K–Ar датирование

Радиометрический метод датирования

Калий-аргоновое датирование , сокращенно K-Ar датирование , является радиометрическим методом датирования , используемым в геохронологии и археологии . Он основан на измерении продукта радиоактивного распада изотопа калия ( K ) в аргон (Ar). Калий является распространенным элементом, встречающимся во многих материалах, таких как полевые шпаты , слюды , глинистые минералы , тефра и эвапориты . В этих материалах продукт распада⁴⁰
Ар
может выходить из жидкой (расплавленной) породы, но начинает накапливаться, когда порода затвердевает ( перекристаллизовывается ). Количество возгонки аргона, которое происходит, зависит от чистоты образца, состава исходного материала и ряда других факторов. Эти факторы вводят пределы погрешности для верхней и нижней границ датирования, так что окончательное определение возраста зависит от факторов окружающей среды во время формирования, плавления и воздействия пониженного давления или открытого воздуха. Время с момента перекристаллизации рассчитывается путем измерения отношения количества⁴⁰
Ар
накоплено в размере⁴⁰
К
Осталось. Длительный период полураспада⁴⁰
К
позволяет использовать метод для расчета абсолютного возраста образцов старше нескольких тысяч лет. ^[1]

Быстро остывшие лавы, которые являются почти идеальными образцами для датирования K–Ar, также сохраняют запись направления и интенсивности локального магнитного поля, поскольку образец охлаждался после температуры Кюри железа. Шкала времени геомагнитной полярности была откалибрована в основном с использованием датирования K–Ar. ^[2]

Серия «Распад»

Калий в природе встречается в трех изотопах:³⁹
К
(93,2581%),⁴⁰
К
(0,0117%),⁴¹
К
(6,7302%).³⁹
К
и⁴¹
К
стабильны.⁴⁰
К
изотоп радиоактивен; он распадается с периодом полураспада1,248 × 10 ⁹  лет до40Caи40Ар. Преобразование в стабильное⁴⁰
Ca
происходит через испускание электронов ( бета-распад ) в 89,3% случаев распада. Превращение в стабильное состояние⁴⁰
Ар
происходит посредством захвата электронов в оставшихся 10,7% случаев распада. ^[3]

Аргон, будучи благородным газом , является второстепенным компонентом большинства образцов горных пород, представляющих геохронологический интерес: он не связывается с другими атомами в кристаллической решетке. Когда⁴⁰
К
распадается на⁴⁰
Ар
; атом обычно остается запертым в решетке, поскольку он больше, чем пространство между другими атомами в кристалле минерала. Но он может вырваться в окружающую область, если будут соблюдены правильные условия, такие как изменение давления или температуры.⁴⁰
Ар
Атомы могут диффундировать и выходить из расплавленной магмы, поскольку большинство кристаллов расплавилось, и атомы больше не захвачены. Увлеченный аргон — рассеянный аргон, который не может вырваться из магмы — может снова оказаться захваченным кристаллами, когда магма остывает и снова становится твердой породой. После перекристаллизации магмы, больше⁴⁰
К
будет распадаться и⁴⁰
Ар
снова будет накапливаться вместе с захваченными атомами аргона, захваченными в минеральных кристаллах. Измерение количества⁴⁰
Ар
атомы используются для расчета количества времени, прошедшего с момента затвердевания образца породы.

Несмотря на⁴⁰
Ca
будучи предпочтительным дочерним нуклидом, он редко полезен при датировании, поскольку кальций очень распространен в земной коре,⁴⁰
Ca
будучи наиболее распространенным изотопом. Таким образом, количество изначально присутствующего кальция неизвестно и может варьироваться достаточно сильно, чтобы сбить с толку измерения небольших увеличений, вызванных радиоактивным распадом.

Формула

Соотношение количества⁴⁰
Ар
к тому, что из⁴⁰
К
напрямую связана со временем, прошедшим с момента, когда порода достаточно остыла, чтобы захватить Ar, по уравнению:

${\displaystyle t={\frac {t_{\frac {1}{2}}}{\ln(2)}}\ln \left({\frac {{\ce {K}}_{f}+{\frac {{\ce {Ar}}_{f}}{0.109}}}{{\ce {K}}_{f}}}\right)}$,

где:

• t — прошедшее время
• t _1/2 - период полураспада⁴⁰
  К
  
• K _f — это количество⁴⁰
  К
  оставшиеся в образце
• Ar _f — это количество⁴⁰
  Ар
  найдено в образце.

Коэффициент масштабирования 0,109 корректирует неизмеренную долю⁴⁰
К
который распался на⁴⁰
Ca
; сумма измеренных⁴⁰
К
и масштабированное количество⁴⁰
Ар
дает количество⁴⁰
К
который присутствовал в начале истекшего периода времени. На практике каждое из этих значений может быть выражено как доля от общего количества присутствующего калия, поскольку требуются только относительные, а не абсолютные количества.

Получение данных

Для получения соотношения содержания изотопов⁴⁰
Ар
к⁴⁰
К
В горной породе или минерале количество Ar измеряется с помощью масс-спектрометрии газов, выделяющихся при испарении образца горной породы в вакууме. Калий количественно определяется с помощью пламенной фотометрии или атомно-абсорбционной спектроскопии .

Количество⁴⁰
К
редко измеряется напрямую. Скорее, более распространенным³⁹
К
измеряется, а затем это количество умножается на принятое отношение⁴⁰
К
/³⁹
К
(т.е. 0,0117%/93,2581%, см. выше).

Количество⁴⁰
Ар
также измеряется для оценки того, какая часть общего количества аргона имеет атмосферное происхождение.

Предположения

По мнению Макдугалла и Харрисона (1999, стр. 11), для того чтобы вычисленные даты можно было принять в качестве истинного возраста породы, должны быть выполнены следующие предположения: ^[4]

• Родительский нуклид,⁴⁰
  К
  , распадается со скоростью, независимой от его физического состояния, и не зависит от разницы в давлении или температуре. Это обоснованное основное предположение, общее для всех методов датирования, основанных на радиоактивном распаде. Хотя изменения в константе частичного распада электронного захвата для⁴⁰
  К
  возможно, может происходить при высоких давлениях, теоретические расчеты показывают, что для давлений, испытываемых внутри тела размером с Землю, эффекты пренебрежимо малы. ^[1]
• The⁴⁰
  К
  /³⁹
  К
  Соотношение в природе постоянно, поэтому⁴⁰
  К
  редко измеряется напрямую, но предполагается, что составляет 0,0117% от общего содержания калия. Если только какой-либо другой процесс не активен во время охлаждения, это очень хорошее предположение для земных образцов. ^[5]
• Радиогенный аргон, измеренный в образце, был получен в результате распада in situ⁴⁰
  К
  в интервале с момента кристаллизации или перекристаллизации породы. Нарушения этого предположения нередки. Известные примеры включения посторонних⁴⁰
  Ар
  включают охлажденные стекловидные глубоководные базальты, которые не полностью дегазировали существовавшие ранее⁴⁰
  Ар
  *, ^[6] и физическое загрязнение магмы включением более старого ксенолитового материала. Метод датирования Ar–Ar был разработан для измерения присутствия постороннего аргона.
• Необходимо проявлять особую осторожность, чтобы избежать загрязнения образцов за счет поглощения нерадиогенных веществ.⁴⁰
  Ар
  из атмосферы. Уравнение можно исправить, вычитая из⁴⁰
  Ар
  _{измеренное} значение количество, присутствующее в воздухе, где⁴⁰
  Ар
  в 295,5 раз более многочислен, чем³⁶
  Ар
  . ⁴⁰
  Ар
  _{разложившийся} =⁴⁰
  Ар
  _{измерено} − 295,5 ׳⁶
  Ар
  _{измерено} .
• Образец должен был оставаться закрытой системой с момента датирования события. Таким образом, не должно было быть ни потери, ни приобретения⁴⁰
  К
  или⁴⁰
  Ар
  *, кроме радиоактивного распада⁴⁰
  К
  . Отклонения от этого предположения довольно распространены, особенно в районах со сложной геологической историей, но такие отклонения могут предоставить полезную информацию, которая имеет значение для выяснения термической истории. Дефицит⁴⁰
  Ар
  в образце известного возраста может указывать на полное или частичное расплавление в термической истории области. Надежность датирования геологического объекта увеличивается путем отбора проб из разрозненных областей, которые подверглись несколько разным термическим историям. ^[7]

Как пламенная фотометрия, так и масс-спектрометрия являются разрушающими тестами, поэтому необходимо проявлять особую осторожность, чтобы гарантировать, что используемые аликвоты действительно представляют образец. Ar–Ar датирование — это аналогичный метод, который сравнивает изотопные отношения из одной и той же части образца, чтобы избежать этой проблемы.

Приложения

Из-за длительного периода полураспада⁴⁰
К
, эта техника наиболее применима для датирования минералов и горных пород возрастом более 100 000 лет. Для более коротких временных масштабов маловероятно, что достаточно⁴⁰
Ар
будет иметь время для накопления, чтобы быть точно измеренным. Датирование K–Ar сыграло важную роль в разработке шкалы времени геомагнитной полярности . ^[2] Хотя оно находит наибольшую полезность в геологических приложениях, оно играет важную роль в археологии . Одним из археологических применений было заключение в скобки возраста археологических отложений в ущелье Олдувай путем датирования потоков лавы выше и ниже отложений. ^[8] Он также был незаменим на других ранних участках Восточной Африки с историей вулканической активности, таких как Хадар, Эфиопия . ^[8] Метод K–Ar продолжает быть полезным при датировании диагенеза глинистых минералов . ^[9] В 2017 году было сообщено об успешном датировании иллита , образованного в результате выветривания . ^[10] Это открытие косвенно привело к датированию стрэндфлэта Западной Норвегии , откуда был взят образец иллита. ^[10] Глинистые минералы имеют толщину менее 2 мкм и не могут быть легко облучены для анализа Ar–Ar, поскольку Ar отскакивает от кристаллической решетки.

В 2013 году марсоход Curiosity использовал метод K–Ar для датирования породы на поверхности Марса. Это был первый случай, когда породу удалось датировать по ее минеральным компонентам, находясь на другой планете. ^{[11] [12]}

Примечания

1. McDougall & Harrison 1999, стр. 10
2. McDougall & Harrison 1999, стр. 9
3. Данные по распаду ENSDF в формате MIRD для 40Ar (Отчет). Национальный центр ядерных данных . Декабрь 2019 г. Получено 29 декабря 2019 г.
4. Макдугалл и Харрисон 1999, стр. 11: «Как и во всех методах изотопного датирования, существует ряд допущений, которые должны быть выполнены для того, чтобы возраст K–Ar соотносился с событиями в геологической истории изучаемого региона».
5. Макдугалл и Харрисон 1999, стр. 14
6. ⁴⁰
   Ар
   * означает радиогенный аргон
7. Макдугалл и Харрисон 1999, стр. 9–12
8. Tattersall 1995
9. Аронсон и Ли 1986
10. Фредин, Ола; Виола, Джулио; Цвинманн, Хорст; Сёрли, Рональд; Брённер, Марко; Ложь, Ян-Эрик; Маргрет Грандал, Эльза; Мюллер, Аксель; Маргет, Аннина; Фогт, Кристоф; Книс, Йохен (2017). «Наследие мезозойского ландшафта в западной Скандинавии». Природа . 8 : 14879. Бибкод : 2017NatCo...814879F. doi : 10.1038/ncomms14879. ПМЦ 5477494 . ПМИД  28452366. 
11. NASA Curiosity: Первое измерение возраста Марса и помощь в исследовании человеком, Лаборатория реактивного движения , 9 декабря 2013 г.
12. Метод датирования марсианских пород может указать на признаки жизни в космосе, Университет Квинсленда, 13 декабря 2013 г.

Ссылки

• Аронсон, Дж. Л.; Ли, М. (1986). «K/Ar систематика бентонита и сланца в контактной метаморфической зоне». Глины и глинистые минералы . 34 (4): 483–487. Bibcode :1986CCM....34..483A. doi : 10.1346/CCMN.1986.0340415 .
• Макдугалл, И.; Харрисон, Т.М. (1999). Геохронология и термохронология методом ⁴⁰ Ar/ ³⁹ Ar . Oxford University Press . ISBN 978-0-19-510920-7.
• Таттерсолл, И. (1995). Ископаемый след: как мы узнаем то, что, как мы думаем, мы знаем об эволюции человека . Oxford University Press . ISBN 978-0-19-506101-7.

Дальнейшее чтение

• "Методология K/Ar и 40K/39K". Лаборатория геохронологических исследований Нью-Мексико. Архивировано из оригинала 17 апреля 2006 г.
• Michaels, GH; Fagan, BM (15 декабря 2005 г.). "Хронологические методы 9: калий-аргоновое датирование". Калифорнийский университет . Архивировано из оригинала 10 августа 2010 г.
• Моран, Т. Дж. (2009). «Обучение радиоизотопному датированию с использованием геологии Гавайских островов» (PDF) . Журнал геонаучного образования . 57 (2): 101–105. Bibcode :2009JGeEd..57..101M. doi : 10.5408/1.3544237 .