K–Ar датирование

Радиометрический метод датирования

Датирование калием-аргоном , сокращенно датирование K-Ar , представляет собой радиометрический метод датирования , используемый в геохронологии и археологии . Он основан на измерении продукта радиоактивного распада изотопа калия ( К ) на аргон (Ar). Калий является распространенным элементом, который содержится во многих материалах, таких как полевые шпаты , слюды , глинистые минералы , тефра и эвапориты . В этих материалах продукт распада⁴⁰
Ар
способен покидать жидкую (расплавленную) породу, но начинает накапливаться, когда порода затвердевает ( перекристаллизовывается ). Степень сублимации аргона зависит от чистоты образца, состава исходного материала и ряда других факторов. Эти факторы вводят пределы погрешности для верхней и нижней границ датировки, так что окончательное определение возраста зависит от факторов окружающей среды во время формирования, плавления и воздействия пониженного давления или открытого воздуха. Время с момента рекристаллизации рассчитывают путем измерения соотношения количества⁴⁰
Ар
накоплено на сумму⁴⁰
К
оставшийся. Длительный период полураспада⁴⁰
К
позволяет использовать метод для расчета абсолютного возраста образцов старше нескольких тысяч лет. ^[1]

Быстро охлажденная лава, из которой получаются почти идеальные образцы для K-Ar датирования, также сохраняет запись о направлении и интенсивности локального магнитного поля, когда образец охлаждается выше температуры Кюри железа. Временная шкала геомагнитной полярности была калибрована в основном с использованием K-Ar датирования. ^[2]

Серия распада

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 радиоактивный; он распадается с периодом полураспада1,248 × 10 ⁹  лет до⁴⁰
Калифорния
и40Ар. Конвертация в стабильную⁴⁰
Калифорния
происходит посредством эмиссии электронов ( бета-распад ) в 89,3% случаев распада. Конвертация в стабильную⁴⁰
Ар
происходит посредством захвата электронов в оставшихся 10,7% событий 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 в ловушке внутри решетки, поскольку он больше, чем пространство между другими атомами в минеральном кристалле. Но он может проникнуть в окружающую среду при соблюдении правильных условий, таких как изменения давления или температуры.⁴⁰
Ар
Атомы могут диффундировать сквозь расплавленную магму и выходить из нее, поскольку большинство кристаллов расплавились, и атомы больше не задерживаются. Захваченный аргон – рассеянный аргон, который не может выйти из магмы – может снова попасть в кристаллы, когда магма остывает и снова становится твердой породой. После перекристаллизации магмы более⁴⁰
К
будет распадаться и⁴⁰
Ар
снова будет накапливаться вместе с увлеченными атомами аргона, запертыми в кристаллах минерала. Измерение количества⁴⁰
Ар
атомы используются для расчета количества времени, прошедшего с момента затвердевания образца породы.

Несмотря на⁴⁰
Калифорния
будучи предпочтительным дочерним нуклидом, он редко бывает полезен при датировании, поскольку кальций широко распространен в земной коре, причем⁴⁰
Калифорния
является самым распространенным изотопом. Таким образом, первоначально присутствующее количество кальция неизвестно и может варьироваться настолько, что затрудняет измерения небольшого увеличения, вызванного радиоактивным распадом.

Формула

Соотношение количества⁴⁰
Ар
к тому из⁴⁰
К
напрямую связано со временем, прошедшим с тех пор, как порода остыла достаточно, 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 — время, прошедшее
• t _1/2 – период полураспада⁴⁰
  К
  
• K _f – количество⁴⁰
  К
  оставшееся в выборке
• Ar _f – количество⁴⁰
  Ар
  найден в образце.

Масштабный коэффициент 0,109 корректирует неизмеренную долю⁴⁰
К
который распался на⁴⁰
Калифорния
; сумма измеренных⁴⁰
К
и масштабированное количество⁴⁰
Ар
дает сумму⁴⁰
К
который присутствовал в начале истекшего периода времени. На практике каждое из этих значений может быть выражено как доля общего присутствующего калия, поскольку требуются только относительные, а не абсолютные количества.

Получение данных

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

Количество⁴⁰
К
редко измеряется напрямую. Скорее, более распространенное³⁹
К
измеряется, и это количество затем умножается на принятое соотношение⁴⁰
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

Согласно McDougall & Harrison (1999, стр. 11), чтобы вычисленные даты были приняты как представляющие истинный возраст породы, должны быть верны следующие предположения: ^[4]

• Родительский нуклид,⁴⁰
  К
  , распадается со скоростью, независимой от его физического состояния, и на него не влияют различия в давлении или температуре. Это хорошо обоснованное основное предположение, общее для всех методов датирования, основанных на радиоактивном распаде. Хотя изменения константы частичного распада электронного захвата для⁴⁰
  К
  возможно, может произойти при высоких давлениях, теоретические расчеты показывают, что для давлений, испытываемых внутри тела размером с Землю, последствия пренебрежимо малы. ^[1]
• The ⁴⁰
  К
  /³⁹
  К
  соотношение в природе постоянно, поэтому⁴⁰
  К
  редко измеряется напрямую, но предполагается, что он составляет 0,0117% от общего количества калия. Если во время охлаждения не активен какой-либо другой процесс, 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 еще не полностью выделили газ из ранее существовавших⁴⁰
  Ар
  *, ^[6] и физическое загрязнение магмы включениями более древнего ксенолитового материала. Метод датирования Ar-Ar был разработан для измерения присутствия постороннего аргона.
• Требуется большая осторожность, чтобы избежать загрязнения проб абсорбцией нерадиогенных веществ.⁴⁰
  Ар
  из атмосферы. Уравнение можно исправить, вычитая из⁴⁰
  Ар
  _{измеренное} значение количество, присутствующее в воздухе, где⁴⁰
  Ар
  в 295,5 раз больше, чем³⁶
  Ар
  . ⁴⁰
  Ар
  _{разложившийся} =⁴⁰
  Ар
  _{измерено} — 295,5 ׳⁶
  Ар
  _{измерено} .
• Образец должен был оставаться закрытой системой с момента датировки события. Таким образом, не должно было быть никаких потерь или приобретений⁴⁰
  К
  или⁴⁰
  Ар
  *, кроме радиоактивного распада⁴⁰
  К
  . Отступления от этого предположения довольно распространены, особенно в районах со сложной геологической историей, но такие отклонения могут предоставить полезную информацию, имеющую ценность для выяснения термической истории. Дефицит⁴⁰
  Ар
  в образце известного возраста может указывать на полное или частичное таяние в термической истории региона. Надежность датировки геологического объекта повышается за счет отбора проб из разрозненных территорий, которые подверглись несколько разным термическим историям. ^[7]

И пламенная фотометрия, и масс-спектрометрия являются разрушающими тестами, поэтому необходимо уделять особое внимание тому, чтобы используемые аликвоты действительно были репрезентативными для образца. Датирование Ar-Ar — это аналогичный метод, который сравнивает соотношения изотопов в одной и той же части образца, чтобы избежать этой проблемы.

Приложения

Из-за длительного периода полураспада⁴⁰
К
, метод наиболее применим для датирования минералов и горных пород возрастом более 100 000 лет. Для более коротких сроков маловероятно, что этого будет достаточно.⁴⁰
Ар
успеют накопиться, чтобы их можно было точно измерить. K-Ar датирование сыграло важную роль в разработке временной шкалы геомагнитной полярности . ^[2] Хотя он находит наибольшее применение в геологии , он играет важную роль в археологии . Одним из археологических применений было определение возраста археологических отложений в ущелье Олдувай путем датирования потоков лавы над и под отложениями. ^[8] Он также был незаменим в других местах ранней Восточной Африки с историей вулканической активности, таких как Хадар, Эфиопия . ^[8] K-Ar метод по-прежнему полезен при датировании диагенеза глинистых минералов . ^[9] В 2017 году сообщалось об успешном датировании иллита , образовавшегося в результате выветривания . ^[10] Эта находка косвенно привела к датировке береговой равнины Западной Норвегии , откуда был взят образец иллита. ^[10] Глинистые минералы имеют толщину менее 2 мкм и их нелегко облучать для анализа Ar-Ar, поскольку Ar отталкивается от кристаллической решетки.

В 2013 году марсоход Curiosity использовал метод K-Ar для датировки камня на поверхности Марса. Это был первый случай, когда камень был датирован по его минеральным компонентам, находясь на другой планете. ^{[11] [12]}

Примечания

1. McDougall & Harrison 1999, стр. 10
2. McDougall & Harrison 1999, стр. 9
3. Данные распада ENSDF в формате MIRD для 40Ar (Отчет). Национальный центр ядерных данных . декабрь 2019 года . Проверено 29 декабря 2019 г.
4. Макдугалл и Харрисон 1999, стр. 11: «Как и во всех методах изотопного датирования, существует ряд предположений, которые должны быть выполнены, чтобы K-Ar возраст соотносился с событиями 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. Таттерсолл, 1995 г.
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. НАСА Curiosity: первое измерение возраста Марса и помощь в исследовании человеком, Лаборатория реактивного движения , 9 декабря 2013 г.
12. Методика датирования марсианских камней может указывать на признаки жизни в космосе, Университет Квинсленда, 13 декабря 2013 г.

Рекомендации

• Аронсон, Дж.Л.; Ли, М. (1986). «K/Ar систематика бентонита и сланца в контактной метаморфической зоне». Глины и глинистые минералы . 34 (4): 483–487. Бибкод : 1986CCM....34..483A. дои : 10.1346/CCMN.1986.0340415 .
• Макдугалл, И .; Харрисон, ТМ (1999). Геохронология и термохронология методом ⁴⁰ Ar/ ³⁹ Ar . Издательство Оксфордского университета . ISBN 978-0-19-510920-7.
• Таттерсолл, И. (1995). Ископаемый след: откуда мы знаем то, что, по нашему мнению, мы знаем об эволюции человека . Издательство Оксфордского университета . 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 года.
• Майклс, GH; Фэган, Б.М. (15 декабря 2005 г.). «Хронологические методы 9: калий-аргоновое датирование». Калифорнийский университет . Архивировано из оригинала 10 августа 2010 года.
• Моран, Ти Джей (2009). «Обучение радиоизотопному датированию с использованием геологии Гавайских островов» (PDF) . Журнал геонаучного образования . 57 (2): 101–105. Бибкод : 2009JGeEd..57..101M. дои : 10.5408/1.3544237 .