Методи за запознанства с калий-аргон: K-Ar и Ar-Ar запознанства

Калиевият аргон (K-Ar) изотопски запознанства метод е особено полезен за определяне на възрастта на лавите. Разработен през 50-те години на миналия век, той е важен за развитието на теорията за тектоника на плочи и при калибриране на геоложки мащаб на времето.

калий се среща в два стабилни изотопа (⁴¹К и ³⁹К) и един радиоактивен изотоп (⁴⁰K). Калий-40 се разпада с период на полуразпад 1250 милиона години, което означава, че половината от ⁴⁰K атомите изчезват след този период от време. Разлагането му дава аргон-40 и калций-40 в съотношение 11 към 89. Методът K-Ar работи, като преброява тези радиогенни ⁴⁰Ar атомите, хванати в минералите.

Това, което опростява нещата, е, че калият е реактивен метал, а аргонът е инертен газ: Калият винаги е здраво затворен в минералите, докато аргонът не е част от никакви минерали. Аргонът представлява 1% от атмосферата. Така че ако приемем, че нито един въздух не попада в минерално зърно при първото му образуване, той има нулево съдържание на аргон. Тоест, прясно минерално зърно има своя K-Ar "часовник", зададен на нула.

Методът разчита на удовлетворяване на някои важни предположения:

1. Калият и аргонът трябва да останат поставени в минерала за геоложко време. Това е най-трудното за задоволяване.
2. Можем да измерваме всичко точно. Усъвършенстваните инструменти, строги процедури и използването на стандартни минерали гарантират това.
3. Ние знаем точната естествена смес от изотопи на калий и аргон. Десетилетия на основни изследвания ни дадоха тези данни.
4. Можем да коригираме всеки аргон от въздуха, който попада в минерала. Това изисква допълнителна стъпка.

Предвид внимателната работа на полето и в лабораторията, тези предположения могат да бъдат изпълнени.

Скалната проба, която ще бъде датирана, трябва да бъде избрана много внимателно. Всяка промяна или разрушаване означава, че калият или аргонът или и двете са били нарушени. Сайтът също трябва да има геологичен смисъл, ясно свързан с изкопаеми скали или други характеристики, които се нуждаят от добра дата, за да се присъединят към голямата история. Лавовите потоци, които се намират над и под скални корита с древни човешки вкаменелости, са добър - и истински - пример.

Минералът санидин, високотемпературната форма на калиев фелдшпат, е най-желаното. Но слюди, плагиоклаза, роговица, глини и други минерали могат да дадат добри данни, както и анализите на цели скали. Младите скали имат ниски нива на ⁴⁰Ar, така че може да са необходими няколко килограма. Скалните проби се записват, маркират, запечатват и се пазят от замърсяване и прекомерна топлина по пътя към лабораторията.

Скалните проби се раздробяват в чисто оборудване до размер, който запазва целите зърна на минерала, за да се датират, след което се пресяват, за да се концентрира тези зърна от целевия минерал. Избраната фракция с размер се почиства в ултразвукови и киселинни бани, след което внимателно се изсушава във фурната. Целевият минерал се отделя с помощта на тежки течности, след което се взема ръчно под микроскоп за най-чистата възможна проба. След това тази минерална проба се пече леко за една нощ във вакуумна пещ. Тези стъпки помагат да се премахне толкова атмосферно ⁴⁰Ar от пробата, колкото е възможно преди да се направи измерването.

След това минералната проба се нагрява до топене във вакуумна пещ, като изгонва целия газ. Прецизно количество аргон-38 се добавя към газа като "шип", за да се подпомогне калибрирането на измерването и газовата проба се събира върху активен въглен, охладен с течен азот. Тогава газовата проба се почиства от всички нежелани газове като H₂О, СО₂, ТАКА₂, азот и така нататък, докато всичко останало е инертни газове, аргон сред тях.

И накрая, атомите на аргона се броят в мас-спектрометър, машина със собствени сложности. Измерват се три изотопа на аргон: ³⁶Ar, ³⁸Ar, и ⁴⁰Ar. Ако данните от този етап са чисти, може да се определи изобилието от атмосферен аргон и след това да се извади, за да се получи радиогенен ⁴⁰Ar съдържание. Тази "корекция на въздуха" се основава на нивото на аргон-36, което идва само от въздуха и не е създадено от никаква реакция на ядрен разпад. Той се изважда и пропорционално количество на ³⁸Ар и ⁴⁰Ar също се изваждат. Останалото ³⁸Ar е от шипа, а останалите ⁴⁰Ar е радиогенен. Тъй като шипът е точно известен, ⁴⁰Ar се определя в сравнение с него.

Различията в тези данни могат да сочат грешки навсякъде в процеса, поради което всички етапи на подготовка се записват подробно.

K-Ar анализите струват няколко стотин долара за проба и отнемат седмица или две.

Вариант на метода K-Ar дава по-добри данни, като прави цялостния процес на измерване по-опростен. Ключът е да се постави минералната проба в неутронен лъч, който превръща калий-39 в аргон-39. защото ³⁹Ar има много кратък полуживот, гарантирано е, че отсъства в пробата предварително, така че това е ясен индикатор за съдържанието на калий. Предимството е, че цялата информация, необходима за датиране на пробата, идва от едно и също измерване на аргон. Точността е по-голяма и грешките са по-ниски. Този метод обикновено се нарича „датиране на аргон-аргон“.

Физическата процедура за ⁴⁰Аг³⁹Ar датирането е същото, с изключение на три разлики:

• Преди да се постави минералната проба във вакуумната фурна, тя се облъчва заедно с проби от стандартни материали от източник на неутрон.
• Няма ³⁸Ar шип е необходимо.
• Измерват се четири изотопа на Ar: ³⁶Ar, ³⁷Ar, ³⁹Ar, и ⁴⁰Ar.

Анализът на данните е по-сложен, отколкото при метода K-Ar, тъй като облъчването създава аргонови атоми от други изотопи освен ⁴⁰К. Тези ефекти трябва да бъдат коригирани и процесът е достатъчно сложен, за да се изискват компютри.

Ar-Ar анализите струват около $ 1000 за проба и отнемат няколко седмици.

Методът Ar-Ar се счита за превъзходен, но някои от проблемите му се избягват при по-стария метод на K-Ar. Също така по-евтиният метод на K-Ar може да се използва за скрининг или разузнавателни цели, спестявайки Ar-Ar за най-взискателните или интересни проблеми.

Тези методи за запознанства са в постоянно подобрение повече от 50 години. Кривата на обучение е дълга и далеч не е приключила днес. С всяко увеличение на качеството са открити и взети предвид по-фини източници на грешки. Добрите материали и умелите ръце могат да дадат възрасти, които със сигурност са в рамките на 1%, дори и в скали само на 10 000 години, в които количества ⁴⁰Ar са изчезващо малки.