Введение
Метод радиометрического датирования
Калий-аргоновое датирование, сокращенно K–Ar датирование, – это метод радиометрического датирования, используемый в геохронологии и археологии. Он основан на измерении продукта радиоактивного распада изотопа калия (K) в аргон (Ar). Калий – распространенный элемент, содержащийся во многих материалах, таких как полевые шпаты, слюды, глинистые минералы, тефра и эвапориты. В этих материалах продукт распада, аргон-40, способен покидать жидкую (расплавленную) породу, но начинает накапливаться при затвердевании (рекристаллизации) породы. Количество сублимации аргона зависит от чистоты образца, состава исходного материала и ряда других факторов. Эти факторы вносят ограничения в верхние и нижние пределы датировки, поэтому окончательное определение возраста зависит от условий окружающей среды во время образования, плавления и воздействия пониженного давления или открытого воздуха. Время, прошедшее с момента рекристаллизации, рассчитывается путем измерения соотношения накопленного количества аргона-40 к оставшемуся количеству калия-40. Длительный период полураспада калия-40 позволяет использовать этот метод для определения абсолютного возраста образцов старше нескольких тысяч лет. Быстро охлаждающиеся лавы, которые являются почти идеальными образцами для K–Ar датирования, также сохраняют информацию о направлении и интенсивности местного магнитного поля в момент охлаждения образца ниже температуры Кюри железа. Геомагнитная шкала полярности была откалибрована в значительной степени с использованием K–Ar датирования.
Серия распада
Калий в природе встречается в 3 изотопах: калий-39 (93,2581%), калий-40 (0,0117%), калий-41 (6,7302%). Калий-39 и калий-41 стабильны. Изотоп калий-40 является радиоактивным; он распадается с периодом полураспада 1,248 миллиарда лет, превращаясь в кальций-40 и аргон-40. Преобразование в стабильный кальций-40 происходит посредством электронного излучения (бета-распада) в 89,3% случаев распада. Преобразование в стабильный аргон-40 происходит посредством захвата электронов в оставшихся 10,7% случаев распада. Аргон, будучи благородным газом, является второстепенным компонентом большинства образцов горных пород, представляющих интерес для геохронологических исследований: он не образует химические связи с другими атомами в кристаллической решетке. Когда калий-40 распадается до аргона-40, атом обычно остается заключенным в решетке, поскольку его размер превышает промежутки между другими атомами в минеральном кристалле. Однако он может высвобождаться в окружающую среду при определенных условиях, таких как изменение давления или температуры. Аргон-40 может диффундировать и выходить из расплавленной магмы, поскольку большинство кристаллов расплавлены, и атомы больше не удерживаются в решетке. Увлеченный аргон – аргон, который не смог вырваться из магмы – может снова оказаться в ловушке в кристаллах при охлаждении магмы и ее затвердевании. После рекристаллизации магмы, больше калия-40 будет распадаться, и аргон-40 снова будет накапливаться, вместе с увлеченным аргоном, заключенным в минеральных кристаллах. Измерение количества атомов аргона-40 используется для определения времени, прошедшего с момента затвердевания образца породы. Несмотря на то, что кальций-40 является предпочтительным дочерним нуклидом, он редко используется для датирования, поскольку кальций широко распространен в земной коре, а кальций-40 является наиболее распространенным изотопом. Таким образом, исходное количество кальция неизвестно и может варьироваться в достаточной степени, чтобы исказить измерения небольших изменений, вызванных радиоактивным распадом.
Получение данных
Для определения соотношения изотопов аргона-40 к калию-40 в породе или минерале, количество аргона измеряется с помощью масс-спектрометрии газов, выделяющихся при испарении образца породы в вакууме. Содержание калия определяется методом пламенной фотометрии или атомно-абсорбционной спектроскопии. Количество калия-40 измеряется непосредственно редко. Чаще измеряют более распространенный изотоп калий-39, а затем полученное значение умножают на установленное соотношение калия-40 к калию-39 (то есть 0,0117% к 93,2581%, см. выше). Количество аргона-40 также измеряется для оценки доли атмосферного аргона в общем объеме.
Приложения
Из-за длительного периода полураспада калия-40, метод наиболее применим для датирования минералов и горных пород возрастом более 100 000 лет. Для более коротких периодов времени маловероятно, что накопится достаточно аргона-40 для точного измерения. Метод калий-аргонового датирования сыграл ключевую роль в разработке шкалы геомагнитной полярности. Он также оказался незаменимым при исследовании других ранних восточноафриканских местонахождений с историей вулканической активности, таких как Хадар в Эфиопии. В 2017 году было сообщено об успешном датировании иллита, образовавшегося в результате выветривания. Это открытие косвенно позволило датировать абразионные равнины Западной Норвегии, где были собраны образцы иллита.