Prezentare generală
Izotopii de potasiu și argon
Izotopii pe care se bazează sistemul KAr sunt potasiul (K) și argonul (Ar). Potasiul, un metal alcalin, al optulea cel mai abundent element de pe Pământ, este comun în multe roci și minerale care formează roci. Cantitatea de potasiu dintr-o rocă sau dintr-un mineral este variabil proporțională cu cantitatea de siliciu prezentă. Prin urmare, rocile și mineralele mafice conțin adesea mai puțin potasiu decât o cantitate egală de rocă sau mineral silicic. Potasiul poate fi mobilizat în sau în afara unei roci sau a unui mineral prin procese de alterare. Datorită greutății atomice relativ mari a potasiului, are loc o fracționare nesemnificativă a diferiților izotopi de potasiu. Cu toate acestea, izotopul 40K este radioactiv și, prin urmare, cantitatea acestuia se va reduce în timp. Dar, în scopul sistemului de datare KAr, abundența relativă a 40K este atât de mică, iar timpul său de înjumătățire este atât de lung, încât raporturile sale cu ceilalți izotopi de potasiu sunt considerate constante.
Argonul, un gaz nobil, constituie aproximativ 0,1-5% din atmosfera actuală a Pământului. Deoarece este prezent în atmosferă, fiecare rocă și mineral va avea o anumită cantitate de Argon. Argonul poate fi mobilizat în interiorul sau în afara unei roci sau a unui mineral prin procese de alterare și termice. Ca și Potasiul, Argonul nu poate fi fracționat în mod semnificativ în natură. Cu toate acestea, 40Ar este produsul de dezintegrare a 40K și, prin urmare, cantitatea sa va crește în timp. Cantitatea de 40Ar produsă într-o rocă sau într-un mineral de-a lungul timpului poate fi determinată prin scăderea cantității despre care se știe că este conținută în atmosferă. Acest lucru se face folosind raportul constant 40Ar/36Ar al argonului atmosferic. Acest raport este de 295,5.
Dezintegrarea radioactivă a izotopului părinte în izotop fiică
Nucleul de 40K din natură este instabil, dezintegrându-se cu o rată constantă (timp de înjumătățire = 1,25 miliarde de ani). Schema de dezintegrare este captura de electroni și dezintegrare de pozitroni. Aproximativ 89% din atomii de 40K se vor dezintegra în 40Ca. Pentru sistemul de datare K/Ar, această schemă de dezintegrare în izotopi de calciu este ignorată. Restul de 11% din atomii de 40K se dezintegrează în 40Ar. Această schemă este cea care face ca metoda K/Ar să funcționeze.
Acumularea de 40Ar radiogenic (40Ar*) într-un sistem închis poate fi exprimată prin ecuația:
Tehnica de datare K/Ar
Ipoteze generale pentru sistemul de datare Potasiu-Argon
Cerute ipoteze trebuie îndeplinite înainte ca vârsta unei roci sau a unui mineral să poată fi calculată cu tehnica de datare Potasiu-Argon. Acestea sunt:
- Materialul în cauză este un sistem închis. Cu alte cuvinte, niciun 40Ar radiogenic nu a scăpat din rocă/mineral de când s-a format. În cazul unui mineral vulcanic, acest lucru înseamnă o răcire rapidă. În mod similar, potasiul nu a fost câștigat sau pierdut.
- Se face o corecție pentru argon atmosferic (se scade 40Ar din raportul 40Ar/36Ar = 295,5).
- Nici un 40Ar neatmosferic nu a fost încorporat în rocă/mineral în timpul sau după formarea sa.
- Izotopii de potasiu din rocă/mineral nu s-au fracționat, cu excepția dezintegrării 40K.
- Constantele de dezintegrare ale 40K sunt cunoscute cu exactitate.
- Cantitățile de 40Ar și potasiu din rocă/mineral sunt determinate cu exactitate.
Determinarea vârstei K/Ar
După ce 40Ar și potasiul dintr-o rocă/mineral sunt măsurate cu exactitate, trebuie calculată cantitatea de 40K (pe baza abundenței relative a 40K în raport cu potasiul total) și 40Ar* (40Ar radiogenic). Metoda K/Ar utilizează un vârf (cantitate cunoscută) de 38Ar amestecat cu argon extras din rocă/mineral pentru a determina cantitatea de 40Ar*. 40Ar* și 40K rezultate pot fi introduse în ecuația vârstei după cum urmează:
Probleme și limitări ale tehnicii de datare K/Ar
Pentru că tehnica de datare K/Ar se bazează pe determinarea abundențelor absolute atât ale 40Ar, cât și ale potasiului, nu există o modalitate fiabilă de a determina dacă ipotezele sunt valabile. Pierderea de argon și excesul de argon sunt două probleme comune care pot cauza determinarea unor vârste eronate. Pierderea de argon are loc atunci când 40Ar radiogenic (40Ar*) produs în interiorul unei roci/minerale scapă la un moment dat după formarea acesteia. Alterarea și temperatura ridicată pot deteriora o rețea de roci/minerale suficient de mult pentru a permite eliberarea 40Ar*. Acest lucru poate face ca vârsta K/Ar calculată să fie mai tânără decât vârsta „adevărată” a materialului datat. Invers, excesul de argon (40ArE) poate face ca vârsta K/Ar calculată să fie mai veche decât vârsta „adevărată” a materialului datat. Excesul de argon este pur și simplu 40Ar care este atribuit 40Ar radiogenic și/sau 40Ar atmosferic. Excesul de argon poate proveni din mantaua, sub formă de bule prinse în topitură, în cazul unei magme. Sau ar putea fi un xenocrist/xenolit prins într-o magmă/lavă în timpul formării.
Tehnica de datare 40Ar/39Ar
Principii ale metodei 40Ar/39Ar
Tehnica de datare 40Ar/39Ar este o variantă mai sofisticată a tehnicii de datare K/Ar. Ambele tehnici se bazează pe măsurarea unui izotop fiică (40Ar) și a unui izotop părinte. În timp ce tehnica K/Ar măsoară potasiul ca părinte, tehnica 40Ar/39Ar folosește 39Ar.
Pentru că abundențele relative ale izotopilor de potasiu sunt cunoscute, 39ArK (produs din 39K printr-o reacție neutronică rapidă) poate fi folosit ca indicator pentru potasiu. Prin urmare, spre deosebire de tehnica convențională K/Ar, nu este necesar să se măsoare abundențele absolute. În schimb, se măsoară raporturile dintre diferiții izotopi de argon, obținându-se astfel rezultate mai precise și mai exacte. Avantajele suplimentare ale măsurătorilor izotopice unice ale tehnicii 40Ar/39Ar sunt diminuarea efectelor neomogenității eșantioanelor și utilizarea unor eșantioane de dimensiuni mai mici.
Iradierea eșantioanelor / Producerea de 39Ar
Pentru că 39ArK poate fi produs numai printr-o reacție neutronică rapidă asupra 39K , toate eșantioanele datate prin tehnica 40Ar/39Ar trebuie să fie iradiate în miezul unui reactor nuclear. Cantitatea de 39ArK produsă la o anumită iradiere va depinde de cantitatea de 39K prezentă inițial, de durata iradierii, de densitatea fluxului de neutroni și de secțiunea transversală de captare a neutronilor pentru 39K. Cu toate acestea, deoarece fiecare dintre acești parametri este dificil de determinat în mod independent, un etalon mineral sau un monitor de vârstă cunoscută este iradiat cu eșantioane de vârstă necunoscută. Fluxul monitorului poate fi apoi extrapolat la probe, determinând astfel fluxul acestora. Acest flux este cunoscut sub numele de „J” și poate fi determinat prin următoarea ecuație:
În plus față de producerea de 39Ar din 39K, mai multe alte reacții de „interferență” au loc în timpul iradierii probelor. Alți izotopi ai argonului sunt produși din potasiu, calciu, argon și clor. Aceștia sunt:
După cum ilustrează tabelul de mai sus, mai multe reacții „nedorite” au loc asupra izotopilor prezenți în cadrul fiecărei probe geologice. Acești izotopi de argon produși de reactor trebuie corectați pentru a determina o vârstă exactă. Monitorizarea reacțiilor perturbatoare se realizează prin utilizarea sărurilor și a sticlelor de laborator. De exemplu, pentru a determina cantitatea de 40Ar produsă în reactor din 40K, sticla bogată în potasiu este iradiată cu probele. Raportul 40Ar/39Ar din sticlă este apoi măsurat în spectrometrul de masă pentru a determina factorul de corecție care trebuie aplicat la restul probelor din acea iradiere. CaF este, de asemenea, iradiat în mod curent și măsurat pentru a determina factorii de corecție 36Ar/37Ar și 39Ar/37Ar. Producția „dezirabilă” de 37Ar din 40Ca ne permite să determinăm cantitatea de 36Ar și 39Ar care trebuie corectată, precum și raportul K/Ca al probei. Producția „dezirabilă” de 38Ar din 37Cl ne permite să determinăm cât de mult clor este prezent în probele noastre. O sare de KCl este iradiată pentru a determina raportul de producție de 38Ar/39Ar, care poate fi apoi aplicat la alte probe pentru a determina raportul K/Cl.
Determinarea vârstei 40Ar/39Ar
După ce J (parametrul fluxului de neutroni), 40Ar* și 39ArK au fost determinate (de ex. scăzând argonul atmosferic, golul sistemului și izotopii produși de reactor care interferează), aceștia pot fi incluși în ecuația vârstei 40Ar/39Ar:
Pentru că tehnica 40Ar/39Ar se bazează pe rapoarte în loc de cantități absolute, suntem capabili să extragem și să măsurăm mai multe alicote de argon dintr-o singură probă. Extracțiile multiple de argon pot fi efectuate pe o probă în mai multe moduri. Încălzirea în trepte este cel mai comun mod și implică fie un cuptor, fie un laser pentru a încălzi uniform proba pentru a produce argon. Vârstele individuale din fiecare etapă de încălzire sunt apoi reprezentate grafic pe un spectru de vârstă sau un izocron. Zdrobirea mecanică este, de asemenea, o tehnică capabilă să elibereze argon dintr-un singur eșantion în mai multe etape.
Sondele cu laser permit, de asemenea, determinarea mai multor vârste pe o singură fracțiune de eșantion, dar fac acest lucru folosind un control spațial exact și precis. De exemplu, dimensiunile spotului laser de 100 de microni sau mai puțin permit unui utilizator să extragă mai multe probe de argon din lungul unui mic grăunte de mica sau feldspat. Rezultatele unei sonde laser pot fi reprezentate în mai multe moduri grafice, inclusiv o hartă a unui grăunte care arată distribuția laterală a argonului.
Fundarea totală 40Ar/39Ar a unei probe este comparabilă cu o determinare a vârstei K/Ar prin faptul că se bazează pe eliberarea totală de argon la un moment dat. Cu toate acestea, spre deosebire de K/Ar convențional, fuziunea totală 40Ar/39Ar măsoară rapoarte, ceea ce o face ideală pentru eșantioanele cunoscute ca fiind foarte reținătoare de argon (de exemplu, sanidina). Fuziunea totală se realizează cu ajutorul unui laser, iar rezultatele sunt de obicei reprezentate pe diagrame de distribuție a probabilităților sau ideograme.
Câteva probleme cu tehnica 40Ar/39Ar.
Intercalibrare standard
Pentru ca o vârstă să fie calculată prin tehnica 40Ar/39Ar, parametrul J trebuie să fie cunoscut. Pentru ca J să fie determinat, un etalon de vârstă cunoscută trebuie iradiat cu probele de vârstă necunoscută. Deoarece acest standard (primar) nu poate fi determinat în cele din urmă prin 40Ar/39Ar, el trebuie mai întâi determinat printr-o altă metodă de datare izotopică. Metoda cea mai frecvent utilizată pentru datarea etalonului primar este tehnica convențională K/Ar. Standardul primar trebuie să fie un mineral care să fie omogen, abundent și ușor de datat prin metodele K/Ar și 40Ar/39Ar. În mod tradițional, acest standard primar a fost o hornblendă din Munții McClure, Colorado (cunoscută și sub numele de MMhb-1). Odată ce se determină o vârstă exactă și precisă pentru standardul primar, alte minerale pot fi datate în raport cu acesta prin metoda 40Ar/39Ar. Aceste minerale secundare sunt adesea mai ușor de datat prin tehnica 40Ar/39Ar (de exemplu, sanidina). Cu toate acestea, deși este adesea ușor de determinat vârsta etalonului primar prin metoda K/Ar, este dificil pentru diferite laboratoare de datare să cadă de acord asupra vârstei finale. De asemenea, din cauza problemelor de eterogenitate cu proba MMhb-1, vârstele K/Ar nu sunt întotdeauna reproductibile. Această imprecizie (și inexactitate) este transferată la mineralele secundare utilizate zilnic de tehnica 40Ar/39Ar. Din fericire, sunt disponibile alte tehnici pentru a reevalua și testa vârstele absolute ale standardelor utilizate de tehnica 40Ar/39Ar. Unele dintre acestea includ alte tehnici de datare izotopică (de exemplu, U/Pb) și scara de timp a polarității astronomice (APTS).
Constantele de dezintegrare
O altă problemă care afectează precizia și acuratețea finală a tehnicii 40Ar/39Ar este incertitudinea în constantele de dezintegrare pentru 40K. Această incertitudine rezultă din 1) schema de dezintegrare ramificată a 40K și 2) timpul de înjumătățire lung al 40K (1,25 miliarde de ani). Pe măsură ce tehnologia avansează, este probabil că constantele de dezintegrare utilizate în ecuația vârstei 40Ar/39Ar vor deveni din ce în ce mai rafinate, permițând determinarea unor vârste mult mai exacte și mai precise.
Factorul J
Pentru că valoarea J este extrapolată de la un standard la o necunoscută, acuratețea și precizia acestei valori J este critică. Incertitudinea valorii J poate fi minimizată prin constrângerea geometriei etalonului în raport cu necunoscuta, atât pe verticală, cât și pe orizontală. NMGRL face acest lucru prin iradierea probelor în discuri de aluminiu prelucrate în care standardele și necunoscutele alternează la fiecare două poziții. Eroarea J poate fi, de asemenea, redusă prin analizarea mai multor alicote de monitor de flux pentru fiecare locație a standardului.
39Ar Recoil
Afectele iradierii asupra rocilor/minerale purtătoare de potasiu pot duce uneori la vârste aparente anomal de vechi. Acest lucru este cauzat de pierderea netă de 39ArK din eșantion prin recul (energia cinetică imprimată unui atom de 39ArK prin emisia unui proton în timpul reacției (n,p)). Recuperarea este probabilă în orice eșantion care conține potasiu, dar devine o problemă semnificativă numai în cazul mineralelor cu granulație foarte fină (de exemplu, argile) și al sticlei. În cazul probelor multifazice, cum ar fi wholerocks bazaltici, redistribuirea 39ArK poate fi o problemă mai mare decât pierderea netă de 39ArK. În acest caz, 39Ar se poate retrage dintr-un mineral cu temperatură scăzută și potasiu ridicat (de exemplu, K-feldspat) într-un mineral cu temperatură ridicată și potasiu scăzut (de exemplu, piroxen). Un astfel de fenomen ar afecta foarte mult forma spectrului de vârstă.