Kalium-Argon-dateringsmetoder: K-Ar och Ar-Ar-datering

Kalium-argon (K-Ar) isotopisk dejting metoden är särskilt användbar för att bestämma lavas ålder. Utvecklad på 1950-talet var det viktigt att utveckla teorin om platta tektonik och vid kalibrering av geologisk tidsskala.

Kalium förekommer i två stabila isotoper (⁴¹K och ³⁹K) och en radioaktiv isotop (⁴⁰K). Kalium-40 sönderfaller med en halveringstid på 1250 miljoner år, vilket betyder att hälften av ⁴⁰K atomer är borta efter det tidsintervallet. Dess förfall ger argon-40 och kalcium-40 i ett förhållande av 11 till 89. K-Ar-metoden fungerar genom att räkna dessa radiogener ⁴⁰Ar atomer fångade in i mineraler.

Det som förenklar saker är att kalium är en reaktiv metall och argon är en inert gas: Kalium är alltid tätt fast i mineraler medan argon inte ingår i några mineraler. Argon utgör 1 procent av atmosfären. Så förutsatt att ingen luft kommer in i ett mineralkorn när det först bildas, har det noll argoninnehåll. Det vill säga ett färskt mineralkorn har sin K-Ar "klocka" inställd på noll.

Metoden förlitar sig på att uppfylla några viktiga antaganden:

1. Kalium och argon måste båda stanna i mineralen under geologisk tid. Detta är den svåraste att tillfredsställa.
2. Vi kan mäta allt exakt. Avancerade instrument, strikta procedurer och användning av standardmineraler säkerställer detta.
3. Vi vet den exakta naturliga blandningen av kalium- och argonisotoper. Årtionden av grundforskning har gett oss dessa uppgifter.
4. Vi kan korrigera för alla argon från luften som kommer in i mineralet. Detta kräver ett extra steg.

Med tanke på noggrant arbete i fältet och i labbet kan dessa antaganden uppfyllas.

Bergprovet som ska dateras måste väljas mycket noggrant. Varje förändring eller sprickning innebär att kalium eller argon eller båda har störts. Webbplatsen måste också vara geologiskt meningsfull, tydligt relaterad till fossilbärande bergarter eller andra funktioner som behöver ett bra datum för att gå med i den stora historien. Lavaflöden som ligger över och under stenbäddar med forntida mänskliga fossiler är ett bra - och sant - exempel.

Mineralet sanidine, den höga temperaturen form av kaliumfältspar, är det mest önskvärda. Men glimmer, plagioclase, hornblende, leror och andra mineraler kan ge god data, liksom helbergsanalyser. Unga stenar har låga nivåer av ⁴⁰Ar, så mycket som flera kilogram kan behövas. Bergprover registreras, markeras, förseglas och hålls fria från föroreningar och överdriven värme på väg till labbet.

Bergproverna krossas, i ren utrustning, till en storlek som bevarar hela korn av mineralen som ska dateras och siktas sedan för att hjälpa till att koncentrera dessa korn från målmineralen. Den valda storleksfraktionen rengörs i ultraljuds- och syrabad, därefter ugntorkas försiktigt. Målmineralet separeras med hjälp av tunga vätskor, plockas sedan hand under mikroskopet för det renaste möjliga provet. Detta mineralprov bakas sedan försiktigt över natten i en vakuumugn. Dessa steg hjälper till att ta bort lika mycket atmosfärisk ⁴⁰Ar från provet som möjligt innan mätningen görs.

Därefter värms mineralprovet till att smälta i en vakuumugn, och driva ut all gas. En exakt mängd argon-38 sättes till gasen som en "spik" för att hjälpa till att kalibrera mätningen, och gasprovet samlas på aktivt kol kylt med flytande kväve. Sedan rengörs gasprovet från alla oönskade gaser, såsom H₂O, CO₂, SÅ₂, kväve och så vidare tills allt som återstår är inerta gaser, argon bland dem.

Slutligen räknas argonatomerna i en masspektrometer, en maskin med sina egna komplexiteter. Tre argonisotoper mäts: ³⁶ar, ³⁸Ar och ⁴⁰Ar. Om data från detta steg är rena kan överflödet av atmosfäriskt argon bestämmas och sedan subtraheras för att ge radiogen ⁴⁰Ar innehåll. Denna "luftkorrigering" är beroende av nivån av argon-36, som endast kommer från luften och inte skapas av någon kärnkraftsreaktion. Det dras av och en proportionell mängd av ³⁸Ar och ⁴⁰Ar dras också bort. De återstående ³⁸Ar är från spiken, och de resterande ⁴⁰Ar är radiogen. Eftersom piggen är exakt känd, är ⁴⁰Ar bestäms genom jämförelse med den.

Variationer i dessa data kan peka på fel var som helst i processen, varför alla steg i förberedelsen registreras i detalj.

K-Ar-analyser kostar flera hundra dollar per prov och tar en vecka eller två.

En variant av K-Ar-metoden ger bättre data genom att göra den övergripande mätprocessen enklare. Nyckeln är att lägga mineralprovet i en neutronstråle, som omvandlar kalium-39 till argon-39. Eftersom ³⁹Ar har en mycket kort halveringstid, det är garanterat frånvarande i provet i förväg, så det är en tydlig indikator på kaliuminnehållet. Fördelen är att all information som behövs för att datera provet kommer från samma argonmätning. Noggrannheten är större och felen är lägre. Denna metod kallas vanligen "argon-argon dating."

Den fysiska proceduren för ⁴⁰Ar³⁹Ar-datering är densamma förutom tre skillnader:

• Innan mineralprovet placeras i vakuumugnen bestrålas det tillsammans med prover av standardmaterial av en neutronkälla.
• Det finns inget ³⁸Ar spike behövs.
• Fyra Ar-isotoper mäts: ³⁶ar, ³⁷ar, ³⁹Ar och ⁴⁰Ar.

Analysen av uppgifterna är mer komplex än i K-Ar-metoden eftersom bestrålningen skapar argonatomer från andra isotoper förutom ⁴⁰K. Dessa effekter måste korrigeras, och processen är tillräckligt komplicerad för att kräva datorer.

Ar-Ar-analyser kostar cirka $ 1000 per prov och tar flera veckor.

Ar-Ar-metoden anses överlägsen, men vissa av dess problem undviks i den äldre K-Ar-metoden. Dessutom kan den billigare K-Ar-metoden användas för screening eller rekognoseringsändamål, vilket sparar Ar-Ar för de mest krävande eller intressanta problem.

Dessa dateringsmetoder har varit under ständig förbättring i mer än 50 år. Inlärningskurvan har varit lång och är långt ifrån över idag. Med varje kvalitetsökning har mer subtila felkällor hittats och beaktats. Bra material och skickliga händer kan ge åldrar som är säkra till inom 1 procent, även i stenar som bara är 10 000 år gamla, i vilka mängder ⁴⁰Ar är försvinnande små.