conteggio dei pazienti per ottenere risultati accurati, specialmente nei vecchi campioni in cui rimangono pochissimi atomi di radiocarbonio. Questo metodo è ancora in uso per isotopi scarsi e altamente radioattivi carbonio-14 e trizio (idrogeno-3).
La maggior parte dei processi di decadimento di interesse geologico sono troppo lenti per i metodi di conteggio dei decadimenti. L'altro metodo si basa sul conteggio effettivo degli atomi di ciascun isotopo, senza attendere che alcuni di essi decadano. Questo metodo è più difficile ma più promettente. Implica la preparazione di campioni e la loro esecuzione a spettrometro di massa, che li sposta atomo per atomo in base al peso esattamente come una di quelle macchine per la selezione delle monete.
Per un esempio, considera il metodo di datazione potassio-argon. Gli atomi di potassio si presentano in tre isotopi. Il potassio-39 e il potassio-41 sono stabili, ma il potassio-40 subisce una forma di decadimento che lo trasforma in argon-40 con un'emivita di 1.277 milioni di anni. Quindi, più vecchio diventa un campione, minore è la percentuale di potassio-40 e viceversa maggiore è la percentuale di argon-40 rispetto all'argon-36 e all'argon-38. Contare alcuni milioni di atomi (facile con solo microgrammi di roccia) produce date abbastanza buone.
La datazione isotopica ha sostenuto l'intero secolo di progressi che abbiamo fatto sulla vera storia della Terra. E cosa è successo in quei miliardi di anni? È abbastanza tempo per adattarsi a tutti gli eventi geologici di cui abbiamo mai sentito parlare, con miliardi rimasti. Ma con questi strumenti di incontri, siamo stati impegnati a mappare il tempo profondo e la storia diventa ogni anno più accurata.