Датиране с калий–аргон (K–Ar): радиометричен метод, принцип и приложения

Датирането с калий и аргон или K-Ar е радиометричен метод за датиране, използван в геохронологията и археологията. Основава се на измерване на продукта от радиоактивното разпадане на изотоп на калия (K) в аргон (Ar).

Калият е често срещан елемент, който се съдържа в много материали, като слюди, глина, тефра и евапорити. В тези материали продуктът на разпадане⁴⁰ Ar може да се измъкне от течната (разтопена) скала, но започва да се натрупва, когато скалата се втвърди (рекристализира). Времето, изминало от рекристализацията, се изчислява чрез измерване на съотношението между количеството на ⁴⁰Ar и количеството на оставащия K⁴⁰. Дългият период на полуразпад на ⁴⁰K е повече от един милиард години, така че методът се използва за изчисляване на абсолютната възраст на проби, по-стари от няколко хиляди години.

Бързо охладените лави са почти идеални проби за K-Ar датиране. Те също така съхраняват данни за посоката и интензитета на местното магнитно поле по това време. Времевата скала на геомагнитната полярност е калибрирана основно с помощта на K-Ar датировки.

Принцип на метода

Методът K–Ar се базира на радиоактивния разпад на изотопа K⁴⁰. Част от K⁴⁰ се преобразува в Ar⁴⁰ чрез електронен захват (и в по-малка степен чрез позитронен разпад), а друга част се разпада в Ca⁴⁰. Аргонът е инертен газ и не образува химични връзки, затова когато магмата се охлажда и кристализира, съдържащият се в минералите Ar изтича; натрупването на 40Ar започва да отразява времето от втвърдяването. Количеството натрупан 40Ar в пробата и оставащото количество K⁴⁰ позволяват да се пресметне времето, изминало от „запечатването“ (closure) на системата.

Заради голямата стойност на периода на полуразпад (приблизително около 1,25 милиарда години), K–Ar е подходящ за датиране на стари вулканични скали и други геоложки събития в диапазон от няколко хиляди до милиони и милиарди години.

Как се правят измерванията

Процедурата обикновено включва следните стъпки:

• Извличане на подходящи минерали или каменни фракции (например слюди, ортоклаз и др.), които съдържат калий.
• Пробите се чистят и разделят за премахване на примеси и възможно алтернативно съдържание на аргон.
• В лабораторията аргонът се извлича чрез нагряване (инкрементивно или цялостно) или чрез механично смачкване под вакуум — това освобождава газовете от минералите.
• Измерване на количеството на Ar (включително 40Ar) в мас-спектрометър и на концентрацията на калий (обикновено като K2O) чрез химичен анализ или мивен метод.
• Изчисляване на възрастта, като се използва познатата скорост на разпад и съотношението между Ar и K.

Често срещани проблеми и ограничения

Въпреки широкото приложение, методът има някои ограничения и източници на грешки:

• Поток/загуба на аргон: При нагряване и метаморфизъм Ar може да напусне минерала, което да доведе до подценяване на възрастта.
• Излишен (excess) аргон: Някои магми или вкрапвания могат да съдържат „стар“ аргон, който не произлиза от радиоактивния разпад след втвърдяването. Това води до фалшиво увеличени възрасти.
• Температура на затваряне (closure temperature): Различните минерали „заключват“ аргона при различни температури — важно е да се изберат минерали, чиито closure temperatures са подходящи за геологичната история на пробата.
• Минимална възраст: Методът е по-малко точен за много млади проби (от порядъка на няколко стотици до няколко хиляди години), тъй като количеството натрупан 40Ar е много малко.
• Химическа/физична промяна: Хидратация, химични реакции или механично разрушаване могат да променят съдържанието на K или Ar и да доведат до грешки.

Модерни подобрения: метод 40Ar/39Ar

За да се преодолеят някои от недостатъците на класическия K–Ar, е разработен методът 40Ar/39Ar. Той включва неутронно активиране на пробата, при което стабилният 39K се превръща в 39Ar; след това съотношението 40Ar/39Ar се измерва на мас-спектрометър. Предимствата са:

• Възможност за датиране на много малки или единични кристали.
• Нанасяне на стъпаловидно нагряване (step-heating) за идентифициране на загуба или излишък на аргон и за получаване на вътрешна консистентност (isochron) на възрастите.
• По-висока прецизност и възможност за кръстосана проверка на резултатите.

Приложения

K–Ar и неговото развитие 40Ar/39Ar имат широко приложение в науките за Земята и археологията:

• Датиране на вулканични изригвания и лавови потоци — важно за възстановяване на вулканичната история и оценка на опасности.
• Калибриране на времевата скала на геомагнитната полярност (магнитни обръщения) — бързо охладените лави запазват магнитните им показатели и могат да бъдат датирани с K–Ar.
• Датиране на тефра слоеве в седиментни профили — свързване на археологични находки с абсолютни възрасти.
• Изследване на метаморфни и тектонични събития чрез датиране на минерали, които са „затворили“ системата при различни температури.
• Палеоклиматични и палеонтологични изследвания — чрез поставяне на геоложки събития в абсолютен хронологичен контекст.

Силни и слаби страни (обобщение)

• Силни страни: Подходящ за датиране на стари вулканични и магматични скали; дава абсолютни възрасти в широк хронологичен диапазон; в комбинация с 40Ar/39Ar осигурява висока прецизност.
• Слаби страни: Податливост на излишен или изгубен аргон; изисква подходящ подбор и подготовка на пробите; по-малка чувствителност при много млади проби.

Като цяло K–Ar остава важен инструмент за определяне на геоложки времена и събития, а техническите подобрения и допълнителните контролни процедури (например 40Ar/39Ar, стъпаловидно нагряване и анализ на единични кристали) значително повишават надеждността на резултатите.

Въпроси и отговори

В: Какво е калиево-аргоново датиране?

В: Каква е основата на калиево-аргоновото датиране?

В: Къде се среща калият?

В: В кой момент 40Ar започва да се натрупва в скалата?

Въпрос: Как се изчислява времето от рекристализацията при датирането с калий-аргон?

В: Какво прави бързо охладените лави идеални за K-Ar датиране?

В: С какво е калибрирана в голяма степен скалата за времето на геомагнитното обръщане?

Търсене по буква