Metody datování draslíku a argonu: datování K-Ar a Ar-Ar

Draslík-argon (K-Ar) izotopové randění metoda je zvláště užitečná pro stanovení stáří láv. Byla vyvinuta v padesátých letech a byla důležitá při vývoji teorie tektonika desek a při kalibraci geologické časové měřítko.

Draslík vyskytuje se ve dvou stabilních izotopech (⁴¹K a ³⁹K) a jeden radioaktivní izotop (⁴⁰K). Draslík-40 se rozkládá s poločasem 1250 milionů let, což znamená, že polovina ⁴⁰Atomy K jsou po tomto čase pryč. Jeho rozpad poskytuje argon-40 a vápník-40 v poměru 11 ku 89. Metoda K-Ar pracuje spočtením těchto radiogenních ⁴⁰Atomy Ar uvězněné uvnitř minerálů.

Zjednodušuje to, že draslík je reaktivní kov a argon je inertní plyn: Draslík je vždy pevně uzavřen v minerálech, zatímco argon není součástí žádných minerálů. Argon tvoří 1 procento atmosféry. Takže za předpokladu, že se žádný vzduch nedostane do minerálního zrna, když se poprvé vytvoří, má nulový obsah argonu. To znamená, že čerstvé minerální zrno má své „hodiny“ K-Ar nastaveny na nulu.

Metoda se opírá o splnění některých důležitých předpokladů:

1. Draslík i argon musí zůstat v minerálu po geologický čas. To je nejtěžší uspokojit.
2. Vše můžeme přesně měřit. To zajišťují moderní přístroje, přísné postupy a použití standardních minerálů.
3. Známe přesnou přirozenou směs izotopů draslíku a argonu. Tato data nám poskytla desetiletí základního výzkumu.
4. Můžeme opravit jakýkoli argon ze vzduchu, který se dostane do minerálu. To vyžaduje další krok.

Vzhledem k pečlivé práci v terénu a v laboratoři lze tyto předpoklady splnit.

Vzorek horniny, který má být datován, musí být vybrán velmi pečlivě. Jakákoli změna nebo zlomení znamená, že draslík nebo argon nebo obojí byly narušeny. Tato stránka musí být také geologicky významná, musí jasně souviset s fosilními horninami nebo jinými vlastnostmi, které potřebují dobré datum, aby se připojily k velkému příběhu. Dobrým příkladem jsou toky lávy, které leží nad a pod skalními ložisky s prastarými lidskými fosiliemi.

Minerální sanidin, vysokoteplotní forma živec draselný, je nejžádanější. Ale slídy, plagioklas, hornblende, jíly a další minerály mohou přinést dobré údaje, stejně jako analýzy celo hornin. Mladé skály mají nízkou hladinu ⁴⁰Ar, může být potřeba tolik kilogramů. Vzorky hornin jsou na cestě do laboratoře zaznamenány, označeny, uzavřeny a udržovány bez kontaminace a nadměrného tepla.

Vzorky hornin se v čistém zařízení rozdrtí na velikost, která zachovává celá zrna minerálu, který má být datován, a poté se prosejí, aby se pomohlo tyto zrna cílového minerálu koncentrovat. Vybraná frakce velikosti se čistí v ultrazvukových a kyselých lázních a poté se jemně suší v sušárně. Cílový minerál se oddělí pomocí těžkých kapalin a poté se ručně vybere pod mikroskopem pro nejčistší možný vzorek. Tento vzorek minerálu se pak peče jemně přes noc ve vakuové peci. Tyto kroky pomáhají odstranit tolik atmosférického tlaku ⁴⁰Ar ze vzorku před provedením měření.

Dále se vzorek minerálu zahřeje na tavení ve vakuové peci, čímž se vytlačí veškerý plyn. Přesné množství argonu-38 se přidává do plynu jako "hrot", který pomáhá kalibrovat měření, a vzorek plynu se shromažďuje na aktivním uhlí ochlazeném kapalným dusíkem. Poté se vzorek plynu očistí od všech nežádoucích plynů, jako je H₂O, CO₂, TAK₂, dusík atd., dokud nezůstanou všechny zbytky inertní plyny, argon mezi nimi.

Nakonec se atomy argonu počítají v hmotnostním spektrometru, stroji s vlastní složitostí. Měří se tři izotopy argonu: ³⁶Ar, ³⁸Ar a ⁴⁰Ar. Pokud jsou data z tohoto kroku čistá, lze stanovit množství atmosférického argonu a poté odečíst, čímž se získá radiogenní ⁴⁰Ar obsah. Tato „korekce vzduchu“ se spoléhá na úroveň argonu-36, která pochází pouze ze vzduchu a není způsobena reakcí jaderného rozkladu. Odečte se a poměrná částka ³⁸Ar a ⁴⁰Ar jsou také odečteny. Zbývající ³⁸Ar je ze špice a zbývající ⁴⁰Ar je radiogenní. Protože bodec je přesně známý, ⁴⁰Ar se stanoví jeho porovnáním.

Odchylky v těchto údajích mohou poukazovat na chyby kdekoli v procesu, a proto jsou všechny kroky přípravy zaznamenávány podrobně.

Analýzy K-Ar stojí několik set dolarů za vzorek a zabírají týden nebo dva.

Varianta metody K-Ar poskytuje lepší data tím, že zjednodušuje celkový proces měření. Klíčem je vložit vzorek minerálu do neutronového paprsku, který přeměňuje draslík-39 na argon-39. Protože ³⁹Ar má velmi krátký poločas, je zaručeno, že ve vzorku nebude předem, takže je to jasný ukazatel obsahu draslíku. Výhodou je, že všechny informace potřebné pro datování vzorku pocházejí ze stejného měření argonu. Přesnost je větší a chyby jsou nižší. Tato metoda se běžně nazývá „datování argon-argon“.

Fyzikální postup pro ⁴⁰Ar-³⁹Ar datování je stejné s výjimkou tří rozdílů:

• Před vložením vzorku minerálu do vakuové pece se ozařuje spolu se vzorky standardních materiálů zdrojem neutronů.
• Tady není žádný ³⁸Ar špice potřeboval.
• Měří se čtyři izotopy Ar: ³⁶Ar, ³⁷Ar, ³⁹Ar a ⁴⁰Ar.

Analýza dat je složitější než u metody K-Ar, protože ozařování kromě atomů izotopů vytváří atomy argonu ⁴⁰K. Tyto efekty je třeba napravit a proces je dostatečně složitý, aby vyžadoval počítače.

Analýzy společnosti Ar-Ar stojí přibližně 1 000 USD za vzorek a zaberou několik týdnů.

Metoda Ar-Ar je považována za lepší, ale některým jejím problémům se ve starší metodě K-Ar vyhýbá. Levnější metodu K-Ar lze také použít pro účely screeningu nebo průzkumu, čímž Ar-Ar ušetříte pro nejnáročnější nebo nejzajímavější problémy.

Tyto datovací metody jsou neustále vylepšovány více než 50 let. Křivka učení je dlouhá a zdaleka není dnes. S každým zvýšením kvality byly nalezeny a zohledněny jemnější zdroje chyb. Dobré materiály a kvalifikované ruce mohou přinést věky, které jsou jisté do 1 procenta, dokonce i ve skalách starých jen 10 000 let, ve kterých je množství ⁴⁰Ar jsou mizivě malé.