Fondamenti
di
Geologia
il tempo geologico
Sergio Rocchi
Dipartimento di Scienze della Terra
Via S. Maria, 53
Mail: [email protected]
Lezioni: http://www.dst.unipi.it/dst/rocchi/SR
1
2
the geologic time
• Misurazione del tempo geologico
• Stratigrafia
• principi
• discontinuità
• cronologia relativa
• scala cronostratigrafica
• Geocronologia isotopica
• Decadimento radioattivo
• Tipi di decadimento radioattivo
• Radionuclidi prodotti da radiazione cosmica
• Magnetostratigrafia
3
the geologic time
• the hallmark of geologic time
• > 24 orders of magnitude
4
stratigraphy
• XIX century: witnesses of the geological past in the rocks
• stratigraphy
• description, correlation, and classification of sedimentary rock strata
• principle of originary horizontality (medium-large scale)
• inclination or bending of strata are post-deposition (tectonic) event
• principle of superposition
5
stratigraphy: principles of Steno
• Superposition
• in a succession of undeformed strata, oldest stratum its at
base, with successive younger ones above
• establishes relative ages of all strata and their contained fossils
• Original horizontality
• stratification originally horizontal when sedimentary particles
settled from fluids under influence of gravity
• (steeply) inclined or bent strata must have suffered postdeposition disturbance (tectonic event)
• Original lateral continuity
• strata originally extended in all directions until they thinned to
zero or terminated against edges of original basin of deposition
6
7
age of sedimentary successions
•
•
•
•
deposition rate?
compaction rate?
duration of sedimentation gaps?
erosion processes?
• fossils!
8
ages by fossils
• fossils are witness of life forms in the rocks
• end of 1700s: W. Smith
• classification of strata based on fossils
• succession of strata »»» succession of fossils »»»
faunistic succession
• formation
• group of strata with common lithological features and
fossil association
9
ages by fossils: areal extension
• composite stratigraphic sequence
• regional correlations
10
regional correlations - composite sections
11
discontinuities in the rock time record
• missing strata (non-deposition or erosion)
• discontinuity (unconformity) = time interval
• simple discordance (disconformity)
• strata over erosional surface over horizontal strata
• angular discordance (angular unconformity)
• strata over erosional surface over inclined/bent strata
• basal discordance (nonconformity)
• strata over erosional surface over metamorphic or
igneous rocks
12
disconformity
13
angular unconformity
14
intersection relationships
• faults / igneous intrusions
15
angular unconformity
16
angular unconformity / nonconformity
17
nonconformity
18
relative dating principles
• superposition
• fossil content
• deformation / angular unconformities
• age of tectonic events vs. stratigraphic succession
• intersection
• age of faults/intrusions vs. stratigraphic succession
19
example
basal unconformity C
Granite pluton intrusion
20
sequence stratigraphy
• sequenza: serie
di strati limitati da
discontinuità
inferiore e
superiore
• caratteristiche
geometriche
diagnostiche
della sequenza
tipiche di
processi/ambienti
sediemntari
21
chronostratigraphic scale
• time intervals
linked to rock/fossil
associations
22
Tavola del tempo geologico
23
the deep geologic time
24
geologic time and mass extinctions
25
mass extinctions
26
mass extinctions
Large Igneous Provinces (LIP)
large igneous province
age (Ma)
volume (x106 km3)
Panjal-Emeishan Basalts
260
1.0
Siberian Traps
250
1.8
Central Atlantic Magmatic Province
200
4.0
Karoo-Ferrar Traps
180
2.5
Paranà-Etendeka Traps
130
1.2
Ontong-Java Plateau
120
50.0
Kerguelen Plateau
110
20.0
Caribbean-Colombian Province
90
4.0
Deccan Traps
65
2.0
Brito-Arctic Province
55
4.0
Ethiopian Traps
30
0.8
Columbia River Plateau
16
0.2
mass extinctions
27
Large Igneous Provinces
Espandimenti lavici Ferrar, 180 Ma - Mesa Range, Antartide
mass extinctions
biological impact of the LIPs
Rogers, Our dynamic Planet, Cambridge (2008)
28
mass extinctions
29
biological impact of the LIPs
30
the age of the Earth
1654
Ussher
1749
Buffon
fine ʻ800 Joly
fine ʻ800 Kelvin
1899
vescovo irlandese
Bibbia
naturalista francese
strati fossiliferi
chimico inglese
salinità mare
fisico inglese
raffreddamento Terra
Chamberlain americano
fine ʻ800
1907
Boltwood
1956
patterson
chimico americano
datazioni isotopi radioattivi
isotopi meteoriti
6.000
75.000
90.000.000
30.000.000
> 30.000.000
scoperta
radioattività
> 400.000.000
? 2.000.000.000
4.550.000.000
31
the Earth’s age in a year
years ago
date
hour
event
4.550.000.000
1 gen
origine della Terra
4.030.000.000
7 feb
rocce più antiche (note)
3.200.000.000
16 apr
prime forme di vita (note)
1.000.000.000
1 ott
oceano, atmosfera attuali
800.000.000
1 nov
600.000.000
12 nov
primi fossili
400.000.000
28 nov
prime piante terrestri
250.000.000
10 dic
supercontinente Pangea
65.000.000
26 dic
estinzione dinosauri
4.000.000
31 dic
18:00
comparsa ominidi
15.000
31 dic
23:58:40
fine ultima glaciazione
2.000
31 dic
23:59:46
nascita di Cristo
primi animali superiori
32
the Earth’s age in a day
http://en.wikipedia.org/wiki/Oldest_dated_rocks
geocronologia isotopica
33
isotopi radioattivi
• Ogni elemento può avere uno o più isotopi
• La somma di tutti gli isotopi di tutti gli elementi (nuclidi) ammonta a circa 1700
• Sono stabili i nuclidi che in assenza di importanti turbamenti fisici esterni all’atomo non
modificano il loro numero di protoni e/o neutroni
• Soltanto circa 260 nuclidi sono stabili
• Sono radioattivi i nuclidi che spontaneamente modificano il loro numero di protoni e/o
neutroni: processo di decadimento radioattivo, che avviene a velocità diversa per ogni
ogni radionuclide
• I radionuclidi sono circa 1440
• La maggior parte dei radionuclidi conosciuti non esiste in natura in quanto il loro tasso di
decadimento è tale che dalla formazione del sistema solare (quando si sono formati) sono
ormai scomparsi, trasformandosi in altri nuclidi
• I radionuclidi naturali più interessanti sono 235U, 234U, 232Th, 230Th, 226Ra, 87Rb, 40K, 14C, 10Be
• Sono radiogenici I nuclidi che derivano dal processo di decadimento di nuclidi
radioattivi
34
tipi di decadimento radioattivo
• radionuclide (genitore, P) si trasforma in nuclide stabile (figlio, F)
• Decadimento diretto: "
• Doppio decadimento:"
• Famiglia radioattiva:"
P –> F
P –> F' + F''
P –> F1 –> F2 …. Fn –> F
• Decadimento α
4
2+
= nucleo di atomo di elio)
2
238
234
• Il nuclide figlio ha 2 protoni e 2 neutroni in meno del padre. Es.:
• emissione da parte del padre di particella α (
He
U⇒ 9 0Th + α
92
• Decadimento β
• un neutrone del padre si trasforma in un protone del figlio (con emissione di un elettrone)
40
40
−
• Il figlio ha la stessa massa del padre e Z superiore di uno. Es.:
19
20
K⇒ Ca + β
• Cattura di elettrone
• Il nucleo cattura un elettrone e un protone si trasforma in un neutrone
40
• Il figlio ha la stessa massa del padre e Z inferiore di uno. Es.:
19
40
K + e − ⇒1 8Ar
• Fissione
• Il nucleo si divide in due particelle con massa significativa; molto raro
• Il decadimento è associato a emissione di energia
• particella α
• particella β− (elettrone)
• radiazione γ che accompagna l'emissione di α e
β
35
il decadimento radioattivo
• Legge di decadimento
• Reazione nucleare: non dipende dai parametri fisici (pressione, temperatura) e chimici al
contorno
• Non varia nel tempo
• Tasso di decadimento = probabilità che un atomo si trasformi nell'unità di tempo
• dN/dt = –λN
• N = n. atomi presenti
• λ = costante del decadimento (tipica del nuclide)
• Nt = N0 e–λt
• N0 = n. atomi dell’isotopo genitore presenti all’inizio
• Nt = n. atomi dell’isotopo genitore presenti dopo il tempo t
• Dt = D0 + Nt(e–λt –1)
• D0 = n. atomi dell’isotopo figlio presenti all’inizio
• Dt = n. atomi dell’isotopo figlio presenti dopo il tempo t
• tempo di dimezzamento: t1/2
= ln2 / λ
36
tempo di dimezzamento
genitore
235U
figlio
207Pb
Tempo di dimezzamento 235U = circa 700.000.000 anni
anni fa
4.200.000.000
Tempo di
dimezzamento:
Tempo nel quale metà degli
atomi di un nuclide
radioattivo si trasformano nel
nuclide radiogenico
Numero di atomi
3.500.000.000
235U
2.800.000.000
2.100.000.000
1.400.000.000
700.000.000
0ggi
Ga 4.2
3.5
2.8
2.1
1.4
0.7
0ggi
tempo di dimezzamento
37
n. atomi nuclide figlio
n. atomi nuclide genitore
t1/2
tempo
38
decadimenti sfruttati per datazioni
Radionuclide
nuclide stabile
radiaz. emessa
40K
40Ar
40K
40Ca
87Rb
87Sr
147Sm
143Nd
176Lu
176Hf
187Re
187Os
232Th
208Pb, 4He
235U
207Pb, 4He
238U
206Pb, 4He
γ
β
β
α
β
β
α, β, γ
α, β, γ
α, β, γ
39
major radioactive elements for radiometric dating
40
nuclidi cosmogenici
• radiazione cosmica: protoni e particelle α ad alta energia (1010 GeV)
• nuclidi prodotti per interazione tra radiazione cosmica e atmosfera
•
14C, 10Be
• nuclidi prodotti per interazione tra radiazione cosmica e superficie
terrestre (minerali/rocce)
•
•
•
•
•
•
radionuclidi: 10Be, 26Al, 36Cl
nuclidi stabili: 21Ne, 3He,
accumulo di nuclidi cosmogenici nei minerali nel tempo
datazione del tempo di esposizione di una roccia alla superficie terrestre
si deve conoscere il tasso di produzione
si deve conoscere la percentuale di origine cosmogenica di ogni nuclide nel
campione (per es. analizzando un campione della stessa roccia provenienti da
alcuni m di profondità)
•
10Be
: t1/2 = 1.6 Ma
•
26Al
: t1/2 = 0.7 Ma
•
36Cl
: t1/2 = 0.3 Ma
radionuclidi prodotti da radiazione cosmica:
41
14C
• I raggi cosmici interagiscono con l'atmosfera: 14N
•
14C
è radioattivo: 14C
–> 14C
–> 14N + β– , t1/2=5568 a
• In tempi << 5568 a, 14C entra in 14CO2
•
14CO
2
entra nel ciclo geochimico del C (=vita)
• Tutti gli esseri viventi scambiano continuamente CO2 con l'atmosfera,
assumendo sia 14CO2 , sia 12CO2
• Il rapporto tra 12C e 14C negli organismi viventi è uguale a quello
dell'atmosfera (misurabile=noto)
• Alla morte dell'organismo lo scambio cessa, e nell'organismo morto 14C
decade trasformandosi in 14N
• La % di 14C nell'organismo morto è funzione del tempo trascorso dalla morte
42
the Terrestrial Magnetic Field
•
•
•
•
scoperta proprietà magnetiche della magnetite, Grecia, almeno 600 a.C.
prima bussola, Cina, I sec. d.C.
Terra = magnete, Inghilterra, XVII sec.
NORD
Misurazioni sistematiche del Campo Geomagnetico dal 1800
geografico
• Elementi del Campo Magnetico Terrestre
– induzione
•
NORD
magnetico
vettore rappresentativo del CMT
– declinazione
•
angolo tra la direzione del NORD magnetico e
la direzione del NORD geografico (angolo tra
l'ago della bussola e il meridiano geografico)
– inclinazione
•
angolo tra le linee di forza del campo
magnetico e il piano orizzontale (inclinazione
dell'ago della bussola rispetto all'orizzontale)
induzione
43
the Terrestrial Magnetic Field
N
S
• dipolo geomagnetico
– asse non coincidente con asse
rotazione (angolo di circa 11°)
– linee di forza del campo
magnetico = inviluppo dei vettori
induzione
44
the Terrestrial Magnetic Field
• origine del campo
– CMT si origina all'interno della Terra
– non deriva dalla magnetizzazione delle rocce
– dinamo ad autoeccitazione
• inversione del campo
– polo NORD e polo SUD si scambiano di posizione
•
•
•
•
•
durante un periodo di inversione la bussola indica il SUD
magnetico
cambia il verso del campo
la direzione del campo non varia
l'intensità del campo non varia
origine dell’inversione non ancora nota
45
magnetic behaviour of minerals
• materiali diamagnetici e paramagnetici
• rapporto costante tra intensità della magnetizzazione del minerale e intensità del campo
magnetico inducente
• rimuovendo il campo, si annulla la magnetizzazione
• materiali ferromagnetici, antiferromagnetici, ferrimagnetici (composti del Fe)
• rapporto variabile tra intensità della magnetizzazione del minerale e intensità del campo
magnetico inducente
• rimuovendo il campo, la magnetizzazione rimane
• magnetizzazione termorimanente (TRM)
• ad alta T, l’agitazione termica, i campi magnetici degli atomi di Fe sono orientati casualmente
• a bassa T (< TCurie), i campi magnetici degli atomi di Fe sono orientati si orientano
parallelamente al campo magnetico esterno, e ne risulta una magnetizzazione rimanente
• magnetizzazione chimica rimanente (CRM)
• acquisita a bassa T, per trasformazioni mineralogiche
• magnetizzazione detritica rimanente (DRM)
• allineamento di minerali deritici a grana molto fine sotto l’azione del CMT
46
paleomagnetismo
• i minerali magnetici (principalmente magnetite, TCurie=580°C)
cristallizzano dal magma (in abbondanza nelle lave basaltiche) a
T>TCurie
• raffreddando al di sotto TCurie, la magnetite assume una
magnetizzazione nella direzione e verso della induzione
geomagnetica (cioè parallelamente all'ago della bussola)
• questa magnetizzazione è molto debole, ma viene conservata
dalle rocce per centinaia di milioni di anni
• la direzione della TRM è usata per la ricostruzione della
migrazione apparente dei poli nelle ricostruzioni di plate tectonics
• le inversioni del verso della TRM sono usate per la ricostruzione
delle anomalie magnetiche dei fondali oceanici in plate tectonics
• la successione di inversioni del verso della TRM, combinata con
datazioni isotopiche e astronomiche, è usata per costruire una
scala cronologica delle inversioni magnetiche
47
• Magnetostratigraphy is a
chronostratigraphic technique used
to date sedimentary and volcanic
stratigraphic sections. The method
works by collecting oriented samples
at measured intervals throughout the
section. The samples are analyzed
to determine their Detrital Remanent
Magnetization (DRM), that is, the
polarity of Earth's magnetic field at
the time a stratum was deposited.
This is possible because when very
fine-grained magnetic minerals (< 17
mm) fall through the water column,
they orient themselves with Earth's
magnetic field. Upon burial, that
orientation is preserved. The
minerals, in effect, behave like tiny
compasses.
Geomagnetic Polarity Time Scale (GPTS)
Cande & Kent (1995)
magnetostratigraphy
48
magnetostratigraphy
• Because the polarity of a stratum
can only be Normal or Reversed,
variations in the rate at which the
sediment accumulated can cause
the thickness of a given polarity zone
to vary from one area to another.
This presents the problem of how to
differentiate different zones of like
polarities between different
stratigraphic sections. To overcome
the possibility of confusion at least
one isotopic age (or at least an age
based on paleontologic data) needs
to be collected from each section.
These are usually obtained from
intercalated airfall volcanic material.
With the aid of the independent
isotopic age or ages, the local
magnetostratigraphic column is
correlated (Fig. 2) with the Global
Magnetic Polarity Time Scale
(GMPTS).
49
quale metodo per quale età?
0 anni
10
102
103
104
105
106
Tecniche isotopiche
107
108
109
U –> Pb (minerali)
Rb –> Sr (minerali)
K –> Ar (minerali)
Serie disequil. U (minerali, conchiglie, ossa, denti)
14C (minerali, conch, legno, ossa, denti, acqua)
Tecniche di esposizione a radiazioni
Tracce fissione (min, vetri)
Termoluminescenza (minerali, vetri naturali)
Raggi cosmici (minerali)
Altre tecniche
Polarità geomagnetica
Dendrocronologia (alberi)
the climate issue
chronostratigraphy, isotopic ages, isotopic ratios
50
