Датирование по изотопам аргона

Калий-аргоновый метод (⁴⁰K/⁴⁰Ar) и его вариант аргон-аргоновый метод (⁴⁰Ar/³⁹Ar) основываются на распаде природного радиоизотопа ⁴⁰K и превращении его в стабильный изотоп ⁴⁰Ar – химически инертный газ. Благодаря значительному периоду полураспада ⁴⁰K (1,25 млрд лет), верхняя возрастная планка метода выходит за рамки геологической истории Земли. Поэтому K-Ar метод широко использовался для установления абсолютной хронологии как фанерозоя, так и докембрия. С другой стороны, для четвертичного периода его применение ограничено возрастами >100 тыс. лет. Для четвертичного времени более значим Ar-Ar метод, где благодаря улучшенным измерительным процедурам нижняя планка возраста составляет порядка 10 тыс. лет.

Калий – седьмой по распространенности элемент в земной коре. Датироваться могут любые образования, содержащие калий в достаточных концентрациях, чтобы продуцировать измеримые количества ⁴⁰Ar, а также выполняющие условие закрытости системы для перемещения Ar и K после датируемого события. Это могут быть магматические породы, в том числе лавы (калия много в полевых шпатах, слюдах), осадочные образования – эвапориты, глинистые минералы, в том числе в палеопочвах и морских обстановках. Наиболее надежным и часто датируемым субстратом являются застывшие лавы.

Принцип датирования состоит в том, что ⁴⁰Ar, образующийся при распаде ⁴⁰K, улавливается внутри геологической субстанции. Количество ⁴⁰Ar пропорционально времени его накопления и количеству ⁴⁰K в датируемом веществе. Например, вулканические породы в расплавленном состоянии теряют весь продуцируемый аргон, но с момента застывания лавы весь аргон улавливается внутри. В лаборатории образец лавы разделяют на две половины. Одну расплавляют и измеряют количество выделяющегося аргона в масс-спектрометре. Вторая половина образца используется для измерения количества ⁴⁰K. Эта процедура содержит потенциальную погрешность датирования, связанную с возможной гетерогенностью образцов, а это весьма характерно для лав. Избежать разделения измерений по двум разным образцам удается в ⁴⁰Ar/³⁹Ar методе используя существование постоянных соотношений между изотопами: оба изотопа аргона измеряются в одном образце, а затем из полученного количества ³⁹Ar вычисляют содержание ³⁹K, а из него – содержание ⁴⁰K. Эта процедура, разработанная в 1990-х гг, позволила значительно улучшить надежность и точность датирования.

Как и в других методах, главной проблемой является выполнение условия закрытости системы. В частности, неблагоприятным является тонкозернистая структура осадков: при образовании ³⁹Ar его атомы отскакивают на расстояния 0,1-0,2 мм (в силикатах), что при крупности частиц осадка менее 5-10 мм может привести к частичной потере значимых количеств газа при пробоотборе и завышению возраста. Предотвратить этот эффект можно путем отбора в герметичные капсулы. Кроме того, если есть подозрение в потерях ³⁹Ar, его можно проверить, выполнив ⁴⁰K/⁴⁰Ar анализ.

Применение K-Ar и Ar-Ar методов к метаморфическим и плутоническим породам значительно возросло с конца 1980-х гг, когда был разработан метод низкотемпературной термохронологии. Его суть в том, что по мере денудации в областях тектонических поднятий глубинные породы, оказываясь ближе к земной поверхности, постепенно остывают и, достигнув определенного температурного порога, начинают улавливать весь продуцируемый ⁴⁰Ar. Продатировав породу из обнажения на поверхности, можно получить время, когда она была на расчетной глубине в земной коре, и вычислить долговременные скорости денудации и тектонических поднятий. Однако это приложение метода обычно выходит за пределы четвертичного периода, т.к. время, требуемое для столь глубокого денудационного среза составляет от нескольких миллионов до десятков миллионов лет.