β equivalente + intercetta

Età Archeologica Presunta = ^Desunta

I termini dose beta equivalente ed intercetta di non linearità sono già stati illustrati nei precedenti paragrafi dedicati alla datazione con le tecniche fine-grain ed inclusion, come anche le procedure per la preparazione dei campioni sono state descritte in precedenza.

Viene effettuata una serie di misure per rilevare sia la termolu-minescenza naturale del campione in esame, sia la risposta del campione stesso all'azione di radiazioni impartite artificialmente mediante una sorgente radioattiva di attività nota.

Elaborando i risultati delle misure si arriva a stabilire la quantità di energia accumulata nel reperto dal momento della sua cottura ad oggi.

Quanto all'età archeologica del reperto essa è presunta in base alle caratteristiche stilistiche e tipologiche del reperto stesso.

Conoscendo la dose totale assorbita e l'età archeologica si calcola la dose annua che come già detto deve essere compresa tra 0.003 e 0.008 gray/anno, qualora si tratti di un reperto autentico.

Facendo un rapido confronto tra la metodologia applicata alla datazione e quella applicata alla autenticazione, si nota come per la datazione sia necessario effettivamente misurare la dose annua secondo le relazioni dedotte prima, ragione per cui occorre prelevare una abbondante campionatura del reperto in esame, conoscere i dati ambientali esatti circa il luogo di rinvenimento ed ovviamente eseguire tutte le misure necessarie.

Nel caso della autenticazione, la metodologia risulta essere molto sem-plificata, poiché non è necessario misurare la dose annua ma basta sempli-cemente desumerla e verificare che sia in accordo con i dati resi noti dalla letteratura specializzata.

Ne consegue che il prelievo della campionatura può essere notevol-mente limitato essendo sufficienti alcune decine di mg. Anche i tempi di misura risultano essere notevolmente diminuiti.

Si deve anche aggiungere che in prima approssimazione la curva di termoluminescenza naturale è di per se stessa sufficiente ad indicare se si tratta di un reperto autentico o di un falso.

Nel primo caso la TL naturale registrata sul grafico dà luogo ad una curva alta, mentre nel secondo caso da luogo ad una curva quasi piatta essen-do l'emissione luminosa pressoché nulla.

Si ritiene opportuno accennare ad una eventualità da tenere presente quando si effettuano controlli di autenticità mediante l'analisi di termolumine-scenza.

Già è stato rilevato che i manufatti per i quali si desume una dose annua inferiore al valore minimo di 0.003 gray/anno sono da considerare delle imita-zioni di epoca recente, ossia dei falsi.

Potrebbe però capitare che una dose annua inferiore al minimo sia de-sunta per un manufatto prodotto in epoca antica, ma sottoposto in epoca recente, per un qualsiasi motivo a seconda cottura.

Si avrebbe così il caso di un reperto autentico dal punto di vista archeo-logico, e falso agli effetti dell'analisi di termoluminescenza, avendo la seconda cottura azzerato l'energia che si era accumulata nel periodo precedente dal momento della prima cottura, antica, a quello della seconda cottura, recente.

L'utilizzo della sola analisi di TL naturale del manufatto ceramico non sempre risulta essere un valido strumento di indagine per l'autenticazione di reperti.

Si è infatti di recente è scoperto che sul mercato dell'antiquariato vengono immessi manufatti ceramici sottoposti ad irraggiamenti artificiali opportunamente dosati a cui viene poi alternato un trattamento termico a temperatura intorno ai 200 °C per eliminare i picchi luminosi relativi alle trappole di bassa energia che renderebbero evidente la mistificazione. In questo caso risulta pressoché impossibile distinguere un reperto autentico da uno falso. E' raccomandabile allora l'utilizzo concomitante di più tecniche archeometriche.

IL METODO DEL POTASSIO/ ARGON (K/Ar) Basi del metodo, storia, tecniche di misura

II metodo del K/Ar è basato sulla misura del rapporto 40Ar/40K nei minerali e nelle rocce. Il decadimento radioattivo usato in questo caso è quello del 40K che decade in 40Ar e 40Ca secondo lo schema seguente:

40K → 40Ca + β (88.8%)

40K →40Ar + γ (11.2%)

le abbondanze isotopiche relative dei due elementi sono riportate nella tabella

Isotopo Abbondanza (%) Isotopo Abbondanza (%)

39K 93.2581 36Ar 0.337

40K 0.01167 38Ar 0.063

41K 6.7302 40Ar 99.600

i valori relativi all'Argon sono quelli dell'Argon atmosferico che costituisce lo 0.9% dell'atmosfera e rappresenta quindi il più grosso serbatoio di Argon terrestre. Le costanti di decadimento relative ai due possibili decadimenti sono

λ40Kβ = 4.962x10-10 a-1; λ40Ke+λ40Ke = 0.581 x 10-10 a-1

La formula per il calcolo dell'età deriva sempre dall'equazione generale già vista, ed è un pò più complicata a causa del doppio decadimento del 40K:

t ^Ar

K

e e e

= ₊ ^{ }_ ^{+ }_ +



 ^





1

1

40 40

λ λ

λ λ

λ

β β

ln

dove λe, e λβ sono le due costanti di decadimento e 40Ar e 40K rappresentano le concentrazioni dei due nuclidi nel sistema in esame

L'attività β del K naturale fu scoperta sin dal 1905 da J.J. Thompson e quella γ nel 1928 da Kohlhorster. Più tardi nel 1935 Nier scoprì l'esistenza dell'isotopo di massa 40 e stabilì la sua abbondanza. Successivamente (1937), su basi teoriche, Von Weizsäcker venne alla conclusione che l'attività totale del K fosse dovuta al 40K e suggerì per primo la possibilità di utilizzare questo metodo per la misura dell'età di minerali e di rocce; ma la difficoltà di una precisa misura delle costanti di

possibilità di utilizzazione di questo metodo; solo nel 1948 Aldrich e Nier misero in evidenza la esistenza di 40Ar radiogenico in alcuni minerali e nel 1950 Smits e Gentner fornirono per primi alcuni risultati di età di alcuni minerali di potassio, quali la sylvite (KCl) particolarmente ricca in questo elemento.

Ma fu solo nel 1955 che G.J. Wasserburg, uno dei pionieri della moderna geocronologia, pubblicò, insieme a R.J. Hayden, il lavoro classico che doveva aprire la strada a tutte le successive ricerche in questo campo.

Come abbiamo già detto, la misura dell'età di un campione con il metodo del K/Ar consiste nel determinare le quantità di 40K e 40Arrd contenute nel campione.

La misura del 40K non presenta alcuna difficoltà; si tratta infatti di misurare con accuratezza il contenuto totale in K, essendo 40K una percentuale costante. Questa misura viene generalmente eseguita con il metodo dell'assorbimento atomico, su una aliquota del campione in esame. Più complessa e delicata è invece la misura del 40Ar radiogenico, e ciò per due motivi: innanzitutto le quantità di 40Arrd da misurare sono molto piccole (10-4÷ 10-8 mL in condizioni normali) e inoltre si deve considerare la costante presenza del Ar atmosferico formato in maggior parte da 40Ar (il rapporto 40Ar/36Ar nell'atmosfera è 295.5). Ciò significa innanzitutto che l'estrazione, la purificazione e la misura del 40Ar dovranno essere eseguite sotto vuoto spinto, eliminando il più possibile l'effetto della contaminazione atmosferica. Uno schema di linea a vuoto per I 'estrazione e purificazione del argon è riportato in figura.

II concetto fondamentale della purificazione del Ar e del suo isolamento dagli altri gas che lo accompagnano e basato sul fatto che esso è un gas chimicamente inerte e quindi passa inalterato attraverso i vari processi di purificazione.

II campione di gas risultante costituito da una miscela di isotopi di Ar (incluso 38Ar usato come spike) viene misurato allo spettrometro di massa. La tecnica usata è quella della diluizione isotopica con un'unica differenza dal punto di vista tecnico e cioè che lo spike è costituito da un gas (in questo caso 38Ar) che viene aggiunto in quantità note durante l'estrazione del campione (vedi didascalia della figura).

Interpretazione dei risultati

L'40Ar contenuto nel campione raramente è rappresentato solo da 40Arrd quasi sempre contiene in maggior o minor quantità argon di provenienza atmosferica che, come abbiamo già visto, è costituito quasi tutto da 40Ar. L'argon misurato allo spettrometro di massa (40Arrd) sarà quindi dato da:

40Artotale = 40Arrd + 40Aratm

la composizione isotopica del argon atmosferico è però fissa e costante per quanto riguarda l'atmosfera attuale e quindi sapendo che 40Ar/36Aratm 40Ar/36 = 295.5 l'equazione scritta sopra diventa:

40Artotale = 40Arrd + 36Ar x 295.5

cioè mediante la misura del contenuto del 36Ar (presente solo nell'atmosfera) si può calcolare la quantità effettiva del 40Arrd prodotto dal decadimento del 40K e quindi l'età del campione, che rappresenterà la sua età effettiva solo ed unicamente se non vi sono stati successivi eventi termici o metamorfici. Infatti mentre a temperatura normale quasi tutti i minerali di K trattengono 40Ar nel reticolo, un aumento di temperatura porta ad una maggior o minore perdita di 40Ar a seconda del minerale in esame. Prima di procedere oltre all'analisi di questo fenomeno (diffusione del argon) vediamo quali sono i minerali più comunemente usati.

In principio tutti i minerali contenenti potassio sono utilizzabili, ma alcuni, quali ad esempio il K feldspato (Kf) perdono 40Ar anche a temperatura ambiente e danno quindi sempre età apparenti sistematicamente più basse. Per età non molto elevate può essere utilizzata la forma di alta temperatura del Kf (sanidino). Ottimi minerali sono la biotite, la muscovite e l'orneblenda e per età molto recenti (< 2 Ma) si può utilizzare con successo la leucite; è ancora possibile usare specialmente nel caso di rocce effusive, la roccia totale a patto che sia a struttura afirica o vetrosa e sempre che l'età non sia eccessivamente elevata; tutto ciò beninteso purché si tratti di materiale non alterato; anche deboli

alterazioni possono essere causa di perdite di 40Ar. Una rappresentazione schematica degli intervalli di età nei quali è possibile utilizzare i vari minerali di K è data dalla figura.

II comportamento dei diversi minerali rispetto agli eventi termici, e quindi il loro potere ritentivo nei confronti delle perdite di 40Ar, è stato ampiamente studiato sia in laboratorio, sia in casi naturali.

Per quanto riguarda gli studi in laboratorio si deve far notare che, per quanto essi possano essere accurati, non potranno mai riprodurre le condizioni naturali. Data l'importanza della perdita di Ar un grosso sforzo è stato fatto per determinare le caratteristiche del fenomeno di diffusione nei vari minerali sia per tentare di avere dei fattori con i quali poter correggere le età apparenti, sia per poter determinare, in base alle caratteristiche della diffusione e perdita di Ar fenomeni quali tempi di raffreddamento di plutoni, temperature di eventi metamorfici.

La tecnica normale per determinare i coefficienti di diffusione è quella di riscaldare il minerale (in granuli di dimensione nota) e misurare le quantità di 40Ar perse dopo un certo tempo; si deve riscaldare a temperature relativamente alte per accelerare un fenomeno che è troppo lungo rispetto ai tempi sperimentali; in genere questo riscaldamento avviene sotto vuoto e a diversi intervalli di temperatura. La frazione di 40Ar rilasciata ad ogni temperatura viene misurata e da essa si può ricavare il valore del coefficiente di diffusione D. Alle limitazioni che si hanno con gli esperimenti in laboratorio si è cercato di sopperire mediante lo studio di casi naturali, cioè di rocce che abbiano perduto 40Ar durante processi di riscaldamento.

L'esempio più classico e molte volte citato è quello pubblicato da S. Hart nel 1964. Per questo studio fu scelta una località (Front Ranya, Eldora, Colorado, USA) dove una formazione di gneiss di età precambriana (Idaho Springs Formation) è intrusa da uno stok quarzo-monzonitico del diametro di circa 3

km di età terziaria (Eldora stok). L'andamento delle età apparenti dei vari minerali è rappresentato in figura

Al contatto ed entro pochi metri da esso i vari minerali della Idaho Springs Formation danno età uguali a quella dell'intrusione, denunciando così una perdita totale del argon accumulato sino al momento dell'intrusione stessa.

Risultati simili furono ottenuti da Hanson e Gast (1967) su uno stok granitico di età di 2.6x109 anni intruso da un gabbro di età 109 anni. In questo caso fu possibile osservare anche il comportamento della muscovite che si dimostrò essere più resistente della biotite e meno dell'orneblenda.

Una rappresentazione schematica dell'andamento del fenomeno è riportata in figura precedente.

Questi risultati insieme ad altri ottenuti su casi naturali e accoppiati a quelli di laboratorio hanno portato ad una migliore conoscenza del fenomeno della perdita di Ar a seguito di eventi termici, conoscenza di grande utilità per la determinazione dell'età delle rocce metamorfiche.

Argon in eccesso

Come abbiamo già visto, la quantità totale di argon estratto da un campione può essere espressa dall'uguaglianza 40Artotale = 40Arrd + 40Aratm. Questo è valido in prima approssimazione in quanto si suppone che al momento della formazione del minerale (cristallizzazione) non ci si la possibilità per l'40Ar eventualmente presente nel magma di entrare a far parte del reticolo, in quanto gas inerte; malgrado ciò diversi autori hanno riportato età K/Ar anomale molto elevate che hanno attribuito alla presenza di 40Ar in eccesso o estraneo.

L'eccesso di gas inerti (He e Ar) rispetto al contenuto dei radionuclidi che li producono era stato già osservato per alcuni particolari minerali, quali ad es. berillio, tormalina, cordierite, per altro non utilizzati per determinazioni di età, ma con l'aumentare del numero di misure, quantità di 40Ar superiori a quelle dovute per il decadimento del 40K furono trovate anche in minerali quali la biotite, orneblenda, k-feldspato, flogopite e in rocce totali, specialmente basalti. Questo può essere possibile quando questi minerali o rocce si formano in ambienti dove si può supporre un'alta pressione di gas (e quindi un'alta pressione parziale di Ar) quali terreni metamorfici o basalti sottomarini (che si raffreddano rapidamente sotto forte pressione d'acqua). Tralasciando per il momento il problema dei terreni metamorfici che verrà discusso più avanti, il problema dell'eccesso di argon può essere visto come quello relativo ad un incompleto degassamento del magma con la conseguente ritenzione di piccole quantità di 40Ar nei minerali o nella roccia totale. La presenza di 40Ar in eccesso sarà quindi più pericolosa quanto più giovane è il campione in esame e quanto minore è il suo contenuto di K.

Nel caso dei basalti sottomarini questo problema può essere serio in quanto in genere si tratta di campioni giovani e con basso contenuto di K. Uno dei casi esemplari per quanto riguarda i basalti sottomarini è quello riportato da Dalrymple e Moore (1968). Essi studiarono le lave dragate a profondità diverse della parte sommersa del rift est del Vulcano Kilauea (isole Hawaii), lave eruttate in tempi storici o poche migliaia di anni fa, che avrebbero dovuto dare un'età zero con il metodo del K/Ar; come è evidente dalla figura furono trovate età apparenti sino a 43 Ma.

Si tratta evidentemente di 40Arrd presente nel magna che non riesce a degassare a causa del rapido raffreddamento; una interessante riprova di questo gli stessi autori la ottengono misurando le età apparenti su campioni provenienti da uno stesso pillow of lava prelevati a distanze crescenti dal bordo verso l'interno. È evidente che i valori più elevati si ottengono nei campioni

vicini al bordo, mentre età apparenti via via più basse si hanno procedendo verso l'interno del pillow che

si è raffreddato più lentamente, come si vede in figura.

Questi due fatti dimostrano che due fattori sono in questo caso responsabili dell'eccesso di Ar, cioè la pressione idrostatica (profondità) e la velocità di raffreddamento (distanza dal bordo del pillow).

Un altro particolare tipo di argon in eccesso è quello che gli autori chiamano «ereditato» cioè che può essere presente nel campione sotto forma di microxenoliti di rocce più antiche non completamente degassate. II pericolo dovuto alla presenza di questo argon può essere quasi sempre superato da una accurata analisi della sezione sottile della roccia e da una accurata separazione dei minerali.

Una possibilità di risolvere il problema del argon in eccesso risiede nell'utilizzazione dell'equazione di decadimento che può essere riscritta in forma più generale:

( )

40 36 40 36 40 36

1

Ar

Ar

Ar

Ar ^e

K

Ar ^e

m o t





 ^



 =^



 ^



 +λ

λ

−

dove: 40 36

Ar

Ar

m





 ^_

è il rapporto isotopico misurato nel Argon estratto nel campione;

40 36

Ar

Ar

o





 ^





è la composizione isotopica del Argon contenuto nel minerale al momento della sua formazione. Questa equazione rappresenta, su un diagramma con coordinate

40 36

Ar

Ar

e 40 36

K

Ar

, una famiglia di rette con pendenza proporzionale a

^λ_λe(

λ

)

e

t

−1

cioè al tempo t, ovvero all'età.

Un insieme di minerali contenenti potassio separati da una stessa roccia daranno un insieme di punti allineati su di una retta (retta isocrona) la cui pendenza sarà proporzionale a t e che incontrerà l'asse delle y in un punto rappresentativo della composizione isotopica del argon al momento della formazione dei minerali. Questo punto coinciderà con il valore di 295.5 se l'argon è di origine atmosferica, sarà più alto se è presente argon in eccesso.

L'uso di questo sistema è però molto delicato, in quanto presuppone che la contaminazione atmosferica secondaria, per esempio, argon dell'atmosfera assorbito nel campione, sia nulla o minima e che parimenti trascurabile sia la contaminazione della linea a vuoto. In ogni caso un buon allineamento dei punti sulla retta isocrona è garanzia che le condizioni ideali sono state soddisfatte Una valutazione critica ed estesa del metodo è stata fatta da Shafiqullah e Damon nel 1974.

II metodo 40Ar/39Ar

Una variante del metodo 40K/40Ar già descritto è quella del metodo 40Ar/39Ar che, pur avendo la stessa base fondamentale, cioè il decadimento del 40K in 40Ar può permettere la determinazione dell'età effettiva del campione anche nei casi di 40Ar in eccesso o in campioni che abbiano perso parte del loro

40Ar a causa di eventi metamorfici; questa particolare tecnica, pur essendo agli inizi per quanto riguarda la sua applicazione a rocce terrestri, ha già dato notevoli risultati, specialmente nello studio di terreni metamorfici. La differenza con il metodo convenzionale sta nel fatto che il potassio contenuto nel

campione non viene determinato direttamente come tale, ma in funzione del contenuto di 39Ar prodotto dal

39K presente nel campione mediante attivazione neutronica. II metodo fu descritto per primo da Sigurgiersson (1962) e ulteriormente discusso e perfezionato da Merrihue (1965), Merrihue e Turner (1966) e Dallmeyer (1979) ha utilizzato questo metodo per una serie di studi sulle rocce metamorfiche.

Con questo metodo il campione di roccia o di minerale, contenuto in una fiala di quarzo viene irradiato con un flusso di neutroni veloci insieme ad un minerale di potassio di età nota (standard). II 39K contenuto nel campione attraverso una reazione (n,p) viene parzialmente trasformato in 39Ar che ha un tempo di dimezzamento di 265 anni. A seconda della natura del campione numerose altre reazioni nucleari che producono radionuclidi a vita breve possono avere luogo; il campione quindi deve essere lasciato alcune settimane sotto schermatura prima di essere analizzato. Quando il campione non è più pericolosamente radioattivo esso viene fuso in una linea ad alto vuoto identica a quella già descritta, I'argon estratto purificato e analizzato allo spettrometro di massa. II calcolo dell'età del campione è in questo caso molto più complesso e causa alcune possibili interferenze dovute a reazioni che possono produrre 39Ar e 40Ar da parte di altri nuclidi presenti nel campione, ma con appropriate correzioni il valore dell'età può essere debitamente determinato.

Sfruttato in questo modo il metodo non si differenzia molto da quello convenzionale, salvo il fatto che

40K e 40Ar vengono determinati su una stessa aliquota di campione il che può essere notevolmente vantaggioso in caso di campioni poveri di potassio o non molto omogenei; la potenzialità maggiore del metodo si ha quando invece che a una fusione totale il campione viene sottoposto a riscaldamenti successivi a temperatura controllata e, ad ogni intervallo di temperatura, i gas svolti vengono purificati e il loro rapporto 39Ar/40Ar misurato. In questo modo si otterrà una serie di età apparenti, ciascuna delle quali corrispondente ad una certa temperatura (che viene in questo caso misurata o con una termocoppia o con un pirometro ottico). Questi valori di età apparenti possono essere messi in un diagramma in funzione della temperatura espressa in questo caso come % cumulativo di 39Ar estratto. Questo «spettro» di età permette di valutare il comportamento del Ar e del K nel campione e quindi meglio comprendere la sua eventuale storia geologica. Per facilitare la spiegazione dell'uso di questo diagramma supponiamo di avere un campione che non contenga argon in eccesso e che si sia comportato come sistema chiuso senza perdite o apporti di K o di Ar. In questo caso il rapporto tra 40Arrd e 39Ar sarà lo stesso per ogni incremento di temperatura e le età apparenti risultanti, saranno concordanti tra di loro, e concordanti con

Nel documento LEZIONI DI ARCHEOMETRIA (pagine 159-200)