历史地质学/K-Ar 测年
在本文中，我们将考察 K-Ar 测年方法的基础，其工作原理以及可能出现的问题。
40K（钾-40）是一种特殊的同位素，它可以通过三种不同的方式进行衰变：通过 负贝塔衰变 衰变为 40Ca（钙-40）；通过 电子俘获 衰变为 40Ar（氩-40）；以及通过 正贝塔衰变 衰变为 40Ar。可以测量 40K 衰变的比例，大约 89.1% 的时间衰变为 40Ca，大约 10.9% 的时间衰变为 40Ar。40K 的半衰期为 12.48 亿年，非常适合用于测年岩石。
钾在化学上会结合到常见的矿物中，尤其是 角闪石、黑云母 和钾 长石，它们是 岩浆岩 的组成 矿物。
另一方面，氩是一种惰性气体；它不能与任何物质发生化学反应。因此，在大多数情况下，我们不希望在 岩浆岩 形成后不久就发现大量的氩。（然而，请参阅下面有关该方法局限性的部分。）
这表明了一种测年 岩浆岩 的明显方法。如果我们认为岩石中最初没有氩，那么现在岩石中所有氩都必须是由 40K 的衰变产生的。因此，我们只需要测量岩石中 40K 和 40Ar 的含量，并且由于我们知道 40K 的衰变速率，因此我们可以计算出岩石形成的时间。从描述 放射性衰变 的方程式中，我们可以推导出以下方程式
- t = h × log2(1 + R/c)
其中
- t 是岩石的年龄（年）；
- h 是 40K 的半衰期（年）；
- c 是 40K 衰变为 40Ar 而不是 40Ca 的比例（约 10.9%）；
- R 是测量的 40Ar 与 40K 的比率。
该方法存在一些问题。一个问题是，如果岩石是最近形成的，那么岩石中 40Ar 的含量将非常少，以至于我们的仪器无法测量，并且昨天形成的岩石看起来与五万年形成的岩石没有区别。随着我们仪器精度的提高，这个问题的严重程度会降低。然而，作为一般规则，K-Ar 测年的比例误差在最年轻的岩石中最大。
第二个问题是，由于技术原因，氩的测量和钾的测量必须在两个不同的样品上进行，因为每次测量都需要破坏样品。如果两个样品的矿物成分不同，使得测量钾的样品比测量氩的样品富含或贫乏钾，那么这将成为误差来源。
对 K-Ar 测年的另一个担忧是，它依赖于岩石在最初形成时没有 40Ar，或者在其形成和我们应用 K-Ar 方法之间没有添加到岩石中。由于氩是惰性的，因此它不能在矿物形成时在化学上结合到矿物中，但它可以在形成期间或之后被物理地捕获在岩石中。这种氩被称为过量氩。
如果这种氩的来源是大气污染，那么我们可以对它进行校正。推理如下：大气中不仅含有 40Ar，还含有 36Ar。大气中 40Ar 的含量是 36Ar 的 298 倍，并且没有理由认为 40Ar 原子比 36Ar 原子更容易被掺入岩石中，反之亦然。因此，这意味着，对于我们在样品中发现的每一个 原子 的 36Ar，我们可以将 298 个 原子 的 40Ar 归为大气氩。
然而，这只有在所有过量氩确实来自大气时才有效。但考虑一下如果氩来自地球内部，在那里它是由 40K 的衰变形成的，然后被捕获在 岩浆 中或被热液流体运送到岩石中，会发生什么。那么过量氩的 40Ar/36Ar 比率将与大气中的比率不同，并且用于校正大气碳的公式将无法校正这种情况。
最后，我们必须考虑氩损失的可能性。当岩石经历 变质作用 时，部分或全部氩可能会被脱气。如果所有氩都损失了，这将使 K-Ar 时钟归零，并且测年岩石将给出 变质作用 的时间；如果我们认识到这种岩石是 变质岩，这实际上会非常有用。然而，我们不能依赖于所有氩都损失了，如果它没有损失，那么当我们应用 K-Ar 测年时，这将给我们一个本质上是任意的日期，介于岩石形成时间和变质事件之间。
由于这些原因，K-Ar 测年在很大程度上已被 Ar-Ar 测年取代，这将是下一篇文章的主题。