K–Ar датирование

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 распада ⁴⁰
С
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 количества ⁴⁰
С
накоплено на сумму ⁴⁰
К
оставшийся. Длительный полураспада период ⁴⁰
К
позволяет использовать метод для расчета абсолютного возраста образцов старше нескольких тысяч лет.

Быстро охлажденная лава, из которой получаются почти идеальные образцы для датирования K-Ar, 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.

Серия распада

Дополнительная информация: Изотопы калия.

Калий в природе встречается в трех изотопах: ³⁹
К
(93.2581%), ⁴⁰
К
(0.0117%), ⁴¹
К
(6.7302%). ³⁹
К
и ⁴¹
К
стабильны. ⁴⁰
К
изотоп радиоактивный; он распадается с полураспада периодом 1,248 × 10 ⁹ лет до ⁴⁰
Что
и ⁴⁰
С
. Конвертация в стабильную ⁴⁰
Что
происходит посредством эмиссии электронов ( бета-распад ) в 89,3% случаев распада. Конвертация в стабильную ⁴⁰
С
происходит посредством захвата электронов в оставшихся 10,7% событий распада.

Аргон, будучи благородным газом , является второстепенным компонентом большинства образцов горных пород, представляющих геохронологический интерес: он не связывается с другими атомами в кристаллической решетке. Когда ⁴⁰
К
распадается на ⁴⁰
С
; 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
С
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 более ⁴⁰
К
будет распадаться и ⁴⁰
С
снова будет накапливаться вместе с увлеченными атомами аргона, запертыми в кристаллах минерала. Измерение количества ⁴⁰
С
атомы используются для расчета количества времени, прошедшего с момента затвердевания образца породы.

Несмотря на ⁴⁰
Что
будучи предпочтительным дочерним нуклидом, он редко бывает полезен при датировании, поскольку кальций широко распространен в земной коре, причем ⁴⁰
Что
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 количества ⁴⁰
С
к тому из ⁴⁰
К
напрямую связано со временем, прошедшим с тех пор, как порода остыла достаточно, чтобы захватить Ar, по уравнению:

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

где:

• t — время, прошедшее
• t _1/2 – полураспада период ⁴⁰
  К
  
• K _f – количество ⁴⁰
  К
  оставшееся в выборке
• Ar _f – количество ⁴⁰
  С
  найден в образце.

Масштабный коэффициент 0,109 корректирует неизмеренную долю ⁴⁰
К
который распался на ⁴⁰
Что
; сумма измеренных ⁴⁰
К
и масштабированное количество ⁴⁰
С
дает сумму ⁴⁰
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 изотопов ⁴⁰
С
к ⁴⁰
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 .

Сумма ⁴⁰
К
редко измеряется напрямую. Скорее, более распространенное ³⁹
К
измеряется, и это количество затем умножается на принятое соотношение ⁴⁰
К
/ ³⁹
К
(т.е. 0,0117%/93,2581%, см. выше).

Сумма ⁴⁰
С
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:

• Родительский нуклид, ⁴⁰
  К
  , распадается со скоростью, не зависящей 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 для ⁴⁰
  К
  возможно, может произойти при высоких давлениях, теоретические расчеты показывают, что для давления, испытываемого внутри тела размером с Землю, последствия пренебрежимо малы.
• The ⁴⁰
  К
  / ³⁹
  К
  соотношение в природе постоянно, поэтому ⁴⁰
  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.
• Радиогенный аргон, измеренный в образце, был получен в результате распада in situ ⁴⁰
  К
  в интервале с момента кристаллизации или перекристаллизации породы. Нарушения этого предположения нередки. Известные примеры включения посторонних ⁴⁰
  С
  включают охлажденные стекловидные глубоководные базальты, которые еще не полностью выделили газ из ранее существовавших ⁴⁰
  С
  *, и физическое загрязнение магмы включением 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
  С
  из атмосферы. Уравнение можно исправить, вычитая из ⁴⁰
  С
  _{измеренное} значение количество, присутствующее в воздухе, где ⁴⁰
  С
  в 295,5 раз больше, чем ³⁶
  С
  . ⁴⁰
  С
  _{разложившийся} = ⁴⁰
  С
  _{измерено} — 295,5 × ³⁶
  С
  _{измерено} .
• Образец должен был оставаться закрытой системой с момента датировки события. Таким образом, не должно было быть никаких потерь или приобретений ⁴⁰
  К
  или ⁴⁰
  С
  *, кроме радиоактивного распада ⁴⁰
  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. Дефицит ⁴⁰
  С
  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.

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 полураспада периода ⁴⁰
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
С
успеют накопиться, чтобы их можно было точно измерить. K-Ar датирование сыграло важную роль в разработке временной шкалы геомагнитной полярности . 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. Он также был незаменим в других местах ранней Восточной Африки с историей вулканической активности, таких как Хадар, Эфиопия . K-Ar метод по-прежнему полезен для датирования диагенеза глинистых минералов . об успешном датировании иллита, образовавшегося в результате выветривания . В 2017 году сообщалось Эта находка косвенно привела к датировке береговой равнины Западной Норвегии, откуда был взят образец иллита. Глинистые минералы имеют толщину менее 2 мкм и их нелегко облучать для анализа Ar-Ar, поскольку Ar отталкивается от кристаллической решетки.

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

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. Бибкод : 1986CCM....34..483A . дои : 10.1346/CCMN.1986.0340415 .
• Макдугалл, И .; Харрисон, ТМ (1999). Геохронология и термохронология ⁴⁰ с/ ³⁹ Ар метод . 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

• «К/Ар и ⁴⁰ К/ ³⁹ Методика K» . 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 .