Tenere il tempo con gli zirconi

CREDITO: JOHN VALLEY / UNIVERSITÀ DEL WISCONSIN-MADISON

Questo frammento di un cristallo di zircone estratto da un affioramento nella remota regione di Jack Hills, nell'Australia occidentale, ha 4,4 miliardi di anni. Le impurità all'interno di tali cristalli consentono agli scienziati di determinarne l'età e quindi la tempistica di tutti i tipi di sviluppi geologici.

I cristalli del minerale zircone sono abbastanza robusti da sopravvivere agli eventi geologici più violenti. Le impurità al loro interno forniscono una capsula del tempo della storia planetaria.

Di Cypress Hansen il 14.04.2021

Sostieni la scienza solida e le storie intelligentiAiutaci a rendere la conoscenza scientifica accessibile a tuttiDona oggi

I diamanti possono essere le pietre preziose più dure, ma sono gli zirconi che durano per sempre. Queste pietre portafortuna di dicembre sono così resistenti che rappresentano il materiale più antico conosciuto sulla Terra: alcuni zirconi provenienti dall'Australia risalgono a più di 4 miliardi di anni fa.

Ma gli zirconi non sono solo vecchi. Proprio come gli anelli degli alberi, possono registrare il tempo, rivelando l’età delle rocce che li circondano e i processi geologici di cui sono stati testimoni. Grazie agli zirconi, i ricercatori possono raccontare le storie dell’origine dei pianeti, dedurre quando i continenti si sono sollevati dagli oceani e forse anche scoprire minerali preziosi sotto la superficie terrestre.

"Quello che sappiamo della Terra senza l'aiuto degli zirconi è molto, molto piccolo", afferma Jesse Reimink, un geologo che studia i cristalli alla Pennsylvania State University.

Il minerale zircone si forma quando gli elementi zirconio, silicio e ossigeno cristallizzano nel magma o nella roccia metamorfica. Nel corso del tempo, il riscaldamento e il raffreddamento ripetuti aggiungono strati esterni al cristallo, come successivi strati di vernice. Gli atomi di una manciata di elementi, come l'uranio, sono abbastanza simili agli atomi di zirconio da poter prendere posto all'interno della struttura cristallina. Se questi atomi sono radioattivi, si convertiranno lentamente in un altro elemento – come il piombo – attraverso il prevedibile processo di decadimento radioattivo.

Quando ciò accade, il cristallo diventa un orologio. Facendo esplodere i cristalli di zircone con i laser o sciogliendoli con acido e quindi misurando il rapporto uranio-piombo, ad esempio, gli scienziati possono stimare la tempistica degli antichi eventi geologici con una precisione impressionante.

Lo zirconio "è il minerale perfetto per il sistema di decadimento dell'uranio-piombo", afferma Reimink, "e il sistema di decadimento dell'uranio-piombo è come un dono di Dio alla geocronologia".

E poiché gli zirconi sono estremamente resistenti allo scioglimento, alle screpolature o all’erosione, consentono ai ricercatori di datare alcuni degli eventi più antichi del pianeta.

"La ricerca sullo zirconio è l'orizzonte sul quale siamo in grado di fare scoperte sulla Terra primordiale", afferma la geochimica Beth Ann Bell dell'UCLA. "Fa parte del tentativo di capire da dove veniamo."

I cristalli di zirconio si formano nel magma o nella roccia metamorfica e crescono nuovi strati nella roccia liquida o quasi liquida. Gli elementi che hanno forme naturalmente radioattive possono essere incorporati nella struttura cristallina man mano che cresce. Nel corso del tempo, questi elementi, come l’uranio mostrato qui, decadono in elementi figli a un ritmo prevedibile, fornendo agli scienziati un “orologio” con cui possono datare i processi geologici sperimentati dal cristallo di zircone.

Gli zirconi hanno all'incirca le dimensioni di un granello di sabbia e i ricercatori spesso devono raccogliere, frantumare e setacciare diversi chilogrammi di roccia per ottenere un campione di buone dimensioni. Ma con la tecnologia laser migliorata e strumenti analitici più sensibili, la datazione dello zircone sta diventando più semplice e precisa, il che significa che gli scienziati possono estrarre più informazioni da un minor numero di cristalli. “Il campo si sta evolvendo molto rapidamente”, afferma Martin Bizzarro, planetologo dell’Università di Copenaghen. “Le persone stanno spingendo oltre i limiti per analizzare campioni sempre più piccoli con la massima precisione”.

Ecco alcune delle cose che gli scienziati stanno imparando da questi piccoli orologi.