Oversigt
Isotoper af kalium og argon
Den isotop, som KAr-systemet er baseret på, er kalium (K) og argon (Ar). Kalium, et alkalimetal, Jordens ottende mest hyppige grundstof, er almindeligt i mange bjergarter og bjergartsdannende mineraler. Mængden af kalium i en bjergart eller et mineral varierer proportionalt med mængden af silica i den pågældende bjergart. Derfor indeholder mafiske bjergarter og mineraler ofte mindre kalium end en tilsvarende mængde kiselholdige bjergarter eller mineraler. Kalium kan mobiliseres ind i eller ud af en bjergart eller et mineral gennem omdannelsesprocesser. På grund af kaliums relativt tunge atomvægt forekommer der kun en ubetydelig fraktionering af de forskellige kaliumisotoper. 40K-isotopen er dog radioaktiv og vil derfor blive reduceret i mængde med tiden. Men med henblik på KAr-dateringssystemet er den relative hyppighed af 40K så lille, og dens halveringstid er så lang, at dens forhold til de andre kaliumisotoper anses for at være konstant.
Argon, en ædelgas, udgør ca. 0,1-5% af Jordens nuværende atmosfære. Fordi den er til stede i atmosfæren, vil alle sten og mineraler indeholde en vis mængde argon. Argon kan mobiliseres ind i eller ud af en bjergart eller et mineral gennem ændring og termiske processer. Ligesom kalium kan argon ikke fraktioneres væsentligt i naturen. 40Ar er imidlertid et henfaldsprodukt af 40K og vil derfor stige i mængde med tiden. Mængden af 40Ar, der produceres i en bjergart eller et mineral over tid, kan bestemmes ved at fratrække den mængde, der vides at være indeholdt i atmosfæren. Dette gøres ved hjælp af det konstante 40Ar/36Ar-forhold i atmosfærisk argon. Dette forhold er 295,5.
Radioaktivt henfald af moderisotop til datterisotop
Kernerne af naturligt forekommende 40K er ustabile og henfalder med konstant hastighed (halveringstid = 1,25 milliarder år). Henfaldsskemaet er elektronindfangning og positronhenfald. Ca. 89 % af 40K-atomerne henfalder til 40Ca. I K/Ar-dateringssystemet ses der bort fra dette henfald til calciumisotoper. De resterende 11 % af 40K-atomerne henfalder til 40Ar. Det er denne ordning, der får K/Ar-metoden til at fungere.
Ansamlingen af radiogen 40Ar (40Ar*) i et lukket system kan udtrykkes ved ligningen:
K/Ar-dateringsteknikken
Generelle antagelser for Kalium-Argon-dateringssystemet
Visse antagelser skal være opfyldt, før alderen af en sten eller et mineral kan beregnes med Kalium-Argon-dateringsteknikken. Disse er:
- Det pågældende materiale er et lukket system. Det vil sige, at der ikke er undsluppet radiogen 40Ar fra stenen/mineralet, siden det blev dannet. I tilfælde af et vulkansk mineral betyder dette hurtig afkøling. Ligeledes er kalium ikke blevet tilført eller tabt.
- Der er foretaget en korrektion for atmosfærisk argon (40Ar fra 40Ar/36Ar-forholdet = 295,5 fratrukket).
- Ingen ikke-atmosfærisk 40Ar er blevet inkorporeret i stenen/mineralen under eller efter dens dannelse.
- Kaliumisotoperne i bjergarten/mineralen er ikke blevet fraktioneret, bortset fra ved 40K-henfald.
- Herfaldskonstanterne for 40K er nøjagtigt kendt.
- Mængderne af 40Ar og kalium i bjergarten/mineralen er nøjagtigt bestemt.
K/Ar-aldersbestemmelsen
Når 40Ar og kalium i en sten/mineral er målt nøjagtigt, skal mængden af 40K (baseret på den relative hyppighed af 40K i forhold til det samlede kalium) og 40Ar* (radiogen 40Ar) beregnes. K/Ar-metoden anvender en spike (kendt mængde) af 38Ar blandet med den argon, der er ekstraheret fra stenen/mineralen, til bestemmelse af mængden af 40Ar*. De resulterende 40Ar* og 40K kan sættes ind i aldersligningen på følgende måde:
Problemer og begrænsninger ved K/Ar-dateringsteknikken
Da K/Ar-dateringsteknikken er afhængig af at bestemme de absolutte forekomster af både 40Ar og kalium, er der ikke en pålidelig måde at afgøre, om antagelserne er gyldige. Argontab og overskydende argon er to almindelige problemer, som kan medføre, at der bestemmes fejlagtige aldre. Argontab opstår, når radiogen 40Ar (40Ar*), der er produceret i en sten/mineral, slipper ud på et tidspunkt efter dannelsen. Alteration og høj temperatur kan beskadige en bjergart/mineralgitter tilstrækkeligt meget til, at 40Ar* kan frigives. Dette kan medføre, at den beregnede K/Ar-alder er yngre end den “sande” alder af det daterede materiale. Omvendt kan et overskud af argon (40ArE) medføre, at den beregnede K/Ar-alder er ældre end det daterede materiales “sande” alder. Overskydende argon er simpelthen 40Ar, der tilskrives radiogen 40Ar og/eller atmosfærisk 40Ar. Overskydende argon kan stamme fra kappen, som bobler fanget i en smeltning, i tilfælde af en magma. Eller det kan være en xenokryst/xenolit, der er fanget i en magma/lava under indlejringen.
40Ar/39Ar-dateringsteknikken
Principper for 40Ar/39Ar-metoden
40Ar/39Ar-dateringsteknikken er en mere sofistikeret variant af K/Ar-dateringsteknikken. Begge teknikker er baseret på måling af en datterisotop (40Ar) og en moderisotop. Mens K/Ar-teknikken måler kalium som moderatstof, bruger 40Ar/39Ar-teknikken 39Ar.
Da de relative hyppigheder af kaliumisotoperne er kendt, kan 39ArK (produceret fra 39K ved en hurtig neutronreaktion) bruges som en proxy for kalium. I modsætning til den konventionelle K/Ar-teknik er det derfor ikke nødvendigt at måle de absolutte mængder. I stedet måles forholdet mellem de forskellige argonisotoper, hvilket giver mere præcise og nøjagtige resultater. Yderligere fordele ved de enkelte isotopmålinger i 40Ar/39Ar-teknikken er mindskede virkninger af prøveinhomogenitet og brugen af mindre prøvestørrelser.
Prøvebestråling / produktion af 39Ar
Da 39ArK kun kan produceres ved en hurtig neutronreaktion på 39K , skal alle prøver dateret med 40Ar/39Ar-teknikken bestråles i kernen af en atomreaktor. Mængden af 39ArK, der produceres ved en given bestråling, vil afhænge af den oprindeligt tilstedeværende mængde 39K, bestrålingens længde, neutronfluxtætheden og neutronindfangningstværsnittet for 39K. Da det imidlertid er vanskeligt at bestemme hver af disse parametre uafhængigt af hinanden, bestråles en mineralstandard eller monitor af kendt alder sammen med prøver af ukendt alder. Monitorens flux kan derefter ekstrapoleres til prøverne og derved bestemme deres flux. Denne flux er kendt som “J” og kan bestemmes ved følgende ligning:
Ud over 39Ar-produktion fra 39K forekommer der flere andre “interferens”-reaktioner under bestråling af prøverne. Andre isotoper af argon produceres fra kalium, calcium, argon og klor. Disse er:
Som tabellen ovenfor illustrerer, forekommer flere “uønskede” reaktioner på isotoper, der er til stede i alle geologiske prøver. Der skal korrigeres for disse reaktorproducerede isotoper af argon for at kunne bestemme en nøjagtig alder. Overvågningen af de forstyrrende reaktioner udføres ved hjælp af laboratoriesalte og glas. For at bestemme mængden af reaktorproduceret 40Ar fra 40K bestråles f.eks. kaliumrigt glas med prøverne for at bestemme mængden af 40Ar fra 40K. Forholdet 40Ar/39Ar i glasset måles derefter i massespektrometeret for at bestemme den korrektionsfaktor, der skal anvendes på resten af prøverne i den pågældende bestråling. CaF bestråles og måles også rutinemæssigt for at bestemme 36Ar/37Ar- og 39Ar/37Ar-korrektionsfaktorerne. Den “ønskelige” produktion af 37Ar fra 40Ca giver os mulighed for at bestemme, hvor meget 36Ar og 39Ar der skal korrigeres for, samt K/Ca-forholdet i prøven. Den ønskelige produktion af 38Ar fra 37Cl giver os mulighed for at bestemme, hvor meget klor der er til stede i vores prøver. Et salt af KCl bestråles for at bestemme 38Ar/39Ar-produktionsforholdet, som derefter kan anvendes på andre prøver for at bestemme K/Cl-forholdet.
40Ar/39Ar-aldersbestemmelse
Når J (neutronfluxparameter), 40Ar* og 39ArK er blevet bestemt (dvs. subtraktion af atmosfærisk argon, systemtomme og interfererende reaktorproducerede isotoper), kan de indgå i 40Ar/39Ar-aldersligningen:
Da 40Ar/39Ar-teknikken er baseret på forhold i stedet for absolutte mængder, er vi i stand til at udtrække og måle flere alikvotes af argon fra en enkelt prøve. Flere argonekstraktioner kan udføres på en prøve på flere måder. Trinopvarmning er den mest almindelige metode og indebærer enten en ovn eller en laser til ensartet opvarmning af prøven, så der udvikles argon. De enkelte aldre fra hvert opvarmningsskridt plottes derefter grafisk på et aldersspektrum eller en isochron. Mekanisk knusning er også en teknik, der er i stand til at frigøre argon fra en enkelt prøve i flere trin.
Lasersonder gør det også muligt at bestemme flere aldre på en enkelt prøve, men det sker ved hjælp af nøjagtig og præcis rumlig kontrol. For eksempel giver laserspotstørrelser på 100 mikrometer eller mindre brugeren mulighed for at udtrække flere argonprøver fra hele et lille glimmer- eller feltspatkorn. Resultaterne fra en lasersonde kan plottes på flere grafiske måder, herunder et kort over et korn, der viser den laterale argonfordeling.
40Ar/39Ar total fusion af en prøve kan sammenlignes med en K/Ar-aldersbestemmelse, idet den er afhængig af en engros frigivelse af argon på et tidspunkt. I modsætning til konventionel K/Ar måler 40Ar/39Ar total fusion imidlertid forhold, hvilket gør den ideel til prøver, der er kendt for at være meget argonholdende (f.eks. sanidin). Total fusion udføres ved hjælp af en laser, og resultaterne plottes almindeligvis på sandsynlighedsfordelingsdiagrammer eller ideogrammer.
Nogle problemer med 40Ar/39Ar-teknikken.
Standard interkalibrering
For at en alder kan beregnes ved hjælp af 40Ar/39Ar-teknikken, skal J-parameteren være kendt. For at J-parameteren kan bestemmes, skal en standard med kendt alder bestråles med prøverne med ukendt alder. Da denne (primære) standard i sidste ende ikke kan bestemmes ved hjælp af 40Ar/39Ar, skal den først bestemmes ved hjælp af en anden isotopdateringsmetode. Den metode, der oftest anvendes til at datere den primære standard, er den konventionelle K/Ar-teknik. Den primære standard skal være et mineral, der er homogent, rigeligt forekommende og let daterbart ved hjælp af K/Ar- og 40Ar/39Ar-metoderne. Traditionelt har denne primære standard været en hornblende fra McClure-bjergene i Colorado (også kaldet MMhb-1). Når en nøjagtig og præcis alder er fastlagt for den primære standard, kan andre mineraler dateres i forhold til den ved hjælp af 40Ar/39Ar-metoden. Disse sekundære mineraler er ofte mere bekvemme at datere ved hjælp af 40Ar/39Ar-teknikken (f.eks. sanidin). Mens det imidlertid ofte er let at bestemme alderen af den primære standard ved hjælp af K/Ar-metoden, er det vanskeligt for forskellige dateringslaboratorier at blive enige om den endelige alder. På samme måde er K/Ar-alderen ikke altid reproducerbar på grund af problemer med heterogeniteten i MMhb-1-prøven. Denne upræcision (og unøjagtighed) overføres til de sekundære mineraler, der dagligt anvendes af 40Ar/39Ar-teknikken. Heldigvis er der andre teknikker til rådighed til at revurdere og teste de absolutte aldre for de standarder, der anvendes af 40Ar/39Ar-teknikken. Nogle af disse omfatter andre isotopdateringsteknikker (f.eks. U/Pb) og den astronomiske polaritetstidsskala (APTS).
Faldkonstanter
Et andet spørgsmål, der påvirker den endelige præcision og nøjagtighed af 40Ar/39Ar-teknikken, er usikkerheden i henfaldskonstanterne for 40K. Denne usikkerhed skyldes 1) 40K’s forgrenede henfaldsskema og 2) 40K’s lange halveringstid (1,25 milliarder år). Efterhånden som teknologien udvikler sig, er det sandsynligt, at de henfaldskonstanter, der anvendes i 40Ar/39Ar-aldersligningen, vil blive stadig mere raffineret, hvilket vil gøre det muligt at bestemme langt mere nøjagtige og præcise aldre.
J-faktor
Da J-værdien ekstrapoleres fra en standard til en ukendt, er nøjagtigheden og præcisionen af denne J-værdi af afgørende betydning. J-værdiusikkerheden kan minimeres ved at begrænse standardens geometri i forhold til den ukendte, både vertikalt og horisontalt. NMGRL gør dette ved at bestråle prøverne i bearbejdede aluminiumsskiver, hvor standarder og ukendte afløser hinanden hver anden position. J-fejl kan også reduceres ved at analysere flere aliquots af fluxmonitorer pr. standardplacering.
39Ar Recoil
Affekterne af bestråling på kaliumholdige bjergarter/mineraler kan undertiden resultere i unormalt gamle tilsyneladende aldre. Dette skyldes nettotabet af 39ArK fra prøven ved rekyl (den kinetiske energi, der tilføres et 39ArK-atom ved afgivelse af en proton under (n,p)-reaktionen). Tilbagekobling er sandsynlig i alle kaliumholdige prøver, men bliver kun et væsentligt problem med meget finkornede mineraler (f.eks. ler) og glas. For flerfaseprøver som f.eks. basaltiske wholerocks kan 39ArK-omfordeling være et større problem end nettotab af 39ArK. I dette tilfælde kan 39Ar rekylere ud af et lavtemperaturs mineral med højt kaliumindhold (f.eks. K-feltspat) til et højtemperaturs mineral med lavt kaliumindhold (f.eks. pyroxen). Et sådant fænomen ville i høj grad påvirke formen af aldersspektret.