Metodi di datazione potassio-argon: datazione K-Ar e Ar-Ar

Il potassio-argon (K-Ar) incontri isotopici il metodo è particolarmente utile per determinare l'età delle lave. Sviluppato negli anni '50, era importante nello sviluppo della teoria di tettonica a zolle e nel calibrare il scala temporale geologica.

Potassio si verifica in due isotopi stabili (⁴¹K e ³⁹K) e un isotopo radioattivo (⁴⁰K). Il potassio-40 decade con un'emivita di 1250 milioni di anni, il che significa che la metà del ⁴⁰Gli atomi di K sono passati dopo quell'arco di tempo. Il suo decadimento produce argon-40 e calcio-40 in un rapporto da 11 a 89. Il metodo K-Ar funziona contando questi radiogenici ⁴⁰Gli atomi sono intrappolati nei minerali.

Ciò che semplifica le cose è che il potassio è un metallo reattivo e l'argon è un gas inerte: il potassio è sempre strettamente bloccato nei minerali mentre l'argon non fa parte di alcun minerale. L'argon costituisce l'1 percento dell'atmosfera. Supponendo quindi che l'aria non entri in un grano minerale quando si forma per la prima volta, ha un contenuto di argon pari a zero. Cioè, un grano minerale fresco ha il suo "orologio" K-Ar impostato a zero.

Il metodo si basa sulla soddisfazione di alcuni presupposti importanti:

1. Il potassio e l'argon devono entrambi rimanere nel minerale nel tempo geologico. Questo è il più difficile da soddisfare.
2. Possiamo misurare tutto con precisione. Strumenti avanzati, procedure rigorose e l'uso di minerali standard garantiscono questo.
3. Conosciamo l'esatto mix naturale di isotopi di potassio e argon. Decenni di ricerche di base ci hanno fornito questi dati.
4. Possiamo correggere qualsiasi argon dall'aria che entra nel minerale. Ciò richiede un ulteriore passaggio.

Dato un attento lavoro sul campo e in laboratorio, queste ipotesi possono essere soddisfatte.

Il campione di roccia da datare deve essere scelto con molta attenzione. Qualsiasi alterazione o frattura significa che il potassio o l'argon o entrambi sono stati disturbati. Inoltre, il sito deve essere geologicamente significativo, chiaramente correlato a rocce fossili o altre caratteristiche che necessitano di una buona data per unirsi alla grande storia. I flussi di lava che giacciono sopra e sotto le falde rocciose con antichi fossili umani sono un buon e vero esempio.

Il minerale sanidino, la forma ad alta temperatura di feldspato di potassio, è il più desiderabile. Ma miche, plagioclasio, hornblende, argille e altri minerali possono fornire buoni dati, così come le analisi a roccia intera. Le rocce giovani hanno bassi livelli di ⁴⁰Sì, per quanto siano necessari diversi chilogrammi. I campioni di roccia vengono registrati, contrassegnati, sigillati e tenuti liberi da contaminazione e calore eccessivo sulla strada per il laboratorio.

I campioni di roccia vengono frantumati, in attrezzature pulite, fino a una dimensione che preserva i grani interi del minerale da datare, quindi setacciati per aiutare a concentrare questi grani del minerale bersaglio. La frazione di dimensione selezionata viene pulita in ultrasuoni e bagni acidi, quindi delicatamente essiccata in forno. Il minerale target viene separato con liquidi pesanti, quindi raccolto a mano al microscopio per il campione più puro possibile. Questo campione minerale viene quindi cotto delicatamente durante la notte in una fornace sotto vuoto. Questi passaggi aiutano a rimuovere quanto più atmosferico ⁴⁰Ar dal campione possibile prima di effettuare la misurazione.

Successivamente, il campione minerale viene riscaldato fino alla fusione in un forno a vuoto, espellendo tutto il gas. Una quantità precisa di argon-38 viene aggiunta al gas come "picco" per aiutare a calibrare la misurazione e il campione di gas viene raccolto su carbone attivo raffreddato da azoto liquido. Quindi il campione di gas viene pulito da tutti i gas indesiderati come H₂O, CO₂, COSÌ₂, azoto e così via fino a quando tutto ciò che rimane sono gas inerti, argon tra loro.

Infine, gli atomi di argon vengono contati in uno spettrometro di massa, una macchina con le sue complessità. Vengono misurati tre isotopi di argon: ³⁶Ar, ³⁸Ar e ⁴⁰Ar. Se i dati di questo passaggio sono puliti, l'abbondanza di argon atmosferico può essere determinata e quindi sottratta per produrre il radiogenico ⁴⁰Contenuto di ar. Questa "correzione dell'aria" si basa sul livello di argon-36, che proviene solo dall'aria e non è creato da alcuna reazione di decadimento nucleare. Viene sottratto e un importo proporzionale di ³⁸Ar e ⁴⁰Anche Ar viene sottratto. Il resto ³⁸Ar proviene dal picco e il resto ⁴⁰Ar è radiogenico. Poiché il picco è noto con precisione, il ⁴⁰Ar è determinato dal confronto con esso.

Le variazioni di questi dati possono indicare errori in qualsiasi parte del processo, motivo per cui tutte le fasi della preparazione sono registrate in dettaglio.

Le analisi K-Ar costano diverse centinaia di dollari per campione e richiedono una settimana o due.

Una variante del metodo K-Ar fornisce dati migliori semplificando il processo di misurazione generale. La chiave è mettere il campione minerale in un fascio di neutroni, che converte il potassio-39 in argon-39. Perché ³⁹Ar ha un'emivita molto breve, è garantito l'assenza anticipata nel campione, quindi è un chiaro indicatore del contenuto di potassio. Il vantaggio è che tutte le informazioni necessarie per datare il campione provengono dalla stessa misurazione dell'argon. La precisione è maggiore e gli errori sono inferiori. Questo metodo è comunemente chiamato "datazione argon-argon".

La procedura fisica per ⁴⁰ar-³⁹La datazione con Ar è la stessa tranne per tre differenze:

• Prima di mettere il campione minerale nel forno sotto vuoto, viene irradiato insieme a campioni di materiali standard da una sorgente di neutroni.
• Non c'è ³⁸Era necessario un picco.
• Vengono misurati quattro isotopi Ar: ³⁶Ar, ³⁷Ar, ³⁹Ar e ⁴⁰Ar.

L'analisi dei dati è più complessa rispetto al metodo K-Ar perché l'irradiazione crea atomi di argon da altri isotopi oltre ⁴⁰K. Questi effetti devono essere corretti e il processo è abbastanza complesso da richiedere computer.

Le analisi Ar-Ar costano circa $ 1000 per campione e richiedono diverse settimane.

Il metodo Ar-Ar è considerato superiore, ma alcuni dei suoi problemi sono evitati nel vecchio metodo K-Ar. Inoltre, il metodo K-Ar più economico può essere utilizzato per scopi di screening o ricognizione, salvando Ar-Ar per i problemi più impegnativi o interessanti.

Questi metodi di datazione sono in costante miglioramento da oltre 50 anni. La curva di apprendimento è stata lunga ed è tutt'altro che finita oggi. Con ogni incremento di qualità, sono state trovate e prese in considerazione fonti di errore più sottili. Buoni materiali e mani esperte possono produrre età che sono certe entro l'1 percento, anche nelle rocce di soli 10.000 anni, in cui quantità di ⁴⁰Ar sono incredibilmente piccoli.