Den isotopiska dateringsmetoden för kalium-argon (K-Ar) är särskilt användbar för att bestämma åldern på lavor. Den utvecklades på 1950-talet och var viktig för att utveckla teorin av plattektonik och vid kalibrering av den geologiska tidsskalan
Kalium-Argon grunder
Kalium förekommer i två stabila isotoper (41K och 39K) och en radioaktiv isotop (40K). Kalium-40 sönderfaller med en halveringstid på 1250 miljoner år, vilket betyder att hälften av 40
K-atomer är borta efter den tidsperioden. Dess sönderfall ger argon-40 och kalcium-40 i ett förhållande av 11 till 89. K-Ar-metoden fungerar genom att räkna dessa radiogena 40
Ar-atomer fångade inuti mineraler.
Vad förenklar saker är att kalium är en reaktiv metall och argon är en inert gas: Kalium är alltid tätt låst i mineraler medan argon inte är en del av några mineraler. Argon utgör 1 procent av atmosfären. Så om man antar att ingen luft kommer in i ett mineralkorn när det först bildas, har det noll argonhalt. Det vill säga att ett färskt mineralkorn har sin K-Ar ”klocka” inställd på noll.
Metoden bygger på att uppfylla några viktiga antaganden:
- Kalium och argon måste båda stanna kvar i mineralet under geologisk tid. Detta är det svåraste att tillfredsställa.
- Vi kan mäta allt exakt. Avancerade instrument, rigorösa procedurer och användning av standardmineraler säkerställer detta.
- Vi känna till den exakta naturliga blandningen av kalium- och argonisotoper. Decennier av grundforskning har gett oss dessa uppgifter.
- Vi kan korrigera för ev. argon från luften som kommer in i mineralet. Detta kräver ett extra steg.
- Givet noggrant arbete på fältet och i labbet kan dessa antaganden uppfyllas.
K-Ar-metoden i praktiken
Bergprovet som ska dateras måste väljas mycket noggrant. Varje förändring eller sprickbildning innebär att kalium eller argon eller båda har störts. Webbplatsen måste också vara geologiskt meningsfull, tydligt relaterad till fossilbärande stenar eller andra funktioner som behöver ett bra datum för att gå med i den stora historien. Lavaströmmar som ligger ovanför och under stenbäddar med forntida mänskliga fossiler är ett bra – och sant – exempel.
Mineralet sanidin, högtemperaturformen av kaliumfältspat, är den mest önskvärda. Men glimmer, plagioklas, hornblende, leror och andra mineraler kan ge bra data, liksom analyser av hela bergarter. Unga stenar har låga nivåer av 40
Ar, så så mycket som flera kilogram kan behövas. Stenprover registreras, märks, förseglas och hålls fria från föroreningar och överdriven värme på vägen till labbet.
Bergproverna krossas, i ren utrustning, till en storlek som bevarar hela korn av mineralet att dateras, sedan siktas för att hjälpa till att koncentrera dessa korn av målmineralet. Den valda storleksfraktionen rengörs i ultraljuds- och syrabad och torkas sedan försiktigt i ugnen. Målmineralet separeras med tunga vätskor och handplockas sedan under mikroskopet för det renaste möjliga provet. Detta mineralprov bakas sedan försiktigt över natten i en vakuumugn. Dessa steg hjälper till att ta bort så mycket atmosfärisk 40
Ar från provet som möjligt innan mätningen.
Därefter värms mineralprovet till smältning i en vakuumugn, vilket driver ut alla gas. En exakt mängd argon-38 läggs till gasen som en ”spets” för att hjälpa till att kalibrera mätningen, och gasprovet samlas på aktivt kol kylt med flytande kväve. Sedan renas gasprovet från alla oönskade gaser som H2
O, CO2, SO2, kväve och så vidare tills allt som återstår är de inerta gaserna, bland annat argon.
Slutligen räknas argonatomerna i en masspektrometer, en maskin med sin egen komplexitet. Tre argonisotoper mäts: 36Ar, 38Ar och 40Ar.
Om data från detta steg är rena, kan mängden atmosfäriskt argon bestämmas och sedan subtraheras för att ge det radiogena 40<
Ar innehåll. Denna ”luftkorrektion” förlitar sig på nivån av argon-36, som bara kommer från luften och inte skapas av någon nukleär sönderfallsreaktion. Den subtraheras och en proportionell mängd av 38Ar och 40
Ar subtraheras också. Den återstående 38Ar är från spiken, och den återstående 40 Ar är radiogen. Eftersom spetsen är exakt känd, bestäms 40 Ar genom jämförelse med den. Variationer i denna data kan peka på fel var som helst i processen, vilket är varför alla steg i förberedelsen registreras i detalj.
K-Ar-analyser kostar flera hundra dollar per prov och tar en vecka eller två.
40Ar-39Ar-metoden
En variant av K-Ar-metoden ger bättre data genom att göra den övergripande mätprocessen enklare. Nyckeln är att lägga mineralprovet i en neutronstråle, som omvandlar kalium-39 till argon-39. Eftersom 39
Ar har en mycket kort halveringstid är den garanterat frånvarande i provet i förväg, så det är en tydlig indikator på kaliumhalten. Fördelen är att all information som behövs för att datera provet kommer från samma argonmätning. Noggrannheten är större och felen är lägre. Denna metod kallas vanligtvis ”argon-argon-datering.”
Den fysiska proceduren för 40Ar-39
Ar dejting är samma utom för tre skillnader:
Innan mineralprovet sätts i vakuumugnen bestrålas det tillsammans med prover av standardmaterial av en neutronkälla.
Det finns ingen 38 Ar-spets behövs.
Fyra Ar-isotoper mäts: 36Ar, 37Ar, 39Ar och 40Ar.
Analysen av data är mer komplex än i K-Ar-metoden eftersom bestrålningen skapar argonatomer från andra isotoper förutom 40K. Dessa effekter måste korrigeras, och processen är tillräckligt komplicerad för att kräva datorer.
Ar-Ar analyser kostar runt 1000 dollar per prov och ta flera veckor.
Slutsats
Ar-Ar-metoden anses vara överlägsen, men vissa av dess problem undviks i den äldre K-Ar-metoden. Den billigare K-Ar-metoden kan också användas för screening eller spaningsändamål, vilket sparar Ar-Ar för de mest krävande eller intressanta problemen.
Dessa dateringsmetoder har varit under ständig förbättring i mer än 50 år. Inlärningskurvan har varit lång och är långt ifrån över idag. För varje kvalitetshöjning har mer subtila felkällor hittats och tagits i beaktande. Bra material och skickliga händer kan ge åldrar som säkert ligger inom 1 procent, även i stenar som bara är 10 000 år gamla, i vilka mängder av 40Ar är försvinnande små.
