Áttekintés
A kálium és az argon izotópjai
A KAr rendszer a kálium (K) és az argon (Ar) izotópjaira támaszkodik. A kálium, egy alkálifém, a Föld nyolcadik leggyakoribb eleme, számos kőzetben és kőzetalkotó ásványban gyakori. A kálium mennyisége egy kőzetben vagy ásványban változóan arányos a jelen lévő szilícium-dioxid mennyiségével. Ezért a mafikus kőzetek és ásványok gyakran kevesebb káliumot tartalmaznak, mint azonos mennyiségű szilikátos kőzet vagy ásvány. A kálium az alterációs folyamatok révén mobilizálódhat a kőzetbe vagy ásványba, illetve onnan ki. A kálium viszonylag nagy atomsúlya miatt a különböző káliumizotópok frakcionálódása jelentéktelen. A 40K izotóp azonban radioaktív, ezért mennyisége idővel csökken. A KAr kormeghatározási rendszer alkalmazásában azonban a 40K relatív gyakorisága olyan kicsi, felezési ideje pedig olyan hosszú, hogy a többi káliumizotóppal való arányát állandónak tekintjük.
Az argon, egy nemesgáz, a Föld mai légkörének körülbelül 0,1-5%-át teszi ki. Mivel jelen van a légkörben, minden kőzet és ásvány tartalmaz bizonyos mennyiségű argont. Az argon átalakulás és termikus folyamatok révén mobilizálódhat egy kőzetbe vagy ásványba, illetve kerülhet ki belőle. A káliumhoz hasonlóan az argon sem frakcionálódhat jelentősen a természetben. A 40Ar azonban a 40K bomlásterméke, ezért mennyisége idővel növekszik. A kőzetben vagy ásványban idővel keletkező 40Ar mennyiségét úgy lehet meghatározni, hogy kivonjuk belőle a légkörben lévő ismert mennyiséget. Ez a légköri argon állandó 40Ar/36Ar arányának felhasználásával történik. Ez az arány 295,5.
Az alapizotóp radioaktív bomlása leányizotóppá
A természetben előforduló 40K atommagja instabil, állandó sebességgel bomlik (felezési ideje = 1,25 milliárd év). A bomlási séma elektronbefogás és pozitronbomlás. A 40K atomok mintegy 89%-a bomlik 40Ca atomra. A K/Ar kormeghatározási rendszerben ezt a kalciumizotópokra történő bomlási sémát figyelmen kívül hagyjuk. A 40K atomok fennmaradó 11%-a 40Ar-ra bomlik. Ez a séma teszi működőképessé a K/Ar módszert.
A radiogén 40Ar (40Ar*) felhalmozódása egy zárt rendszerben a következő egyenlettel fejezhető ki:
A K/Ar datálási technika
A kálium-argon datálási rendszer általános feltevései
Egy kőzet vagy ásvány korának a kálium-argon datálási technikával történő kiszámításához bizonyos feltevéseknek kell teljesülniük. Ezek:
- A kérdéses anyag zárt rendszerű. Más szóval, a kőzetből/ásványból a keletkezése óta nem szökött ki radiogén 40Ar. Egy vulkanikus ásvány esetében ez gyors lehűlést jelent. Hasonlóképpen a kálium sem nyert vagy veszített.
- A légköri argonra vonatkozó korrekciót végeztünk (40Ar a 40Ar/36Ar arányból = 295,5 levonva).
- Nem épült be nem légköri 40Ar a kőzetbe/ásványba a keletkezés során vagy azt követően.
- A kőzetben/ásványban lévő kálium izotópok nem frakcionálódtak, kivéve a 40K bomlását.
- A 40K bomlási állandói pontosan ismertek.
- A kőzetben/ásványban lévő 40Ar és kálium mennyisége pontosan meghatározott.
A K/Ar kormeghatározás
Mihelyt a kőzetben/ásványban lévő 40Ar és kálium mennyiségét pontosan megmérték, ki kell számítani a 40K (a 40K-nak az összes káliumhoz viszonyított relatív gyakorisága alapján) és a 40Ar* (radiogén 40Ar) mennyiségét. A K/Ar módszer a kőzetből/ásványból kivont argonhoz kevert 38Ar tüskét (ismert mennyiséget) használ a 40Ar* mennyiségének meghatározásához. Az így kapott 40Ar* és 40K a következőképpen illeszthető be a koregyenletbe:
A K/Ar kormeghatározási technika problémái és korlátai
Mivel a K/Ar kormeghatározási technika a 40Ar és a kálium abszolút abundanciájának meghatározására támaszkodik, nem lehet megbízhatóan megállapítani, hogy a feltételezések érvényesek-e. Az argonveszteség és az argonfelesleg két gyakori probléma, amelyek hibás korok meghatározását okozhatják. Argonveszteség akkor következik be, amikor a kőzetben/ásványban keletkezett radiogén 40Ar (40Ar*) valamikor a kőzet/ásvány kialakulása után távozik. Az alteráció és a magas hőmérséklet eléggé károsíthatja a kőzet/ásvány rácsát ahhoz, hogy a 40Ar* kiszabadulhasson. Ez azt eredményezheti, hogy a számított K/Ar kor fiatalabb, mint a keltezett anyag “valódi” kora. Ezzel szemben az argonfelesleg (40ArE) hatására a számított K/Ar kor idősebb lehet, mint a keltezett anyag “valódi” kora. A többlet argon egyszerűen 40Ar, amelyet radiogén 40Ar-nak és/vagy légköri 40Ar-nak tulajdonítanak. A felesleges argon származhat a köpenyből, magma esetén az olvadékban csapdába esett buborékok formájában. Vagy lehet egy xenokristály/xenolit, amely a magmában/lávában rekedt a kitermelés során.
A 40Ar/39Ar kormeghatározási technika
A 40Ar/39Ar módszer alapelvei
A 40Ar/39Ar kormeghatározási technika a K/Ar kormeghatározási technika kifinomultabb változata. Mindkét technika egy leányizotóp (40Ar) és egy szülőizotóp mérésén alapul. Míg a K/Ar technika a káliumot méri szülőizotópként, a 40Ar/39Ar technika 39Ar-t használ.
Mivel a káliumizotópok relatív gyakorisága ismert, a 39ArK (amelyet 39K-ból gyors neutronreakcióval állítanak elő) a kálium helyettesítőjeként használható. Ezért a hagyományos K/Ar technikával ellentétben nem kell abszolút bőségeket mérni. Ehelyett a különböző argonizotópok arányát mérik, ami pontosabb és precízebb eredményeket ad. A 40Ar/39Ar technika egyedi izotópos méréseinek további előnyei a minta inhomogenitásának csökkent hatása és a kisebb mintaméretek használata.
A minta besugárzása / 39Ar előállítása
Mivel a 39ArK csak 39K gyors neutronreakciójával állítható elő, a 40Ar/39Ar technikával datált összes mintát egy atomreaktor magjában kell besugározni. Az adott besugárzás során keletkező 39ArK mennyisége függ a kezdetben jelenlévő 39K mennyiségétől, a besugárzás hosszától, a neutronáram-sűrűségtől és a 39K neutronbefogási keresztmetszetétől. Mivel azonban e paraméterek mindegyikét nehéz egymástól függetlenül meghatározni, egy ismert korú ásványi standardot vagy monitort besugárzunk az ismeretlen korú mintákkal. A monitor fluxusa ezután extrapolálható a mintákra, így meghatározható azok fluxusa. Ezt a fluxust “J”-nek nevezzük, és a következő egyenlet segítségével határozható meg:
A 39K-ból történő 39Ar-termelés mellett a minták besugárzása során számos más “interferencia” reakció is lejátszódik. Az argon egyéb izotópjai káliumból, kalciumból, argonból és klórból keletkeznek. Ezek a következők:
Amint a fenti táblázat szemlélteti, a minden geológiai mintában jelen lévő izotópokon számos “nemkívánatos” reakció játszódik le. Ezeket a reaktorban keletkezett argonizotópokat korrigálni kell a pontos kormeghatározáshoz. A zavaró reakciók ellenőrzése laboratóriumi sók és üvegek alkalmazásával történik. Például a 40K-ból a reaktorban keletkezett 40Ar mennyiségének meghatározásához káliumban gazdag üveget besugároznak a mintákkal. Ezután az üveg 40Ar/39Ar arányát megmérik a tömegspektrométerben, hogy meghatározzák a korrekciós tényezőt, amelyet az adott besugárzás során a többi mintára is alkalmazni kell. A CaF-et is rutinszerűen besugározzák és mérik a 36Ar/37Ar és 39Ar/37Ar korrekciós tényezők meghatározásához. A 37Ar 40Ca-ból történő “kívánatos” keletkezése lehetővé teszi számunkra annak meghatározását, hogy mennyi 36Ar-t és 39Ar-t kell korrigálni, valamint a minta K/Ca arányát. A 38Ar 37Cl-ből történő kívánatos termelődése lehetővé teszi számunkra annak meghatározását, hogy mennyi klór van jelen a mintáinkban. Egy KCl-sót besugárzunk, hogy meghatározzuk a 38Ar/39Ar-termelés arányát, amelyet aztán más mintákra is alkalmazhatunk a K/Cl arányok meghatározásához.
40Ar/39Ar kormeghatározás
Mihelyt a J (neutronfluxus paraméter), 40Ar* és 39ArK meghatározásra került (azaz. levonva a légköri argont, a rendszer vakanyagát és a zavaró reaktorban termelt izotópokat), ezek bevonhatók a 40Ar/39Ar koregyenletbe:
Mivel a 40Ar/39Ar technika abszolút mennyiségek helyett arányokra támaszkodik, képesek vagyunk egyetlen mintából több aliquot argont kivonni és mérni. Egy mintából többszörös argonkivonás többféleképpen is elvégezhető. A lépcsős melegítés a legelterjedtebb módszer, amely során a mintát egy kemencében vagy lézerrel egyenletesen melegítjük, hogy argont fejlesszünk ki belőle. Az egyes fűtési lépésekből származó egyedi korokat ezután grafikusan ábrázoljuk egy kor spektrumon vagy izokronon. A mechanikus zúzás szintén egy olyan technika, amellyel egyetlen mintából több lépésben lehet argont felszabadítani.
A lézeres szondák szintén lehetővé teszik több kormeghatározást egyetlen minta aliquotján, de ezt pontos és precíz térbeli vezérléssel teszik. Például a 100 mikronos vagy annál kisebb lézerfoltméretek lehetővé teszik a felhasználó számára, hogy több argonmintát vonjon ki egy kis csillám- vagy földpátszemcséből. A lézerszonda eredményei többféle grafikus módon ábrázolhatók, beleértve a szemcsék oldalirányú argoneloszlást mutató térképét is.
A minta 40Ar/39Ar összfúziója a K/Ar kormeghatározáshoz hasonlítható, mivel az argon egyszerre történő nagymértékű felszabadulására támaszkodik. A hagyományos K/Ar-tól eltérően azonban a 40Ar/39Ar teljes fúzió az arányokat méri, így ideális olyan minták esetében, amelyekről ismert, hogy nagyon argont visszatartóak (pl. szanidin). A teljes fúziót lézerrel végzik, és az eredményeket általában valószínűség-eloszlási diagramokon vagy ideogrammokon ábrázolják.
A 40Ar/39Ar technikával kapcsolatos néhány probléma.
Standard interkalibráció
A 40Ar/39Ar technikával történő korszámításhoz ismerni kell a J paramétert. A J meghatározásához egy ismert korú standardot kell besugározni az ismeretlen korú mintákkal. Mivel ez a (primer) standard végül nem határozható meg 40Ar/39Ar segítségével, először egy másik izotópos kormeghatározási módszerrel kell meghatározni. Az elsődleges standard datálására leggyakrabban használt módszer a hagyományos K/Ar technika. Az elsődleges standardnak olyan ásványnak kell lennie, amely homogén, bőséges és könnyen datálható a K/Ar és a 40Ar/39Ar módszerekkel. Hagyományosan ez az elsődleges standard a Colorado állambeli McClure-hegységből származó szarukőzet (más néven MMhb-1). Amint az elsődleges standard korát pontosan és precízen meghatározták, a többi ásványt ehhez képest 40Ar/39Ar módszerrel lehet keltezni. Ezeket a másodlagos ásványokat gyakran kényelmesebb a 40Ar/39Ar technikával datálni (pl. szanidin). Míg azonban az elsődleges standard korát a K/Ar módszerrel gyakran könnyű meghatározni, a különböző kormeghatározó laboratóriumok nehezen tudnak megegyezni a végső korban. Hasonlóképpen, az MMhb-1 minta heterogenitási problémái miatt a K/Ar korok nem mindig reprodukálhatók. Ez a pontatlanság (és pontatlanság) áttevődik a 40Ar/39Ar technika által naponta használt másodlagos ásványokra. Szerencsére más technikák is rendelkezésre állnak a 40Ar/39Ar technika által használt standardok abszolút korának újraértékelésére és tesztelésére. Ezek közé tartoznak más izotópos kormeghatározási technikák (pl. U/Pb) és a csillagászati polaritási időskála (APTS).
Bomlási állandók
A 40Ar/39Ar technika végső pontosságát és precizitását befolyásoló másik kérdés a 40K bomlási állandóinak bizonytalansága. Ez a bizonytalanság 1) a 40K elágazó bomlási sémájából és 2) a 40K hosszú felezési idejéből (1,25 milliárd év) adódik. A technológia fejlődésével valószínű, hogy a 40Ar/39Ar koregyenletben használt bomlási állandók folyamatosan finomodni fognak, ami sokkal pontosabb és precízebb kormeghatározást tesz lehetővé.
J tényező
Mivel a J értéket egy standardból extrapolálják egy ismeretlenre, a J érték pontossága és precizitása kritikus fontosságú. A J-érték bizonytalansága minimalizálható a standard geometriájának az ismeretlenhez viszonyított függőleges és vízszintes korlátozásával. Az NMGRL ezt úgy éri el, hogy a mintákat megmunkált alumíniumkorongokba sugározza be, ahol a standardok és az ismeretlenek minden második pozícióban váltakoznak. A J hiba standardhelyenként több fluxusmonitor aliquot elemzése révén is csökkenthető.
39Ar Recoil
A káliumtartalmú kőzetek/ásványok besugárzásának hatása néha anomálisan régi látszólagos korokat eredményezhet. Ezt az okozza, hogy a 39ArK nettó vesztesége a mintából a visszaverődés (az (n,p) reakció során egy proton kibocsátása által a 39ArK atomra átvitt kinetikus energia) miatt következik be. A visszahatás valószínűleg minden káliumtartalmú mintában előfordul, de csak a nagyon finom szemcséjű ásványok (pl. agyagok) és az üveg esetében jelent jelentős problémát. Többfázisú minták, például bazaltos wholerockok esetében a 39ArK újraeloszlása nagyobb problémát jelenthet, mint a nettó 39ArK-veszteség. Ebben az esetben a 39Ar egy alacsony hőmérsékletű, magas káliumtartalmú ásványból (pl. K-gránit) egy magas hőmérsékletű, alacsony káliumtartalmú ásványba (pl. piroxén) verődhet vissza. Egy ilyen jelenség nagymértékben befolyásolná a korösszetétel alakját.