البوتاسيوم والأرجون (K-Ar) يؤرخ النظائر الطريقة مفيدة بشكل خاص لتحديد عمر الحمم. وضعت في 1950s ، كان من المهم في تطوير نظرية الصفائح التكتونية وفي معايرة مقياس زمني جيولوجي.
أساسيات البوتاسيوم والأرجون
البوتاسيوم يحدث في اثنين من النظائر المستقرة (41K و 39ك) ونظير مشع واحد (40ك). يتحلل البوتاسيوم 40 بعمر نصف يبلغ 1250 مليون سنة ، وهذا يعني أن نصف العمر 40ذرات K اختفت بعد تلك الفترة الزمنية. ينتج عن اضمحلالها الأرجون 40 والكالسيوم 40 بنسبة 11 إلى 89. تعمل طريقة K-Ar عن طريق حساب هذه الإشعاعات 40الذرات المحاصرة داخل المعادن.
ما يبسط الأشياء هو أن البوتاسيوم معدن تفاعلي والأرجون هو غاز خامل: دائمًا ما يكون البوتاسيوم مغلقًا بإحكام في المعادن في حين أن الأرجون ليس جزءًا من أي معادن. يشكل الأرجون 1 في المائة من الغلاف الجوي. لذا ، بافتراض أنه لا يوجد هواء يدخل إلى حبيبات معدنية عندما يتشكل لأول مرة ، فإنه لا يحتوي على أي محتوى من الأرجون. أي أن الحبوب المعدنية الطازجة لها "ساعة" K-Ar عند الصفر.
تعتمد الطريقة على تلبية بعض الافتراضات الهامة:
- يجب أن يبقى كل من البوتاسيوم والأرجون في المعدن على مدار الوقت الجيولوجي. هذا هو الأصعب إرضاء.
- يمكننا قياس كل شيء بدقة. تضمن الأدوات المتقدمة والإجراءات الصارمة واستخدام المعادن القياسية ذلك.
- نحن نعرف المزيج الطبيعي الدقيق لنظائر البوتاسيوم والأرجون. أعطتنا عقود من البحث الأساسي هذه البيانات.
- يمكننا تصحيح أي غاز الأرجون من الهواء الذي يدخل إلى المعدن. هذا يتطلب خطوة إضافية.
بالنظر إلى العمل الدقيق في الميدان وفي المختبر ، يمكن تلبية هذه الافتراضات.
طريقة K-Ar في الممارسة
يجب اختيار عينة الصخور التي سيتم تأريخها بعناية فائقة. أي تغيير أو كسر يعني أن البوتاسيوم أو الأرجون أو كليهما قد تم إزعاجه. يجب أن يكون الموقع مفيدًا من الناحية الجيولوجية ، ويرتبط ارتباطًا واضحًا بالصخور الحفرية أو الميزات الأخرى التي تحتاج إلى تاريخ جيد للانضمام إلى القصة الكبيرة. تدفقات الحمم البركانية التي تقع فوق وأسفل أحجار الصخور مع الحفريات البشرية القديمة هي مثال جيد وحقيقي.
ال Sanidine المعدنية ، شكل درجة حرارة عالية الفلسبار البوتاسيوم، هو الأكثر جاذبية. لكن ميكاسيمكن أن تؤدي بلاجيوكلاز وهورنبلند والطين والمعادن الأخرى إلى بيانات جيدة ، كما يمكن لتحليلات الصخور الكاملة. الصخور الشابة لديها مستويات منخفضة من 40Ar ، قد تكون هناك حاجة إلى عدة كيلوغرامات. يتم تسجيل عينات الصخور وتمييزها وإغلاقها وحفظها خالية من التلوث والحرارة المفرطة في الطريق إلى المختبر.
يتم سحق عينات الصخور ، في معدات نظيفة ، إلى الحجم الذي يحفظ الحبوب الكاملة من المعدن ليتم تأريخها ، ثم يتم غربلتها للمساعدة في تركيز هذه الحبوب من المعدن المستهدف. يتم تنظيف جزء الحجم المحدد في حمامات الموجات فوق الصوتية والحمضية ، ثم يجفف في الفرن بلطف. يتم فصل المعدن المستهدف باستخدام السوائل الثقيلة ، ثم يتم قطفه يدويًا تحت المجهر للحصول على أنقى عينة ممكنة. يتم بعد ذلك خبز هذه العينة المعدنية بلطف بين عشية وضحاها في فرن فراغ. تساعد هذه الخطوات على إزالة أكبر قدر من الغلاف الجوي 40Ar من العينة قدر الإمكان قبل إجراء القياس.
بعد ذلك ، يتم تسخين العينة المعدنية حتى تذوب في فرن فراغ ، مما يؤدي إلى إخراج كل الغاز. يتم إضافة كمية دقيقة من الأرجون -38 إلى الغاز كـ "ارتفاع" للمساعدة في معايرة القياس ، ويتم جمع عينة الغاز على الفحم المنشط المبرد بالنيتروجين السائل. ثم يتم تنظيف عينة الغاز من جميع الغازات غير المرغوب فيها مثل H2O ، CO2، وبالتالي2والنيتروجين وهلم جرا حتى كل ما تبقى هي الغازات الخاملة، الأرجون بينهم.
وأخيرًا ، تُحسب ذرات الأرجون في مطياف الكتلة ، وهي آلة لها تعقيداتها الخاصة. يتم قياس ثلاثة نظائر الأرجون: 36ع ، 38Ar و 40ع. إذا كانت البيانات من هذه الخطوة نظيفة ، يمكن تحديد وفرة الأرجون في الغلاف الجوي ثم طرحها لإنتاج الإشعاع 40محتوى ع. يعتمد "تصحيح الهواء" هذا على مستوى الأرجون 36 ، الذي يأتي فقط من الهواء ولا يتم إنشاؤه بواسطة أي رد فعل اضمحلال نووي. يتم طرحه ، وكمية متناسبة من 38Ar و 40يتم طرح Ar أيضًا. المتبقي 38ع من السنبلة ، والباقي 40Ar هو إشعاعي. لأن الارتفاع معروف بدقة 40يتم تحديد Ar بالمقارنة مع ذلك.
قد تشير الاختلافات في هذه البيانات إلى أخطاء في أي مكان في العملية ، ولهذا السبب يتم تسجيل جميع خطوات التحضير بالتفصيل.
تكلف تحليلات K-Ar عدة مئات من الدولارات لكل عينة وتستغرق أسبوعًا أو أسبوعين.
طريقة 40Ar-39Ar
يعطي متغير لطريقة K-Ar بيانات أفضل عن طريق جعل عملية القياس الإجمالية أبسط. المفتاح هو وضع العينة المعدنية في شعاع نيوتروني ، يحول البوتاسيوم 39 إلى الأرجون 39. لان 39Ar لديه نصف عمر قصير جدًا ، ومن المؤكد أنه غائب في العينة مسبقًا ، لذا فهو مؤشر واضح لمحتوى البوتاسيوم. الميزة هي أن جميع المعلومات اللازمة لتاريخ العينة تأتي من نفس قياس الأرجون. الدقة أكبر والأخطاء أقل. تُعرف هذه الطريقة عادةً باسم "مواعدة الأرجون والأرجون".
الإجراء البدني ل 40Ar-39المواعدة هي نفسها باستثناء ثلاثة اختلافات:
- قبل وضع العينة المعدنية في فرن التفريغ ، يتم تشعيعها مع عينات من المواد القياسية بواسطة مصدر نيوتروني.
- لا يوجد 38هناك حاجة لارتفاع ع.
- يتم قياس أربعة نظائر Ar: 36ع ، 37ع ، 39Ar و 40ع.
تحليل البيانات أكثر تعقيدًا من طريقة K-Ar لأن التشعيع يخلق ذرات الأرجون من نظائر أخرى إلى جانب 40ك. يجب تصحيح هذه التأثيرات ، والعملية معقدة بما يكفي لتتطلب أجهزة كمبيوتر.
تكلف تحليلات Ar-Ar حوالي 1000 دولار لكل عينة وتستغرق عدة أسابيع.
استنتاج
تعتبر طريقة Ar-Ar متفوقة ، ولكن يتم تجنب بعض مشاكلها في طريقة K-Ar القديمة. أيضًا ، يمكن استخدام طريقة K-Ar الأرخص لأغراض الفحص أو الاستطلاع ، مما يوفر Ar-Ar لأكثر المشاكل تطلبًا أو إثارة للاهتمام.
تخضع طرق المواعدة هذه للتحسين المستمر لأكثر من 50 عامًا. لقد كان منحنى التعلم طويلًا ولم ينته اليوم. مع كل زيادة في الجودة ، تم العثور على مصادر خطأ أكثر دقة وأخذها في الاعتبار. يمكن للمواد الجيدة والأيدي الماهرة أن تنتج الأعمار التي من المؤكد أنها تصل إلى 1 في المائة ، حتى في الصخور التي يبلغ عمرها 10000 عام فقط ، حيث تكون كميات 40ع صغيرة صغيرة.