Foto per gentile concessione di Paul Mueller
Quali sono le rocce più antiche della Terra, e come si sono formate? Il materiale che detiene la più grande comprensione di queste domande fondamentali, perché può contenere una registrazione di alcune delle prime storie della Terra, è un minerale chiamato zircone. Per esempio, alcuni grani di zircone trovati all’inizio degli anni ’90 in un’arenaria dell’Australia occidentale risalgono a 4,2-4,3 miliardi di anni fa, e sappiamo dai meteoriti che la Terra non è molto più vecchia di 4,56 miliardi di anni. I professori di geologia Darrell Henry della Louisiana State University e Paul Mueller dell’Università della Florida sono esperti praticanti di diverse tecniche che possono estrarre informazioni precise sull’età dagli zirconi. Stanno cercando alcune delle rocce più antiche della crosta continentale, per gli zirconi al loro interno, e per gli indizi che gli zirconi contengono sulla formazione del pianeta.
Originariamente formati dalla cristallizzazione da un magma o in rocce metamorfiche, gli zirconi sono così durevoli e resistenti agli attacchi chimici che raramente vanno via. Possono sopravvivere a molti eventi geologici, che possono essere registrati in anelli di zircone aggiuntivi che crescono intorno al cristallo originale come gli anelli degli alberi. Come una piccola capsula del tempo, lo zircone registra questi eventi, ognuno dei quali può durare centinaia di milioni di anni. Nel frattempo, il nucleo dello zircone stesso rimane invariato, e conserva le caratteristiche chimiche della roccia in cui si è originariamente cristallizzato.
Lo zircone contiene l’elemento radioattivo uranio, che il dottor Mueller chiama “l’orologio all’interno dello zircone” perché si converte all’elemento piombo ad un tasso specifico in un lungo arco di tempo. Secondo Mueller, questo rende gli zirconi “il cronometro naturale più affidabile che abbiamo quando vogliamo guardare la parte più antica della storia della Terra”. Continua a spiegare che ci sono due modi per dire il tempo in geologia. “Uno è un tempo relativo, nel senso che se c’è un minerale di un tipo e intorno ad esso cresce un minerale di un secondo tipo, si sa che il minerale interno si è formato per primo, ma non si sa quanto tempo è passato tra i due”. Henry valuta questi tipi di relazioni minerali nelle rocce. Dai tipi di minerali e dalle loro distribuzioni nelle rocce ricostruisce una sequenza relativa di eventi che riflette il cambiamento nel tempo di parametri come pressione, temperatura e deformazione. “Se ho una roccia metamorfica”, elabora il dottor Henry, “posso usare i tipi di minerali e la loro chimica per determinare le condizioni che la roccia ha sperimentato ad un certo punto della sua storia. Per esempio, una temperatura di 700°C e un’alta pressione di diverse migliaia di volte la pressione atmosferica implicano che è stata in profondità nella crosta in qualche momento della sua storia geologica”. Si deduce cosa è successo alle rocce, ma non quanto tempo fa è successo. È qui che entra in gioco il secondo tipo di tempo: assoluto rispetto a quello relativo. “Cerchiamo di fornire il quando”, spiega Mueller. “Il mio lavoro consiste nel guardare la chimica della roccia, compresi i suoi isotopi, e cercare di ricavare i tempi assoluti per gli eventi che sono registrati nella roccia e nei suoi zirconi”
Quanto sono precisi questi numeri? “A seconda della storia della roccia, possiamo datare le cose al giorno d’oggi fino a qualcosa dell’ordine di qualche centesimo di percentuale della sua età”, risponde Mueller. Questo si traduce, per esempio, in più o meno un milione di anni su tre miliardi. La datazione al carbonio-14 non può andare più indietro di circa 70.000 anni, perché l’emivita del carbonio-14 è di soli 5.730 anni. (L’emivita è il tempo che impiega la metà dell’isotopo radioattivo originale a trasformarsi in un altro elemento). In confronto, l’emivita dell’isotopo radioattivo dell’uranio 238 è di 4,5 miliardi di anni, il che lo rende utile per datare materiali estremamente antichi.
La cronologia dello zircone inizia sul campo. “Si esce e si cercano relazioni di età relative, per vedere quale unità rocciosa si è formata per prima”, dice Henry. “Per esempio, ci può essere un granito che contiene pezzi di altri tipi di rocce racchiusi nel granito. A causa della loro posizione, sappiamo che le rocce racchiuse nel granito devono essere più antiche”. I geologi mappano una zona per identificare queste relazioni di età relative. Poi raccolgono campioni, che pesano da due a più di cento libbre, a seconda del tipo di roccia. Gli zirconi non sono rari, anzi, sono comuni nelle rocce granitiche. Ma sono minuscoli grani che costituiscono solo una piccola frazione di qualsiasi campione, in genere meno di un decimo dell’uno per cento, e sono dispersi nella roccia. Questo rende la separazione degli zirconi un processo minuzioso. La roccia viene macinata per romperla in singoli grani di minerale. Poi, “poiché lo zircone è più denso di quasi tutti gli altri minerali, mettiamo la roccia macinata in un liquido ad alta densità in modo che solo i minerali più densi cadano sul fondo”, spiega Henry. In altre parole, dice Mueller, “gli zirconi affondano. Usiamo anche le qualità magnetiche degli zirconi per separare quelli più incontaminati dal resto.”
Poi inizia il lavoro di geocronologia dettagliata. “Prendo una frazione di questi zirconi, ne faccio delle sezioni sottili – fette di minerale di trenta micrometri di spessore, più o meno quanto un capello, che sono montate su vetro – e mi faccio un’idea di come sono in termini di modello di zonazione, se hanno subito più episodi di crescita, quanto sono semplici o complessi”, dice Henry. Passa queste informazioni a Mueller, insieme al contesto geologico del campione. “Guardo anche una sezione sottile della roccia per imparare qualcosa sulla struttura in cui si trova lo zircone. È in un granito? O è in una roccia metamorfica che ha avuto una storia più complessa? O è una roccia sedimentaria metamorfosata? Conoscendo la sua storia, possiamo interpretare molto meglio l’età della roccia”
“Per capire la storia geologica relativa di una roccia, Darrell usa sezioni sottili perché è interessato alle relazioni tra tutti i minerali che compongono la roccia”, spiega Mueller. “Tuttavia, per la geocronologia, siamo interessati ai minerali che costituiscono un decimo dell’uno per cento o meno”. Egli guarda lo zircone usando varie tecniche – “luce riflessa dai grani, luce trasmessa attraverso di essi, luce catodoluminescente risultante dal colpire lo zircone con un fascio di elettroni” – per stabilire la scala alla quale i grani di zircone devono essere analizzati. La microanalisi quantitativa degli elementi nello zircone viene fatta con una microsonda elettronica. “Questo ci permette di analizzare le cose su una scala di micron (un milionesimo di metro) usando un sottile fascio di elettroni”, spiega Henry. “Gli elettroni irradiano il campione, facendo sì che gli atomi all’interno del campione stesso emettano raggi X. Ognuno degli atomi dei diversi elementi nel campione emette raggi X con lunghezze d’onda caratteristiche. È quindi possibile confrontare questi raggi con uno standard con una concentrazione nota dell’elemento e ottenere la composizione esatta di quel piccolo punto. Un singolo grano di zircone può essere composto da molte zone di diversa composizione ed età. Le composizioni isotopiche possono essere determinate con una sonda ionica. Vogliamo guardare l’intero grano o dobbiamo dirigere un piccolo fascio di ioni di ossigeno, 300 micrometri di diametro, su parti del grano di zircone per analizzare gli isotopi U (uranio) e Pb (piombo) in modo da poter datare quel punto e sezionare la storia individuale dello zircone? In alternativa, l’uranio e il piombo possono essere separati chimicamente quando un singolo grano di zircone viene sciolto in acido fluoridrico. “Poi li analizziamo su uno spettrometro di massa, che ci dà i rapporti dei singoli isotopi di uranio e piombo, e da questo possiamo calcolare il tempo”, spiega Mueller.
In definitiva, dice Henry, “tutti questi dati sono combinati in un quadro più ampio di come la Terra funzionava miliardi di anni fa”. Nelle parole di Mueller, “si riduce al fatto che più sappiamo della varietà di rocce che hanno costituito i primi continenti e come questi continenti si sono evoluti, migliore è la nostra finestra su come la Terra si è formata e sui primi processi che hanno separato la crosta dal mantello e probabilmente anche il mantello dal nucleo”. Mueller descrive la sua collaborazione con Henry come un viaggio parallelo. “La nostra ricerca marcia lungo la stessa strada, e a volte ci teniamo per mano e a volte andiamo per strade separate”. In entrambi i casi, si scambiano costantemente informazioni derivanti dai loro diversi approcci, e c’è sempre qualcosa di nuovo da osservare. Mueller riassume il tutto: “Una roccia è un sacco di lavoro”
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