Métodos de datación de potasio-argón: datación de K-Ar y Ar-Ar

El potasio-argón (K-Ar) datación isotópica El método es especialmente útil para determinar la edad de las lavas. Desarrollado en la década de 1950, fue importante en el desarrollo de la teoría de placas tectónicas y al calibrar el escala de tiempo geológico.

Potasio ocurre en dos isótopos estables (⁴¹K y ³⁹K) y un isótopo radiactivo (⁴⁰K) El potasio-40 se descompone con una vida media de 1250 millones de años, lo que significa que la mitad del ⁴⁰Los átomos de K se han ido después de ese período de tiempo. Su descomposición produce argón-40 y calcio-40 en una proporción de 11 a 89. El método K-Ar funciona contando estos radiógenos ⁴⁰Ar átomos atrapados dentro de minerales.

Lo que simplifica las cosas es que el potasio es un metal reactivo y el argón es un gas inerte: el potasio siempre está fuertemente encerrado en minerales, mientras que el argón no forma parte de ningún mineral. El argón constituye el 1 por ciento de la atmósfera. Asumiendo que no entra aire en un grano mineral cuando se forma por primera vez, tiene cero contenido de argón. Es decir, un grano mineral fresco tiene su "reloj" K-Ar puesto a cero.

El método se basa en satisfacer algunos supuestos importantes:

1. El potasio y el argón deben permanecer en el mineral durante el tiempo geológico. Este es el más difícil de satisfacer.
2. Podemos medir todo con precisión. Instrumentos avanzados, procedimientos rigurosos y el uso de minerales estándar aseguran esto.
3. Conocemos la mezcla natural precisa de isótopos de potasio y argón. Décadas de investigación básica nos han dado estos datos.
4. Podemos corregir cualquier argón del aire que ingrese al mineral. Esto requiere un paso extra.

Dado el trabajo cuidadoso en el campo y en el laboratorio, estos supuestos se pueden cumplir.

La muestra de roca a fechar debe elegirse con mucho cuidado. Cualquier alteración o fractura significa que el potasio o el argón o ambos han sido alterados. El sitio también debe ser geológicamente significativo, claramente relacionado con rocas fósiles u otras características que necesitan una buena fecha para unirse a la gran historia. Los flujos de lava que se encuentran encima y debajo de los lechos de rocas con antiguos fósiles humanos son un buen y verdadero ejemplo.

El mineral sanidina, la forma de alta temperatura de feldespato potásico, es lo más deseable. Pero micas, plagioclasa, hornblende, arcillas y otros minerales pueden proporcionar buenos datos, al igual que los análisis de rocas enteras. Las rocas jóvenes tienen bajos niveles de ⁴⁰Ar, por lo que pueden necesitarse varios kilogramos. Las muestras de roca se registran, marcan, sellan y se mantienen libres de contaminación y calor excesivo en el camino al laboratorio.

Las muestras de roca se trituran, en equipos limpios, hasta un tamaño que conserva los granos enteros del mineral a fechar, luego se tamizan para ayudar a concentrar estos granos del mineral objetivo. La fracción de tamaño seleccionada se limpia en ultrasonidos y baños de ácido, luego se seca suavemente al horno. El mineral objetivo se separa usando líquidos pesados, luego se recoge a mano bajo el microscopio para obtener la muestra más pura posible. Esta muestra mineral se hornea suavemente durante la noche en un horno de vacío. Estos pasos ayudan a eliminar tanta atmósfera ⁴⁰Ar de la muestra como sea posible antes de realizar la medición.

Luego, la muestra mineral se calienta hasta fundirse en un horno de vacío, expulsando todo el gas. Se agrega una cantidad precisa de argón-38 al gas como un "pico" para ayudar a calibrar la medición, y la muestra de gas se recoge en carbón activado enfriado por nitrógeno líquido. Luego, la muestra de gas se limpia de todos los gases no deseados como H₂O, CO₂, ENTONCES₂, nitrógeno y así sucesivamente hasta que todo lo que quede sea el gases inertes, argón entre ellos.

Finalmente, los átomos de argón se cuentan en un espectrómetro de masas, una máquina con sus propias complejidades. Se miden tres isótopos de argón: ³⁶Arkansas, ³⁸Ar y ⁴⁰Arkansas. Si los datos de este paso son limpios, se puede determinar la abundancia de argón atmosférico y luego restar para producir el radiogénico ⁴⁰Ar contenido. Esta "corrección de aire" se basa en el nivel de argón-36, que proviene solo del aire y no es creado por ninguna reacción de desintegración nuclear. Se resta, y una cantidad proporcional de la ³⁸Ar y ⁴⁰Ar también se restan. El restante ³⁸Ar es de la espiga, y el resto ⁴⁰Ar es radiogénico. Debido a que el pico se conoce con precisión, el ⁴⁰Ar se determina por comparación con él.

Las variaciones en estos datos pueden indicar errores en cualquier parte del proceso, razón por la cual todos los pasos de la preparación se registran en detalle.

Los análisis de K-Ar cuestan varios cientos de dólares por muestra y toman una o dos semanas.

Una variante del método K-Ar proporciona mejores datos al simplificar el proceso de medición general. La clave es colocar la muestra mineral en un haz de neutrones, que convierte el potasio-39 en argón-39. Porque ³⁹Ar tiene una vida media muy corta, se garantiza que estará ausente en la muestra de antemano, por lo que es un claro indicador del contenido de potasio. La ventaja es que toda la información necesaria para fechar la muestra proviene de la misma medición de argón. La precisión es mayor y los errores son menores. Este método se denomina comúnmente "datación argón-argón".

El procedimiento físico para ⁴⁰Arkansas-³⁹La datación Ar es la misma, excepto por tres diferencias:

• Antes de poner la muestra mineral en el horno de vacío, se irradia junto con muestras de materiales estándar por una fuente de neutrones.
• No hay ³⁸Ar spike necesario.
• Se miden cuatro isótopos de Ar: ³⁶Arkansas, ³⁷Arkansas, ³⁹Ar y ⁴⁰Arkansas.

El análisis de los datos es más complejo que en el método K-Ar porque la irradiación crea átomos de argón a partir de otros isótopos además ⁴⁰K. Estos efectos deben corregirse y el proceso es lo suficientemente complejo como para requerir computadoras.

Los análisis Ar-Ar cuestan alrededor de $ 1000 por muestra y toman varias semanas.

El método Ar-Ar se considera superior, pero algunos de sus problemas se evitan en el método K-Ar anterior. Además, el método K-Ar más barato se puede utilizar para fines de detección o reconocimiento, ahorrando Ar-Ar para los problemas más exigentes o interesantes.

Estos métodos de datación han estado en constante mejora durante más de 50 años. La curva de aprendizaje ha sido larga y está lejos de terminar hoy. Con cada incremento en la calidad, se han encontrado y tenido en cuenta fuentes de error más sutiles. Los buenos materiales y las manos expertas pueden producir edades que están dentro del 1 por ciento, incluso en rocas de solo 10,000 años de antigüedad, en las cuales cantidades de ⁴⁰Ar son muy pequeños.