Μέθοδοι γνωριμιών καλίου-αργού: K-Ar και Ar-Ar Dating

Το κάλιο-αργόν (Κ-Αρ) ισοτοπική χρονολόγηση η μέθοδος είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για τον προσδιορισμό της ηλικίας των λαβών. Αναπτύχθηκε στη δεκαετία του 1950, ήταν σημαντικό για την ανάπτυξη της θεωρίας του τεκτονικές πλάκες και στη βαθμονόμηση του γεωλογική χρονική κλίμακα.

Κάλιο συμβαίνει σε δύο σταθερά ισότοπα (⁴¹Κ και ³⁹K) και ένα ραδιενεργό ισότοπο (⁴⁰Κ). Το κάλιο-40 διασπάται με χρόνο ημιζωής 1250 εκατομμυρίων ετών, πράγμα που σημαίνει ότι το ήμισυ του ⁴⁰Τα άτομα Κ έχουν φύγει μετά από αυτό το χρονικό διάστημα. Η αποσύνθεσή του αποδίδει αργό-40 και ασβέστιο-40 σε αναλογία 11 έως 89. Η μέθοδος K-Ar λειτουργεί με την καταμέτρηση αυτών των ακτινοβολιών ⁴⁰Τα άτομα Ar παγιδεύονται μέσα στα ορυκτά.

Αυτό που απλοποιεί τα πράγματα είναι ότι το κάλιο είναι ένα αντιδραστικό μέταλλο και το αργό είναι ένα αδρανές αέριο: Το κάλιο είναι πάντα κλεισμένο στενά στα ορυκτά, ενώ το αργό δεν αποτελεί μέρος ορυκτών. Το αργόν αποτελεί το 1% της ατμόσφαιρας. Υποθέτοντας ότι κανένας αέρας δεν εισέρχεται σε κόκκους ορυκτών όταν σχηματίζεται για πρώτη φορά, έχει περιεκτικότητα μηδενικού αργού. Δηλαδή, ένας νέος κόκκος ορυκτών έχει το K-Ar "ρολόι" του σε μηδέν.

Η μέθοδος βασίζεται στην ικανοποίηση ορισμένων σημαντικών παραδοχών:

1. Το κάλιο και το αργό πρέπει να παραμείνουν τοποθετημένα στο ορυκτό κατά τη διάρκεια της γεωλογικής περιόδου. Αυτό είναι το πιο δύσκολο να ικανοποιήσει.
2. Μπορούμε να μετρήσουμε τα πάντα με ακρίβεια. Προηγμένα μέσα, αυστηρές διαδικασίες και η χρήση τυποποιημένων ορυκτών εξασφαλίζουν αυτό.
3. Γνωρίζουμε το ακριβές φυσικό μίγμα ισότοπων καλίου και αργού. Δεκαετίες βασικής έρευνας μας έδωσαν αυτά τα δεδομένα.
4. Μπορούμε να διορθώσουμε οποιοδήποτε αργό από τον αέρα που εισέρχεται στο ορυκτό. Αυτό απαιτεί ένα επιπλέον βήμα.

Δεδομένης της προσεκτικής εργασίας στον τομέα και στο εργαστήριο, αυτές οι υποθέσεις μπορούν να ικανοποιηθούν.

Το δείγμα ροκ που θα χρονολογηθεί πρέπει να επιλεγεί πολύ προσεκτικά. Οποιαδήποτε αλλαγή ή θραύση σημαίνει ότι το κάλιο ή το αργό ή και τα δύο έχουν διαταραχθεί. Ο χώρος πρέπει επίσης να έχει γεωλογική σημασία, σαφώς σχετιζόμενη με ορυκτά πετρώματα ή άλλα χαρακτηριστικά που χρειάζονται μια καλή ημερομηνία για να ενταχθούν στην μεγάλη ιστορία. Οι ροές λάβας που βρίσκονται πάνω και κάτω από τα βράχια με τα αρχαία απολιθώματα του ανθρώπου είναι ένα καλό και αληθινό παράδειγμα.

Η ορυκτή σαδιδίνη, η μορφή υψηλής θερμοκρασίας κάλιο άστριο, είναι η πλέον επιθυμητή. Αλλά micas, plagioclase, hornblende, άργιλοι και άλλα ορυκτά μπορούν να αποδώσουν καλά δεδομένα, όπως και οι αναλύσεις ολόκληρων βράχων. Οι νεαροί βράχοι έχουν χαμηλά επίπεδα ⁴⁰Ar, ίσως χρειαστούν πολλά κιλά. Τα ροκ δείγματα καταγράφονται, σημειώνονται, σφραγίζονται και διατηρούνται απαλλαγμένα από μόλυνση και υπερβολική θερμότητα στο δρόμο προς το εργαστήριο.

Τα δείγματα των πετρωμάτων συνθλίβονται, σε καθαρό εξοπλισμό, σε ένα μέγεθος που διατηρεί τους ολικούς κόκκους του ορυκτού που πρόκειται να χρονολογηθούν, κατόπιν κοσκινίζονται για να βοηθήσουν να συγκεντρωθούν αυτοί οι κόκκοι του ορυκτού στόχου. Το επιλεγμένο κλάσμα μεγέθους καθαρίζεται σε υπερήχους και λουτρά οξέος, στη συνέχεια ξηραίνεται ήπια σε φούρνο. Το στοχευόμενο ορυκτό διαχωρίζεται χρησιμοποιώντας βαρέα υγρά και στη συνέχεια συλλέγεται με το χέρι κάτω από το μικροσκόπιο για το καθαρότερο πιθανό δείγμα. Αυτό το δείγμα ορυκτών ψήνεται ήπια κατά τη διάρκεια της νύχτας σε φούρνο κενού. Αυτά τα βήματα βοηθούν στην απομάκρυνση τόσο ατμοσφαιρικών ⁴⁰Ar από το δείγμα, πριν πραγματοποιήσετε τη μέτρηση.

Στη συνέχεια, το δείγμα ορυκτών θερμαίνεται μέχρι να λιώσει σε φούρνο κενού, εξάγοντας όλο το αέριο. Μια ακριβής ποσότητα αργού-38 προστίθεται στο αέριο ως μία "ακίδα" για να βοηθήσει στη βαθμονόμηση της μέτρησης και το δείγμα αερίου συλλέγεται σε ενεργό άνθρακα που ψύχεται από υγρό άζωτο. Στη συνέχεια, το δείγμα αερίου καθαρίζεται από όλα τα ανεπιθύμητα αέρια όπως το Η₂O, CO₂, ΕΤΣΙ₂, άζωτο και ούτω καθεξής έως ότου όλα αυτά παραμένουν αδρανή αέρια, αργόν μεταξύ τους.

Τέλος, τα άτομα αργού μετριούνται σε ένα φασματόμετρο μάζας, ένα μηχάνημα με τις δικές του πολυπλοκότητες. Καταμετρώνται τρία ισότοπα αργού: ³⁶Ar, ³⁸Ar, και ⁴⁰Ar. Εάν τα δεδομένα από αυτό το στάδιο είναι καθαρά, η αφθονία του ατμοσφαιρικού αργού μπορεί να προσδιοριστεί και στη συνέχεια να αφαιρεθεί για να αποδώσει το ραδιογόνο ⁴⁰Περιεχόμενο. Αυτή η "διόρθωση αέρα" βασίζεται στο επίπεδο του αργού-36, το οποίο προέρχεται μόνο από τον αέρα και δεν δημιουργείται από οποιαδήποτε αντίδραση πυρηνικής αποσύνθεσης. Έχει αφαιρεθεί, και ένα αναλογικό ποσό της ³⁸Ar και ⁴⁰Ar αφαιρούνται επίσης. Το υπόλοιπο ³⁸Ar είναι από την ακίδα, και τα υπόλοιπα ⁴⁰Το Ar είναι ακτινογόνο. Επειδή η ακίδα είναι ακριβώς γνωστή, η ⁴⁰Ar καθορίζεται από τη σύγκριση με αυτό.

Οι μεταβολές στα δεδομένα αυτά μπορεί να δείχνουν σφάλματα οπουδήποτε στη διαδικασία, γι 'αυτό καταγράφονται λεπτομερώς όλα τα βήματα προετοιμασίας.

Οι αναλύσεις K-Ar κοστίζουν αρκετές εκατοντάδες δολάρια ανά δείγμα και διαρκούν μία ή δύο εβδομάδες.

Μια παραλλαγή της μεθόδου K-Ar δίνει καλύτερα δεδομένα καθιστώντας τη διαδικασία της συνολικής μέτρησης απλούστερη. Το κλειδί είναι να τοποθετήσετε το δείγμα ορυκτών σε δέσμη νετρονίων, το οποίο μετατρέπει το κάλιο-39 σε αργό-39. Επειδή ³⁹Το Ar έχει πολύ μικρό χρόνο ημίσειας ζωής, είναι εγγυημένο ότι δεν υπάρχει στο δείγμα εκ των προτέρων, επομένως αποτελεί σαφή ένδειξη της περιεκτικότητας σε κάλιο. Το πλεονέκτημα είναι ότι όλες οι πληροφορίες που απαιτούνται για τη χρονολόγηση του δείγματος προέρχονται από την ίδια μέτρηση αργού. Η ακρίβεια είναι μεγαλύτερη και τα σφάλματα είναι χαμηλότερα. Αυτή η μέθοδος ονομάζεται συνήθως "χρονολόγηση αργού-αργού".

Η φυσική διαδικασία για ⁴⁰Ar-³⁹Η χρονολόγηση είναι η ίδια εκτός από τρεις διαφορές:

• Πριν τοποθετηθεί το δείγμα ορυκτών στον φούρνο κενού, ακτινοβολείται μαζί με δείγματα τυποποιημένων υλικών από πηγή νετρονίων.
• Δεν υπάρχει ³⁸Η ακίδα χρειάζεται.
• Διακρίνονται τέσσερα ισότοπα Ar: ³⁶Ar, ³⁷Ar, ³⁹Ar, και ⁴⁰Ar.

Η ανάλυση των δεδομένων είναι πιο πολύπλοκη από τη μέθοδο K-Ar επειδή η ακτινοβόληση δημιουργεί άτομα αργού από άλλα ισότοπα εκτός από ⁴⁰Κ. Αυτά τα αποτελέσματα πρέπει να διορθωθούν και η διαδικασία είναι αρκετά περίπλοκη ώστε να απαιτεί υπολογιστές.

Οι αναλύσεις Ar-Ar κοστίζουν περίπου $ 1000 ανά δείγμα και χρειάζονται αρκετές εβδομάδες.

Η μέθοδος Ar-Ar θεωρείται ανώτερη, αλλά ορισμένα από τα προβλήματά της αποφεύγονται στην παλαιότερη μέθοδο K-Ar. Επίσης, η φθηνότερη μέθοδος K-Ar μπορεί να χρησιμοποιηθεί για σκοπούς διαλογής ή αναγνώρισης, εξοικονομώντας Ar-Ar για τα πιο απαιτητικά ή ενδιαφέροντα προβλήματα.

Αυτές οι μέθοδοι χρονολόγησης έχουν συνεχώς βελτιωθεί για περισσότερο από 50 χρόνια. Η καμπύλη μάθησης ήταν μεγάλη και απέχει πολύ από σήμερα. Με κάθε αύξηση της ποιότητας έχουν εντοπιστεί και ληφθεί υπόψη πιο σπάνιες πηγές σφαλμάτων. Τα καλά υλικά και τα εξειδικευμένα χέρια μπορούν να αποδώσουν ηλικίες που είναι βέβαιο ότι θα ανέλθουν στο 1%, ακόμη και σε βράχους ηλικίας μόλις 10.000 ετών, ⁴⁰Το Ar είναι εξαιρετικά μικρό.