Laboratorio per datazioni con il metodo della luminescenza

OSL (Optically stimulated Luminescence) e post-IR IRSL (Infra Red stimulated Luminescence).

Attualmente, il laboratorio di datazioni  è l’unico in Italia gestito da geologi in grado di svolgere datazioni sia su grani di quarzo che feldspato. E’ in contatto con i principali laboratori europei di datazioni con luminescenza (Risø-DK, Hannover-DE, Milano Bicocca-IT) con i quali collabora da anni.

Il laboratorio è completamente attivo dal novembre 2017, serve principalmente come supporto della ricerca avente come tema centrale “le variazioni climatiche degli ultimi 300.000 anni”. Coinvolge ricercatori del Dipartimento di Architettura, Design e Urbanistica, del Dipartimento di Chimica e Farmacia e del Dipartimento di Storia, Scienze dell'Uomo e della Formazione.

La recente necessità di definire nel modo più puntuale possibile la cronologia degli eventi geologico-ambientali succedutesi negli ultimi migliaia di anni ha spinto la comunità scientifica alla ricerca di nuovi sistemi di datazione assoluta. Tra questi il metodo della luminescenza è sicuramente il più recente e in fase di continuo sviluppo. Il metodo data il momento in cui è avvenuta la deposizione delle rocce sedimentarie quaternarie (ultimo milione di anni). Queste sono le uniche che hanno registrato i cambiamenti climatici recenti e, pertanto, la loro datazione è fondamentale.

Il laboratorio è costituito da due parti: quella di preparazione dei campioni e quella di analisi.

Durante la preparazione un campione di roccia o sedimento (in genere arenaria o sabbia, la minima granulometria analizzabile sono i 90 micron) viene trattato chimicamente (con acidi) per estrarre solo i grani di quarzo e k-feldspato che lo costituiscono (sono necessari circa 20gr per fare un analisi).

La parte di analisi è costituita da 2 sistemi Reader automatici TL/IRSL/Blue OSL, Model Risø TL/OSL-DA-20C/D e da un GM gas-flow multicounter unit (Beta counter). I due reader sono equipaggiati rispettivamente con due sorgenti radioattive sigillate 90Sr/90Y beta source, 1,48 GBq e 90Sr/90Y beta source, 2,96 GBq. I reader servono per stimolare sia con luce ultra violetta che infrarossa i campioni di quarzo e k-feldsapto e misurare la Dose equivalent (De), ovvero la luminescenza totale accumulata nelle trappole. Il Beta Counter serve per misurare la Dose rate (Dr), ovvero la quantità di radiazione accumulabile per giorno.

I grani da analizzare vengono messi su dischetti di acciaio e successivamente su di un carosello. Il carosello ruotando permette ad un fotomoltiplicatore di stimolare i campioni. Questi stimolati emettono luminescenza che può essere misurata (segnale naturale=Lx). Una volta stimolato il campione viene irraggiato dalla sorgente radioattiva e sottoposto ad un nuovo test di luminescenza (segnale rigenerato=Tx). Il rapporto Lx/Tx viene usato per definire la De.

La Dose rate (Dr) viene misurata confrontando la quantità di radioattività misurata rapportandola a quella di standard conosciuti.

Metodologia

La datazione con luminescenza permette di determinare quando i grani minerali costituenti una roccia sedimentaria (arenaria o sabbia) sono stati esposti per l’ultima volta alla luce del sole o a un riscaldamento significativo.

La luminescenza è un tipo particolare di fosforescenza osservata in isolanti e semiconduttori, come ad esempio il silicio, nei quali l'emissione luminosa successiva all'esposizione a radiazioni ionizzanti è ritardata per la presenza di trappole associate a difetti. Un cristallo è un agglomerato di atomi o molecole uguali legati tra loro e disposti in modo regolare lungo le tre dimensioni spaziali. Ogni deviazione della struttura periodica perfetta costituisce un’imperfezione o difetto che può comportarsi come centro di intrappolamento (trappola) o di ricombinazione (centro luminescente). I minerali sono un insieme di cristalli che quindi possono avere una serie di trappole, di conseguenza è possibile misurare la luminescenza immagazzinata nelle varie trappole stimolandola otticamente (OSL), con l'infrarosso (IRSL) e la termoluminescenza (TL). Per le datazioni con luminescenza vengono utilizzati il quarzo e il feldspato alcalino (potassico=k-feldspato) costituenti principali di sabbie ed arenarie e di numerose rocce vulcaniche.

La datazione di una roccia tramite luminescenza si basa sul presupposto che i grani minerali che la compongono (quarzo e k-feldspato) siano stati sufficientemente "sbiancati" (bleached), ovvero siano stati esposti alla luce solare (per il quarzo bastano 1-100 secondi) prima di essere sepolti ed andare a costituire il sedimento che poi darà origine alla roccia. L’esposizione alla luce solare resetta efficacemente l'orologio di datazione per la luminescenza scaricando le trappole dalla radioattività naturale in esse contenuta.

Tutti i sedimenti e i suoli contengono tracce di isotopi radioattivi di elementi come Potassio, Uranio, Torio e Rubidio. Questi decadono lentamente nel tempo. Le radiazioni ionizzanti che producono, unitamente a quelle legate ai raggi cosmici, possono essere assorbite da minerali come il quarzo e il k-feldspato. La radiazione assorbita rimane all'interno dei grani in "trappole di elettroni" strutturalmente instabili. La carica intrappolata si accumula nel tempo a una velocità determinata dalla quantità di radiazione di fondo presente nel luogo in cui è stato sepolto il campione. Stimolando questi grani minerali con luce (blu o verde per OSL su grani di quarzo, infrarossi per IRSL su grani di k-feldspato) o calore (per TL su ceramica) si provoca l'emissione di un segnale di luminescenza, la cui intensità varia in base alla quantità di radiazione assorbita durante la sepoltura e alle proprietà specifiche del minerale.

Misurando la quantità totale (Dose equivalent) e dividendola per la quantità giornaliera di radiazione (Dose rate) che un campione di roccia può assorbire si ottiene l’età del seppellimento di quel minerale, ovvero l’età di formazione di quel sedimento/roccia.

Le età dell'OSL del quarzo sono in genere comprese tra 100 e 350.000 anni BP, quelle del k-feldspato possono arrivare anche a 1 Milione di anni. Le differenze sono dovute ai livelli di saturazione significativamente più alti del k-feldspato rispetto a quelli del quarzo. L'incertezza, ovvero l’errore, di un’età OSL è in genere del 5-10%.

Presso il laboratorio è possibile:

• datare un qualunque materiale (in generale rocce o sedimenti) contenete grani di quarzo e/o k-feldspato,
• misurare la radioattività naturale contenuta in un campione (di qualsiasi materiale, in generale, comunque, rocce).

I campioni di roccia databili non devono essere più vecchi di 1 milione di anni. Il metodo funziona molto bene su campioni di arenaria/sabbia di età compresa tra i 300.000 e i 2.000 anni.

Il campionamento deve essere eseguito con delle tecniche particolari che impediscano alla luce solare di contaminare il campione raccolto. Si consiglia, in questo caso, di rivolgersi al personale del laboratorio.

I tempi per ottenere un’età variano molto in funzione dell’età stessa del campione. Mediamente occorrono circa due mesi.

Geologico, Archeologico, Ambientale-Paesaggistico

• Datazione OSL
• Datazione post-IR IRSL
• Calcolo della De
• Preparazione del campione