Kalium-Argon Dating Methoden: K-Ar en Ar-Ar Dating

Het kalium-argon (K-Ar) isotopische dating methode is vooral handig voor het bepalen van de leeftijd van lavas. Ontwikkeld in de jaren 1950, was het belangrijk bij het ontwikkelen van de theorie van platentektoniek en bij het kalibreren van de geologische tijdschaal.

Kalium komt voor in twee stabiele isotopen (⁴¹K en ³⁹K) en één radioactieve isotoop (⁴⁰K). Kalium-40 vervalt met een halfwaardetijd van 1250 miljoen jaar, wat betekent dat de helft van de ⁴⁰K-atomen zijn na die tijd verdwenen. Het verval levert argon-40 en calcium-40 op in een verhouding van 11 tot 89. De K-Ar-methode werkt door deze radiogeen te tellen ⁴⁰Ar-atomen opgesloten in mineralen.

Wat de zaken vereenvoudigt, is dat kalium een ​​reactief metaal is en argon een inert gas is: kalium zit altijd stevig vast in mineralen, terwijl argon geen deel uitmaakt van mineralen. Argon vormt 1 procent van de atmosfeer. Dus aangenomen dat er geen lucht in een mineraalkorrel komt wanneer het voor het eerst wordt gevormd, heeft het geen argongehalte. Dat wil zeggen dat een verse minerale korrel zijn K-Ar "klok" op nul heeft gezet.

De methode is gebaseerd op het voldoen aan enkele belangrijke aannames:

1. Het kalium en argon moeten beide gedurende geologische tijd in het mineraal blijven. Dit is het moeilijkst te bevredigen.
2. We kunnen alles nauwkeurig meten. Geavanceerde instrumenten, rigoureuze procedures en het gebruik van standaardmineralen zorgen hiervoor.
3. We kennen de precieze natuurlijke mix van kalium- en argonisotopen. Tientallen basisonderzoek hebben ons deze gegevens opgeleverd.
4. We kunnen corrigeren voor elk argon uit de lucht die in het mineraal komt. Dit vergt een extra stap.

Door zorgvuldig werk in het veld en in het laboratorium, kan aan deze veronderstellingen worden voldaan.

Het te dateren gesteentemonster moet zeer zorgvuldig worden gekozen. Elke wijziging of breuk betekent dat het kalium of het argon of beide zijn verstoord. De site moet ook geologisch betekenisvol zijn, duidelijk gerelateerd aan fossielhoudende rotsen of andere kenmerken die een goede date nodig hebben om deel te nemen aan het grote verhaal. Lavastromen die boven en onder rotsbedden liggen met oude menselijke fossielen zijn een goed - en waar - voorbeeld.

Het mineraal sanidine, de vorm op hoge temperatuur van kalium veldspaat, is het meest wenselijk. Maar micas, plagioklaas, hoornblende, klei en andere mineralen kunnen goede gegevens opleveren, evenals analyses van hele gesteenten. Jonge rotsen hebben een laag gehalte ⁴⁰Ar, dus er kunnen wel meerdere kilo's nodig zijn. Gesteentemonsters worden opgenomen, gemarkeerd, verzegeld en vrijgehouden van besmetting en overmatige hitte op weg naar het laboratorium.

De gesteentemonsters worden in schone apparatuur vermalen tot een zodanige grootte dat hele korrels van het te dateren mineraal behouden blijven en vervolgens gezeefd worden om deze korrels van het doelmineraal te helpen concentreren. De geselecteerde fractie wordt in ultrageluid- en zuurbaden gereinigd en vervolgens voorzichtig in de oven gedroogd. Het doelmineraal wordt gescheiden met zware vloeistoffen en vervolgens met de hand geplukt onder de microscoop voor een zo puur mogelijk monster. Dit mineraalmonster wordt vervolgens een nacht zachtjes gebakken in een vacuümoven. Deze stappen helpen om zoveel mogelijk atmosferisch te verwijderen ⁴⁰Ar uit het monster mogelijk voordat u de meting uitvoert.

Vervolgens wordt het mineraalmonster verwarmd tot smelten in een vacuümoven, waardoor al het gas wordt verdreven. Een precieze hoeveelheid argon-38 wordt aan het gas toegevoegd als een "piek" om de meting te helpen kalibreren, en het gasmonster wordt verzameld op actieve kool die wordt gekoeld door vloeibare stikstof. Vervolgens wordt het gasmonster ontdaan van alle ongewenste gassen zoals H₂O, CO₂, Dus₂, stikstof enzovoort totdat alles wat overblijft de inerte gassen, argon onder hen.

Tenslotte worden de argonatomen geteld in een massaspectrometer, een machine met zijn eigen complexiteit. Er worden drie argonisotopen gemeten: ³⁶Ar, ³⁸Ar, en ⁴⁰Ar. Als de gegevens van deze stap schoon zijn, kan de overvloed aan atmosferisch argon worden bepaald en vervolgens worden afgetrokken om het radiogene ⁴⁰Ar inhoud. Deze 'luchtcorrectie' is gebaseerd op het niveau van argon-36, dat alleen uit de lucht komt en niet wordt veroorzaakt door een nucleaire vervalreactie. Het wordt afgetrokken en een evenredig deel van de ³⁸Ar en ⁴⁰Ar worden ook afgetrokken. De overige ³⁸Ar komt van de piek en de overgebleven ⁴⁰Ar is radiogeen. Omdat de piek precies bekend is, de ⁴⁰Ar wordt bepaald door vergelijking ermee.

Variaties in deze gegevens kunnen overal in het proces op fouten wijzen, daarom worden alle voorbereidende stappen in detail vastgelegd.

K-Ar-analyses kosten enkele honderden dollars per monster en duren een week of twee.

Een variant van de K-Ar-methode geeft betere gegevens door het algehele meetproces eenvoudiger te maken. De sleutel is om het mineraalmonster in een neutronenbundel te plaatsen, die kalium-39 omzet in argon-39. Omdat ³⁹Ar heeft een zeer korte halfwaardetijd, het is gegarandeerd vooraf afwezig in het monster, dus het is een duidelijke indicator van het kaliumgehalte. Het voordeel is dat alle informatie die nodig is om het monster te dateren afkomstig is van dezelfde argonmeting. De nauwkeurigheid is groter en de fouten zijn kleiner. Deze methode wordt gewoonlijk "argon-argondatering" genoemd.

De fysieke procedure voor ⁴⁰Ar-³⁹Ar dating is hetzelfde behalve drie verschillen:

• Voordat het mineraalmonster in de vacuümoven wordt geplaatst, wordt het samen met monsters van standaardmaterialen door een neutronenbron bestraald.
• Er is geen ³⁸Ar spike nodig.
• Vier Ar-isotopen worden gemeten: ³⁶Ar, ³⁷Ar, ³⁹Ar, en ⁴⁰Ar.

De analyse van de gegevens is complexer dan bij de K-Ar-methode omdat de bestraling naast andere isotopen argonatomen creëert ⁴⁰K. Deze effecten moeten worden gecorrigeerd en het proces is ingewikkeld genoeg om computers te vereisen.

Ar-Ar-analyses kosten ongeveer $ 1000 per monster en duren enkele weken.

De Ar-Ar-methode wordt als superieur beschouwd, maar sommige van de problemen worden vermeden bij de oudere K-Ar-methode. Ook kan de goedkopere K-Ar-methode worden gebruikt voor screening- of verkenningsdoeleinden, waardoor Ar-Ar wordt bespaard voor de meest veeleisende of interessante problemen.

Deze dateringsmethoden zijn al meer dan 50 jaar constant verbeterd. De leercurve is lang geweest en is nog lang niet voorbij. Bij elke verhoging van de kwaliteit zijn er meer subtiele foutenbronnen gevonden waarmee rekening is gehouden. Goede materialen en bekwame handen kunnen leeftijden opleveren die zeker tot 1 procent kunnen bedragen, zelfs in rotsen van slechts 10.000 jaar oud, waarin hoeveelheden ⁴⁰Ar zijn verdwijnend klein.