Randki K–Ar - K–Ar dating

Datowanie potasowo-argonowe , w skrócie datowanie K-Ar , to radiometryczna metoda datowania stosowana w geochronologii i archeologii . Jest on oparty na pomiarze produktu z radioaktywnym rozpadu w izotop z potasu (K), w atmosferze argonu (Ar). Potas jest powszechnym pierwiastkiem występującym w wielu materiałach, takich jak skalenie , miki , minerały ilaste , tefra i ewaporaty . W tych materiałach produkt rozpadu40
Ar
jest w stanie wydostać się z płynnej (stopionej) skały, ale zaczyna gromadzić się, gdy skała zestala się ( rekrystalizuje ). Zachodząca sublimacja argonowa jest funkcją czystości próbki, składu materiału macierzystego i szeregu innych czynników. Czynniki te wprowadzają granice błędu na górnej i dolnej granicy datowania, tak że ostateczne określenie wieku zależy od czynników środowiskowych podczas formowania, topnienia i ekspozycji na obniżone ciśnienie lub na wolnym powietrzu. Czas od rekrystalizacji oblicza się, mierząc stosunek ilości40
Ar
 skumulowane do kwoty 40
K
pozostały. Długi okres półtrwania w40
K
pozwala na zastosowanie metody do obliczenia bezwzględnego wieku próbek starszych niż kilka tysięcy lat.

Szybko schłodzone lawy, które tworzą niemal idealne próbki do datowania metodą K-Ar, zachowują również zapis kierunku i intensywności lokalnego pola magnetycznego, gdy próbka stygnie powyżej temperatury Curie żelaza. Geomagnetyczny skala czasu polaryzacji kalibruje się głównie za pomocą K-Ar celownik.

Seria rozpadu

Dalsze informacje: Izotopy potasu

Potas naturalnie występuje w 3 izotopach: 39
K
 (93,2581%), 40
K
 (0,0117%), 41
K
 (6,7302%). 39
K
 oraz 41
K
są stabilne. ten40
K
izotop jest radioaktywny; to zanika z okresem półtrwania w1,248 × 10 9  lat do40
Ca
 oraz 40
Ar
. Konwersja do stabilnej40
Ca
występuje poprzez emisję elektronów ( rozpad beta ) w 89,3% przypadków rozpadu. Konwersja do stabilnej40
Ar
zachodzi poprzez wychwytywanie elektronów w pozostałych 10,7% przypadków rozpadu.

Argon, będąc gazem szlachetnym , jest pomniejszym składnikiem większości próbek skał o znaczeniu geochronologicznym : nie wiąże się z innymi atomami w sieci krystalicznej. Kiedy40
K
 rozpada się do 40
Ar
; atom zazwyczaj pozostaje uwięziony w sieci, ponieważ jest większy niż przestrzenie między innymi atomami w krysztale minerału. Ale może uciec do otaczającego regionu, gdy spełnione są odpowiednie warunki, takie jak zmiana ciśnienia lub temperatury.40
Ar
atomy są w stanie dyfundować i uciekać ze stopionej magmy, ponieważ większość kryształów uległa stopieniu i atomy nie są już uwięzione. Uwięziony argon – rozproszony argon, który nie wydostaje się z magmy – może ponownie zostać uwięziony w kryształach, gdy magma ostygnie, by ponownie stać się twardą skałą. Po rekrystalizacji magmy więcej40
K
 rozpadnie się i 40
Ar
ponownie akumuluje się wraz z porwanymi atomami argonu, uwięzionymi w kryształach minerałów. Pomiar ilości40
Ar
 atomy służy do obliczania czasu, jaki upłynął od zestalenia próbki skały.

Mimo 40
Ca
 będąc ulubionym nuklidem potomnym, rzadko jest przydatny do datowania, ponieważ wapń jest tak powszechny w skorupie, z 40
Ca
będąc najpowszechniejszym izotopem. W związku z tym ilość pierwotnie obecnego wapnia nie jest znana i może się zmieniać na tyle, aby zakłócić pomiary niewielkich wzrostów wywołanych rozpadem radioaktywnym.

Formuła

Stosunek ilości 40
Ar
 do tej 40
K
 jest bezpośrednio związany z czasem, który upłynął od momentu, gdy skała była wystarczająco chłodna, aby uwięzić Ar za pomocą równania

,

gdzie

  • t jest czas, jaki upłynął
  • T 1/2 jest okres półtrwania w40
    K
  • K f jest wielkością40
    K
     pozostałe w próbce
  • Ar f to ilość40
    Ar
     znalezione w próbce.

Współczynnik skali 0,109 koryguje niezmierzony ułamek 40
K
 który rozpadł się na 40
Ca
; suma zmierzonych40
K
 i skalowana ilość 40
Ar
 daje kwotę 40
K
który był obecny na początku upływającego okresu. W praktyce każda z tych wartości może być wyrażona jako proporcja całkowitego obecnego potasu, ponieważ wymagane są tylko ilości względne, a nie bezwzględne.

Pozyskiwanie danych

Aby uzyskać stosunek zawartości izotopów 40
Ar
 do 40
K
w skale lub minerale ilość Ar mierzy się metodą spektrometrii masowej gazów uwalnianych, gdy próbka skały ulatnia się w próżni. Potas jest określany ilościowo za pomocą fotometrii płomieniowej lub spektroskopii absorpcji atomowej .

Ilość 40
K
rzadko jest mierzona bezpośrednio. Raczej bardziej powszechne39
K
 jest mierzony i ilość ta jest następnie mnożona przez przyjęty stosunek 40
K
/39
K
 (tj. 0,0117%/93,2581%, patrz wyżej).

Ilość 40
Ar
 jest również mierzony w celu oceny, jaka część całkowitego argonu pochodzi z atmosfery.

Założenia

Według McDougalla i Harrisona (1999 , s. 11) następujące założenia muszą być prawdziwe, aby obliczone daty były akceptowane jako reprezentujące prawdziwy wiek skały:

  • Nuklid macierzysty, 40
    K
    , rozpada się z szybkością niezależną od jego stanu fizycznego i nie mają na niego wpływu różnice ciśnienia ani temperatury. Jest to dobrze ugruntowane główne założenie, wspólne dla wszystkich metod datowania opartych na rozpadzie promieniotwórczym. Chociaż zmiany w wychwytywaniu elektronów częściowego zaniku stała dla40
    K
     prawdopodobnie mogą wystąpić przy wysokich ciśnieniach, obliczenia teoretyczne wskazują, że dla ciśnień doświadczanych w ciele wielkości Ziemi skutki są pomijalnie małe.
  • ten 40
    K
    /39
    K
     stosunek w przyrodzie jest stały, więc 40
    K
    rzadko jest mierzony bezpośrednio, ale zakłada się, że wynosi 0,0117% całkowitego potasu. O ile w czasie schładzania nie jest aktywny jakiś inny proces, jest to bardzo dobre założenie dla próbek naziemnych.
  • Radiogeniczny argon zmierzony w próbce został wytworzony przez rozpad in situ 40
    K
    w przedziale od czasu krystalizacji lub rekrystalizacji skały. Naruszenia tego założenia nie są rzadkością. Znane przykłady włączenia obcych40
    Ar
     obejmują schłodzone szkliste bazalty głębinowe, które nie zostały całkowicie odgazowane wcześniej istniejących 40
    Ar
    * oraz fizyczne zanieczyszczenie magmy przez włączenie starszego materiału ksenolitycznego. Celownik Ar-Ar Metoda ta została opracowana w celu pomiaru obecności obcego argonu.
  • Niezbędna jest duża ostrożność, aby uniknąć zanieczyszczenia próbek przez absorpcję substancji nieradiogenicznych 40
    Ar
    z atmosfery. Równanie można poprawić, odejmując od40
    Ar
    wartość zmierzona ilość obecna w powietrzu, gdzie40
    Ar
     jest 295,5 razy więcej niż 36
    Ar
    . 40
    Ar
    zepsuty =40
    Ar
    zmierzone − 295,5 ×36
    Ar
    zmierzone .
  • Próbka musiała pozostać zamkniętym systemem od momentu datowania wydarzenia. W związku z tym nie powinno być żadnych strat ani zysków40
    K
     lub 40
    Ar
    *, inne niż przez radioaktywny rozpad 40
    K
    . Odstępstwa od tego założenia są dość powszechne, szczególnie na obszarach o złożonej historii geologicznej, ale takie odstępstwa mogą dostarczyć użytecznych informacji, które są cenne w wyjaśnianiu historii termicznych. Niedobór40
    Ar
    w próbce o znanym wieku może wskazywać na całkowite lub częściowe stopienie w historii termicznej obszaru. Wiarygodność datowania cech geologicznych zwiększa pobieranie próbek z różnych obszarów, które zostały poddane nieco innym przebiegom termicznym.

Zarówno fotometria płomieniowa, jak i spektrometria masowa są badaniami niszczącymi, dlatego należy zachować szczególną ostrożność, aby zastosowane porcje były rzeczywiście reprezentatywne dla próbki. Datowanie Ar-Ar jest podobną techniką, która porównuje stosunki izotopowe z tej samej części próbki, aby uniknąć tego problemu.

Aplikacje

Ze względu na długi okres półtrwania w40
K
, technika ta jest najbardziej odpowiednia do datowania minerałów i skał mających ponad 100 000 lat. W przypadku krótszych ram czasowych jest mało prawdopodobne, że wystarczy40
Ar
będzie miał czas na zgromadzenie w celu dokładnego zmierzenia. Datowanie K–Ar odegrało kluczową rolę w rozwoju skali czasu polaryzacji geomagnetycznej . Chociaż znajduje największe zastosowanie w zastosowaniach geologicznych , odgrywa ważną rolę w archeologii . Jednym z zastosowań archeologicznych było uwzględnienie wieku złóż archeologicznych w wąwozie Olduvai poprzez datowanie przepływów lawy powyżej i poniżej złóż. Jest również niezbędny w innych miejscach wczesnej wschodniej Afryki z historią aktywności wulkanicznej , takich jak Hadar w Etiopii . Metoda K–Ar nadal ma zastosowanie w datowaniu diagenezy minerałów ilastych . W 2017 r . odnotowano pomyślne datowanie illit powstałych w wyniku wietrzenia . Odkrycie to pośrednio prowadzić do datowania strandflat z zachodniej Norwegii , gdzie był próbą z illit. Minerały ilaste mają grubość mniejszą niż 2 μm i nie mogą być łatwo napromieniowane do analizy Ar-Ar, ponieważ Ar odrzuca się od sieci krystalicznej.

W 2013 roku łazik Mars Curiosity zastosował metodę K–Ar do datowania skały na powierzchni Marsa, po raz pierwszy datując skałę na podstawie składników mineralnych, gdy znajdowała się ona na innej planecie.

Uwagi

Bibliografia

Dalsza lektura