Vecchi, Antichi, Antichissimi: Le Età dei Diamanti
Si dice che un diamante sia per - magari non proprio per - sempre, ma suppur non eterno è certo che questa pietra abbia una “vita” molto molto lunga.
Le tecniche scientifiche moderne stanno svelando aspetti geologici e cronologici sulla formazione di questi cristalli fatti di puro carbonio, esponendo fatti sorprendenti.
Le risposte che provengono dagli studi scientifici sono, comunque, mutevoli e spesso approssimative, in continua ridefinizione con l’introduzione e lo sviluppo degli strumenti a disposizione.
Enormi passi avanti sono stati fatti nella comprensione dell’universo e di noi stessi, accelerati ulteriormente dall’avvento di Internet; molte sono ancora le sfide aperte. Anche geologia e gemmologia si sono avvalse di questi rapidi progressi.
Nel mondo dei diamanti, per esempio, solo negli ultimi decenni si sono rese disponibili tecniche d’indagine che hanno permesso di far luce sull’origine e l’età di queste gemme.
Alcune delle strategie investigative utilizzate sono ancora allo stato embrionale, ma i potenziali sviluppi futuri sono promettenti.
Già allo stato attuale, le analisi fatte hanno condotto a risultati illuminanti.
Sfortunatamente, le tecniche utilizzate a questo scopo sono distruttive.
Le inclusioni minerali devono essere estratte dall’interno delle pietre stesse in modo che possano essere caratterizzate, disciolte e analizzate per la loro composizione isotopica.
Inoltre non è attualmente possibile ottenere dati conclusivi da una singola inclusione, quindi intere gemme vengono sminuzzate per poter raccogliere il maggior numero possibile di dettagli.
Lo spettrometro di massa è lo strumento analitico principe per la determinazione dell'età assoluta dei diamanti, ma vi sono altri apparecchi coinvolti nel macchinoso procedimento per giungere ai dati conclusivi.
Questi sofisticati vengono tipicamente utilizzati nell'industria nucleare e nella geologia, tuttavia tali analisi sono molto lunghe (ci vogliono mesi), costose che pochissimi laboratori al mondo (Canada, Paesi Bassi, USA) sono attrezzati di macchinari, tempo e personale adatti per eseguirle.
Gli esperimenti vengono portati avanti da studenti di dottorati o ricercatori con molto tempo a disposizione.
Le procedure sono ancora piuttosto estese anche perché queste tecniche risalgono a pochi decenni or sono, cioè ai primi anni '80.
Già dai primi studi si era compreso che i diamanti erano molto più antichi delle loro kimberliti ospiti.
Oggi si sa, inoltre, nella stessa miniera, spesso si trovano pietre di età molto diverse; cioè risalente ad epoche di formazione differenti.
Le Datazioni Radiometriche
Sebbene il diamante sia composto principalmente solo da carbonio (tipicamente intorno al 99.95%), esso non può essere normalmente datato con la tecnica del 14C (detto anche Carbonio Quattordici) poiché questo elemento decade con un'emivita di soli 5.730 anni e quindi troppo breve per minerali con età che si misura in milioni o miliardi di anni (esistono delle eccezioni comunque).
Invece, i geocronologi (gli scienziati che studiano l’età dei minerali) utilizzano inclusioni minerali come solfuro di ferro, clinopirosseno e granato che restano intrappolati all'interno del diamante.
Queste minuscole particelle contengono talora isotopi (atomi con un numero di protoni, massa diverso rispetto all’elemento chimico originale).
In particolare, alcuni di questi isotopi sono radioattivi e instabili; essi emettono particelle subatomiche per raggiungere uno stato di stabilità.
È un processo statistico che segue una legge esponenziale.
L'unità di misura più consueta di questo tempo di decadimento è l'emivita (emi in greco antico significa "metà"), o tempo di dimezzamento della radioattività e trasformazione in un altro elemento.
Potendo misurare il rapporto tra le quantità di elemento originale (nucleo genitore) e di quello decaduto (nucleo figlio) si possono calcolare le età di minerali e rocce molto antichi.
Nel caso del diamante ci si basa sulla presenza di Renio-Osmio, con emivita di 43 miliardi di anni e Rubidio (87 Rb)-Stronzio (87 Sr, 86 Sr) con emivita di 49.23 miliardi di anni.
Per determinare l'età di queste gemme, l'ipotesi più semplice è che l'età ottenuta indichi per quanto tempo l'inclusione è rimasta intrappolata nel diamante, e quindi fornisce il tempo di formazione del cristallo stesso.
Viene anche usato un altro sistema, che si basa sulla rilevazione di certi isotopi di elio, che hanno caratteristiche speciali.
Eccezioni e misteri
Come specificato precedentemente, normalmente la prova del Carbonio 14 o C14 non è di alcuna utilità nella determinazione dell’età di un diamante.
Eppure, nel 2017, alcuni scienziati del progetto RATE (Radioisotopes and the Age of The Earth o Radioisotopi e l'età della Terra, in italiano) sembrano non condividere questa certezza.
Essi hanno esaminato alcuni cristalli che si pensava avessero 1-2 miliardi di anni.
Eppure gli esperimenti de RATE portarono al rilevamento di livelli significativi di radiocarbonio14 in questi diamanti, datandoli a circa 55.000 anni.
Il dibattito su queste teorie è poco noto, ma ancora dibattuto.
Il metodo del Renio-Osmio
L'isotopo renio-187 (187 Re, chiamato genitore) decade in osmio-187 (187 Os, chiamato figlia) con un'emivita di 43 miliardi di anni, un tempo di circa 10 volte più lungo quello da cui esiste il pianeta Terra.
Per questa caratteristica, il sistema Re-Os può essere utilizzato per determinare quando i materiali geologici si sono solidificati sulla superficie del nostro pianeta.
Questa tecnica si è dimostrata anche essenziale per determinare l’età dei diamanti.
La datazione di questi antichi cristalli richiede la completa polverizzazione delle gemme; il processo inizia con un taglio al laser a “sottiletta” delle piccole pietre per creare 2 superfici piatte (dei mini-dischi, assicurandosi di lasciare intatte le preziose inclusioni) ed esporre le inclusioni e capirne natura, tipo e numero.
I dischi vengono quindi posizionati all’interno di contenitori fatti di carburo di tungsteno (un materiale molto duro), al cui interno essi vengono frantumati con un piccolo martello, di modo che le inclusioni vengano separate.
Successivamente le schegge di diamante contenenti le inclusioni vengono posizionate su un nastro adesivo fatto di carbonio, pronti per essere analizzati con uno strumento chiamato SEM (Scanning Electron Microscopy o Microscopia Elettronica a Scansione).
Esse vengono anche osservate attraverso il microscopio ottico, prima, ed elettronico, in un secondo tempo.
Attraverso il microscopio elettronico si possono individuare le caratteristiche della composizione dei granelli (principalmente solfuri).
A questo punto possono venire individuati gli elementi chimici contenuti.
Tra essi il Nickel è importante per distinguere tra diamanti eclogitici e peridotitici.
Vengono quindi misurate le differenti quantità di Osmio e Renio e confrontate con gli strati litici dell’ambiente in cui sono stati recuperati.
L’Osmio viene portato a 700 gradi C, punto di ionizzazione e misurato da uno strumento chiamato TIMS (thermal Ionisation Mass Spectrometre o Spettrometro di Massa a Ionizzazione Termica).
Infine vengono collezionati dati sugli ioni presenti.
L’età viene calcolata matematicamente confrontando tutta una serie di dati (attraverso dei modelli chiamati diagrammi di isocrone).
Il Metodo dell’Elio, uno sguardo alla storia del nostro pianeta
In un altro progetto con le medesime finalità, un team di scienziati ha esaminato 24 diamanti super-profondi, detti anche “Clipper” o “Superdeep”, formatisi tra i 410 e 660 km (e oltre, in rarissimi casi) sotto la superficie, provenienti dal Brasile.
Durante la fase di cristallizzazione, queste pietre ingoiarono sacche microscopiche di liquido dall'ambiente circostante.
Quando esse salgono sulla superficie terrestre, la loro robusta struttura cristallina scherma le inclusioni dalla contaminazione di agenti esterni.
I diamanti, anche in questi casi, funzionano come piccole casseforti che proteggono tutto ciò che c’è al loro interno.
Usando la spettrometria di massa, i ricercatori hanno catalogato diversi isotopi alcuni dei quali erano racchiusi in bolle, contenenti materiale fluido, del diametro inferiore a un micrometro (milionesimo di metro).
In particolare, gli scienziati hanno controllato presenza e quantità di due isotopi: l'elio-3 e l'elio-4, a differenza dell'elio-4, che viene prodotto all’interno del pianeta, si sa che la Terra ha generato elio-3 solo durante il primo periodo della sua formazione (quindi miliardi di anni fa).
Questo gas è ancora presente al di sotto della superficie, ma qualsiasi sua molecola che riesca a raggiungere la superficie terrestre, fugge, in un tempo non troppo lungo, verso lo gli strati esterni dell’atmosfera.
È per questa ragione che materiale relativamente ricco di elio-3 deve essersi formato all'inizio dell'esistenza del pianeta ed essere rimasto isolato, per molto tempo sottoterra.
Questa forma d’intrappolamento ha impedito qualsiasi altro processo interno che lo potesse liberare nell’aria.
Gli scienziati hanno riscontrato che, nelle inclusioni dei diamanti Clipper, il rapporto tra elio-3 ed elio-4 era di circa da 1 a 14.300, ossia 50 volte superiore quello trovato nell’atmosfera, che è di 1 a 714.000.
Ciò suggerirebbe che queste inclusioni fluide risalgano ad un tempo prossimo a quello in cui si è formata la Terra, circa 4,56 miliardi di anni fa.
Sulla base delle analisi sulla cristallizzazione di questi diamanti, si è calcolato che questo serbatoio di elio-3 sia probabilmente posizionato ad almeno 410 chilometri di profondità (anche se queste stime non sono ancora del tutto affidabili).
Il giorno in cui si riuscisse a determinare la collocazione esatta di questi giacimenti, si potrebbe spiegare con precisione come questo raro isotopo si sia formato e sia rimasto indisturbato per così tanto tempo.
Anche la composizione chimica complessiva del deposito, da cui provengono queste pietre, è tuttora un mistero, ma si ritiene che essa debba essere piuttosto densa, tanto da evitarle di mescolarsi con il resto del mantello.
Attraverso questo tipo di test, sono stati datati i più antichi diamanti noti, contenuti come inclusioni in altre pietre, vecchi quasi il pianeta stesso, estratti dalle terre aride dell’Australia.
Essi potrebbero avere la chiave per comprendere come la crosta del pianeta si sia evoluto.
Questi diamanti, vecchi di ben 4 miliardi anni, sono rimasti intrappolati all'interno di cristalli di zircone nella regione di Jack Hills, circa 800 Km a nord della città di Perth, nell’Australia Occidentale.
Si pensa che siano circa 1 miliardo anni più vecchi di tutti gli altri diamanti mai trovati nella roccia terrestre (ad eccezione di quelli neri, policristallini chiamanti Carbonados).
Queste antiche gemme hanno introdotto una nuova dimensione nel dibattito sull'origine geologica dei diamanti e l'evoluzione primitiva.
Il nome formale dato al periodo cui essi appartengono - Adeano - richiama un'immagine della Terra come una massa infernale di lava fusa (Ade era il regno degli inferi nella mitologia greca), ma l'analisi di queste pietre suggerirebbe che la crosta terrestre potrebbe essersi raffreddata molto più rapidamente di quanto si pensasse in precedenza.
Usando la tecnologia LASER Raman, gli esperti hanno analizzato i circa 1000 piccoli grani raccolti e sono riusciti a stabilire che essi avevano età che variavano dai 4,3 ai 3,1 miliardi di anni.
In tale circostanza, il team di studiosi ha anche constatato la presenza dei minuscoli diamanti all’interno di 45 di questi grani e, al contempo, livelli alti di un isotopo dell'ossigeno, che, stando alle nozioni scientifiche note, poteva solo provenire da rocce composte di argilla.
Da questa scoperta, i ricercatori hanno ipotizzato che, visto che l'argilla si crea esclusivamente sulla superficie del pianeta dove c’è acqua, si può dedurre la presenza di oceani sulla terra anche in epoche antichissime.
Conclusione
Le tecniche di datazione dei diamanti, oggigiorno più di una, sono ancora relativamente nuove.
Esse hanno, tuttavia, permesso di raccogliere informazioni incredibilmente affascinanti sia sulla nascita di queste gemme, sia sui processi reconditi della formazione del corpo celeste su cui si è evoluta la razza umana.
Futuri miglioramenti, delle tecnologie attualmente a disposizione, toglieranno il velo di mistero che avvolge tutti questi processi ancestrali.
Diamanti peridotitici: a rocce ultra-femiche caratteristiche del mantello superiore
Diamanti eclogitici: da rocce metamorfiche di composizione basica, che si trovano nel mantello o nella parte inferiore della crosta continentale ed) includono minerali basaltici (1.5-2 miliardi di anni)
Diamanti Harzburgitici: (i più vecchi) da rocce ignee ultramafiche, componenti fondamentali del mantello superiore.
Quasi ogni miniera contiene diamanti giovani e antichi, (multiple generazioni) quelli giovani sono spesso fibrosi (formati come copertura di pietre già formate) i diamanti blu sono i più profondi.
Articolo di: Dario Marchiori - Storie di Gemme
Fonti: gia.edu, theeccentricnaturalist.blogspot.com, Wikipedia, G&G, sciencedaily.com, deepcarbon.net, dailymail.co.uk, abc.net.au, sciencenews.org
