Методы датирования калий-аргон: знакомства K-Ar и Ar-Ar

Калий-аргон (К-Ар) изотопное датирование Метод особенно полезен для определения возраста лав. Разработанный в 1950-х годах, он был важен для разработки теории тектоника плит и в калибровке геологическая шкала времени.

калий встречается в двух стабильных изотопов (⁴¹К и ³⁹К) и один радиоактивный изотоп (⁴⁰K). Калий-40 распадается с периодом полураспада 1250 миллионов лет, что означает, что половина ⁴⁰К атомы исчезли после этого промежутка времени. Его распад дает аргон-40 и кальций-40 в соотношении от 11 до 89. Метод K-Ar работает путем подсчета этих радиогенных ⁴⁰Атомы аргона попали в минералы.

Что упрощает, так это то, что калий является химически активным металлом, а аргон - инертным газом: калий всегда тесно связан с минералами, тогда как аргон не является частью каких-либо минералов. Аргон составляет 1 процент атмосферы. Таким образом, предполагая, что воздух не попадает в минеральное зерно при его первом образовании, в нем отсутствует содержание аргона. То есть свежее минеральное зерно имеет свои K-Ar «часы», установленные на ноль.

Метод основан на удовлетворении некоторых важных предположений:

1. Калий и аргон должны оставаться в минерале в течение геологического времени. Это труднее всего удовлетворить.
2. Мы можем все точно измерить. Передовые инструменты, строгие процедуры и использование стандартных минералов гарантируют это.
3. Мы знаем точную природную смесь изотопов калия и аргона. Десятилетия фундаментальных исследований дали нам эти данные.
4. Мы можем исправить любой аргон из воздуха, который попадает в минерал. Это требует дополнительного шага.

При условии тщательной работы в полевых условиях и в лаборатории эти предположения могут быть выполнены.

Образец породы, который нужно датировать, должен быть выбран очень тщательно. Любое изменение или разрушение означает, что калий или аргон или оба были нарушены. Участок также должен быть геологически значимым, четко связанным с ископаемыми породами или другими объектами, которым необходима удачная дата, чтобы присоединиться к большой истории. Лавовые потоки, которые лежат над и под скалами с древними человеческими окаменелостями, являются хорошим и верным примером.

Минеральный санидин, высокотемпературная форма калиевый полевой шпатявляется наиболее желательным. Но слюдыплагиоклаз, роговая обманка, глины и другие минералы могут дать хорошие данные, как и анализ цельной породы. Молодые породы имеют низкий уровень ⁴⁰Ar, так что может потребоваться до нескольких килограммов. Образцы горных пород регистрируются, маркируются, опечатываются и хранятся без загрязнения и чрезмерного нагрева по пути в лабораторию.

Образцы породы измельчают в чистом оборудовании до размера, который сохраняет цельные зерна минерала, который необходимо датировать, а затем просеивают, чтобы помочь сконцентрировать эти зерна целевого минерала. Фракцию выбранного размера очищают в ультразвуковой и кислотной ваннах, затем осторожно сушат в печи. Целевой минерал отделяется с использованием тяжелых жидкостей, а затем отбирается вручную под микроскопом для получения максимально чистого образца. Этот образец минерала затем осторожно выпекают в течение ночи в вакуумной печи. Эти шаги помогают удалить как можно больше атмосферного ⁴⁰Ar из образца, насколько это возможно, до проведения измерения.

Далее образец минерала нагревается до плавления в вакуумной печи, вытесняя весь газ. Точное количество аргона-38 добавляется в газ как «всплеск», чтобы помочь откалибровать измерение, и образец газа собирается на активированный уголь, охлажденный жидким азотом. Затем образец газа очищается от всех нежелательных газов, таких как Н₂O, CO₂, ТАК₂, азот и так далее, пока все, что остается инертные газыАргон среди них.

Наконец, атомы аргона подсчитываются в масс-спектрометре, машине со своими сложностями. Измерены три изотопа аргона: ³⁶Ar, ³⁸Ar и ⁴⁰Ar. Если данные этого этапа чистые, содержание атмосферного аргона можно определить, а затем вычесть для получения радиогенного ⁴⁰Ar содержание. Эта «воздушная коррекция» основана на уровне аргона-36, который поступает только из воздуха и не создается какой-либо реакцией ядерного распада. Вычитается, и пропорциональное количество ³⁸Ар и ⁴⁰Ar также вычитаются. Остальные ³⁸Ar от шипа, а остальные ⁴⁰Ar является радиогенным. Поскольку спайк точно известен, ⁴⁰Ar определяется сравнением с ним.

Различия в этих данных могут указывать на ошибки в любом месте процесса, поэтому все этапы подготовки подробно описаны.

Анализ K-Ar стоит несколько сотен долларов за образец и занимает неделю или две.

Вариант метода K-Ar дает лучшие данные, упрощая весь процесс измерения. Ключ заключается в том, чтобы поместить образец минерала в пучок нейтронов, который превращает калий-39 в аргон-39. Так как ³⁹Ar имеет очень короткий период полураспада, он заранее гарантированно отсутствует в пробе, поэтому он является четким показателем содержания калия. Преимущество состоит в том, что вся информация, необходимая для датировки образца, поступает из одного и того же измерения аргона. Точность выше, а ошибки ниже. Этот метод обычно называют «аргон-аргоновым датированием».

Физическая процедура для ⁴⁰Ar-³⁹Ар датировка такая же, за исключением трех отличий:

• Перед помещением образца минерала в вакуумную печь его облучают вместе с образцами стандартных материалов источником нейтронов.
• Здесь нет ³⁸Спайк нужен.
• Четыре изотопа Ar измеряются: ³⁶Ar, ³⁷Ar, ³⁹Ar и ⁴⁰Ar.

Анализ данных является более сложным, чем в методе K-Ar, потому что облучение создает атомы аргона из других изотопов, кроме ⁴⁰K. Эти эффекты должны быть исправлены, и процесс достаточно сложен, чтобы требовать компьютеров.

Анализ Ar-Ar стоит около 1000 долларов за образец и занимает несколько недель.

Метод Ar-Ar считается лучшим, но в старом методе K-Ar избегают некоторых из его проблем. Кроме того, более дешевый метод K-Ar можно использовать для целей скрининга или разведки, сохраняя Ar-Ar для решения самых сложных или интересных задач.

Эти методы датирования постоянно совершенствуются уже более 50 лет. Кривая обучения была долгой и далека от сегодняшней. С каждым приращением качества были найдены и приняты во внимание более тонкие источники ошибок. Хорошие материалы и умелые руки могут дать возраст, который с точностью до 1 процента, даже в скалах, возраст которых составляет всего 10 000 лет, в которых количество ⁴⁰Ар исчезающе малы.