Descripción general
Isótopos de potasio y argón
Los isótopos en los que se basa el sistema KAr son el potasio (K) y el argón (Ar). El potasio, un metal alcalino, el octavo elemento más abundante de la Tierra, es común en muchas rocas y minerales formadores de rocas. La cantidad de potasio en una roca o mineral es variable y proporcional a la cantidad de sílice presente. Por tanto, las rocas y minerales máficos suelen contener menos potasio que una cantidad igual de roca o mineral silícico. El potasio puede ser movilizado dentro o fuera de una roca o mineral a través de procesos de alteración. Debido al peso atómico relativamente elevado del potasio, se produce un fraccionamiento insignificante de los diferentes isótopos de potasio. Sin embargo, el isótopo 40K es radiactivo y, por tanto, su cantidad se reducirá con el tiempo. Pero, a efectos del sistema de datación KAr, la abundancia relativa del 40K es tan pequeña y su vida media es tan larga que sus proporciones con los otros isótopos del potasio se consideran constantes.
El argón, un gas noble, constituye aproximadamente el 0,1-5% de la atmósfera actual de la Tierra. Dado que está presente en la atmósfera, todas las rocas y minerales tienen alguna cantidad de argón. El argón puede movilizarse dentro o fuera de una roca o mineral a través de procesos de alteración y térmicos. Al igual que el Potasio, el Argón no puede ser fraccionado significativamente en la naturaleza. Sin embargo, el 40Ar es el producto de desintegración del 40K y, por tanto, aumentará en cantidad con el tiempo. La cantidad de 40Ar producida en una roca o mineral a lo largo del tiempo puede determinarse restando la cantidad que se sabe que contiene la atmósfera. Esto se hace utilizando la relación constante 40Ar/36Ar del Argón atmosférico. Esta relación es de 295,5.
Descomposición radiactiva del isótopo padre al isótopo hijo
El núcleo del 40K natural es inestable y decae a un ritmo constante (vida media = 1.250 millones de años). El esquema de desintegración es la captura de electrones y la desintegración de positrones. Alrededor del 89% de los átomos de 40K se desintegran en 40Ca. Para el sistema de datación K/Ar, este esquema de desintegración a isótopos de calcio se ignora. El 11% restante de los átomos de 40K decaen a 40Ar. Este esquema es el que hace que el método K/Ar funcione.
La acumulación de 40Ar radiogénico (40Ar*) en un sistema cerrado puede expresarse mediante la ecuación:
La técnica de datación K/Ar
Supuestos generales para el sistema de datación Potasio-Argón
Se deben cumplir ciertos supuestos antes de poder calcular la edad de una roca o mineral con la técnica de datación Potasio-Argón. Estos son:
- El material en cuestión es un sistema cerrado. En otras palabras, ningún 40Ar radiogénico se ha escapado de la roca/mineral desde su formación. En el caso de un mineral volcánico, esto significa un rápido enfriamiento. Del mismo modo, no se ha ganado ni perdido potasio.
- Se hace una corrección por el argón atmosférico (se resta el 40Ar de la relación 40Ar/36Ar = 295,5).
- No se ha incorporado 40Ar no atmosférico a la roca/mineral durante o después de su formación.
- Los isótopos de potasio en la roca/mineral no se han fraccionado, excepto por la desintegración del 40K.
- Las constantes de desintegración del 40K se conocen con precisión.
- Las cantidades de 40Ar y potasio en la roca/mineral se determinan con precisión.
La determinación de la edad K/Ar
Una vez que el 40Ar y el potasio en una roca/mineral son medidos con precisión, la cantidad de 40K (basada en la abundancia relativa de 40K al potasio total) y 40Ar* (40Ar radiogénico) debe ser calculada. El método K/Ar utiliza un pico (cantidad conocida) de 38Ar mezclado con el argón extraído de la roca/mineral para determinar la cantidad de 40Ar*. El 40Ar* y el 40K resultantes pueden introducirse en la ecuación de la edad de la siguiente manera:
Problemas y limitaciones de la técnica de datación K/Ar
Debido a que la técnica de datación K/Ar se basa en la determinación de las abundancias absolutas tanto de 40Ar como de potasio, no hay una manera fiable de determinar si las suposiciones son válidas. La pérdida de argón y el exceso de argón son dos problemas comunes que pueden causar la determinación de edades erróneas. La pérdida de argón se produce cuando el 40Ar radiogénico (40Ar*) producido dentro de una roca/mineral se escapa en algún momento después de su formación. La alteración y la alta temperatura pueden dañar el entramado de una roca/mineral lo suficiente como para permitir que el 40Ar* se libere. Esto puede hacer que la edad K/Ar calculada sea más joven que la «verdadera» edad del material datado. A la inversa, el exceso de argón (40ArE) puede hacer que la edad K/Ar calculada sea más antigua que la «verdadera» edad del material datado. El exceso de argón es simplemente el 40Ar que se atribuye al 40Ar radiogénico y/o al 40Ar atmosférico. El exceso de argón puede provenir del manto, como burbujas atrapadas en un fundido, en el caso de un magma. O podría ser un xenocristo/xenolito atrapado en un magma/lava durante el emplazamiento.
La técnica de datación 40Ar/39Ar
Principios del método 40Ar/39Ar
La técnica de datación 40Ar/39Ar es una variación más sofisticada de la técnica de datación K/Ar. Ambas técnicas se basan en la medición de un isótopo hijo (40Ar) y un isótopo padre. Mientras que la técnica K/Ar mide el potasio como progenitor, la técnica 40Ar/39Ar utiliza el 39Ar.
Debido a que se conocen las abundancias relativas de los isótopos del potasio, el 39ArK (producido a partir del 39K mediante una reacción de neutrones rápidos) puede utilizarse como proxy del potasio. Por lo tanto, a diferencia de la técnica convencional de K/Ar, no es necesario medir las abundancias absolutas. En su lugar, se miden las proporciones de los diferentes isótopos de argón, lo que permite obtener resultados más precisos y exactos. Otras ventajas de las mediciones isotópicas individuales de la técnica 40Ar/39Ar son la disminución de los efectos de la falta de homogeneidad de la muestra y el uso de muestras de menor tamaño.
Irradiación de la muestra / Producción de 39Ar
Debido a que el 39ArK sólo puede producirse mediante una reacción de neutrones rápidos sobre el 39K, todas las muestras datadas mediante la técnica 40Ar/39Ar deben ser irradiadas en el núcleo de un reactor nuclear. La cantidad de 39ArK producida en cualquier irradiación dependerá de la cantidad de 39K presente inicialmente, la duración de la irradiación, la densidad de flujo de neutrones y la sección transversal de captura de neutrones para el 39K. Sin embargo, dado que cada uno de estos parámetros es difícil de determinar de forma independiente, se irradia un estándar mineral, o monitor, de edad conocida con las muestras de edad desconocida. El flujo del monitor puede entonces extrapolarse a las muestras, determinando así su flujo. Este flujo se conoce como «J» y puede determinarse mediante la siguiente ecuación:
Además de la producción de 39Ar a partir de 39K, durante la irradiación de las muestras se producen otras reacciones de «interferencia». Se producen otros isótopos de argón a partir de potasio, calcio, argón y cloro. Estos son:
Como ilustra la tabla anterior, se producen varias reacciones «indeseables» en los isótopos presentes en cada muestra geológica. Estos isótopos de argón producidos por el reactor deben ser corregidos para determinar una edad precisa. El control de las reacciones de interferencia se realiza mediante el uso de sales y vidrios de laboratorio. Por ejemplo, para determinar la cantidad de 40Ar producido por el reactor a partir del 40K, se irradia vidrio rico en potasio con las muestras. La relación 40Ar/39Ar del vidrio se mide entonces en el espectrómetro de masas para determinar el factor de corrección que debe aplicarse al resto de las muestras en esa irradiación. El CaF también se irradia de forma rutinaria y se mide para determinar los factores de corrección 36Ar/37Ar y 39Ar/37Ar. La producción «deseable» de 37Ar a partir de 40Ca permite determinar la cantidad de 36Ar y 39Ar a corregir, así como la relación K/Ca de la muestra. La producción deseable de 38Ar a partir de 37Cl nos permite determinar la cantidad de cloro presente en nuestras muestras. Se irradia una sal de KCl para determinar la relación de producción de 38Ar/39Ar que luego puede aplicarse a otras muestras para determinar las relaciones K/Cl.
Determinación de la edad de 40Ar/39Ar
Una vez determinados el J (parámetro de flujo de neutrones), el 40Ar* y el 39ArK (es decir. restando el argón atmosférico, el blanco del sistema y los isótopos producidos por el reactor que interfieren), pueden incluirse en la ecuación de edad 40Ar/39Ar:
Debido a que la técnica 40Ar/39Ar se basa en proporciones en lugar de cantidades absolutas, podemos extraer y medir múltiples alícuotas de argón de una sola muestra. Se pueden realizar múltiples extracciones de argón en una muestra de varias maneras. El calentamiento por pasos es la forma más común e implica un horno o un láser para calentar uniformemente la muestra para hacer evolucionar el argón. Las edades individuales de cada paso de calentamiento se representan gráficamente en un espectro de edad o en una isócrona. La trituración mecánica es también una técnica capaz de liberar argón de una sola muestra en múltiples pasos.
Las sondas láser también permiten determinar múltiples edades en una sola alícuota de muestra, pero lo hacen utilizando un control espacial exacto y preciso. Por ejemplo, los tamaños de punto láser de 100 micras o menos permiten al usuario extraer múltiples muestras de argón a través de un pequeño grano de mica o feldespato. Los resultados de una sonda láser pueden representarse de varias formas gráficas, incluido un mapa de un grano que muestra la distribución lateral del argón.
La fusión total de 40Ar/39Ar de una muestra es comparable a la determinación de la edad K/Ar en el sentido de que se basa en la liberación total de argón en un momento dado. Sin embargo, a diferencia del K/Ar convencional, la fusión total 40Ar/39Ar mide proporciones, lo que la hace ideal para muestras que se sabe que son muy retenedoras de argón (por ejemplo, la sanidina). La fusión total se realiza utilizando un láser y los resultados se suelen representar en diagramas de distribución de probabilidad o ideogramas.
Algunos problemas con la técnica 40Ar/39Ar.
Intercalibración estándar
Para poder calcular una edad mediante la técnica 40Ar/39Ar, se debe conocer el parámetro J. Para determinar el J, se debe irradiar un estándar de edad conocida con las muestras de edad desconocida. Dado que este patrón (primario) no puede determinarse en última instancia mediante 40Ar/39Ar, debe determinarse primero mediante otro método de datación isotópica. El método más utilizado para datar el patrón primario es la técnica convencional K/Ar. El patrón primario debe ser un mineral homogéneo, abundante y fácil de datar por los métodos K/Ar y 40Ar/39Ar. Tradicionalmente, este patrón primario ha sido una hornblenda de las montañas McClure, Colorado (también conocida como MMhb-1). Una vez que se determina una edad exacta y precisa para el patrón primario, otros minerales pueden ser datados en relación con él por el método 40Ar/39Ar. Estos minerales secundarios suelen ser más fáciles de datar mediante la técnica 40Ar/39Ar (por ejemplo, la sanidina). Sin embargo, mientras que a menudo es fácil determinar la edad del patrón primario por el método K/Ar, es difícil que diferentes laboratorios de datación se pongan de acuerdo sobre la edad final. Asimismo, debido a los problemas de heterogeneidad de la muestra MMhb-1, las edades K/Ar no siempre son reproducibles. Esta imprecisión (e inexactitud) se traslada a los minerales secundarios utilizados diariamente por la técnica 40Ar/39Ar. Afortunadamente, existen otras técnicas para reevaluar y comprobar las edades absolutas de los patrones utilizados por la técnica 40Ar/39Ar. Algunas de ellas son otras técnicas de datación isotópica (por ejemplo, U/Pb) y la escala de tiempo de polaridad astronómica (APTS).
Constantes de desintegración
Otro problema que afecta a la precisión y exactitud finales de la técnica 40Ar/39Ar es la incertidumbre en las constantes de desintegración del 40K. Esta incertidumbre se debe a 1) el esquema de desintegración ramificado del 40K y 2) la larga vida media del 40K (1.250 millones de años). A medida que avanza la tecnología, es probable que las constantes de desintegración utilizadas en la ecuación de la edad del 40Ar/39Ar se perfeccionen continuamente, lo que permitirá determinar edades mucho más exactas y precisas.
Factor J
Debido a que el valor J se extrapola de un estándar a una incógnita, la exactitud y la precisión de ese valor J son fundamentales. La incertidumbre del valor J puede minimizarse restringiendo la geometría del estándar en relación con la incógnita, tanto vertical como horizontalmente. El NMGRL lo hace irradiando muestras en discos de aluminio mecanizados en los que los estándares y las incógnitas se alternan cada dos posiciones. El error J también puede reducirse analizando más alícuotas del monitor de flujo por ubicación del estándar.
Recoil 39Ar
Los efectos de la irradiación en las rocas/minerales que contienen potasio pueden a veces dar lugar a edades aparentes anómalas. Esto se debe a la pérdida neta de 39ArK de la muestra por retroceso (la energía cinética impartida a un átomo de 39ArK por la emisión de un protón durante la reacción (n,p)). El retroceso es probable en todas las muestras que contienen potasio, pero sólo se convierte en un problema significativo con los minerales de grano muy fino (por ejemplo, las arcillas) y el vidrio. Para las muestras multifásicas, como los wholerocks basálticos, la redistribución del 39ArK puede ser un problema mayor que la pérdida neta de 39ArK. En este caso, el 39Ar puede retroceder desde un mineral de baja temperatura y alto potasio (por ejemplo, el feldespato K) hacia un mineral de alta temperatura y bajo potasio (por ejemplo, el piroxeno). Tal fenómeno afectaría mucho a la forma del espectro de edad.