New Mexico Geochronology Research Laboratory Metodi K/Ar e 40Ar/39Ar

Panoramica

Isotopi di potassio e argon

Gli isotopi su cui si basa il sistema KAr sono potassio (K) e argon (Ar). Il potassio, un metallo alcalino, l’ottavo elemento più abbondante della Terra, è comune in molte rocce e minerali che formano la roccia. La quantità di potassio in una roccia o in un minerale è variabile e proporzionale alla quantità di silice presente. Di conseguenza, le rocce e i minerali mafici spesso contengono meno potassio di una quantità uguale di roccia o minerale silicico. Il potassio può essere mobilitato dentro o fuori una roccia o un minerale attraverso i processi di alterazione. A causa del peso atomico relativamente pesante del potassio, si verifica un frazionamento insignificante dei diversi isotopi di potassio. Tuttavia, l’isotopo 40K è radioattivo e quindi sarà ridotto in quantità nel tempo. Ma, ai fini del sistema di datazione KAr, l’abbondanza relativa di 40K è così piccola e il suo tempo di dimezzamento è così lungo che i suoi rapporti con gli altri isotopi del potassio sono considerati costanti.

L’argo, un gas nobile, costituisce circa lo 0,1-5% dell’attuale atmosfera terrestre. Poiché è presente nell’atmosfera, ogni roccia e minerale avrà una certa quantità di argon. L’argon può essere mobilitato all’interno o all’esterno di una roccia o di un minerale attraverso processi di alterazione e termici. Come il potassio, l’argon non può essere significativamente frazionato in natura. Tuttavia, il 40Ar è il prodotto di decadimento del 40K e quindi aumenterà in quantità nel tempo. La quantità di 40Ar prodotta in una roccia o in un minerale nel tempo può essere determinata sottraendo la quantità che si sa essere contenuta nell’atmosfera. Questo viene fatto usando il rapporto costante 40Ar/36Ar dell’argon atmosferico. Questo rapporto è 295,5.

Decadimento radioattivo dell’isotopo padre in isotopo figlio

Il nucleo del 40K presente in natura è instabile, decadendo ad una velocità costante (emivita = 1,25 miliardi di anni). Lo schema di decadimento è la cattura degli elettroni e il decadimento dei positroni. Circa l’89% degli atomi di 40K decade in 40Ca. Per il sistema di datazione K/Ar, questo schema di decadimento in isotopi del calcio viene ignorato. Il restante 11% degli atomi 40K decade in 40Ar. È questo schema che fa funzionare il metodo K/Ar.

L’accumulo di 40Ar radiogenico (40Ar*) in un sistema chiuso può essere espresso dall’equazione:

La tecnica di datazione K/Ar

Presupposti generali per il sistema di datazione Potassio-Argon

Alcuni presupposti devono essere soddisfatti prima di poter calcolare l’età di una roccia o un minerale con la tecnica di datazione Potassio-Argon. Queste sono:

• Il materiale in questione è un sistema chiuso. In altre parole, nessun 40Ar radiogenico è fuoriuscito dalla roccia/minerale da quando si è formato. Nel caso di un minerale vulcanico, questo significa un rapido raffreddamento. Allo stesso modo, il potassio non è stato guadagnato o perso.
• Si fa una correzione per l’argon atmosferico (40Ar dal rapporto 40Ar/36Ar = 295,5 sottratto).
• Nessun 40Ar non atmosferico è stato incorporato nella roccia/minerale durante o dopo la sua formazione.
• Gli isotopi di potassio nella roccia/minerale non si sono frazionati, se non per decadimento del 40K.
• Le costanti di decadimento del 40K sono accuratamente note.
• Le quantità di 40Ar e di potassio nella roccia/minerale sono accuratamente determinate.

La determinazione dell’età K/Ar

Una volta che il 40Ar e il potassio in una roccia/minerale sono accuratamente misurati, la quantità di 40K (basata sull’abbondanza relativa di 40K rispetto al potassio totale) e 40Ar* (40Ar radiogenico) deve essere calcolata. Il metodo K/Ar utilizza un picco (quantità nota) di 38Ar mescolato con l’argon estratto dalla roccia/minerale per determinare la quantità di 40Ar*. Il 40Ar* e il 40K risultanti possono essere inseriti nell’equazione dell’età come segue:

Problemi e limiti della tecnica di datazione K/Ar

Perché la tecnica di datazione K/Ar si basa sulla determinazione delle abbondanze assolute sia di 40Ar che di potassio, non esiste un modo affidabile per determinare se le ipotesi sono valide. La perdita di argon e l’eccesso di argon sono due problemi comuni che possono causare la determinazione di età errate. La perdita di argon si verifica quando il 40Ar radiogenico (40Ar*) prodotto all’interno di una roccia/minerale fuoriesce dopo la sua formazione. L’alterazione e l’alta temperatura possono danneggiare il reticolo di una roccia/minerale sufficientemente da permettere il rilascio di 40Ar*. Questo può far sì che l’età K/Ar calcolata sia più giovane della “vera” età del materiale datato. Al contrario, un eccesso di argon (40ArE) può far sì che l’età K/Ar calcolata sia più vecchia della “vera” età del materiale datato. L’argon in eccesso è semplicemente il 40Ar attribuito al 40Ar radiogeno e/o al 40Ar atmosferico. L’argon in eccesso può derivare dal mantello, come bolle intrappolate in una fusione, nel caso di un magma. Oppure potrebbe essere uno xenocristallo/xenolite intrappolato in un magma/lava durante la deposizione.

La tecnica di datazione 40Ar/39Ar

Principi del metodo 40Ar/39Ar

La tecnica di datazione 40Ar/39Ar è una variante più sofisticata di quella K/Ar. Entrambe le tecniche si basano sulla misurazione di un isotopo figlio (40Ar) e di un isotopo genitore. Mentre la tecnica K/Ar misura il potassio come genitore, la tecnica 40Ar/39Ar usa il 39Ar.

Perché le abbondanze relative degli isotopi del potassio sono note, il 39ArK (prodotto dal 39K da una reazione rapida dei neutroni) può essere usato come proxy del potassio. Quindi, a differenza della tecnica convenzionale K/Ar, non è necessario misurare le abbondanze assolute. Invece, vengono misurati i rapporti dei diversi isotopi dell’argon, ottenendo risultati più precisi e accurati. Ulteriori vantaggi delle misure isotopiche singole della tecnica 40Ar/39Ar sono gli effetti ridotti della disomogeneità del campione e l’uso di campioni di dimensioni minori.

Irradiazione del campione / Produzione di 39Ar

Perché il 39ArK può essere prodotto solo da una reazione neutronica veloce su 39K, tutti i campioni datati con la tecnica 40Ar/39Ar devono essere irradiati nel nucleo di un reattore nucleare. La quantità di 39ArK prodotta in qualsiasi irradiazione dipenderà dalla quantità di 39K presente inizialmente, dalla durata dell’irradiazione, dalla densità del flusso di neutroni e dalla sezione d’urto di cattura dei neutroni per 39K. Tuttavia, poiché ognuno di questi parametri è difficile da determinare indipendentemente, uno standard minerale, o monitor, di età nota viene irradiato con i campioni di età sconosciuta. Il flusso del monitor può quindi essere estrapolato ai campioni, determinando così il loro flusso. Questo flusso è noto come ‘J’ e può essere determinato dalla seguente equazione:

Oltre alla produzione di 39Ar da 39K, diverse altre reazioni di ‘interferenza’ si verificano durante l’irradiazione dei campioni. Altri isotopi di argon sono prodotti da potassio, calcio, argon e cloro. Questi sono:

Come la tabella sopra illustra, diverse reazioni “indesiderate” si verificano sugli isotopi presenti in ogni campione geologico. Questi isotopi di argon prodotti dal reattore devono essere corretti per determinare un’età accurata. Il controllo delle reazioni interferenti viene eseguito attraverso l’uso di sali e vetri da laboratorio. Per esempio, per determinare la quantità di 40Ar prodotto dal reattore dal 40K, un vetro ricco di potassio viene irradiato con i campioni. Il rapporto 40Ar/39Ar del vetro viene poi misurato nello spettrometro di massa per determinare il fattore di correzione che deve essere applicato al resto dei campioni in quell’irradiazione. Anche il CaF viene irradiato di routine e misurato per determinare i fattori di correzione 36Ar/37Ar e 39Ar/37Ar. La produzione “desiderabile” di 37Ar da 40Ca ci permette di determinare quanto 36Ar e 39Ar correggere, così come il rapporto K/Ca del campione. La produzione desiderabile di 38Ar da 37Cl ci permette di determinare quanto cloro è presente nei nostri campioni. Un sale di KCl viene irradiato per determinare il rapporto di produzione 38Ar/39Ar che può poi essere applicato ad altri campioni per determinare i rapporti K/Cl.

Determinazione dell’età 40Ar/39Ar

Una volta che il J (parametro del flusso di neutroni), 40Ar* e 39ArK sono stati determinati (cioè. sottraendo l’argon atmosferico, il bianco del sistema e gli isotopi interferenti prodotti dal reattore), essi possono essere inclusi nell’equazione dell’età 40Ar/39Ar:

Perché la tecnica 40Ar/39Ar si basa su rapporti invece che su quantità assolute, siamo in grado di estrarre e misurare più aliquote di argon da un singolo campione. Estrazioni multiple di argon possono essere eseguite su un campione in diversi modi. Il riscaldamento a gradini è il modo più comune e coinvolge una fornace o un laser per riscaldare uniformemente il campione per far evolvere l’argon. Le età individuali di ogni fase di riscaldamento vengono poi tracciate graficamente su uno spettro di età o su un’isocrona. Anche la frantumazione meccanica è una tecnica in grado di rilasciare argon da un singolo campione in più fasi.

Le sonde laser permettono anche di determinare età multiple su una singola aliquota di campione, ma lo fanno usando un controllo spaziale accurato e preciso. Per esempio, le dimensioni dello spot laser di 100 micron o meno permettono all’utente di estrarre più campioni di argon da un piccolo grano di mica o feldspato. I risultati di una sonda laser possono essere tracciati in diversi modi grafici, compresa una mappa di un grano che mostra la distribuzione laterale dell’argon.

La fusione totale 40Ar/39Ar di un campione è paragonabile a una determinazione dell’età K/Ar in quanto si basa sul rilascio totale di argon in una sola volta. Tuttavia, a differenza del K/Ar convenzionale, la fusione totale 40Ar/39Ar misura i rapporti, il che la rende ideale per i campioni noti per essere molto ritentivi dell’argon (ad esempio la sanidina). La fusione totale è eseguita usando un laser e i risultati sono comunemente tracciati su diagrammi di distribuzione della probabilità o ideogrammi.

Alcuni problemi con la tecnica 40Ar/39Ar.

Intercalibrazione standard

Per calcolare un’età con la tecnica 40Ar/39Ar, il parametro J deve essere noto. Per determinare il J, uno standard di età nota deve essere irradiato con i campioni di età sconosciuta. Poiché questo standard (primario) alla fine non può essere determinato dal 40Ar/39Ar, deve essere prima determinato con un altro metodo di datazione isotopica. Il metodo più comunemente usato per datare lo standard primario è la tecnica convenzionale K/Ar. Lo standard primario deve essere un minerale omogeneo, abbondante e facilmente databile con i metodi K/Ar e 40Ar/39Ar. Tradizionalmente, questo standard primario è stato una hornblende dalle McClure Mountains, Colorado (nota come MMhb-1). Una volta determinata un’età accurata e precisa per lo standard primario, altri minerali possono essere datati rispetto ad esso con il metodo 40Ar/39Ar. Questi minerali secondari sono spesso più convenienti da datare con la tecnica 40Ar/39Ar (per esempio la sanidina). Tuttavia, mentre è spesso facile determinare l’età dello standard primario con il metodo K/Ar, è difficile per diversi laboratori di datazione concordare sull’età finale. Allo stesso modo, a causa di problemi di eterogeneità con il campione MMhb-1, le età K/Ar non sono sempre riproducibili. Questa imprecisione (e imprecisione) viene trasferita ai minerali secondari utilizzati quotidianamente dalla tecnica 40Ar/39Ar. Fortunatamente, sono disponibili altre tecniche per rivalutare e testare le età assolute degli standard usati dalla tecnica 40Ar/39Ar. Alcune di queste includono altre tecniche di datazione isotopica (per esempio U/Pb) e la scala temporale di polarità astronomica (APTS).

Costanti di decadimento

Un altro problema che influisce sulla precisione e l’accuratezza finale della tecnica 40Ar/39Ar è l’incertezza delle costanti di decadimento per il 40K. Questa incertezza deriva da 1) lo schema di decadimento ramificato del 40K e 2) il lungo tempo di dimezzamento del 40K (1,25 miliardi di anni). Con il progredire della tecnologia, è probabile che le costanti di decadimento usate nell’equazione dell’età del 40Ar/39Ar diventino sempre più raffinate, permettendo di determinare età molto più accurate e precise.

Fattore J

Perché il valore J è estrapolato da uno standard ad un’incognita, l’accuratezza e la precisione su quel valore J è critica. L’incertezza del valore J può essere minimizzata vincolando la geometria dello standard rispetto all’incognita, sia verticalmente che orizzontalmente. La NMGRL lo fa irradiando i campioni in dischi di alluminio lavorati dove gli standard e le incognite si alternano ogni due posizioni. L’errore J può anche essere ridotto analizzando più aliquote di monitor di flusso per posizione standard.

39Ar Recoil

Gli effetti dell’irradiazione su rocce/minerali contenenti potassio possono talvolta risultare in età apparenti anomale. Questo è causato dalla perdita netta di 39ArK dal campione per rinculo (l’energia cinetica impartita ad un atomo di 39ArK dall’emissione di un protone durante la reazione (n,p)). Il rinculo è probabile in ogni campione contenente potassio, ma diventa un problema significativo solo con i minerali a grana molto fine (per esempio le argille) e il vetro. Per i campioni multifase come i wholerock basaltici, la ridistribuzione del 39ArK può essere più un problema della perdita netta di 39ArK. In questo caso, il 39Ar può rinculare da un minerale a bassa temperatura e ad alto potassio (ad esempio il feldspato K) in un minerale ad alta temperatura e basso potassio (ad esempio il pirosseno). Un tale fenomeno influenzerebbe molto la forma dello spettro d’età.