Načini zmenovanja s kalijem-argonom: zmenki K-Ar in Ar-Ar

Kalijev argon (K-Ar) izotopske zmenke metoda je še posebej uporabna za določanje starosti lavov. Razvit v petdesetih letih prejšnjega stoletja, je bil pomemben pri razvoju teorije o tektonske plošče in pri umerjanju geološka časovna lestvica.

Kalij pojavlja se v dveh stabilnih izotopih (⁴¹K in ³⁹K) in en radioaktivni izotop (⁴⁰K). Kalij-40 razpade z razpolovno dobo 1250 milijonov let, kar pomeni polovico ⁴⁰K atomi v tem obdobju minejo. Njen razpad daje argon-40 in kalcij-40 v razmerju 11 do 89. Metoda K-Ar deluje s štetjem teh radiogenih ⁴⁰Atomi Ar, ujeti znotraj mineralov.

Kar poenostavlja stvari je, da je kalij reaktivna kovina, argon pa inerten plin: kalij je vedno dobro zaprt v mineralih, medtem ko argon ni del nobenih mineralov. Argon predstavlja 1 odstotek ozračja. Torej ob predpostavki, da zrak ne vstopi v mineralno zrno, ko se prvič oblikuje, nima nič argonske vsebnosti. Se pravi, sveže mineralno zrno ima svojo K-Ar "uro" nastavljeno na nič.

Metoda temelji na izpolnjevanju nekaterih pomembnih predpostavk:

1. Kalij in argon morata v mineralu ostati v geološkem času. To je najtežje zadovoljiti.
2. Vse lahko natančno izmerimo. To zagotavljajo napredni instrumenti, strogi postopki in uporaba standardnih mineralov.
3. Poznamo natančno naravno mešanico izotopov kalija in argona. Deset let temeljnih raziskav so nam dali te podatke.
4. Popravimo lahko kateri koli argon iz zraka, ki pride v mineral. Za to je potreben dodaten korak.

Glede na skrbno delo na terenu in v laboratoriju je mogoče te predpostavke izpolniti.

Vzorec kamnine, ki ga je treba datirati, je treba izbrati zelo previdno. Vsaka sprememba ali lomljenje pomeni, da sta bila kalij ali argon ali oba motena. Stran mora biti tudi geološko smiselna, jasno povezana s fosilnimi kamninami ali drugimi značilnostmi, ki potrebujejo dober datum, da se pridružijo veliki zgodbi. Tokovi lave, ki ležijo nad in pod skalnimi podstavki s starodavnimi človeškimi fosili, so dober - in resničen primer.

Mineral sanidin, visokotemperaturna oblika kalijev feldspar, je najbolj zaželena. Ampak micas, plagioklaza, hornblende, glina in drugi minerali lahko dajo dobre podatke, tako kot analize celotnih kamnin. Mlade kamnine so nizke ⁴⁰Ar, tako da bo potrebnih kar nekaj kilogramov. Vzorci kamnin so na poti v laboratorij zabeleženi, označeni, zapečateni in brez onesnaženja in prekomerne toplote.

Vzorci kamnin so v čisti opremi zdrobljeni do velikosti, ki ohranja polnozrnato zrno minerala, nato pa se sejejo, da se koncentrirajo ta zrna ciljnega minerala. Izbrana velikostna frakcija se očisti v ultrazvočnih in kislih kopelih, nato se nežno posuši v pečici. Ciljni mineral ločimo s težkimi tekočinami in nato ročno poberemo pod mikroskopom za čim bolj čist vzorec. Ta mineralni vzorec se nato čez noč nežno peče v vakuumski peči. Ti koraki pomagajo odstraniti čim več atmosfere ⁴⁰Ar je potrebno iz vzorca pred meritvijo.

Nato se vzorec minerala segreje do taljenja v vakuumski peči in izpušča ves plin. Natančno količino argona-38 se doda plinu kot "špiček", da pomaga umeriti meritev, vzorec plina pa se odvzame na aktivnem oglju, ohlajenem s tekočim dušikom. Nato se vzorec plina očisti vseh neželenih plinov, kot je H₂O, CO₂, SO₂, dušik in tako naprej, dokler ne ostane vse inertni plini, argon med njimi.

Na koncu se atomi argona štejejo v masnem spektrometru, stroj s svojimi zapletenostmi. Izmerijo se trije izotopi argona: ³⁶Ar, ³⁸Ar in ⁴⁰Ar. Če so podatki iz tega koraka čisti, je mogoče določiti številčnost atmosferskega argona in nato odšteti, da dobimo radiogeni ⁴⁰Ar vsebina. Ta "zračna korekcija" temelji na ravni argona-36, ki prihaja samo iz zraka in ni ustvarjen z nobeno reakcijo jedrskega razpada. Odštejemo in sorazmerni znesek ³⁸Ar in ⁴⁰Ar se tudi odštejejo. Preostanek ³⁸Ar je iz konice, preostali pa ⁴⁰Ar je radiogen. Ker je konica natančno znana, je ⁴⁰Ar se določa v primerjavi z njim.

Različice teh podatkov lahko kažejo na napake kjer koli v postopku, zato so vsi koraki priprave podrobno zabeleženi.

K-Ar analize stanejo nekaj sto dolarjev na vzorec in trajajo teden ali dva.

Različica metode K-Ar daje boljše podatke s poenostavitvijo celotnega postopka merjenja. Ključno je, da mineralni vzorec damo v nevtronski snop, ki pretvori kalij-39 v argon-39. Ker ³⁹Ar ima zelo kratek razpolovni čas, zajamčeno je, da v vzorcu pred tem ni, zato je jasen pokazatelj vsebnosti kalija. Prednost je, da vse informacije, potrebne za datiranje vzorca, izvirajo iz iste meritve argona. Natančnost je večja in napake so manjše. Ta metoda se običajno imenuje "argon-argonsko datiranje."

Fizični postopek za ⁴⁰Ar-³⁹Ar zmenki so enaki, razen treh razlik:

• Preden mineralni vzorec damo v vakuumsko peč, ga obsevamo skupaj z vzorci standardnih materialov z virom nevtronov.
• Ni ga ³⁸Ar konica je potrebna.
• Izmerijo se štirje izotopi Ar: ³⁶Ar, ³⁷Ar, ³⁹Ar in ⁴⁰Ar.

Analiza podatkov je bolj zapletena kot pri metodi K-Ar, ker zračenje ustvarja argonove atome iz drugih izotopov ⁴⁰K. Te učinke je treba popraviti in postopek je dovolj zapleten, da zahtevajo računalnike.

Analize Ar-Ar stanejo približno 1000 USD na vzorec in trajajo nekaj tednov.

Metoda Ar-Ar velja za nadstandardno, vendar se pri starejši metodi K-Ar izognemo nekaterim njenim težavam. Tudi cenejšo metodo K-Ar lahko uporabimo za namene presejanja ali izvidovanja, s čimer prihranimo Ar-Ar za najzahtevnejše ali zanimive težave.

Te metode datiranja se nenehno izboljšujejo že več kot 50 let. Krivulja učenja je bila dolga in še zdaleč ni končana danes. Z vsakim povečanjem kakovosti so bili najdeni in upoštevani bolj subtilni viri napak. Dobri materiali in spretne roke lahko prinesejo starost do 1%, tudi v skalah, starih le 10.000 let, v katerih količinah ⁴⁰Ar so izginjajoče majhne.