Kalium-Argon-dateringsmethoden

De isotopische dateringsmethode kalium-argon (K-Ar) is vooral nuttig voor het bepalen van de leeftijd van lava's. Ontwikkeld in de jaren 1950, was het belangrijk bij het ontwikkelen van de theorie van de platentektoniek en bij het kalibreren van de geologische tijdschaal.

Kalium-Argon Basics

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 tijdspanne verdwenen. Het verval levert argon-40 en calcium-40 op in een verhouding van 11 tot 89. De K-Ar-methode werkt door deze radiogene ⁴⁰Ar-atomen gevangen in mineralen.

Wat de dingen eenvoudiger maakt, is dat kalium een ​​reactief metaal is en argon een inert gas: kalium zit altijd stevig vast in mineralen, terwijl argon geen deel uitmaakt van mineralen. Argon maakt 1 procent van de atmosfeer uit. Ervan uitgaande dat er bij de eerste vorming geen lucht in een mineraalkorrel terechtkomt, heeft het geen argongehalte. Dat wil zeggen, een verse minerale korrel heeft zijn K-Ar "klok" op nul ingesteld.

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

1. Het kalium en argon moeten beide in de minerale toestand blijven gedurende de geologische tijd. Dit is het moeilijkst te bevredigen.
2. We kunnen alles nauwkeurig meten. Geavanceerde instrumenten, strenge procedures en het gebruik van standaardmineralen zorgen hiervoor.
3. We kennen de precieze natuurlijke mix van kalium- en argonisotopen. Decennia van fundamenteel onderzoek hebben ons deze gegevens gegeven.
4. We kunnen corrigeren voor elk argon uit de lucht dat in het mineraal komt. Dit vereist een extra stap.

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

De K-Ar-methode in de praktijk

Het te dateren monster 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 zinvol zijn, duidelijk gerelateerd aan fossielhoudende rotsen of andere elementen die een goede date nodig hebben om mee te doen 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 van kaliumveldspaat op hoge temperatuur, is het meest wenselijk. Maar mica's, plagioclase, hoornblende, klei en andere mineralen kunnen goede gegevens opleveren, evenals analyses van hele gesteenten. Jonge rotsen hebben lage niveaus van ⁴⁰Ar, dus er kan maar liefst enkele kilogram nodig zijn. Steenmonsters worden geregistreerd, gemarkeerd, verzegeld en vrijgehouden van vervuiling en overmatige hitte op weg naar het laboratorium.

De gesteentemonsters worden verpletterd, in schone apparatuur, tot een grootte die hele korrels van het te dateren mineraal behoudt, en vervolgens gezeefd om deze korrels van het doelmineraal te helpen concentreren. De geselecteerde groottefractie wordt gereinigd in echografie- en zuurbaden en vervolgens voorzichtig in de oven gedroogd. Het doelmineraal wordt gescheiden met behulp van zware vloeistoffen en vervolgens met de hand geplukt onder de microscoop voor het zuiverst mogelijke monster. Dit mineraalmonster wordt vervolgens gedurende de nacht zachtjes in een vacuümoven gebakken. Deze stappen helpen om zoveel mogelijk atmosferisch te verwijderen ⁴⁰Ar uit het monster mogelijk voordat u de meting uitvoert.

Vervolgens wordt het minerale monster verwarmd tot smelten in een vacuümoven, waarbij al het gas wordt verdreven. Een precieze hoeveelheid argon-38 wordt aan het gas toegevoegd als een "piek" om de meting te kalibreren, en het gasmonster wordt verzameld op actieve kool gekoeld door vloeibare stikstof. Vervolgens wordt het gasmonster gereinigd van alle ongewenste gassen zoals H₂O, CO₂, ZO₂, stikstof enzovoort totdat alles wat overblijft de inerte gassen zijn, argon onder hen.

Ten slotte worden de argonatomen geteld in een massaspectrometer, een machine met zijn eigen complexiteit. Drie argon-isotopen worden gemeten: ³⁶Ar, ³⁸Ar, en ⁴⁰Ar. Als de gegevens uit deze stap schoon zijn, kan de hoeveelheid 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 gecreëerd door een nucleaire vervalreactie. Het wordt afgetrokken en een evenredige hoeveelheid van de ³⁸Ar en ⁴⁰Ar worden ook afgetrokken. De overige ³⁸Ar is van de piek en de overgebleven ⁴⁰Ar is radiogeen. Omdat de piek precies bekend is, de ⁴⁰Ar wordt bepaald door vergelijking daarmee.

Variaties in deze gegevens kunnen wijzen op fouten overal in het proces, dat is de reden waarom alle voorbereidingsstappen gedetailleerd zijn vastgelegd.

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

De ⁴⁰Ar-³⁹Ar methode

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 neutronenstraal 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 indicatie van het kaliumgehalte. Het voordeel is dat alle informatie die nodig is voor het dateren van het monster afkomstig is van dezelfde argonmeting. Nauwkeurigheid is groter en fouten zijn lager. Deze methode wordt gewoonlijk "argon-argon dating" genoemd.

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