Kalium-Argon-Datierungsmethoden

Das Kalium-Argon (K-Ar) -Isotopendatierungsverfahren ist besonders nützlich zur Bestimmung des Alters von Laven. Entwickelt in den 1950er Jahren, war es wichtig, die Theorie der Plattentektonik zu entwickeln und die geologische Zeitskala zu kalibrieren.

Kalium-Argon-Grundlagen

Kalium kommt in zwei stabilen Isotopen vor (⁴¹K und ³⁹K) und ein radioaktives Isotop (⁴⁰K). Kalium-40 zerfällt mit einer Halbwertszeit von 1250 Millionen Jahren, was bedeutet, dass die Hälfte der ⁴⁰Nach dieser Zeitspanne sind K Atome verschwunden. Sein Zerfall ergibt Argon-40 und Calcium-40 in einem Verhältnis von 11 zu 89. Die K-Ar-Methode zählt diese radiogenen Substanzen ⁴⁰Ar-Atome in Mineralien gefangen.

Was die Sache vereinfacht, ist, dass Kalium ein reaktives Metall und Argon ein Inertgas ist: Kalium ist immer fest in Mineralien eingeschlossen, während Argon kein Bestandteil von Mineralien ist. Argon macht 1 Prozent der Atmosphäre aus. Unter der Annahme, dass bei der ersten Bildung keine Luft in ein Mineralkorn gelangt, ist der Argongehalt null. Das heißt, bei einem frischen Mineralkorn ist die K-Ar- "Uhr" auf Null gesetzt.

Die Methode basiert auf der Erfüllung einiger wichtiger Annahmen:

1. Das Kalium und das Argon müssen beide über die geologische Zeit im Mineral verbleiben. Dies ist am schwierigsten zu befriedigen.
2. Wir können alles genau messen. Fortschrittliche Instrumente, strenge Verfahren und die Verwendung von Standardmineralien gewährleisten dies.
3. Wir kennen die genaue natürliche Mischung von Kalium- und Argon-Isotopen. Jahrzehntelange Grundlagenforschung hat uns diese Daten geliefert.
4. Wir können jedes Argon aus der Luft, das in das Mineral gelangt, korrigieren. Dies erfordert einen zusätzlichen Schritt.

Bei sorgfältiger Arbeit vor Ort und im Labor können diese Annahmen erfüllt werden.

Die K-Ar-Methode in der Praxis

Die zu datierende Gesteinsprobe muss sehr sorgfältig ausgewählt werden. Jede Veränderung oder jeder Bruch bedeutet, dass das Kalium oder das Argon oder beide gestört wurden. Der Standort muss auch geologisch aussagekräftig sein und eindeutig mit fossilhaltigen Gesteinen oder anderen Merkmalen in Verbindung stehen, die ein gutes Datum benötigen, um sich der großen Geschichte anzuschließen. Ein gutes und wahres Beispiel sind Lavaströme, die über und unter Gesteinsschichten mit antiken menschlichen Fossilien liegen.

Das Mineral Sanidin, die Hochtemperaturform von Kaliumfeldspat, ist am wünschenswertesten. Aber Glimmer, Plagioklas, Hornblende, Tone und andere Mineralien können gute Daten liefern, ebenso wie Ganzgesteinsanalysen. Junge Gesteine ​​haben geringe Gehalte an ⁴⁰Ar, so dass mehrere Kilogramm benötigt werden können. Auf dem Weg zum Labor werden Gesteinsproben aufgezeichnet, markiert, versiegelt und frei von Verunreinigungen und übermäßiger Hitze gehalten.

Die Gesteinsproben werden in sauberen Anlagen auf eine Größe zerkleinert, bei der die gesamten Körner des zu datierenden Minerals erhalten bleiben. Anschließend werden sie gesiebt, um diese Körner des Zielminerals zu konzentrieren. Die ausgewählte Größenfraktion wird in Ultraschall- und Säurebädern gereinigt und dann schonend im Ofen getrocknet. Das Zielmineral wird mit schweren Flüssigkeiten abgetrennt und anschließend unter dem Mikroskop von Hand entnommen, um eine möglichst reine Probe zu erhalten. Diese Mineralprobe wird dann sanft über Nacht in einem Vakuumofen gebacken. Diese Schritte tragen dazu bei, möglichst viel atmosphärisches Material zu entfernen ⁴⁰Ar aus der Probe wie möglich vor der Messung.

Als nächstes wird die Mineralprobe in einem Vakuumofen zum Schmelzen erhitzt, wobei das gesamte Gas ausgestoßen wird. Eine genaue Menge Argon-38 wird dem Gas als "Spitze" zugesetzt, um die Kalibrierung der Messung zu unterstützen, und die Gasprobe wird auf Aktivkohle gesammelt, die mit flüssigem Stickstoff gekühlt ist. Dann wird die Gasprobe von allen unerwünschten Gasen wie H gereinigt₂O, CO₂, SO₂, Stickstoff und so weiter, bis nur noch die inerten Gase übrig sind, darunter Argon.

Schließlich werden die Argonatome in einem Massenspektrometer gezählt, einer Maschine mit eigener Komplexität. Es werden drei Argonisotope gemessen: ³⁶Ar, ³⁸Ar und ⁴⁰Ar. Wenn die Daten aus diesem Schritt sauber sind, kann die Häufigkeit von atmosphärischem Argon bestimmt und dann subtrahiert werden, um das radiogene zu ergeben ⁴⁰Ar Inhalt. Diese "Luftkorrektur" beruht auf dem Argon-36-Spiegel, der nur aus der Luft stammt und nicht durch eine nukleare Zerfallsreaktion erzeugt wird. Es wird subtrahiert und ein proportionaler Betrag der ³⁸Ar und ⁴⁰Ar werden ebenfalls abgezogen. Der Rest ³⁸Ar ist von der Spitze und den übrigen ⁴⁰Ar ist radiogen. Weil die Spitze genau bekannt ist, ist die ⁴⁰Ar wird durch Vergleich damit bestimmt.

Abweichungen in diesen Daten können auf Fehler im gesamten Prozess hinweisen, weshalb alle Vorbereitungsschritte detailliert aufgezeichnet werden.

K-Ar-Analysen kosten mehrere hundert Dollar pro Probe und dauern ein bis zwei Wochen.

Das ⁴⁰Ar-³⁹Ar-Methode

Eine Variante der K-Ar-Methode liefert bessere Daten, indem der gesamte Messvorgang vereinfacht wird. Der Schlüssel ist, die Mineralprobe in einen Neutronenstrahl zu legen, der Kalium-39 in Argon-39 umwandelt. weil ³⁹Ar hat eine sehr kurze Halbwertszeit, es ist garantiert, dass es vorher in der Probe fehlt, so dass es ein klarer Indikator für den Kaliumgehalt ist. Der Vorteil ist, dass alle für die Datierung der Probe erforderlichen Informationen aus derselben Argonmessung stammen. Die Genauigkeit ist höher und die Fehler sind geringer. Diese Methode wird allgemein als "Argon-Argon-Datierung" bezeichnet.

Das physikalische Verfahren für ⁴⁰Ar-³⁹Die Datierung ist bis auf drei Unterschiede gleich: