Datazione al radiocarbonio di conchiglie, corallo e CaCO₃

Le conchiglie sono un materiale comune per i laboratori che si occupano di datazione al radiocarbonio tramite spettrometria di massa con acceleratore (AMS). La maggior parte delle conchiglie inviate ai laboratori AMS è rappresentata da conchiglie di molluschi.

Datare le conchiglie al carbonio-14 non è un’operazione semplice: esistono diversi fattori che possono influenzare i risultati. Il chimico e fisico americano Willard Libby, pioniere della tecnologia della datazione al radiocarbonio, predisse che le conchiglie sarebbero state il materiale per cui questo metodo di analisi si sarebbe rivelato meno efficace.

Le conchiglie possono essere marine, fluviali o di estuario. Gli analisti dei laboratori AMS devono conoscere il tipo di conchiglia con cui lavorano, in modo da identificare i potenziali contaminanti e determinare il metodo migliore per rimuoverli.

I molluschi ricavano il carbonio per la costruzione delle conchiglie dalla biosfera. Secondo alcuni studi scientifici, i molluschi estraggono carbonio organico da piante marine o terrestri e carbonio inorganico dal bicarbonato presente nell’acqua dell’oceano, dall’anidride carbonica nell’atmosfera o dal bicarbonato nell’acqua dolce.

Le conchiglie si formano per deposizione di cristalli di carbonato di calcio su una matrice organica, ovvero una proteina chiamata conchiolina. Dal momento che la conchiolina costituisce solo una piccola percentuale del guscio, è la componente inorganica a essere analizzata durante il processo di datazione al radiocarbonio.

Anche se inorganico, il carbonato può comunque essere datato perché la sua formazione ha comportato l’incorporazione di carbonio-14 dalla biosfera. Il carbonato presente nelle conchiglie è di solito sotto forma di aragonite, anche se alcune presentano sia aragonite sia calcite, mentre altre, come le ostriche, contengono principalmente calcite.

L’analisi del carbonato della conchiglia presenta alcuni problemi, poiché si tratta di una sostanza solubile che può effettuare scambi chimici o isotopici con l’ambiente. Quando una conchiglia scambia carbonio con gli acidi del terreno circostante, il rapporto di carbonio-14 della conchiglia e quindi la sua età radiocarbonica vengono alterati. Questo scambio di carbonio colpisce solitamente la parte esterna della conchiglia.

La ricristallizzazione, invece, può influenzare anche gli strati interni. Questo fenomeno, insieme alla conversione dell’aragonite in calcite, altera il rapporto di carbonio-14. La ricristallizzazione si verifica quando la conchiglia scambia carbonio con della calcite moderna.

Avvertenza: questo video è ospitato su un sito esterno e potrebbe contenere pubblicità.

Esistono due tipi di effetto serbatoio (o “effetto reservoir”) che possono influenzare la datazione al radiocarbonio delle conchiglie: l’effetto serbatoio marino e l’effetto acqua dura. A causa di questi effetti, è necessario effettuare una valutazione compensativa dei risultati della datazione al radiocarbonio delle conchiglie.

L’effetto serbatoio marino è una conseguenza della lenta miscelazione tra le acque superficiali e profonde degli oceani. Il rapido scambio di carbonio tra l’atmosfera e la biosfera attraverso il ciclo dell’anidride carbonica non è esattamente identico al processo che si verifica tra l’atmosfera e gli oceani.

L’equilibrio di anidride carbonica tra l’atmosfera e le acque di superficie viene raggiunto in tempi relativamente brevi. Le acque superficiali, tuttavia, scambiano anidride carbonica con quelle più profonde molto lentamente. Infatti, il carbonio-14 dell’anidride carbonica proveniente dalla superficie e quello della CO2 proveniente dalle acque profonde potrebbero già trovarsi in stadi diversi del processo di decadimento del radiocarbonio. Alcuni studi hanno dimostrato che il tempo di permanenza del carbonio-14 nell’atmosfera oscilla tra 6 e 10 anni, mentre negli oceani può raggiungere le migliaia di anni.

La risalita di acque profonde (upwelling) è un altro fenomeno che contribuisce a diluire il radiocarbonio delle acque di superficie. In alcune zone, in particolare nella regione equatoriale, le acque profonde tendono a spostarsi verso l’alto. Questo fenomeno dipende dalla latitudine ed è causato dagli alisei. Anche la forma della costa, la topografia del fondale oceanico, il vento e il clima locali contribuiscono alla risalita di acque profonde. La lenta miscelazione e la risalita delle acque profonde fanno sì che le acque superficiali degli oceani presentino un’età radiocarbonica apparente relativa all’atmosfera.

Le conchiglie d’acqua dolce non sono influenzate dall’effetto serbatoio marino, ma possono essere soggette all’effetto acqua dura, causato dalla presenza di ioni calcio risultanti dalla dissoluzione di carbonato di calcio di età non finita. La presenza di ioni calcio coincide con l’esaurimento del carbonio-14, nonostante l’importanza dell’effetto acqua dura non sia direttamente correlata alla quantità di ioni calcio. I campioni che hanno subito questo effetto appaiono più antichi di quanto siano, perché hanno incorporato CaCO₃ antico, disciolto nell’acqua dolce da sostanze presenti nel calcare o nella marna attraverso cui laghi e fiumi si muovono. In certi casi, questo effetto può essere identificato datando conchiglie viventi che provengono dalla stessa area per verificare se la loro età è quella attuale o appare più antica. Questa deviazione, che è influenzata da diversi fattori, può essere nell’ordine di poche decine o diverse centinaia di anni.

L’effetto acqua dura può interessare anche le conchiglie marine depositate in aree che presentano un afflusso di acqua dolce ricca di carbonato, come le foci dei fiumi. Anche le conchiglie terrestri, come i gusci di lumaca, possono subire l’effetto acqua dura se l’organismo si è nutrito in ambienti ricchi di carbonato, ad esempio un terreno calcareo.

Gli analisti dei laboratori AMS devono conoscere gli effetti serbatoio che possono influire sull’analisi di una conchiglia, in modo da poter applicare le necessarie compensazioni dell’età. I laboratori AMS quantificano l’effetto serbatoio marino e l’effetto acqua dura supponendo che il contenuto di radiocarbonio non sia variato e datando conchiglie di età nota, della stessa specie, provenienti dalla stessa area e raccolte prima dei test sulle armi nucleari avvenuti tra gli anni ’50 e ’60.

Il valore DeltaR / DeltaRErr viene applicato solo ai carbonati marini.

A seconda dell’età del carbonato, a tutti i campioni viene applicata una correzione che va da 200 a 500 anni (ovvero la correzione dell’effetto serbatoio marino globale). L’applicazione di questa correzione riduce l’età radiocarbonica, perché sono necessari da 200 a 500 anni prima che l’anidride carbonica moderna presente nell’atmosfera sia incorporata e distribuita nella colonna d’acqua oceanica.

Oltre alla correzione dell’effetto serbatoio globale, al campione viene applicata anche la correzione DeltaR / DeltaRErr. Il valore, fornito dal cliente, viene sottratto o aggiunto all’età già corretta. Nota: Un valore DeltaR negativo aumenta l’età del campione (si presume una diluizione con acqua dolce rispetto alla media globale dell’acqua marina).

L’ambiente locale di un organismo che assimila carbonio è uno dei fattori da prendere in considerazione prima di sottoporre il campione alla datazione al radiocarbonio con AMS. Gli analisti dei laboratori AMS devono conoscere i contaminanti a cui le conchiglie possono essere state esposte.

Qualsiasi sostanza contenente carbonio che possa modificare, per contatto, il contenuto di carbonio-14 di una conchiglia è da considerarsi un contaminante. Questo significa che il carbonato di calcio, i materiali umici e l’anidride carbonica presenti nel suolo sono potenziali contaminanti. Le contaminazioni più frequenti per le conchiglie destinate alla datazione al radiocarbonio sono quelle causate dallo scambio isotopico e dalla ricristallizzazione.

I laboratori AMS effettuano dei pretrattamenti prima della datazione al carbonio-14 per rimuovere tutti i possibili contaminanti che potrebbero portare a risultati imprecisi.

Lavaggio acido, sonicazione basica o nessun pretrattamento.

Se il materiale inviato è sufficiente, il laboratorio solitamente rimuove la porzione esterna della conchiglia per eliminare i carbonati secondari potenzialmente presenti. Generalmente, più il campione è grande maggiore è la probabilità di ottenere buoni risultati.

I pretrattamenti fisici applicati alle conchiglie prima della datazione al carbonio includono la rimozione di tutti i contaminanti visibili, senza l’utilizzo di prodotti chimici, e la riduzione delle dimensioni del campione.

Lo strato esterno della conchiglia viene rimosso con un trapano e con carta al carburo di silicio per isolare l’aragonite – l’analita per la datazione al radiocarbonio con AMS. La calcite ricristallizzata, considerata un contaminante, è bianca, gessosa e può essere facilmente rimossa con un trapano.

Successivamente, gli analisti del laboratorio AMS frantumano i campioni in un mortaio per incrementarne la superficie prima di applicare ulteriori pretrattamenti.

I pretrattamenti chimici utilizzati dai laboratori AMS includono il lavaggio delle conchiglie con acido diluito, solitamente acido cloridrico (HCl), necessario a rimuovere la parte esterna della conchiglia e la calcite.

Se i campioni sono molto piccoli, può essere necessario rimuovere una porzione molto ridotta di materiale o lasciare il campione integro. Se sono presenti dei materiali aderenti o delle cavità, può essere effettuata la sonicazione.