Méthodes de datation potassium-argon: datation K-Ar et Ar-Ar

Le potassium-argon (K-Ar) datation isotopique est particulièrement utile pour déterminer l'âge des laves. Développé dans les années 1950, il était important pour développer la théorie de tectonique des plaques et en calibrant le échelle de temps géologique.

Potassium se produit dans deux isotopes stables (⁴¹K et ³⁹K) et un isotope radioactif (⁴⁰K). Le potassium-40 se désintègre avec une demi-vie de 1250 millions d'années, ce qui signifie que la moitié des ⁴⁰Les atomes K ont disparu après ce laps de temps. Sa désintégration donne de l'argon-40 et du calcium-40 dans un rapport de 11 à 89. La méthode K-Ar fonctionne en comptant ces radiogènes ⁴⁰Les atomes d'ar sont piégés à l'intérieur des minéraux.

Ce qui simplifie les choses, c'est que le potassium est un métal réactif et l'argon est un gaz inerte: le potassium est toujours étroitement enfermé dans les minéraux tandis que l'argon ne fait partie d'aucun minéral. L'argon représente 1% de l'atmosphère. Donc, en supposant qu'aucun air ne pénètre dans un grain minéral lors de sa formation, il n'a aucune teneur en argon. C'est-à-dire qu'un grain minéral frais a son "horloge" K-Ar réglée à zéro.

La méthode repose sur la satisfaction de certaines hypothèses importantes:

1. Le potassium et l'argon doivent tous deux rester dans le minéral au cours du temps géologique. C'est le plus difficile à satisfaire.
2. Nous pouvons tout mesurer avec précision. Des instruments avancés, des procédures rigoureuses et l'utilisation de minéraux standard le garantissent.
3. Nous connaissons le mélange naturel précis d'isotopes de potassium et d'argon. Des décennies de recherche fondamentale nous ont fourni ces données.
4. Nous pouvons corriger tout argon de l'air qui pénètre dans le minéral. Cela nécessite une étape supplémentaire.

Étant donné un travail minutieux sur le terrain et en laboratoire, ces hypothèses peuvent être satisfaites.

L'échantillon de roche à dater doit être choisi très soigneusement. Toute altération ou fracture signifie que le potassium ou l'argon ou les deux ont été perturbés. Le site doit également être géologiquement significatif, clairement lié aux roches fossilifères ou à d'autres caractéristiques qui ont besoin d'une bonne date pour rejoindre la grande histoire. Les coulées de lave qui se trouvent au-dessus et au-dessous des lits rocheux avec d'anciens fossiles humains en sont un bon exemple.

La sanidine minérale, la forme à haute température de feldspath potassique, est le plus souhaitable. Mais micas, le plagioclase, la hornblende, les argiles et d'autres minéraux peuvent fournir de bonnes données, tout comme les analyses de roches entières. Les jeunes roches ont de faibles niveaux de ⁴⁰Ar, donc plusieurs kilogrammes peuvent être nécessaires. Les échantillons de roche sont enregistrés, marqués, scellés et maintenus exempts de contamination et de chaleur excessive sur le chemin du laboratoire.

Les échantillons de roche sont concassés, dans un équipement propre, à une taille qui préserve les grains entiers du minéral à dater, puis tamisés pour aider à concentrer ces grains du minéral cible. La fraction de taille sélectionnée est nettoyée aux ultrasons et dans des bains acides, puis séchée doucement au four. Le minéral cible est séparé à l'aide de liquides lourds, puis cueilli à la main au microscope pour l'échantillon le plus pur possible. Cet échantillon minéral est ensuite cuit doucement pendant une nuit dans un four à vide. Ces étapes aident à éliminer autant d’atmosphère ⁴⁰Ar de l'échantillon que possible avant de faire la mesure.

Ensuite, l'échantillon minéral est chauffé jusqu'à fusion dans un four à vide, chassant tout le gaz. Une quantité précise d'argon-38 est ajoutée au gaz sous forme de «pointe» pour aider à calibrer la mesure, et l'échantillon de gaz est collecté sur du charbon activé refroidi par de l'azote liquide. Ensuite, l'échantillon de gaz est nettoyé de tous les gaz indésirables tels que H₂O, CO₂, DONC₂, l'azote et ainsi de suite jusqu'à ce qu'il ne reste que gaz inertes, l'argon parmi eux.

Enfin, les atomes d'argon sont comptés dans un spectromètre de masse, une machine avec ses propres complexités. Trois isotopes d'argon sont mesurés: ³⁶Ar, ³⁸Ar et ⁴⁰Ar. Si les données de cette étape sont propres, l'abondance d'argon atmosphérique peut être déterminée puis soustraite pour donner le rayonnement radiogène ⁴⁰Contenu Ar. Cette "correction de l'air" repose sur le niveau d'argon-36, qui ne provient que de l'air et n'est créé par aucune réaction de décroissance nucléaire. Il est soustrait et un montant proportionnel du ³⁸Ar et ⁴⁰Ar sont également soustraits. Le reste ³⁸Ar est de la pointe, et le reste ⁴⁰Ar est radiogène. Parce que le pic est précisément connu, le ⁴⁰Ar est déterminé par comparaison avec lui.

Les variations de ces données peuvent indiquer des erreurs n'importe où dans le processus, c'est pourquoi toutes les étapes de préparation sont enregistrées en détail.

Les analyses K-Ar coûtent plusieurs centaines de dollars par échantillon et prennent une semaine ou deux.

Une variante de la méthode K-Ar donne de meilleures données en simplifiant le processus de mesure global. La clé est de placer l'échantillon de minéraux dans un faisceau de neutrons, qui convertit le potassium-39 en argon-39. Car ³⁹Ar a une demi-vie très courte, il est garanti d'être absent au préalable, c'est donc un indicateur clair de la teneur en potassium. L'avantage est que toutes les informations nécessaires à la datation de l'échantillon proviennent de la même mesure d'argon. La précision est plus grande et les erreurs sont plus faibles. Cette méthode est communément appelée «datation argon-argon».

La procédure physique pour ⁴⁰Ar-³⁹La datation Ar est la même sauf pour trois différences:

• Avant que l'échantillon minéral ne soit placé dans l'étuve à vide, il est irradié avec des échantillons de matériaux standard par une source de neutrons.
• Il n'y a pas ³⁸Ar spike nécessaire.
• Quatre isotopes Ar sont mesurés: ³⁶Ar, ³⁷Ar, ³⁹Ar et ⁴⁰Ar.

L'analyse des données est plus complexe que dans la méthode K-Ar car l'irradiation crée des atomes d'argon à partir d'autres isotopes en plus ⁴⁰K. Ces effets doivent être corrigés et le processus est suffisamment complexe pour nécessiter des ordinateurs.

Les analyses Ar-Ar coûtent environ 1000 $ par échantillon et prennent plusieurs semaines.

La méthode Ar-Ar est considérée comme supérieure, mais certains de ses problèmes sont évités dans l'ancienne méthode K-Ar. En outre, la méthode moins coûteuse K-Ar peut être utilisée à des fins de dépistage ou de reconnaissance, économisant Ar-Ar pour les problèmes les plus exigeants ou les plus intéressants.

Ces méthodes de datation sont en constante amélioration depuis plus de 50 ans. La courbe d'apprentissage a été longue et est loin d'être terminée aujourd'hui. À chaque incrément de qualité, des sources d'erreur plus subtiles ont été trouvées et prises en compte. De bons matériaux et des mains qualifiées peuvent donner des âges qui sont certains à 1% près, même dans les roches âgées de 10 000 ans seulement, dans lesquelles des quantités de ⁴⁰Ar sont extrêmement petits.