New Mexico Geochronology Research LaboratoryK/Ar- und 40Ar/39Ar-Methoden

Überblick

Isotope von Kalium und Argon

Die Isotope, auf denen das KAr-System beruht, sind Kalium (K) und Argon (Ar). Kalium, ein Alkalimetall, ist das achthäufigste Element der Erde und kommt in vielen Gesteinen und gesteinsbildenden Mineralien vor. Die Kaliummenge in einem Gestein oder Mineral ist proportional zur Menge des vorhandenen Siliziumdioxids variabel. Daher enthalten mafische Gesteine und Mineralien oft weniger Kalium als eine gleiche Menge kieselsäurehaltiger Gesteine oder Mineralien. Kalium kann durch Umwandlungsprozesse in oder aus einem Gestein oder Mineral mobilisiert werden. Aufgrund des relativ hohen Atomgewichts von Kalium kommt es nur zu einer unbedeutenden Fraktionierung der verschiedenen Kaliumisotope. Das 40K-Isotop ist jedoch radioaktiv und wird daher im Laufe der Zeit in seiner Menge reduziert. Für die Zwecke des KAR-Datierungssystems ist die relative Häufigkeit von 40K jedoch so gering und seine Halbwertszeit so lang, dass seine Verhältnisse zu den anderen Kaliumisotopen als konstant angesehen werden.

Argon, ein Edelgas, macht etwa 0,1-5 % der heutigen Erdatmosphäre aus. Da es in der Atmosphäre vorhanden ist, enthält jedes Gestein und jedes Mineral eine gewisse Menge Argon. Argon kann durch Umwandlungs- und thermische Prozesse in ein Gestein oder Mineral hinein- oder herausgelöst werden. Wie Kalium kann auch Argon in der Natur nicht wesentlich fraktioniert werden. 40Ar ist jedoch das Zerfallsprodukt von 40K und nimmt daher im Laufe der Zeit an Menge zu. Die Menge an 40Ar, die im Laufe der Zeit in einem Gestein oder Mineral produziert wird, kann durch Subtraktion der Menge, die bekanntermaßen in der Atmosphäre enthalten ist, bestimmt werden. Dazu wird das konstante 40Ar/36Ar-Verhältnis von atmosphärischem Argon verwendet. Dieses Verhältnis beträgt 295,5.

Radioaktiver Zerfall des Mutterisotops in ein Tochterisotop

Die Kerne des natürlich vorkommenden 40K sind instabil und zerfallen mit konstanter Geschwindigkeit (Halbwertszeit = 1,25 Milliarden Jahre). Das Zerfallsschema ist Elektroneneinfang und Positronenzerfall. Etwa 89 % der 40K-Atome zerfallen zu 40Ca. Für das K/Ar-Datierungssystem wird dieses Zerfallsschema zu Kalziumisotopen ignoriert. Die restlichen 11 % der 40K-Atome zerfallen zu 40Ar. Es ist dieses Schema, das die K/Ar-Methode funktionieren lässt.

Der Aufbau von radiogenem 40Ar (40Ar*) in einem geschlossenen System kann durch die Gleichung ausgedrückt werden:

Die K/Ar-Datierungstechnik

Allgemeine Annahmen für das Kalium-Argon-Datierungssystem

Bestimmte Annahmen müssen erfüllt sein, bevor das Alter eines Gesteins oder Minerals mit der Kalium-Argon-Datierungstechnik berechnet werden kann. Diese sind:

• Das betreffende Material ist ein geschlossenes System. Mit anderen Worten: Seit der Entstehung des Gesteins/Minerals ist kein radiogenes 40Ar aus ihm entwichen. Im Falle eines vulkanischen Minerals bedeutet dies eine rasche Abkühlung. Auch Kalium ist weder zu- noch abgegangen.
• Es wird eine Korrektur für atmosphärisches Argon vorgenommen (40Ar aus dem 40Ar/36Ar-Verhältnis = 295,5 abgezogen).
• Kein nicht-atmosphärisches 40Ar wurde in das Gestein/Mineral während oder nach seiner Entstehung eingebaut.
• Die Kaliumisotope im Gestein/Mineral haben sich nicht fraktioniert, außer durch 40K-Zerfall.
• Die Zerfallskonstanten von 40K sind genau bekannt.
• Die Mengen von 40Ar und Kalium im Gestein/Mineral sind genau bestimmt.

Die K/Ar-Altersbestimmung

Wenn 40Ar und Kalium in einem Gestein/Mineral genau gemessen sind, muss die Menge an 40K (basierend auf der relativen Häufigkeit von 40K im Verhältnis zum Gesamtkalium) und 40Ar* (radiogenes 40Ar) berechnet werden. Bei der K/Ar-Methode wird ein Spike (bekannte Menge) von 38Ar mit dem aus dem Gestein/Mineral extrahierten Argon gemischt, um die Menge an 40Ar* zu bestimmen. Die sich daraus ergebenden 40Ar* und 40K können wie folgt in die Altersgleichung eingesetzt werden:

Probleme und Grenzen der K/Ar-Datierungstechnik

Da die K/Ar-Datierungstechnik auf der Bestimmung der absoluten Häufigkeiten von 40Ar und Kalium beruht, gibt es keine zuverlässige Methode, um festzustellen, ob die Annahmen gültig sind. Argonverluste und überschüssiges Argon sind zwei häufige Probleme, die zu fehlerhaften Altersbestimmungen führen können. Argonverlust tritt auf, wenn radiogenes 40Ar (40Ar*), das in einem Gestein/Mineral produziert wird, irgendwann nach seiner Entstehung entweicht. Durch Alterung und hohe Temperaturen kann ein Gesteins-/Mineralgitter so stark beschädigt werden, dass 40Ar* freigesetzt wird. Dies kann dazu führen, dass das berechnete K/Ar-Alter jünger ist als das „wahre“ Alter des datierten Materials. Umgekehrt kann ein Argonüberschuss (40ArE) dazu führen, dass das berechnete K/Ar-Alter älter ist als das „wahre“ Alter des datierten Materials. Überschüssiges Argon ist einfach 40Ar, das auf radiogenes 40Ar und/oder atmosphärisches 40Ar zurückzuführen ist. Überschüssiges Argon kann aus dem Erdmantel stammen, z. B. in Form von Blasen, die in einer Schmelze eingeschlossen sind, wenn es sich um ein Magma handelt. Oder es könnte ein Xenokristall/Xenolith sein, der während der Einlagerung in einem Magma/einer Lava eingeschlossen wurde.

Die 40Ar/39Ar-Datierungstechnik

Grundsätze der 40Ar/39Ar-Methode

Die 40Ar/39Ar-Datierungstechnik ist eine verfeinerte Variante der K/Ar-Datierungstechnik. Beide Techniken beruhen auf der Messung eines Tochterisotops (40Ar) und eines Mutterisotops. Während bei der K/Ar-Methode Kalium als Ausgangsisotop gemessen wird, verwendet die 40Ar/39Ar-Methode 39Ar.

Da die relativen Häufigkeiten der Kaliumisotope bekannt sind, kann 39ArK (das durch eine schnelle Neutronenreaktion aus 39K erzeugt wird) als Ersatz für Kalium verwendet werden. Anders als bei der herkömmlichen K/Ar-Technik müssen daher keine absoluten Häufigkeiten gemessen werden. Stattdessen werden die Verhältnisse der verschiedenen Argon-Isotope gemessen, was zu präziseren und genaueren Ergebnissen führt. Weitere Vorteile der Einzelisotopenmessungen der 40Ar/39Ar-Technik sind die geringeren Auswirkungen der Probeninhomogenität und die Verwendung kleinerer Probengrößen.

Probenbestrahlung / Produktion von 39Ar

Da 39ArK nur durch eine schnelle Neutronenreaktion auf 39K erzeugt werden kann, müssen alle mit der 40Ar/39Ar-Technik datierten Proben im Kern eines Kernreaktors bestrahlt werden. Die Menge an 39ArK, die bei einer bestimmten Bestrahlung erzeugt wird, hängt von der anfänglich vorhandenen Menge an 39K, der Dauer der Bestrahlung, der Neutronenflussdichte und dem Neutroneneinfangquerschnitt für 39K ab. Da es jedoch schwierig ist, jeden dieser Parameter unabhängig voneinander zu bestimmen, wird ein Mineralstandard oder Monitor mit bekanntem Alter mit den Proben unbekannten Alters bestrahlt. Der Fluss des Monitors kann dann auf die Proben extrapoliert werden, wodurch deren Fluss bestimmt wird. Dieser Fluss wird als „J“ bezeichnet und kann durch die folgende Gleichung bestimmt werden:

Neben der Bildung von 39Ar aus 39K treten bei der Bestrahlung der Proben mehrere andere „Störreaktionen“ auf. Andere Isotope von Argon werden aus Kalium, Kalzium, Argon und Chlor erzeugt. Diese sind:

Wie die obige Tabelle zeigt, treten bei den in jeder geologischen Probe vorhandenen Isotopen mehrere „unerwünschte“ Reaktionen auf. Diese vom Reaktor erzeugten Isotope des Argons müssen korrigiert werden, um ein genaues Alter bestimmen zu können. Die Überwachung der Störreaktionen erfolgt durch die Verwendung von Laborsalzen und Gläsern. Um zum Beispiel die Menge des im Reaktor erzeugten 40Ar aus 40K zu bestimmen, wird kaliumreiches Glas mit den Proben bestrahlt. Das 40Ar/39Ar-Verhältnis des Glases wird dann im Massenspektrometer gemessen, um den Korrekturfaktor zu bestimmen, der auf die übrigen Proben in dieser Bestrahlung angewendet werden muss. Auch CaF wird routinemäßig bestrahlt und gemessen, um die Korrekturfaktoren 36Ar/37Ar und 39Ar/37Ar zu bestimmen. Anhand der „erwünschten“ Produktion von 37Ar aus 40Ca lässt sich bestimmen, wie viel 36Ar und 39Ar zu korrigieren ist, und auch das K/Ca-Verhältnis der Probe. Die wünschenswerte Produktion von 38Ar aus 37Cl ermöglicht es uns zu bestimmen, wie viel Chlor in unseren Proben vorhanden ist. Ein KCl-Salz wird bestrahlt, um das 38Ar/39Ar-Produktionsverhältnis zu bestimmen, das dann auf andere Proben angewendet werden kann, um das K/Cl-Verhältnis zu ermitteln.

40Ar/39Ar-Altersbestimmung

Nachdem J (Neutronenflussparameter), 40Ar* und 39ArK bestimmt wurden (d.h.. Nachdem J (Neutronenflussparameter), 40Ar* und 39ArK bestimmt wurden (d.h. nach Abzug von atmosphärischem Argon, Systemblindwert und störenden, im Reaktor erzeugten Isotopen), können sie in die 40Ar/39Ar-Altersgleichung eingesetzt werden:

Da die 40Ar/39Ar-Technik auf Verhältnissen und nicht auf absoluten Mengen beruht, können wir aus einer einzigen Probe mehrere Aliquots Argon extrahieren und messen. Mehrfache Argonextraktionen können auf verschiedene Weise mit einer Probe durchgeführt werden. Die gängigste Methode ist die schrittweise Erhitzung, bei der die Probe entweder mit einem Ofen oder einem Laser gleichmäßig erhitzt wird, um Argon zu entwickeln. Die einzelnen Altersstufen aus jedem Erhitzungsschritt werden dann grafisch in einem Altersspektrum oder einem Isochron aufgezeichnet. Mechanische Zerkleinerung ist ebenfalls eine Technik, mit der Argon aus einer einzelnen Probe in mehreren Schritten freigesetzt werden kann.

Lasersonden ermöglichen ebenfalls die Bestimmung mehrerer Altersstufen an einem einzigen Probenaliquot, allerdings unter genauer und präziser räumlicher Kontrolle. Mit Laserspots von 100 Mikrometern oder weniger kann der Benutzer beispielsweise mehrere Argonproben aus einem kleinen Glimmer- oder Feldspatkorn entnehmen. Die Ergebnisse einer Lasersonde können auf verschiedene Weise grafisch dargestellt werden, einschließlich einer Karte eines Korns, die die laterale Argonverteilung zeigt.

40Ar/39Ar-Gesamtschmelzung einer Probe ist insofern mit einer K/Ar-Altersbestimmung vergleichbar, als sie auf einer Gesamtfreisetzung von Argon zu einem Zeitpunkt beruht. Im Gegensatz zur konventionellen K/Ar-Bestimmung werden bei der 40Ar/39Ar-Totalfusion jedoch die Verhältnisse gemessen, was sie ideal für Proben macht, die bekanntermaßen sehr argonhaltig sind (z. B. Sanidin). Die Totalfusion wird mit einem Laser durchgeführt, und die Ergebnisse werden in der Regel in Wahrscheinlichkeitsverteilungsdiagrammen oder Ideogrammen dargestellt.

Einige Probleme mit der 40Ar/39Ar-Technik.

Standard-Interkalibrierung

Damit ein Alter mit der 40Ar/39Ar-Technik berechnet werden kann, muss der J-Parameter bekannt sein. Um J zu bestimmen, muss ein Standard bekannten Alters mit den Proben unbekannten Alters bestrahlt werden. Da dieser (primäre) Standard letztlich nicht durch 40Ar/39Ar bestimmt werden kann, muss er zunächst durch eine andere Isotopen-Datierungsmethode ermittelt werden. Die am häufigsten verwendete Methode zur Datierung des Primärstandards ist die herkömmliche K/Ar-Technik. Bei dem Primärstandard muss es sich um ein Mineral handeln, das homogen und reichlich vorhanden ist und sich mit den K/Ar- und 40Ar/39Ar-Methoden leicht datieren lässt. Traditionell ist dieser Primärstandard eine Hornblende aus den McClure Mountains, Colorado (auch bekannt als MMhb-1). Sobald ein genaues und präzises Alter für den Primärstandard bestimmt ist, können andere Minerale mit der 40Ar/39Ar-Methode relativ zu diesem datiert werden. Diese Sekundärminerale lassen sich mit der 40Ar/39Ar-Methode oft leichter datieren (z. B. Sanidin). Während das Alter des primären Standards mit der K/Ar-Methode oft leicht zu bestimmen ist, ist es für verschiedene Datierungslabors schwierig, sich auf das endgültige Alter zu einigen. Ebenso sind die K/Ar-Alter aufgrund von Heterogenitätsproblemen bei der MMhb-1-Probe nicht immer reproduzierbar. Diese Ungenauigkeit wird auf die Sekundärminerale übertragen, die täglich von der 40Ar/39Ar-Technik verwendet werden. Glücklicherweise stehen andere Techniken zur Verfügung, um das absolute Alter der von der 40Ar/39Ar-Technik verwendeten Standards neu zu bewerten und zu prüfen. Dazu gehören andere Isotopen-Datierungstechniken (z. B. U/Pb) und die astronomische Polaritätszeitskala (APTS).

Zerfallskonstanten

Ein weiteres Problem, das die endgültige Präzision und Genauigkeit der 40Ar/39Ar-Technik beeinträchtigt, ist die Unsicherheit der Zerfallskonstanten für 40K. Diese Unsicherheit ergibt sich aus 1) dem verzweigten Zerfallsschema von 40K und 2) der langen Halbwertszeit von 40K (1,25 Milliarden Jahre). Im Zuge des technologischen Fortschritts werden die in der 40Ar/39Ar-Altersgleichung verwendeten Zerfallskonstanten wahrscheinlich immer weiter verfeinert, so dass sehr viel genauere und präzisere Alter bestimmt werden können.

J-Faktor

Da der J-Wert von einem Standard auf eine Unbekannte extrapoliert wird, ist die Genauigkeit und Präzision dieses J-Wertes entscheidend. Die Unsicherheit des J-Werts lässt sich minimieren, indem die Geometrie des Standards im Verhältnis zur Unbekannten sowohl vertikal als auch horizontal eingeschränkt wird. Das NMGRL erreicht dies durch die Bestrahlung von Proben in bearbeiteten Aluminiumscheiben, bei denen sich Standards und Unbekannte in jeder zweiten Position abwechseln. Der J-Fehler kann auch dadurch verringert werden, dass mehr Aliquots des Fluxmonitors pro Standardposition analysiert werden.

39Ar Recoil

Die Auswirkungen der Bestrahlung auf kaliumhaltige Gesteine/Minerale können manchmal zu anomal alten scheinbaren Altersangaben führen. Dies wird durch den Nettoverlust von 39ArK aus der Probe durch Rückstoß (die kinetische Energie, die einem 39ArK-Atom durch die Emission eines Protons während der (n,p)-Reaktion zugeführt wird) verursacht. Recoil ist in jeder kaliumhaltigen Probe wahrscheinlich, wird aber nur bei sehr feinkörnigen Mineralien (z. B. Tonen) und Glas zu einem bedeutenden Problem. Bei mehrphasigen Proben, wie z. B. basaltischen Wholerocks, kann die Umverteilung von 39ArK ein größeres Problem darstellen als der Nettoverlust von 39ArK. In diesem Fall kann 39Ar aus einem Niedertemperatur-Mineral mit hohem Kaliumgehalt (z. B. K-Feldspat) in ein Hochtemperatur-Mineral mit niedrigem Kaliumgehalt (z. B. Pyroxen) zurückfließen. Ein solches Phänomen würde die Form des Altersspektrums stark beeinflussen.