Il METODO DELLE TRACCE DI FISSIONE: PRINCIPI E ... - inrim

C.N.R. – Istituto di Geoscienze e Georisorse
Il METODO DELLE TRACCE DI FISSIONE:
PRINCIPI E APPLICAZIONI
Giulio Bigazzi
CNR, Istituto di Geoscienze e Georisorse, Via G. Moruzzi, 56124 Pisa
Nascita dei “Solid State Nuclear Track Detectors” le prime
osservazioni
1958
D.A. Young
osservazione delle tracce dei frammenti
della fissione indotta del 235 U in LiF
attacco chimico; modello di formazione

Il contributo di Robert M. Walker,
P. Buford Price e Robert L.
Fleischer
1963-1965
(1) attacco chimico
(2) osservazione di tracce in “detectors
naturali” (minerali e vetri) e artificiali
(3) Modello di formazione delle tracce
Rivelazione delle tracce in gran numero di minerali e vetri

Rivelazione delle tracce in detectors artificiali
Soglia di perdita di energia per ionizzazione per la rivelazione
delle tracce

Traccia latente
Aspetto generale rivelato da varie osservazioni
Struttura
schematica della
traccia rivelata da
esperimenti di “xray
scattering”
Formazione della traccia secondo il modello “Ion Explosion Spike” di
Fleischer, Price e Walker

Nascita del metodo delle tracce
di fissione
(anni 60 del secolo scorso)
(1) osservazione di tracce naturali in
minerali e vetri
(3) uso di un irraggiamento in un
reattore nucleare
Possibili particelle pesanti che possono avere prodotto tracce fossili
Frammenti dovuti alla fissione spontanea di elementi pesanti:
Elemento Rapp. /U-238 Mezza Vita
Th-232 4 1.0x10 21
U-234 5.44x10 -5 1.5x10 16
U-235 7.25x10 -3 1.0x10 19
U-238 1 8.2x10 15
Frammenti dovuti alla fissione indotta:
da α, β e γ di nuclei pesanti
da neutroni termici del U-235
da neutroni veloci di altri nuclei pesanti
da raggi cosmici di nuclei pesanti

Equazione per il calcolo
dell’età
La datazione consiste nella determinazione tramite conteggio al
microscopio di tre densità di tracce:
ρ S : tracce dovute alla fissione spontanea dell’Uranio 238
ρ I : tracce della fissione indotta dell’Uranio 235
ρ D : tracce registrate dal detector esterno a contatto con il vetro
standard durante l’irraggiamento
La fissione dei nuclei pesanti è asimmetrica, producendo un frammento
pesante e un frammento leggero
La fissione spontanea dell’U 238 3 la
fissione indotta dell’U 235 sono molto simili
sia per l’energia che per la distribuzione
delle masse dei frammenti.
L’ipotesi che le lunghezze delle tracce
siano molto simili è quindi ragionevoli

Le età Tracce di fissione erano consistenti con le età K-Ar e Rb-Sr
…. ma con una costante λ F = 6.9 x 10 -17 a -1
Un primo esempio della potenzialità delle FT per studi startigrafici:
correlazione delle sequenze pleistoceniche del Wanganui Basin e del
Nebraska

Distribuzone delle lunghezze delle tracce “confinate” fossili
e indotte in un campione di muscovite
Presto ci si rese conto che la
condizione ε S
= ε I
spesso non era
rispettata
Correzione lineare: T corr. = T app. x L I /L S
L’intervallo di temperatura nel quale si produce
l’“annealing” dipende dal minerale
L’intrusione di un basalto ha
cancellato totalmente le tracce
contenute in due fasi minerali di
un granito. L’età misurata in
prossimità del basalto è quella
dell’intrusione. Allontanandosi
dal basalto l’età cresce fino a
raggiungere l’età del granito,
ma in modo diverso per le due
fasi in accordo con la diversa
sensibilità delle tracce al calore

Nei vetri naturali un certo tasso di “annealing”
delle tracce comunemente si produce anche a
temperatura ambiente. La presenza
dell’annealing è rivelata dalla riduzione delle
dimensioni delle tracce fossili
Tecniche per la correzione delle età “apparenti” nei vetri naturali
“Size-correction method”
Soltanto per I vetri c’è un consenso generale
Età di plateau
sull’affidabilità delle tecniche di correzione. Nei
Determinazione di minerali età di l’uso formazione delle età corrette è piuttosto
controverso. Specialmente nel caso delle rocce
Tefrocronologia intrusive – vetri spesso cineritici, sono clamorosamente apatiti, zirconi in e disaccordo sfeni contenuti in
livelli cineritici. con quelle determinate con altri metodi o con evidenze
geologiche. Soltanto minerali di rocce rimaste
Cronologia in indisturbate aree vulcaniche dopo la contenenti formazione ossidiasne restituisconoo etàaltre fasi
databili. affidabili e in genere non necessitano di correzione.
Quindi un dato tracce di fissione può essere
Determinazione considerata di etàuna di vetri età soltanto da impatto. nel caso di rocce la storia
termica delle quali è un semplice raffreddamento
rapido, come le rocce vulcaniche.

Un primo esempio della potenzialità delle FT per studi startigrafici:
correlazione delle sequenze pleistoceniche del Wanganui Basin e del
Nebraska
Materiali comunemente usati per la datazione con le tracce di
fissione
Apatite
Vetri naturali
Sfene
Zircone

Strategie di conteggio: le grandi superfici
Conteggi
x 1
, x 2
, … x n
Il “Population Method”
Conteggi delle tracce fossili x 1
, x 2
, … x n
Conteggi delle tracce indotte y 1
, y 2
, … y n

“External Detector Method”
Conteggi accoppiati (x 1 , y 1 ), (x 2 , y 2 ) … (x n , y n )
Tracce fossili e tracce indotte sono registrate con geometrie diverse, 2π e 4π
Il problema della costante di decadimento per fissione

La “ζ” calibration
POP: G = 1, EDM: G = 0.5
Il fattore ζ si determina con
standards di età; in questo
caso T è l’età dello standard
Strategie di conteggio: I vetri cineritici
“Point counting technique”

I vetri naturali giocano un ruolo importante nella datazione con il
metodo delle tracce di fissione
Il metodo delle tracce di
fissione è potenzialmente uno
strumento ideale per datare
vetri naturali come vetri
cineritici, ossidiane, vetri da
impatto. Soltanto con questo
metodo è stato possibile
determinare l’età di molti vetri
indatabili con altre tecniche.
Limiti sono la necessità
dell’applicazione di tecniche
di correzione dell’età
apparente e la precisione delle
misure talvolta molto scarsa,
significativamente più bassa
di quella di altri metodi, come
l’ 40 Ar/ 39 Ar.
Sono date dati con errori anche del 30%?
Datazione di tefra intercalati a serie sedimentarie
Formazione
Vetro
ρ S
[cm -2 ]
Na
Età App. (± 1σ)
[Ma]
Np
Età Corr. (± 1σ)
[Ma]
Purupurini Pur. 170 20 0,050 ± 0,011 46 0,053 ± 0,008
929901 560 21 0,180 ± 0,040 12 0,170 ± 0,050
Punta de Vacas Galciation 900407-2 370 26 0,086 ± 0,017 18 0,134 ± 0,032
920203 260 11 0,300 ± 0,090 3 0,260 ± 0,150
Poti-Malal Drift 920423-1 320 26 0,184 ± 0,039 101 0,226 ± 0,025
Santa Clara S.Cl. 54 9 0,021 ± 0,007 ⎯ ⎯
MH 1 2,630 77 1,17 ± 0,14 21 1,73 ± 0,39
Farola Monte Hermoso
MH 2 3,640 52 1,08 ± 0,15 s.c. 1,48 ± 0,25
Alat – Dandiero Group DR 3 L 1,420 25 0,75 ± 0,16 s.c. 1,33 ± 0,30
Na (Np): numero di tracce fossili contate per la determinazione dell’età apparente (età di plateau); s.c.:
età corretta con il metodo delle dimensioni.

Farola Monte Hermoso, la famosa formazionme descritta da
Charles Darwin nel 1846
"October 19th. The
Captain landed for half
an hour at Monte
Hermoso (or Starvation
point as we call it) to
take observations. I went
with him and had the
good luck to obtain
some well preserved
fossil bones of two or
three sorts of gnawing
animals......"
Profilo stratigrafico lungo la valle del
Rio Chico (Cordillera delle Ande,
provincia di Mendoza, Argentina)
a: Poti-Malal Drift; b: Tephra Layer, Age 226,000 ± 25,000 a;
c: Seguro Outwash; d: Basaltic Layer.

Cineriti Quaternarie del Valdarno Inferiore
Cava Campani
Datazione di cineriti pleistoceniche – tracce di
fissione in apatite
Confronto delle cineriti del Valdarno con quella di Case
Picconetto (Pescara)
Cinerite
ρ s
[cm -2 ]
N s
ρ i
[cm -2 ]
N i
s’ s - s’ i
(%)
Età (± 1σ)
[Ma]
Cava Campani 4.040 122 1.418.200 1.251 9,1-3,9 0,46 ± 0,05
Poggio al Vento 4.540 113 1.527.000 1.347 9,5-5,2 0,48 ± 0,05
Case Picconetto 4.360 403 1.371.000 1.980 6,1-5,2 0,48 ± 0,04

Le ossidiane di Lipari
700 ± 170 a
L’età più giovane determinata in un campione geologico con
le tracce di fissione?
Vista della colata di ossidiana di
Forgia Vecchia (in alto) e del
vallone del Gabellotto, che incide
la colata di ossidiana di
Pomiciazzo.
Gli “strewfields” delle
tectiti
La teoria di Vladimir
Bouška sulla formazione
delle tectiti

La Moldavite, la tectite
dell’Europa centrale
4 cm
Le Moldaviti hanno forme che sono tipiche della
storia dei depositi che le contengono
14.38 ± 0.16 Ma
(14.34 ± 0.08, 14.64 ± 0.11, 14.71 ± 0.11 Ma, 40 Ar/ 39 Ar)
Tracce di fissione sviluppate in microtectiti trovate in depositi glaciali
della Terra Vittoria del nord (Antartide)
Microtektites as
seen under the
stereomicroscope
(a) and SEM (b)
(secondary
electron image)
From Folco et al.
2008, Geology
100x
200x
500x

LDG: il misterioso vetro del deserto libico, età ~ 28.5 Ma
Le spedizioni negli anni ’30
del secolo scorso di Patrick
Clayton nel Sahara hanno
meglio precisato la
posizione dell’LDG

Datazione del vetro
del deserto libico
Sample Heating ρ S NS ρ I NI p(χ2) DS/DI Age (± 1σ)
(cm -2 ) (cm -2 ) (%) (Ma)
B 2a ambient 12,600 830 75,900 1,367 < 1 0.97 26.3 ± 1.4
B 2b ambient 13,900 538 81,600 1,475 < 1 0.95 27.0 ± 2.0
25° 17’ 53” N 5 h 220°C 12,900 645 72,400 1,316 < 1 1.02 28.0 ± 1.9
25° 32’ 56” E 5 h 270°C 15,500 897 80,800 1,487 < 1 1.04 30.2 ± 2.0
5 h 370°C 10,800 543 59,800 1,091 < 1 0.99 28.5 ± 2.5
B 6 ambient 10,300 798 62,800 1,130 < 1 0.96 26.0 ± 1.8
25° 17’ 42” N 5 h 220°C 11,700 675 65,200 1,484 2.3 1.02 28.2 ± 1.4
25° 33’ 24” E 5 h 270°C 10,700 1,158 66,900 1,199 5.6 0.99 25.3 ± 1.3
5 h 320°C 11,500 797 61,600 1,128 < 1 1.00 29.4 ± 2.0
5 h 370°C 9,700 564 55,100 1,001 < 1 0.99 27.9 ± 2.2
C 2-4 ambient 9,200 570 50,600 1,154 2.5 0.93 28.8 ± 1.9
25° 19’ 27” N 5 h 270°C 12,200 564 66,900 1,221 3.2 1.02 28.7 ± 1.9
25° 34’ 23” E 5 h 320°C 10,100 554 54,900 1,057 90 0.98 29.4 ± 1.8
5 h 370°C 8,600 333 47,800 1,504 < 1 0.99 28.4 ± 2.2
D 1 ambient 5,900 592 32,000 1,192 4.8 0.96 29.0 ± 1.8
25° 26’ 39” N
25° 36’ 56” E
L’LDG è una tectite?
Oasis – 18 km
BP – 2 km
Kebira – 30 km

Che significato hanno le età di rocce non vulcaniche?
Il fatto che lo scorciamento delle tracce è un processo continuo su un certo intervallo
di temperatura è stato considerato uno svantaggio, perché le età apparenti che
riflettono una storia termica complessa non datano reali eventi geologici. Ma presto
si realizzò che la scarsa stabilità delle tracce rappresentava in realtà una preziosa
fonte di informazioni sul percorso del raffreddamento, che rendeva la
termocronologia con le tracce di fissione uno strumento unico per ricostruire la
storia termica delle rocce.
Wagner et al. (1977)
trovarono che in un
profilo età – le età delle
apatiti crescevano con
la quota.
Apatite – dati da sondaggi profondi
Otway basin, Victoria, Australia del sud. In un pozzo di 3000m le età scendono da
120 Ma a zero

Tracce confinate
Ricostruzione di storie termiche
La distribuzione delle lunghezze riflette il
peculiare percorso tempo-temperatura fatto da
una roccia attraverso la PAZ
(Gleadow et al., 1986).
Attualmente l’analisi con le tracce di fissione
– combinazione di determinazioni di età e
misure di lunghezze – è uno strumento
analitico sperimentato e viene largamente
utilizzato nella tettonica (processi di
esumazione – denudamento di catene
montuose, evoluzione di margini continentali
passivi), studi di bacini, geomorfologia,
ecc...
Softwares di modellamento della storia
termica sono routinariamente applicati per
decifrare i particolari percorsi tempo –
temperatura delle rocce.
Esumazione di catene montuose
L’esumazione è il fenomeno primario che caratterizza la storia geomorfologica e
tettonica. Il moto delle rocce rispetto alla superficie terrestre è prodotto dall’erosione
e dal denudamento tettonico. Lo scoperchiamento prodotto dall’erosione ridistribusce
la massa crostale.
Una strategia spesso usata per studiare
l’esumazione delle catene montuose è la
raccolta di campioni lungo profili verticali.
La “break in slope” è interpretata come una paleo-PAZ
esumata (Gleadow & Fitzgerald 1987; Fitzgerald &
Gleadow, 1990].
La break in slope definisce la transizione da un periodo di
relativa stabilità a un periodo di raffreddamento rapido
prodotto dall’esumazione.
Campioni sopra la break in slope hanno distribuzioni delle
lunghezze delle tracce con una media significativamente
raccorciata e con una standard deviation più larga, dato
che è composta da tracce formate nella PAZ prima
dell’esumazione e da tracce formate dopo il processo a
bassa temperatura.
Le distribuzioni delle lunghezze delle tracce dei campioni
sotto la break in slope riflettono il raffreddamento rapido
(lunghezza media >14 µm, standard deviation < 1.6 µm;
Fitzgerald et al., 1995).

La catena transantartica - TAM
Le TAM formano la più grande struttura continentale
di “rift-shoulder” esistente sulla terra. Costituiscono
la spalla occidentale del “West Antarctic Rift
System”. Le TAM hanno raggiunto le attuali quote
(fino a 4.500 m) attraverso fasi multiple di
sollevamento-erosione.
Terra Victoria settentrionale
Profilo età-quota di campioni
distribuiti su una ampia area della
Terra Victoria settentrionale
(Fitzgeral & Gleadow, 1988)
Diagramma composto

Profili età-quota di campioni di
massicci della Terra Victoria
settentrionale
Break in slope
1
2
?
2
Due fasi di esumazione:
1) Tardo Cretaceo, ca. 80 Ma
2) Eocene, ca. 50 Ma
“Offset” verticale della
Priestley fault tra il Mt. Nansen
e il Mt. Burrows >1800m
Profilo età-quota del Mt. Monteagle

Prospettive future
Benché il metodo delle tracce di fissione sia considerato una tecnica
analitica ben fondata, qualche approfondimento degli aspetti
metodologici è ancora necessario, come la standardizzazione stessa in
relazione alla calibrazione dell’età e delle misure di lunghezza.
Sono necessari anche ulteriori studi per l’integrazione della
termocrologia con l’analisi dell’apatite con altre tecniche analitiche,
come l’(U-Th)/He. Il potenziale di altri minerali, come lo zircone e lo
sfene, nel campo della termocronologia dovrebbe essere meglio
esplorato.
Ricerche innovative, dalle quali ci si aspetta un progresso
significativo, stanno venendo sviluppate, come per esempio il
conteggio automatico e la datazione senza l’uso dell’irraggiamento al
reattore.