О калий-аргоновом методе датирования

Когда впервые был применен калий-аргоновый метод? 

После открытия радиоактивности Беккерелем в 1896 г., достаточно быстро стало ясно, что это явление можно использовать для датирования геологических объектов, и в начале XX столетия такие работы начались. Радиоактивность калия была обнаружена в 1906 г., но то, что радиоактивным является изотоп с 40 массой – выяснилось только в 1935 г. Двумя годами позже Вайцзеккер¹ установил, что калий-40 имеет двойную цепь распада в аргон-40 и кальций-40. Несмотря на то, что непосредственно применение этой схемы распада для датирования тем методом, который мы сегодня называем K-Ar, началось позже, обычно именно Вайцзеккеру отдается приоритет первооткрывателя. Первые попытки датировать калиевые минералы по аргону были осуществлены в 1948 г. в США Алдричем и Ниром и в СССР Герлингом и Титовым. Это, что касается рождения метода. Дальше было несколько эпизодов: от повального увлечения до почти забвения и последующего периода ренессанса. Следует отметить, что сегодня существует несколько вариантов калий-аргоновых методов (отличающиеся техническими деталями) и отдельно аргон-аргоновый метод, который хоть и использует всё ту же схему распада калия в аргон, но является принципиально другим по многим причинам.

Аргон-аргоновый метод был введен в практику в середине 1960-х годов. В нем измерения калия заменены измерением 39 изотопа аргона, который образуется из 39 изотопа калия при облучении образца в ядерном реакторе по реакции ³⁹K(n,p)³⁹Ar. Технически аргон-аргоновый метод заметно сложнее, но имеет множество преимуществ, поскольку позволяет судить о том, была ли изотопная система в минерале «закрыта», т.е. происходили ли например потери радиогенного аргона или нет. Основные практические достижения сейчас связаны именно с аргон-аргоновым методом, калий-аргоновый метод обычно используют только для датирования "молодых" вулканических пород. («Молодой» понятие относительное, и сильно зависит от контекста, для геологов это может быть  что-то моложе 100 или 10 или 1 млн лет). 

Каков минимальный и максимальный возраст, которые возможно определить калий-аргоновым методом?

Теоретически датировать можно образцы с возрастом от первых тысяч лет до возраста образования Земли. Практически все зависит от множества факторов. Проще всего датировать вулканические породы, излившиеся в интервале, скажем, от первых миллионов лет назад до первых сотен миллионов лет назад. При датировании более древних и более молодых образцов есть заметные проблемы. 

Сильно ли усовершенствован этот метод со времени его введения в практику? 

Современные методы, основанные на распаде калия-40 в аргон-40, очень сильно отличаются от калий-аргонового метода полустолетней давности. Например, в СССР массово применялся способ измерения аргона объемным методом. Количество газа, выделившееся при плавлении образца, замеряли при помощи манометра Мак-Леода. Но аргон-40 в образце только частично накапливается из-за распада калия-40, заметная его доля захвачена при кристаллизации минерала из окружающей среды. Объемный метод не позволял разделить эти два типа аргона. Поэтому датировки, полученные этим способом, представляют сегодня лишь историческую (в смысле истории науки) ценность. При масс-спектрометрических измерениях радиогенный аргон-40 отделяют от захваченного исходя из допущения, что весь захваченный аргон имел отношение ⁴⁰Ar/³⁶Ar как в современном воздухе. Это допущение не всегда верное, что вносит свои погрешности в датировку, иногда неизвестного порядка. В аргон-аргоновом методе существует возможность определять исходный изотопный состав захваченного аргона и такими образом более правильно оценивать долю радиогенной части аргона.

Следует отметить, что требования к точности датировок в геологических исследованиях заметно выросли и точность, которая казалась удовлетворительной тридцать лет назад, сегодня не годится.

Современная амбициозная задача геохронологии калибровать время основных биологических изменений, зафиксированных в стратиграфической шкале времени, с точностью лучше 1%.

Это на самом деле не так просто, как может показаться. Сама схема и константы распада калия-40 до сих пор не очень хорошо известны. В физической и геологической литературе пользуются значениями, которые при пересчете на возраст дают расхождения порядка 1-2% и сейчас очевидно, что ни те, ни другие константы не являются правильными. Например, фиксируется систематическое отличие при датировании одновозрастных образований уран-свинцовым и аргон-аргоновым методом на уровне 1%. Т.е. когда я говорю о проблемах, то речь обычно идет о проблемах такого порядка величин. Бывают и заметно большие нестыковки, но обычно это случаи применения метода либо к каким-то особым объектам, трудно поддающимся датированию, либо датирования сверхмолодых или наоборот необычайно древних образований.

Какой материал пригоден для датирования калий-аргоновым методом? Сколько образцов нужно для валидного анализа? 

Теоретически – это любой минерал с калием. Лучше если калий входит в структуру минерала, но иногда можно датировать и по минералам с примесями этого элемента. На практике лучше всего датировать минералы, кристаллизовавшиеся из магмы. По крайней мере понятна исходная точка отсчета, какое именно геологическое событие датируется. Можно датировать также метаморфические минералы, но в этом случае надо исходно понимать, что с этим минералом происходило. Был ли метаморфизм одноактным, как быстро происходило охлаждение минерала. Быстрое охлаждение важно, поскольку аргон инертный газ и сравнительно легко покидает минерал хозяин при его нагревании еще до разрушения кристаллической решетки минерала. Т.е. минерал мог уже закристаллизоваться, на сленге геохронологов – изотопные часы пошли, но радиогенный аргон не остается в минерале, а частично покидает его. Этот недостаток позже пытались (и пытаются) использовать как преимущество для реконструкции термальной истории минералов. Теоретически можно датировать время образования минералов при осадконакоплении. Практически такие попытки тоже были, но тут есть заметные сложности.

Сколько нужно образцов – зависит от типа решаемой геологической задачи. Образец может быть и один. В данном случае статистикой ничего исправить нельзя. Либо объект (минерал) подлежит датированию, либо он заведомо не годен для этого. Обычно я привожу грубый, но доходчивый пример.

Можно взять известку с потолка. В ней есть и калий и аргон, но их соотношение нам ничего не скажет о времени побелки.

Каковы основные ограничения метода? Какие трудности связаны с его использованием и каковы пути их преодоления? 

Ограничения метода можно разделить на технические и принципиальные.

Под техническими ограничениями я имею в виду те ограничения, которые накладываются из уровня развития измерительной техники, и вытекающие из этого проблемы. Скажем так, сегодня технически невозможно измерить образец с возрастом меньше примерно тысячи лет, а также невозможно получить датировку с точностью лучше 1-2%, поскольку примерно такая неопределенность существует в константах распада калия-40. Принципиальные ограничения в свою очередь зависят от того, что именно вы хотите датировать. Рассмотрим несколько простых примеров, естественно с некоторыми упрощениями.

Например, извергся вулкан, из него вытекла лава. Из лавы кристаллизовались, допустим, полевые шпаты. Через миллион лет на это место пришел геолог и взял образец, сделал шлиф и видит под микроскопом, что полевой шпат «свежий», он не претерпел никаких вторичных изменений. Можно ожидать, что изотопная система с момента кристаллизации минерала до момента отбора пробы оставалась закрытой. Такой образец подлежит датированию. А вот если на месте полевого шпата уже сплошь новообразованные минералы, мелкие слюдки, то система была открыта и датировка будет заведомо омоложена. В лучшем случае если перекристаллизация минерала происходила одноактно, можно получить информацию о времени этого процесса.

Другой пример: есть древняя порода, залегающая где-то на глубине. Из-за тектонического стресса она начала перемещаться по разлому, из-за трения произошел разогрев, кристаллизовалась новая слюда. Эту слюду можно датировать и сказать о времени перемещений. Порода древняя, некоторые
минералы, например цирконы, которые также можно датировать, но уже уран-свинцовым методом, об этом говорят, а слюды – молодые. Они кристаллизовались намного позже.

Таким образом, не каждый образец можно датировать в принципе. Именно с тем, что на ранних этапах применения метода далеко не всегда понимали, что именно пытаются датировать, и связано разочарование, которое постигло калий-аргоновый метод после периода повального увлечения, скажем в 1960-е. Утвердилось мнение, что у калий-аргонового метода есть только своя ниша в интервале «молодых» возрастов.

Какие наиболее известные датировки получены с помощью метода?

При ответе на этот вопрос в первую очередь в голову приходит известная датировка извержения 79 года нашей эры вулкана Везувий, того самого, которое похоронило Помпеи и Геркуланум. Но в данном случае эта датировка известна не тем, что была получена какая то новая информация для археологов, а тем, что было показано, что аргон-аргоновый метод может решать задачи на уровне первых тысяч лет. Т.е. тут тестировалась сама методика для верхнего возрастного предела метода. Что же касается новой информации для, например, антропологии, то аргон-аргоновым методами в начале 1990-х датировались останки женщины-австралопитека «Люси», найденной на севере Танзании в 1974 г. Конечно же датировались не сами кости, а вулканические пеплы, в которых они были захоронены. В итоге возраст Люси оказался чуть больше 3 миллионов лет. Калий-аргоновым и аргон-аргоновым методами датировали тектиты, связанные с Чиксулубским метеоритом, который упал на Землю примерно 65 млн лет назад. Вообще эти методы – рабочие лошадки и датировок слишком много, чтобы можно было выбрать среди них.

Какие лаборатории в СНГ осуществляют датирование калий-аргоновым методом?

Не знаю, остались ли какие то лаборатории за пределами России на территории бывшего СССР, но и у нас негусто. Другие коллеги, надеюсь, не обидятся, но регулярное датирование выполняют только две лаборатории – калий-аргоновым методом в ИГЕМ РАН в Москве и аргон-аргоновым методом в ИГиМ СО РАН в Новосибирске. Недавно запущена калий-аргоновая лаборатория в ДВГИ ДВО РАН во Владивостоке (хотя особых результатов, кроме тестовых измерений, пока никто не видел), и аргон-аргоновая лаборатория у нас в ИЗК СО РАН в Иркутске. Первые датировки по образцам с неизвестным возрастом я начал делать в мае этого года. Для сравнения в одном только Пекине – 11 таких лабораторий. Хотя конечно не с Китаем нам сейчас равняться, поскольку по количеству нового научного оборудования он, думаю, находится на втором месте после США, если уже не на первом.

 

Примечание 1: Карл Фидрих фон Вайцзеккер (1912-2007) прожил долгую и плодотворную жизнь, добившись успехов не только в физике, но и в политике. Ссылка