Visão Geral
Isótopos de Potássio e Argônio
Os isótopos em que o sistema KAr se baseia são Potássio (K) e Argônio (Ar). Potássio, um metal alcalino, o oitavo elemento mais abundante da Terra, é comum em muitas rochas e minerais formadores de rochas. A quantidade de potássio em uma rocha ou mineral é variável, proporcional à quantidade de sílica presente. Portanto, rochas e minerais mafiosos frequentemente contêm menos potássio do que uma quantidade igual de rocha silícica ou mineral. O potássio pode ser mobilizado para dentro ou fora de uma rocha ou mineral através de processos de alteração. Devido ao peso atômico relativamente pesado do potássio, ocorre um fracionamento insignificante dos diferentes isótopos de potássio. Entretanto, o isótopo 40K é radioativo e, portanto, será reduzido em quantidade ao longo do tempo. Mas, para os fins do sistema de datação KAr, a abundância relativa de 40K é tão pequena e sua meia-vida é tão longa que suas proporções com os outros isótopos de Potássio são consideradas constantes.
Argon, um gás nobre, constitui aproximadamente 0,1-5% da atmosfera actual da Terra. Por estar presente dentro da atmosfera, cada rocha e mineral terá alguma quantidade de Árgon. O árgon pode ser mobilizado para dentro ou fora de uma rocha ou mineral através de alterações e processos térmicos. Como o Potássio, o Árgon não pode ser fracionado significativamente na natureza. No entanto, o 40Ar é o produto em decomposição de 40K e, portanto, aumentará em quantidade com o tempo. A quantidade de 40Ar produzida em uma rocha ou mineral ao longo do tempo pode ser determinada através da subtração da quantidade conhecida na atmosfera. Isto é feito usando a constante razão 40Ar/36Ar do árgon atmosférico. Esta razão é 295,5.
Decadência radioativa do isótopo pai para o isótopo filha
Os núcleos de 40K que ocorrem naturalmente são instáveis, decaindo a uma taxa constante (meia-vida = 1,25 bilhões de anos). O esquema de decaimento é a captura de electrões e o decaimento positrónico. Cerca de 89% dos átomos de 40K irão decair até 40Ca. Para o sistema de datação K/Ar, este esquema de decaimento para isótopos de cálcio é ignorado. Os restantes 11% dos 40K átomos decaem para 40Ar. É este esquema que faz o método K/Ar funcionar.
A acumulação de 40Ar radiogênicos (40Ar*) em um sistema fechado pode ser expressa pela equação:
A técnica de datação K/Ar
Assunções gerais para o sistema de datação por Árgon-Cotássio
Determinadas suposições devem ser satisfeitas antes que a idade de uma rocha ou mineral possa ser calculada com a técnica de datação por Árgon-Cotássio. Estas são:
- O material em questão é um sistema fechado. Em outras palavras, nenhum 40Ar radiogênico escapou da rocha/mineral desde a sua formação. No caso de um mineral vulcânico, isto significa um resfriamento rápido. Da mesma forma, o potássio não foi ganho nem perdido.
- É feita uma correção para o argônio atmosférico (40Ar da razão 40Ar/36Ar = 295,5 subtraído).
- Não foi incorporado nenhum 40Ar não atmosférico na rocha/mineral durante ou após a sua formação.
- Os isótopos de potássio na rocha/mineral não foram fracionados, exceto pela decadência de 40K.
- As constantes de decadência de 40K são conhecidas com precisão.
- As quantidades de 40Ar e potássio na rocha/mineral são determinadas com precisão.
A determinação da idade K/Ar
Após o 40Ar e o potássio numa rocha/mineral serem medidos com precisão, a quantidade de 40K (baseada na abundância relativa de 40K ao potássio total) e 40Ar* (40Ar radiogénico) deve ser calculada com precisão. O método K/Ar utiliza um pico (quantidade conhecida) de 38Ar misturado com o árgon extraído da rocha/mineral para determinar a quantidade de 40Ar*. Os 40Ar* e 40K resultantes podem ser ligados à equação de idade como segue:
Problemas e limitações da técnica de datação K/Ar
Porque a técnica de datação K/Ar depende da determinação das abundâncias absolutas tanto do 40Ar como do potássio, não há uma maneira confiável de determinar se as suposições são válidas. Perda de árgon e excesso de argônio são dois problemas comuns que podem causar a determinação de idades errôneas. A perda de árgon ocorre quando o 40Ar radiogênico (40Ar*) produzido dentro de uma rocha/mineral escapa algum tempo após a sua formação. Alterações e altas temperaturas podem danificar uma malha rochosa/mineral o suficiente para permitir que o 40Ar* seja liberado. Isto pode fazer com que a idade K/Ar calculada seja mais nova do que a idade “verdadeira” do material datado. Por outro lado, o excesso de argônio (40ArE) pode fazer com que a idade de K/Ar calculada seja mais velha do que a idade “verdadeira” do material datado. O excesso de argônio é simplesmente 40Ar que é atribuído ao 40Ar radiogênico e/ou atmosférico do 40Ar. O excesso de argônio pode ser derivado do manto, como bolhas presas em um derretimento, no caso de um magma. Ou pode ser um xenocrista/xenolito preso em um magma/lava durante a colocação.
A técnica de datação 40Ar/39Ar
Princípios do método 40Ar/39Ar
A técnica de datação 40Ar/39Ar é uma variação mais sofisticada da técnica de datação K/Ar. Ambas as técnicas dependem da medida de um isótopo filha (40Ar) e de um isótopo pai. Enquanto a técnica K/Ar mede o potássio como o pai, a técnica 40Ar/39Ar usa 39Ar.
Porque as abundâncias relativas dos isótopos de potássio são conhecidas, o 39ArK (produzido de 39K por uma rápida reação de nêutrons) pode ser usado como um proxy para o potássio. Portanto, ao contrário da técnica convencional K/Ar, as abundâncias absolutas não precisam ser medidas. Em vez disso, as proporções dos diferentes isótopos de árgon são medidas, produzindo resultados mais precisos e precisos. Vantagens adicionais das medidas isotópicas únicas da técnica 40Ar/39Ar são a diminuição dos efeitos da não homogeneidade da amostra e o uso de amostras menores.
Irradiação da amostra / Produção de 39Ar
Porque o 39ArK só pode ser produzido por uma rápida reação de nêutrons no 39K , todas as amostras datadas pela técnica 40Ar/39Ar devem ser irradiadas no núcleo de um reator nuclear. A quantidade de 39ArK produzida em qualquer irradiação dependerá da quantidade de 39K presente inicialmente, do comprimento da irradiação, da densidade do fluxo de nêutrons e da seção transversal de captura de nêutrons para o 39K. Entretanto, como cada um destes parâmetros é difícil de determinar de forma independente, um padrão mineral, ou monitor, de idade conhecida é irradiado com as amostras de idade desconhecida. O fluxo do monitor pode então ser extrapolado para as amostras, determinando assim o seu fluxo. Este fluxo é conhecido como ‘J’ e pode ser determinado pela seguinte equação:
Além da produção do 39Ar a partir do 39K, várias outras reações de ‘interferência’ ocorrem durante a irradiação das amostras. Outros isótopos de argônio são produzidos a partir de potássio, cálcio, argônio e cloro. Estes são:
Como a tabela acima ilustra, várias reações “indesejáveis” ocorrem em isótopos presentes dentro de cada amostra geológica. Estes isótopos de argônio produzidos pelo reator devem ser corrigidos a fim de determinar uma idade precisa. O monitoramento das reações interferentes é realizado através do uso de sais de laboratório e vidros. Por exemplo, para determinar a quantidade de reactor produzido 40Ar a partir de 40K, o vidro rico em potássio é irradiado com as amostras. A razão 40Ar/39Ar do vidro é então medida no espectrômetro de massa para determinar o fator de correção que deve ser aplicado ao resto das amostras naquela irradiação. O CaF também é rotineiramente irradiado e medido para determinar os fatores de correção 36Ar/37Ar e 39Ar/37Ar. A produção “desejável” de 37Ar a partir do 40Ca nos permite determinar quanto 36Ar e 39Ar corrigir, assim como a razão K/Ca da amostra. A desejável produção de 38Ar a partir do 37Cl permite-nos determinar a quantidade de cloro presente nas nossas amostras. Um sal de KCl é irradiado para determinar a razão de produção de 38Ar/39Ar que pode então ser aplicado a outras amostras para determinar a razão K/Cl.
determinação da idade de 40Ar/39Ar
Após a determinação do J (parâmetro de fluxo de neutrões), 40Ar* e 39ArK (isto é. subtraindo o argônio atmosférico, o sistema em branco e os isótopos produzidos pelo reator interferente), eles podem ser incluídos na equação de idade 40Ar/39Ar:
Porque a técnica 40Ar/39Ar depende de razões ao invés de quantidades absolutas, somos capazes de extrair e medir múltiplas alíquotas de argônio a partir de uma única amostra. As extrações múltiplas de argônio podem ser realizadas em uma amostra de várias maneiras. O aquecimento por etapas é a forma mais comum e envolve ou um forno ou um laser para aquecer uniformemente a amostra para evoluir o árgon. As idades individuais de cada etapa de aquecimento são então graficamente plotadas em um espectro de idade ou um isócrono. O esmagamento mecânico também é uma técnica capaz de liberar o argônio de uma única amostra em múltiplas etapas.
Sondas laser também permitem determinar várias idades em uma única alíquota de amostra, mas o fazem usando um controle espacial preciso e preciso. Por exemplo, tamanhos de pontos de laser de 100 microns ou menos permitem ao usuário extrair múltiplas amostras de argônio através de uma pequena mica ou grão de feldspato. Os resultados de uma sonda laser podem ser plotados de várias formas gráficas, incluindo um mapa de um grão mostrando a distribuição lateral de argônio.
40Ar/39Ar A fusão total de uma amostra é comparável a uma determinação da idade K/Ar, na medida em que se baseia na liberação por atacado de argônio de uma vez. No entanto, ao contrário do K/Ar convencional, a fusão total mede proporções de 40Ar/39Ar, tornando-a ideal para amostras conhecidas por serem muito retentivas de argônio (por exemplo, sanidina). A fusão total é realizada usando um laser e os resultados são normalmente traçados em diagramas de distribuição de probabilidade ou ideogramas.
Alguns problemas com a técnica 40Ar/39Ar.
Intercalibração padrão
Para que uma idade seja calculada pela técnica 40Ar/39Ar, o parâmetro J deve ser conhecido. Para que o J seja determinado, um padrão de idade conhecida deve ser irradiado com as amostras de idade desconhecida. Como este padrão (primário) não pode ser determinado pelo 40Ar/39Ar, ele deve ser primeiro determinado por outro método de datação isotópica. O método mais usado para datar o padrão primário é a técnica convencional K/Ar. O padrão primário deve ser um mineral que seja homogêneo, abundante e facilmente datado pelos métodos K/Ar e 40Ar/39Ar. Tradicionalmente, este padrão primário tem sido um hornblende das montanhas McClure, Colorado (também conhecido como MMhb-1). Uma vez determinada uma idade precisa e precisa para o padrão primário, outros minerais podem ser datados em relação a ele pelo método do 40Ar/39Ar. Estes minerais secundários são muitas vezes mais convenientes para datar pela técnica 40Ar/39Ar (por exemplo, sanidina). Entretanto, embora muitas vezes seja fácil determinar a idade do padrão primário pelo método K/Ar, é difícil para diferentes laboratórios de datação chegarem a um acordo sobre a idade final. Da mesma forma, devido a problemas de heterogeneidade com a amostra MMhb-1, as idades K/Ar nem sempre são reprodutíveis. Esta imprecisão (e imprecisão) é transferida para os minerais secundários utilizados diariamente pela técnica 40Ar/39Ar. Felizmente, outras técnicas estão disponíveis para reavaliar e testar as idades absolutas dos padrões usados pela técnica dos 40Ar/39Ar. Algumas delas incluem outras técnicas de datação isotópica (por exemplo, U/Pb) e a escala de tempo de polaridade astronômica (APTS).
Constantes de decaimento
Outra questão que afeta a precisão e precisão final da técnica 40Ar/39Ar é a incerteza nas constantes de decaimento para 40K. Esta incerteza resulta de 1) o esquema de decaimento ramificado de 40K e 2) a longa meia-vida de 40K (1,25 bilhões de anos). Conforme a tecnologia avança, é provável que as constantes de decaimento usadas na equação de idade 40Ar/39Ar se tornem continuamente mais refinadas permitindo determinar idades muito mais precisas e precisas.
J Fator
Porque o valor J é extrapolado de um padrão para um desconhecido, a precisão e a precisão sobre esse valor J é crítica. A incerteza do valor J pode ser minimizada através da restrição da geometria do padrão em relação ao desconhecido, tanto vertical como horizontalmente. O NMGRL faz isso irradiando amostras em discos de alumínio usinados onde padrões e desconhecidos se alternam em todas as outras posições. O erro J também pode ser reduzido através da análise de mais alíquotas de monitor de fluxo por local padrão.
39Ar Recoil
Os efeitos da irradiação em rochas que contêm potássio/minerals podem por vezes resultar em idades aparentes anormalmente antigas. Isto é causado pela perda líquida de 39ArK da amostra por recuo (a energia cinética transmitida em um átomo de 39ArK pela emissão de um próton durante a reação (n,p)). O recuo é provável em todas as amostras de potássio, mas só se torna um problema significativo com minerais de granulação muito fina (por exemplo, argilas) e vidro. Para amostras multi-fásicas, tais como os wholerocks basálticos, a redistribuição do 39ArK pode ser um problema maior do que a perda líquida do 39ArK. Neste caso, o 39ArK pode recuar de um mineral de baixa temperatura e alto potássio (por exemplo, o K-feldspato) para um mineral de alta temperatura e baixo potássio (por exemplo, piroxeno). Tal fenômeno afetaria muito a forma do espectro etário.