Metody datowania potasowo-argonowego

Dean Conger / Współtwórca/Getty Images

Potas-argon (K-Ar)randki izotopowemetoda jest szczególnie przydatna do określania wieku law. Opracowany w latach 50. był ważny w rozwoju teorii Płyty tektoniczne i przy kalibracjigeologiczna skala czasu.

Podstawy potasu i argonu

Potas występuje w dwóch stabilnych izotopach (⁴¹K i³⁹K) i jeden izotop promieniotwórczy (⁴⁰K). Potas-40 rozpada się z okresem półtrwania 1250 milionów lat, co oznacza, że ​​połowa⁴⁰Po tym czasie atomy K znikają. Jego rozpad daje argon-40 i wapń-40 w stosunku 11 do 89. Metoda K-Ar polega na liczeniu tych radiogenicznych⁴⁰Atomy Ar uwięzione w minerałach.

Upraszcza to fakt, że potas jest metalem reaktywnym, a argon gazem obojętnym: potas jest zawsze szczelnie zamknięty w minerałach, podczas gdy argon nie wchodzi w skład żadnych minerałów. Argon stanowi 1 procent atmosfery. Zakładając więc, że do ziarna mineralnego nie dostaje się powietrze, gdy powstaje, ma ono zerową zawartość argonu. To znaczy, że świeże ziarno mineralne ma swój „zegar” K-Ar ustawiony na zero.

Metoda opiera się na spełnieniu kilku 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 użycie standardowych minerałów.
3. Znamy dokładną naturalną mieszankę izotopów potasu i argonu. Dziesięciolecia badań podstawowych dały nam te dane.
4. Możemy skorygować każdy argon z powietrza, który dostanie się do minerału. To wymaga dodatkowego kroku.

Przy starannej pracy w terenie iw laboratorium te założenia można spełnić.

Metoda K-Ar w praktyce

Próbkę skały do ​​datowania należy dobierać bardzo starannie. Wszelkie zmiany lub pęknięcia oznaczają, że potas lub argon lub oba zostały zakłócone. Miejsce to musi mieć również znaczenie geologiczne, wyraźnie powiązane ze skałami zawierającymi skamieliny lub innymi cechami, które wymagają dobrej daty, aby dołączyć do wielkiej historii. Dobrym i prawdziwym przykładem są strumienie lawy leżące nad i pod pokładami skalnymi ze starożytnymi ludzkimi skamieniałościami.

Sanidyna mineralna, wysokotemperaturowa forma skaleń potasowy , jest najbardziej pożądana. Ale miki , plagioklaz, hornblenda, gliny i inne minerały mogą dostarczyć dobrych danych, podobnie jak analizy całych skał. Młode skały mają niski poziom⁴⁰Ar, więc potrzeba nawet kilku kilogramów. Próbki skał są rejestrowane, znakowane, zamykane i przechowywane w stanie wolnym od zanieczyszczeń i nadmiernego ciepła w drodze do laboratorium.

Próbki skał są kruszone w czystym sprzęcie do rozmiaru pozwalającego na zachowanie całych ziaren datowanego minerału, a następnie przesiewane w celu zagęszczenia tych ziaren docelowego minerału. Wybrana frakcja wielkościowa jest czyszczona w kąpieli ultradźwiękowej i kwaśnej, a następnie delikatnie suszona w piecu. Docelowy minerał jest oddzielany za pomocą ciężkich płynów, a następnie ręcznie wybierany pod mikroskopem w celu uzyskania możliwie najczystszej próbki. Ta próbka mineralna jest następnie delikatnie wypalana przez noc w piecu próżniowym. Te kroki pomagają usunąć jak najwięcej atmosfery⁴⁰Ar z próbki jak to możliwe przed wykonaniem pomiaru.

Następnie próbka mineralna jest podgrzewana do stopienia w piecu próżniowym, usuwając cały gaz. Precyzyjna ilość argonu-38 jest dodawana do gazu jako „skok”, aby pomóc w kalibracji pomiaru, a próbka gazu jest zbierana na węglu aktywnym chłodzonym ciekłym azotem. Następnie próbka gazu jest oczyszczana ze wszystkich niechcianych gazów, takich jak H_dwaO, CO_dwa, WIĘC_dwa, azot i tak dalej, aż wszystko, co pozostanie, to gazy obojętne , wśród nich argon.

Wreszcie atomy argonu są liczone w spektrometrze mas, maszynie o własnej złożoności. Mierzone są trzy izotopy argonu:³⁶Z,³⁸Ar, i⁴⁰Ar. Jeśli dane z tego etapu są czyste, można określić obfitość atmosferycznego argonu, a następnie odjąć, aby uzyskać radiogeniczny⁴⁰Zawartość Ar. Ta „korekta powietrzna” opiera się na poziomie argonu-36, który pochodzi tylko z powietrza i nie powstaje w wyniku reakcji rozpadu jądrowego. Jest odejmowana, a proporcjonalna ilość³⁸Ar i⁴⁰Ar są również odejmowane. Pozostałe³⁸Ar jest z kolca, a pozostałe⁴⁰Ar jest radiogeniczny. Ponieważ kolec jest dokładnie znany,⁴⁰Ar jest określane 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.

Metoda 40Ar-39Ar

Wariant metody K-Ar daje lepsze dane, upraszczając cały proces pomiarowy. Kluczem jest umieszczenie próbki minerału w wiązce neutronów, która zamienia potas-39 w argon-39. Dlatego³⁹Ar ma bardzo krótki okres półtrwania, na pewno 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 mniejsze. Ta metoda jest powszechnie nazywana „datowaniem argon-argon”.

Fizyczna procedura dla⁴⁰Z-³⁹Datowanie Ar jest takie samo, z wyjątkiem trzech różnic:

• Zanim próbka mineralna zostanie umieszczona w piecu próżniowym, jest naświetlana wraz z próbkami materiałów standardowych przez źródło neutronów.
• Nie ma³⁸Kolec Ar potrzebny.
• Mierzone są cztery izotopy Ar:³⁶Z,³⁷Z,³⁹Ar, i⁴⁰Z.

Analiza danych jest bardziej złożona niż w metodzie K-Ar, ponieważ napromieniowanie tworzy atomy argonu z innych izotopów⁴⁰K. Te efekty muszą zostać poprawione, a proces jest na tyle skomplikowany, że wymaga komputerów.

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

Wniosek

Metoda Ar-Ar jest uważana za lepszą, ale niektórych jej problemów unika się w starszej metodzie K-Ar. Również tańszą metodę K-Ar można wykorzystać do celów przesiewowych lub rozpoznawczych, oszczędzając Ar-Ar na najbardziej wymagające lub interesujące problemy.

Te metody datowania są stale ulepszane od ponad 50 lat. Krzywa uczenia się trwała długo i jest daleka od zakończenia. Z każdym wzrostem jakości znajdowano i brano pod uwagę bardziej subtelne źródła błędów. Dobre materiały i wprawne ręce mogą dać wiek z pewnością z dokładnością do 1 procenta, nawet w skałach mających zaledwie 10 000 lat, w których ilości⁴⁰Ar są znikomo małe.