ALLUVIONE 31 OTTOBRE – 02 NOVEMBRE 2010
4.5. Datazioni al radiocarbonio
Per lo svolgimento di questo lavoro di tesi si sono rivelate fondamentali alcune datazioni con la tecnica AMS del metodo del radiocarbonio, condotte su 4 campioni prelevati dai carotaggi di Montecchia di Crosara (MTC). Tali analisi sono state condotte dal laboratorio Ion Beam Laboratory dell’ETH (Swiss Federal Institute of Technology; www.eth.ch) dal gruppo della Dr. Irka Hajdas. Anche se non si è partecipato direttamente alle analisi, sulla base del rapporto fornito dal laboratorio, vengono descritte le conoscenze fondamentali che stanno alla base del metodo del radiocarbonio e una breve descrizione delle tecniche connesse alle analisi e alle procedure di calibrazione delle datazioni.
La datazione con il metodo del radiocarbonio è stata sviluppata negli anni ’40 del XX secolo da Libby (Libby et al., 1949) e da quel momento ha straordinariamente arricchito la conoscenza e la comprensione della cronologia degli eventi riguardanti gli studi paleoambientali e archeologici. La determinazione dell’età si basa sul decadimento radioattivo del 14C contenuto in un campione rispetto al tempo, considerando un tempo di dimezzamento (T1/2) pari a 5730±40 anni.
La misurazione convenzionale tramite conteggio indiretto è stata gradualmente sostituita dallo sviluppo della tecnica della spettrometria di massa accelerata (Accelerated Mass Spectrometry, AMS). Questa consente tempi di misurazione molto più rapidi e l’utilizzo di campioni di dimensioni molto ridotte. Dall’inizio dell’utilizzo di tale tecnica si sono sviluppate numerose altre applicazioni che hanno portato ad un conseguente notevole sviluppo della datazione 14C.
Le discipline delle geoscienze legate allo studio del Quaternario sono sicuramente tra i settori in cui le datazioni con il radiocarbonio sono fondamentali (Hajdas, 2006). Attualmente il limite di utilizzo del 14C raggiunge i 50.000 anni da oggi e comprende quindi un periodo di tempo in cui la Terra ha subito importanti variazioni climatiche e paleoambientali, in particolare il LGM e l’Olocene che possono essere quindi datati in dettaglio.
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4.5.1. Età radiocarbonio convenzionale
La datazione con il radiocarbonio è stata sviluppata originariamente a seguito dello studio della radiazione cosmica. All’epoca venne anche scoperto che le interazioni dei raggi cosmici con l’atmosfera esterna generano la produzione di neutroni termici che, bombardando l’azoto presente, causano la formazione di atomi di 14C. A causa del miscelamento e della circolazione atmosferica, si può assumere un’egual concentrazione di 14C nell’atmosfera. L’elevato tasso di scambio che avviene con la biosfera fa sì che il 14C sia incorporato all’interno del ciclo vitale. Il carbonio, infatti, viene continuamente riciclato attraverso il ciclo del carbonio, prima tramite la fotosintesi e poi attraverso la catena alimentare.
Questo sistema circolare chiuso consente uno stato costante tra decadimento e arricchimento di 14C in tutti i composti organici e inorganici del carbonio. Comunque, appena l’organismo muore, esso si pone al di fuori del ciclo del carbonio e rimane attivo solo il processo di decadimento.
Quindi l’età radiocarbonio viene calcolata in accordo con la legge del decadimento radioattivo:
Dove T corrisponde all’età radiocarbonio, lambda la costante di decadimento, A la misura dell’attività del 14C, A0 è l’attività iniziale in t0, T1/2 = 5568 yr (tempo di dimezzamento di Libby) e T1/2/ln(2) = 8033.
All’inizio del metodo Libby assunse un contenuto atmosferico del 14C costante nel tempo, ma poi si è scoperto che esso ha subito importanti cambiamenti nel corso del tempo a causa di variazioni dell’attività solare, immissioni da parte di eruzioni vulcaniche e, più recentemente, alterazioni legate alle immissioni inquinanti umane. Inoltre, si deve anche considerare che il frazionamento isotopico che avviene per vari processi chimici e fisici all’interno di organismi e di ecosistemi può complicare il processo di datazione. Infatti, per esempio, la fotosintesi l’arricchimento in isotopi
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stabili più leggeri del carbonio, 12C, rispetto a quelli pesanti, 13C, che, di conseguenza, è meno favorevole ad inglobare 14C.
4.5.2. Trattamento dei campioni e metodologia AMS
In laboratorio i campioni sono stati prima osservati al microscopio ottico al fine di rimuovere gli eventuali macro contaminanti presenti. Successivamente è stato condotto il trattamento chimico di rimozione delle contaminazioni del campione sottoponendo il materiale selezionato ad attacchi chimici alternati acido-alcalino-acido. Il materiale estratto è stato poi convertito in anidride carbonica mediante acidificazione, e quindi in grafite mediante riduzione.
La sigla AMS è l’acronimo di Accelerated Mass Spectrometer e misura il rapporto tra 14C e 12C basandosi sulla differente massa posseduta dai diversi isotopi. I campioni che vengono misurati hanno un peso di circa 1 mg e, quindi, sono notevolmente più ridotti di quelli necessari alla misurazione del 14C con la tecnica standard della scintillazione fluida. Nel 1977 Muller si accorse per primo che accoppiando un acceleratore ad uno spettrometro di massa poteva essere la soluzione per individuare isotopi con abbondanza molto limitata (14). Infatti, il maggior problema nel conteggio degli atomi di 14C in un campione è l’abbondanza molto bassa del radiocarbonio, come anche la presenza di interferenze isobariche e molecolari quali ad esempio 14N2, 12CH2 and 13CH. Quindi, il principio di funzionamento dell’AMS si basa sulla selettività potenziata e sulla specificità attraverso la produzione di ioni con elevate energie cinetiche, seguito dall’eliminazione dell’interferenza molecolare che viene effettuata prima del conteggio finale dei singoli ioni.
Dal 2007 presso il laboratorio ETH Ion Beam di Zurigo è attivo un sistema definito MICADAS (Mini Radiocarbon Dating System). Tale strumento segue il principio di funzionamento dell’AMS.
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4.5.3. Limitazioni del metodo del radiocarbonio e calibrazione dei risultati
La produzione di isotopi cosmogenici è dominata dalla modulazione del flusso dei raggi cosmici e, fondamentalmente, dal vento solare. Variazioni climatiche come gradi di frazionamento differente generano una distribuzione casuale del 14C all’interno della biosfera. Ad esempio le eruzioni vulcaniche producono C02 e diluiscono quindi il contenuto atmosferico del 14C. Le recenti attività umane hanno poi completamente alterato le piccole variazioni nella produzione di 14C. infatti, l’aumento dell’uso di combustibili fossili iniziato con la rivoluzione industriale alla fine del XIX secolo ha significativamente diminuito il rapporto atmosferico del 14C/12C. I test nucleari successivi alla seconda Guerra Mondiale hanno condotto ad una vera esplosione di vari isotopi in atmosfera, incluso il 14C, creando il cosiddetto “bomb-peak”. Quindi, a seguito di tutte le motivazioni sopra descritte, l’equazione 2.2 è utilizzata per il calcolo della cosiddetta età radiocarbonio, che deve poi essere convertita in età calendario vera dopo le operazioni di calibrazione. A causa delle variazioni di concentrazione di 14C atmosferico, la scala temporale 14C non corrisponde alla scala temporale in anni calendario. La procedura di calibrazione permette quindi di convertire le età radiocarbonio in età calendario utilizzando la curva di calibrazione del 14C, che viene periodicamente aggiornata e copre l’intero periodo compreso tra 50.000 anni fa e oggi. Tutte le calibrazioni effettuate in questa tesi sono state condotte utilizzando Oxcal v4.2.3 e la curva di calibrazione IntCal13 (Reimer et al., 2013).
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