Översikt
Isotoper av kalium och argon
De isotoper som KAr-systemet bygger på är kalium (K) och argon (Ar). Kalium, en alkalimetall, jordens åttonde vanligaste grundämne är vanligt förekommande i många bergarter och bergartsbildande mineraler. Mängden kalium i en sten eller ett mineral är variabelt proportionell mot mängden kiseldioxid som förekommer. Därför innehåller mafiska bergarter och mineraler ofta mindre kalium än en lika stor mängd kiselhaltig bergart eller kiselhaltigt mineral. Kalium kan mobiliseras in i eller ut ur en sten eller ett mineral genom förändringsprocesser. På grund av kaliums relativt tunga atomvikt förekommer obetydlig fraktionering av de olika kaliumisotoperna. 40K-isotopen är dock radioaktiv och kommer därför att minska i mängd med tiden. Men när det gäller KAr-dateringssystemet är den relativa förekomsten av 40K så liten och dess halveringstid är så lång att dess förhållande till de andra kaliumisotoperna anses vara konstant.
Argon, en ädelgas, utgör ungefär 0,1-5 % av jordens nuvarande atmosfär. Eftersom den finns i atmosfären kommer varje sten och mineral att innehålla en viss mängd argon. Argon kan mobiliseras in i eller ut ur en sten eller ett mineral genom förändring och termiska processer. I likhet med kalium kan argon inte fraktioneras i någon större utsträckning i naturen. 40Ar är dock en sönderfallsprodukt av 40K och kommer därför att öka i mängd med tiden. Mängden 40Ar som produceras i en sten eller ett mineral med tiden kan bestämmas genom att subtrahera den mängd som man vet finns i atmosfären. Detta görs med hjälp av det konstanta förhållandet 40Ar/36Ar i atmosfäriskt argon. Detta förhållande är 295,5.
Radioaktivt sönderfall av moderisotop till dotterisotop
Kärnorna i naturligt förekommande 40K är instabila och sönderfaller med konstant hastighet (halveringstid = 1,25 miljarder år). Nedbrytningsschemat är elektroninfångning och positronnedbrytning. Ungefär 89 % av 40K-atomerna sönderfaller till 40Ca. För K/Ar-dateringssystemet ignoreras detta sönderfall till kalciumisotoper. De återstående 11 % av 40K-atomerna sönderfaller till 40Ar. Det är detta system som gör att K/Ar-metoden fungerar.
Ansamlingen av radiogent 40Ar (40Ar*) i ett slutet system kan uttryckas med ekvationen:
K/Ar-dateringstekniken
Allmänna antaganden för Kalium-Argon-dateringssystemet
Bestämda antaganden måste uppfyllas innan åldern på en bergart eller ett mineral kan beräknas med Kalium-Argon-dateringstekniken. Dessa är:
- Materialet i fråga är ett slutet system. Med andra ord har inget radiogent 40Ar rymt från stenen/mineralen sedan den bildades. I fallet med ett vulkaniskt mineral innebär detta en snabb avkylning. På samma sätt har kalium inte tillförts eller förlorats.
- En korrigering görs för atmosfäriskt argon (40Ar från förhållandet 40Ar/36Ar = 295,5 subtraherat).
- Ingen icke-atmosfärisk 40Ar har införlivats i berget/mineralen under eller efter dess bildning.
- Kaliumisotoperna i berget/mineralen har inte fraktionerats, förutom genom 40K-sönderfall.
- Sönderfallskonstanterna för 40K är exakt kända.
- Mängderna 40Ar och kalium i berget/mineralen är exakt bestämda.
K/Ar-åldersbestämning
När 40Ar och kalium i en bergart/mineral är exakt uppmätta måste mängden 40K (baserat på den relativa förekomsten av 40K i förhållande till totalt kalium) och 40Ar* (radiogent 40Ar) beräknas. K/Ar-metoden använder en spik (känd mängd) av 38Ar som blandas med det argon som extraherats från stenen/mineralen för att bestämma mängden 40Ar*. De resulterande 40Ar* och 40K kan sättas in i åldersekvationen enligt följande:
Problem och begränsningar av K/Ar-dateringstekniken
Då K/Ar-dateringstekniken är beroende av att man bestämmer de absoluta förekomsterna av både 40Ar och kalium, finns det inget tillförlitligt sätt att avgöra om antagandena är giltiga. Argonförlust och överskott av argon är två vanliga problem som kan leda till att felaktiga åldrar bestäms. Argonförlust uppstår när radiogent 40Ar (40Ar*) som produceras i en sten/mineral läcker ut någon gång efter dess bildning. Alternering och hög temperatur kan skada en bergart/mineralgitter tillräckligt mycket för att 40Ar* skall kunna frigöras. Detta kan leda till att den beräknade K/Ar-åldern är yngre än den ”sanna” åldern för det daterade materialet. Omvänt kan ett överskott av argon (40ArE) leda till att den beräknade K/Ar-åldern är äldre än den ”sanna” åldern för det daterade materialet. Överskott av argon är helt enkelt 40Ar som tillskrivs radiogent 40Ar och/eller atmosfäriskt 40Ar. Överskottsargon kan härröra från manteln, som bubblor fångade i en smälta, i fallet med en magma. Eller så kan det vara en xenokrist/xenolit som fångats in i en magma/lava under inlagringen.
Tekniken för 40Ar/39Ar-datering
Principer för 40Ar/39Ar-metoden
Tekniken för 40Ar/39Ar-datering är en mer sofistikerad variant av K/Ar-dateringstekniken. Båda teknikerna bygger på mätning av en dotterisotop (40Ar) och en moderisotop. Medan K/Ar-tekniken mäter kalium som moderisotop, använder 40Ar/39Ar-tekniken 39Ar.
Då de relativa förekomsterna av kaliumisotoper är kända, kan 39ArK (som produceras från 39K genom en snabb neutronreaktion) användas som en proxy för kalium. Till skillnad från den konventionella K/Ar-tekniken behöver därför absoluta abundanser inte mätas. I stället mäts förhållandet mellan de olika argonisotoperna, vilket ger mer exakta och korrekta resultat. Ytterligare fördelar med 40Ar/39Ar-teknikens enskilda isotopmätningar är minskade effekter av provets inhomogenitet och användning av mindre provstorlekar.
Bestrålning av prover / produktion av 39Ar
Eftersom 39ArK endast kan produceras genom en snabb neutronreaktion på 39K måste alla prover som dateras med 40Ar/39Ar-tekniken bestrålas i kärnan av en kärnreaktor. Mängden 39ArK som produceras vid en viss bestrålning beror på mängden 39K som ursprungligen fanns närvarande, bestrålningens längd, neutronflödestätheten och neutroninfångningstvärsnittet för 39K. Eftersom det är svårt att bestämma var och en av dessa parametrar oberoende av varandra bestrålas en mineralstandard eller monitor med känd ålder tillsammans med prover med okänd ålder. Monitorflödet kan sedan extrapoleras till proverna och på så sätt bestämma deras flöde. Detta flöde är känt som ”J” och kan bestämmas med följande ekvation:
Förutom 39Ar-produktion från 39K inträffar flera andra ”interferens”-reaktioner under bestrålningen av proverna. Andra isotoper av argon produceras från kalium, kalcium, argon och klor. Dessa är:
Som tabellen ovan visar inträffar flera ”oönskade” reaktioner på isotoper som finns i varje geologiskt prov. Dessa reaktorproducerade isotoper av argon måste korrigeras för för att man ska kunna bestämma en korrekt ålder. Kontrollen av de störande reaktionerna utförs genom användning av laboratoriesalter och glas. För att till exempel bestämma mängden reaktorproducerat 40Ar från 40K bestrålas kaliumrikt glas med proverna. Glasets 40Ar/39Ar-förhållande mäts sedan i masspektrometern för att bestämma den korrektionsfaktor som måste tillämpas på resten av proverna i den bestrålningen. CaF bestrålas också rutinmässigt och mäts för att bestämma 36Ar/37Ar- och 39Ar/37Ar-korrigeringsfaktorerna. Den ”önskvärda” produktionen av 37Ar från 40Ca gör det möjligt för oss att bestämma hur mycket 36Ar och 39Ar som skall korrigeras för, liksom provets K/Ca-förhållande. Den önskvärda produktionen av 38Ar från 37Cl gör det möjligt för oss att bestämma hur mycket klor som finns i våra prover. Ett salt av KCl bestrålas för att bestämma produktionsförhållandet 38Ar/39Ar som sedan kan tillämpas på andra prover för att bestämma K/Cl-förhållandet.
40Ar/39Ar åldersbestämning
När J (neutronflödesparameter), 40Ar* och 39ArK har bestämts (dvs. subtraktion av atmosfäriskt argon, systemtomma och störande reaktorproducerade isotoper) kan de inkluderas i 40Ar/39Ar-åldersekvationen:
Då 40Ar/39Ar-tekniken bygger på förhållanden i stället för absoluta kvantiteter, kan vi extrahera och mäta flera alikvenser av argon från ett enda prov. Flera argonextraktioner kan utföras på ett prov på flera olika sätt. Stegvis uppvärmning är det vanligaste sättet och innebär att antingen en ugn eller en laser används för att jämnt värma upp provet så att argon utvecklas. De enskilda åldrarna från varje uppvärmningssteg plottas sedan grafiskt på ett åldersspektrum eller en isokrona. Mekanisk krossning är också en teknik som kan frigöra argon från ett enskilt prov i flera steg.
Lasersonder gör det också möjligt att bestämma flera åldrar på ett enda prov alikvot, men det sker med hjälp av noggrann och exakt rumslig kontroll. Med laserspotstorlekar på 100 mikrometer eller mindre kan användaren till exempel utvinna flera argonprover från hela ett litet glimmer- eller fältspatkorn. Resultaten från en lasersond kan plottas på flera grafiska sätt, inklusive en karta över ett korn som visar den laterala argonfördelningen.
40Ar/39Ar total fusion av ett prov är jämförbar med en K/Ar-åldersbestämning i det att den förlitar sig på att argon släpps ut i stor skala vid ett tillfälle. Till skillnad från konventionell K/Ar mäter 40Ar/39Ar total fusion dock förhållandena, vilket gör den idealisk för prover som är kända för att vara mycket argonhållande (t.ex. sanidin). Total fusion utförs med hjälp av en laser och resultaten plottas vanligen på sannolikhetsfördelningsdiagram eller ideogram.
Några problem med 40Ar/39Ar-tekniken.
Standard interkalibrering
För att en ålder ska kunna beräknas med hjälp av 40Ar/39Ar-tekniken måste J-parametern vara känd. För att J ska kunna bestämmas måste en standard med känd ålder bestrålas med proverna med okänd ålder. Eftersom denna (primära) standard i slutändan inte kan bestämmas med 40Ar/39Ar måste den först bestämmas med en annan isotopdateringsmetod. Den metod som oftast används för att datera den primära standarden är den konventionella K/Ar-tekniken. Den primära standarden måste vara ett mineral som är homogent, rikligt förekommande och lätt kan dateras med K/Ar- och 40Ar/39Ar-metoderna. Traditionellt har denna primära standard varit en hornblände från McClure Mountains, Colorado (alias MMhb-1). När en korrekt och exakt ålder har fastställts för den primära standarden kan andra mineral dateras i förhållande till den genom 40Ar/39Ar-metoden. Dessa sekundära mineral är ofta lättare att datera med 40Ar/39Ar-tekniken (t.ex. sanidin). Även om det ofta är lätt att bestämma åldern på den primära standarden med K/Ar-metoden är det emellertid svårt för olika dateringslaboratorier att komma överens om den slutliga åldern. På samma sätt är K/Ar-åldrarna inte alltid reproducerbara på grund av heterogenitetsproblem med MMhb-1-provet. Denna oprecision (och felaktighet) överförs till de sekundära mineraler som dagligen används av 40Ar/39Ar-tekniken. Lyckligtvis finns det andra tekniker för att omvärdera och testa de absoluta åldrarna för de standarder som används av 40Ar/39Ar-tekniken. Några av dessa inkluderar andra isotopdateringstekniker (t.ex. U/Pb) och den astronomiska polaritetstidsskalan (APTS).
Sönderfallskonstanter
En annan fråga som påverkar den slutgiltiga precisionen och noggrannheten hos 40Ar/39Ar-tekniken är osäkerheten i sönderfallskonstanterna för 40K. Denna osäkerhet beror på 1) 40K:s förgrenade sönderfallsschema och 2) 40K:s långa halveringstid (1,25 miljarder år). I takt med att tekniken utvecklas är det troligt att de sönderfallskonstanter som används i 40Ar/39Ar-åldersekvationen kommer att förfinas kontinuerligt, vilket gör det möjligt att bestämma mycket mer exakta och precisa åldrar.
J-faktor
Då J-värdet extrapoleras från en standard till en okänd är noggrannheten och precisionen för detta J-värde avgörande. Osäkerheten i J-värdet kan minimeras genom att begränsa standardens geometri i förhållande till den okända, både vertikalt och horisontellt. NMGRL gör detta genom att bestråla prover i maskinbearbetade aluminiumskivor där standarder och okända alternerar varannan position. J-felet kan också minskas genom att analysera fler alikvenser av flödesmonitorer per standardplacering.
39Ar Recoil
Affekterna av bestrålning på kaliumhaltiga bergarter/mineraler kan ibland resultera i onormalt gamla skenbara åldrar. Detta orsakas av nettoförlusten av 39ArK från provet genom rekyl (den kinetiska energi som tillförs en 39ArK-atom av emissionen av en proton under (n,p)-reaktionen). Återspolning är trolig i varje kaliumhaltigt prov, men blir endast ett betydande problem med mycket finkorniga mineraler (t.ex. lera) och glas. För flerfasiga prover, t.ex. basaltiska wholerocks, kan 39ArK-omfördelning vara ett större problem än netto 39ArK-förlust. I detta fall kan 39Ar rekylera från ett mineral med hög kaliumhalt och låg temperatur (t.ex. K-fältspat) till ett mineral med låg kaliumhalt och hög temperatur (t.ex. pyroxen). Ett sådant fenomen skulle i hög grad påverka åldersspektrumets form.