Metody datowania potasowo-argonowego: datowanie K-Ar i Ar-Ar

Argon potasowy (K-Ar) randki izotopowe metoda jest szczególnie przydatna do określania wieku law. Opracowany w latach 50. XX wieku był ważny przy opracowywaniu teorii Płyty tektoniczne oraz w kalibracji geologiczna skala czasu.

Potas występuje w dwóch stabilnych izotopach (⁴¹K i ³⁹K) i jeden izotop promieniotwórczy (⁴⁰K). Potas-40 rozpada się z okresem półtrwania 1250 milionów lat, co oznacza, że ​​połowa z ⁴⁰Atomy K zniknęły po tym czasie. Jego rozpad daje argon-40 i wapń-40 w stosunku od 11 do 89. Metoda K-Ar polega na zliczaniu tych promieniotwórczych ⁴⁰Atomy Ar uwięzione w minerałach.

Upraszcza to fakt, że potas jest metalem reaktywnym, a argon jest gazem obojętnym: potas jest zawsze ściśle zamknięty w minerałach, podczas gdy argon nie jest częścią żadnych minerałów. Argon stanowi 1 procent atmosfery. Zakładając, że żadne powietrze nie dostaje się do ziarna mineralnego podczas jego pierwszego formowania, ma zerową zawartość argonu. Oznacza to, że świeże ziarno mineralne ma swój „zegar” K-Ar ustawiony na zero.

Metoda polega na spełnieniu niektórych ważnych założeń:

1. Zarówno potas, jak i argon muszą pozostać w minerale przez czas geologiczny. To jest najtrudniejsze do zaspokojenia.
2. Możemy wszystko dokładnie zmierzyć. Zapewniają to zaawansowane instrumenty, rygorystyczne procedury i stosowanie standardowych minerałów.
3. Znamy dokładną naturalną mieszankę izotopów potasu i argonu. Dekady badań podstawowych dały nam te dane.
4. Możemy skorygować każdy argon z powietrza, który dostaje się do minerału. Wymaga to dodatkowego kroku.

Biorąc pod uwagę staranną pracę w terenie i laboratorium, założenia te można spełnić.

Próbka skały, która ma być datowana, musi być wybierana bardzo ostrożnie. Każda zmiana lub pękanie oznacza, że ​​potas, argon lub oba zostały naruszone. Witryna musi mieć również znaczenie geologiczne, wyraźnie związane ze skałami kopalnymi lub innymi cechami, które wymagają dobrej daty, aby dołączyć do wielkiej historii. Strumienie lawy leżące powyżej i poniżej pokładów skalnych ze starożytnymi ludzkimi skamielinami są dobrym - i prawdziwym - przykładem.

Sanidyna mineralna, forma wysokotemperaturowa skaleń potasowyjest najbardziej pożądany. Ale micas, plagioklaza, hornblende, gliny i inne minerały mogą dawać dobre dane, podobnie jak analizy całych skał. Młode skały mają niski poziom ⁴⁰Ar, może być potrzebne nawet kilka kilogramów. Próbki skalne są rejestrowane, znakowane, zaplombowane i utrzymywane w czystości i wolne od zanieczyszczeń i nadmiernego ciepła w drodze do laboratorium.

Próbki skalne są kruszone w czystym sprzęcie do rozmiaru, który zachowuje całe ziarna minerału, który ma być datowany, a następnie przesiewane, aby pomóc skoncentrować te ziarna docelowego minerału. Wybrany ułamek wielkości jest czyszczony w kąpieli ultradźwiękowej i kwasowej, a następnie delikatnie suszony w piecu. Docelowy minerał jest oddzielany za pomocą ciężkich cieczy, a następnie ręcznie zbierany pod mikroskopem w celu uzyskania możliwie najczystszej próbki. Ta próbka mineralna jest następnie delikatnie pieczona przez noc w piecu próżniowym. Te kroki pomagają usunąć jak najwięcej atmosferycznych ⁴⁰Ar z próbki, jak to możliwe przed wykonaniem pomiaru.

Następnie próbka minerału jest podgrzewana do stopienia w piecu próżniowym, usuwając cały gaz. Dokładna ilość argonu-38 jest dodawana do gazu jako „skok”, aby pomóc skalibrować pomiar, a próbkę gazu zbiera się na węglu aktywowanym chłodzonym ciekłym azotem. Następnie próbka gazu jest oczyszczana ze wszystkich niepożądanych gazów, takich jak H.₂O, CO₂, WIĘC₂, azot i tak dalej, dopóki nie pozostaną tylko obojętne gazy, argon wśród nich.

Wreszcie, atomy argonu są zliczane w spektrometrze mas, maszynie o własnych złożonościach. Mierzone są trzy izotopy argonu: ³⁶Ar, ³⁸Ar i ⁴⁰Ar. Jeśli dane z tego etapu są czyste, można określić obfitość argonu atmosferycznego, a następnie odjąć, aby uzyskać radiogen ⁴⁰Zawartość Ar. Ta „korekcja powietrzna” opiera się na poziomie argonu-36, który pochodzi tylko z powietrza i nie powstaje w wyniku reakcji rozpadu jądrowego. Jest odejmowany, a proporcjonalna ilość ³⁸Ar i ⁴⁰Ar są również odejmowane. Pozostałe ³⁸Ar pochodzi z kolca, a pozostałe ⁴⁰Ar jest radiogenny. Ponieważ kolec jest dokładnie znany, ⁴⁰Ar określa się przez porównanie z nim.

Różnice w tych danych mogą wskazywać na błędy w dowolnym miejscu procesu, dlatego wszystkie etapy przygotowania są szczegółowo rejestrowane.

Analizy K-Ar kosztują kilkaset dolarów za próbkę i trwają tydzień lub dwa.

Odmiana metody K-Ar daje lepsze dane, upraszczając cały proces pomiaru. Kluczem jest umieszczenie próbki minerału w wiązce neutronowej, która przekształca potas-39 w argon-39. Bo ³⁹Ar ma bardzo krótki okres półtrwania, z pewnością nie ma go wcześniej w próbce, więc jest wyraźnym wskaźnikiem zawartości potasu. Zaletą jest to, że wszystkie informacje potrzebne do datowania próbki pochodzą z tego samego pomiaru argonu. Dokładność jest większa, a błędy niższe. Ta metoda jest powszechnie nazywana „datowaniem argon-argon”.

Fizyczna procedura dla ⁴⁰Ar-³⁹Datowanie Ar jest takie samo, z wyjątkiem trzech różnic:

• Przed umieszczeniem próbki mineralnej w piecu próżniowym jest ona naświetlana wraz z próbkami standardowych materiałów przez źródło neutronów.
• Nie ma ³⁸Potrzebny jest spike.
• Mierzone są cztery izotopy Ar: ³⁶Ar, ³⁷Ar, ³⁹Ar i ⁴⁰Ar.

Analiza danych jest bardziej złożona niż w metodzie K-Ar, ponieważ napromieniowanie wytwarza atomy argonu z innych izotopów oprócz ⁴⁰K. Efekty te należy poprawić, a proces jest na tyle skomplikowany, że wymaga komputerów.

Analizy Ar-Ar kosztują około 1000 USD na próbkę i trwają kilka tygodni.

Metodę Ar-Ar uważa się za lepszą, ale niektórych jej problemów można uniknąć w starszej metodzie K-Ar. Tańszą metodę K-Ar można również wykorzystać do badań przesiewowych lub zwiadu, oszczędzając Ar-Ar na najbardziej wymagające lub interesujące problemy.

Te metody randkowe są stale ulepszane od ponad 50 lat. Krzywa uczenia się jest długa i daleka od dzisiejszej. Przy każdym wzroście jakości coraz bardziej subtelne źródła błędów były wykrywane i uwzględniane. Dobre materiały i wykwalifikowane ręce mogą dać wiek, który z pewnością mieści się w granicach 1 procent, nawet w skałach mających zaledwie 10 000 lat, w których ilości ⁴⁰Ar są znikomo małe.