Изотопный метод датирования калий-аргоном (K-Ar) особенно полезен для определения возраста лав. Разработанный в 1950-х годах, он сыграл важную роль в развитии теории тектоники плит и калибровке геологической шкалы времени.
Основы калий-аргона
Калий содержится в двух стабильных изотопах ( 41 K и 39 K) и в одном радиоактивном изотопе ( 40 К). Калий-40 распадается с периодом полураспада 1250 миллионов лет, что означает, что половина атомов 40 K исчезает по истечении этого промежутка времени. Его распад дает аргон-40 и кальций-40 в соотношении 11 к 89. Метод K-Ar работает путем подсчета этих радиогенных 40 атомов Ar, захваченных внутри минералов.
Что упрощает, так это то, что калий является химически активным металлом, а аргон – инертным газом: калий всегда плотно заключен в минералах, тогда как аргон не входит в состав каких-либо минералов. Аргон составляет 1 процент атмосферы. Итак, если предположить, что воздух не попадает в минеральное зерно при его первом образовании, то в нем нулевое содержание аргона. Таким образом, у свежего минерального зерна “часы” K-Ar установлены на ноль.
Метод основан на удовлетворении некоторых важных предположений:
- Калий и аргон должны оставаться в минерале в течение геологического времени. Это сложнее всего удовлетворить.
- Мы можем все точно измерить. Передовые инструменты, строгие процедуры и использование стандартных минералов гарантируют это.
- Мы знаем точное естественное сочетание изотопов калия и аргона. Эти данные дали нам десятилетия фундаментальных исследований.
- Мы можем исправить любой аргон из воздуха, который попадает в минерал. Это требует дополнительного шага.
При тщательной работе в полевых условиях и в лаборатории эти предположения могут быть выполнены.
Практика метода K-Ar
Образец породы, который нужно датировать, должен выбираться очень тщательно. Любые изменения или трещины означают, что нарушены калий, или аргон, или и то, и другое. Это место также должно быть геологически значимым, четко связанным с ископаемыми породами или другими объектами, которым требуется хорошее свидание, чтобы присоединиться к большой истории. Потоки лавы, которые лежат над и под слоями скал с древними окаменелостями человека, являются хорошим и верным примером.
Минерал санидин, высокотемпературная форма калиевый полевой шпат является наиболее желательным. Но слюды, плагиоклаз, роговая обманка, глины и другие минералы могут дать хорошие данные, как и анализ всей породы. Молодые породы имеют низкий уровень 40 Ar, поэтому может потребоваться несколько килограммов. Образцы горных пород записываются, маркируются, запечатываются и хранятся вдали от загрязнений и чрезмерного нагрева по пути в лабораторию.
Образцы горных пород измельчаются в чистом оборудовании , до размера, при котором сохраняются цельные зерна минерала для датировки, а затем просеиваются, чтобы помочь сконцентрировать эти зерна целевого минерала.. Фракция выбранного размера очищается в ультразвуковых и кислотных ваннах, затем сушится в духовке. Целевой минерал отделяется с использованием тяжелых жидкостей, а затем вручную отбирается под микроскопом для получения максимально чистого образца. Затем этот образец минерала осторожно запекают в вакуумной печи в течение ночи. Эти шаги помогают удалить как можно больше атмосферного 40 Ar из образца перед выполнением измерения.
Затем Образец минерала нагревается до плавления в вакуумной печи, вытесняя весь газ. Точное количество аргона-38 добавляется к газу в виде «пика», чтобы помочь калибровке измерения, и образец газа собирается на активированный уголь, охлаждаемый жидким азотом. Затем проба газа очищается от всех нежелательных газов, таких как H 2 O, CO 2 , SO 2 , азот. и так далее, пока все, что останется, это инертные газы, в том числе аргон.
Наконец, атомы аргона подсчитываются в масс-спектрометре, машине с свои собственные сложности. Измеряются три изотопа аргона: 36 Ar, 38 Ar и 40 Ar. Если данные этого шага чистые, можно определить содержание атмосферного аргона, а затем вычесть его, чтобы получить содержание радиогенного аргона 40 . Эта «поправка на воздух» основана на уровне аргона-36, который поступает только из воздуха и не создается какой-либо реакцией ядерного распада. Он вычитается, и пропорциональное количество 38 Ar и 40 Ar также вычитается. Оставшееся 38 Ar получено из шипа, а оставшееся 40 Ar является радиогенным. Поскольку пик точно известен, 40 Ar определяется путем сравнения с ним.
Вариации в этих данных могут указывать на к ошибкам в любом месте процесса, поэтому все этапы подготовки подробно записываются.
Анализ K-Ar стоит несколько сотен долларов за образец и требует неделю или две.
Метод 40Ar-39Ar
Вариант метода K-Ar дает более точные данные, делая общий процесс измерения проще. Ключ состоит в том, чтобы поместить образец минерала в пучок нейтронов, который превращает калий-39 в аргон-39. Поскольку 39 Ar имеет очень короткий период полураспада, он заранее гарантированно отсутствует в образце, так что это явный индикатор содержания калия. Преимущество состоит в том, что вся информация, необходимая для датировки образца, поступает из одного измерения аргона. Точность выше, а ошибки меньше. Этот метод обычно называется «аргон-аргоновое датирование».
Физическая процедура для 40 Ar – 39 Ar-датирование такое же, за исключением трех отличий:
- Перед тем, как образец минерала будет помещен в вакуумную печь, он облучается нейтронным источником вместе с образцами стандартных материалов.
- Нет необходимости в 38 Ar spike.
- Измерены четыре изотопа Ar: 36 Ar, 37 Ar, 39 Ar. , и 40Ar.
Анализ данных сложнее, чем в K-Ar метод, потому что облучение создает атомы аргона из других изотопов, кроме 40 K. Эти эффекты необходимо исправить, а процесс достаточно сложен, чтобы потребоваться компьютеры.
Анализ Ar-Ar стоит около 1000 долларов за образец и занимает несколько недель.
Заключение
Метод Ar-Ar считается лучшим, но некоторые из его проблем устранены в более старом методе K-Ar. Кроме того, более дешевый метод K-Ar можно использовать для целей досмотра или разведки, экономя Ar-Ar для наиболее сложных или интересных задач.
Эти методы датирования находятся в постоянном совершенствовании более 50 лет. Кривая обучения была долгой и еще далека от завершения. С каждым повышением качества обнаруживаются и принимаются во внимание более тонкие источники ошибок. Хорошие материалы и умелые руки могут определить возраст с точностью до 1 процента, даже в породах возрастом всего 10 000 лет, в которых количества 40 Ar исчезающе малы.
