Методе упознавања са калијум-аргоном: К-Ар и Ар-Ар излази

Калијум-аргон (К-Ар) исотопиц датинг метода је посебно корисна за утврђивање старости лава. Развијен 1950-их, био је важан у развоју теорије тектоника плоча и у калибрацији геолошка временска скала.

Калијум јавља се у два стабилна изотопа (⁴¹К и ³⁹К) и један радиоактивни изотоп (⁴⁰К). Калијум-40 пропада са полуживотом од 1250 милиона година, што значи половину ⁴⁰К атоми нестају након тог периода времена. Распадом се добија аргон-40 и калцијум-40 у омјеру 11 до 89. К-Ар метода делује тако што броји ове радиогене ⁴⁰Атоми Ар заробљени у минералима.

Оно што поједностављује ствари је да је калијум реактиван метал, а аргон инертан гас: Калијум је увек чврсто закључан у минералима, док аргон није део ниједног минерала. Аргон чини 1 проценат атмосфере. Дакле, под претпоставком да ниједан ваздух не уђе у минерално зрно када се први пут формира, он има нулти садржај аргона. Односно, свеже минерално зрно има свој К-Ар „сат“ постављен на нулу.

Метода се ослања на испуњавање неких важних претпоставки:

1. Калијум и аргон морају се задржати у минералима током геолошког времена. Ово је најтеже за задовољити.
2. Све можемо тачно измерити. Напредни инструменти, ригорозне процедуре и употреба стандардних минерала то обезбеђују.
3. Знамо прецизну природну мешавину изотопа калијума и аргона. Десетљећа основних истраживања дала су нам ове податке.
4. Можемо исправити било који аргон из ваздуха који уђе у минерал. Ово захтева додатни корак.

С обзиром на пажљив рад на терену и у лабораторији, ове претпоставке се могу испунити.

Узорак стене који треба датирати мора бити изабран врло пажљиво. Свака измена или ломљење значи да су калијум или аргон или обоје поремећени. Локалитет такође мора бити геолошки значајан, јасно повезан са фосилним стијенама или другим карактеристикама којима је потребан добар датум да би се придружили великој причи. Токови лаве који леже изнад и испод камених корита са древним људским фосилима су добар - и истинит - пример.

Минерал санидин, облик високе температуре калијум фелдспар, је најпожељнија. Али мицасПлагиоклаза, хорнбленде, глина и други минерали могу дати добре податке, као што то могу и анализе целе стене. Младе стене имају низак ниво ⁴⁰Ар, можда ће бити потребно чак неколико килограма. Узорци стена бележе се, обележавају, запечаћују и чувају без контаминације и превелике топлоте на путу до лабораторија.

Узорци стене се дробе, у чистој опреми, до величине која омогућава да се читава зрна минерала старе и затим просију како би се концентрирала та зрна циљаног минерала. Фракција одабране величине се чисти у ултразвучним и киселим купкама, затим лагано осуши у рерни. Циљани минерал се одваја помоћу течних течности, а затим се ручно узме под микроскопом за најчишћи могући узорак. Овај узорак минерала се затим лагано пече преко ноћи у вакуумској пећи. Ови кораци помажу у уклањању што више атмосфере ⁴⁰Ар из узорка што је више могуће пре мерења.

Затим се узорак минерала загрева до топљења у вакуумској пећи, потискујући сав гас. Прецизна количина аргона-38 додаје се гасу као „шиљак“ да би се помогло калибрацији мерења, а узорак гаса се сакупља на активни угаљ охлађен течним азотом. Затим се узорак плина чисти од свих нежељених гасова као што је Х₂О, ЦО₂, ТАКО₂, азот и тако даље све док не остане све инертни гасови, аргон међу њима.

Коначно, атоми аргона броје се у масеном спектрометру, машини са сопственим сложеностима. Мере се три изотопа аргона: ³⁶Ар, ³⁸Ар и ⁴⁰Ар. Ако су подаци из овог корака чисти, може се утврдити обиље атмосферског аргона и потом одузети да би се добио радиогени ⁴⁰Ар садржај. Та „корекција ваздуха“ се ослања на ниво аргона-36, који долази само из ваздуха и није створен никаквом реакцијом распада нуклеарне енергије. Одузима се и пропорционалан износ од ³⁸Ар и ⁴⁰Ар се такође одузимају. Остатак ³⁸Ар је са шиљка, а преостали ⁴⁰Ар је радиоген. Пошто је шиљак тачно познат, ⁴⁰Ар се одређује у поређењу са њим.

Варијације у овим подацима могу указивати на грешке било где у процесу, због чега су сви кораци припреме детаљно записани.

К-Ар анализе коштају неколико стотина долара по узорку и узимају недељу или две.

Варијанта К-Ар методе даје боље податке чинећи целокупни поступак мерења једноставнијим. Кључно је ставити минерални узорак у неутронску зраку, која калијум-39 претвара у аргон-39. Јер ³⁹Ар има врло кратак полуживот, загарантовано је да ће претходно бити одсутан у узорку, тако да је то јасан показатељ садржаја калијума. Предност је у томе што све информације потребне за датирање узорка потичу из истог мерења аргона. Тачност је већа а грешке су мање. Ова метода се обично назива "аргон-аргонско дружење".

Физички поступак за ⁴⁰Ар-³⁹Ар датирање је исто, осим три разлике:

• Пре него што се узорак минерала стави у вакуум пећ, зрачи је заједно са узорцима стандардних материјала изворима неутрона.
• Не постоји ³⁸Потребан је Ар спике.
• Измерјено је четири изотопа Ар: ³⁶Ар, ³⁷Ар, ³⁹Ар и ⁴⁰Ар.

Анализа података је сложенија него код К-Ар методе, јер зрачење ствара аргонове атоме из других изотопа поред ⁴⁰К. Ови ефекти се морају исправити, а процес је довољно замршен да би захтевали рачунаре.

Ар-Ар анализе коштају око 1000 УСД по узорку и трају неколико недеља.

Ар-Ар метода се сматра супериорном, али неки се њени проблеми избегавају у старијој К-Ар методи. Такође, јефтинија К-Ар метода може се употребити за скрининг или извиђање, штедећи Ар-Ар за најзахтевније или најзанимљивије проблеме.

Ове методе упознавања су у сталном унапређењу већ више од 50 година. Кривуља учења била је дуга и далеко је од данашње. Са сваким повећањем квалитета, пронађени су и узети у обзир суптилнији извори грешака. Добрим материјалима и вештим рукама могу се добити старости за која је сигурно до један проценат, чак и у стијенама старим само 10 000 година, у којим количинама ⁴⁰Ар је несташно мали.