Datarea cu potasiu-argon

Datarea potasiu-argon , abreviată datarea K-Ar , este o metodă de datare radiometrică utilizată în geocronologie și arheologie . Se bazează pe măsurarea produsului de dezintegrare radioactivă a unui izotop de potasiu (K) în argon (Ar). Potasiul este un element comun găsit în multe materiale, cum ar fi mice , minerale argiloase , tephrite și evaporite . În aceste materiale, produsul de dezintegrare ⁴⁰ Ar este capabil să scape din roca lichidă (topită), dar începe să se acumuleze pe măsură ce roca se solidifică (se recristalizează). Cantitatea de sublimare a argonului care apare este o funcție de puritatea probei, compoziția materialului de bază și numeroși alți factori. Acești factori introduc limite de eroare la extremele superioare și inferioare ale datării, astfel încât determinarea vârstei este dependentă de factorii de mediu în timpul formării, topirii și expunerii la presiune crescută și / sau aer liber. Timpul care începe de la recristalizare este calculat prin măsurarea raportului dintre cantitatea de ⁴⁰ Ar acumulată și cantitatea de ⁴⁰ K rămasă. Timpul de înjumătățire lung de ⁴⁰ K permite metoda să fie utilizată pentru a calcula vârsta absolută a probelor mai vechi de câteva mii de ani. ^[1]

Lavele răcite rapid care fac probe aproape ideale pentru datarea K-Ar păstrează, de asemenea, o înregistrare a direcției și puterii câmpului magnetic local pe măsură ce proba s-a răcit dincolo de temperatura Curie a fierului. Scara de timp a polarității geomagnetice a fost calibrată utilizând în mare măsură datarea K-Ar. ^[2]

Seria Decay

Potasiul apare în mod natural în 3 izotopi: ³⁹ K (93,2581%), ⁴⁰ K (0,0117%), ⁴¹ K (6,7302%). Două sunt stabile, în timp ce izotopul radioactiv ⁴⁰ K se descompune cu un timp de înjumătățire de 1.248 × 10 ⁹ ani la ⁴⁰ Ca și ⁴⁰ Ar . Conversia la ⁴⁰ Ca stabilă are loc prin emisia de electroni ( descompunere beta ) în 89,1% din evenimentele de descompunere. Conversia la ⁴⁰ Ar stabilă are loc prin captarea electronilor în restul de 10,9% din evenimentele de descompunere. ^[3]

Argonul, fiind un gaz nobil , este o componentă minoră a majorității probelor de rocă de interes geochronologic : nu se leagă cu alți atomi dintr-o rețea de cristal. Când ⁴⁰ K se descompune la ⁴⁰ Ar (argon), atomul este prins în mod normal în interiorul rețelei, deoarece este mai voluminos decât spațiile dintre alți atomi dintr-un cristal mineral. Dar poate scăpa în regiunea înconjurătoare atunci când sunt îndeplinite unele condiții adecvate, cum ar fi schimbarea presiunii și / sau a temperaturii. Atomii de ⁴⁰ Ar sunt capabili să se răspândească și să scape din magma topită, deoarece majoritatea cristalelor s-au contopit și atomii nu mai sunt prinși. Argonul încorporat - argon difuz care nu poate scăpa de magmă - poate deveni din nou prins în cristale pe măsură ce magma se răcește pentru a se transforma înapoi în rocă solidă. După recristalizarea magmei, alți ⁴⁰ K se vor descompune și ⁴⁰ Ar se vor acumula din nou, împreună cu atomii de argon înghițiți prinși în cristalele minerale. Măsurarea cantității de ^{40 de} atomi de Ar este utilizată pentru a calcula cantitatea de timp care a trecut de când s-a solidificat o probă de rocă.

Deși Ca ⁴⁰ este nucleul preferat pentru copii, este rar folosit pentru întâlniri, deoarece calciul este comun în scoarță și Ca ⁴⁰ este cel mai abundent izotop. Prin urmare, cantitatea de calciu prezentă inițial nu este cunoscută cu precizie și poate avea variații de natură să confunde măsurătorile micii creșteri produse de dezintegrarea radioactivă.

Calculul vârstei rocilor

Potasiul 40 este un izotop radioactiv care se dezintegrează după următoarele moduri de dezintegrare:

${}^{40}\mathrm {K} +\mathrm {e} ^{-}\rightarrow {}^{40}\mathrm {Ar} +\gamma \,(1,505\,{\text{MeV}})$ ${\ displaystyle {} ^ {40} \ mathrm {K} + \ mathrm {e} ^ {-} \ rightarrow {} ^ {40} \ mathrm {Ar} + \ gamma \, (1,505 \, {\ text { MeV}})}$ ${\ displaystyle {} ^ {40} \ mathrm {K} + \ mathrm {e} ^ {-} \ rightarrow {} ^ {40} \ mathrm {Ar} + \ gamma \, (1,505 \, {\ text { MeV}})}$

λ _ε = 0,581 × 10 ⁻¹⁰ ani

${}^{40}\mathrm {K} \rightarrow {}^{40}\mathrm {Ca} +\beta ^{-}(1,311\,{\text{MeV}})$ ${\ displaystyle {} ^ {40} \ mathrm {K} \ rightarrow {} ^ {40} \ mathrm {Ca} + \ beta ^ {-} (1.311 \, {\ text {MeV}})}$ ${\ displaystyle {} ^ {40} \ mathrm {K} \ rightarrow {} ^ {40} \ mathrm {Ca} + \ beta ^ {-} (1.311 \, {\ text {MeV}})}$

λ _β = 4.962 × 10 ⁻¹⁰ ani

Vârsta eșantionului se obține prin următoarea formulă:

t={\frac {1}{\lambda }}\ln \left[1+{\frac {\lambda }{\lambda _{\epsilon }}}\left({\frac {{}^{40}\mathrm {Ar} }{{}^{40}\mathrm {K} }}\right)\right]

{\ displaystyle t = {\ frac {1} {\ lambda}} \ ln \ left [1 + {\ frac {\ lambda} {\ lambda _ {\ epsilon}}} \ left ({\ frac {{} ^ {40} \ mathrm {Ar}} {{} ^ {40} \ mathrm {K}}} \ right) \ right]}

{\ displaystyle t = {\ frac {1} {\ lambda}} \ ln \ left [1 + {\ frac {\ lambda} {\ lambda _ {\ epsilon}}} \ left ({\ frac {{} ^ {40} \ mathrm {Ar}} {{} ^ {40} \ mathrm {K}}} \ right) \ right]}

cu

\lambda =\lambda _{\epsilon }+\lambda _{\beta }

{\ displaystyle \ lambda = \ lambda _ {\ epsilon} + \ lambda _ {\ beta}}

{\ displaystyle \ lambda = \ lambda _ {\ epsilon} + \ lambda _ {\ beta}}

Când raportul izotopului $\left({\tfrac {{}^{40}\mathrm {Ar} }{{}^{40}\mathrm {K} }}\right)$ ${\ displaystyle \ left ({\ tfrac {{} ^ {40} \ mathrm {Ar}} {{} ^ {40} \ mathrm {K}}} \ right)}$ ${\ displaystyle \ left ({\ tfrac {{} ^ {40} \ mathrm {Ar}} {{} ^ {40} \ mathrm {K}}} \ right)}$ , egal cu raportul dintre concentrațiile de argon 40 și potasiu 40, este suficient de slab, formula se simplifică la:

t={\frac {1}{\lambda _{\epsilon }}}\left({\frac {{}^{40}\mathrm {Ar} }{{}^{40}\mathrm {K} }}\right)={\frac {1}{0,1048\times \lambda }}\left({\frac {{}^{40}\mathrm {Ar} }{{}^{40}\mathrm {K} }}\right)

{\ displaystyle t = {\ frac {1} {\ lambda _ {\ epsilon}}} \ left ({\ frac {{} ^ {40} \ mathrm {Ar}} {{} ^ {40} \ mathrm { K}}} \ right) = {\ frac {1} {0,1048 \ times \ lambda}} \ left ({\ frac {{} ^ {40} \ mathrm {Ar}} {{} ^ {40} \ mathrm {K}}} \ right)}

{\ displaystyle t = {\ frac {1} {\ lambda _ {\ epsilon}}} \ left ({\ frac {{} ^ {40} \ mathrm {Ar}} {{} ^ {40} \ mathrm { K}}} \ right) = {\ frac {1} {0,1048 \ times \ lambda}} \ left ({\ frac {{} ^ {40} \ mathrm {Ar}} {{} ^ {40} \ mathrm {K}}} \ right)}

.

Obțineți datele

Pentru a obține raportul dintre conținutul de izotop ⁴⁰ Ar și ⁴⁰ K într-o rocă sau mineral, cantitatea de argon este măsurată prin spectrometria de masă a gazelor eliberate atunci când o probă de rocă este topită în vid. Potasiul este cuantificat prin fotometrie cu flacără sau spectroscopie de absorbție atomică .

Cantitatea de ⁴⁰ K este rar măsurată direct. Mai degrabă, se măsoară cel mai comun ³⁹ K și acea cantitate este apoi înmulțită cu raportul acceptat de ⁴⁰ K / ³⁹ K (adică 0,0117% / 93,2581%, vezi mai sus).

Cantitatea de ³⁶ Ar este, de asemenea, măsurată pentru a evalua cât din argonul total este de origine atmosferică.

Recrutări

Potrivit McDougall și Harrison 1999 , p. 11 , pentru a accepta că datele calculate reprezintă adevărata vârstă a stâncii, trebuie confirmate următoarele ipoteze: ^[4]

Nuclidul părinte, ⁴⁰ K, se descompune la o rată independentă de starea sa fizică și nu este afectat de diferențele de presiune sau temperatură. Aceasta este o ipoteză importantă, bine întemeiată, comună tuturor metodelor de datare bazate pe dezintegrare radioactivă. Deși în decădere parțială prin captarea electronilor, constantă pentru ⁴⁰ K, schimbările pot apărea probabil la presiuni ridicate, calculele teoretice indică faptul că pentru presiunile experimentate într-un corp de dimensiunea Pământului efectele sunt neglijabil de mici. ^[1]
Raportul K ⁴⁰ / K ³⁹ este constant în natură, deci rareori ⁴⁰ K se măsoară direct, dar se presupune că atât 0,0117% din potasiul total. Cu excepția cazului în care un alt proces este activ în momentul răcirii, aceasta este o presupunere excelentă pentru probele terestre. ^[5]
Argonul radiogen măsurat într-o probă a fost produs prin descompunerea la fața locului de ⁴⁰ K în intervalul de la momentul în care roca a cristalizat sau a recristalizat. Încălcările acestei ipoteze nu sunt neobișnuite. Exemple binecunoscute de incorporare străină de ⁴⁰ Ar includ bazale sticloase răcite în adâncuri care nu au degazat complet ⁴⁰ Ar * preexistent, ^[6] și contaminarea fizică a magmei prin includerea unui material xenolitic mai vechi. Metoda de datare Ar-Ar a fost dezvoltată pentru a măsura prezența argonului străin.
Este necesară o atenție deosebită pentru a evita contaminarea probelor prin absorbția argonului 40 non-radiogen din atmosferă. Ecuația poate fi corectată scăzând din valoarea de ⁴⁰ Ar _măsurată cantitatea prezentă în aer unde ⁴⁰ Ar este de 295,5 ori mai abundentă decât ³⁶ Ar. ⁴⁰ Ar _descompus = ⁴⁰ Ar _măsurat - 295,5 × ³⁶ Ar _măsurat .
Eșantionul trebuie să fi rămas un sistem închis de la data evenimentului. Astfel, nu ar fi trebuit să existe pierderi sau câștiguri de ⁴⁰ K sau ⁴⁰ Ar *, altele decât decăderea radioactivă de ⁴⁰ K. Abaterile de la această presupunere sunt destul de frecvente, în special în zonele de istorie geologică complexă, dar astfel de abateri pot furniza informații utile care sunt de neprețuit în clarificarea istoricelor termice. O deficiență de ⁴⁰ Ar într-un eșantion de vârstă cunoscută poate indica topirea totală sau parțială în istoria termică a zonei. Fiabilitatea datării unei caracteristici geologice este sporită prin prelevarea de probe de zone disparate care au fost supuse unor istorii termice ușor diferite. ^[7]

Atât fotometria cu flacără, cât și spectrometria de masă sunt teste distructive, de aceea este necesară o atenție specială pentru a se asigura că alicoturile utilizate sunt cu adevărat reprezentative pentru eșantion. Datarea Ar-Ar este o tehnică similară care compară izotopii radioactivi din aceeași porțiune a probei pentru a evita această problemă.

Aplicații

Datorită perioadei de înjumătățire lungă, tehnica este aplicabilă în special pentru datarea mineralelor și rocilor mai vechi de 100.000 de ani. Pentru scări de timp mai scurte, este puțin probabil ca suficient argon-40 să aibă timp să se acumuleze pentru a fi măsurabil cu precizie. Datarea K-Ar a fost esențială în dezvoltarea scării de timp a polarității geomagnetice . ^[2] Deși este cel mai util în aplicații geologice , joacă și un rol important în arheologie . O aplicație arheologică a avut loc în circumscrierea vârstei depozitelor arheologice de la defileul Olduvai prin datarea fluxurilor de lavă deasupra și dedesubtul zăcămintelor. ^[8] Datarea K-Ar a fost, de asemenea, indispensabilă în alte situri africane antice cu o istorie a activității vulcanice , cum ar fi Hadar (Etiopia) . ^[8] Metoda K-Ar continuă să fie utilă pentru datarea diagenezei mineralelor argiloase. ^[9] Mineralele de argilă au o grosime mai mică de 2 micrometri și nu pot fi iradiate cu ușurință pentru analiza Ar - Ar , deoarece Ar se retrage din rețeaua cristalină.

În 2013, metoda K-Ar a fost folosită de misiunea rover-ului Curiosity Mars pentru a dat o piatră pe suprafața marțiană, prima dată când o piatră a fost datată de ingredientele sale minerale în timp ce era localizată pe o altă planetă. ^[10] ^[11]

Notă

^ ^a ^b McDougall și Harrison 1999 , p. 10 .
^ ^a ^b McDougall și Harrison 1999 , p. 9 .
^ ENSDF Decay Data in the MIRD Format for ⁴⁰ K , at orau.org , National Nuclear Data Center , iunie 1993. Accesat la 20 septembrie 2013 .
^ McDougall și Harrison 1999 , p. 11 : „Ca și în cazul tuturor metodelor de datare a izotopilor, există numeroase ipoteze care trebuie îndeplinite pentru ca o vârstă K-Ar să se lege de evenimente din istoria geologică a regiunii studiate.”
^ McDougall și Harrison 1999 , p. 14 .
^ ⁴⁰ Ar * înseamnă argon radiogen.
^ McDougall și Harrison 1999 , pp. 9-12 .
^ ^a ^b Tattersall 1995 .
^ Aronson și Lee 1986 .
^ NASA Curiosity: First Mars Age Measurement and Human Exploration Help , Laboratorul de propulsie cu jet , 9 decembrie 2013.
^ Tehnica martiană de datare a stâncii ar putea indica semne de viață în spațiu , Universitatea din Queensland, 13 decembrie 2013. Accesat la 12 noiembrie 2017 (arhivat din original la 23 septembrie 2015) .

Bibliografie

I. McDougall și TM Harrison, Geochronology and thermochronology by the ⁴⁰ Ar / ³⁹ Ar method , Oxford University Press , 1999, ISBN 0-19-510920-1 .
I. Tattersall, The Fossil Trail: How We Know What We Think What We Know About Human Evolution , Oxford University Press , 1995, ISBN 0-19-506101-2 .

Lecturi suplimentare

Metodologia K / Ar și ⁴⁰ K / ³⁹ K , pe ees.nmt.edu , New Mexico Geochronology Research Laboratory (arhivat din original la 17 aprilie 2006) .
GH Michaels și BM Fagan, Metode cronologice 9: Potassium - Argon Dating , la id-archserve.ucsb.edu , Universitatea din California , 15 decembrie 2005 (arhivat din original la 10 august 2010) .
JL Aronson și M. Lee, K / Ar sistematică a bentonitei și a șistului într-o zonă metamorfică de contact , în Clays and Clay Minerals , vol. 34, nr. 4, 1986, pp. 483–487, Bibcode : 1986CCM .... 34..483A , DOI : 10.1346 / CCMN.1986.0340415 .
TJ Moran, Teaching Radioisotope Dating Using the Geology of the Hawaii Islands ( PDF ), în Journal of Geoscience Education , vol. 57, nr. 2, 2009, pp. 101-105, Bibcode : 2009JGeEd..57..101M , DOI : 10.5408 / 1.3544237 .

Alte proiecte

Wikibooks conține texte sau manuale despre Potassium-Argon Dating

Controlul autorității	LCCN ( EN ) sh85105601

Portalul de arheologie

Portalul chimiei

Portalul de fizică

[McD-H_10-1] McDougall și Harrison 1999 , p. 10 .

[McD-H_9-2] McDougall și Harrison 1999 , p. 9 .

[3] ENSDF Decay Data in the MIRD Format for ⁴⁰ K , at orau.org , National Nuclear Data Center , iunie 1993. Accesat la 20 septembrie 2013 .

[4] McDougall și Harrison 1999 , p. 11 : „Ca și în cazul tuturor metodelor de datare a izotopilor, există numeroase ipoteze care trebuie îndeplinite pentru ca o vârstă K-Ar să se lege de evenimente din istoria geologică a regiunii studiate.”

[5] McDougall și Harrison 1999 , p. 14 .

[6] ⁴⁰ Ar * înseamnă argon radiogen.

[7] McDougall și Harrison 1999 , pp. 9-12 .

[Tattersall_1995-8] Tattersall 1995 .

[9] Aronson și Lee 1986 .

[10] NASA Curiosity: First Mars Age Measurement and Human Exploration Help , Laboratorul de propulsie cu jet , 9 decembrie 2013.

[11] Tehnica martiană de datare a stâncii ar putea indica semne de viață în spațiu , Universitatea din Queensland, 13 decembrie 2013. Accesat la 12 noiembrie 2017 (arhivat din original la 23 septembrie 2015) .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]