Overzicht
Isotopen van Kalium en Argon
De isotopen waarop het KAr-systeem berust zijn Kalium (K) en Argon (Ar). Kalium, een alkalimetaal, het achtste meest voorkomende element op aarde, komt veel voor in gesteenten en gesteentevormende mineralen. De hoeveelheid kalium in een gesteente of mineraal is variabel evenredig met de hoeveelheid aanwezige silica. Daarom bevatten mafische gesteenten en mineralen vaak minder kalium dan een even grote hoeveelheid silicisch gesteente of mineraal. Kalium kan in of uit een gesteente of mineraal worden gemobiliseerd door veranderingsprocessen. Door het relatief zware atoomgewicht van kalium treedt er geen significante fractionering van de verschillende kaliumisotopen op. De 40K-isotoop is echter radioactief en zal daarom in de loop van de tijd in hoeveelheid afnemen. Maar in het kader van het KAr-dateringssysteem is de relatieve abundantie van 40K zo klein en de halfwaardetijd zo lang, dat de verhoudingen met de andere kaliumisotopen als constant worden beschouwd.
Argon, een edelgas, maakt ongeveer 0,1-5% uit van de huidige atmosfeer van de aarde. Omdat het in de atmosfeer aanwezig is, zal elk gesteente en mineraal enige hoeveelheid argon bevatten. Argon kan door omzetting en thermische processen in of uit een gesteente of mineraal worden gemobiliseerd. Net als kalium kan argon in de natuur niet noemenswaardig worden gefractioneerd. 40Ar is echter het vervalproduct van 40K en zal daarom in de loop der tijd in hoeveelheid toenemen. De hoeveelheid 40Ar die in de loop der tijd in een gesteente of mineraal wordt geproduceerd, kan worden bepaald door de hoeveelheid waarvan bekend is dat deze zich in de atmosfeer bevindt, daarvan af te trekken. Dit wordt gedaan met behulp van de constante 40Ar/36Ar verhouding van atmosferisch Argon. Deze verhouding is 295,5.
Radioactief verval van moederisotoop tot dochterisotoop
De kern van natuurlijk voorkomend 40K is instabiel en vervalt met een constante snelheid (halfwaardetijd = 1,25 miljard jaar). Het vervalschema is elektronenvangst en positronenverval. Ongeveer 89% van de 40K atomen zal vervallen tot 40Ca. Voor het K/Ar dateringssysteem wordt dit verval naar calciumisotopen genegeerd. De resterende 11% van de 40K atomen vervallen tot 40Ar. Het is dit schema dat de K/Ar methode doet werken.
De opbouw van radiogeen 40Ar (40Ar*) in een gesloten systeem kan worden uitgedrukt door de vergelijking:
De K/Ar dateringstechniek
Algemene veronderstellingen voor het Kalium-Argon dateringssysteem
Aan bepaalde veronderstellingen moet worden voldaan voordat de ouderdom van een gesteente of mineraal kan worden berekend met de Kalium-Argon dateringstechniek. Deze zijn:
- Het materiaal in kwestie is een gesloten systeem. Met andere woorden, er is geen radiogeen 40Ar uit het gesteente/mineraal ontsnapt sinds het werd gevormd. In het geval van een vulkanisch mineraal, betekent dit een snelle afkoeling. Evenzo is er geen kalium gewonnen of verloren gegaan.
- Er is een correctie gemaakt voor atmosferisch argon (40Ar van de 40Ar/36Ar-verhouding = 295,5 afgetrokken).
- Er is geen niet-atmosferisch 40Ar in het gesteente/mineraal opgenomen tijdens of na de vorming ervan.
- De kaliumisotopen in het gesteente/mineraal zijn niet gefractioneerd, behalve door 40K-verval.
- De vervalconstanten van 40K zijn nauwkeurig bekend.
- De hoeveelheden 40Ar en kalium in het gesteente/mineraal zijn nauwkeurig bepaald.
De K/Ar-leeftijdsbepaling
Als het 40Ar en het kalium in een gesteente/mineraal nauwkeurig zijn gemeten, moet de hoeveelheid 40K (gebaseerd op de relatieve abundantie van 40K ten opzichte van het totale kalium) en 40Ar* (radiogeen 40Ar) worden berekend. Bij de K/Ar-methode wordt een spike (bekende hoeveelheid) 38Ar gemengd met het uit het gesteente/de mineraal geëxtraheerde argon om de hoeveelheid 40Ar* te bepalen. De resulterende 40Ar* en 40K kunnen als volgt in de ouderdomsvergelijking worden gestopt:
Problemen en beperkingen van de K/Ar-dateringstechniek
Omdat de K/Ar-dateringstechniek berust op de bepaling van de absolute abundanties van zowel 40Ar als kalium, is er geen betrouwbare manier om te bepalen of de veronderstellingen geldig zijn. Argonverlies en een teveel aan argon zijn twee veel voorkomende problemen die ertoe kunnen leiden dat foutieve ouderdommen worden bepaald. Argonverlies treedt op wanneer radiogeen 40Ar (40Ar*) dat in een gesteente/mineraal is geproduceerd, ergens na de vorming ontsnapt. Alteratie en hoge temperatuur kunnen een gesteente/mineraalrooster voldoende beschadigen om het vrijkomen van 40Ar* toe te laten. Dit kan ertoe leiden dat de berekende K/Ar-leeftijd jonger is dan de “ware” leeftijd van het gedateerde materiaal. Omgekeerd kan een teveel aan argon (40ArE) ertoe leiden dat de berekende K/Ar-leeftijd ouder is dan de “ware” leeftijd van het dateerbare materiaal. Overtollig argon is eenvoudigweg 40Ar dat wordt toegeschreven aan radiogeen 40Ar en/of atmosferisch 40Ar. Overtollig argon kan afkomstig zijn uit de mantel, als belletjes gevangen in een smelt, in het geval van een magma. Of het kan een xenokrist/xenoliet zijn, gevangen in een magma/lava tijdens emplacement.
De 40Ar/39Ar-dateringstechniek
Principes van de 40Ar/39Ar-methode
De 40Ar/39Ar-dateringstechniek is een meer verfijnde variant van de K/Ar-dateringstechniek. Beide technieken berusten op de meting van een dochterisotoop (40Ar) en een moederisotoop. Terwijl de K/Ar-techniek kalium als ouder meet, gebruikt de 40Ar/39Ar-techniek 39Ar.
Omdat de relatieve abundanties van de kaliumisotopen bekend zijn, kan het 39ArK (geproduceerd uit 39K door een snelle neutronenreactie) worden gebruikt als een proxy voor kalium. Daarom hoeven, in tegenstelling tot bij de conventionele K/Ar-techniek, de absolute abundanties niet te worden gemeten. In plaats daarvan worden de verhoudingen van de verschillende argon-isotopen gemeten, hetgeen nauwkeurigere en preciezere resultaten oplevert. Bijkomende voordelen van de enkelvoudige isotopische metingen van de 40Ar/39Ar-techniek zijn verminderde effecten van monsterongelijkmatigheid en het gebruik van kleinere monstergrootten.
Bestraling van monsters / Productie van 39Ar
Omdat 39ArK alleen kan worden geproduceerd door een snelle neutronenreactie op 39K , moeten alle monsters die met de 40Ar/39Ar-techniek zijn gedateerd, in de kern van een kernreactor worden bestraald. De hoeveelheid 39ArK die bij een bepaalde bestraling wordt geproduceerd, hangt af van de aanvankelijk aanwezige hoeveelheid 39K, de duur van de bestraling, de neutronenfluxdichtheid en de neutronenvangstdoorsnede voor 39K. Omdat elk van deze parameters moeilijk onafhankelijk te bepalen is, wordt een minerale standaard, of monitor, van bekende ouderdom bestraald met de monsters van onbekende ouderdom. De flux van de monitor kan dan worden geëxtrapoleerd naar de monsters, waardoor hun flux wordt bepaald. Deze flux staat bekend als de “J” en kan worden bepaald met de volgende vergelijking:
Naast de productie van 39Ar uit 39K treden er tijdens de bestraling van de monsters nog verscheidene andere “interferentiereacties” op. Andere isotopen van argon worden geproduceerd uit kalium, calcium, argon en chloor. Dit zijn:
Zoals de tabel hierboven illustreert, treden er verscheidene “ongewenste” reacties op bij isotopen die in elk geologisch monster aanwezig zijn. Voor deze door de reactor geproduceerde isotopen van argon moet worden gecorrigeerd om een nauwkeurige ouderdom te kunnen bepalen. De controle van de storende reacties wordt uitgevoerd door gebruik te maken van laboratoriumzouten en -glazen. Om bijvoorbeeld de hoeveelheid reactor-geproduceerd 40Ar uit 40K te bepalen, wordt kaliumrijk glas bestraald met de monsters. De verhouding 40Ar/39Ar van het glas wordt dan gemeten in de massaspectrometer om de correctiefactor te bepalen die moet worden toegepast op de rest van de monsters in die bestraling. CaF wordt ook routinematig bestraald en gemeten om de 36Ar/37Ar- en 39Ar/37Ar-correctiefactoren te bepalen. De “wenselijke” productie van 37Ar uit 40Ca stelt ons in staat te bepalen voor hoeveel 36Ar en 39Ar moet worden gecorrigeerd, alsmede de K/Ca-verhouding van het monster. De gewenste productie van 38Ar uit 37Cl stelt ons in staat te bepalen hoeveel chloor in onze monsters aanwezig is. Een zout van KCl wordt bestraald om de 38Ar/39Ar productieverhouding te bepalen, die vervolgens op andere monsters kan worden toegepast om K/Cl-verhoudingen te bepalen.
40Ar/39Ar leeftijdsbepaling
Als eenmaal de J (neutronenfluxparameter), 40Ar* en 39ArK zijn bepaald (d.w.z. met aftrek van atmosferisch argon, systeemblanco en door de reactor geproduceerde interfererende isotopen), kunnen deze in de 40Ar/39Ar-leeftijdsvergelijking worden opgenomen:
Omdat de 40Ar/39Ar-techniek op verhoudingen in plaats van absolute hoeveelheden berust, zijn wij in staat om meerdere aliquots argon uit één monster te extraheren en te meten. Meervoudige argonextracties kunnen op verschillende manieren op een monster worden uitgevoerd. Stapsgewijze verhitting is de meest gebruikelijke manier, waarbij een oven of een laser wordt gebruikt om het monster gelijkmatig te verhitten zodat argon vrijkomt. De afzonderlijke ouderdomsdata van elke verwarmingsstap worden vervolgens grafisch uitgezet in een ouderdomsspectrum of een isochron. Mechanisch vergruizen is ook een techniek waarmee argon in meerdere stappen uit een enkel monster kan worden vrijgemaakt.
lasersondes maken het ook mogelijk om meerdere leeftijden te bepalen op een enkel monsteraliquot, maar doen dit met nauwkeurige en precieze ruimtelijke controle. Bijvoorbeeld, laserspotgroottes van 100 micron of minder stellen een gebruiker in staat om meerdere argonmonsters uit een kleine mica of veldspaatkorrel te halen. De resultaten van een lasersonde kunnen op verschillende grafische manieren worden uitgezet, waaronder een kaart van een korrel die de laterale argondistributie laat zien.
40Ar/39Ar totale fusie van een monster is vergelijkbaar met een K/Ar leeftijdsbepaling in die zin dat het berust op het in één keer vrijkomen van argon in het groot. In tegenstelling tot de conventionele K/Ar meet de totale fusie van 40Ar/39Ar echter verhoudingen, waardoor zij ideaal is voor monsters waarvan bekend is dat zij zeer argon vasthoudend zijn (bv. sanidine). Totale fusie wordt uitgevoerd met behulp van een laser en de resultaten worden gewoonlijk uitgezet op waarschijnlijkheidsverdelingsdiagrammen of ideogrammen.
Enige problemen met de 40Ar/39Ar-techniek.
Standaardintercalibratie
Om een leeftijd te kunnen berekenen met de 40Ar/39Ar-techniek, moet de J-parameter bekend zijn. Om de J te kunnen bepalen, moet een standaard van bekende ouderdom worden bestraald met de monsters van onbekende ouderdom. Omdat deze (primaire) standaard uiteindelijk niet door 40Ar/39Ar kan worden bepaald, moet deze eerst met een andere isotopische dateringsmethode worden bepaald. De meest gebruikte methode om de primaire standaard te dateren is de conventionele K/Ar techniek. De primaire standaard moet een mineraal zijn dat homogeen en overvloedig is en dat gemakkelijk kan worden gedateerd met de K/Ar- en 40Ar/39Ar-methoden. Traditioneel is deze primaire standaard een hoornblende uit de McClure Mountains, Colorado (ook bekend als MMhb-1). Zodra voor de primaire standaard een nauwkeurige en precieze ouderdom is bepaald, kunnen andere mineralen daaraan gerelateerd worden gedateerd met de 40Ar/39Ar-methode. Deze secundaire mineralen zijn vaak gemakkelijker te dateren met de 40Ar/39Ar-techniek (b.v. sanidine). Hoewel de ouderdom van de primaire standaard vaak gemakkelijk kan worden bepaald met behulp van de K/Ar-methode, is het voor verschillende dateringslaboratoria moeilijk om het eens te worden over de uiteindelijke ouderdom. Evenzo zijn de K/Ar-leeftijden niet altijd reproduceerbaar vanwege problemen met de heterogeniteit van het MMhb-1-monster. Deze onnauwkeurigheid (en onnauwkeurigheid) wordt overgedragen op de secundaire mineralen die dagelijks door de 40Ar/39Ar-techniek worden gebruikt. Gelukkig zijn er andere technieken beschikbaar om de absolute ouderdommen van de door de 40Ar/39Ar-techniek gebruikte standaarden opnieuw te evalueren en te testen. Enkele hiervan zijn andere isotopische dateringstechnieken (bv. U/Pb) en de astronomische polariteittijdschaal (APTS).
Vervalconstanten
Een andere kwestie die de uiteindelijke precisie en nauwkeurigheid van de 40Ar/39Ar-techniek beïnvloedt, is de onzekerheid in de vervalconstanten voor 40K. Deze onzekerheid is het gevolg van 1) het vertakte vervalschema van 40K en 2) de lange halveringstijd van 40K (1,25 miljard jaar). Naarmate de technologie voortschrijdt, zullen de vervalconstanten die in de 40Ar/39Ar-leeftijdsvergelijking worden gebruikt, waarschijnlijk steeds verfijnder worden, waardoor veel nauwkeuriger en preciezere ouderdommen kunnen worden bepaald.
J-factor
Omdat de J-waarde van een standaard naar een onbekende wordt geëxtrapoleerd, is de nauwkeurigheid en precisie van die J-waarde van cruciaal belang. De onzekerheid van de J-waarde kan worden geminimaliseerd door de geometrie van de standaard ten opzichte van het onbekende te beperken, zowel verticaal als horizontaal. Het NMGRL doet dit door monsters te bestralen in machinaal bewerkte aluminium schijven waarin standaarden en onbekenden elkaar om de andere positie afwisselen. J fout kan ook worden verminderd door het analyseren van meer flux monitor aliquots per standaard locatie.
39Ar Recoil
De invloed van bestraling op kaliumhoudend gesteente/mineralen kan soms resulteren in anomalisch oude schijnbare ouderdommen. Dit wordt veroorzaakt door het nettoverlies van 39ArK uit het monster door terugstraling (de kinetische energie die aan een 39ArK-atoom wordt toegediend door de emissie van een proton tijdens de (n,p)-reactie). Terugstoten is waarschijnlijk in elk kaliumhoudend monster, maar wordt alleen een significant probleem bij zeer fijnkorrelige mineralen (bv. klei) en glas. Voor meerfasemonsters zoals basaltische walmolokken kan 39ArK-herverdeling een groter probleem zijn dan netto 39ArK-verlies. In dit geval kan 39Ar uit een kaliumrijk mineraal met lage temperatuur (bv. K-veldspaat) terugvloeien in een kaliumarm mineraal met hoge temperatuur (bv. pyroxeen). Een dergelijk verschijnsel zou de vorm van het leeftijdsspectrum sterk beïnvloeden.