Kalium-argon dateringsmethoden

Dean Conger/bijdrager/Getty Images

Het kalium-argon (K-Ar)isotopen datenmethode is vooral handig voor het bepalen van de leeftijd van lava's. Ontwikkeld in de jaren 1950, was het belangrijk bij het ontwikkelen van de theorie van platentektoniek en bij het kalibreren van degeologische tijdschaal.

Basisprincipes van kalium-argon

Potassium komt voor in twee stabiele isotopen (⁴¹K en³⁹K) en een radioactieve isotoop (⁴⁰K). Kalium-40 vervalt met een halfwaardetijd van 1250 miljoen jaar, wat betekent dat de helft van de⁴⁰K-atomen zijn verdwenen na die tijdspanne. Het verval ervan levert argon-40 en calcium-40 op in een verhouding van 11 tot 89. De K-Ar-methode werkt door deze radiogene⁴⁰Ar-atomen gevangen in mineralen.

Wat de zaken vereenvoudigt, is dat kalium een ​​reactief metaal is en argon een inert gas: kalium zit altijd stevig opgesloten in mineralen, terwijl argon geen deel uitmaakt van mineralen. Argon vormt 1 procent van de atmosfeer. Dus aangenomen dat er geen lucht in een mineraalkorrel komt wanneer het zich voor het eerst vormt, heeft het nul argongehalte. Dat wil zeggen, een verse minerale korrel heeft zijn K-Ar 'klok' op nul gezet.

De methode is gebaseerd op het voldoen aan enkele belangrijke veronderstellingen:

1. Het kalium en argon moeten beide gedurende geologische tijd in het mineraal blijven zitten. Dit is de moeilijkste om te bevredigen.
2. Wij kunnen alles nauwkeurig meten. Geavanceerde instrumenten, rigoureuze procedures en het gebruik van standaard mineralen zorgen hiervoor.
3. We kennen de precieze natuurlijke mix van kalium- en argonisotopen. Decennia van fundamenteel onderzoek hebben ons deze gegevens opgeleverd.
4. We kunnen corrigeren voor elk argon uit de lucht dat in het mineraal terechtkomt. Dit vereist een extra stap.

Door zorgvuldig werk in het veld en in het laboratorium kan aan deze veronderstellingen worden voldaan.

De K-Ar-methode in de praktijk

Het te dateren gesteentemonster moet zeer zorgvuldig worden gekozen. Elke wijziging of breuk betekent dat het kalium of het argon of beide zijn verstoord. De site moet ook geologisch betekenisvol zijn, duidelijk gerelateerd aan fossielenhoudende rotsen of andere kenmerken die een goede datum nodig hebben om deel te nemen aan het grote verhaal. Lavastromen die boven en onder rotsbedden met oude menselijke fossielen liggen, zijn een goed - en waar - voorbeeld.

Het mineraal sanidine, de vorm bij hoge temperatuur van kalium veldspaat , is het meest wenselijk. Maar mica's , plagioklaas, hoornblende, klei en andere mineralen kunnen goede gegevens opleveren, evenals analyses van hele rotsen. Jonge rotsen hebben lage niveaus van⁴⁰Ar, dus er kunnen meerdere kilo's nodig zijn. Gesteentemonsters worden op weg naar het laboratorium geregistreerd, gemarkeerd, verzegeld en vrijgehouden van verontreiniging en overmatige hitte.

De gesteentemonsters worden in schone apparatuur vermalen tot een grootte die hele korrels van het te dateren mineraal bewaart, en vervolgens gezeefd om deze korrels van het beoogde mineraal te helpen concentreren. De geselecteerde groottefractie wordt gereinigd in ultrasone en zuurbaden en vervolgens voorzichtig in de oven gedroogd. Het doelmineraal wordt gescheiden met behulp van zware vloeistoffen en vervolgens met de hand geplukt onder de microscoop voor een zo zuiver mogelijk monster. Dit mineraalmonster wordt vervolgens een nacht zachtjes gebakken in een vacuümoven. Deze stappen helpen bij het verwijderen van zoveel mogelijk atmosferische⁴⁰Ar uit het monster mogelijk voordat u de meting uitvoert.

Vervolgens wordt het mineraalmonster verwarmd tot smelten in een vacuümoven, waarbij al het gas wordt verdreven. Een precieze hoeveelheid argon-38 wordt als een 'piek' aan het gas toegevoegd om de meting te kalibreren, en het gasmonster wordt verzameld op actieve kool, gekoeld met vloeibare stikstof. Vervolgens wordt het gasmonster ontdaan van alle ongewenste gassen zoals H_tweeWAAROVER_twee, DUS_twee, stikstof enzovoort totdat alles wat overblijft de inerte gassen , argon onder hen.

Ten slotte worden de argonatomen geteld in een massaspectrometer, een machine met zijn eigen complexiteit. Drie argonisotopen worden gemeten:³⁶Met,³⁸Ar, en⁴⁰aar Als de gegevens van deze stap schoon zijn, kan de overvloed aan atmosferisch argon worden bepaald en vervolgens worden afgetrokken om de radiogene⁴⁰Ar inhoud. Deze 'luchtcorrectie' is gebaseerd op het niveau van argon-36, dat alleen uit de lucht komt en niet wordt gecreëerd door een nucleaire vervalreactie. Het wordt afgetrokken en een evenredig deel van de³⁸Ar en⁴⁰Ar worden ook afgetrokken. De resterende³⁸Ar is van de piek, en de resterende⁴⁰Ar is radiogeen. Omdat de piek precies bekend is, is de⁴⁰Ar wordt bepaald door er mee te vergelijken.

Variaties in deze gegevens kunnen overal in het proces op fouten wijzen. Daarom worden alle stappen van de voorbereiding gedetailleerd vastgelegd.

K-Ar-analyses kosten enkele honderden dollars per monster en duren een week of twee.

De 40Ar-39Ar-methode

Een variant van de K-Ar-methode geeft betere gegevens door het algehele meetproces eenvoudiger te maken. De sleutel is om het mineraalmonster in een neutronenbundel te plaatsen, die kalium-39 omzet in argon-39. Omdat³⁹Ar heeft een zeer korte halfwaardetijd, het is vooraf gegarandeerd afwezig in het monster, dus het is een duidelijke indicator van het kaliumgehalte. Het voordeel is dat alle informatie die nodig is om het monster te dateren uit dezelfde argonmeting komt. Nauwkeurigheid is groter en fouten zijn lager. Deze methode wordt gewoonlijk 'argon-argon-datering' genoemd.

De fysieke procedure voor⁴⁰Met-³⁹Ar dating is hetzelfde, met uitzondering van drie verschillen:

• Voordat het mineraalmonster in de vacuümoven wordt geplaatst, wordt het samen met monsters van standaardmaterialen bestraald door een neutronenbron.
• Er is geen³⁸Er is een spike nodig.
• Vier Ar-isotopen worden gemeten:³⁶Met,³⁷Met,³⁹Ar, en⁴⁰Met.

De analyse van de gegevens is complexer dan bij de K-Ar-methode omdat de bestraling argonatomen creëert van andere isotopen behalve⁴⁰K. Deze effecten moeten worden gecorrigeerd en het proces is ingewikkeld genoeg om computers te vereisen.

Ar-Ar-analyses kosten ongeveer $ 1000 per monster en nemen enkele weken in beslag.

Conclusie

De Ar-Ar-methode wordt als superieur beschouwd, maar sommige van zijn problemen worden vermeden in de oudere K-Ar-methode. Ook kan de goedkopere K-Ar-methode worden gebruikt voor screening- of verkenningsdoeleinden, waardoor Ar-Ar wordt bespaard voor de meest veeleisende of interessante problemen.

Deze dateringsmethoden worden al meer dan 50 jaar voortdurend verbeterd. De leercurve is lang geweest en is nog lang niet voorbij. Bij elke kwaliteitsverhoging zijn subtielere foutenbronnen gevonden en in aanmerking genomen. Goede materialen en bekwame handen kunnen leeftijden opleveren die zeker tot 1 procent kunnen bedragen, zelfs in gesteenten van slechts 10.000 jaar oud, waarin hoeveelheden van⁴⁰Ar zijn verdwijnend klein.