Kaalium-Argon (K–Ar) dateerimine — radiomeetriline meetod geokronoloogias

Süvaülevaade K–Ar (Kaalium-Argon) radiomeetrilisest dateerimisest geokronoloogias: põhimõte, proovid, vanuse määramine ning rakendused arheoloogias ja magnetostratigraafias.

Kaalium-Argoon dateerimine ehk K-Ar dateerimine on geokronoloogias ja arheoloogias kasutatav radiomeetriline dateerimismeetod. See põhineb kaaliumi (K) isotoobi radioaktiivse lagunemise produkti mõõtmisel argooniks (Ar).

Kaalium on tavaline element, mida leidub paljudes materjalides, näiteks mikseenides, savis, tefra ja evaporiitides. Nendes materjalides suudab laguprodukt⁴⁰ Ar väljuda vedelast (sulatatud) kivimist, kuid hakkab kivimi tahkestumisel (ümberkristalliseerumisel) kuhjuma. Ümberkristalliseerumise aeg arvutatakse, mõõtes ⁴⁰Ar-i ja järelejäänud K-i⁴⁰ hulga suhet. ⁴⁰K pikk poolväärtusaeg on üle miljardi aasta, seega kasutatakse seda meetodit üle paari tuhande aasta vanuste proovide absoluutse vanuse arvutamiseks.

Põhimõte ja füüsika

Isotoop ⁴⁰K laguneb kahe põhikanali kaudu: suurem osa (ligikaudu 89%) laguneb beetalagunemisel ⁴⁰Ca-ks ja väiksem osa (ligikaudu 10–11%) elektronide haaramisel või positronlagunemisel tekib radiogeenne ⁴⁰Ar. K-Ar dateerimine mõõdab just radiogeenset, kivimisse kogunenud ⁴⁰Ar-i (tähistatakse ⁴⁰Ar*), mis koguneb alates kivimi viimasest kuumutamisest või tahkestumisest, kui süsteem muutub "suletuks" argoni väljavoolu suhtes.

Vanuse arvutamine

Lihtsustatud matemaatika alusel kehtib seos (algne K-i hulk märgistatakse 40K0):

40Ar* = f · 40K0 · (e^λt − 1),

kus λ on ⁴⁰K kogutemperatuuriline lagunemiskonstant ja f on osa, mis lagunemisest annab ⁴⁰Ar-i (tavaliselt f ≈ 0,107 ehk ~10,7%). Vanus t leitakse seega valemiga:

t = (1/λ) · ln[1 + (40Ar* / (f · 40K))].

Praktiliselt mõõdetakse kivimist ⁴⁰Ar* ja ⁴⁰K (või K sisaldust) ning rakendatakse atmosfääri ⁴⁰Ar / ³⁶Ar standardkorrektsiooni (atmosfääri suhe ~295,5), et eristada radiogeenset argonit atmosfäärilisest argonist.

Proovid ja laboritehnikad

• Sobivad materjalid: kiiresti jahtunud laavad (basaalt, andesiit jne), vulkaanilised tuhakihid (tefra), mõned metamorfiseerunud ning settekivimid, mis sisaldavad kaaliumi kandvaid mineraale (K-feldspaat, mikrokiud, muskoviit, biotiit).
• Proovi ettevalmistus: materjali mehaaniline puhastamine, fraktsioneerimine konkreetseteks mineraalideks, keemiline puhastus ja kuumtöötlus laboris, et eemaldada kontaminantne argon.
• Mõõtmismeetodid: proovid kuumutatakse (või laseriga soojendatakse) nii, et argon eraldub ja kogutakse nn puhta gaasina. Seejärel määratakse gaasi koostis ja isotopide suhted kõrgtundliku mass-spektromeetriga. K sisaldust võidakse mõõta eraldi geokeemiliste meetoditega või arvutada massi/konversiooni abil.
• Arvutused ja korrektsioonid: tuleb arvestada atmosfäärilise argoni lisandiga, võimalikud häired nagu liig-argon (excess Ar) ja argoni kadu ning kasutada sobivaid konstante (lagunemiskiirused, harilikult koos laborispetsiifiliste standarditega).

Tugevused ja piirangud

Tugevused:

• Sobib hästi vulkaaniliste kivimite ja tuhekihistuste dateerimiseks — eriti kiiresti jahtunud laavad, mis säilitavad selge "kellamise" momendi.
• Tõhus vanuste määramiseks pikast ajavahemikust (miljonitest miljarditeni). Näiteks ajalooliselt kasutati seda meetodit geomagnetilise polaarsuse ajaskaala kalibreerimiseks.

Piirangud ja võimalikud vead:

• K-Ar eeldab, et süsteem oli pärast kivimi tahkestumist suletud argoni liikumise suhtes. Kui argon on hiljem diffundeerunud välja (kõrge temperatuur, metamorfism, veektöödeldud alteratsioon), annab meetod liiga noore tulemuse.
• Liig-argon (excess Ar) — sisemine või lähtekohast pärit argon, mis ei ole tekkinud kivimiga seotud ⁴⁰K lagunemisel — võib anda liiga vana vanuse. See probleem on eriti levinud mõnedes vulkaanilistes kontekstides ja argonirikastes tektonilistes keskkondades.
• Meetod ei sobi K-vabade materjalide puhul.
• Alamsuurused: väga noorte proovide (alla paari tuhande aasta) puhul võib radiogeense ⁴⁰Ar-i hulk olla nii väike, et see jääb mass-spektromeetri detekteerimise piiri taha; seetõttu kasutatakse nooremate proovide puhul pigem Ar–Ar meetodit või teisi radiomeetrilisi meetodeid.

Ar–Ar meetod ja võrdlus

Ar–Ar (39Ar/40Ar) on edasiarendus, mis võimaldab teha sammkuumutusi ja ära kasutada neutronitud ³⁹K kui proksit kaaliumi hulgale. Selle eelised on suurem täpsus, väiksem proovinõue, võime tuvastada argoni erinevaid komponendid ja eristada liig-argoni. Ar–Ar meetod aitab tihti lahendada K–Ar tulemuste tõlgenduslikke ambivalentsusi.

Rakendused

• Vulkanoloogia: laavavoolude ja tuhaplastide vanuse määramine, vulkaanide aktiivsuse kronoloogia.
• Geoloogia ja tektoonika: kivimite vanuse määramine, metamorfismisündmuste kronoloogia, plaatide liikumise ja maakoore arengute ajastamine.
• Geomagnetism: geomagnetilise polaarsuse ajaskaala ja magnetostratigraafia kalibreerimine.
• Arheoloogia: vulkaanilise tuha kihtide dateerimine, mille abil saab kronoloogiliselt siduda arheoloogilisi leide.

Kokkuvõte

Kaalium-argooni dateerimine on laialdaselt kasutatav ja võimas meetod geokronoloogias, eriti sobides K-rikaste vulkaaniliste materjalide kronoloogiliseks paigutamiseks. Et saavutada usaldusväärseid vanuseid, on oluline hinnata proovi sulgumistemperatuuri, välistada või korrigeerida liig-argoni ning kasutada sobivaid labori- ja analüüsimeetodeid (sh vajadusel Ar–Ar täpsustuse saavutamiseks).

Küsimused ja vastused

K: Mis on kaalium-argooni dateerimine?

K: Milline on kaalium-argoon dateerimise alus?

K: Kus leidub tavaliselt kaaliumi?

K: Millisel hetkel hakkab 40Ar kivimisse kogunema?

K: Kuidas arvutatakse ümberkristalliseerumisest alates möödunud aega kaalium-argooniga dateerimisel?

K: Mis teeb kiiresti jahtunud laavad K-Ar dateerimiseks ideaalseks?

K: Millega kalibreeriti suures osas geomagnetilise pöördumise ajaskaala?

Otsing