Kalium-Argon-dateringsmetoder: K-Ar og Ar-Ar-dateringer

Kalium-argon (K-Ar) isotopisk dating Metoden er især nyttig til bestemmelse af lavas alder. Udviklet i 1950'erne var det vigtigt i udviklingen af ​​teorien om pladetektonik og ved kalibrering af geologisk tidsskala.

Kalium forekommer i to stabile isotoper (⁴¹K og ³⁹K) og en radioaktiv isotop (⁴⁰K). Kalium-40 henfalder med en halveringstid på 1250 millioner år, hvilket betyder, at halvdelen af ⁴⁰K-atomer er væk efter det tidsrum. Dets forfald giver argon-40 og calcium-40 i et forhold på 11 til 89. K-Ar-metoden fungerer ved at tælle disse radiogene ⁴⁰Ar atomer fanget i mineraler.

Det, der forenkler ting, er, at kalium er et reaktivt metal, og argon er en inert gas: Kalium er altid tæt låst op i mineraler, mens argon ikke er en del af mineraler. Argon udgør 1 procent af atmosfæren. Så hvis man antager, at ingen luft kommer ind i et mineralkorn, når det først dannes, har det nul-argonindhold. Det vil sige, at et friskt mineralkorn har sin K-Ar "ur" indstillet til nul.

Metoden er afhængig af at opfylde nogle vigtige antagelser:

1. Kalium og argon skal begge forblive sat i mineralet over geologisk tid. Dette er den sværeste at tilfredsstille.
2. Vi kan måle alt nøjagtigt. Avancerede instrumenter, strenge procedurer og brug af standardmineraler sikrer dette.
3. Vi kender den nøjagtige naturlige blanding af kalium- og argonisotoper. Tiår med grundlæggende forskning har givet os disse data.
4. Vi kan korrigere for ethvert argon fra luften, der kommer ind i mineralet. Dette kræver et ekstra trin.

Givet omhyggeligt arbejde i marken og i laboratoriet, kan disse antagelser opfyldes.

Den stenprøve, der skal dateres, skal vælges meget omhyggeligt. Enhver ændring eller brud betyder, at kalium eller argon eller begge dele er blevet forstyrret. Webstedet skal også være geologisk meningsfuldt, klart relateret til fossile bærende klipper eller andre funktioner, der har brug for en god dato for at være med i den store historie. Lavestrømme, der ligger over og under klippe med gamle menneskelige fossiler er et godt - og sandt - eksempel.

Mineralet sanidine, den høje temperatur form af kaliumfeltspat, er det mest ønskelige. Men glimmer, plagioclase, hornblende, lerarter og andre mineraler kan give gode data, ligesom hel-rock-analyser kan. Unge klipper har lave niveauer af ⁴⁰Ar, så meget som flere kg kan være nødvendigt. Stensprøver registreres, markeres, forsegles og holdes fri for forurening og overdreven varme på vej til laboratoriet.

Stenprøverne knuses, i rent udstyr, til en størrelse, der bevarer hele korn af mineralet, der skal dateres, og sigtes derefter for at hjælpe med at koncentrere disse kerner af målmineralet. Den valgte størrelsesfraktion rengøres i ultralyd- og syrebade og tørres derefter forsigtigt ovntørres. Målmineralet adskilles ved hjælp af tunge væsker, derefter håndplukkes under mikroskopet for den renest mulige prøve. Denne mineralprøve bages derefter forsigtigt natten over i en vakuumovn. Disse trin hjælper med at fjerne så meget atmosfærisk ⁴⁰Ar fra prøven som muligt, før du foretager målingen.

Derefter opvarmes mineralprøven til smeltning i en vakuumovn, idet al gas uddrives. En nøjagtig mængde argon-38 sættes til gassen som en "spike" for at hjælpe med at kalibrere målingen, og gasprøven opsamles på aktiveret kul afkølet med flydende nitrogen. Derefter renses gasprøven for alle uønskede gasser, såsom H₂O, CO₂, SÅ₂, nitrogen osv. indtil alt, hvad der er tilbage, er inerte gasser, argon blandt dem.

Endelig tælles argonatomerne i et massespektrometer, en maskine med sine egne kompleksiteter. Tre argonisotoper måles: ³⁶Ar, ³⁸Ar og ⁴⁰Ar. Hvis dataene fra dette trin er rene, kan overfladen af ​​atmosfærisk argon bestemmes og derefter trækkes fra for at give det radiogene ⁴⁰Ar indhold. Denne "luftkorrektion" er afhængig af niveauet af argon-36, der kun kommer fra luften og ikke er skabt af nogen nukleart henfaldsreaktion. Det trækkes fra og en proportional mængde af ³⁸Ar og ⁴⁰Ar trækkes også fra. Det resterende ³⁸Ar er fra spidsen, og de resterende ⁴⁰Ar er radiogen. Fordi spidsen er nøjagtigt kendt, er ⁴⁰Ar bestemmes ved sammenligning med det.

Variationer i disse data kan pege på fejl overalt i processen, hvorfor alle trin i forberedelsen registreres detaljeret.

K-Ar-analyser koster flere hundrede dollars pr. Prøve og tager en uge eller to.

En variant af K-Ar-metoden giver bedre data ved at gøre den overordnede måleproces enklere. Nøglen er at anbringe mineralprøven i en neutronstråle, som omdanner kalium-39 til argon-39. Fordi ³⁹Ar har en meget kort halveringstid, det er garanteret at være fraværende i prøven på forhånd, så det er en klar indikator for kaliumindholdet. Fordelen er, at alle de nødvendige oplysninger til datering af prøven kommer fra den samme argonmåling. Nøjagtigheden er større, og fejlene er lavere. Denne metode kaldes ofte "argon-argon dating."

Den fysiske procedure for ⁴⁰Ar³⁹Ar-datering er den samme bortset fra tre forskelle:

• Før mineralprøven sættes i vakuumovnen, bestråles den sammen med prøver af standardmaterialer af en neutronkilde.
• Der er ingen ³⁸Ar spike behov.
• Fire Ar-isotoper måles: ³⁶Ar, ³⁷Ar, ³⁹Ar og ⁴⁰Ar.

Analysen af ​​dataene er mere kompliceret end i K-Ar-metoden, fordi bestrålingen skaber argonatomer fra andre isotoper udover ⁴⁰K. Disse effekter skal rettes, og processen er indviklet nok til at kræve computere.

Ar-Ar-analyser koster omkring $ 1000 pr. Prøve og tager flere uger.

Ar-Ar-metoden betragtes som overlegen, men nogle af dens problemer undgås i den ældre K-Ar-metode. Den billigere K-Ar-metode kan også bruges til screening eller rekognoseringsformål, hvilket sparer Ar-Ar til de mest krævende eller interessante problemer.

Disse dateringsmetoder har været under konstant forbedring i mere end 50 år. Læringskurven har været lang og er langt fra forbi i dag. Med hvert forøgelse i kvalitet er der fundet flere subtile fejlkilder og taget hensyn til dem. Gode ​​materialer og dygtige hænder kan give aldre, der er sikre på inden for 1 procent, selv i klipper kun 10.000 år gamle, hvori mængder af ⁴⁰Ar er forsvindende små.