Калий-аргоновое датирование
Калий-аргоновое датирование (K-Ar датирование) — радиометрический метод датирования, используемый в геохронологии и археологии. Он основан на измерении количества аргона-40 — продукта радиоактивного распада калия-40. Калий является распространенным химическим элементом, который содержится во многих материалах, таких как слюда, глинистые минералы, тефра и эвапориты. В этих материалах аргон-40 способен выходить из жидкой (расплавленной) породы, однако при затвердевании (перекристаллизации) породы он начинает накапливаться. Степень сублимации аргона зависит от чистоты образца, состава исходного материала и ряда других факторов. Эти факторы устанавливают пределы погрешности измерения на верхней и нижней границах датирования, поэтому установление возраста материала зависит от факторов окружающей среды. Время с момента перекристаллизации рассчитывается путем измерения отношения количества накопившегося аргона-40 к количеству оставшегося калия-40. Длительный период полураспада калия-40 позволяет использовать данный метод для расчета абсолютного возраста образцов старше нескольких тысяч лет.[1]
Серия распадов[править]
Калий в природе встречается в 3 изотопах: 39К (93,2581 %), 40К (0,0117 %), 41К (6,7302 %). Первый и третий изотопы являются стабильными, в то время как радиоактивный изотоп 40К распадается с периодом полураспада 1,248 · 109 лет до изотопов 40Ca и 40Ar. Преобразование в стабильные 40Ca происходит через электронную эмиссию (бета-распад) в 89,3 % случаев распада. Преобразование в стабильные 40Ar происходит за счет захвата электронов в оставшихся 10,7 % случаев распада.[2]
Аргон, будучи благородным газом, является второстепенным компонентом большинства образцов горных пород, представляющих геохронологический интерес: он не связывается с другими атомами в кристаллической решетке. Когда 40K распадается до 40Ar, атом обычно остается в ловушке внутри решетки, потому что его размер больше, чем пространство между другими атомами в кристалле минерала. Но он может вырваться в окружающую его область, когда соблюдаются правильные условия, такие как изменение давления и/или температуры. Атомы 40Ar способны диффундировать и выходить из расплавленной магмы, потому что большинство кристаллов расплавились и атомы больше не захвачены. После перекристаллизации магмы большая часть 40К распадется и 40Ar будет снова накапливаться вместе с захваченными атомами аргона, попавшими в ловушку минеральных кристаллов. Измерение количества атомов 40Ar используется для вычисления количества времени, прошедшего с момента затвердения образца породы.
Изотоп 40Ca редко бывает полезным в датировке, поскольку кальций достаточно распространён в земной коре в виде данного стабильного изотопа. Таким образом, количество первоначально присутствующего кальция неизвестно и может сильно варьироваться, что вредит проводимым измерениям.
Формула[править]
Соотношение количества 40Ar к 40K напрямую связано со временем, прошедшим с момента, когда камень стал достаточно прохладным для улавливания Ar по уравнению
- ,
где
- t — прошедшее время
- t1/2 — время полураспада калия-40
- Kf — количество калия-40, оставшегося в образце
- Arf — количество аргона-40, найденного в образце
Масштабный коэффициент 0,109 исправляет неизмеренную долю изотопа 40K, распавшегося до 40Ca; сумма измеренного количества 40K и масштабированного количества 40Ar дает количество 40K, которое присутствовало в начале истекшего периода времени. На практике каждая из этих величин может быть выражена как доля от общего количества присутствующего калия, поскольку требуются только относительные, а не абсолютные его количества.
Получение данных[править]
Для получения соотношения изотопов 40Ar к 40K в горной породе или минерале количество Ar измеряют методом масс-спектрометрии газов, выделяющихся при испарении образца горной породы в вакууме. Калий количественно определяется с помощью пламенной фотометрии или атомно-абсорбционной спектроскопии. Количество 40К редко измеряется непосредственно. Чаще всего измеряется количество изотопа 40К, которое затем умножается на принятое соотношение 40К/39К (то есть 0,0117 %/93,2581 %). Количество 40Ar измеряется для оценки количества аргона, имеющего атмосферное происхождение.
Предположения[править]
Согласно McDougall & Harrison (1999, p. 11), следующие предположения должны быть верны для того, чтобы вычисленные даты были приняты как представляющие истинный возраст породы:[3]
- Материнский нуклид 40K, распадается со скоростью, не зависящей от его физического состояния, и на него не влияют перепады давления или температуры. Это хорошо обоснованное основное предположение, общее для всех методов датирования, основанных на радиоактивном распаде. Хотя изменения в константе частичного распада захвата электронов для 40K могут произойти при высоких давлениях, теоретические расчеты показывают, что для давлений, испытываемых внутри тела размером с Землю, эффекты пренебрежимо малы.[1]
- Соотношение 40K/39K в природе постоянно, поэтому количество 40K редко измеряется непосредственно, но предполагается, что его количество составляет 0,0117 % от общего количества калия. Если только какой-то другой процесс не активен во время охлаждения, это очень хорошее предположение для земных образцов.[4]
- Радиогенный аргон, измеренный в образце, был получен в результате распада 40K в интервале, отсчитываемом с момента кристаллизации или рекристаллизации породы. Нередки нарушения этого предположения. Хорошо известные примеры инкорпорации посторонних 40Ar: охлажденные стекловидные глубоководные базальты, которые не полностью вытеснили ранее существовавшие 40Ar*,[Прим. 1] и физическое загрязнение магмы включением более старого ксенолитового материала. Метод аргон-аргонового датирования был разработан для измерения присутствия постороннего аргона.
- Как пламенная фотометрия, так и масс-спектрометрия являются разрушающими испытаниями, поэтому необходимо особенно тщательно следить за тем, чтобы используемые аликвоты действительно представляли образец. Аргон-аргоновое датирование позволяет избежать этой проблемы.
Применение[править]
Калий-аргоновый метод наиболее применим для датировки минералов и горных пород возрастом более 100 000 лет. Данный метод сыграл важную роль в разработке временной шкалы геомагнитной полярности.[5] Хотя калий-аргоновое датирование находит наибольшее применение в геологии, оно играет важную роль в археологии. В 2017 году сообщалось об успешном датировании иллита, образовавшегося в результате выветривания.[6]
В 2013 году данный был использован марсоходом Curiosity для датировки камня на поверхности Марса. Это первая датировка камня из минеральных элементов на другой планете.[7][8]
См. также[править]
Примечания[править]
- ↑ 40* — радиогенный аргон
Источники[править]
- ↑ 1,0 1,1 McDougall & Harrison 1999, p. 10
- ↑ https://www.nndc.bnl.gov/useroutput/40k_mird.html
- ↑ McDougall & Harrison 1999, p. 11: «As with all isotopic dating methods, there are a number of assumptions that must be fulfilled for a K-Ar age to relate to events in the geological history of the region being studied.»
- ↑ McDougall & Harrison 1999, p. 14
- ↑ McDougall & Harrison 1999, p. 9
- ↑ Fredin, Ola; Viola, Giulio; Zwingmann, Horst; Sørlie, Ronald; Brönner, Marco; Lie, Jan-Erik; Margrethe Grandal, Else; Müller, Axel; Margeth, Annina; Vogt, Christoph; Knies, Jochen (2017). «The inheritance of a Mesozoic landscape in western Scandinavia». Nature. 8: 14879. Bibcode:2017NatCo…814879F. doi:10.1038/ncomms14879. PMC 5477494. PMID 28452366.
- ↑ NASA Curiosity: First Mars Age Measurement and Human Exploration Help, Jet Propulsion Laboratory, 9 December 2013
- ↑ Martian rock-dating technique could point to signs of life in space, University of Queensland, 13 December 2013
Литература[править]
- «K/Ar and 40K/39K methodology». New Mexico Geochronology Research Laboratory.
- Michaels, G. H.; Fagan, B. M. (15 December 2005). «Chronological Methods 9: Potassium-Argon Dating». University of California. Archived from the original on 10 August 2010.
- Aronson, J. L.; Lee, M. (1986). «K/Ar systematics of bentonite and shale in a contact metamorphic zone». Clays and Clay Minerals. 34 (4): 483—487. Bibcode:1986CCM….34..483A. doi:10.1346/CCMN.1986.0340415.
- Moran, T. J. (2009). «Teaching Radioisotope Dating Using the Geology of the Hawaiian Islands». Journal of Geoscience Education. 57 (2): 101—105. Bibcode:2009JGeEd..57..101M. doi:10.5408/1.3544237.
Ссылки[править]
- https://antropogenez.ru/interview/557/
- http://sibirica.spsl.nsc.ru/fundamentalnye-nauki/istoriya-s3-gumanitarnaya-istoricheskaya-nauka/arxeologiya/arxeologicheskaya-metodologiya/metodika-datirovaniya/metodika-estestvennyx-metodov-datirovaniya/fizicheskie-i-ximicheskie-metody-datirovaniya/radioizotopnoe-ili-radiometricheskoe-datirovanie/kalij-argonovyj-metod/