历史地质学/Ar-Ar 测年

通过使用相关的Ar-Ar 测年方法可以避免K-Ar 测年中的一些问题。在本文中，我们将解释这种方法的工作原理以及它为何优于 K-Ar 方法。读者在进一步阅读之前，应该对 K-Ar 方法有一个透彻的了解，如上一篇文章中所解释的那样。

同位素

在上一篇文章中，我向您介绍了⁴⁰K，一种钾的不稳定同位素，它通过电子俘获或正β衰变产生子同位素⁴⁰Ar。

Ar-Ar 测年方法关键依赖于另外两种同位素的存在。³⁹K 是钾的稳定同位素，根据定义，这意味着它不会自发地衰变为另一种同位素。然而，如果你把它放在核反应堆的核心附近，使其受到中子轰击，那么这将把它转化为³⁹Ar。这种氩同位素非常不稳定，其半衰期仅为 269 年。因此，在岩石中发现的这种同位素含量微乎其微，除非你将其置于人工中子源中。

需要注意的关键一点是，由于³⁹K 和⁴⁰K 是同一元素的同位素，它们具有相同的化学性质。因此，当岩石最初形成时，其中的某些矿物会含有更多的钾，而另一些则含有更少的钾，但所有矿物的初始³⁹K 与⁴⁰K 之间的比值都是相同的，因为它们具有相同的化学性质，因此⁴⁰K 无法优先出现在角闪石中，而³⁹K 则出现在黑云母中。

方法

首先，取你的岩石样品，将其放在核反应堆的核心附近。结果，由于受到中子轰击，一些³⁹K 会转化为³⁹Ar。

然后，加热岩石样品以释放³⁹Ar 和⁴⁰Ar。第一个，你要记住，是我们通过人工中子轰击稳定的³⁹K 同位素而产生的；第二个是由岩石中不稳定⁴⁰K 同位素的自然衰变产生的。

因此，如果一切顺利，并且没有氩损失或过量氩的问题，那么样品的年龄将由以下公式给出

t = h × log₂(1 + J × R)

其中

t 是岩石的年龄，以年为单位；
h 是⁴⁰K 的半衰期，以年为单位；
R 是测量的⁴⁰Ar 与³⁹Ar 的比值。

但什么是J？J 是一个取决于中子轰击性质的因素。J 不是在理论基础上计算的，而是在实验中找到的；除了我们感兴趣的样本外，我们还会照射并加热一个已知年龄的样本（一个标准）。

测量标准释放的³⁹Ar 和⁴⁰Ar，并知道其形成时间t，我们可以将这些数据代入上面的方程并求解J。

因此，现在我们知道了J，并且我们已经测量了我们想要测年的样品的R 值，因此我们可以使用这些数据来求解方程中的t，从而得出我们想要测年的年龄。

你会注意到，这意味着我们必须能够使用 Ar-Ar 以外的某种方法准确地测定一些岩石的年龄，以便我们可以找到一个标准来用于确定J；幸运的是，我们可以做到这一点，地质学家已经投入了大量精力来识别可以准确测年并用作标准的岩石。

Ar-Ar 方法的优势

到目前为止，我们似乎只是采用了 K-Ar 测年方法，并将其变得更加复杂，但没有明显的原因。然而，这种更复杂的方法确实有一些优势。

首先，回想一下，K-Ar 方法中可能存在的一个问题是，它需要两个不同的样本，一个用于测量钾，另一个用于测量氩；如果这两个样本最初形成时具有不同的化学成分，那么这将引入误差。然而，在 Ar-Ar 测年方法中，两种氩同位素都是从同一个样本中测量的，因此至少消除了一个潜在的误差来源。

Ar-Ar 测年的另一个重要优势是通过分步加热获得的额外数据：与其将照射后的样本一次性加热到最高温度，从而一次性释放所有氩气，不如我们可以从低温开始分步升高温度。

这样做有什么意义呢？嗯，岩石中的不同矿物将在不同的温度下释放氩气，因此每一步都会给我们一个⁴⁰Ar 与³⁹Ar 的比值，我们可以将其代入方程中以计算出一个日期。现在，回想一下，我们说，当岩石最初形成时，从中衍生出³⁹K 和⁴⁰K 的比例在每种矿物中都应该是相同的，因为钾的两种同位素具有相同的化学性质。

这意味着，如果岩石冷却速度足够快，以至于其中所有矿物的日期相同，并且没有氩损失，并且没有过量的氩加入系统，那么我们在每一步加热中计算出的日期将是相同的日期。

如果我们在每一步都没有得到相同的日期，那么我们可能能够弄清楚发生了什么。

例如，如果日期在每一步都增加，那么我们很可能正在观察一种缓慢冷却的火成岩，其中不同的矿物在不同的时间从岩浆中结晶出来，我们可以进一步研究这种可能性。

或者，如果我们始终在 400°C 以下的步骤中得到一个日期，并在 400°C 以上的步骤中始终得到另一个日期，那么似乎氩损失是由于在约 400°C 的温度下发生的变质作用造成的，较年轻的日期代表变质作用的日期，而较老的日期代表岩石的形成日期；我们可以通过寻找变质事件的其他证据来进一步研究这个线索。

如果我们得到的日期杂乱无章，那么我们很可能正在观察过量的氩。现在，坏消息是我们无法操纵这些数据以获得样本的正确日期。但好消息是我们确实知道存在问题；而如果我们使用 K-Ar 方法分析同一块岩石，那么它将提供给我们一个日期，并且 K-Ar 数据中不会有任何迹象表明存在问题。

由于这些原因，Ar-Ar 测年在很大程度上取代了K-Ar 测年，尽管在某些已知无问题的案例或 Ar-Ar 不适合某些技术原因的情况下，仍然会采用更简单的方法。

← K-Ar 测年 · Rb-Sr 测年 →