カリウム - アルゴン年代測定法

ディーン・コンガー/寄稿者/ゲッティイメージズ

カリウム - アルゴン (K-Ar)同位体年代測定この方法は、溶岩の年代を決定するのに特に役立ちます。 1950 年代に開発された、それはの理論を開発する上で重要でした。 プレートテクトニクス そしてキャリブレーションでは地質学的時間スケール.

カリウム - アルゴンの基礎

カリウム 2 つの安定同位体 (⁴¹Kと³⁹K) および 1 つの放射性同位元素 (⁴⁰K）。カリウム 40 は 12 億 5000 万年の半減期で崩壊します。⁴⁰K 個の原子は、その期間の後になくなっています。その崩壊により、アルゴン 40 とカルシウム 40 が 11 対 89 の比率で生成されます。K-Ar 法は、これらの放射性物質をカウントすることによって機能します。⁴⁰鉱物の内部に閉じ込められた Ar 原子。

物事を単純化するのは、カリウムが反応性金属であり、アルゴンが不活性ガスであることです.カリウムは常に鉱物にしっかりと閉じ込められていますが、アルゴンは鉱物の一部ではありません.アルゴンは大気の 1% を占めています。したがって、鉱物粒子が最初に形成されるときに空気が鉱物粒子に入らないと仮定すると、アルゴン含有量はゼロになります。つまり、新鮮な鉱物粒子の K-Ar 'クロック' はゼロに設定されています。

この方法は、いくつかの重要な仮定を満たすことに依存しています。

1. カリウムとアルゴンは両方とも、地質学的な時間にわたって鉱物に留まらなければなりません.これは満足するのが最も難しいものです。
2. すべてを正確に測定できます。高度な機器、厳格な手順、および標準的な鉱物の使用により、これが保証されます。
3. 私たちは、カリウムとアルゴン同位体の正確な天然混合物を知っています.何十年にもわたる基礎研究により、このデータが得られました。
4. 鉱物に入る空気からのアルゴンを補正できます。これには、追加の手順が必要です。

現場や実験室で慎重に作業すれば、これらの仮定を満たすことができます。

実際のK-Arメソッド

年代測定する岩石サンプルは、非常に慎重に選択する必要があります。変化や破砕は、カリウムまたはアルゴン、あるいはその両方が乱されたことを意味します。また、その場所は地質学的に意味のあるものでなければならず、化石を含む岩石や、大きな物語に参加するために適切な日付が必要なその他の特徴と明確に関連している必要があります。古代の人間の化石が存在する岩盤の上下にある溶岩流は、その良い例です。

高温形態のミネラルサニジン カリウム長石 、最も望ましいです。しかし マイカス 、斜長石、角閃石、粘土、およびその他の鉱物は、岩石全体の分析と同様に、優れたデータを生成できます。若い岩には低レベルの⁴⁰Arなので、数kgも必要かもしれません。岩石のサンプルは記録され、マークが付けられ、密封され、実験室に向かう途中で汚染や過度の熱がないように保たれます。

岩石のサンプルは、きれいな機器で、年代を測定する鉱物の全粒を保持するサイズに粉砕され、ふるいにかけられて、対象の鉱物のこれらの粒が濃縮されます。選択されたサイズ分画は、超音波および酸浴で洗浄され、オーブンで穏やかに乾燥されます。目的の鉱物は、重い液体を使用して分離され、可能な限り純粋なサンプルを得るために顕微鏡下で手で摘み取られます。次に、この鉱物サンプルを真空炉で一晩穏やかに焼きます。これらの手順は、大気をできるだけ除去するのに役立ちます⁴⁰測定を行う前に、可能な限りサンプルから Ar を取り出します。

次に、鉱物サンプルを真空炉で加熱して溶融し、すべてのガスを追い出します。正確な量のアルゴン-38 が「スパイク」としてガスに追加され、測定値の校正に役立ちます。ガス サンプルは、液体窒素で冷却された活性炭上に収集されます。次に、ガスサンプルからH などの不要なガスをすべて取り除きます₂何について₂、 それで₂、窒素など、残りが 不活性ガス 、その中のアルゴン。

最後に、アルゴン原子は、独自の複雑さを備えた機械である質量分析計でカウントされます。 3 つのアルゴン同位体が測定されます。³⁶と、³⁸と⁴⁰アー。このステップからのデータがきれいな場合、大気中のアルゴンの存在量を決定し、差し引いて放射性物質を得ることができます。⁴⁰Arコンテンツ。この「空気補正」は、空気からのみ発生し、核崩壊反応によって生成されないアルゴン 36 のレベルに依存します。それは差し引かれ、比例した量の³⁸Arと⁴⁰Ar も差し引かれます。残り³⁸Arはスパイクから、残りは⁴⁰Arは放射性です。スパイクが正確にわかっているため、⁴⁰Ar はそれとの比較によって決定されます。

このデータの変動は、プロセスのどこかでエラーを示している可能性があるため、準備のすべてのステップが詳細に記録されています。

K-Ar 分析は、1 サンプルあたり数百ドルの費用がかかり、1 ～ 2 週間かかります。

40Ar-39Ar法

K-Ar 法の変種は、全体的な測定プロセスをより単純にすることで、より良いデータを提供します。鍵となるのは、カリウム 39 をアルゴン 39 に変換する中性子ビームに鉱物サンプルを入れることです。なぜなら³⁹Ar の半減期は非常に短く、事前にサンプルに存在しないことが保証されているため、カリウム含有量の明確な指標となります。利点は、サンプルの年代測定に必要なすべての情報が同じアルゴン測定から得られることです。精度が向上し、エラーが減少します。この方法は、一般に「アルゴン-アルゴン年代測定」と呼ばれます。

物理的な手順⁴⁰と-³⁹Ar年代測定は、3つの違いを除いて同じです:

• 鉱物サンプルを真空オーブンに入れる前に、中性子源によって標準物質のサンプルと一緒に照射されます。
• ありません³⁸Arスパイクが必要です。
• 4 つの Ar 同位体が測定されます。³⁶と、³⁷と、³⁹と⁴⁰と。

照射により他の同位体からアルゴン原子が生成されるため、データの分析は K-Ar 法よりも複雑になります。⁴⁰K. これらの影響は修正する必要があり、そのプロセスはコンピュータを必要とするほど複雑です。

Ar-Ar 分析の費用はサンプルあたり約 1000 ドルで、数週間かかります。

結論

Ar-Ar 法は優れていると考えられていますが、その問題のいくつかは古い K-Ar 法で回避されています。また、より安価な K-Ar 法は、スクリーニングや偵察の目的で使用でき、Ar-Ar を最も要求の厳しい問題や興味深い問題のために節約できます。

これらのデート方法は、50 年以上にわたって絶え間なく改善されてきました。学習曲線は長く、今日ではまだ終わっていません。品質が向上するたびに、より微妙なエラーの原因が発見され、考慮されてきました。良質の材料と熟練した手によって、わずか 10,000 年前の岩石であっても、確実に 1% 以内の年代が得られます。⁴⁰Ar は無視できるほど小さい。