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4. K-Ar Datierung
4.1. Grundlagen
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4. K-Ar
Historisches:
1935 entdeckte Nier das natürliche Auftreten des Radioisotops 40K
1948 erbrachte Nier zusammen mit Aldrich den Nachweis, dass geologisch alte Minerale 40Ar enthalten, das durch den Zerfall von 40K entstanden ist.
50er-Jahre: erste K-Ar Datierung
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4. K-Ar
K ist das 8-häufigste Element der Erdkruste
Isotope in der Natur: (Atmosphäre)
39K 93,2581 % 40Ar 99,60 %
40K 0.01167 % 38Ar 0.063 %
41K 6,7302 % 36Ar 0,337 %
20Protonen
40Ca
42Ca 43Ca 44Ca
46Ca
19
39K 40K 41K
18 36Ar
38Ar
40Ar Neutronen
18 19 20 21 22 23 24 25 26
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Verzweigter Zerfall und Energiebilanz des Zerfalls von 40K
4. K-Ar
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4. K-ArZerfall von 40K:
Zuwachsrate von 40Ca und 40Ar im geschlossenen System
D* = N (e t – 1)
40Ar* + 40Ca* = 40K (e t – 1)
Zur Zeit t ist die Menge 40Ar* + 40Ca* gleich der Menge des noch vorhandenen 40K (e t – 1)
ist dabei die Gesamtzerfallskonstante für 40K und setzt sich aus 2 Teilkonstanten zusammen:
Ar = 0,581 x 10-10 a-1
Ca = 4,962 x 10-10 a-1
= Ar + Ca = 5,543 x 10-10 a-1
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4. K-Ar
Der Anteil von 40K-Atomen, die zu 40Ar zerfallen, entspricht dem Anteil von Ar am Gesamt-:
(Ar/)40K
Der Zuwachs von 40Ar beträgt also
D* = N (e t – 1)40Ar* = (Ar/) 40K (e t – 1)
t = 1/ ln (40Ar*/ [40K (Ar/)] + 1)
t = 1/ ln ( D* / N + 1) kein initiales Ar!!
t1/2 für 40K = ln2 / = 0.693 / (5,543 x 10-10) = 1,250 x 109 a
??? Was ist t ???
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4. K-Ar
t ist der Zeitpunkt in der Erdgeschichte, zu dem sich das System für die jeweils untersuchten Isotope geschlossen hat
Kristallisation Kristallisationsalter
temperaturabhängige Schließung Abkühlalter
t gibt den Zeitpunkt an, zu dem das Gestein bei der Abkühlung nach einem geologischen Ereignis eine bestimmte Isoterme unterschreitet (Schließungstemperatur)
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4. K-Ar
„Schließungstemperaturen“ im K-Ar-System:
bis ca. 1998 Villa, 1998
Hornblende 500°C 550 – 650°C
Muscovit 350°C 500°C
Biotit 300°C 450°C
Möglichkeit: Abschätzung der Abkühlgeschwindigkeit
Aber: abhängig z.B. von Stress, Mineralchemismus, Fluiddurchsatz
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4. K-Ar
4.2. Probleme bei der K-Ar Datierung
- Kontamination mit atmosphärischem Ar
- geschlossenes System
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4. K-Ar
Atmosphäre
40Ar 99,60 %38Ar 0.063 %36Ar 0,337 %
Kontamination bei
Bildung (Vulkanite) Verwitterung Probenahme Aufbereitung
Korrektur: vorausgesetzt wird, dass das Ar der Kontamination die Zusammensetzung des modernen atmosphärischen Ar besitzt
Messung aller Ar-Isotope:
40Ar für die Datierung
38Ar als Spike
36Ar (IVA) wird zur Korrektur verwendet
40Ar* = 40Argesamt – 40Aratmosphärisch
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4. K-Ar
36Ar ist gegenüber 40Ar in sehr geringer Konzentration vorhanden
erhöhter Messfehler für 36Ar
Fehler bei der Korrektur des 40Ar
Relevanz für geologische Proben: 40Ar*/40Aratmosphärisch
junge Proben: < 40Ar*
alte Proben: > 40Ar*
Je älter die Probe, desto weniger fällt die Kontamination mit atmosphärischem Ar ins Gewicht
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4. K-Ar
Problem des geschlossenen Systems
t gibt den Zeitpunkt der Schließung nur dann korrekt wieder, wenn das betroffene geologische System
- zum Zeitpunkt t kein Ar enthalten hat
- von t an für K und Ar geschlossen war
Probleme werden in erster Linie durch das Ar verursacht (Edelgas, kein Einbau im Gitter, Diffusionsfreudigkeit)
- Argonverlust
- Überschussargon
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Datierung nur über Minerale mit einem gewissen Ar-Haltevermögen:
geeignet
Amphibole
Glimmer
z.T. Gesamtgestein
wenig geeignet
Feldspäte
Feldspatvertreter
K-Salze
4. K-Ar
Argonverlust durch Diffusion
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4. K-Ar
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4. K-ArArgonverlust durch Aufheizung
Wird das System wieder aufgeheizt, dann kommt es mit Annäherung an die Schließungstemperatur zu einer verstärkten Ar-Diffusion
Eldora Quarzmonzonit-Intrusion in die metamorphe Idaho Springs Fromation (Colorado)
Metamorphosealter:
1400-1350 Ma
Intrusionsalter:
55 Ma
Kontaktaureole
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4. K-Ar
Ar-Verlust weiterhin bei
Wiederaufheizung durch neue Regionalmetamorphose
Mechanische Beanspruchung (Schockwellen, Aufbereitung??)
Chemische Verwitterung (auch K)
Hydrothermale Alteration (auch K)
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4. K-Ar
Überschuss-Argon durch ererbten Ar-Anteil
Reliktisches Argon, das zur Zeit t bereits im System vorliegt
Mantelargon: Vulkanite
Schnelle Abkühlung mit unvollständiger Entgasung
Wechselwirkung zwischen Schmelze und Nebengestein: z.B. Pegmatite
Restargon aus unvollständiger Aufheizung: z.B. niedriggradige Regionalmetamorphose, Kontaktmetamorphose
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4. K-Ar
Überschuss-Argon durch zugeführten Ar-Anteil
Aufnahme von vagabundierendem Argon, vor allem durch Biotit, seltener Hornblende:
- Hydrothermale Beeinflussung
- Randbereich von Metamorphosegebieten
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4.3. Anwendung der K-Ar Datierung
in der Geologie/Petrologie
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4. K-Ar
Datierung von Plutoniten:
Abkühlalter:
Hornblende
Muscovit
Biotit
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4. K-Ar
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4. K-Ar
Falkenberger Granit
K-Ar und Rb-Sr Glimmeralter
(Rb-Sr Gesamtgestein
311 Ma)
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4. K-ArDatierung von Vulkaniten:
Abkühlalter:
Hornblende
Biotit
Sanidin
Vulkanische Gläser
Gesamtgestein WR
Vorsicht!
Gesamtgestein oft alteriert Ar-Verlust Glas rekristallisiert, Sekundärminerale wie Zeolith, Calcit, Tonminerale
Xenolithe, Mantel-Argon Ar-Überschuss
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Beispiel:
Parkstein K-Ar WR 24 Ma
4. K-Ar
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4. K-Ar
Beispiel:
Ozeanböden sea-floor-spreading
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4. K-ArDatierung der Sedimentation
Problem:
Die Minerale von Sedimenten stammen normalerweise aus dem Liefergebiet.
Authigene Minerale enthalten entweder kein K oder kein verlässliches Haltevermögen des Ar
Möglichkeit:
Pyroklastit- oder Bentonitlagen mit Mineralen, die den Zeitpunkt des vulkanischen Ereignisses wiedergeben und der Alteration entgangen sind: Sanidin, Biotit, Amphibol, vulkanisches Glas
Bei mehreren Lagen:
Abschätzung der Sedimentationsrate
Eichung des biostratigraphischen Skala
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4. K-Ar
Möglichkeit:
Datierung über Glaukonit (manchmal auch Sericit/Muscovit)
(K,Na,Ca)0.6-1(Fe3+,Al,Fe2+,Mg)2[Si3,5-3,8Al0.5-0.2O10] (OH)2 n(H2O)
K Al2 [ Si3AlO10 ] (OH)2 (Muscovit)
Glaukonit wird in gemäßigten Breiten während der Sedimentation gebildet.
Voraussetzungen:
- gute Kristallausbildung
- nicht metamorph oder tektonisch beansprucht
- oft verjüngt, deshalb eher Minimalalter als tatsächliches Alter
(Essener Grünsandstein (Cenoman, Turon))
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4. K-Ar
Datierung von Metamorphiten:
Abkühlalter:
Hornblende
Muscovit
Biotit
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4. K-Ar
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4. K-Ar
Ostbayern
Zone Erbendorf-Vohenstrauß (ZEV)
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4. K-Ar
Ostbayern
Zone Erbendorf-Vohenstrauß (ZEV)
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4.3. Praktische Durchführung der K-Ar Datierung
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4. K-Ar
Bei der K-Ar Methode werden fast immer Mineralfraktionen datiert.
Aufbereitung:
- frische Probe von Verwitterungsrinden, Kluftbelägen, Gangfüllungen, Sekundärmineralisationen befreien
- zerkleinern im Backenbrecher auf Splitgröße
- kurz Anmahlen in der Scheibenschwingmühle
- Siebkolonne, geeignete Fraktionen auswählen (oft 63-125 m, 125-250 m)
- säubern der benötigten Siebfraktionen im Ultraschall
- Mineraltrennung: Magnetscheider, (Nass-)Schütteltisch, Glasplatte
- dazwischen mehrfach Ultraschall und Nachsieben
- letzte Säuberung des Konzentrats mit der Präpariernadel u.d. Binokular
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4. K-Ar
Vorbereitung zur Messung:
K und Argon werden getrennt gemessen
- Probenteilung repräsentativ (Karussell)
- Einwaage von 2 Aliquots zur K- und Ar-Messung
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4. K-Ar
Messung von 40K
Bestimmung des gesamten K mit Hilfe konventioneller Analytik
- Flammenphotometer
- Atomabsorptionsanalyse AAS
- andere spektralanalytische Methoden
Errechnen des 40K auf der Basis des aktuellen K-Isotopenverhältnisses
39K : 40K : 41K = 93,2581 : 0.01167 : 6,7302
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4. K-Ar
Messung von Ar
Massenspektrometrisch im Gas-Massenspektrometer
- Probe wird in Alufolie eingewogen und eingewickelt
- Probenserie in horizontalem Glasrohr wird an das Rohrleitungssystem des Massenspektrometers angeschweißt
- Hochvakuum
- Transport der Einzelprobe in einen Mo-Tiegel
- Induktionsheizung ca. 1600°C
- Gas-Spike, Gaspipette
- Gasreinigung mit CuO: H2 H2O, CO CO2, wird eingefroren
- Gasreinigung mit heißem Ti-Getter (850°C): Adsorption weiterer Nichtedelgase
- Messung der drei Ar-Isotope
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4. K-Ar
Ar-Gas-Massenspektrometer
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4. K-ArZusammenfassung:
Lange Zeit wesentliche Standardmethode zur Datierung der Abkühlung nach einem geologischen Temperaturereignis: Intrusionen, Extrusionen, Metamorphose, seltener Sedimentation.
Datiert werden i.d.R. Mineralfraktionen, meist Hornblende, Biotit, Muscovit, seltener Gesamtgestein, Sanidin, vulk. Glas
Problem: Geschlossenes System, Ar-Verlust oder –Gewinn
Abhilfe: Größere Probenmenge oder besser:
Die 40Ar-39Ar Methode