Kalium-Argon-Datierung

Die Kalium-Argon-Datierung ist eine radiometrische Altersbestimmung, mit der man das geologische Alter von Gesteinen ermittelt (Geochronologie), wobei der radioaktive Zerfall von ⁴⁰Kalium zu ⁴⁰Argon verwendet wird. ⁴⁰K ist ein Betastrahler und zerfällt mit einer Halbwertszeit von $1.25*10^{9}$ Jahren zu Argon bzw. Calcium. Dabei führen 11% der Zerfälle zu stabilen Argon, der Rest zu Calcium. Kalium kommt in häufigen gesteinsbildenden Mineralien wie Glimmern, Feldspäten und Hornblenden vor, weswegen diese Datierungstechnik oft erfolgreich in irdischen Gesteinen angewendet wird. Daneben wird die Kalium-Argon-Datierung auch für extraterrestrische Gesteine, etwa Apollo-Mondproben und Meteoriten, sehr oft angewendet, wobei bisher Alter bis zu etwa 4,6 Milliarden Jahren, dem Alter unseres Sonnensystems, bestimmt wurden.

Allgemeines

⁴⁰K zerfällt gemäß folgender Zerfallsgesetze zu ⁴⁰Ar und ⁴⁰Ca:

• ${}^{40}\mathrm {K} +\mathrm {e} ^{-}\rightarrow {}^{40}\mathrm {Ar} +\gamma (1,505MeV)$

λ_ε = 0,581.10^-10/an

• ${}^{40}\mathrm {K} \rightarrow {}^{40}\mathrm {Ca} +\beta ^{-}(1,311MeV)$

λ_β = 4,962.10^-10/an

Ist das Verhältnis von Tochterisotop ⁴⁰Ar zum Mutterisotop ⁴⁰K bekannt, kann die Zerfallszeit berechnet werden nach:

• $t={\frac {1}{\lambda }}\cdot \ln(1+{\frac {\lambda }{\lambda _{\epsilon }}}\cdot {\frac {{}^{40}\mathrm {Ar} _{t}}{{}^{40}\mathrm {K} _{t}}})$

$\lambda =\lambda _{\epsilon }+\lambda _{\beta }$

⁴⁰K-⁴⁰Ar-Methode

Die einfachste Anwendung ist die einfache Messung der Konzentrationen von Kalium (z. B. mittels Atomemissionspektrometrie) und ⁴⁰Ar (mittels Edelgasmassenspektrometrie in einer Probe. Aus der Konzentration von Kalium kann wegen der bekannten Isotopenverhältnisse der Kaliumisotope die Konzentration des Isotopes ⁴⁰K berechnet werden. Aus dem Verhältnis von ⁴⁰K zu ⁴⁰Ar kann dann wiederum das Kalium-Argon-Alter berechnet werden. Dies setzt voraus, dass das zu datierende Ereignis, z. B. die Kristallisation eines Gesteins aus einer Schmelze, die "Kalium-Argon-Uhr zurückgesetzt" hat. D. h., dass durch das zu datierende Ergeignis alles vorher eventuell vorhandene ⁴⁰Ar aus dem Gestein entwichen ist, so dass direkt nach dem Ereignisses kein ⁴⁰Ar mehr vorhanden war. Da Argon als Edelgas beim vollständigen Aufschmelzen eines Gesteins sehr einfach entweicht, ist das in diesem Fall meist gegeben und diese einfache Methode liefert bei der Datierung der Kristallisation eines Gesteins aus einer Schmelze oftmals brauchbare Ergebnisse. Sollen Schockereignissn, z. B. der Einschlag eines großen Asteroiden, datiert werden, ist dies nicht mehr unbedingt gegeben, da selbst bei extrem großen Drücken, welche die Schockwellen im Gestein erzeugen, schon beobachtet wurde, dass ⁴⁰Ar nicht vollständig entweicht. Des Weiteren muss auch sichergestellt sein, dass spätere Ereignisse wie etwa Diffusion von Argon aus dem Gestein das Alter nicht verfälscht. Deswegen wird heute meist die ausgefeiltere ³⁹Ar-⁴⁰Argon-Methode angewendet, welche in der Lage ist, Störungen des Kalium-Argon-Isotopensytems zu detektieren, um sicherzustellen, dass ein Kalium-Argon-Alter zuverlässig ist. In gewissem Umfang kann man auch durch Mineralseparation und Bestimmung des Kalium-Argon-Alters unabhängig voneinander in verschiedenen Mineralen aus demselben Gestein eine Verfälschung des Alters ausschließen. Des Weiteren werden bei der Edelgasmassenspektrometrie routinemäßig auch die anderen stabilen Argonisotope ³⁶Ar und ³⁸Ar mitbestimmt, womit man das eventuelle Vorhandensein nichtradiogenens ⁴⁰Ar überprüfen kann.

³⁹Ar-⁴⁰Ar-Methode

Bei der ³⁹Ar-⁴⁰Ar-Methode wird die zu messende Probe in einem Forschungsreaktor mit schnellen Neutronen bestrahlt (Neutronenaktivierung), wobei ein Teil des in der Probe vorhandenen ³⁹K in ³⁹Ar umgewandelt wird. Zu Eichzwecken wird dabei gleichzeitig immer auch ein Mineral-Standard bekannten Alters als Monitorprobe mitbestrahlt. Danach werden die Proben schrittweise in bestimmten Temperaturstufen erhitzt und mittels Edelgasmassenspektrometrie das Verhältnis von ³⁹Ar zu ⁴⁰Ar des in den einzelnen Temperaturstufen ausgegaseten Argons gemessen. Die gemessenen ³⁹Ar/⁴⁰Ar-Verhältnisse werden dann über die Temperatur in ein Diagramm eingetragen. Zeigt sich in dem Diagramm der Probe ein Plateau im Hochtemperaturbereich, also ein ausgedehnter Temperatur-Bereich in dem das ³⁹Ar/⁴⁰Ar-Verhältnis praktisch konstant ist, so kann eine Störung des Kalium-Argon-Systems in diesem Bereich ausgeschlossen werden. Es kann dann über das ³⁹Ar/⁴⁰Ar-Verhältnis des Plataeus ein Argon-Argon-Alter berechnet werden, wobei das ebenfalls bestimmte ³⁹Ar/⁴⁰Ar-Verhältnis der Monitorprobe zur Eichung dient. Zeigt sich im Diagramm der Probe kein Plateau, muss davon ausgegangen werden, dass das Kalium-Argon-Isotopensystem des Gesteins aus welchem die Probe stammt gestört ist, oftmals durch Argonverlust wegen Diffusion. Es kann dann kein zuverlässiges Argon-Alter zugeordnet werden.