datación K-Ar

La datación potasio-argón , abreviada como datación K-Ar , es un método de datación radiométrica utilizado en geocronología y arqueología . Se basa en la medición del producto de la desintegración radiactiva de un isótopo de potasio (K) en argón (Ar). El potasio es un elemento común en muchos materiales, como feldespatos , micas , minerales arcillosos , tefra y evaporitas . En estos materiales, el producto de desintegración ⁴⁰El Ar puede escapar de la roca líquida (fundida), pero comienza a acumularse cuando la roca se solidifica ( recristaliza ). La cantidad de sublimación de argón que ocurre es función de la pureza de la muestra, la composición del material madre y otros factores. Estos factores introducen límites de error en los límites superior e inferior de la datación, de modo que la determinación final de la edad depende de los factores ambientales durante la formación, la fusión y la exposición a una presión reducida o al aire libre. El tiempo transcurrido desde la recristalización se calcula midiendo la relación de la cantidad de ⁴⁰Ar acumulado hasta la cantidad de ⁴⁰K restante. La larga vida media de ⁴⁰K permite utilizar el método para calcular la edad absoluta de muestras de más de unos pocos miles de años. ^{[ 1 ]}

Las lavas de enfriamiento rápido, que constituyen muestras casi ideales para la datación K-Ar, también conservan un registro de la dirección e intensidad del campo magnético local a medida que la muestra se enfriaba por debajo de la temperatura de Curie del hierro. La escala de tiempo de polaridad geomagnética se calibró en gran medida utilizando la datación K-Ar. ^{[ 2 ]}

El potasio se presenta naturalmente en 3  isótopos: ³⁹K (93,2581%), ⁴⁰K (0,0117%), ⁴¹K (6,7302%). ³⁹K y ⁴¹Los K son estables. Los ⁴⁰El isótopo K es radiactivo; se desintegra con una vida media de1,248 × 10 ⁹  años para llegar a ^{los 40}Ca y ⁴⁰Ar . Conversión a estable ⁴⁰El Ca se produce mediante emisión de electrones ( desintegración beta ) en el 89,3% de los eventos de desintegración. Conversión a estable ⁴⁰El Ar se produce mediante captura electrónica en el 10,7% restante de los eventos de desintegración. ^{[ 3 ]}

El argón, al ser un gas noble , es un componente minoritario de la mayoría de las muestras de roca de interés geocronológico : no se une a otros átomos en una red cristalina. Cuando ⁴⁰K se desintegra en ⁴⁰Ar ; el átomo normalmente permanece atrapado dentro de la red porque es más grande que los espacios entre los demás átomos en un cristal mineral. Sin embargo, puede escapar a la región circundante cuando se dan las condiciones adecuadas, como cambios de presión o temperatura. ⁴⁰Los átomos de Ar pueden difundirse a través del magma fundido y escapar de él porque la mayoría de los cristales se han fundido y los átomos ya no están atrapados. El argón atrapado (argón difundido que no logra escapar del magma) puede volver a quedar atrapado en los cristales cuando el magma se enfría y se convierte de nuevo en roca sólida. Después de la recristalización del magma, más de ⁴⁰K se desintegrará y ⁴⁰El Ar se acumulará nuevamente, junto con los átomos de argón arrastrados, atrapados en los cristales minerales. Medición de la cantidad de ⁴⁰Los átomos de argón se utilizan para calcular el tiempo transcurrido desde que una muestra de roca se solidificó.

A pesar de ⁴⁰Dado que el Ca es el nucleido hijo preferido, rara vez es útil para la datación porque el calcio es muy común en la corteza, con ⁴⁰El calcio es el isótopo más abundante. Por lo tanto, se desconoce la cantidad de calcio presente originalmente, y esta puede variar lo suficiente como para dificultar la medición de los pequeños incrementos producidos por la desintegración radiactiva.

La proporción de la cantidad de ⁴⁰Ar a ese de ⁴⁰K está directamente relacionado con el tiempo transcurrido desde que la roca se enfrió lo suficiente como para atrapar el Ar mediante la siguiente ecuación:

${\displaystyle t=t_{\frac {1}{2}}\log _{2}\left({\frac {{\ce {K}}_{f}+{\frac {{\ce {Ar}}_{f}}{0.109}}}{{\ce {K}}_{f}}}\right)}$,

Dónde:

• t es el tiempo transcurrido
• t _1/2 es la vida media de ⁴⁰K
• K _f es la cantidad de ⁴⁰K restante en la muestra
• Ar _f es la cantidad de ⁴⁰Se detectó argón en la muestra.

• El factor de escala 0,109 corrige la fracción no medida de ^40.K que se desintegró en ⁴⁰Ca.​

La suma de los ^{40 medidos}K y la cantidad escalada de ⁴⁰Ar da la cantidad de ⁴⁰K que estaba presente al comienzo del período transcurrido. En la práctica, cada uno de estos valores puede expresarse como una proporción del potasio total presente, ya que solo se requieren cantidades relativas, no absolutas.

Para deducir esto, observe que la ecuación es equivalente a${\displaystyle {\frac {{K}_{f}}{{K}_{f,t=0}}}=2^{-t/t_{1/2}}}$, dónde${\displaystyle K_{f,t=0}={K}_{f}+{\frac {{Ar}_{f}}{0.109}}}$es la cantidad original de K-40.

Para obtener la relación de contenido de isótopos ⁴⁰Ar a ⁴⁰En una roca o mineral, la cantidad de K se mide mediante espectrometría de masas de los gases liberados cuando una muestra de roca se volatiliza en el vacío. El potasio se cuantifica mediante fotometría de llama o espectroscopia de absorción atómica .

La cantidad de ⁴⁰K rara vez se mide directamente. Más bien, el método más común ^{es el 39.}Se mide K y esa cantidad se multiplica por la proporción aceptada de ^40.K / ³⁹K (es decir, 0,0117%/93,2581%, véase más arriba).

La cantidad de ⁴⁰También se mide el argón para evaluar qué proporción del argón total es de origen atmosférico.

Según McDougall y Harrison (1999 , p. 11) , las siguientes suposiciones deben ser verdaderas para que las fechas calculadas se acepten como representativas de la edad real de la roca: ^{[ 4 ]} 

• El nucleido padre, ⁴⁰El K se desintegra a una velocidad independiente de su estado físico y no se ve afectado por las diferencias de presión o temperatura. Esta es una suposición importante bien fundamentada, común a todos los métodos de datación basados ​​en la desintegración radiactiva. Aunque los cambios en la constante de desintegración parcial por captura electrónica para ^{el 40}Es posible que K ocurra a altas presiones, pero los cálculos teóricos indican que para las presiones experimentadas dentro de un cuerpo del tamaño de la Tierra, los efectos son insignificantes. ^{[ 1 ]}
• Los ⁴⁰K / ³⁹La relación K en la naturaleza es constante, por lo que el ⁴⁰El potasio (K) rara vez se mide directamente, pero se supone que representa el 0,0117 % del potasio total. A menos que algún otro proceso esté activo durante el enfriamiento, esta es una suposición muy válida para muestras terrestres. ^{[ 5 ]}
• El argón radiogénico medido en una muestra fue producido por la desintegración in situ de ⁴⁰K en el intervalo desde que la roca cristalizó o se recristalizó. Las violaciones de esta suposición no son infrecuentes. Ejemplos bien conocidos de incorporación de elementos extraños ⁴⁰El Ar incluye basaltos vítreos de aguas profundas enfriados que no han desgasificado completamente ^{los 40 preexistentes.}Ar *, ^{[ 6 ]} y la contaminación física del magma por la inclusión de material xenolítico más antiguo. El método de datación Ar-Ar se desarrolló para medir la presencia de argón extraño.
• Se requiere mucho cuidado para evitar la contaminación de las muestras por absorción de radiación no radiogénica ⁴⁰Ar de la atmósfera. La ecuación se puede corregir restando de los ⁴⁰_{Valor medido} de Ar de la cantidad presente en el aire donde ⁴⁰El Ar es 295,5 veces más abundante que ³⁶Ar . ⁴⁰Ar _desintegrado = ⁴⁰Ar _medido − 295,5 × ³⁶Ar _medido .
• La muestra debe haber permanecido como un sistema cerrado desde que se fechó el evento. Por lo tanto, no debería haber habido pérdida ni ganancia de ^40.K o ⁴⁰Ar *, excepto por desintegración radiactiva de ⁴⁰K. Las desviaciones de esta suposición son bastante comunes, particularmente en áreas de historia geológica compleja, pero tales desviaciones pueden proporcionar información útil que es valiosa para dilucidar historias térmicas. Una deficiencia de ⁴⁰La presencia de argón en una muestra de edad conocida puede indicar una fusión total o parcial en la historia térmica de la zona. La fiabilidad en la datación de una característica geológica aumenta al muestrear áreas dispares que han estado sujetas a historias térmicas ligeramente diferentes. ^{[ 7 ]}

Tanto la fotometría de llama como la espectrometría de masas son pruebas destructivas, por lo que se requiere especial cuidado para asegurar que las alícuotas utilizadas sean verdaderamente representativas de la muestra. La datación Ar-Ar es una técnica similar que compara las proporciones isotópicas de la misma porción de la muestra para evitar este problema.

Debido a la larga vida media de ⁴⁰K , la técnica es más aplicable para datar minerales y rocas de más de 100.000 años de antigüedad. Para escalas de tiempo más cortas, es improbable que haya suficientes ⁴⁰El Ar habrá tenido tiempo de acumularse para ser medido con precisión. La datación K-Ar fue fundamental para desarrollar la escala de tiempo de polaridad geomagnética . ^{[ 2 ]} Aunque encuentra su mayor utilidad en aplicaciones geológicas , juega un papel importante en arqueología . Una aplicación arqueológica ha sido delimitar la edad de los depósitos arqueológicos en la Garganta de Olduvai mediante la datación de flujos de lava por encima y por debajo de los depósitos. ^{[ 8 ]} También ha sido indispensable en otros sitios tempranos del África Oriental con una historia de actividad volcánica como Hadar, Etiopía . ^{[ 8 ]} El método K-Ar continúa teniendo utilidad en la datación de la diagénesis de minerales arcillosos . ^{[ 9 ]} En 2017, se informó de la datación exitosa de illita formada por meteorización . ^{[ 10 ]} Este hallazgo condujo indirectamente a la datación de la llanura costera del oeste de Noruega de donde se tomó la muestra de illita. ^{[ 10 ]} Los minerales arcillosos tienen menos de 2  μm de espesor y no se pueden irradiar fácilmente para el análisis Ar-Ar porque el Ar retrocede de la red cristalina.

En 2013, el rover Curiosity de Marte utilizó el método K-Ar para datar una roca en la superficie marciana, siendo la primera vez que se databa una roca a partir de sus componentes minerales estando situada en otro planeta. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

• Aronson, JL; Lee, M. (1986). "Sistemática K/Ar de bentonita y lutita en una zona metamórfica de contacto" . Clays and Clay Minerals . 34 (4): 483– 487. Bibcode : 1986CCM....34..483A . doi : 10.1346/CCMN.1986.0340415 .
• McDougall, I.; Harrison, TM (1999). Geocronología y termocronología mediante el método ^40Ar / ^39Ar . Oxford University Press . ISBN 978-0-19-510920-7.
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• Metodología K/Ar y ⁴⁰ K/ ³⁹ K. Laboratorio de Investigación Geocronológica de Nuevo México . Archivado del original el 17 de abril de 2006.
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• Moran, TJ (2009). "Enseñanza de la datación por radioisótopos utilizando la geología de las islas hawaianas" (PDF) . Journal of Geoscience Education . 57 (2): 101– 105. Bibcode : 2009JGeEd..57..101M . doi : 10.5408/1.3544237 .