Datowanie metodą potasowo-argonową

Metoda potasowo-argonowa (K-Ar) – izotopowa metoda datowania stosowana w geochronologii i archeologii. Opiera się na pomiarze ilości argonu (Ar) – produktu rozpadu radioaktywnego izotopu potasu (K). Potas jest powszechnym pierwiastkiem występującym w wielu materiałach, takich jak miki, minerały ilaste, materiały piroklastyczne i ewaporaty. W tych materiałach produkt rozpadu ⁴⁰Ar jest w stanie uciec z ciekłej (stopionej) skały, kumuluje się, gdy skała zestali się. Na ilość argonu w próbce może wpłynąć jego dyfuzja z powietrza lub do powietrza, co może zmniejszyć dokładność pomiaru.

Metoda ta jest również stosowana do datowania stanowisk wczesnych hominidów w Afryce, pochodzących sprzed blisko 5 milionów lat. W przypadku skał wulkanicznych można nią datować tylko te, których wiek przekracza 100 000 lat^[1].

Podstawowe założenia metody

Datowanie to, podobnie jak metoda radiowęglowa, opiera się na, tym że szybkość rozpadu promieniotwórczego a tym samym i akumulacja produktów rozpadu jest stała i niezależna od jakichkolwiek czynników fizycznych.

W tej metodzie wykorzystuje się powszechność występowania potasu w minerałach oraz istnienie jego izotopu ⁴⁰K o odpowiednio długim czasie rozpadu, który rozpada się do trwałego gazowego izotopu argonu ⁴⁰Ar, uwięzienie powstającego argonu w skale, a uwalnianie go, gdy skała ulegnie stopieniu.

Znając szybkość rozpadu ⁴⁰K (jego czas połowicznego zaniku wynosi ok. 1,26 miliarda lat) i zmierzywszy ilość ⁴⁰K i ⁴⁰Ar uwięzionego w próbce skały, można obliczyć czas zachodzący między jej formowaniem się a wykonaniem badania.

Jak przy wszystkich radiometrycznych metodach datowania, istotne jest wykrycie czynnika zerującego zegar archeologiczny. W tym przypadku byłoby to uformowanie się skały w wyniku aktywności wulkanicznej, uwalniającej cały znajdujący się tam wcześniej argon.

Niektóre obszary, najważniejsze dla badań dolnego paleolitu, a zwłaszcza Wielki Rów Wschodni w Afryce, to rejony aktywności wulkanicznej. Oznacza to, że pozostałości archeologiczne znajdują się często w warstwach geologicznych powstałych w wyniku działalności wulkanicznej, a zatem nadających się do datowania tą metodą. Dodatkowo są one często przykryte przez porównywalne skały wulkaniczne, a więc daty takich dwóch warstw geologicznych wyznaczają granice chronologiczne dla zawartego między nimi złoża archeologicznego.

Przebieg pomiaru

Pierwotnie określano ilość argonu przez odparowanie go z próbki do próżni, a następnie pomiar ilości argonu próżniomierzem. Ilość potasu określano oddzielnie z oddzielnej próbki. Technika ta wnosiła ograniczenie na minimalną zawartość argonu w próbce oraz rodziło niepewność pomiaru wynikającą z nierównomiernego rozłożenia pierwotnego potasu w skale.

Techniki przygotowania próbki oraz pomiar ilości pierwiastków ulegał rozwojowi. Po rozpowszechnieniu się spektrometrów masy zastosowano je do pomiaru ilości poszczególnych izotopów.

Do pomiaru wybierane jest kilka próbek ze złoża, zwraca się uwagę, by zawierała ona minerały typowe dla danego złoża przydatne do badania, oraz by w pobliżu próbki nie było spękań i zwietrzeń skały. Próbki są oznaczane, rejestrowane, określa się ich położenie w złożu. Przeznaczone do badań próbki kruszy się w czystym sprzęcie, wybiera się określone minerały, następnie czyści i suszy. Przegląda się pod mikroskopem, zakwalifikowane do pomiaru próbki wygrzewa się w piecu próżniowym, tak by pozbyć się gazów osiadłych na powierzchni próbki^[2].

Właściwy pomiar rozpoczyna się od stopienia próbki w piecu próżniowym, gazy ulatniające się z próbki zbierane na węglu aktywowanym chłodzonym ciekłym azotem. W tej temperaturze argon osiada na węglu. Do pieca wpuszcza się dokładnie określoną ilość argonu-38. Ten krótkożyjący izotop argonu niewystępujący w przyrodzie umożliwia skalibrowanie pomiaru. Zebrane na węglu gazy są odparowywane i oczyszczane, a pozostający argon jest kierowany do spektrometru mas, w którym oznaczane są ilości izotopów argonu: ³⁶Ar, ³⁸Ar i ⁴⁰Ar^[2].

Jeśli próbka nie została zanieczyszczona argonem atmosferycznym, to nie powinno być w niej ³⁶Ar. Ilość ³⁶Ar decyduje o odrzuceniu próbki albo wykonaniu korekcji powietrznej, zmniejszając ilość ³⁸Ar i ⁴⁰Ar w proporcjonalnie do ³⁶Ar i składu izotopowego argonu atmosferycznego^[2].

Modyfikacje metody

Rozwinięciem metody potasowo-argonowej, jest metoda argonowa. Jest to bardziej czuły wariant metody K-Ar (znany jest jako datowanie za pomocą fuzji laserowej argon-argon), pozwalający na kilkukrotne określanie wieku próbki, przez co zwiększa się wiarygodność ustalonej daty, a także umożliwiający uzyskiwanie dokładniejszych wyników z mniejszych próbek^[3]. Trwały izotop potasu ³⁹K jest przekształcany w ³⁹Ar w drodze bombardowania próbki, którą chcemy wydatować, strumieniem neutronów. Ilość obu izotopów argonu może być następnie zmierzona, po ich uwolnieniu w wyniku fuzji laserowej, przez spektrometr masowy.

Formuła

Potas na Ziemi występuje w 3 izotopach: ³⁹K (93,2581%), ⁴⁰K (0,0117%), ⁴¹K (6,7302%). Izotopy ³⁹K i ⁴¹K są stabilne, ale ⁴⁰K rozpada się na dwa sposoby^[4]:

Przez wychwyt elektronu:

• ${\displaystyle {}^{40}\mathrm {K} +\mathrm {e} ^{-}\to {}^{40}\mathrm {Ar} +\gamma \ (1{,}505\ {\text{MeV}})}$

${\displaystyle \lambda _{\varepsilon }=0{,}581\cdot 10^{-10}}$ rok⁻¹

Przez rozpad beta minus:

• ${\displaystyle {}^{40}\mathrm {K} \to {}^{40}\mathrm {Ca} +\beta ^{-}(1{,}311\ {\text{MeV}})}$

${\displaystyle \lambda _{\beta }=4{,}962\cdot 10^{-10}}$ rok⁻¹

Z prawa rozpadu naturalnego wynika wzór na wiek próbki^[4]:

${\displaystyle {}^{40}\mathrm {Ar} ={\frac {\lambda _{\epsilon }}{\lambda }}{}^{40}\mathrm {K} \left(e^{\lambda t}-1\right)}$

${\displaystyle t={\frac {1}{\lambda }}\ln \left[1+{\frac {\lambda }{\lambda _{\epsilon }}}\left({\frac {{}^{40}\mathrm {Ar} }{{}^{40}\mathrm {K} }}\right)\right]}$

gdzie ${\displaystyle \lambda =\lambda _{\epsilon }+\lambda _{\beta }.}$

Dla czasów znacznie mniejszych od czasu połowicznego zaniku potasu 40 stosunek ${\displaystyle \left({\tfrac {{}^{40}\mathrm {Ar} }{{}^{40}\mathrm {K} }}\right)}$ jest znacznie mniejszy od 1, wówczas wyrażenie na czas upraszcza się do:

${\displaystyle t={\frac {1}{\lambda _{\epsilon }}}\left({\frac {{}^{40}\mathrm {Ar} }{{}^{40}\mathrm {K} }}\right)={\frac {1}{0{,}1048\times \lambda }}\left({\frac {{}^{40}\mathrm {Ar} }{{}^{40}\mathrm {K} }}\right).}$

Ograniczenia

Technika potasowo-argonowa działa dobrze dla prawie każdej skały magmowej lub wulkanicznej, pod warunkiem, że skała nie przeszła rekrystalizacji przez ogrzewanie po jej początkowym utworzeniu.

Rezultaty datowania metodą argonowo-potasową obciążone są błędem szacunkowym (tak samo, jak w przypadku innych metod radiometrycznych). Główne ograniczenie tej techniki polega na tym, że może być użyta jedynie do datowania znalezisk przykrytych przez skałę wulkaniczną, oraz że rzadko za jej pomocą udaje się osiągnąć dokładność wyższą niż ±10%. Niemniej metoda ta stała się kluczowym narzędziem na obszarach, gdzie występuje odpowiedni materiał wulkaniczny.

Nie ma metody, która pozwalałaby określić początkową zawartość argonu w momencie zastygania skały. Argon ⁴⁰Ar powstały z rozpadu potasu ⁴⁰K zawartego w skałach jest nie do odróżnienia od argonu ⁴⁰Ar pochodzenia atmosferycznego.

W określanym na podstawie rozpadu potasu ⁴⁰K czasie nie mogą występować żadne czynniki zakłócające ilość argonu w skale. Problem polega na tym, że skały mają zdolność absorpcji argonu z powietrza i wody. Nie istnieje metoda, umożliwiająca określenie, jaki wpływ na zawartość argonu w skale miała woda.

Zobacz też

• datowanie metodą argonową

Przypisy

Bibliografia

• Paul G. Bahn Archeologia – Przewodnik, Wydawnictwo „Arkady” Sp. z o.o., 2006, s. 91, ​ISBN 83-213-4293-0​.
• Wendy Ashmore, Robert J. Sharer: Odkrywanie przeszłości. Wprowadzenie do archeologii. Kraków: Wydawnistwo AVALON T. Jankowski Sp. j., 2008. ISBN 978-83-60448-60-1.