Циклопедия скорбит по жертвам террористического акта в Крокус-Сити (Красногорск, МО)

Калий-аргоновое датирование

Материал из Циклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Датирование калий-аргоновым (K-Ar) методом (видео 16)

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]

  1. 40* — радиогенный аргон

Источники[править]

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]