Аргон-аргоновое датирование

Калий-аргоновый метод датирования минералов и горных пород, применяющийся с 1948 года^[2][3], обладает рядом недостатков. Во-первых, он требует разделения образца на две части для отдельных измерений содержания калия и аргона, вследствие чего датировать можно только достаточно крупные образцы^[4][1]. Однако для крупных образцов острее стоит проблема их возможной неоднородности; они с высокой вероятностью могут содержать в себе значительное количество внешних загрязнителей (например, ксенолитов) либо изменённого материала, который обменивался атомами с окружающей средой. При этом в образец мог быть занесён лишний калий, вследствие чего отношение содержаний в нём радиогенного и родительского изотопов и, как следствие, вычисленный радиоизотопный возраст образца могут оказаться заниженными^[4].

Во-вторых, калий-аргоновый метод основан на нескольких допущениях, справедливость которых не может быть гарантирована:

• в момент остывания образца весь аргон из него улетучился;
• на протяжении своей истории образец оставался закрытой системой, не обмениваясь атомами калия и аргона с окружающей средой;
• если даже образец был загрязнён аргоном из внешней среды, то изотопный состав этого привнесённого аргона соответствует изотопному составу аргона в атмосфере Земли (что позволяет учесть долю «лишних» атомов ⁴⁰Ar путём измерения содержания в образце изотопа ³⁶Ar и зная соотношение концентраций этих изотопов в атмосфере).

Для преодоления этой и других трудностей в середине 1960-х годов американским геофизиком из Смитсоновской астрофизической обсерватории и Гарвардской обсерватории Крейгом Меррихью (1933–1965)^[5] и британским геохимиком из Шеффилдского университета Гренвиллом Тёрнером (1936—2024) был предложен аргон-аргоновый метод датирования, который основан на сравнении содержаний двух изотопов аргона (⁴⁰Ar и ³⁹Ar)^[4][6]. Их статья с описанием метода была опубликована в 1966 году^[7] (более чем через год после трагической гибели Меррихью). Данный метод технически сложнее, но имеет ряд преимуществ, поскольку позволяет датировать небольшие образцы, требует измерения только относительных содержаний разных изотопов одного и того же химического элемента (а не абсолютных значений концентрации атомов разных элементов), а также он позволяет определить, была ли изотопная система в минерале закрыта или нет^[2][1].

Калий является восьмым по распространённости химическим элементом в земной коре и входит в состав многих горных пород и породообразующих минералов. В природе калий присутствует в виде трёх изотопов: ³⁹K (составляет 93,2581 ± 0,0029 % от всех атомов калия), ⁴⁰K (0,01167 ± 0,00004 %) и ⁴¹K (6,7302 ± 0,0029 %)^[8]. Аргон также встречается в виде трёх изотопов: ³⁶Ar (0,337 %), ³⁸Ar (0,063 %) и ⁴⁰Ar (99,60 %)^[9]. Изотоп калия ⁴⁰K радиоактивен и распадается на стабильные изотопы кальция ⁴⁰Ca (с вероятностью 89,28 ± 0,13 %) и аргона ⁴⁰Ar (с вероятностью 10,72 ± 0,13 %) с общим периодом полураспада 1,248 млрд лет^[10][11].

Аргон, будучи инертным газом, легко улетучивается из расплавленного материала. Однако после кристаллизации минерала атомы аргона, образующиеся при радиоактивном распаде калия, оказываются «запертыми» в кристаллической решётке и с этого момента накапливаются в ней. Таким образом, содержание в образце радиогенного (т. е. образующегося в результате распада калия) изотопа аргона ⁴⁰Ar растёт с течением времени. Поэтому, измеряя отношение содержаний в образце радиогенных атомов ⁴⁰Ar и оставшихся атомов ⁴⁰K, можно вычислить возраст образца с момента затвердевания породы (т. н. возраст остывания). Помимо радиоактивного изотопа ⁴⁰K любой образец содержит также стабильный изотоп ³⁹K, причём отношение распространённостей этих двух изотопов в природе известно (см. выше) и считается везде одинаковым^[3].

Предназначенный для датирования образец обычно измельчается, после чего вручную отбираются монокристаллы минерала или фрагменты горной породы. Затем они подвергаются облучению нейтронами в ядерном реакторе, вследствие чего содержащиеся в образцах стабильные изотопы калия ³⁹K превращаются в радиоактивные изотопы аргона ³⁹Ar в ходе ядерной реакции ³⁹K + n → ³⁹Ar + p. Изотоп ³⁹Ar радиоактивен и распадается с относительно коротким периодом полураспада — около 270 лет, поэтому в природе (в частности, в атмосфере Земли) он практически не встречается. Это даёт основание считать, что все присутствующие в образце после данной процедуры атомы ³⁹Ar образовались вследствие нейтронного облучения и, следовательно, их содержание в образце пропорционально содержанию атомов ³⁹K и может служить его индикатором^[1]. Поскольку отношение распространённостей изотопов ⁴⁰K и ³⁹K в природе постоянно, содержание изотопа ³⁹Ar может служить индикатором содержания изотопа ⁴⁰K.

После нейтронного облучения осуществляется нагрев и плавление образца в условиях высокого вакуума с помощью лазера или печи сопротивления. Нагрев приводит к разрушению кристаллической структуры минерала (или минералов) и выделению содержащихся в нём газов (дегазации). Среди них могут присутствовать как атмосферные газы (например, углекислый газ, водяной пар, азот), так и радиогенные газы (в частности, аргон и гелий), образовавшиеся в результате непрерывного радиоактивного распада нестабильных атомов с течением геологического времени. Затем выделенный аргон пропускается через масс-спектрометр, с помощью которого измеряется относительное содержание его изотопов ⁴⁰Ar, ³⁹Ar, ³⁷Ar, ³⁶Ar и иногда ³⁸Ar. После этого определяется отношение содержаний радиогенных атомов изотопа ⁴⁰Ar и атомов ³⁹Ar, образовавшихся из ³⁹K при облучении нейтронами. Для вычисления доли радиогенных атомов ⁴⁰Ar в общем количестве атомов этого изотопа используется измеренное содержание изотопа ³⁶Ar^[12].

После того как все необходимые величины измерены радиоизотопный возраст остывания образца ${\displaystyle t}$ может быть вычислен по формуле^[1]:

${\displaystyle t={\frac {1}{\lambda }}\ln {\left(1+J{\frac {^{40}\!{\text{Ar}}^{*}}{^{39}{\text{Ar}}^{K}}}\right)}.}$

В этом выражении:

• ${\displaystyle ^{40}\!{\text{Ar}}^{*}}$ — количество радиогенных атомов ⁴⁰Ar в образце (т. е. атомов ⁴⁰Ar, образовавшихся именно в результате распада ⁴⁰K);
• ${\displaystyle ^{39}{\text{Ar}}^{K}}$ — количество атомов ³⁹Ar, образовавшихся из атомов ³⁹K при облучении нейтронами;
• ${\displaystyle \lambda }$ — общая постоянная распада изотопа ⁴⁰K по всем каналам распада, равная ${\displaystyle \lambda =5{,}543\times 10^{-10}\ {\text{год}}^{-1}}$^[13];
• ${\displaystyle J}$ — коэффициент, учитывающий несколько факторов: вероятность распада изотопа ⁴⁰K до ⁴⁰Ar, отношение природных распространённостей изотопов ⁴⁰K и ³⁹K, а также долю атомов ³⁹K, превратившихся в ³⁹Ar при нейтронном облучении в реакторе (которая зависит от изначальной концентрации атомов ³⁹K, сечения захвата нейтронов атомами ³⁹K, потока нейтронов и длительности облучения^[9]).

Коэффициент ${\displaystyle J}$ можно определить, используя эталонный образец заведомо известного возраста ${\displaystyle t_{m}}$, установленного независимым методом. Эталон подвергают нейтронному облучению в реакторе вместе с исследуемым образцом (тогда коэффициент ${\displaystyle J}$ для них будет одинаков) и проводят для него аналогичные измерения содержания различных изотопов аргона. После этого коэффициент ${\displaystyle J}$ может быть вычислен по формуле^[1]:

${\displaystyle J={\frac {{\text{e}}^{\lambda t_{m}}-1}{\left(^{40}\!{\text{Ar}}^{*}/^{39}{\text{Ar}}^{K}\right)_{m}}},}$

где отношение в знаменателе измерено для эталонного образца. Для независимого датирования эталона используются другие методы радиоизотопного датирования (например, калий-аргоновый)^[9], астрохронология^[14] и прочие методы.

При нейтронном облучении образца атомы ³⁹Ar образуются не только из ³⁹K, но и из других атомов, таких как ⁴²Ca, ⁴³Ca, ⁴⁰K, ³⁸Ar и ⁴⁰Ar. Однако для расчётов по вышеприведённым формулам требуется использовать только содержание атомов ³⁹Ar, образовавшихся из ³⁹К, и никаких других. Кроме того, при облучении образца нейтронами в нём могут образоваться лишние атомы ⁴⁰Ar из атомов ⁴³Ca, ⁴⁴Ca, ⁴⁰K и ⁴¹K. Поэтому для исключения лишних атомов из расчётов проводятся дополнительные измерения с контрольными образцами, состоящими из чистых солей (например, содержащих кальций) и стёкол. Эти контрольные образцы также облучаются в реакторе, после чего измеряется соотношение количеств образовавшихся в них изотопов аргона. Например, при взаимодействии нейтронов с атомами кальция образуется значительное количество изотопа ³⁷Ar, а также ³⁶Ar, ³⁸Ar, ³⁹Ar и ⁴⁰Ar. Исследование контрольных образцов помогает установить пропорции атомов этих изотопов, образующихся из кальция. Затем, измерив количество атомов ³⁷Ar в исследуемом образце после облучения и используя найденные пропорции, можно учесть количество в нём «лишних» атомов ³⁹Ar, образовавшихся не из калия-39, а из кальция, и ввести соответствующий поправочный коэффициент в расчёты. Аналогичным образом учитывается вклад других «нежелательных» ядерных реакций^[9][1].

Аргон-аргоновый метод датирования обладает рядом преимуществ по сравнению с калий-аргоновым. Во-первых, для него требуется только один небольшой фрагмент горной породы или зерна минерала и однократное измерение содержания изотопов аргона^[4]. Если для калий-аргонового датирования требуются образцы массой не менее десятков граммов, то аргон-аргоновый метод допускает использование образцов массой всего несколько миллиграммов^[15]. Для него менее остро стоит проблема возможной неоднородности образца^[1].

Во-вторых, одной из проблем калий-аргонового метода является то, что измерение содержания изотопов калия и аргона в образце производится разными методами, вследствие чего требуется измерять абсолютные значения концентрации изотопов, а затем вычислять их отношение. Аргон-аргоновый метод обладает более высокой точностью за счёт того, что требует измерения только относительного содержания изотопов одного и того же химического элемента (аргона)^[1].

В-третьих, при использовании аргон-аргонового метода существует возможность постепенно нагревать образец со ступенчатым повышением температуры и выделением отдельных порций газа на каждом этапе. После этого можно вычислить радиоизотопной возраст для каждой газовой фракции отдельно, в результате чего получается последовательность из нескольких значений возраста образца, определённых при разных значениях температуры (эту зависимость возраста образца от температуры иногда называют «возрастным спектром»). Это полезно для проверки того, оставался ли образец закрытой системой на протяжении своей истории или нет. Если полученные значения возраста одинаковы (возрастной спектр является «плоским»), то это означает, что образец являлся закрытой системой и полученное значение возраста является надёжным. Калий-аргоновый метод таким способом контроля точности результата не обладает. Если же «возрастной спектр» образца не является «плоским», то его форма может дать информацию о характере обмена аргоном с окружающей средой (происходила ли потеря аргона либо приобретение его избытка) и о вероятном возрасте образца^[1].

Основным применением аргон-аргонового метода является датирование событий охлаждения метаморфических и магматических горных пород ниже температуры закрытия того или иного минерала (температуры, при которой радиогенный аргон перестаёт улетучиваться из минерала и начинает накапливаться в нём, т. е. минерал становится закрытой системой). Разные минералы имеют разные температуры закрытия: например, у биотита она равна 280—400 °C, у мусковита — 300—450 °C, у роговой обманки — 500—620 °C^[16]. Таким образом, если горная порода (например, гранит) содержит эти три минерала, то, датировав каждый из них по отдельности, можно определить три момента времени в прошлом, когда порода имела то или иное значение температуры, соответствующее температурам закрытия каждого из этих минералов, т. е. реконструировать историю остывания, или тепловую эволюцию данной породы.

Аргон-аргоновый метод играет ключевую роль в геохронологии, например для определения времени извержений вулканов, датировки различных этапов магматизма, ударных событий, горообразования и др. С его помощью изучаются тектонические процессы, а также проводятся геоспидометрические исследования (т. е. изучаются скорость и продолжительность геологических процессов)^[17]. Он использовался для датировки метеоритов возрастом несколько миллиардов лет^[15]. В 2023 году аргон-аргоновым методом был измерен возраст 7 марсианских метеоритов, относящихся к подгруппе шерготтитов. Полученные возрасты составили от 161 ± 9 до 540 ± 63 млн лет. Таким образом, было доказано, что шерготтиты происходят из молодых (возрастом менее 700 млн лет) вулканических отложений на поверхности Марса^[18][19].

Кроме того, метод применяется в палеонтологии и археологии. С его помощью установлен возраст фрагментов скелета австралопитека Люси, найденных в Эфиопии; ископаемых останков представителей Homo erectus, обнаруженных на острове Ява, и др. Аргон-аргоновый метод использовался для определения времени массовых вымираний, изменений климата и других геологических событий за последние несколько сотен миллионов лет^[15].

Точность аргон-аргонового метода была подтверждена правильной датировкой извержения вулкана Везувий, произошедшего в 79 году и уничтожившего город Помпеи. Исследование было проведено учёными из Геохронологического центра в Беркли и Неаполитанского университета в 1997 году. Для этого использовались образцы богатого калием санидина, добытые при раскопках виллы Поппеи в Оплонтисе, неподалёку от Помпей. Вычисленный радиоизотопный возраст вулканической породы составил 1925 ± 94 лет (реальное значение — 1918 лет). Это означает, что аргон-аргоновый метод способен датировать породы в очень широком диапазоне возрастов — от 2000 лет до нескольких миллиардов лет^[15].

Одной из проблем аргон-аргонового метода является небольшое расхождение с результатами других методов датирования^[20]. В 2008 году было показано, что в радиоизотопные возрасты, измеренные аргон-аргоновым методом, следует вносить поправку величиной 0,65 %. В таком случае более точная оценка времени мел-палеогенового вымирания составляет около 66,0 млн лет назад (в отличие от более ранней оценки, составлявшей 65,5 млн лет)^[21].