Metode kalijevega in argonskega datiranja

Dean Conger / sodelavec / Getty Images

Kalijev argon (K-Ar)izotopsko datiranjeMetoda je še posebej uporabna za določanje starosti lave. Razvit v petdesetih letih 20. stoletja je bil pomemben pri razvoju teorije o tektonske plošče in pri umerjanjugeološka časovna lestvica.

Osnove kalija in argona

kalij pojavlja se v dveh stabilnih izotopih (⁴¹K in³⁹K) in en radioaktivni izotop (⁴⁰K). Kalij-40 razpade z razpolovno dobo 1250 milijonov let, kar pomeni, da polovica⁴⁰K atomi po tem času izginejo. Pri njegovem razpadu nastaneta argon-40 in kalcij-40 v razmerju 11 proti 89. Metoda K-Ar deluje s štetjem teh radiogenih⁴⁰Atomi Ar ujeti v mineralih.

Kar poenostavlja stvari, je, da je kalij reaktivna kovina, argon pa inertni plin: kalij je vedno tesno zaklenjen v mineralih, medtem ko argon ni del nobenih mineralov. Argon predstavlja 1 odstotek atmosfere. Ob predpostavki, da v mineralno zrno, ko se prvič oblikuje, ne pride zrak, je vsebnost argona nična. To pomeni, da ima sveže mineralno zrno K-Ar 'uro' nastavljeno na nič.

Metoda temelji na izpolnjevanju nekaterih pomembnih predpostavk:

1. Kalij in argon morata ostati v mineralu skozi geološki čas. Tega je najtežje zadovoljiti.
2. Vse lahko natančno izmerimo. To zagotavljajo napredni instrumenti, strogi postopki in uporaba standardnih mineralov.
3. Poznamo natančno naravno mešanico izotopov kalija in argona. Te podatke so nam dala desetletja temeljnih raziskav.
4. Popravimo lahko morebitni argon iz zraka, ki pride v mineral. To zahteva dodaten korak.

S skrbnim delom na terenu in v laboratoriju je te predpostavke mogoče izpolniti.

Metoda K-Ar v praksi

Vzorec kamnine, ki ga želite datirati, je treba izbrati zelo previdno. Kakršna koli sprememba ali lomljenje pomeni, da je bil kalij ali argon ali oba motena. Mesto mora biti tudi geološko pomembno, jasno povezano s kamninami, ki vsebujejo fosile, ali drugimi značilnostmi, ki potrebujejo dober datum, da se pridružijo veliki zgodbi. Tokovi lave, ki ležijo nad in pod skalnimi posteljami s starodavnimi človeškimi fosili, so dober in resničen primer.

Mineral sanidin, visokotemperaturna oblika kalijev glinenec , je najbolj zaželen. Ampak sljude , plagioklaz, rogovače, gline in drugi minerali lahko dajo dobre podatke, kot tudi analize celotne kamnine. Mlade kamnine imajo nizke ravni⁴⁰Ar, tako da bo morda potrebnih kar nekaj kilogramov. Vzorci kamnin se zabeležijo, označijo, zapečatijo in na poti v laboratorij hranijo brez kontaminacije in prekomerne toplote.

V čisti opremi se vzorci kamnin zdrobijo do velikosti, ki ohrani cela zrna minerala, ki ga je treba datirati, nato pa se presejejo, da se ta zrna ciljnega minerala koncentrirajo. Izbrano frakcijo velikosti očistimo v ultrazvočni in kislinski kopeli, nato pa nežno posušimo v pečici. Ciljni mineral je ločen s težkimi tekočinami, nato pa ročno izbran pod mikroskopom za najčistejši možni vzorec. Ta mineralni vzorec se nato čez noč nežno peče v vakuumski peči. Ti koraki pomagajo odstraniti čim več atmosfere⁴⁰Ar iz vzorca, kolikor je mogoče, preden opravite meritev.

Nato se mineralni vzorec segreje do taljenja v vakuumski peči, pri čemer se izloči ves plin. Plinu se doda natančna količina argona-38 kot 'konica' za pomoč pri kalibraciji meritve, vzorec plina pa se zbere na aktivno oglje, ohlajeno s tekočim dušikom. Nato se vzorec plina očisti vseh neželenih plinov, kot je H_dvaO ČEM_dva, SO_dva, dušik in tako naprej, dokler ne ostanejo le inertni plini , med njimi argon.

Končno se atomi argona preštejejo v masnem spektrometru, stroju s svojo zapletenostjo. Merijo se trije izotopi argona:³⁶z,³⁸Ar in⁴⁰Ar. Če so podatki iz tega koraka čisti, je mogoče določiti številčnost atmosferskega argona in ga nato odšteti, da dobimo radiogeni⁴⁰Ar vsebina. Ta 'zračni popravek' temelji na ravni argona-36, ki prihaja le iz zraka in ne nastane z nobeno reakcijo jedrskega razpada. Odšteje se in sorazmerna količina³⁸Ar in⁴⁰Ar se prav tako odštejejo. Preostanek³⁸Ar je iz konice in preostali⁴⁰Ar je radiogen. Ker je konica natančno znana, je⁴⁰Ar se določi v primerjavi z njim.

Variacije v teh podatkih lahko kažejo na napake kjerkoli v procesu, zato so vsi koraki priprave podrobno zabeleženi.

Analize K-Ar stanejo nekaj sto dolarjev na vzorec in trajajo teden ali dva.

Metoda 40Ar-39Ar

Različica metode K-Ar daje boljše podatke, saj poenostavi celoten postopek merjenja. Ključno je postaviti vzorec minerala v nevtronski žarek, ki pretvori kalij-39 v argon-39. Ker³⁹Ar ima zelo kratko razpolovno dobo, zagotovljeno je, da ga vnaprej ni v vzorcu, zato je jasen pokazatelj vsebnosti kalija. Prednost je, da vse informacije, potrebne za datiranje vzorca, izvirajo iz iste meritve argona. Natančnost je večja, napake pa manjše. Ta metoda se običajno imenuje 'datiranje argon-argon'.

Fizični postopek za⁴⁰z-³⁹Ar zmenki so enaki, razen treh razlik:

• Preden vzorec minerala damo v vakuumsko peč, ga skupaj z vzorci standardnih materialov obsevamo z virom nevtronov.
• Ne obstaja³⁸Potrebna je konica Ar.
• Merijo se štirje izotopi Ar:³⁶z,³⁷z,³⁹Ar in⁴⁰z.

Analiza podatkov je bolj zapletena kot pri metodi K-Ar, ker obsevanje ustvarja atome argona iz drugih izotopov.⁴⁰K. Te učinke je treba popraviti, postopek pa je dovolj zapleten, da potrebuje računalnike.

Analize Ar-Ar stanejo okoli 1000 USD na vzorec in trajajo več tednov.

Zaključek

Metoda Ar-Ar velja za boljšo, vendar se nekaterim njenim težavam izognemo pri starejši metodi K-Ar. Tudi cenejšo K-Ar metodo lahko uporabimo za pregledovanje ali izvidovanje, pri čemer Ar-Ar prihranimo za najzahtevnejše ali najzanimivejše probleme.

Te metode zmenkov se nenehno izboljšujejo že več kot 50 let. Krivulja učenja je bila dolga in danes še zdaleč ni končana. Z vsakim povečanjem kakovosti so bili najdeni in upoštevani bolj subtilni viri napak. Dobri materiali in spretne roke lahko zagotovijo starost, ki je gotova do 1 odstotka, tudi v kamninah, starih le 10.000 let, v katerih so količine⁴⁰Ar so izginjajoče majhne.