4.2. КАЛИЙ-АРГОНОВЫЙ МЕТОД

4.2.1. Калий-аргоновый метод датирования

Калий - щелочной элемент группы IA Периодической системы. Это один из восьми наиболее распространенных в земной коре химических элементов. Калий является петрогенным элементом и входит в состав распространенных породообразующих минералов: полевых шпатов, слюд, амфиболов, пироксенов, фельдшпатоидов. Будучи литофильным элементом, он обогащает верхнюю часть земной коры в процессе эволюции магматических расплавов. Как щелочной элемент, калий входит в состав эндогенных флюидов и участвует в метасоматических процессах. В процессе галогенеза образует собственные минералы - сильвин, карналлит. Входит в решетки глинистых минералов.

Аргон - благородный газ, элемент VIII группы Периодической системы. Характеризуется химической инертностью. В минералах калия находится в свободном состоянии, будучи механически заключен в структуру минерала. Радиус атома аргона - 1,9 Å. Аргон входит в состав атмосферных газов.

В природе обнаружены следующие изотопы калия и аргона (в атомн. % от суммы изотопов):

Изотоп калия ⁴⁰К радиоактивен, при распаде превращается либо в ⁴⁰Аr (11,2% атомов), либо в ⁴⁰Са (88,8% атомов). Превращение ⁴⁰К в ⁴⁰Аr происходит путем электронного захвата и сопровождается испусканием γ-излучения с энергией 1,46 МэВ. В 0,001% случаев происходит позитронный распад с испусканием

85

двух аннигиляционных γ-фотонов с общей энергией 1,02 МэВ. Превращение атомов ⁴⁰К в ⁴⁰Са происходит путем β-распада.

Каждой ветви распада соответствует своя константа распада. Полная константа λ = λ_э.з. + λ_β-. Таким образом, процесс распада ⁴⁰К будет описываться следующим уравнением:

Доля атомов ⁴⁰К, превращающихся в ⁴⁰Аr, определяется отношением констант: λ_э.з. /λ. Следовательно, накопление ⁴⁰Аr из ⁴⁰К будет происходить в соответствии с уравнением

По рекомендации Подкомиссии по геохронологии, значения констант распада следующие (Фор, 1989):

λ_э.з. = 0,581 · 10^-10 год^-1, λ_β- = 4,962 · 10^-10 год^-1, λ = 5,543 · 10^-10 год^-1.

В принципе, количество определяемого аналитически аргона будет складываться из двух составляющих: радиогенного аргона ⁴⁰Аr* и первичного ⁴⁰Аr₀, захваченного системой при кристаллизации, - ⁴⁰Аr = ⁴⁰Аr* + ⁴⁰Аr₀. Если в момент образования минерала аргон не был захвачен, ⁴⁰Аr₀ = 0, то расчетное уравнение для определения времени будет иметь вид

Время будет соответствовать возрасту минерала при соблюдении следующих условий.

1. Минерал стал закрытой системой относительно Аr достаточно быстро после образования и оставался в таком состоянии все время своего существования.
2. В момент кристаллизации минерала не произошел захват Аr.
3. Минерал оставался закрытой системой относительно К все время своего существования.
4. Введена поправка на атмосферный аргон.

Для датирования в минерале определяют общее содержание калия любым методом, погрешность которого сопоставима с погрешностью определения аргона. Количество радиогенного аргона определяют на масс-спектрометре методом изотопного разбавления с добавлением индикаторного аргона (трассера), обогащенного изотопом ³⁸Аr. Аргон извлекается из расплавленного образца, очищается от химически активных газов (Н₂, О₂, СО₂, N₂). Смесь аргона образца и трассера вводят в ионный источник

86

масс-спектрометра и определяют отношения изотопов аргона ⁴⁰Аr/³⁸Аr и ³⁸Аr/³⁶Аr. Количество радиогенного ⁴⁰Аr находят из уравнения (Фор, 1989)

где ³⁸Аr_и - число молей индикаторного ³⁸Аr, добавленного в процессе опыта, символы "и", "с" и "а" относятся к изотопным отношениям в индикаторе, анализируемой смеси и атмосфере соответственно.

Гораздо сложнее учитывать погрешности, связанные с сохранностью аргона и калия, а также с захватом аргона при кристаллизации минерала и калия в результате более поздних наложенных процессов. Возможность захвата аргона особенно важна при анализе образцов молодого возраста. Закрытость системы зависит от кристаллохимических особенностей минералов и их истории. Главной причиной потерь аргона является термальный метаморфизм. Поэтому возраст изверженных пород, полученный К - Аr-методом, будет соответствовать времени последнего термального метаморфизма, в результате которого был полностью или частично потерян аргон. Хорошей иллюстрацией таких потерь могут служить исследования С.Р. Харта (см.: Гамильтон, 1969) в контактово-метаморфической зоне интрузии (рис. 4.2). Было выполнено датирование вмещающих интрузию пород докембрия по роговой обманке, биотиту и калиевому полевому шпату на различных расстояниях от интрузивного контакта. Доля потерянного аргона уменьшалась при удалении от контакта. Наибольшие потери аргона наблюдались для полевых шпатов. Кажущийся К - Аr-возраст, определенный по калиевым полевым шпатам, стабилизируется лишь на расстоянии 6869 м от интрузии. Для биотита стабилизация возраста отмечена уже на расстоянии 4270 м от зоны контакта. Сохранность радиогенного аргона наилучшая в образцах роговой обманки, где постоянные значения возраста отмечены через 30 м. Результаты работы доказывают потери аргона при контактовом метаморфизме, причем наилучшая сохранность наблюдается для роговой обманки. Полевые шпаты непригодны для подобных исследований. На практике чаще других минералов используются слюды для К - Аr-датирования.

87

Рис. 4.2. Вариации К - Ar-возрастов в зависимости от расстояния до интрузивного контакта (а): 1 - амфибол; 2 - биотит; 3 - полевой шпат. Связь между потерями аргона и структурой интрузии (б): А - древние породы без потерь аргона под воздействием интрузии; Б - поздние интрузивные образования: В - зона существенной потери аргона у биотитов (nо Doe, Hart, из Гамильтона, 1968)

В принципе, в минерале всегда может находиться некоторая доля нерадиогенного аргона, захваченного минералом в процессе кристаллизации. Следует учитывать, что захваченный аргон может быть нерадиогенным лишь по отношению к системе данного минерального зерна, образовавшись в результате распада ⁴⁰К других минералов коры и мантии. Избыточный первичный аргон часто содержат минеральг метаморфических пород, такие, как берилл, кордиерит, пироксен, турмалин. В роговой обманке, полевом шпате, флогопите, биотите, содалите избыток ⁴⁰Аr встречается редко. Учесть избыточный Аr атмосферного происхождения позволяет уравнение (4.8). Однако если минералы содержат избыточный аргон магматического или метаморфического происхождения, то рассчитанный К - Аr-возраст окажется выше истинного возраста минерала.

Для учета избыточного аргона используют метод изохрон (см. разд. 4.1). Для построения изохроны используют минералы из одного и того же геологического тела с различным содержанием калия (рис. 4.3). Для построения изохроны используют уравнение

Рис. 4.3. К - Ar-изохрона по белым слюдам из отложений Нана, Юго-Западная Африка, 530 млн лет (Изогенная геология, 1984)

88

Датирование вулканических пород выполняют по породе в целом. Если размер зерен достаточен для их выделения, используют мономинеральные фракции амфибола, биотита, санидина либо безводные вулканические стекла.

Применение К - Аr-метода к осадочным породам возможно в двух вариантах. По аутогенным минералам хорошей сохранности (глауконитам) определяют время осадконакопления. Однако в ряде случаев наблюдается "открытость" минеральной системы, затрудняющая интерпретацию датировок. Анализ терригенных минералов из обломочных пород дает возраст более древних изверженных пород, служивших источниками сноса в бассейны седиментации. Сравнения полученных данных с возрастом изверженных пород, окружающих древние бассейны, позволяют установить области сноса обломочного материала.

89